不同施肥措施對(duì)華北潮土區(qū)玉米田土壤微生物碳源代謝多樣性的影響

劉紅梅，安克銳，王慧，張思宇，趙建寧，楊殿林，張貴龍

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191）

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高產(chǎn)量的主要措施之一，施肥量和施肥方式對(duì)土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的影響。氮肥施用是土壤氮素的主要來(lái)源，是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要保障。為了確保糧食作物自給自足，我國(guó)現(xiàn)階段作物生產(chǎn)以高化肥投入的集約化種植模式為主。大量化學(xué)氮肥投入不能被作物吸收利用，以NH3、N2O 和硝態(tài)氮等形式進(jìn)入大氣、土壤和水體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1]。施用有機(jī)肥替代部分化肥，減少氮肥投入，提高氮肥利用效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)土壤和環(huán)境的負(fù)面影響，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要出路。土壤微生物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的組成部分，對(duì)植物生長(zhǎng)、物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)等都起著十分重要的作用。研究土壤微生物對(duì)不同施肥管理的響應(yīng)，對(duì)評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量變化具有重要意義。

Biolog 生態(tài)板技術(shù)基于微生物對(duì)不同種類(lèi)碳源底物的利用情況分析，來(lái)表達(dá)微生物代謝特征[2]，是近年來(lái)用于研究微生物功能多樣性的一種快速簡(jiǎn)便的方法[3]。前人研究表明，長(zhǎng)期施肥可改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[4-6]，長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)氮肥可降低土壤微生物活性[7]。路花等[8]采用Biolog 生態(tài)板法研究了氮肥減半配施有機(jī)肥對(duì)燕麥田土壤微生物群落功能多樣性的影響，結(jié)果表明，氮肥減半后隨配施有機(jī)肥量增加，燕麥田土壤微生物群落的豐富度和均勻度顯著提高。郭瑩等[9]研究表明，長(zhǎng)期施用糞肥有助于提高水稻土土壤微生物對(duì)碳源的利用能力和群落多樣性。雖然已有大量研究表明無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥配施有利于提高土壤微生物活性和微生物功能多樣性，但由于肥料類(lèi)型、施肥量、施肥方式、施肥年限和作物類(lèi)型等的差異，不同研究者得出的研究結(jié)論不盡相同。因此有必要針對(duì)不同區(qū)域、土壤類(lèi)型和作物類(lèi)型等情況，開(kāi)展不同施肥措施對(duì)土壤微生物群落的影響研究。

華北平原是我國(guó)主要的糧食主產(chǎn)區(qū)，其耕地面積約占全國(guó)耕地面積的21%，在保障我國(guó)糧食生產(chǎn)中起著重要作用。但是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在化肥施用量過(guò)高、肥料利用效率低等問(wèn)題，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[10]。面對(duì)這一現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部積極倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)，提倡有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配合施用，逐步實(shí)現(xiàn)化肥使用量零增長(zhǎng)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前，長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)華北農(nóng)田土壤微生物碳源代謝多樣性的影響還不明確。為此，本研究以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所武清野外科學(xué)試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中不同施肥處理的表土（0～20 cm 土層）為研究對(duì)象，運(yùn)用Biolog 生態(tài)板技術(shù)，研究不同施肥處理下華北平原典型小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤微生物碳源代謝特征與多樣性的變化規(guī)律，同時(shí)分析探討微生物碳源代謝多樣性與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系，以期為提高華北地區(qū)農(nóng)田土壤肥力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和合理施肥管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所武清野外科學(xué)試驗(yàn)站內(nèi)開(kāi)展，位于武清區(qū)梅廠鎮(zhèn)（39°21′N(xiāo)，117°12′E）。研究區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均氣溫11.6 ℃，年均降水量520～660 mm，年平均無(wú)霜期為196～246 d。土壤類(lèi)型為潮土。試驗(yàn)開(kāi)始前土壤基本理化性質(zhì)為：土壤全氮1.18 g·kg-1，全磷0.72 g·kg-1，有機(jī)碳10.83 g·kg-1，硝態(tài)氮19.95 mg·kg-1，銨態(tài)氮5.06 mg·kg-1，速效磷18.6 mg·kg-1，pH 7.58。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

自2010 年開(kāi)始長(zhǎng)期試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)6 個(gè)施肥處理：對(duì)照A0（不施肥）、單施有機(jī)肥A1（有機(jī)肥15 t·hm-2）、氮肥減量配施有機(jī)肥A2（有機(jī)肥15 t·hm-2，氮基肥55.2 kg·hm-2、追肥36.8 kg·hm-2，P2O581.0 kg·hm-2，K2O 75.0 kg·hm-2）、常量化肥配施有機(jī)肥A3（有機(jī)肥15 t·hm-2，氮基肥117.3 kg·hm-2、追肥78.2 kg·hm-2，P2O581.0 kg·hm-2，K2O 75.0 kg·hm-2）、氮肥增量配施有機(jī)肥A4（有機(jī)肥15 t·hm-2，氮基肥172.5 kg·hm-2、追肥115.0 kg·hm-2，P2O581.0 kg·hm-2，K2O 75.0 kg·hm-2）、單施化肥A5（氮基肥117.3 kg·hm-2、追肥78.2 kg·hm-2，P2O581.0 kg·hm-2，K2O 75.0 kg·hm-2）。小區(qū)面積為400 m2，各小區(qū)間隔50 cm，每個(gè)處理3 次重復(fù)。有機(jī)肥由牛糞和雞糞混合堆腐而成，氮含量為0.69%，P2O5含量為0.65%，K2O為0.38%。氮肥為尿素（N，46.4%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（P2O5，12%），鉀肥為硫酸鉀（K2O，50%）。有機(jī)肥和磷鉀肥全部作基肥，氮肥60% 作基肥，40% 在玉米小喇叭口期作追肥施入。其他田間管理同一般大田生產(chǎn)。種植制度為典型的冬小麥-夏玉米輪作。

2019 年9 月底在玉米收獲期采樣。用直徑為5 cm 土鉆，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按照S 形取樣法選取5 個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm 土壤樣品，用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。去除植物根系、凋落物和其他雜質(zhì)，將土壤樣品分成兩份，一份放入4 ℃冰箱中保存，用于測(cè)定土壤速效養(yǎng)分、微生物量碳氮含量和微生物碳源代謝多樣性；另一份土樣放在室內(nèi)自然風(fēng)干，用于其他土壤化學(xué)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH 采用玻璃電極法（水土比2.5∶1），土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，土壤全磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用流動(dòng)分析儀（AA3，德國(guó)）測(cè)定，土壤速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測(cè)定[11]。土壤微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取，總有機(jī)碳分析儀（Multi N/C 3000）測(cè)定[12]。

土壤微生物碳源代謝多樣性測(cè)定：應(yīng)用Biolog 生態(tài)板測(cè)定土壤微生物對(duì)碳源的利用情況[13]。稱(chēng)取相當(dāng)于10 g 烘干土質(zhì)量的新鮮土壤樣品放入事先滅過(guò)菌的三角瓶中，在三角瓶中加入90 mL 滅菌的0.85%NaCl 溶液中，以轉(zhuǎn)速250 r·min-1在搖床上振蕩30 min，搖勻，靜置10 min 后，吸取上清液依次稀釋至10-3。向Biolog 生態(tài)板的每個(gè)孔中加入150 μL 10-3的土壤懸浮液。將Biolog 生態(tài)板放在遮光的生化培養(yǎng)箱中，在27 ℃下連續(xù)培養(yǎng)7 d，用Biolog 自動(dòng)分析儀（BIOLOGInc，USA）每24 h讀數(shù)一次。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

土壤微生物對(duì)碳源的利用率采用平均顏色變化率（Average well color development，AWCD）來(lái)表示[14]。對(duì)培養(yǎng)96 h 時(shí)的Biolog 生態(tài)板孔中吸光值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Shannon 指數(shù)H、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D 和Shannon-Wiener 均勻度指數(shù)E 來(lái)表征土壤微生物群落代謝功能多樣性。計(jì)算公式如下：

AWCD=Σ（Ci-R）/n

Shannon指數(shù)：H=-ΣPi×lnPi

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)：D=1-ΣP2i

Shannon-Wiener均勻度指數(shù)：E=H/lnS

式中：Ci為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的光密度值，為各反應(yīng)孔在590 nm與750 nm的吸光值差；R為碳源空白對(duì)照孔的光密度值；n為碳源數(shù)量，n=31；Pi為第i孔吸光值與整個(gè)平板吸光值總和的比率；S 為發(fā)生顏色變化的孔的數(shù)目。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。 應(yīng)用SPSS 16.0 軟件對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)、MBC、MBN、培養(yǎng)96 h 吸光值和多樣性指數(shù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan 多重比較；對(duì)培養(yǎng)96 h的31種碳源進(jìn)行主成分分析（Principle component analysis，PCA）；利用Pearson 相關(guān)分析比較土壤化學(xué)性質(zhì)、MBC 和MBN 與多樣性指數(shù)和AWCD 之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥措施對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)、MBC 和MBN 的影響

由表1 可知，A1、A2、A3 和A4 的有機(jī)碳含量顯著高于對(duì)照A0，A5 的有機(jī)碳含量顯著低于對(duì)照A0。5種施肥處理的土壤全氮和硝態(tài)氮含量均顯著高于對(duì)照。5 種施肥處理的土壤碳氮比和pH 值均顯著低于對(duì)照A0。A2、A3 和A4 的MBC 含量顯 著 高于對(duì)照A0，A1 和A5 的MBC 含 量 與 對(duì) 照A0 無(wú) 顯 著 差 異 。A1、A2、A3和A4的MBN 含量顯著高于對(duì)照A0，A5的MBN含量與對(duì)照A0無(wú)顯著差異。

2.2 不同施肥措施下土壤微生物群落代謝活性變化特征

連續(xù)10 a 不同施肥處理下，土壤AWCD 值變化見(jiàn)圖1。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同施肥處理的土壤微生物活性隨時(shí)間延長(zhǎng)而提高。培養(yǎng)24 h 各處理的AWCD變化不明顯，24～96 hAWCD快速增長(zhǎng)，96 h 后緩慢增長(zhǎng)，直至趨于穩(wěn)定。培養(yǎng)期間，A2 處理的AWCD最 高 ，對(duì) 照A0 處 理AWCD最 低 ，A3 處 理 的AWCD高于A4、A2 和A5。培養(yǎng)第96 h 時(shí)，各處理的AWCD在0.227～0.584，土壤AWCD值順序?yàn)椋篈2＞A3＞A4＞A5＞A1＞A0。 方 差 分 析 表 明 ，各 施 肥 處 理 間AWCD值差異顯著（表2），施肥處理（A1、A2、A3、A4和A5）均顯著高于不施肥對(duì)照A0（P＜0.05）；A2、A3和A4 的AWCD值 顯 著 高 于A1 和A5，且 以A2 處 理 的AWCD值最高。說(shuō)明A2 處理土壤微生物群落具有最強(qiáng)的代謝能力。

表1 不同施肥措施下土壤化學(xué)性質(zhì)、MBC和MBN變化Table 1 Soil chemical properties，MBC，and MBN in different fertilization treatments

圖1 不同施肥措施下土壤微生物群落的平均顏色變化率Figure 1 Average well color development of soil microbe community in different fertilization treatments

2.3 土壤微生物群落碳源代謝多樣性指數(shù)

土壤微生物群落碳源代謝多樣性指數(shù)變化見(jiàn)表2。A2 的Shannon 指數(shù)顯著高于對(duì)照和其他施肥處理；A3、A4和A5處理的Shannon指數(shù)均顯著低于對(duì)照A0。各施肥處理間的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)無(wú)顯著差異。A1、A2的均勻度指數(shù)與對(duì)照A0無(wú)顯著差異，A3、A4和A5的均勻度指數(shù)顯著低于對(duì)照。

2.4 土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

利用培養(yǎng)96 h的AWCD值，對(duì)不同施肥措施下土壤微生物利用碳源底物情況進(jìn)行主成分分析。在31種碳源因子中共提取了5 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)因子是94.98%。其中第1 主成分PC1 貢獻(xiàn)率是52.71%，第2主成分貢獻(xiàn)率是20.08%，第3 主成分貢獻(xiàn)率為11.48%，第4 主成分貢獻(xiàn)率為5.92%，第5 主成分貢獻(xiàn)率為4.79%。選取累計(jì)貢獻(xiàn)率為72.79% 的第1 主成分和第2 主成分進(jìn)行分析（圖2）。在主成分分析中，樣本之間距離越近，表明樣本間微生物群落代謝功能差異越小[15]。結(jié)果表明，不同施肥處理碳源利用在PC 軸上差異顯著（圖2），A2 和A3 相對(duì)聚集，A4 和A5相對(duì)聚集，A0 和A1 相對(duì)聚集。A2 和A3 位于PC1 軸和PC2 軸正方向上，土壤微生物碳源利用功能相似。在PC1 軸上，A2 和A3 處理分布在軸的正方向上，得分系數(shù)在1.125～1.473；A0、A1、A4 和A5 分布在軸的負(fù)方向上，得分系數(shù)在-1.157～-0.167。在PC2軸上，A0和A1 處理分布在軸的負(fù)方向上，得分系數(shù)在-1.312～-1.246，A2、A3、A4 和A5 處理分布在軸的正方向上，得分系數(shù)在0.085～1.281。不同施肥處理在PC1 和PC2 軸上得分系數(shù)有顯著差異（表3），說(shuō)明不同施肥措施改變了土壤微生物群落代謝功能。

表2 土壤微生物群落多樣性指數(shù)和培養(yǎng)96 h時(shí)AWCD值Table 2 Diversity index of soil microbial communities and AWCD at 96 h in different fertilization treatments

圖2 土壤微生物碳源利用的主成分分析Figure 2 Principal components analysis for carbon utilization of soil microbial communities

表3 不同施肥措施主成分得分系數(shù)Table 3 PC scores in different fertilization treatments

主成分分析中的載荷因子反映碳源利用的差異，載荷因子絕對(duì)值越大，表明該碳源基質(zhì)影響越大[16]，起主要分異作用[14]。由表4 可見(jiàn)，第1 主成分PC1 載荷絕對(duì)值＞0.5 的有18 種碳源，其中碳水類(lèi)6 種，氨基酸類(lèi)3 種，羧酸類(lèi)4 種，多聚物類(lèi)2 種，酚酸類(lèi)1 種，胺類(lèi)2種。第2主成分PC2載荷因子絕對(duì)值＞0.5的有15種碳源，其中碳水類(lèi)2 種，氨基酸類(lèi)3 種，羧酸類(lèi)4 種，多聚物類(lèi)3種，酚酸類(lèi)2種，胺類(lèi)1種。由表5可知，影響第1 主成分的碳源主要有碳水類(lèi)、羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)、多聚物類(lèi)，影響第2 主成分的碳源主要有碳水類(lèi)、氨基酸類(lèi)、羧酸類(lèi)、多聚物類(lèi)。分析表明，碳水類(lèi)、羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)和多聚物類(lèi)是研究區(qū)微生物利用的主要碳源（表5）。碳水類(lèi)的D-半乳糖酸γ-內(nèi)酯、氨基酸類(lèi)的甘氨酰-L-谷氨酸、羧酸類(lèi)的D-葡糖胺酸、多聚物類(lèi)的肝糖、酚酸類(lèi)的2-羥基苯甲酸、胺類(lèi)的腐胺，在PC1和PC2載荷因子絕對(duì)值均達(dá)到0.5以上，以上6種為研究區(qū)31種碳源中的最敏感類(lèi)型。

2.5 土壤化學(xué)性質(zhì)、MBC 和MBN 與微生物碳源代謝多樣性相關(guān)分析

相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)碳與96 h平均顏色變化率呈顯著正相關(guān)（表6）。土壤全氮和微生物量碳與96 h 平均顏色變化率呈極顯著正相關(guān)。土壤碳氮比與均勻度指數(shù)E呈顯著正相關(guān)，與96 h平均顏色變化率呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤銨態(tài)氮與均勻度指數(shù)E呈顯著負(fù)相關(guān)，與96 h平均顏色變化率呈顯著正相關(guān)。土壤硝態(tài)氮與Shannon 指數(shù)H呈顯著負(fù)相關(guān)，與均勻度指數(shù)E呈極顯著負(fù)相關(guān)，與96 h平均顏色變化率呈極顯著正相關(guān)。土壤pH 與均勻度指數(shù)E呈極顯著正相關(guān)，與96 h平均顏色變化率呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤微生物量氮與Shannon 指數(shù)H呈顯著正相關(guān)，與96 h 平均顏色變化率呈極顯著正相關(guān)。土壤碳氮比、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH 和微生物量氮是影響土壤微生物群落碳源代謝多樣性的重要環(huán)境因子。分析結(jié)果說(shuō)明，連續(xù)10 a 不同施肥處理下土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物學(xué)性狀發(fā)生了變化，從而影響了微生物碳源代謝多樣性。

3 討論

土壤微生物群落碳源代謝特征可以反映微生物活性和微生物群落對(duì)碳源的利用能力[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn)施肥措施顯著影響了土壤微生物對(duì)不同碳源的利用能力。反映微生物群落代謝活性的AWCD值表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，利用碳源量逐漸增加，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的AWCD值均顯著高于不施肥處理，這與武曉森等[19]在山東省德州市典型小麥-玉米輪作農(nóng)田得出的有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施能夠促進(jìn)土壤微生物對(duì)碳源的代謝活性結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明施肥處理的碳源利用能力均顯著高于不施肥處理（表2），這與嚴(yán)君等[20]研究結(jié)果相似。本研究中連續(xù)10 a不同施肥措施導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化，影響了土壤微生物對(duì)碳源的利用情況。肥料的施用提高了土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和MBC 含量（表1），為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了養(yǎng)分和碳源底物，從而提高了微生物活性，這與張瑞等[21]和刁嬋等[3]對(duì)不同施肥措施土壤微生物代謝功能研究得出的單施化肥降低了土壤微生物碳源利用能力不一致，可能是肥料施用年限、作物類(lèi)型不同造成的。

表4 31種碳源的主成分載荷因子Table 4 Loading factors of principle components of 31 sole-carbon sources

表5 影響PC1、PC2主要變量得分Table 5 Score coefficient of variables affecting PC1 and PC2

多樣性指數(shù)通常與微生物群落的碳源利用效率呈正相關(guān)關(guān)系[22]，是評(píng)價(jià)土壤微生物群落利用碳源程度的重要指標(biāo)，可反映土壤微生物群落功能多樣性。Shannon多樣性指數(shù)表示生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落利用碳源類(lèi)型多少，其值越高，表明土壤微生物群落功能多樣性越高[19]。本研究單施有機(jī)肥和氮肥減量配施有機(jī)肥處理顯著提高了土壤微生物Shannon 多樣性指數(shù)，但常量化肥配施有機(jī)肥和氮肥增量配施有機(jī)肥處理顯著降低了土壤微生物的Shannon 多樣性指數(shù)。李猛等[23]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減半配施有機(jī)肥處理提高土壤微生物群落物種豐富度，且顯著高于常規(guī)施氮處理；過(guò)量施用化學(xué)氮肥降低土壤微生物功能多樣性，與本研究結(jié)果一致。本研究單施化肥處理顯著降低了土壤微生物Shannon 多樣性指數(shù)。夏昕等[7]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期單施化肥使紅壤性水稻土土壤微生物多樣性降低，與本研究結(jié)果相似。相關(guān)性分析表明，Shannon 指數(shù)H與硝態(tài)氮、MBN 有顯著相關(guān)性，均勻度指數(shù)E與碳氮比、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH 均有顯著相關(guān)性，AWCD與有機(jī)碳、全氮、碳氮比、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH、MBC、MBN 均有顯著相關(guān)性，說(shuō)明長(zhǎng)期不同施肥措施引起土壤理化因子和微生物學(xué)性狀發(fā)生改變是導(dǎo)致土壤微生物功能多樣性產(chǎn)生差異的重要原因，這與已有研究相互印證[23-24]。土壤pH 是影響土壤微生物碳源代謝多樣性的主要影響因子，長(zhǎng)期施用肥料導(dǎo)致了土壤pH下降[25]，進(jìn)而影響了土壤微生物功能多樣性。

表6 土壤化學(xué)性質(zhì)、MBC和MBN與微生物群落多樣性和AWCD之間的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis between soil chemical properties，and soil microbial communities diversity indices

Biolog 主成分分析顯示土壤微生物群落在不同施肥處理下對(duì)碳源的響應(yīng)，是反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的有效手段[26]。31 種碳源的因子載荷值分析結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤微生物利用的碳源主要為碳水類(lèi)、羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)和多聚物類(lèi)。Garland 等[2]認(rèn)為樣本空間位置上的不同與微生物利用碳源底物的能力相關(guān)聯(lián)。圖2 顯示，不同施肥措施對(duì)第1 主成分和第2 主成分相關(guān)碳源利用能力不同，各處理在PC 軸上出現(xiàn)了明顯的分異，說(shuō)明施肥顯著改變土壤微生物對(duì)碳源的利用特征。單施化肥和氮肥增量配施有機(jī)肥處理相對(duì)聚集，位于PC1軸的負(fù)方向和PC2軸的正方向上，土壤微生物碳源利用功能相似。武曉森等[19]在山東德州的小麥-玉米輪作試驗(yàn)也得到類(lèi)似結(jié)論。本研究表明不同施肥處理對(duì)碳源的利用情況存在明顯差異，說(shuō)明連續(xù)10 a不同施肥處理對(duì)某些特定的土壤微生物進(jìn)行了富集和馴化[4，23]，促進(jìn)了喜氮種群代謝活性[25]，抑制了某些種群的正常代謝，從而導(dǎo)致對(duì)不同碳源的代謝活性產(chǎn)生影響。綜合分析可知，有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施有利于提高土壤微生物碳代謝活性，在本研究中以氮肥減量配施有機(jī)肥處理的微生物活性最高。

本研究比較了長(zhǎng)期連續(xù)不同施肥措施下華北典型輪作農(nóng)田土壤微生物群落代謝特征和微生物代謝功能多樣性變化，分析探討了微生物碳源代謝多樣性與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可為華北農(nóng)田施肥管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。由于Biolog 技術(shù)局限性，研究結(jié)果具有一定片面性，在未來(lái)研究中應(yīng)結(jié)合土壤酶活性變化，并利用高通量測(cè)序等分子生物學(xué)方法，進(jìn)一步揭示不同施肥措施對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。

4 結(jié)論

（1）施肥處理的土壤全氮和硝態(tài)氮含量顯著高于不施肥處理，土壤碳氮比和pH 值均顯著低于不施肥處理。與不施肥和單施化肥相比，施用有機(jī)肥處理顯著增加了有機(jī)碳和MBN含量。

（2）連續(xù)10 年有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配合施用顯著提高了土壤微生物碳源代謝活性，改變了土壤微生物對(duì)碳源的利用模式，從而引起土壤微生物碳源代謝多樣性的相應(yīng)改變。氮肥減量配施有機(jī)肥處理有利于提高土壤微生物碳源利用能力和功能多樣性。

（3）土壤微生物群落代謝特征因施肥措施不同而產(chǎn)生差異，其中氮肥減量配施有機(jī)肥與常量化肥配施有機(jī)肥土壤微生物群落代謝特征較為相似，與其他施肥處理的土壤微生物代謝特征顯著不同。土壤碳氮比、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH 和MBN 是影響土壤微生物碳源代謝多樣性的重要環(huán)境因子。