長期施氮肥對(duì)黃棕壤微生物生物性狀的影響及其調(diào)控因素*

王 靜, 王 磊, 劉耀斌, 章 歡,3, 張 輝, 汪吉東,3, 吳建燕, 張永春**

長期施氮肥對(duì)黃棕壤微生物生物性狀的影響及其調(diào)控因素*

王 靜1,2, 王 磊1, 劉耀斌1,2, 章 歡1,3, 張 輝1, 汪吉東1,2,3, 吳建燕4, 張永春1,2**

(1. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江蘇耕地保育科學(xué)觀測(cè)站 南京 210014; 2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 南京 210095; 3. 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212023; 4. 煙臺(tái)泓源生物肥料有限公司 煙臺(tái) 264000)

基于黃棕壤小麥-甘薯輪作的長期定位試驗(yàn), 探究不同施氮處理土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量和酶活性的變化及其潛在調(diào)控因子, 為科學(xué)施氮提高土壤質(zhì)量和改善土壤生態(tài)功能提供依據(jù)。試驗(yàn)選取始于2011年4個(gè)施氮處理: 不施肥(CK)、不施氮肥(PK)、施化學(xué)氮肥(NPK)和化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥(NPKM), 調(diào)查兩季作物收獲后土壤MBC和MBN含量、酶活性及微生物碳氮利用效率的變化, 并通過冗余分析(RDA)和結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)明確調(diào)控弱酸性黃棕壤中MBC和MBN變化的潛在因素。小麥和甘薯兩季的結(jié)果表明: 施氮肥降低了土壤MBC、MBN含量和蔗糖酶(SSC)、脲酶(SUE)活性, 與NPK處理相比, NPKM處理增加了MBC、MBN含量和SSC、SUE活性。長期施用氮肥提高了土壤有機(jī)碳(SOC)和土壤養(yǎng)分[全氮(TN)和礦質(zhì)態(tài)氮(MN)]含量, 但施氮肥顯著降低土壤pH以及微生物的碳氮利用效率。與小麥季相比, 甘薯季土壤SOC和MN含量有所下降, 而MBN含量和SSC活性有所升高。RDA和SEM結(jié)果表明, 氮肥的施用強(qiáng)化了MBC與MBN、SSC與MBC以及SUE與MBC之間的關(guān)聯(lián)性; 不同施氮處理下土壤pH、有機(jī)碳、氮含量以及微生物的碳氮利用效率的變化直接或間接地影響土壤MBC、MBN含量和SSC、SUE活性, 其中pH是調(diào)控土壤MBC變化的直接因素, 而土壤SSC和SUE活性與MBC、MBN含量相互影響。長期施用氮肥降低了黃棕壤MBC、MBN含量和酶活性, 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥有利于緩解生物性狀的下降, 土壤pH是影響MBC變化的主要因素, 小麥-甘薯輪作中土壤微生物強(qiáng)烈的碳代謝過程利于增加MBN。

黃棕壤; 氮肥; 微生物生物量; 酶活性; 潛在調(diào)控因子

化肥是影響作物產(chǎn)量和土壤肥力演變的主要因素之一[1], 化學(xué)氮肥在提高作物產(chǎn)量方面做出了重要貢獻(xiàn), 但其過量施用也在一定程度上為土壤生態(tài)環(huán)境帶來潛在的威脅, 如土壤酸化[2]和微生物活性下降等[3]。有機(jī)肥中含有豐富的有機(jī)碳源和礦質(zhì)營養(yǎng)元素, 農(nóng)田施用有機(jī)肥可以顯著提高土壤有機(jī)碳組分以及活性有機(jī)碳組分在總有機(jī)碳中所占比例[4-5], 且充足的礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)可保證作物高效利用,從而促進(jìn)根系分泌有機(jī)物以維持土壤微生物的活性。已有研究發(fā)現(xiàn)在長期定位試驗(yàn)中, 與不施肥相比, 單獨(dú)施用化學(xué)氮肥可在短期內(nèi)快速提高土壤速效養(yǎng)分含量和有機(jī)碳水平, 但其增幅效果顯著低于長期施用有機(jī)肥料[6]。因此, 為應(yīng)對(duì)作物高產(chǎn)和培肥地力的需求, 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥在田間施肥管理方式中尤為重要。

土壤微生物作為土壤的生物屬性, 對(duì)土壤質(zhì)量的變化異常敏感[7]。土壤活性養(yǎng)分可通過微生物生物量的形式得以循環(huán)與周轉(zhuǎn), 而微生物又通過分泌酶來體現(xiàn)其對(duì)養(yǎng)分的需求[8], 因此, 土壤微生物生物量和酶活性常被認(rèn)為是反映土壤質(zhì)量和生態(tài)功能的重要指標(biāo)[9-10]。由于土壤中碳氮元素轉(zhuǎn)化的耦合關(guān)系[11], 長期施氮肥不僅促進(jìn)了作物對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分和礦質(zhì)氮素的利用, 而且改變了土壤微生物對(duì)土壤可利用的碳氮元素的吸收量與排放量[12]。據(jù)報(bào)道長期化學(xué)氮肥輸入可降低5.8%~20.0%的土壤微生物生物量[13], 但也有研究表明礦質(zhì)氮肥和有機(jī)肥的輸入均增加了土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)含量及其在有機(jī)碳中所占比例[14]。何甜甜等[15]研究表明與常規(guī)施肥相比, 常規(guī)施肥配合秸稈顯著提高褐土MBC和微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)含量。而王傳杰等[16]研究表明黑鈣土長期施用化肥顯著降低土壤MBC和MBN含量, 化肥添加有機(jī)物料可增加MBC和MBN含量, 土壤碳、氮、磷元素的改變直接導(dǎo)致微生物量碳氮的變化。土壤蔗糖酶和土壤脲酶分別參與土壤碳氮元素的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程, 不同形態(tài)氮肥的添加對(duì)于蔗糖酶和脲酶的活性產(chǎn)生不同影響[17]。由于土壤MBC、MBN和酶活性較為敏感, 其受施肥引起的土壤理化性狀變化的影響較大。Ren等[18]通過Meta分析結(jié)果表明, 肥料施用量和土壤初始理化因子(如有機(jī)碳、全氮和黏粒含量)可能是調(diào)控土壤微生物量變化的主要因素。Mangalassery等[19]報(bào)道了磚紅壤施用有機(jī)無機(jī)肥顯著提高土壤有機(jī)碳水平, 進(jìn)而提高土壤MBC、MBN含量和土壤酶活性。而Geisseler等[20]通過Meta分析結(jié)果表明, 氣候和氧的有效性是解釋水田土壤微生物量變化的主要因素。李炎龍等[21]研究表明, 不同種植體系對(duì)石灰性潮土MBC、MBN含量的影響存在顯著差異。由于土壤環(huán)境的異質(zhì)性以及作物種類的差異, 在弱酸性黃棕壤旱-旱輪作體系中, 施氮肥對(duì)土壤微生物量碳氮含量及其與碳氮轉(zhuǎn)化酶活性的關(guān)系仍缺乏深入探究。因此, 本研究選取小麥(L.)-甘薯[(L.) Lam.]輪作的長期定位試驗(yàn)點(diǎn), 采集兩季作物收獲期不同施氮處理的土壤樣品, 分析了不同施氮處理對(duì)土壤MBC和MBN含量和蔗糖酶、脲酶活性的影響, 并通過回歸分析、冗余分析(RDA)以及結(jié)構(gòu)方程模型(SEM), 探討施氮肥后土壤微生物生物量碳氮與酶活性之間的關(guān)系, 明確調(diào)控土壤MBC和MBN含量和酶活性變化的潛在因素, 旨在為科學(xué)施用氮肥以維持健康的土壤環(huán)境提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地(32°28′N, 118°37′E)進(jìn)行, 該地年平均氣溫15.6 ℃, 年均降水量1100 mm。供試土壤為黃棕壤, 土壤明顯黏化, pH呈弱酸性。試驗(yàn)前耕層土壤(0~20 cm)有機(jī)質(zhì)含量13.31 g?kg?1, 全氮0.73 g?kg?1, 堿解氮106.18 mg?kg?1, pH 6.48。

試驗(yàn)開始于2011年, 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù), 小區(qū)面積為33.3 m2(5 m× 6.66 m), 種植制度為冬小麥-夏甘薯。本研究共選取甘薯和小麥季的4個(gè)處理: 1)不施肥, CK; 2)不施氮肥, PK; 3)施化學(xué)氮肥, NPK; 4)化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥, NPKM。小麥季的氮肥施用量為純N 210 kg?hm?2, 磷肥施用量為P2O590 kg?hm?2, 鉀肥施用量為K2O 90 kg?hm?2, 有機(jī)肥施用量為3060 kg?hm?2; 甘薯季的氮肥施用量為純N 120 kg?hm?2, 磷肥施用量為P2O560 kg?hm?2, 鉀肥施用量為K2O 180 kg?hm?2, 有機(jī)肥的施用量為2040 kg?hm?2。試驗(yàn)施用的氮肥為尿素(46% N), 磷肥為過磷酸鈣(14%~18% P2O5), 鉀肥為硫酸鉀(50%~55% K2O), 試驗(yàn)所用有機(jī)肥為當(dāng)?shù)剞r(nóng)家腐熟廄肥。其中小麥季有機(jī)無機(jī)混施肥的有機(jī)肥中氮磷鉀分別占氮磷鉀總投入的30%、40%、40%, 甘薯季有機(jī)肥中氮磷鉀分別占氮磷鉀總投入的30%、40%和14%。小麥品種為‘寧麥26’, 種植密度為112.5 kg?hm?2, 于2018年11月6日種植, 2019年5月25日收獲; 甘薯品種為‘蘇薯29’, 種植密度為45 000株?hm?2, 于2019年6月5日種植, 2019年10月11日收獲。

1.2 土壤樣品的采集與處理

土壤樣品分別于2019年5月(小麥?zhǔn)斋@時(shí))和2019年10月(甘薯收獲時(shí))采集。小麥季的樣品采集為各小區(qū)按“S”形采樣路線隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn)。甘薯季的樣品采集為每個(gè)小區(qū)選取5條壟, 在每條壟上隨機(jī)選取1個(gè)點(diǎn), 每個(gè)取樣點(diǎn)選在2棵甘薯植株之間。兩季節(jié)樣品的采集均在去除土壤表面干擾物(如枯枝落葉等)后, 用采樣器(直徑為2.5 cm)采集0~20 cm的耕作層土壤。各小區(qū)采集的5個(gè)土芯經(jīng)初步破碎混勻后, 所有樣品采用冰袋保鮮運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品在去除植物根系和大的石塊后過2 mm篩混勻, 所有樣品分為兩部分, 一部分室溫下風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)和酶活性的測(cè)定, 另一部分置于4 ℃在1周內(nèi)完成土壤礦質(zhì)態(tài)氮、MBC和MBN的測(cè)定。

1.3 土壤理化性質(zhì)及生物性狀的測(cè)定

土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定; 土壤全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凱氏法測(cè)定; 土壤pH利用混合電極pH計(jì)測(cè)定(水土比為2.5∶1); 土壤礦質(zhì)態(tài)氮(mineral nitrogen, MN)采用0.01 mol?L?1氯化鈣溶液浸提, 化學(xué)分析儀(SMART CHEMTM200, Germany)測(cè)定。以上方法均參照鮑士旦[22]的《土壤農(nóng)化分析》方法測(cè)定。土壤易氧化有機(jī)碳(readily oxidized organic carbon, ROC)采用333 mmol?L?1高猛酸鉀氧化法測(cè)定[23]。

采用氯仿熏蒸-硫酸鉀溶液浸提方法測(cè)定土壤MBC和MBN含量[24-25]。土壤微生物利用碳的效率(MBC∶SOC)也稱微生物熵, 用MBC含量占SOC含量的百分比計(jì)算得出; 土壤微生物利用氮的效率(MBN∶TN) 用MBN占土壤全氮含量的百分比計(jì)算得出[26]。土壤脲酶(urease, SUE)活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定, 土壤蔗糖酶(invertase, SSC)活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[27]。將lnSSC∶lnSUE作為土壤碳氮酶活性比, 其與土壤微生物對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分需求狀況相聯(lián)系[28-29]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 單因素方差分析(One-way ANOVA)配合Tukey’s-b檢驗(yàn)多處理間均值的顯著性, 采用一般線性模型多變量進(jìn)行多因素方差分析; 冗余分析(RDA)采用Canoco 5.0軟件分析土壤MBC、MBN、酶活性與其潛在影響因子的關(guān)系; 采用Amos 22軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(SEM), 利用廣義最小二乘法對(duì)預(yù)設(shè)模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì), 卡方檢驗(yàn)預(yù)設(shè)模型與最優(yōu)模型的顯著性(>0.05), 卡方/自由度(CMIN/DF)表示模型的最小差異值(0≤CMIN/DF≤2), RMSEA表示近似均方根殘差(0≤RMSEA<0.05), 為評(píng)價(jià)模型配適度的重要參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施氮對(duì)土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量及其化學(xué)計(jì)量比的影響

如圖1所示, 施肥處理、作物季以及二者的交互作用顯著影響土壤MBC含量, 施肥處理對(duì)土壤MBC∶MBN無顯著影響, 施肥處理與作物季的交互作用對(duì)土壤MBN的含量無顯著影響。小麥季結(jié)果表明, 與CK處理相比, PK處理的土壤MBC含量顯著提高, MBN含量輕微上升, 但不顯著; 而NPK和NPKM處理的MBC和MBN含量顯著下降, NPK處理的MBC和MBN含量最低。NPK處理的土壤MBC∶MBN顯著高于CK、PK和NPKM處理, 而CK、PK和NPKM處理的MBC∶MBN無顯著差異。

甘薯季結(jié)果表明, 與CK處理相比, NPK處理顯著降低了土壤MBC含量, 而CK、PK和NPKM處理的土壤MBC含量則無顯著差異。土壤MBN含量和MBC∶MBN在各施肥處理間無顯著差異, 與CK處理比較, NPK處理的MBN含量和MBC∶MBN降幅最大。

綜上結(jié)果, NPK和NPKM處理分別在不同程度上降低了土壤MBC和MBN的含量, 其中NPK處理下MBC和MBN含量的降幅最大, 而NPKM處理有利于緩解MBC和MBN含量的下降, 并有效地維持土壤微生物碳氮的生態(tài)化學(xué)計(jì)量平衡。

CK: 不施肥; PK: 不施氮肥; NPK: 施化學(xué)氮肥; NPKM: 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥。S表示作物季, T表示施肥處理。不同字母表示不同作物季不同施肥處理在<0.05 (Tukey’s-b test)水平差異顯著, 小麥季用小寫字母表示, 甘薯季用大寫字母表示。*和**分別表示在<0.05和<0.01水平影響顯著。CK: no fertilizer, control; PK: no N fertilizer; NPK: chemical N fertilizers; NPKM: chemical N fertilizers combined with organic fertilizers; S indicates crop season, T indicates fertilization treatment. Different lowercase letters and capital letters mean significant differences (Tukey’s-b test,<0.05) among different fertilization treatments in wheat and sweet potato seasons, respectively. * and ** indicate significant effects at<0.05 and<0.01, respectively.

2.2 長期施氮對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物碳氮利用效率的影響

如表1所示, 施肥處理、作物季以及二者的交互作用顯著影響土壤ROC、MN含量以及MBC∶SOC, 作物季對(duì)土壤pH無顯著影響, 施肥處理與作物季的交互作用對(duì)TN、SOC含量和MBN∶TN無顯著影響。小麥季結(jié)果顯示, 與CK處理相比, NPK和NPKM處理顯著降低土壤pH, 其降幅分別為1.52和0.96, 而PK處理的pH無顯著變化。NPKM處理的土壤TN含量顯著高于CK、PK和NPK處理, 增幅分別為60.3%、48.1%和31.5%。與CK處理比較, NPK和NPKM處理顯著提高土壤SOC、ROC和MN含量, 其中SOC含量分別提高24.4%和36.4%, ROC含量分別提高19.3%和32.0%, MN含量分別提高106.7%和113.7%, PK處理的SOC、ROC和MN含量與CK處理比較均無顯著差異。與NPK處理相比, NPKM處理的土壤pH和SOC含量顯著升高。與CK和PK處理比較, NPK和NPKM處理顯著降低了MBC∶SOC和MBN∶TN, 其中NPK處理的降幅較大。

甘薯季結(jié)果顯示, 施肥顯著降低土壤pH, 且各施肥處理間差異顯著。與CK處理相比, PK、NPK和NPKM處理的土壤pH分別下降0.45、1.66和1.15個(gè)單位。與CK處理比較, NPK和NPKM處理顯著增加土壤TN、SOC、ROC和MN含量, 其中土壤TN含量的增幅分別為34.1%和41.2%, SOC含量的增幅分別為33.8%和45.3%, ROC含量的增幅分別為325.3%和305.5%, MN含量的增幅分別為255.9%和147.1%。PK處理的土壤TN、ROC和MN含量與CK處理比較無顯著差異, 而SOC含量顯著提高。與CK處理比較, NPK和NPKM處理顯著降低土壤MBC∶SOC, 而土壤MBN∶TN也有所下降, 僅NPK處理的降幅達(dá)顯著水平。

綜合小麥-甘薯季結(jié)果可知, 施氮肥顯著降低了土壤pH, 其中NPK處理降幅最大, NPKM有利于緩解土壤pH的下降; 與CK、PK和NPK處理相比, NPKM處理顯著提高了土壤TN和SOC含量; 與CK和PK處理相比, NPK和NPKM處理顯著提高了ROC含量和MN含量; 與CK處理相比, NPK和NPKM處理顯著降低了土壤MBC∶SOC和MBN∶TN。

表1 長期不同施氮處理的土壤化學(xué)性質(zhì)及微生物的碳、氮利用效率

CK: 不施肥; PK: 不施氮肥; NPK: 施化學(xué)氮肥; NPKM: 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥。S表示作物季, T表示施肥處理。不同字母表示不同作物季不同施肥處理在<0.05(Tukey’s-b test)水平上差異顯著, 小麥季用小寫字母表示, 甘薯季用大寫字母表示。*和**分別表示在<0.05和<0.01水平影響顯著。CK: no fertilizer, control; PK: no N fertilizer; NPK: chemical N fertilizers; NPKM: chemical N fertilizers combined with organic fertilizers; S indicates crop season, T indicates fertilization treatment. Different lowercase letters and capital letters mean significant differences (Tukey’s-b test, P<0.05) among different fertilization treatments in wheat and sweet potato seasons, respectively. * and ** indicate significant effects at<0.05 and<0.01, respectively.

2.3 長期施氮對(duì)土壤蔗糖酶、脲酶活性及其化學(xué)計(jì)量比的影響

不同施氮處理的土壤蔗糖酶(SSC)、脲酶(SUE)活性及二者比值如圖2所示。施肥處理顯著影響土壤SSC、SUE活性及l(fā)nSSC∶lnSUE, 作物季對(duì)土壤SUE活性無顯著影響, 施肥處理和作物季的交互作用對(duì)土壤SSC和lnSSC∶lnSUE無顯著影響。

CK: 不施肥; PK: 不施氮肥; NPK: 施化學(xué)氮肥; NPKM: 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥。S表示作物季, T表示施肥處理。不同字母表示不同作物季不同施肥處理在<0.05(Tukey’s-b test)水平上差異顯著, 小麥季用小寫字母表示, 甘薯季用大寫字母表示。*和**分別表示在<0.05和<0.01水平影響顯著。CK: no fertilizer, control; PK: no N fertilizer; NPK: chemical N fertilizers; NPKM: chemical N fertilizers combined with organic fertilizers; S indicates crop season, T indicates fertilization treatment. Different lowercase letters and capital letters mean significant differences (Tukey’s-b test,<0.05) among different fertilization treatments in wheat and sweet potato seasons, respectively. * and ** indicate significant effects at<0.05 and<0.01, respectively.

小麥季和甘薯季結(jié)果表明, 與CK處理相比, NPK處理顯著降低了土壤SSC和SUE活性, NPKM處理的土壤SSC和SUE活性降幅不同, 小麥季NPKM處理的土壤SSC和SUE活性與CK處理差異不顯著, 而甘薯季NPKM處理的土壤SSC和SUE活性降幅達(dá)顯著水平。小麥季和甘薯季NPKM處理的lnSSC∶lnSUE與CK處理比較無顯著差異, 而NPK處理的lnSSC∶lnSUE顯著下降。兩季作物PK處理的土壤SSC、SUE活性及l(fā)nSSC∶lnSUE與CK處理比較均無顯著差異。

綜上結(jié)果, 施用氮肥均在不同程度上降低了SSC和SUE活性及其活性比, 兩作物季施用化學(xué)氮肥的土壤SSC和SUE活性及其活性比的降幅達(dá)顯著水平, 而有機(jī)無機(jī)肥配施則有利于緩解土壤酶活性及其活性比的下降。

2.4 土壤微生物生物量碳、氮含量與蔗糖酶、脲酶活性的回歸分析

通過線性回歸分析, 比較兩季作物施氮肥(NPK和NPKM處理)與不施氮肥(CK和PK處理)的土壤MBC、MBN含量和酶活性的關(guān)系, 如圖3所示。不施氮肥的土壤SSC活性與SUE活性、土壤SSC活性與MBN含量呈顯著的線性相關(guān), 土壤SUE活性和土壤MBN含量均隨SSC活性的增加而增加。土壤MBN含量隨土壤SUE活性的增加而增加, 但相關(guān)關(guān)系不顯著。施用氮肥的土壤MBC含量與MBN含量、土壤SSC活性與MBC含量呈顯著的線性正相關(guān), 而SSC活性與SUE活性、SSC活性與MBN含量、SUE活性與MBN含量呈一定的線性相關(guān)關(guān)系, 但未達(dá)顯著水平。

綜上結(jié)果, 施氮肥改變了土壤MBC、MBN含量與蔗糖酶、脲酶活性之間的作用關(guān)系, 總體來說, 施氮肥強(qiáng)化了土壤MBC與MBN含量, 蔗糖酶、脲酶活性與MBC含量間的相互作用關(guān)系, 但氮肥的施用也弱化了土壤蔗糖酶與脲酶活性、蔗糖酶活性與MBN含量、脲酶活性與MBN含量之間的關(guān)聯(lián)性。

2.5 土壤微生物量碳氮含量和酶活性與其潛在影響因子的冗余分析

如圖4所示, 利用冗余分析明確土壤理化性質(zhì)、微生物的碳氮利用效率、微生物碳氮化學(xué)計(jì)量比以及土壤碳氮酶活性比與土壤微生物生物量碳、氮含量和碳氮酶活性的關(guān)系。采用前向回歸分析法選取最優(yōu)解釋變量, “Bonferroni correction”校正值, 結(jié)果表明土壤MBN∶TN、MBC∶MBN、MBC∶SOC、SOC、pH以及l(fā)nSSC∶lnSUE與微生物量碳氮和酶活性顯著相關(guān)(<0.05), 且分別解釋方差變異的63.2%、15.7%、7.5%、4.9%、2.8%和1.2%, 其中在軸一方向上共解釋微生物量碳氮和酶活性變化的72.83%, 在軸二方向上共解釋20.11%。在軸一方向上, pH、MBC∶SOC、MBN∶TN以及l(fā)nSSC∶lnSUE與微生物量碳、氮和酶活性顯著正相關(guān), 土壤SOC和MBC∶MBN與微生物量碳、氮和酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)。

CK: 不施肥; PK: 不施氮肥; NPK: 施化學(xué)氮肥; NPKM: 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥。SOC: 土壤有機(jī)碳含量; TN: 土壤全氮含量; CK: no fertilizer, control; PK: no N fertilizer; NPK: chemical N fertilizers; NPKM: chemical N fertilizers combined with organic fertilizers. SOC: soil organic carbon content; TN: total nitrogen content.

2.6 土壤微生物量碳氮含量與其潛在影響因子的結(jié)構(gòu)方程

如圖5所示, 綜合小麥和甘薯兩季的土壤生物和非生物因素與MBC和MBN含量的關(guān)系構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型。不同施氮處理通過改變土壤pH、SOC、MN和TN的含量以及土壤SSC和SUE活性從而直接或間接地影響了土壤MBC和MBN含量的變化, 其中pH和SUE是影響土壤MBC變化的直接因素, 且pH對(duì)MBC的變化最為重要。土壤SSC和TN是影響土壤MBN變化的直接因素, 其中SSC活性對(duì)MBN含量變化的影響較大, 此外, SOC和MN含量間接地調(diào)控土壤MBC和MBN含量的變化, 且均為負(fù)效應(yīng)。

圖中MN為土壤礦質(zhì)態(tài)氮, SOC為土壤有機(jī)碳, TN為土壤全氮, SUE為土壤脲酶, SSC為土壤蔗糖酶, MBC為土壤微生物生物量碳, MBN為土壤微生物生物量氮,2為標(biāo)準(zhǔn)化回歸權(quán)重, CMIN/DF、值以及RMSEA為評(píng)價(jià)模型配適度的參數(shù)。左圖中實(shí)線表示正效應(yīng), 虛線表示負(fù)效應(yīng), 灰色表示相關(guān)性在0<<0.05水平顯著相關(guān), 黑色表示不顯著, 線型粗細(xì)表示路徑系數(shù)大小。*、**和***分別表示相關(guān)性在<0.05、<0.01和<0.001水平顯著。In figure, MN is soil mineral nitrogen, SOC is soil organic carbon, TN is soil total nitrogen, SUE is soil urease, SSC is soil invertase, MBC is soil microbial biomass carbon, MBN is soil microbial biomass nitrogen.2is standardized regression weights, CMIN/DF,and RMSEA are criticalparameters of model fit summary. In left figure, the solid line indicates a positive correlation, the dashed line indicates a negative correlation, grey indicates that the correlation is significant at 0<<0.05 level, black indicates that the correlation is not significant, and the line thickness indicates the path coefficient size. *, ** and *** indicate significant correlation at<0.05,<0.01 and<0.001, respectively.

3 討論

3.1 長期施氮對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物碳氮利用效率的影響

氮肥的施用對(duì)土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、氮素養(yǎng)分含量以及土壤pH的影響較為明顯。本研究結(jié)果表明, 長期施氮肥顯著降低土壤pH, 施用化學(xué)氮肥的土壤pH降幅最大, 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥可明顯緩解由單施化學(xué)氮肥造成的土壤酸化。周曉陽等[30]研究也呈現(xiàn)相同結(jié)果, 酸性土壤長期施用化肥和有機(jī)肥均在不同程度上導(dǎo)致土壤酸化。但也有研究表明, 施用礦質(zhì)氮肥對(duì)土壤pH無顯著影響[20], 這可能與肥料的施用量和土壤本身的性質(zhì)密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明施用氮肥顯著提高土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和氮素養(yǎng)分含量, 其中施用化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量最高, 這與邢鵬飛等[31]和沈冰濤等[32]研究結(jié)果一致。此外, 在本研究中施氮肥明顯降低了土壤微生物量碳、氮在土壤有機(jī)碳和全氮中的比例, 說明氮肥的施用抑制了微生物對(duì)土壤碳和氮的利用效率, 其中施用化學(xué)氮肥的抑制作用更強(qiáng), 這與田偉等[33]研究結(jié)果相一致。但也有研究表明, 施用氮肥提高了土壤微生物對(duì)土壤中碳和氮的利用效率[20,34]。結(jié)果不同的原因可能是土壤微生物碳、氮的利用效率受施肥處理、不同作物季以及二者之間的交互作用共同影響, 不同作物季施氮肥顯著降低了土壤pH (表1), 且pH與微生物碳、氮的利用效率密切相關(guān)(圖4), 微生物受土壤環(huán)境變化的響應(yīng)異常敏感。因此, 當(dāng)微生物的生長環(huán)境強(qiáng)烈變化時(shí), 如土壤酸化嚴(yán)重, 則不利于其對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收從而降低了養(yǎng)分的利用效率。

3.2 長期施氮對(duì)土壤微生物量碳氮含量和碳氮轉(zhuǎn)化酶活性的影響

已有研究表明施氮肥提高了堿性土壤中根際土的微生物生物量碳、氮含量[35]。但在本研究結(jié)果中, 施用氮肥降低了土壤微生物生物量碳、氮的含量, 不施氮肥的土壤微生物生物量碳、氮含量保持相對(duì)平穩(wěn)。有研究[36-37]顯示氮肥的施用降低草地和森林土壤的微生物生物量碳、氮含量。以上結(jié)果不同可能與土壤類型、肥料施用量以及作物種類有關(guān), 堿性土壤施用氮肥對(duì)于微生物所處環(huán)境的影響相對(duì)較小, 而對(duì)于弱酸性黃棕壤來說, 氮肥的施用加速土壤酸化進(jìn)程, 因此微生物的活性和吸收土壤養(yǎng)分的能力受土壤酸堿性的影響較大。此外, 土體和根際土壤中碳源和養(yǎng)分含量不同, 相對(duì)而言, 根際土壤微生物的活性和代謝較為旺盛, 可能導(dǎo)致微生物生物量碳、氮含量的變化不同。本研究中小麥季不施氮肥處理的微生物量碳含量顯著上升, 可能是由于微生物生物量碳受施肥、采樣時(shí)間以及二者的交互作用影響較大, 與甘薯相比, 小麥的根系較為濃密發(fā)達(dá), 其根系分泌有機(jī)物的增加量可能是微生物量碳含量增加的主要原因。

土壤酶在微生物生物量與土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)過程中起重要的調(diào)節(jié)作用, 土壤微生物可通過調(diào)控酶活性進(jìn)而提高其對(duì)限制性養(yǎng)分的吸收[38]。土壤蔗糖酶可以增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì), 其活性與土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化密切相關(guān), 土壤脲酶促進(jìn)土壤中含氮有機(jī)化合物和尿素的分解[27]。本研究中氮肥的添加降低了土壤蔗糖酶和脲酶的活性, 其中施用化學(xué)氮肥的酶活性降幅更高, 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥有利于緩解土壤酶活性的下降。許多研究結(jié)果表明, 施氮肥可顯著增加土壤蔗糖酶和脲酶活性[39-41], 且土壤酶活性變化與土壤肥力密切相關(guān)。本研究結(jié)果不同的原因可能是在適宜的土壤環(huán)境下, 土壤中營養(yǎng)物質(zhì)和養(yǎng)分含量充足以至于酶水解過程所需底物濃度高,進(jìn)而使其活性明顯提高。當(dāng)土壤環(huán)境變化較大時(shí), 土壤微生物和酶活性對(duì)環(huán)境變化極為敏感, 如土壤酸化程度加劇, 微生物生長受抑制則導(dǎo)致其分泌酶的能力減弱, 進(jìn)而表現(xiàn)出土壤碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性降低。由于有機(jī)肥料的緩沖性, 化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥則通過緩解pH的下降從而減緩了土壤微生物活性的下降, 有機(jī)肥中充足的有機(jī)碳和氮素養(yǎng)分也有利于促進(jìn)土壤中碳氮轉(zhuǎn)化酶活性的提高。此外, 單施氮磷鉀肥雖然也顯著提高了土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、全氮和礦質(zhì)態(tài)氮含量, 但土壤碳氮酶活性比卻顯著下降, 根據(jù)微生物的資源分配理論推測(cè), 微生物可獲取的氮形態(tài)受到限制, 增加了其分泌脲酶的能力, 進(jìn)而降低了土壤碳氮酶活性比。已有研究結(jié)果表明土壤脲酶活性與肥料中氮素形態(tài)密切相關(guān)[42]?；瘜W(xué)氮肥配施有機(jī)肥后土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳以及可利用的氮素供微生物吸收, 并維持其自身的生態(tài)計(jì)量平衡, 從而消除了微生物受碳氮元素的限制, 促進(jìn)其分泌土壤酶并維持酶活性比以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分的獲取與固定[43]。

將施氮肥和不施氮肥的土壤微生物量與酶活性之間的關(guān)系進(jìn)行比較, 結(jié)果表明施氮肥強(qiáng)化了土壤微生物量碳與氮, 蔗糖酶、脲酶與微生物生物量碳之間的關(guān)聯(lián)性, 進(jìn)一步說明微生物量碳氮之間緊密的關(guān)系更加強(qiáng)化了微生物調(diào)控碳氮元素循環(huán)的耦合關(guān)系, 也影響了微生物參與的合成和代謝過程。

3.3 土壤微生物生物量碳氮含量及酶活性變化的調(diào)控因素

土壤微生物生物量和酶活性受土壤酸堿度、養(yǎng)分濃度及土壤有機(jī)碳水平等因素共同影響[44]。本研究通過冗余分析結(jié)果顯示, 土壤pH、有機(jī)碳含量以及土壤的生物指標(biāo)(微生物的碳氮利用效率、微生物碳氮比以及碳氮酶活性比)均顯著影響微生物生物量和酶活性的變化。由結(jié)構(gòu)方程模型可知, pH和脲酶活性是影響土壤微生物生物量碳變化的直接因素, 其中pH為影響微生物量碳變化的主要因素, 當(dāng)土壤pH嚴(yán)重下降時(shí), 微生物在不利于其生長的環(huán)境中活性明顯降低。盡管有文獻(xiàn)中報(bào)道, 土壤中可利用碳含量的提高可以促進(jìn)微生物活性的提高[45-46], 但本研究結(jié)果充分說明微生物對(duì)于自身生長環(huán)境的要求明顯高于其對(duì)碳源的需求。土壤蔗糖酶活性為影響土壤微生物生物量氮變化的主要因素, 郭俊娒等[47]研究表明土壤蔗糖酶活性與微生物量氮的變化存在密切相關(guān), 說明土壤微生物為了維持其自身的生態(tài)計(jì)量平衡, 則需分泌蔗糖酶從而促進(jìn)體內(nèi)碳周轉(zhuǎn), 并且固定土壤中的氮素為微生物量氮。土壤有機(jī)碳和礦質(zhì)態(tài)碳氮的含量對(duì)于微生物生物量碳氮含量的影響存在間接效應(yīng)。

4 結(jié)論

小麥-甘薯輪作體系下, 氮肥的施用可顯著提高土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和氮素養(yǎng)分含量, 但顯著降低土壤pH和微生物對(duì)土壤碳氮的利用效率。在弱酸性黃棕壤中長期施用化學(xué)氮肥對(duì)微生物生物量碳氮含量、蔗糖酶和脲酶活性存在顯著的抑制作用, 而化學(xué)氮肥配施有機(jī)肥有利于緩解微生物生物量和酶活性的下降。長期施氮肥影響土壤微生物生物量碳、氮與蔗糖酶、脲酶之間的關(guān)聯(lián)性, 通過冗余分析和結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明, 施氮肥引起土壤理化性質(zhì)的變化(如pH、有機(jī)碳、全氮和礦質(zhì)態(tài)氮), 直接或間接地影響了微生物生物量碳氮含量和酶活性,土壤pH是調(diào)控土壤微生物生物量碳含量變化的主要因素, 土壤蔗糖酶和脲酶與微生物量碳氮之間相互影響, 土壤微生物強(qiáng)烈的碳代謝過程有利于增加微生物生物量氮含量。

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Effects and associated regulatory factors of the microbial characteristics of yellow-brown soils following long-term nitrogen fertilization*

WANG Jing1,2, WANG Lei1, LIU Yaobin1,2, ZHANG Huan1,3, ZHANG Hui1, WANG Jidong1,2,3, WU Jianyan4, ZHANG Yongchun1,2**

(1. Institute of Agricultural Resources and Environments, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences / Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Jiangsu), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing 210014, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3. Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212023, China; 4. Yantai Hongyuan Biological Fertilizer Co., LTD, Yantai 264000, China)

Changes in soil microbial biomass C (MBC) and N (MBN) and their potential regulatory factors were investigated following long-term N fertilizer application since 2011 in a wheat-sweet potato rotation system. In the study, we aimed to provide a theoretical basis for the application of N fertilizers and to improve soil quality and ecological functions. Four N fertilization treatments were used: no fertilizer application (CK), no N-fertilizer application (PK), chemical N-fertilizer application (NPK), and chemical N-fertilizer combined with organic fertilizer application (NPKM). The soil MBC and MBN content, soil potential enzymes activities, and microbial C and N utilization efficiencies were investigated after the harvest of the two crops. Redundancy analysis and structural equation modeling were used to identify the potential biotic and abiotic factors that regulate MBC and MBN in the weakly acidic yellow-brown soils. The results showed that the contents of MBC and MBN and activities of sucrase and urease decreased in the N fertilization treatments. Compared with the NPK treatments, NPKM treatment increased the contents of MBC and MBN and the activities of sucrase and urease. Significantly higher contents of soil organic C (SOC), total N (TN), and mineral N (MN) were detected in the NPK and NPKM treated soils than in the CK and PK treated soils. However, long-term N fertilization significantly decreased the soil pH and efficiencies of microbial C and N utilization. Compared to the wheat season, the sweet potato season showed lower SOC and MN contents and higher MBN content and sucrase activity in the soils under all fertilization treatments. N fertilization strengthened the relationships between MBC and MBN and the sucrase and urease activities. Moreover, variations in the soil MBC and MBN contents and both sucrase and urease activities were regulated by soil pH, SOC and N content, and microbial C and N utilization efficiencies. Soil pH was the key factor driving the soil MBC content. Interactions were found between the activities of soil enzymes and the contents of MBC and MBN. In conclusion, long-term N fertilization decreased the MBC and MBN contents and the invertase and urease activities in yellow-brown soils. However, the combined application of chemical N fertilizers and organic fertilizer alleviated the decline in soil biological properties. The strong microbial C metabolism processes increased the MBN content in the wheat-sweet potato rotation system.

Yellow brown soil; N fertilizers; Microbial biomass; Enzyme activities; Potential regulatory factors

S181

10.13930/j.cnki.cjea.200583

王靜, 王磊, 劉耀斌, 章歡, 張輝, 汪吉東, 吳建燕, 張永春. 長期施氮肥對(duì)黃棕壤微生物生物性狀的影響及其調(diào)控因素[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(5): 833-843

WANG J, WANG L, LIU Y B, ZHANG H, ZHANG H, WANG J D, WU J Y, ZHANG Y C. Effects and associated regulatory factors of the microbial characteristics of yellow-brown soils following long-term nitrogen fertilization[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(5): 833-843

* 江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20190259)、國家甘薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-10-B9)、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(BE2019378)和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2018YFD0200505)資助

張永春, 研究方向?yàn)楦乇Ｓ取-mail: yczhang66@sina.com

王靜, 研究方向?yàn)橥寥牢⑸锱c元素循環(huán)。E-mail: 2018103149@njau.edu.cn

2020-07-18

2020-09-28

* This study was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20190259), the National Technology System of Sweet Potato Industry of China (CARS-10-B9), the Key Research and Development Project of Jiangsu Province (BE2019378), and the National Key Research and Development Project of China (2018YFD0200505).

, E-mail: yczhang66@sina.com

Jul. 18, 2020;

Sep. 28, 2020