不同培肥方式對土壤有機碳與微生物群落結(jié)構(gòu)的影響*

李 倩, 馬 琨, 冶秀香, 楊金娟, 牛紅霞, 馬 玲

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不同培肥方式對土壤有機碳與微生物群落結(jié)構(gòu)的影響*

李 倩1,2?, 馬 琨2?, 冶秀香1, 楊金娟1, 牛紅霞1, 馬 玲1

(1. 寧夏大學農(nóng)學院 銀川 750021; 2. 寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地 銀川 750021)

為揭示旱作區(qū)耕地土壤有機碳累積規(guī)律及其與土壤微生物群落間的相互作用機制, 試驗采用磷脂脂肪酸(PLFA)指紋圖譜及土壤腐殖質(zhì)形態(tài)分組的方法, 通過田間定位試驗, 研究了馬鈴薯-馬鈴薯-油用向日葵-馬鈴薯-油用向日葵輪作模式下, 有機、無機肥配施(不施肥、單施化肥、化肥配施牛糞、化肥配施羊糞、化肥配施生物有機肥、化肥配施黃腐酸鉀)對土壤有機碳累積、土壤腐殖質(zhì)形態(tài)的影響及其與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)間的相互關系。結(jié)果表明: 在連續(xù)培肥5年間, 隨培肥時間延長, 土壤有機碳呈波動性上升趨勢。與對照相比, 化肥配施牛糞、化肥配施羊糞處理土壤有機碳以年6.61%和8.97%的增長率累積增加, 不同處理外源有機碳含量及有機肥種類的差異影響了土壤有機碳的累積速率?；逝涫└吡坑袡C肥(化肥+羊糞、化肥＋牛糞)處理顯著提高了土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量及松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比例, 且以PLFA表征的土壤細菌、真菌、放線菌、原生動物、土壤微生物群落總生物量與對照處理間均有顯著性差異(<0.05)。與對照相比, 各施肥處理的革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌(G+/G-)值均呈降低趨勢; 但不同有機無機相結(jié)合的土壤培肥方式對土壤G+/G-的比例沒有顯著差異。多元分析表明, 基于土壤微生物主要類群磷脂脂肪酸含量的排序軸與基于土壤有機碳、腐殖質(zhì)形態(tài)的排序軸之間相關性(1=0.568,2=0.611)較好, 累積變量在98.69%上揭示不同有機無機培肥措施影響下的土壤微生物群落生物量與環(huán)境因子間的相互關系。土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量與土壤G+/G-比值正相關。外源有機碳的施入促進了土壤緊結(jié)態(tài)腐殖碳向穩(wěn)結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化; 較高量外源有機碳施入有助于提升土壤細菌、真菌的生物量?？傮w而言, 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化是受有機無機培肥措施所引起的土壤有機碳含量、腐殖質(zhì)形態(tài)變化驅(qū)動; 化肥配施牛糞和化肥配施羊糞有利于土壤有機碳積累和松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的形成, 促進土壤中微生物生物量提高。研究結(jié)果可為寧夏中部干旱區(qū)土壤合理培肥提供科學依據(jù)。

有機無機培肥; 土壤有機碳; 微生物群落; 松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì); 緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì); 磷脂脂肪酸

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分, 對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能至關重要[1]。土壤有機質(zhì)含量高低反映了有機碳的輸入和礦化之間的長期平衡關系, 土壤有機碳的轉(zhuǎn)化對維持土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)的長期生產(chǎn)力有重要作用[2]。有研究表明: 有機肥與化肥配施是砂姜黑土的最佳培肥模式[3], 是提升紅壤水稻土有機質(zhì)數(shù)量、質(zhì)量的最佳培肥措施[4]。有機、無機肥配施能夠降低土壤有機碳的抗氧化能力, 顯著增加土壤活性有機碳及腐殖質(zhì)各組分的含量[5]。肥料配比方式、耕作制度、作物類別的不同都會導致土壤物理、化學和生物學特性的改變而引起培肥效果的差異。土壤有機質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量在很大程度上決定了土壤的肥力和生產(chǎn)力, 有機、無機肥配施是保持土壤可持續(xù)生產(chǎn)力的有效途徑。

土壤微生物會影響土壤有機質(zhì)的分解及土壤發(fā)育過程[6-7]。相關研究認為, 土壤微生物多樣性和活性是可持續(xù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的標志, 土壤微生物多樣性和豐度是生態(tài)系統(tǒng)維護的基礎[8-9]。土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能的變化很大程度上是由土壤有機質(zhì)差異造成的。因此, 土壤有機碳含量被認為是決定土壤微生物動力學的主要因素[10]。Wei等[11]通過連續(xù)35年不同培肥方式對土壤微生物影響的研究認為, 施肥對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響是通過調(diào)節(jié)鈣質(zhì)潮土中土壤碳和養(yǎng)分的有效性來實現(xiàn)的。施入土壤中外源有機碳及土壤易分解有機碳含量的提高都會影響土壤微生物生物量和微生物活性[12-13]。有機碳的輸入增加了土壤細菌和真菌的PLFA生物標記[10]; 與單施化肥相比, 有機肥的施用顯著提高了土壤中以PLFA表征的總微生物生物量、細菌、革蘭氏陽性菌的生物量, 但革蘭氏陰性菌、放線菌、真菌的生物量降低, 革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌(G+/G-)比值增大, 真菌/細菌(F/B)比值降低[11]。然而, 郭蕓等[14]發(fā)現(xiàn), 長期有機、無機肥配施不僅顯著提高了土壤微生物總PLFA和真菌、細菌、放線菌的生物量, 也提高了F/B的比值; 在短期內(nèi), 無機和有機肥料配施對土壤細菌多樣性及其活性的影響相對較小[15]。土壤有機碳的積累量及有機碳對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響是否會因施入有機肥種類的不同而存在差異?

寧夏中部干旱區(qū)土壤有機質(zhì)含量較低, 有機碳礦化劇烈, 土壤礦物對有機質(zhì)物理性保護作用較弱。由于自然條件差, 土壤肥力持續(xù)下降導致的農(nóng)作物生產(chǎn)形勢比較嚴峻。水資源短缺也導致當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉方式發(fā)生變化。大面積的滴灌、噴灌方式應用后, 土壤有機碳形態(tài)、累積規(guī)律及其與土壤微生物群落間的相互關系是否仍然與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理措施相一致? 我們假設, 在旱作滴灌條件下, 不同類型有機肥料與無機肥料配施, 土壤微生物群落組成的變化仍然是受土壤有機碳差異驅(qū)動的; 土壤有機碳、土壤腐殖質(zhì)主要形態(tài)組成與土壤微生物群落組成有正相關關系; 外源高量有機肥的施入對土壤有機碳的積累和微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用最顯著。為此, 本文試驗比較了化肥配施羊糞、牛糞、黃腐酸鉀和生物有機肥處理之間的差異, 旨在進一步探索肥料類型、外源有機碳輸入量對土壤有機碳和微生物群落結(jié)構(gòu)影響的作用機理。研究結(jié)果將有助于揭示旱作區(qū)土壤有機碳與土壤微生物群落組成間的相互關系及其作用機制, 能為寧夏中部干旱區(qū)土壤合理培肥提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏同心縣王團鎮(zhèn)北村(36°51′6″N, 105°54′7″E), 海拔1 568 m。年降水量272.6 mm, 年蒸發(fā)量2 740 mm。土壤類型為灰鈣土, 質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。試驗前土壤全氮0.18 g?kg-1、全磷0.65 g?kg-1、有機碳3.35 g?kg-1、堿解氮9.13 mg?kg-1、速效磷9.32 mg?kg-1、速效鉀97.08 mg?kg-1、pH為9.20。

1.2 試驗設計

試驗始于2011年, 采用馬鈴薯()-馬鈴薯-油用向日葵()-馬鈴薯-油用向日葵的輪作模式。2011年、2012年、2014年種植的馬鈴薯品種為‘冀張薯8號’、‘冀張薯8號’、‘隴薯3號’, 2013年、2015年種植油用向日葵品種為‘S606’。

試驗采用單因素隨機區(qū)組設計, 6個處理, 3次重復, 小區(qū)面積6 m×15 m。T1: 不施肥; T2: 單施化肥; T3: 化肥+牛糞, 牛糞施用總量為37 500 kg·hm-2·a-1(有機碳總量為10 110 kg·hm-2·a-1); T4: 化肥+羊糞, 羊糞施用總量為37 500 kg·hm-2·a-1(有機碳總量為12 555 kg·hm-2·a-1); T5:化肥+生物有機肥, 施用總量為1 200 kg·hm-2·a-1(有機碳總量約為210 kg·hm-2·a-1), 生物有機肥由山東泉林嘉有機肥料有限責任公司生產(chǎn), 其中芽孢桿菌(膠凍樣芽孢桿菌+巨大芽孢桿菌)≥0.2億×g-1, 黃腐酸含量約為195 kg·hm-2·a-1; T6: 化肥+黃腐酸鉀, 黃腐酸鉀施用總量1 200 kg·hm-2·a-1(有機碳總量約為315 kg·hm-2·a-1), 黃腐酸鉀含有機質(zhì)≥30%、黃腐酸≥18%、K2O≥4%。

馬鈴薯種植時各處理施肥量中N∶P2O5∶K2O= 12∶6∶7, 折合純氮390 kg·hm-2·a-1(70%基施, 30%追施)、P2O5195 kg·hm-2·a-1、K2O 210 kg·hm-2·a-1。油葵種植時N∶P2O5∶K2O=12∶6∶4, 折合純氮390 kg·hm-2·a-1(70%基施, 30%追施)、P2O5195 kg·hm-2·a-1、K2O 120 kg·hm-2·a-1, 有機肥全部基施。作物全生育期滴灌量為120 m3。

每年作物收獲時多點取樣, 采集各小區(qū)0~20 cm土層土壤樣本, 低溫儲存帶回實驗室, 過1 mm篩, 儲存在-40 ℃冰箱, 用于土壤微生物結(jié)構(gòu)(PLFA)測定。部分樣品風干, 用于土壤理化性狀測定。

1.3 分析方法

土壤總有機碳采用重鉻酸鉀容量法[16]、腐殖質(zhì)組成測定采用結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)分組法(熊毅—付積平改進法)[17]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用PLFA法。稱取相當于4 g干土重的新鮮土樣, 依照魏?；鄣萚18]的提取步驟, 利用中國科學院青藏高原研究所高寒生態(tài)研究室的Agilent 6850型氣相色譜儀, 在進樣口為250 ℃、H2流量為40 mL·min-1(0.4 MPa)、氮氣(0.4 Mpa)、色譜柱為Agilent HP-5MS, 30 μm×250 μm×0.25 μm, 柱溫: 170 ℃下測定, MIDI Sherlock脂肪酸圖譜微生物鑒定系統(tǒng)分析待檢樣品。

1.4 數(shù)據(jù)分析

DPS 9.50軟件進行方差分析和多重比較, Canoco 5.0軟件進行多元分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機肥與不同有機肥配施對土壤總有機碳累積的影響

有機無機肥配合施用是實現(xiàn)可持續(xù)肥料管理策略的一種有效途徑和方法。減少化學肥料用量, 增加有機肥料的施用可以優(yōu)化土壤微生物所驅(qū)動的土壤營養(yǎng)元素的內(nèi)部循環(huán)[19]。由圖1可以看出, 隨培肥時間的延長, 土壤有機碳呈波動性上升趨勢。有機無機肥配施5年后(2015年), 化肥配施牛糞、化肥配施羊糞處理土壤有機碳含量較試驗初期有明顯累積, 且顯著高于其他處理(<0.05)。其中, 2015年時化肥配施牛糞、化肥配施羊糞處理土壤有機碳含量較2011年培肥初期分別增加38.00%和58.98%; 與對照(T1)相比(2015年), 土壤有機碳含量也增加33.05%和44.87%?；逝涫┡＜S、化肥配施羊糞處理的土壤有機碳以年6.61%和8.97%的增長率累積增加, 與化肥配施生物有機肥、黃腐酸鉀和單施化肥處理相比, 有機碳累積速度提高12.16~16.89倍。然而, 化肥配施生物有機肥、黃腐酸鉀及單施化肥下土壤有機碳含量與對照相比無明顯差異?？梢? 土壤有機碳的累積受施入土壤有機肥中碳含量高低的影響, 較高量有機肥的施入更有利于土壤有機碳的累積。

圖1 不同有機無機肥配施處理對土壤有機碳的影響

T1、T2、T3、T4、T5、T6分別表示不施肥、單施化肥、化肥+牛糞、化肥+羊糞、化肥+生物有機肥、化肥+黃腐酸鉀。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。T1, T2, T3, T4, T5 and T6 represent blank control, inorganic fertilizer application, combined application of inorganic fertilizer and cow dung, combined application of inorganic fertilizer and sheep manure, combined application of inorganic fertilizer and bioorganic fertilizer, and combined application of inorganic fertilizer and fulvic acid potassium. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (< 0.05).

2.2 無機肥與不同有機肥配施對土壤腐殖質(zhì)形態(tài)組成的影響

土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要組成部分, 按其結(jié)合牢固程度可分為穩(wěn)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)。緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)對碳的固定和土壤結(jié)構(gòu)有較大的影響, 而松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)對土壤養(yǎng)分的釋放起著重要作用, 土壤肥力水平主要受松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)所占比例的影響[20-21]。

化肥配施不同有機肥, 隨有機肥帶入土壤有機碳含量的增加, 土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均顯著提高(表1), 不同處理間有顯著性差異(<0.05)。與化肥配施生物有機肥、化肥配施黃腐酸鉀處理(化肥配施低量有機碳)相比, 化肥配施牛糞、化肥配施羊糞處理(化肥配施高量有機碳)土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量分別提高1.34~1.65倍、1.07~1.13倍、1.36~1.52倍。與對照(T1)相比, 化肥配施高量有機碳對土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量提高的幅度明顯高于低量有機碳配施化肥處理。此外, 與化肥配施低量有機碳處理相比, 化肥配施高量有機碳處理的土壤松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比例約提高1.27~1.43倍。不施肥及單施化肥處理與其余培肥處理相比, 土壤松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)比例最低, 僅相當于無機有機配施培肥處理的32.61%~46.88%。土壤緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量未受外源有機肥施用帶入土壤有機碳數(shù)量多少的影響。與對照相比, 單施化肥僅顯著提高了土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量。持續(xù)5年培肥后, 有機無機相結(jié)合的培肥方式與對照之間土壤重組腐殖質(zhì)均有顯著性差異(<0.05)。與對照相比, 有機無機結(jié)合培肥處理的土壤重組腐殖質(zhì)含量增幅達8.83%~48.20%; 化肥配施牛糞和化肥配施羊糞處理的土壤重組腐殖質(zhì)含量較對照提高1.48~1.68倍, 與化肥配施生物有機肥、化肥配施黃腐酸鉀處理相比也提高4.10%~33.29%。

總體可見, 在化肥配施有機肥下土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的變化主要是通過降低土壤腐殖質(zhì)緊結(jié)態(tài)比例, 提高土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量以及松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)比例實現(xiàn)的。在施用化肥的基礎上施入有機肥, 使土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量提高、土壤松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)比例提升, 可能是有機無機配施培肥促進土壤養(yǎng)分釋放, 提高土壤肥力的主要原因。

2.3 無機肥與不同有機肥配施對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤中總磷脂脂肪酸代表著土壤微生物的總量, 是反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的敏感指標[22]。由表2可以看出, 無機肥與不同有機肥配施處理下以PLFA表征的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)間存在較大的差異?；逝涫┡＜S和化肥配施羊糞的土壤細菌、真菌、放線菌、原生動物、土壤微生物總磷脂脂肪酸與對照(T1)處理間均有顯著性差異(<0.05)。與對照和單施化肥處理相比, 其土壤微生物總磷脂脂肪酸分別提高1.64~3.40倍和1.92~3.99倍。化肥配施牛糞處理土壤細菌、放線菌、真菌的生物量較對照處理分別增加3.42倍、1.90倍和3.90倍, 但以PLFA表征的主要微生物類群生物量增長幅度卻低于化肥配施羊糞, 這兩種處理除真菌在化肥配施羊糞處理中顯著高于化肥配施牛糞處理外, 其余微生物之間差異均不顯著。化肥配施生物有機肥和化肥配施黃腐酸鉀處理的土壤細菌、真菌、放線菌生物量與對照相比也表現(xiàn)出類似的變化趨勢。其中, 化肥配施生物有機肥處理與對照間有顯著性差異(<0.05), 但化肥配施黃腐酸鉀處理除真菌生物量, 土壤細菌及放線菌與對照間無明顯差異。

表1 不同有機無機肥配施處理對土壤腐殖質(zhì)形態(tài)及組分數(shù)量的影響(2015年)

T1、T2、T3、T4、T5、T6分別表示不施肥、單施化肥、化肥+牛糞、化肥+羊糞、化肥+生物有機肥、化肥+黃腐酸鉀。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。T1, T2, T3, T4, T5 and T6 represent blank control, inorganic fertilizer application, combined application of inorganic fertilizer and cow dung, combined application of inorganic fertilizer and sheep manure, combined application of inorganic fertilizer and bioorganic fertilizer, and combined application of inorganic fertilizer and fulvic acid potassium. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

與對照相比, 各處理中G+/G-值均呈顯著(<0.05)降低趨勢, 但不同有機無機結(jié)合的土壤培肥方式下, 土壤G+/G-值間無顯著差異。與對照相比, 土壤真菌/細菌生物量比值除化肥配施牛糞、羊糞外, 其他處理整體間差異不明顯?？梢? 在旱作條件下, 有機無機相結(jié)合的土壤培肥方式仍可以改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成。土壤主要微生物類群生物量及不同微生物類群間比例與培肥方式、肥料類別、外源有機碳數(shù)量有明顯關系。

表2 不同有機無機肥配施處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成的影響

T1、T2、T3、T4、T5、T6分別表示不施肥、單施化肥、化肥+牛糞、化肥+羊糞、化肥+生物有機肥、化肥+黃腐酸鉀。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。 T1, T2, T3, T4, T5 and T6 represent blank control, inorganic fertilizer application, combined application of inorganic fertilizer and cow dung, combined application of inorganic fertilizer and sheep manure, combined application of inorganic fertilizer and bioorganic fertilizer, and combined application of inorganic fertilizer and fulvic acid potassium. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成與土壤有機碳及土壤腐殖質(zhì)形態(tài)間的相互關系

以PLFA表征的土壤主要微生物類群的生物量與土壤有機碳含量均呈正相關(圖2a), 主成分分析中第1排序軸(97.16%)、第2排序軸(1.53%)能夠在累積變量98.69%水平上揭示不同有機無機培肥影響下的土壤微生物群落變化?；逝涫┡＜S和化肥配施羊糞處理的土壤細菌、真菌等主要微生物類群在空間分布上相對聚集, 兩處理間的微生物群落結(jié)構(gòu)組成較相似。與對照(T1)相比, 單施化肥、化肥配施生物有機肥和化肥配施黃腐酸鉀處理主要土壤微生物類群也分布在不同空間位置上, 說明這些處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成彼此間有差異。此外, 土壤微生物群落組成中G+/G-比值與土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量間有較好的正相關關系?？傮w上, 基于土壤微生物主要類群PLFA含量排序軸與基于土壤有機碳及腐殖質(zhì)形態(tài)等環(huán)境因子的排序軸之間相關性(1=0.568,2=0.611)較好。

圖2 不同有機無機肥配施處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成(a)、有機碳及腐殖質(zhì)形態(tài)(b)的多元分析

圖中1、2、3為不施肥處理, 4、5、6為單施化肥處理, 7、8、9為化肥配施牛糞處理, 10、11、12為化肥配施羊糞處理, 13、14、15為化肥配施生物有機肥處理, 16、17、18為化肥配施黃腐酸鉀處理。: 細菌;: 真菌;: 放線菌;: 原生動物;: 革蘭氏陽性菌;: 革蘭氏陰性菌; Tightly: 緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì); Loosely: 松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì); Stably: 穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì); Carbon: 土壤有機碳;: 總磷脂脂肪酸。In the figures, 1, 2, 3 are replicates of no fertilization treatments; 4, 5, 6 are replicates of chemical fertilizer treatment; 7, 8, 9 are replicates of treatment of combined application of chemical fertilizer and cow dung; 10, 11, 12 are replicates of treatment of combined application of chemical fertilizer and sheep manure; 13, 14, 15 are replicates of treatment of combined application of chemical fertilizer and bio-organic manure; 16, 17, 18 are replicates of treatment of combined application of chemical fertilizer and fulvic acid potassium.e: gram positive bacteria;: gram negative bacteria; Tightly: tightly combined humus; Loosely: loosely combined humus; Stably:stably combined humus; Carbon: soil organic carbon;: total phospholipid fatty acids.

圖2b中, 土壤有機碳含量與松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均正相關。冗余分析(RDA)表明, 第1排序軸、第2排序軸分別解釋了土壤有機碳變化的65.14%和34.86%。假設性測驗結(jié)果表明(pseudo-=8.7,=0.001 7), 所有排序軸都是極顯著的; 第1排序軸對有機無機培肥影響下的土壤有機碳累積差異變化解釋最多。與對照相比, 土壤有機碳在空間分布上有明顯分散?；逝涫┥镉袡C肥和化肥配施黃腐酸鉀處理的土壤腐殖質(zhì)碳的結(jié)合形態(tài)比較相似; 化肥配施牛糞、化肥配施羊糞處理土壤腐殖質(zhì)碳結(jié)合形態(tài)相一致, 單施化肥處理沒有明顯影響土壤腐殖質(zhì)碳結(jié)合形態(tài)的空間分布。

可見, 培肥方式會對土壤腐殖質(zhì)的形態(tài)組成產(chǎn)生影響, 較高量外源有機碳(化肥配施牛糞和化肥配施羊糞處理)的施入會明顯影響土壤有機碳的累積。各形態(tài)腐殖質(zhì)含量與土壤有機碳含量都呈正相關, 松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)對化肥配施牛糞和化肥配施羊糞處理的微生物群落結(jié)構(gòu)組成影響較大; 配施高量有機肥表現(xiàn)有提高土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量的趨勢。

3 討論

3.1 無機肥與不同有機肥配施對土壤有機碳累積及腐殖質(zhì)形態(tài)組成的影響

有機碳能改善土壤的物理、化學和生物特性, 在植物養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用, 是衡量土壤質(zhì)量的重要指標之一[23]。Guo等[24]發(fā)現(xiàn), 在小麥()-玉米()輪作系統(tǒng)中土壤有機質(zhì)與施入土壤的牛糞數(shù)量有顯著正相關, 單施化肥對土壤有機碳累積量沒有顯著影響。每公頃施用200 m3的罌粟()廢棄物能夠?qū)⑼寥烙袡C碳含量從1.24%增加到1.57%, 然而較低用量對土壤有機碳的增加沒有明顯影響[25]。試驗中, 化肥配施牛糞、羊糞處理土壤有機碳含量平均從6.09 g?kg-1提高到9.02 g?kg-1。與試驗初期相比, 年平均有機碳累積遞增幅度可達9.71%, 土壤有機碳累積較明顯。然而, 化肥配施生物有機肥和化肥配施黃腐酸鉀在培肥5年后, 土壤有機碳的累積量僅比對照增加2.65%~ 3.70%。研究結(jié)果與相關報道基本一致。分析認為, 外源有機碳的輸入、作物高產(chǎn)導致的殘落物中有機物的增加可能是化肥有機肥配施提高土壤有機碳累積的兩個主要途徑。較高量有機肥的施入有利于土壤有機碳的快速積累, 低量或者不施有機肥對土壤有機碳累積影響不明顯。但是, Campbell等[26]認為, 富含有機質(zhì)的土壤即使持續(xù)施肥(包括豆科綠肥或豆科牧草作物還田)也很難增加和改善土壤有機質(zhì)的含量, 施肥措施并沒有影響碳的礦化。

土壤腐殖質(zhì)是有機質(zhì)存在的一種特殊形態(tài), 施入土壤中未被分解的有機物通過腐殖化過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)。由于腐殖質(zhì)碳對土壤微生物分解有較強的抗性, 因此土壤腐殖質(zhì)的周轉(zhuǎn)比較緩慢。但是, 土壤腐殖質(zhì)在提供植物營養(yǎng)物質(zhì)、礦物分解方面起著重要的作用[27]。有研究指出, 腐殖質(zhì)的形態(tài)與土壤有機碳的儲存量和土壤的形成因素有關[28]。施用馬糞和馬糞配施高量化肥均提高了土壤有機碳的含量, 但對土壤腐殖物質(zhì)——胡敏酸數(shù)量影響不顯著。施用馬糞下, 土壤2.00~0.25 mm大團聚體中胡敏酸的芳香性增強, 胡敏酸更穩(wěn)定[29]。長期平衡施肥, 特別是有機肥施用增加了O—烷基、異丙基和N—CH基團的百分比, 降低了腐殖質(zhì)中芳香族的含量[30]。試驗中有機無機結(jié)合的培肥方式下, 隨進入土壤有機物數(shù)量的增加, 土壤腐殖質(zhì)含量有逐步增加的趨勢。其中穩(wěn)結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均顯著提高, 緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)沒有受到明顯影響。盡管各培肥措施都在不同程度上降低了緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的相對質(zhì)量分數(shù), 但土壤中腐殖質(zhì)碳的結(jié)合方式仍以緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)為主。緊結(jié)態(tài)腐殖所占的質(zhì)量分數(shù)較對照處理下降5.84%~25.41%, 而穩(wěn)結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)所占的質(zhì)量分數(shù)則約提高0.55~1.93倍。單施化肥處理對土壤腐殖質(zhì)形態(tài)組成的調(diào)節(jié)作用較弱, 化肥配施生物有機肥和化肥配施黃腐酸鉀處理次之, 化肥配施羊糞和化肥配施牛糞處理作用最強?？梢? 隨外源有機碳的施入及輸入量的增加, 有機碳輸入和土壤礦化之間的平衡關系會被打破, 土壤緊結(jié)態(tài)腐殖碳會向穩(wěn)結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)碳轉(zhuǎn)化。這與韓曉萍等[31]在有機無機長期配施對小麥產(chǎn)量和土壤有機組分的影響所得的結(jié)果基本一致。土壤腐殖質(zhì)與土壤無機膠體結(jié)合的松緊程度不同, 對土壤肥力的貢獻亦不相同。松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比例大意味著腐殖質(zhì)活性較高。試驗中, 土壤有機碳含量與松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均呈正相關。單施化肥并沒有改變土壤松結(jié)態(tài)/緊結(jié)態(tài)的比例, 而配施化肥下高量外源有機碳的輸入后土壤松/緊結(jié)合態(tài)碳的比例明顯大于低量有機碳輸入。可見, 長期堅持有機無機相結(jié)合的培肥方式, 可促進有機質(zhì)活化, 改善土壤供肥能力。

3.2 土壤有機碳對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響及其相互關系

土壤水分、有機質(zhì)和氮是影響土壤微生物群落組成的最重要環(huán)境因素, 在土壤中添加有機碳可以增加土壤微生物的豐富度和活性[32]。在施用有機肥的條件下, 較高土壤有機碳含量與較高的土壤微生物生物量、活性是相互一致的[12,14]。在塔斯馬尼亞富鐵土壤上使用磷脂脂肪酸甲酯表征的微生物碳與土壤總有機碳之間也有顯著正相關關系(=0.57)[25]。水稻()-水稻-休閑種植制度下, 長期施用堆肥會顯著增加土壤微生物生物量; 土壤微生物生物量的增加是作物根系生長、根系密度增加所引起的植物對肥料的典型反應[33]。本試驗中, 有機無機培肥方式均增加了土壤微生物生物量, 隨有機肥帶入土壤有機碳數(shù)量的增加, 土壤細菌、真菌、放線菌生物量和微生物總生物量顯著升高。多元分析表明, 土壤微生物生物量與土壤有機碳含量均呈正相關, 這與Thiele-Bruhn等[34]的研究結(jié)果相一致。分析認為, 受施入土壤中有機肥種類、性質(zhì)和數(shù)量的影響, 作物產(chǎn)量增加, 導致根系分泌物和植物殘落物的增加, 為土壤微生物提供充足碳源, 相應地提高了微生物生物量; 而有機碳輸入和礦化之間新的平衡關系逐漸建立, 導致了土壤有機碳的逐步累積?？梢? 微生物群落結(jié)構(gòu)的變化是受有機無機培肥措施所引起的土壤有機碳含量變化驅(qū)動的。

土壤細菌群落向革蘭氏陰性菌群轉(zhuǎn)變是其對氮肥施用的響應, 是以環(huán)丙基脂肪酸(cy17:0)的增加和革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌比例的降低為標志的, 土壤G+/G-的比例在施用化肥下比施有機肥更低[35]。以往的研究認為, 在土壤養(yǎng)分較豐富的條件下, 革蘭氏陰性菌比例往往較高[36]。有機物料的添加首先會導致生長速度較快的革蘭氏陰性菌快速增殖, 隨后革蘭氏陰性菌增殖速度下降, 最后才有利于生長速度較慢的革蘭氏陽性菌或真菌生長。高量有機肥的施入, 促進土壤微生物對外源有機碳的利用而導致更充分的群落演替效應, 主要是革蘭氏陽性菌和真菌對土壤有機質(zhì)利用的不同步變化所引起的[11]。試驗結(jié)果顯示, 與對照相比, 不同有機無機肥配合施用均顯著降低了G+/G-比例, 但G+/G-比例關系卻不受有機肥施用帶入土壤有機碳數(shù)量的的影響。試驗結(jié)果與Giacometti等[35]的研究結(jié)果基本一致。然而, Wei等[11]的研究卻表明, 有機肥施用能使G+/G-比例增加12.3%。這些相互矛盾的研究結(jié)果可能與不同施肥管理措施下, 土壤有機碳和土壤養(yǎng)分的有效性差異有關。

試驗中土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量與土壤有機碳、土壤G+/G-比例均有顯著正相關關系。土壤有機碳是影響微生物群落結(jié)構(gòu)變化的關鍵因素[37]。試驗中有機肥料施入有利于革蘭氏陰性菌的生長, 這就意味著土壤革蘭氏陰性菌對有機碳的輸入反應更敏感, 會在整個土壤細菌群落組成中占據(jù)主導地位。土壤有機碳和松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量應該是土壤革蘭氏陰性菌相對豐度變化的主要驅(qū)動力?？梢? 在較好土壤環(huán)境條件下, 土壤革蘭氏陰性菌較革蘭氏陽性菌應該具有競爭優(yōu)勢。通常含有較多有機碳且肥力較高的土壤中細菌數(shù)目多于真菌, 真菌利用難分解有機碳的能力優(yōu)于細菌, 而細菌則容易利用易分解有機碳[11-12]。Zhong等[36]認為由于細菌比真菌的周轉(zhuǎn)時間短, 所以細菌對土壤肥力的短期變化更為敏感。試驗中持續(xù)有機無機培肥均明顯增加了土壤細菌、真菌的生物量, 整體上較高量的外源有機肥施入有助于提升土壤細菌、真菌的生物量。盡管細菌生物量遠高于真菌, 但較對照而言, 真菌生物量增加的幅度明顯高于細菌。目前, 有關土壤F/B比率變化都歸因于植物根系分泌物數(shù)量和質(zhì)量, 枯落物的質(zhì)量和數(shù)量、有機肥的輸入和植物生產(chǎn)力及組成的差異[35]。試驗中F/B比例關系比較復雜, 除化肥配施牛糞和化肥配施羊糞處理間有顯著差異外, 其他處理也表現(xiàn)出受土壤培肥方式、肥料類型、有機肥數(shù)量影響而變化的趨勢。外源有機肥輸入時, 牛糞和羊糞含水量和各自有機質(zhì)含量的差異有可能就是導致化肥配施牛糞、化肥配施羊糞處理F/B間差異顯著的主要原因。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明: 旱作節(jié)水條件下, 連續(xù)有機無機培肥5年后, 土壤有機碳含量逐年上升, 以PLFA表征的土壤細菌、真菌、放線菌、原生動物和總微生物生物量增加, G+/G-比值降低。有機無機肥配施通過提高土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量以及松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)/緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比例來影響土壤有機碳的組成。土壤有機碳含量與土壤主要微生物類群生物量、土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量與G+/G-比值均有正相關關系。外源有機碳的輸入促進了主要微生物類群生物量的增加, 提升了土壤革蘭氏陰性菌的競爭優(yōu)勢。

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Effect of fertilization managements on soil organic carbon and microbial community structure*

LI Qian1,2?, MA Kun2?, YE Xiuxiang1, YANG Jinjuan1, NIU Hongxia1, MA Ling1

(1. College of Agronomy, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

The Phospholipid Fatty Acids (PLFAs) fingerprint and humus fraction methods were used to determine the accumulation of soil organic carbon in cultivated farmlands and the interaction mechanisms of soil microbial communities with soil organic carbon. The combined effects of organic manure and chemical fertilizer on soil organic carbon accumulation, soil humus forms and their relationships with soil microbial community structures were studied in a 5-crop rotation mode of ‘potato-potato-oil sunflower-potato-oil sunflower’ over a period of five years. The experimental treatments were as follows — no fertilization, inorganic fertilizer application, combined application of inorganic fertilizer and cow dung, combined application of inorganic fertilizer and sheep manure, combined application of inorganic fertilizer and biological organic fertilizer, and then combined application of inorganic fertilizer and fulvic acid potassium. The results showed that soil organic carbon fluctuated with increasing tendency over the five-year period. Compared with the control (no fertilization), soil organic carbon increased at annual average rates of 6.61% and 8.97% under the treatments of combined application chemical fertilizer with cow dung or separately with sheep manure. The rate of accumulation of soil organic carbon was influenced by the amount and type of added exogenous organic matter to the soil. The contents of stable or tightly combined humus and ratio of loosely combined humus to tightly combined humus increased following the addition of high quantities of organic manure (chemical fertilizer plus cow dung or chemical fertilizer plus sheep manure) and inorganic fertilizer. Compared with no fertilization, there were significant differences in soil bacteria, fungi, actinomycetes, protozoa and total microbial biomass, marked by phospholipid fatty acids under combined application of inorganic fertilizer and sheep manure or cow dung. The biomass ratio of gram-positive bacteria to gram-negative bacteria (G+/G-) in the treatments with inorganic fertilizer plus organic fertilizers decreased. There was no obviously difference in the ratio of G+/G-among treatments of combined application of inorganic fertilizer and organic fertilizers. Multivariate analysis showed a good correlation between the first ordination axes based on soil microbial biomass marked by PLFAs and the second ordination based on combined soil organic carbon and humus (1= 0.568,2= 0.611). The relationship between soil microbial biomass and soil environmental factors was explained by the 98.69% cumulative variation in spatial scale. There was a positive correlation between the content of loosely combined humus and G+/G-of soil microbial community. It was concluded that the tightly combined humus fraction gained higher stability than the loosely combined humus when exogenous organic carbon was applied to the soil. The soil bacteria and fungi biomass marked by PLFAs were promoted with increasing amounts of exogenous organic carbon in the soil. The biomass ratio of fungi to bacteria was not influenced by fertilizer management and amount of exogenous organic carbon. Generally, the change in soil microbial community structure was driven by the change in soil organic carbon content and soil humus fraction. Combined inorganic fertilizer with cow manure and inorganic fertilizer with sheep manure supported the accumulation of soil organic carbon and the formation of loose combined humus, but also promoted an increase in soil microbial biomass. The research provided a reliable scientific basis for soil fertilization in semiarid areas in Ningxia.

Combined application of inorganic fertilizer and organic fertilizer; Soil organic carbon; Microbial community; Loosely combined humus; Tightly combined humus; Phospholipid fatty acid (PLFA)

LI Qian, E-mail: 940380226@qq.com; MA Kun, E-mail: makun0411@163.com

Dec. 25, 2017;

Jul. 20, 2018

S182; S154.3

A

1671-3990(2018)12-1866-10

10.13930/j.cnki.cjea.171190

2017-12-25

2018-07-20

* 寧夏科技支撐計劃園區(qū)專項、國家自然科學基金項目(31660132, 31160104)和寧夏高等學校一流學科建設項目(NXYLX2017B05)資助

*This study was supported by the Technology Park Fund of Ningxia Science and Technology Support Plan, the National Natural Science Foundation of China (31660132, 31160104) and the First-Class Discipline Construction Project of Colleges and Universities in Ningxia (NXYLX2017B05).

? Equal contributors

? 同等貢獻者: 李倩, 主要研究方向為農(nóng)作制度理論與技術, E-mail: 940380226@qq.com; 馬琨, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學, E-mail: makun0411@163.com

李倩, 馬琨, 冶秀香, 楊金娟, 牛紅霞, 馬玲. 不同培肥方式對土壤有機碳與微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2018, 26(12): 1866-1875

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