秸稈還田配施有機(jī)無機(jī)肥料對(duì)冬小麥土壤水氮變化及其微生物群落和活性的影響

公華銳,李 靜,*,馬軍花,侯瑞星,張旭博,歐陽竹

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1001012 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

2016年,我國農(nóng)作物種植面積到達(dá)1.6億hm2,糧食產(chǎn)量達(dá)到61623.9萬t[1]。伴隨著作物產(chǎn)量的提高,農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大幅提高[2],據(jù)統(tǒng)計(jì),2015年我國主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億t,秸稈綜合利用效率達(dá)到80.1%[3]；在我國“十三五”規(guī)劃期間,計(jì)劃將秸稈綜合利用效率提高到85%以上。目前秸稈利用的方式也由原來的以飼料化為主轉(zhuǎn)型為以肥料化為主,秸稈還田在土壤中的腐解過程會(huì)對(duì)土壤酶活性、土壤微生物群落產(chǎn)生的一定的影響[4]。微生物肥料是以活性微生物為主體,并通過微生物的生命活動(dòng)及其產(chǎn)物對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[5],在秸稈還田的基礎(chǔ)上配施微生物肥料,在保證土壤肥力的同時(shí)促進(jìn)秸稈腐熟,且在短期內(nèi)對(duì)土壤微生物群落以及土壤理化性質(zhì)的影響顯著。土壤微生物作為土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo)[6],能直接反應(yīng)土壤的健康情況,因此,研究秸稈還田配施微生物肥料下對(duì)冬小麥土壤微生物群落功能以及水氮條件的變化,對(duì)冬小麥-夏玉米體系下提高秸稈還田的利用效率,降低化肥施用比例,保持土壤的可持續(xù)耕作具有重要意義。大量研究[7- 9]已經(jīng)證實(shí)相對(duì)于化肥,秸稈還田增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量以及酶活性等。Zhao等[10]基于冬小麥-夏玉米輪作體系上的長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果得出,相對(duì)于秸稈不還田,秸稈還田增加了總磷脂脂肪酸(PLFA)含量,提高了細(xì)菌與真菌的豐度,且還田量越高,對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響越顯著；李曉莎等[11]認(rèn)為秸稈還田在深松的耕作模式下土壤微生物活性顯著高于常規(guī)耕作模式；甄麗莎等[12]以秸稈還田配施肥為研究對(duì)象,結(jié)果得出在秸稈還田配施有機(jī)肥相對(duì)于施用化肥,沒有提高土壤酶活性以及土壤可利用養(yǎng)分的含量。同時(shí),傳統(tǒng)的秸稈還田無論配施化肥還是有機(jī)肥,均是利用土壤本身的微生物進(jìn)行分解,且分解速率較慢；目前外源微生物菌劑在秸稈還田的促腐環(huán)節(jié)中得到越來越廣泛的運(yùn)用[13],在加速秸稈腐解的同時(shí),也能在短時(shí)間內(nèi)迅速調(diào)節(jié)土壤微生物結(jié)構(gòu)及土壤酶活性,改善土壤理化性質(zhì)。Liebich等[14]試驗(yàn)結(jié)果表明,不同菌群施用到玉米秸稈后,對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)組分影響不顯著,但能夠促進(jìn)秸稈腐解的菌群,對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響顯著,且同樣影響了土壤本身的功能；錢海燕等[15]的研究中表明秸稈還田配施微生物菌劑對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性、真菌、纖維素分解菌的增長(zhǎng)效果顯著,配施化肥對(duì)細(xì)菌、放線菌以及脲酶、過氧化氫酶活性的增長(zhǎng)效果顯著。綜上,前人的研究多集中在秸稈還田配施不同肥料對(duì)土壤理化性質(zhì)或微生物群落的單方面影響,本文基于微生物群落中較高的多樣性會(huì)促進(jìn)土壤肥力提升的假設(shè)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),從土壤肥力與土壤微生物生態(tài)兩方面進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),一方面通過小麥生長(zhǎng)過程中水氮條件的變化反應(yīng)土壤地力的變化情況,另一方面通過土壤PLFA指紋特征反應(yīng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,并結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法分析兩者之間的作用關(guān)系。旨在探討秸稈還田配施微生物肥料對(duì)包括土壤基本理化條件和水氮條件的無機(jī)環(huán)境,以及包括有機(jī)碳氮、土壤酶活性、土壤微生物群落在內(nèi)的有機(jī)環(huán)境的影響,為合理的秸稈還田方式與土壤可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年10月—2017年6月在中國科學(xué)院禹城綜合試驗(yàn)站(116°36′E,36°57′N)進(jìn)行。該區(qū)位于黃淮海平原,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫13.1℃,年均降水量593.2 mm,其中夏季降水占全年降水68%,冬春季占15%左右,無霜期220 d。供試土壤為潮土,供試耕層土壤pH 8.0,容重1.46 g/cm3,有機(jī)質(zhì)含量1.5%,全氮0.64 g/kg,全磷0.84 g/kg,全鉀19.99 g/kg。圖1為2016—2017年冬小麥生長(zhǎng)季降雨量及溫度狀況。

圖1 冬小麥生長(zhǎng)季的降雨和平均氣溫Fig.1 Daily precipitation and average temperature during the winter wheat growing season

本試驗(yàn)在玉米秸稈7.5 t/hm2全量還田的基礎(chǔ)上,采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)化肥常規(guī)用量(TF),30%減量化肥+普通有機(jī)肥(TM),30%減量化肥+微生物有機(jī)肥(TE),30%減量化肥+金水酵素微生物菌劑(TJ),30%減量化肥+微生物有機(jī)肥+金水酵素微生物菌劑(TEJ),共5個(gè)處理,3次重復(fù),共15個(gè)小區(qū)；試驗(yàn)小區(qū)面積為25 m2(5 m×5 m),間距為50 cm。試驗(yàn)區(qū)選取前期10年以上冬小麥-夏玉米典型輪作農(nóng)田為試驗(yàn)小區(qū),兩季秸稈還田,施肥制度與本研究正常化肥施用(TF)一致。冬小麥種植前,通過收割機(jī)直接收獲玉米,同時(shí)將玉米秸稈粉碎,待秸稈曬干后采用常規(guī)旋耕還田,耕作深度為10—15 cm。

供試普通有機(jī)肥為動(dòng)物糞便與植物秸稈發(fā)酵而成,其中碳氮含量分別為13.25%和1.78%；供試微生物有機(jī)肥與金水酵素,均由天津ETS生物技術(shù)有限公司提供,核心菌群為ETS菌群,其中60%為厭氧菌,40%為好氧菌。金水酵素微生物菌劑屬于液態(tài)微生物農(nóng)用發(fā)酵腐熟劑。

供試小麥品種為濟(jì)麥22,于2016年10月18日種植,2017年6月16日收獲。正常施肥使用N-P2O-K2O的復(fù)合肥,用量以氮素(N)為225 kg/hm2計(jì)算,按5∶5分基肥和拔節(jié)期追施。微生物有機(jī)肥用量按照1.78%的含氮量,根據(jù)30%化肥N用量計(jì)算,約為3 t/hm2,作為基肥底施。金水酵素用量為30 L/hm2,按照1∶150比例加水稀釋,在小麥播種前噴灑在土壤表層。微生物有機(jī)肥與金水酵素均在使用化肥與灌溉前使用。

1.2 樣品采集與測(cè)定

土壤微生物生物量脂肪酸標(biāo)記[17]如表1所示,委托中國科學(xué)院華南植物園PLFA分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

表1 微生物生物量脂肪酸標(biāo)記

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理和分析均在Excel 2016、SPSS 23.0以及Canoco 4.5軟件中進(jìn)行。采用單因素方差分析進(jìn)行方差分析；采用LSD法檢驗(yàn)處理間P<0.05水平的差異顯著性；采用主成分分析(PCA)檢驗(yàn)不同處理間PLFA標(biāo)記結(jié)構(gòu)的差異性；采用冗余分析(RDA)來評(píng)估土壤理化環(huán)境、有機(jī)碳氮含量、土壤酶活性與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析土壤酶活性與土壤微生物群落之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤環(huán)境的變化

相對(duì)于化肥常規(guī)TF處理,施用普通有機(jī)肥及微生物有機(jī)肥pH提高了0.9%—3.5%(表2)。耕層內(nèi)速效P含量以TM處理最高(26.8 mg/kg),相較于TF處理提高了17.5%,而處理TJ顯著低于(16.7 mg/kg,P<0.05)其他處理相對(duì)TF下降了26.7%。此外,EC值以TM最低(0.21 ds/m),但處理間無顯著差異；耕層內(nèi)土壤溫度處理間無顯著差異；TOC含量以TF最高為0.89%。

表2 不同處理下的土壤理化性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n≥3),同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá)5%顯著水平; TF：?jiǎn)问┗?Chemical fertilizer；TM：70%化肥+普通有機(jī)肥 70% chemical fertilizer plus organic fertilizer；TE：70%化肥+微生物有機(jī)肥 70% chemical fertilizer plus microbial organic fertilizer；TJ：70%化肥+微生物促腐菌劑 70% chemical fertilizer plus microbial decomposition agent；TEJ：70%化肥+微生物有機(jī)肥+微生物促腐菌劑,70% chemical fertilizer plus miacrobial organic fertilizer and microbial decomposition agent

2.2 土壤含水量變化

圖2 不同處理下耕層土壤含水量變化Fig.2 Topsoil moisture under different treatments

小麥返青后的營養(yǎng)生長(zhǎng)期間,處理間土壤含水量的差異不顯著(圖2)。在小麥開花期直到成熟收獲,處理TEJ土壤含水量均為各處理的最低值(9.4%—17.6%)；在開花期TEJ與TM均低于TF的土壤含水量,以TE最高,高于TF處理13.3%；在小麥完熟期,土壤含水量仍以TE處理最高(20.5%),且顯著高于(P<0.05)其他處理,其余處理間無顯著差異。

2.3 土壤無機(jī)氮素含量變化

圖3 不同處理下耕層土壤與含量變化Fig.3 Content of and under different treatments

2.4 土壤有機(jī)碳氮

處理間耕層MBC含量大小排序?yàn)門F>TM>TE>TJ>TEJ(圖4)；其中TF處理顯著高于(532.5 mg/kg,P<0.05)其他處理；MBN含量TEJ最低(25.9 mg/kg),低于其他處理38.0%—47.7%。耕層DOC含量以TE處理最高(115.1 mg/kg),高于TF處理58.8%,而TEJ耕層DOC含量低于TF處理33.7%；且處理間耕層DON含量無顯著差異。

圖4 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳氮含量的影響Fig.4 Effects of microbial fertilizers on organic carbon and nitrogen concentrationMBC：微生物碳 Microbial carbon；DOC：可溶性碳 Dissolved carbon；MBN：微生物氮 Microbial nitrogen；DON：可溶性氮 Dissolved nitrogen

2.5 土壤酶活性

耕層土壤中水解酶(βG、CBH)活性主要是在纖維素降解過程中發(fā)揮作用,并參與土壤碳的循環(huán)[18]；不同處理下耕層βG、CBH活性變化趨勢(shì)一致(圖5),且極顯著相關(guān)(R=0.90,P<0.01),其大小排序均為TEJ>TM>TF>TE>TJ,TEJ處理βG、CBH活性分別高于TF處理29.4%、30.2%；磷酸酶反應(yīng)了土壤中磷素的活化程度,而蛋白酶LAP主要參與土壤中氮素循環(huán)；磷酸酶AP活性以處理TJ最高(748.6 mmol g-1h-1),TF(659.7 mmol g-1h-1)最低,且TF與其他處理間無顯著差異。耕層中LAP活性TM最低(259.5 mmol g-1h-1),低于其他處理5.1%—23.5%,其余處理間無顯著差異。

2.6 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化

不同處理的土壤微生物PLFA特征中(圖6),各處理均以細(xì)菌為主,所占有效脂肪酸比例為74.8%—82.9%；其次為真菌與放線菌。各處理PLFA總量TE最高(4733.1 ng/g),顯著高于(P<0.05)TF與TEJ處理。細(xì)菌總量以TE最高,與TM、TJ均顯著高于TEJ與TF；細(xì)菌中GP/GN比例,TF與TEJ處理為1.55/1.60,均高于其他三個(gè)處理(1.19—1.29)；不同處理對(duì)真菌含量的影響與其對(duì)細(xì)菌的影響相近,大小排序均為TE>TM>TJ>TEJ>TF；細(xì)菌/真菌比例TE、TM、TJ三個(gè)處理相近(6.2—6.9),TF為各處理中最高,達(dá)到10.8。ACT含量在總量中所占比例高于AMF,且受不同處理的影響與細(xì)菌、真菌相似。此外,TF處理的AMF含量顯著低于TEJ處理,僅為34.6 ng/g,低于含量較高的TE、TM與TJ處理81.5%—86.7%。

圖6 不同處理下土壤微生物PLFA含量Fig.6 Content of soil microbial PLFAs under different treatmentsGP:革蘭氏陽性細(xì)菌 Gram-positive bacteria；GN:革蘭氏陰性細(xì)菌 Gram-negative bacteria；F：真菌 Fungi；B：細(xì)菌 Bacteria；AMF:叢枝菌根真菌 Arbuscular mycorrhizae fungi；ACT:放線菌 Actinomycetes

通過PCA分析表明(圖7),TM、TE、TJ土壤微生物相似,而TEJ、TF的微生物群落結(jié)構(gòu)變化較大。相較施用傳統(tǒng)化肥的TF處理,TM、TE、TJ三個(gè)處理提高了GN(17:1ω8c,18:1ω5c,18:1ω7c)的多度值,而降低了GP(i17:0)與真菌(18:2ω6c)的多度值；而TEJ處理,相對(duì)于TF提高了真菌(18:2ω6c)的多度值。

圖7 不同處理下土壤微生物群落PLFA的主成分分析Fig.7 PCA of PLFAs of soil microbial communities under different treatments

2.7 相關(guān)關(guān)系

施用不同微生物肥料各處理下的土壤微生物與土壤有機(jī)環(huán)境的RDA排序分析表明(圖8),第一主軸解釋了66.9%的兩者之間的關(guān)系,蒙特卡羅檢驗(yàn)結(jié)果顯示,所有排序軸對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量對(duì)于響應(yīng)變量的解釋貢獻(xiàn)均達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平。土壤有機(jī)碳氮中DOC、MBN、DON與微生物群落相近,表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；TOC距離較遠(yuǎn),表現(xiàn)為正相關(guān),但并無顯著關(guān)系；MBC與微生物群落表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。土壤酶中水解酶βG、CBH與微生物群落相近,表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性βG>CBH；而AP與GP、GN、細(xì)菌以及ACT呈正相關(guān)關(guān)系,與真菌與AMF呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。5個(gè)處理中TM、TE兩者較為接近,均與第一主軸表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；而TF、TEJ與第一主軸表現(xiàn)出了正相關(guān)。

圖8 土壤有機(jī)環(huán)境因子及酶活性與土壤微生物群落的冗余分析Fig.8 RDA of soil microbial communities data,organic environmental variables of soil and soil enzyme activities data

圖9 土壤理化環(huán)境因子與土壤微生物群落的冗余分析Fig.9 RDA of soil microbial communities data and soil physicochemical environmental variables

3 討論

3.1 秸稈還田及施肥組合對(duì)土壤水氮變化的影響

水肥是作物生長(zhǎng)最重要的兩個(gè)限制因子,直接影響作物生長(zhǎng)中的干物質(zhì)的積累與產(chǎn)量的形成[19- 21]。本研究中,在小麥開花期到成熟期TE處理的土壤含水率顯著(P<0.05)高于其他處理,并以TEJ處理最低；在以往的研究[22-23]中,已經(jīng)證實(shí)秸稈還田能通過改善土壤結(jié)構(gòu)來減少水分蒸發(fā),提高含水量；Cong等[24]研究認(rèn)為,使用微生物有機(jī)肥相對(duì)于普通有機(jī)肥提高了土壤微團(tuán)粒結(jié)構(gòu),提高了土壤有機(jī)碳含量；因此微生物有機(jī)肥通過增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高土壤的保水能力。長(zhǎng)期秸稈還田相較于常規(guī)施肥處理無機(jī)氮素下降趨勢(shì)明顯,需要配施化肥補(bǔ)充氮素[25]；本研究在秸稈還田的基礎(chǔ)上施用化肥,返青期、拔節(jié)期,土壤無機(jī)氮素的含量均高于其他施用有機(jī)肥的處理；而在小麥生殖生長(zhǎng)時(shí)期,TM處理的無機(jī)氮素含量較高,且施用微生物肥料并沒有提高土壤中的無機(jī)氮素含量。長(zhǎng)期試驗(yàn)中,有機(jī)肥能有保持土壤養(yǎng)分[26]；榮勤雷等[27]認(rèn)為具有促腐功能的生物肥料對(duì)土壤速效養(yǎng)分的提升效果低于普通有機(jī)肥,且微生物菌劑的介入具有活化土壤氮素,提高氮素循環(huán)關(guān)鍵菌群豐度的作用[28]；本研究中,使用微生物有機(jī)肥并未提高土壤有機(jī)碳以及MBC的含量,但提高了土壤MBN與DON的含量,這與上述觀點(diǎn)一致。

3.2 秸稈還田及施肥組合對(duì)土壤酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一,秸稈還田后的土壤環(huán)境變化較大,對(duì)土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響同樣顯著[8,11]。βG、CBH等水解酶是土壤中碳素轉(zhuǎn)化循環(huán)的重要參與者,與可溶性碳以及腐殖質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系[29- 30],本研究中TM、TE處理顯著提高了土壤βG、CBH活性,同時(shí)兩處理下DOC含量高于其他處理,與上述研究結(jié)果一致。AP與LAP活性處理間無顯著差異；在榮勤雷等[27]研究中,同樣發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥與化肥未對(duì)土壤磷酸酶的影響存在差異；Cenini等[31]研究結(jié)果得出土壤LAP活性與MBN以及有機(jī)氮素含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但本研究中處理間與MBN與DON存在顯著差異,仍需進(jìn)一步探討參與氮素循環(huán)的酶活性與土壤中氮素含量的關(guān)系。

同時(shí),本研究中相比化肥,施用有機(jī)肥增加PLFA的總數(shù)量以及細(xì)菌與真菌數(shù)量,提高了微生物多樣性指數(shù)。Zhang等[32]的研究中得出,秸稈還田改變了土壤微生物菌落結(jié)構(gòu),提高了細(xì)菌的豐度,且在PCA分析中,認(rèn)為真菌的負(fù)載量(18:2ω6,9c)最高,本研究中真菌(18:2ω6C)在PCA分析中在第一主軸上同樣有較高的多度值,但細(xì)菌的多度值高于真菌,這與上述研究不符。本研究中并未對(duì)細(xì)菌的種群進(jìn)行探討,但在細(xì)菌PLFA總量上,施用微生物有機(jī)肥的處理下最高,這與上述觀點(diǎn)基本相符。此外,本研究中施用有機(jī)肥相較施用化肥,降低了GP/GN比；GP菌群相對(duì)于GN更能適應(yīng)養(yǎng)分脅迫環(huán)境[33],GP/GN比的下降也在一方面反應(yīng)了秸稈還田配施有機(jī)肥處理下,土壤養(yǎng)分環(huán)境更優(yōu)化。

此外,本研究中微生物有機(jī)肥與金水酵素的組合使用,與單獨(dú)使用相比,顯著降低了土壤βG、CBH活性,顯著減少了土壤中PLFA總量與細(xì)菌PLFA數(shù)量,同時(shí)該處理下土壤有機(jī)碳氮的含量也較低,可以認(rèn)為是土壤環(huán)境因子的變化進(jìn)而影響了土壤酶活性及微生物菌群。有報(bào)道[32]認(rèn)為氨氧化細(xì)菌在有機(jī)環(huán)境中富集時(shí)加劇了土壤氮素的流失,從而影響了土壤微生物的生存環(huán)境；但具體對(duì)于ETS菌群的研究尚屬空白,仍需進(jìn)一步探討。

3.3 土壤微生物群落、土壤酶活性與土壤環(huán)境因子的關(guān)系

土壤酶與微生物共同作用參與土壤中C、N的流動(dòng)與循環(huán),在本研究中,βG、CBH活性與土壤微生物群落表現(xiàn)出了顯著相關(guān)性,而LAP與真菌表現(xiàn)出了負(fù)相關(guān)；βG、CBH降解纖維素而產(chǎn)生的糖類是土壤微生物的主要能量來源,因此兩者關(guān)系密切；也有研究[29]認(rèn)為L(zhǎng)AP作為參與氮素循環(huán)的酶與微生物群落數(shù)量也存在正相關(guān)關(guān)系；這與本研究不符,由于特定的氮酶種類復(fù)雜,LAP并不能完全反應(yīng)土壤氮酶活性的變化,仍需通過氨基葡萄糖苷酶(NAG)等繼續(xù)探討。土壤中TOC對(duì)微生物群落具有顯著影響,能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┏渥愕奶荚碵34-35],這與本研究中RDA分析所呈現(xiàn)的結(jié)果一致；但在一些研究[36]中,認(rèn)為土壤MBC與土壤微生物群落也存在著正相關(guān)關(guān)系,而本研究中,相比MBC對(duì)土壤微生物的影響,MBN與DON對(duì)土壤微生物群落的影響更顯著；主要是由于MBC與其他環(huán)境因子存在多重共線性,受外源環(huán)境影響變動(dòng)較大,并且也沒有與碳素循環(huán)中的土壤酶活性表現(xiàn)出相關(guān)性。土壤中理化環(huán)境因子中,土壤含水量與土壤微生物群落存在著正相關(guān),這與前人研究[37]一致；同時(shí),相比硝態(tài)氮,銨態(tài)氮與土壤微生物群落的相關(guān)程度更高,Giagnoni等[38]研究得出,不同的氮源形態(tài)對(duì)玉米根際微生物群落組成影響顯著,馬宗斌等[39]認(rèn)為不同作物基因型的差異,也會(huì)導(dǎo)致土壤微生物對(duì)氮素形態(tài)的響應(yīng)差異。

4 結(jié)論