冬季覆蓋作物秸稈還田對(duì)雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響

唐海明,肖小平,李 超,湯文光,郭立君,汪 柯,孫玉桃,程凱凱,孫 耿,潘孝晨

湖南省土壤肥料研究所, 長沙 410125

微生物是土壤生物中最重要的組成部分,它是土壤環(huán)境質(zhì)量重要的指標(biāo),在土壤理化特性、生態(tài)環(huán)境、作物生長等方面具有十分重要的意義[1]。土壤微生物群落功能多樣性能反映土壤中微生物的生態(tài)特征,它是土壤微生物群落狀態(tài)與功能重要的指標(biāo)。目前,測定土壤微生物群落功能多樣性的方法較多,其中,Biolog微平板分析法是測定土壤微生物功能和結(jié)構(gòu)多樣性較為普遍的方法[2];該種方法是通過測試微生物對(duì)單一能源碳利用程度,來反映微生物群體水平的生理輪廓[3]。常用的方法是用Biolog-GN板進(jìn)行碳源的測試,該方法基本能測定所有能源碳的種類[4];且操作簡單,獲得數(shù)據(jù)量豐富,能反映微生物種群的總體活性,近十幾年在微生物生態(tài)及環(huán)境微生物檢測方面應(yīng)用均十分廣泛[5]。

土壤微生物群落功能多樣性易受稻田生態(tài)環(huán)境變化的影響,近年來,大量的學(xué)者主要開展了不同種植制度、作物類型和品種、土地利用方式、土壤類型、土壤理化特性、施肥模式、秸稈還田、土壤耕作、水分管理等條件下對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性影響的研究,Buenemann等[6]研究結(jié)果表明,不同的種植制度和作物類型對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性均具有顯著的影響。張杰等[7]開展不同土地利用方式下土壤微生物群落功能多樣性,結(jié)果表明退田還湖有利于恢復(fù)濕地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。時(shí)鵬等[8]研究認(rèn)為,玉米連作配施秸稈和撂荒均有利于提高土壤微生物代謝活性和土壤微生物群落功能多樣性。Garland等[2]研究結(jié)果表明,不同土壤類型的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。Hu等[9]研究表明,長期平衡施肥使土壤微生物量碳、氮和微生物功能活性增強(qiáng)。侯曉杰等[10]認(rèn)為,合理施用肥料有利于增強(qiáng)土壤碳源平均顏色變化率(AWCD),顯著增加微生物功能多樣性。徐一蘭等[11]、羅希茜等[12]和徐萬里等[13]認(rèn)為,有機(jī)肥與無機(jī)肥配施均有利于提高土壤微生物多樣性。周文新等[14]研究結(jié)果表明,67%和100%稻草還田措施對(duì)土壤微生物功能多樣性具有明顯的增加作用,其中以67%稻草還田處理的效果為最佳。然而有研究結(jié)果表明,長期施用無機(jī)氮肥降低了土壤微生物活性[15]。

湖南是我國主要的雙季稻區(qū),保持該區(qū)域稻田土壤肥力的穩(wěn)定和持續(xù)是水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ),對(duì)于保障國家糧食生產(chǎn)安全具有重要的戰(zhàn)略意義。農(nóng)田冬季覆蓋作物是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國南方稻區(qū)約有冬閑田2.0×107hm2,利用冬閑田發(fā)展冬季農(nóng)業(yè),其中油菜(BrassicanapusL.)5.89×106hm2、紫云英(AstragalussinicusL.)1.86×106hm2、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)1.22×106hm2和黑麥草(LoliummultiflorumL.)7.67×105hm2 [16]。在該區(qū)域冬季具有優(yōu)越的溫、光、水、土等自然資源,若能充分利用豐富的自然資源和冬閑田開展冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn),可增加冬季稻田綠色作物覆蓋度,有利于減少農(nóng)田冬季裸露和土壤流失、增加碳氮蓄積、改善土壤理化性狀,從而增加后茬水稻產(chǎn)量和保持農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展[17-18]。目前,在該區(qū)域?qū)Σ煌靖采w作物秸稈還田后對(duì)雙季稻田土壤養(yǎng)分、土壤部分理化特性、溫室氣體排放、后茬水稻生物學(xué)和理化特性及水稻產(chǎn)量等方面影響進(jìn)行了相應(yīng)的研究[19-23],但關(guān)于冬季覆蓋作物秸稈還田后對(duì)早、晚稻成熟期稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響還有待進(jìn)一步開展。因此,本研究選擇南方雙季稻區(qū)4種具有代表性的冬季作物,以冬閑-雙季稻種植模式為對(duì)照,利用Biolog-GN技術(shù),初步探討了黑麥草、紫云英、馬鈴薯和油菜-雙季稻4種種植模式條件下雙季稻田水稻根際土壤微生物功能的響應(yīng),從而為科學(xué)評(píng)價(jià)不同冬季覆蓋作物-雙季稻高效種植模式的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在湖南省華容縣三封寺鎮(zhèn)群力村試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為紫潮泥。試驗(yàn)開始于2014年10月,試驗(yàn)前耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分性狀為：有機(jī)質(zhì)30.96 g/kg,全氮2.01 g/kg,全磷0.48 g/kg,全鉀17.7 g/kg,堿解氮166.6 mg/kg,有效磷10.04 mg/kg,速效鉀72.0 mg/kg,pH值6.20。試驗(yàn)地屬濕潤性大陸季風(fēng)氣候,年均氣溫17.0—18.0 ℃,年均降水量1200 mm,≥10 ℃活動(dòng)積溫5000—5600℃,無霜期260 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：冬閑-雙季稻(CK)、黑麥草-雙季稻(Ry)、紫云英-雙季稻(Mv)、油菜-雙季稻(Ra)和馬鈴薯-雙季稻(Po),每處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積50.0 m2,規(guī)格為20.0 m(長)×2.5 m(寬)。不同小區(qū)間用塑料薄膜包埂隔離,保證單獨(dú)肥水管理;冬季作物和水稻生育期具體的肥料用量及田間管理措施見表1。早稻和晚稻生育期,稻田水分管理采用前期淺薄灌溉、中期烤田和后期干濕交替的管理模式,其他管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。每年的施肥方法和田間管理措施如灌溉、使用機(jī)械、噴灑農(nóng)藥等均一致。

表1 雙季稻田冬季作物和水稻生長期田間管理措施

1.3 樣品采集與測定方法

2017年,分別于早稻成熟期(7月15日)和晚稻成熟期(10月17日)進(jìn)行土壤樣品的采集,每個(gè)小區(qū)采取多點(diǎn)取樣法采集水稻根際土壤組成一個(gè)樣品,重復(fù)3次。根際土壤取樣方法采用“抖根法”,即先將植株根系從曬田后的稻田土壤中挖出,抖掉與根系松散結(jié)合的土體,然后將與根系緊密結(jié)合在0—4 mm范圍的土壤用刷子刷下來作為根際土壤[24]。剔除土壤中石礫及植物殘茬等雜物后,迅速裝入塑料袋并放置于冰盒中,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,4℃冰箱保存,Biolog-GN分析在取樣后48 h內(nèi)進(jìn)行。同時(shí),在晚稻成熟期收獲時(shí)采集各處理0—20 cm土壤新鮮樣品,風(fēng)干過篩,用于測定土壤pH值(土∶水=1∶2.5)、有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀容量法)、全氮(重鉻酸鉀-硫酸消化法)、堿解氮(堿解擴(kuò)散法)、有效磷(NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)以及速效鉀含量(NH4Ac浸提-火焰光度法)[25]。

試驗(yàn)使用的Biolog-GN測試板共96孔。測試板的第1個(gè)孔為不含任何C源的對(duì)照,其余每孔中含有1種C源和氧化還原染料四氮唑藍(lán)。微生物利用碳源進(jìn)行呼吸使氧化還原電勢(shì)發(fā)生變化,并將四唑類(TV)從無色還原成紫色[26]。通過測定各板孔的吸光值及其變化來反映微生物群落代謝功能的多樣性。具體實(shí)驗(yàn)步驟是,取經(jīng)預(yù)培養(yǎng)(26℃下培養(yǎng)4—6 h)的新鮮土樣10 g,加95 mL無菌的0.145 mol/L NaCl溶液在搖床上振蕩15 min(5 g土壤+95 mL無菌水),然后用無菌水分步稀釋至10-3,取上清液(125 μL)接種到測試板的每個(gè)孔中,將接種好的測試板放至25℃下培養(yǎng),每隔12 h在波長為590 nm的Biolog讀數(shù)器上讀數(shù),實(shí)驗(yàn)持續(xù)12 d[27]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)公式(1)計(jì)算測試板孔中溶液吸光值平均變化率(average well color development, AWCD);用OD590>0.15的微孔數(shù)作為相應(yīng)樣品土壤Richness指數(shù)(用于評(píng)估物種的豐富度)[28];根據(jù)公式(2)計(jì)算Shannon指數(shù)H(用于評(píng)估物種的豐富度);根據(jù)公式(3)計(jì)算McIntosh指數(shù)U(用于評(píng)估群落物種均勻度)[2, 29]。

AWCD =∑ (C-R)/n

(1)

H=-∑Pi(lnPi)

(2)

(3)

式中,C為每個(gè)有碳源孔的吸光值,R為對(duì)照孔的吸光值,n為碳源孔數(shù),GN板n值為95。Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與所有反應(yīng)孔相對(duì)吸光值總和的比值,即：Pi=(C-R)/∑(C-R)。

數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析采用Excel 2003軟件進(jìn)行,方差分析、主成分分析和多重比較采用DPS 3.11(Data Processing System for Practical Statistics)軟件進(jìn)行,多重比較采用LSD法(P<0.05);利用CANOCO軟件包進(jìn)行CCA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 板孔平均顏色變化率

平均顏色變化率(AWCD)是表示土壤微生物群落利用單一碳源能力的一個(gè)重要指標(biāo),它反映了土壤微生物活性和群落生理功能多樣性[2]。各處理根際土壤AWCD在早稻和晚稻成熟期的變化如圖1中所示,各處理根際土壤AWCD整體呈增加的變化趨勢(shì)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,各處理根際土壤AWCD不斷增加;一直持續(xù)到第108 h以后,緩慢上升。

在培養(yǎng)時(shí)間結(jié)束后(276 h),各處理根際土壤AWCD測定結(jié)果表明,不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理對(duì)AWCD具有明顯的影響(圖1)。早稻成熟期,各冬季覆蓋作物秸稈還田處理的AWCD均高于冬閑-雙季稻(CK)處理,以馬鈴薯-雙季稻(Po)處理均為最高,均顯著高于黑麥草-雙季稻(Ry)、油菜-雙季稻(Ra)和CK處理(P<0.05);其次是紫云英-雙季稻(Mv)處理,均顯著高于Ra和CK處理(P<0.05)。晚稻成熟期,Po、Ra和Mv處理的AWCD均顯著高于CK處理(P<0.05),以Po處理均為最高,均顯著高于Ry、Mv和CK處理(P<0.05);其次是Ra處理,均顯著高于Ry和CK處理(P<0.05);Mv處理的AWCD均高于Ry處理,但兩者間均無顯著性差異(P>0.05)。

圖1 早稻和晚稻成熟期不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理水稻根際土壤微生物吸光值A(chǔ)WCDFig.1 AWCD changes with incubation progress during early and late rice maturity stages with different straw recycling of winter covering cropsRy：黑麥草-雙季稻ryegrass-double cropping rice;Mv：紫云英-雙季稻 Chinese milk vetch-double cropping rice;Ra：油菜-雙季稻 rape-double cropping rice;Po：馬鈴薯-雙季稻 potato-double cropping rice;CK：冬閑-雙季稻 fallow-double cropping rice。結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤 Results stand for means ± standard errors

2.2 土壤微生物群落代謝多樣性變化

水稻成熟期的根際土壤Richness指數(shù)、Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)可反映土壤微生物物種的豐富度、群落物種的均勻度。表2中表明,各冬季覆蓋作物秸稈還田處理提高了水稻根際土壤的Richness指數(shù)、Shannon指數(shù)和McIntosh指數(shù)。早稻和晚稻成熟期,Po處理Richness指數(shù)和Shannon指數(shù)均顯著高于CK(P<0.05),其大小順序分別表現(xiàn)為Po>Ry>Mv>Ra>CK和Po>Ra>Mv>Ry>CK。Po處理的McIntosh指數(shù)均為最高,表明馬鈴薯秸稈還田處理下根際土壤的物種均勻度最高,其次為Mv處理,而冬閑對(duì)照處理為最低。試驗(yàn)結(jié)果表明,各處理間水稻根際土壤的均勻度與群落豐富度間存在一定的差異。

表2水稻成熟期不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理根際土壤微生物群落多樣性指數(shù)值

Table2Geneticdiversityindicesofrhizosphericsoilmicrobialcommunitiesfordifferentstrawrecyclingofwintercoveringcropstreatmentsatearlyandlatericematuritystages

水稻Rice處理TreatmentsRichness指數(shù) Richness indexShannon指數(shù) Shannon indexMcIntosh指數(shù) McIntosh index早稻Early riceRy16.43±0.48ab2.64±0.07a5.68±0.14bcMv16.05±0.45ab2.52±0.07ab6.06±0.17abRa15.68±0.46ab2.47±0.08bc5.18±0.18cPo16.77±0.47a2.73±0.07a6.25±0.16aCK15.04±0.43b2.34±0.06c4.63±0.13d晚稻Late riceRy13.87±0.43ab2.45±0.08bc5.32±0.18cMv14.16±0.42ab2.57±0.07ab5.72±0.17bcRa14.48±0.41ab2.69±0.07a6.14±0.16abPo14.92±0.40a2.78±0.07a6.38±0.15aCK13.28±0.38b2.33±0.06c4.74±0.14d

Ry：黑麥草-雙季稻ryegrass-double cropping rice;Mv：紫云英-雙季稻 Chinese milk vetch-double cropping rice;Ra：油菜-雙季稻 rape-double cropping rice;Po：馬鈴薯-雙季稻 potato-double cropping rice;CK：冬閑-雙季稻 fallow-double cropping rice。結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤 Results stand for means ± standard errors。同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá)到5%的顯著水平 Means in each column with different letters are significantly different at theP< 0.05 level

2.3 水稻根際土壤微生物群落代謝功能主成分分析

根據(jù)前人的研究結(jié)果,所提取的成分一般要求其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則[30],在本試驗(yàn)中共提取了8個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)86.22%和87.35%。其中,早稻成熟期第1主成分(PC1)的方差貢獻(xiàn)率為33.26%,第2主成分(PC2)為16.57%,第3—8主成分貢獻(xiàn)率均較小,分別為8.85%、7.75%、6.28%、5.38%、4.28%和3.85%;晚稻成熟期,PC1的方差貢獻(xiàn)率為35.57%,PC2為17.58%,第3—8主成分貢獻(xiàn)率均較小,分別為8.63%、7.15%、6.26%、4.57%、4.03%和3.56%,因此本文只對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析(圖2)。

分析結(jié)果表明,不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理在PC軸上存在明顯的差異,在PC1軸上各處理分布分散,CK處理主要分布在負(fù)方向,而Po、Ra和Ry處理主要分布在PC1軸正方向;PC2軸上CK處理分布在負(fù)方向,Po處理分布在正方向,其中Ry處理在PC2正、負(fù)軸上均有分布。

圖2 水稻成熟期不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理根際土壤微生物碳源利用類型主成分分析Fig.2 Principal components analysis for carbon utilization of rhizospheric soil microbial communities in different straw recycling of winter covering crops treatments at early and late rice maturity stages

按與PC1和PC2相關(guān)系數(shù)的大小,本研究選擇對(duì)位于前12個(gè)碳源進(jìn)行分析,分析結(jié)果顯示,對(duì)PC1和PC2影響作用較大的碳源物質(zhì)主要氨基酸和糖類物質(zhì)(表3)。在PC1中,碳源為氨基酸類物質(zhì)所占比例達(dá)58.3%;而在PC2中,碳源為糖類物質(zhì)所占比例達(dá)83.3%;因此,區(qū)分各個(gè)不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理間碳源的主要物質(zhì)為氨基酸和糖類物質(zhì)。

表3土壤中與PC1和PC2相關(guān)顯著的主要培養(yǎng)基

Table3MainsubstrateswithhighcorrelationcoefficientsforPC1andPC2PCAofdiversitypatternsfordifferentstrawrecyclingofwintercoveringcropstreatments

主成分1 PC1主成分2 PC2培養(yǎng)基類型 Substratesr培養(yǎng)基類型 Substratesr培養(yǎng)基類型 Substratesr培養(yǎng)基類型 SubstratesrD-甘露醇(糖類)D-Mannitol0.875L-脯氨酸(氨基酸類)L-Prolin0.809L-天門酰氨酸(氨基酸類)L-Asparagine0.874L-阿拉伯糖(糖類)L-Arabinos0.802D-葡萄糖胺酸(羧酸類)D-Gjucosam inicacid0.856D-丙氨酸(氨基酸類)D-Alanine0.789麥芽糖(糖類)Maltose0.867D-果糖(糖類)D-Fructose0.793L-絲氨酸(氨基酸類)L-Serine0.841L-天門冬氨酸(氨基酸類)L-Asparticaci0.781β-甲基-D-葡萄糖苷(糖類)L-Methyl-D-glucoside0.856D-甘露醇(糖類)D-Mannitol0.745L-焦谷氨酸(氨基酸類)L-Pyroglutamic acid0.833甲基丙酮酸(酯類)Pyruvic acid methylester0.753D-纖維糖(糖類)D-Cellobisoe0.836N-乙酰-D-葡萄糖胺(糖類)N-Acetyl-D-glucosamine0.734L-亮氨酸(氨基酸類)L-Leucine0.825D-葡萄糖酸(羧酸類)D-Gluconic acid0.7456-磷酸葡萄糖(糖類)Glucose-6-phosphate0.823D-木糖醇(糖類)D-Xylose0.713α-D-葡萄糖(糖類)α-D-Glucose0.812γ-氨基丁酸(氨基酸類)γ-Aminobutyric acid0.7261-磷酸葡萄糖(糖類)Glucose-1-phosphate0.815丙二酸(羧酸類)Malonic acid0.705

本試驗(yàn)選擇對(duì)不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理具體利用的前6種碳源進(jìn)行分析,不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理根際土壤微生物利用的碳源物質(zhì)代碼如表4中所示。稻田土壤化學(xué)性質(zhì)變化與根際土壤微生物碳源利用物質(zhì)之間的相互關(guān)系分析結(jié)果表明,從稻田土壤微生物碳源利用組成在雙軸空間上的分布來看,糖類和羧酸類物質(zhì)主要分布在軸1的右邊,氨基酸類、酯類和部分糖類物質(zhì)主要分布在軸1的左邊。軸1右邊與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量均表現(xiàn)出正相關(guān),糖類和羧酸類物質(zhì)主要受土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量的影響;土壤有效磷和速效鉀含量均是影響氨基酸類和部分糖類物質(zhì)的主要環(huán)境變量(圖3)。

表4CCA分析中各處理微生物利用的主要碳源代碼

Table4Codesofmaincarbonsubstratesutilizedbyrhizosphericsoilmicrobialcommunitiesunderdifferentstrawrecyclingofwintercoveringcropstreatmentsforcanonicalcorrespondenceanalysis

編號(hào) Code碳源 Carbon substrates編號(hào) Code碳源 Carbon substratesA1D-甘露糖(糖類) D-MannoseB1D-纖維糖(糖類) D-CellobisoeA2L-焦谷氨酸(氨基酸類) L-Pyroglutamic acidB2L-阿拉伯糖(糖類) L-ArabinoseA3D-半乳糖(糖類) D-GalactoseB3N-乙酰-D-葡萄糖胺(糖類) N-Acetyl-D-glucosamineA4D-葡萄糖酸(羧酸類) D-Gluconic acidB4D-甘露醇(糖類) D-MannitolA5L-絲氨酸(氨基酸類) L-SerineB51-磷酸葡萄糖(糖類) Glucose-1-phosphateA6D-丙氨酸(氨基酸類) D-AlanineB6L-天門酰氨酸(氨基酸類)L-AsparagineA7甲基丙酮酸(酯類) Pyruvic acid methylesterB7β-甲基-D-葡萄糖苷(糖類) L-Methyl-D-glucosideA8L-亮氨酸(氨基酸類) L-LeucineB8D-果糖(糖類) D-FructoseA9D-葡萄糖胺酸(羧酸類)D-Gjucosam inicacidB9N-乙?；?D-半乳糖胺(糖類) N-Acetyl-D-galactosamineA10L-天門冬氨酸(氨基酸類) L-AsparticaciB10D-木糖醇(糖類) D-XyloseA11L-脯氨酸(氨基酸類) L-ProlinB116-磷酸葡萄糖(糖類) Glucose-6-phosphateA12α-D-葡萄糖(糖類) α-D-GlucoseB12丙二酸(羧酸類) Malonic acidA13γ-氨基丁酸(氨基酸類) γ-Aminobutyric acidB13麥芽糖(糖類) Maltose

3 討論

前人研究結(jié)果表明,土壤碳源平均顏色變化率(AWCD)大小可用來表示土壤微生物對(duì)碳源利用能力和代謝活性的大小,作為土壤微生物活性的有效指標(biāo)[31]。周文新等[14]研究認(rèn)為,稻草還田有利于改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能,提高土壤微生物群落代謝能力(AWCD)和功能多樣性(豐富度與多樣性指數(shù))。在本研究中,不同冬季覆蓋作物秸稈還田措施對(duì)稻田根際土壤微生物群落碳源利用能力具有明顯的影響。與冬閑-雙季稻對(duì)照相比,各冬季覆蓋作物秸稈還田措施均增加了AWCD,這表明施入外源冬季覆蓋作物秸稈措施均有利于維持根際土壤微生物的碳源利用能力,其原因可能是由于外源有機(jī)物(冬季覆蓋作物秸稈)的施用,不同的有機(jī)物中含有豐富的碳含量和營養(yǎng)物質(zhì),還田后能為土壤微生物的活動(dòng)提供豐富的碳源和物質(zhì)來源,增加了土壤微生物的活性[11]。在各個(gè)冬季覆蓋作物秸稈還田處理中,均以馬鈴薯秸稈還田措施增加AWCD效果為最佳,這可能是由于馬鈴薯莖葉、稻草秸稈還田配施化肥后N、P、K養(yǎng)分均衡且C/N適宜,秸稈中養(yǎng)分釋放較快,促進(jìn)了微生物的分解[32];另一方面,馬鈴薯秸稈還田處理可能改變了根際土壤微生物的優(yōu)勢(shì)種群,增加了其對(duì)所測試碳源的利用率;同時(shí),馬鈴薯秸稈還田量、秸稈中碳含量和碳還田量也可能是影響與土壤碳循環(huán)微生物活動(dòng)的重要因素[33]。早稻成熟期,黑麥草和紫云英秸稈還田措施也增加了AWCD,這可能是黑麥草和紫云英秸稈在早稻生育期較易進(jìn)行分解、釋放養(yǎng)分,促進(jìn)了土壤微生物的活性[23],從而增強(qiáng)了微生物對(duì)碳源的利用率。晚稻成熟期,油菜秸稈還田措施也增加了AWCD,其原因可能是油菜還田秸稈在早稻生育期的分解進(jìn)程較緩慢、晚稻生育期仍有部分秸稈進(jìn)行分解、釋放養(yǎng)分[22- 23],從而促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng),增加了其AWCD。

前人研究結(jié)果表明,物種豐富度(Richness指數(shù)、Shannon指數(shù))和均勻度指數(shù)(McIntosh指數(shù))是表征土壤微生物群落多樣性的常用指標(biāo)[2]。在本研究中,對(duì)各處理土壤Richness、Shannon和McIntosh指數(shù)分析結(jié)果顯示,不同冬季覆蓋作物秸稈還田措施對(duì)稻田根際土壤微生物群落多樣性有顯著的影響,各個(gè)秸稈還田處理中根際土壤微生物物種的數(shù)量、各個(gè)物種的均勻度均有差異。在不同冬季覆蓋作物秸稈還田措施條件下,馬鈴薯秸稈還田措施最有利于提高根際土壤微生物群落物種數(shù)量、各物種的均勻度,這可能是由于馬鈴薯莖葉、稻草秸稈還田配施化肥后N、P、K養(yǎng)分均衡且C/N適宜有利于根際土壤微生物的生長;且所釋放的養(yǎng)分有利于培肥土壤,能為土壤微生物提供較多的能源與養(yǎng)分,促進(jìn)根際土壤微生物大量繁殖[34],加快微生物的新陳代謝;同時(shí),馬鈴薯莖葉、稻草秸稈中均含有豐富的碳含量[33],該種還田措施下增加了土壤中C的還田量,增強(qiáng)了與碳利用相關(guān)土壤微生物活性。因此,馬鈴薯秸稈還田措施能顯著提高根際土壤微生物活性,增強(qiáng)了碳源利用能力(圖1),而其群落多樣性也得到提高。與冬閑-雙季稻對(duì)照相比,黑麥草和紫云英秸稈還田措施增加了早稻根際土壤微生物的物種豐富度,油菜和紫云英秸稈還田措施增加了晚稻根際土壤微生物的物種豐富度和均勻度指數(shù),這可能是黑麥草和紫云英秸稈還田后在早稻生育期較易進(jìn)行分解、釋放養(yǎng)分[35- 36],為土壤微生物的活動(dòng)提供了物質(zhì)來源,增加微生物物種的數(shù)量;而油菜和紫云英秸稈在晚稻生育期仍有部分秸稈進(jìn)行分解、釋放養(yǎng)分[22- 23],也促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng),增強(qiáng)了土壤微生物種群的生長代謝,從而增加了根際土壤微生物的物種豐富度和群落均勻度。在早稻和晚稻季,各冬季覆蓋作物秸稈還田處理間根際土壤的物種豐富度和均勻度指數(shù)大小順序均存在一定的差異,這可能與冬季覆蓋作物秸稈類型、秸稈還田量[22- 23]、秸稈中碳含量[19, 33]、碳還田量[19- 20, 33]、還田后在土壤中的分解速率[35- 36]、早稻和晚稻生育期外界氣候條件[21]不同密切相關(guān)。

前人研究認(rèn)為,主成分分析表明在不同措施下土壤微生物碳源利用能力的差異水平,各樣品在主成分軸上分布與微生物對(duì)碳源底物利用能力的關(guān)系密切[12]。Garland等[2]研究結(jié)果表明,各試驗(yàn)樣本在PC軸坐標(biāo)上的差異與在該P(yáng)C軸上碳源利用能力之間是相互對(duì)應(yīng)的。在本試驗(yàn)的主成分分析中,對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行了分析,結(jié)果表明不同冬季覆蓋作物秸稈還田措施下根際土壤微生物的碳源利用能力存在顯著差異(圖2)。其原因是一方面,土壤有機(jī)物質(zhì)含量和組成變化及土壤化學(xué)性質(zhì)變化是影響不同冬季覆蓋作物秸稈還田措施下土壤微生物碳源代謝特征的重要原因之一,冬季覆蓋作物秸稈中含有大量碳水化合物以及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,還田后影響稻田土壤有機(jī)物質(zhì)含量和組成、部分土壤養(yǎng)分含量[20]、土壤化學(xué)性質(zhì)與根際土壤微生物碳源利用物質(zhì)之間相關(guān)性(圖3),使土壤微生物群落發(fā)生很大變化[37]。另一方面,土壤團(tuán)聚體是微生物生長的重要微環(huán)境,土壤微生物與土壤團(tuán)聚體數(shù)量及質(zhì)量之間存在密切的關(guān)系,不同冬季覆蓋作物秸稈還田后對(duì)土壤團(tuán)聚體具有明顯的影響[19],影響到土壤微生物群落特征,使土壤微生物碳源代謝類型發(fā)生改變。在根際土壤微生物利用碳源方面,周文新等[14]研究認(rèn)為,稻草還田處理所利用的碳源主要包括β-甲基—D-糖化物、甲基丙酮酸D-木糖醇等9種物質(zhì)。在本試驗(yàn)冬季覆蓋作物-雙季稻種植模式條件下,采取不同冬季覆蓋作物秸稈還田措施雙季稻田根際土壤微生物利用的主要碳源為氨基酸類和糖類物質(zhì)(表3),這可能是因?yàn)橥寥乐屑尤胪庠从袡C(jī)物質(zhì)后,顯著提高了氨基酸和單糖等物質(zhì)的含量,土壤微生物可以利用的碳源趨于穩(wěn)定[12],促進(jìn)偏好氨基酸類、單糖糖類物質(zhì)為碳源的微生物群落的發(fā)育;但不同的冬季覆蓋作物秸稈還田措施處理間根際土壤微生物所利用的氨基酸和糖類等物質(zhì)存在明顯的差異,其原因?yàn)椴煌愋徒斩掃€田后對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)具有明顯的影響[20],影響與根際土壤微生物碳源利用物質(zhì)之間相關(guān)性(圖3),對(duì)各處理根際土壤微生物所利用物質(zhì)造成顯著的差異,各處理間根際土壤微生物所利用的物質(zhì)類型可作為劃分各處理間對(duì)根際土壤微生物影響的依據(jù)[38- 39]。

4 結(jié)論

與冬閑-雙季稻處理相比,各冬季覆蓋作物秸稈還田處理提高了雙季稻田根際土壤微生物對(duì)碳源的利用程度(AWCD)。冬季覆蓋作物秸稈還田處理均有利于維持雙季稻田根際土壤微生物群落多樣性,特別是馬鈴薯秸稈還田處理能提高稻田根際土壤微生物物種的豐富度和群落物種的均勻度,冬閑對(duì)照處理降低了稻田根際土壤微生物群落均勻度。土壤微生物碳源利用主成分分析結(jié)果表明,各冬季覆蓋作物秸稈還田處理根際土壤微生物利用的主要碳源為氨基酸類和糖類物質(zhì),不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理間稻田根際土壤微生物群落在碳源利用類型上存在明顯的差異,冬季覆蓋作物秸稈還田措施增加了稻田根際土壤微生物群落在碳源利用上的變異程度。運(yùn)用典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)方法對(duì)稻田土壤化學(xué)性質(zhì)變化與根際土壤微生物碳源利用物質(zhì)之間的關(guān)系分析結(jié)果表明,不同冬季覆蓋作物秸稈還田處理根際土壤微生物利用的主要碳源糖類和羧酸類物質(zhì)主要受土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量的影響,土壤有效磷和速效鉀含量均是影響氨基酸類和部分糖類物質(zhì)的主要環(huán)境變量。