麥秸與氮肥配施對水稻根際區(qū)土壤微生物量碳氮的影響*

羅佳琳, 趙亞慧, 于建光,2,3, 王 寧,2**, 薛利紅,2,3, 楊林章

(1.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所/農業(yè)部長江下游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室 南京 210014;2.江蘇大學環(huán)境與安全工程學院 鎮(zhèn)江 212001; 3.南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 南京 210095)

在我國長江中下游地區(qū), 水稻(Oryza sativa)-小麥(Triticum aestivum)輪作(稻麥輪作)作為一種典型種植模式在保障主要糧食安全上起著重要的作用。該模式中, 小麥收獲后秸稈產生量大、茬口時間短、季節(jié)緊, 秸稈還田作為一種直接有效的秸稈處置措施被廣泛采用。研究發(fā)現, 秸稈還田將改變土壤碳氮供應狀況及其循環(huán)速率、土壤基本性質和土壤生態(tài)系統結構組成, 進而能夠有效改善土壤結構、增加土壤養(yǎng)分和提高作物產量[1-2], 其影響效應與土壤C/N比、土壤特性、秸稈種類、秸稈還田量、秸稈還田方式, 以及秸稈還田后的水肥管理方式等環(huán)境因素密切相關[3-6]。其中, 土壤碳氮比是影響其養(yǎng)分釋放和還田利用的主要因素之一[7]。因此, 秸稈還田條件下, 如何合理施用氮肥是秸稈利用的關鍵問題。

土壤微生物作為土壤生態(tài)系統的重要組成部分,是土壤有機質和養(yǎng)分轉化的動力[8-9]。土壤微生物生物量碳(soil microbial biomass carbon, SMBC)是土壤有機質中最為活躍部分, 可以敏感地反映出土壤有機碳的變化[10]。而土壤微生物生物量氮(soil microbial biomass nitrogen, SMBN)是土壤活性氮的重要儲備庫, 是植物氮營養(yǎng)的重要來源[11]。因此, 土壤微生物生物量碳氮是表征土壤肥力高低及變化的關鍵因子[12]。已有研究表明秸稈還田配施氮肥對土壤微生物生物量碳氮有著重要的影響。張丹等[13]研究發(fā)現秸稈與氮肥配施提高了土壤微生物熵, 并降低了微生物生物量C/N比, 從而增強了土壤微生物的固氮能力。但也有研究發(fā)現, 與單施化肥相比, 秸稈還田配施氮肥降低了土壤速效養(yǎng)分含量[14]。而稻田根際生態(tài)是水稻-土壤-微生物相互作用的場所, 比周圍土壤含有較多微生物, 在植物營養(yǎng)轉化和土壤肥力形成中起著重要作用[15]。根際土壤因受作物根系的影響, 其微生物量碳氮含量與非根際區(qū)土壤相比必然存在著顯著性差異[16]。然而目前關于典型稻麥輪作區(qū)水稻非根際和根際區(qū)土壤微生物量碳氮對麥秸還田與氮肥配施的規(guī)律仍不夠清晰。

因此, 本試驗擬基于盆栽模擬試驗, 采用根際袋法, 研究長江中下游典型稻麥輪作區(qū)水稻根際和非根際區(qū)土壤微生物碳氮對不用施肥方式的響應, 為田間精準施肥提供了一定的理論指導, 為基礎研究提供了相關的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和秸稈

通過文獻檢索和實地調研, 選擇了江蘇省兩種長期稻麥輪作田塊作為典型土壤采樣點, 即江蘇省泰州市姜堰區(qū)梁徐鎮(zhèn)嶺家村(32°43′N, 120°10′E)的高砂土, 江蘇省常州市金壇區(qū)薛埠鎮(zhèn)羅村(31°6′N,119°41′E)的黃泥土。土壤風干過2 mm篩, 混合均勻后貯存于室溫備用。低肥力高砂土的土壤理化狀況為: pH 7.86、EC 180.13 μs·cm?1、有機質27.68 g·kg?1、總 氮0.55 g·kg?1、速 效 磷12.00 mg·kg?1、速 效 鉀206.80 mg·kg?1、C/N為29.2。高肥力黃泥土的土壤理化狀況為: pH 6.03、EC 169.67 μs·cm?1、有機質28.50 g·kg?1、總氮0.88 g·kg?1、速效磷12.47 mg·kg?1、速效鉀220.70 mg·kg?1、C/N為18.79。

供試秸稈來自于江蘇省農業(yè)科學院小麥試驗基地成熟收割后的小麥秸稈。秸稈曬干粉碎過10目篩, 混合均勻后貯存于室溫備用。秸稈總碳量為475 g·kg?1, 總氮量為4.9 g·kg?1, 碳氮比為96.9。

1.2 試驗設計

試驗設置4種處理: ①不施加秸稈也不施加氮肥(CK); ②施加秸稈且不施氮肥(SN0); ③施加秸稈且施加低量氮肥[SN1, 尿素: 125 mg(N)?kg?1]; ④施加秸稈且施加高量氮 肥[SN2, 尿素: 250 mg(N)?kg?1]。每個處理3個重復。

具體試驗過程如下: 每個類型土壤稱取1.5 kg(干土重計)裝于根際袋中, 根際袋大小為10 cm×20 cm, 網孔直徑30 μm; 然后將根際袋放入PVC盆中央, 在根際袋外添加1.8 kg (干土重計)水稻土于PVC盆中。水稻種子在10%的H2O2中消毒10 min后用去離子水洗凈[17], 在濕珍珠巖上發(fā)芽。將在珍珠巖上生長1周左右的水稻苗移栽至根際袋中, 每袋1株。將所有盆缽移至溫室中, 在PVC盆表面蓋一層黑色透氣尼龍網以防止藻類生長。每盆分別施加等量的磷肥(P2O5, 90 mg?kg?1)和鉀肥(K2O, 180 mg?kg?1)。水稻生長過程中適時灌水保持水分含量在土壤表面2 cm左右和防治病蟲害, 試驗周期約4個月, 待水稻于2019年11月10日生長至成熟期后, 將根際袋整個從盆中取出并剪開袋子, 將水稻整株取出, 根際袋內土壤混合均勻后作為根際土, 根際袋外土壤混合均勻后取出作為非根際土壤, 土壤主要分為兩部分:一部分土壤風干后用于土壤基本性質的測定, 另一部分土壤過2 mm篩儲存于?4 ℃用于土壤微生物量碳氮的測定。

1.3 土壤性質分析

土壤pH采用酸度計(pHs-3C型精密pH計, 上海雷磁儀器廠)測定(土∶水=1∶5)[18], 土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[18], 土壤全氮(TN)測定采用半微量凱氏法[18], 土壤堿解氮(AN)測定采用堿解擴散法[18], 土壤有效磷(AP)測定采用鉬銻抗比色法[18], 土壤速效鉀(AK)測定采用火焰光度計比色法[18], 土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)測定采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法[18]。

1.4 數據分析

土壤微生物生物量碳和氮的計算公式如下:

式中:EC為熏蒸與未熏蒸土壤總有機碳的差值;kEC為轉換系數, 取值0.38;EN為熏蒸與未熏蒸土壤總氮的差值;kEN為轉換系數, 取值0.45。

微生物熵為土壤微生物生物量碳與土壤總有機碳(SOC)的比值, 即SMBC/SOC。

微生物量碳氮比為土壤微生物生物量碳與土壤微生物生物量氮比值, 即SMBC/SMBN。

所有試驗數據分析采用SPSS 22.0軟件進行處理與統計分析, 圖形繪制采用SigmaPlot 10.0。

2 結果與分析

2.1 非根際和根際區(qū)土壤有機碳

麥秸與不同量氮肥配施下兩種類型稻田非根際和根際區(qū)土壤有機碳(SOC)含量變化如圖1所示。對于高砂土, 在不施加秸稈也不施氮肥(CK)處理下,非根際區(qū)SOC含量顯著高于根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, 麥秸直接還田且未施用氮肥(SN0)處理下非根際區(qū)SOC含量由16.51 g?kg?1顯著降低到14.31 g?kg?1,降低13.3% (P<0.05); 而根際區(qū)SOC含量由13.54 g?kg?1提高到14.04 g?kg?1, 但差異不顯著。與SN0土壤相比, 兩種水平氮肥(SN1和SN2)施用下非根際區(qū)和根際區(qū)SOC含量均無顯著性變化。與高砂土不同,對于黃泥土, CK處理下根際區(qū)SOC含量顯著高于非根際區(qū)(P<0.05)。與CK處理相比, 3種處理根際區(qū)SOC含量顯著降低(P<0.05), 而不同處理的黃泥土非根際區(qū)SOC含量之間并無顯著性變化。以上研究結果分析發(fā)現, 兩種水平氮肥施用對秸稈還田條件下兩種類型稻田土壤根際和非根際區(qū)SOC并無顯著性影響。

圖1 麥秸與不同量氮肥配施下高砂土(A)和黃泥土(B)水稻非根際和根際區(qū)土壤有機碳含量的變化Fig.1 Changes of soil organic carbon contents in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

2.2 非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量碳

麥秸與不同量氮肥配施下, 兩種類型稻田非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量碳(SMBC)含量變化如圖2所示。對于高砂土, CK處理下根際區(qū)SMBC含量顯著高于非根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, SN0處理下非根際SMBC含量由222.78 μg?g?1提高到329.65 μg?g?1, 提 高47.97%; 根際區(qū)SMBC含量由246.79 μg?g?1提高到346.23 μg?g?1, 提高40.29% (P<0.05)。而與SN0相比, SN1處理的高砂土非根際區(qū)SMBC含量則降低12.9%; SN2處理下非根際區(qū)SMBC含量則又顯著增加39.3% (P<0.05)。同時, 兩種水平氮肥施用下根際區(qū)SMBC含量顯著提高5.1%和8.9%(P<0.05)。以上研究結果分析發(fā)現, 與SN0相比, 當氮肥施用量較低時, 氮肥施用顯著提高了高砂土根際區(qū)SMBC含量, 但降低了非根際區(qū)SMBC含量, 因此, 低氮量施用情況下高砂土根際區(qū)SMBC含量顯著高于非根際區(qū)。隨著氮肥施用量的增加, 氮肥施用顯著提高了稻田根際和非根際區(qū)SMBC含量,由于非根際SMBC含量增加量顯著高于根際, 因此,高量氮肥施用條件下, 高砂土非根際區(qū)SMBC含量顯著高于根際區(qū)。

圖2 麥秸與不同量氮肥配施下高砂土(A)和黃泥土(B)水稻非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量碳(MBC)含量的變化Fig.2 Changes of soil microbial biomass carbon (MBC) contents in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

與高砂土所不同, 對于黃泥土, CK處理下根際區(qū)SMBC含量顯著低于非根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, SN0處理下非根際SMBC含量由214.26 μg?g?1提高到375.75 μg?g?1, 提高75.37%; 而根際SMBC含量 由206.01 μg?g?1提高 到403.21 μg?g?1, 提 高95.7%(P<0.05)。與SN0相比, 兩種水平氮肥施用下黃泥土非根際區(qū)SMBC含量分別提高10.0%和3.0% (P<0.05); 而根際區(qū)SMBC含量在SN1處理下并無顯著性變化, 但在SN2處理下根際區(qū)SMBC含量則顯著增加34.6%(P<0.05)。以上研究結果分析發(fā)現, 與SN0相比, 低量氮肥施用顯著提高了黃泥土非根際區(qū)SMBC含量, 而對于黃泥土根際區(qū)SMBC含量并無顯著性影響, 因此, 低量氮肥施用情況下黃泥土非根際SMBC含量則顯著高于根際區(qū)。而高量氮肥施用顯著提高了稻田非根際和根際區(qū)SMBC含量, 由于根際區(qū)SMBC含量增加量顯著高于非根際區(qū), 因此, 高量氮肥施用條件下, 黃泥土根際區(qū)SMBC含量仍顯著高于非根際區(qū)。

2.3 非根際和根際區(qū)土壤微生物熵

麥秸與不同氮肥量配施下稻田根際和非根際土壤微生物熵變化如圖3所示。CK處理下高砂土非根際和根際區(qū)微生物熵為1.65%和1.50%。SN0條件下, 高砂土非根際和根際區(qū)微生物熵為2.30%和2.47%。與CK相比, SN0處理下高砂土非根際區(qū)和根際區(qū)土壤微生物熵均顯著升高(P<0.05)。與SN0相比, SN1處理下高砂土非根際區(qū)土壤微生物熵降低18.3%, 而根際區(qū)土微生物熵顯著升高11.7%(P<0.05)。因此, 低量氮肥施用情況下, 根際區(qū)土壤微生物熵顯著高于非根際區(qū)。SN2處理下高砂土非根際區(qū)土壤微生物熵顯著升高32.2%, 而根際區(qū)土壤微生物熵并無顯著性變化。因此, 高量氮肥施用情況下非根際區(qū)土壤微生物熵顯著高于根際區(qū)。

圖3 麥秸與氮肥配施下高砂土(A)和黃泥土(B)水稻非根際和根際區(qū)土壤微生物熵的變化Fig.3 Changes of soil microbial entropy in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B)under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogenous fertilizer

黃泥土非根際和根際區(qū)微生物熵為1.44%和1.24%, 與CK相比, SN0處理下非根際區(qū)土壤微生物熵顯著升高到2.80% (P<0.05), 根際區(qū)土壤微生物熵顯著升高到2.74% (P<0.05)。SN1條件下, 根際和非根際區(qū)土壤微生物熵并無顯著性變化。SN2處理下非根際區(qū)土壤微生物熵也無顯著性變化, 只有根際區(qū)土壤微生物熵顯著提高40.9% (P<0.05)。因此, 高量氮肥施用情況下, 黃泥土根際區(qū)土壤微生物熵顯著高于非根際區(qū)。

2.4 非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量氮

由圖4可知, 高砂土非根際和根際區(qū)SMBN含量均顯著高于黃泥土(P<0.05)。對于高砂土, CK處理下非根際區(qū)SMBN含量顯著高于根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, SN0處理下非根際區(qū)SMBN含量由133.93 μg?g?1降低到107.22 μg?g?1, 降低19.9% (P<0.05),根際區(qū)并無顯著變化。與SN0相比, 隨著氮肥施用量的增加, SN1和SN2非根際區(qū)SMBN含量分別增加9.2% (P<0.05)和13.5% (P<0.05), 而根際區(qū)SMBN含量分別增加17.2%和27.0% (P<0.05)。以上結果說明, 氮肥施用顯著提高了高砂土根際和非根際區(qū)SMBN含量。由于根際區(qū)SMBN增加量顯著高于非根際區(qū), 因此氮肥施用條件下, 高砂土根際區(qū)SMBN含量顯著高于非根際區(qū)。

圖4 麥秸與氮肥配施下高砂土(A)和黃泥土(B)水稻非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量氮(MBN)含量的變化Fig.4 Changes of soil microbial biomass nitrogen (MBN) content in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

對于黃泥土, CK處理下根際區(qū)SMBN含量顯著高于非根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, SN0處理非根際區(qū)SMBN含量由50.45 μg?g?1降低到25.71 μg?g?1,降低49.1% (P<0.05); 根際區(qū)SMBN含量由73.81 μg?g?1降低到59.41 μg?g?1, 降低19.5% (P<0.05)。與SN0土壤相比, 隨著氮肥施用量的增加, SN1和SN2非根際區(qū)SMBN含量分別增加68.9%和232.9% (P<0.05),而根際區(qū)SMBN含量則分別增加36.0%和25.6%(P<0.05)。以上結果分析發(fā)現, 氮肥施用顯著提高了黃泥土非根際和根際區(qū)SMBN含量。當氮肥施用量較低時, 根際區(qū)SMBN含量顯著高于非根際區(qū), 高氮肥施用下, 黃泥土非根際區(qū)SMBN含量顯著高于根際區(qū)。

2.5 非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量碳氮比值

麥秸與不同量氮肥配施下, 兩種土壤的稻田根際和非根際區(qū)土壤微生物量碳氮比值(SMBC/SMBN)如圖5所示。高砂土非根際和根際區(qū)SMBC/SMBN為1.66～3.78, 而黃泥土非根際和根際區(qū)SMBC/SMBN為2.79～14.67。說明高砂土與黃泥土微生物菌群是顯著不同的。

圖5 麥秸與氮肥配施下高砂土(A)和黃泥土(B)水稻非根際和根際區(qū)土壤微生物生物量碳氮比值的變化Fig.5 Changes of soil microbial biomass carbon-nitrogen ratio in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

對于高砂土, CK處理下根際區(qū)SMBC/SMBN顯著高于非根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, SN0處理下非根際區(qū)SMBC/SMBN由1.66升高到3.08, 升高了85.5% (P<0.05); 根際區(qū)SMBC/SMBN由2.32升高到3.25, 升高了40.1% (P<0.05)。與SN0處理相比, SN1處理下非根際區(qū)SMBC/SMBN降低26.2% (P<0.05),而高氮SN2條件下, 非根際區(qū)SMBC/SMBN卻增加22.7% (P<0.05), 根際區(qū)SMBC/SMBN分別降低5.2%和9.7% (P<0.05)。以上結果分析發(fā)現, 低量氮肥施用顯著降低了非根際和根際區(qū)SMBC/SMBN, 而根際區(qū)SMBC/SMBN仍顯著高于非根際區(qū)。然而, 高量氮肥施用則顯著提高了非根際區(qū)SMBC/SMBN,并降低了根際區(qū)SMBC/SMBN, 導致非根際區(qū)SMBC/SMBN顯著高于根際區(qū)。

與高砂土所不同, 對于黃泥土, CK處理下非根際區(qū)SMBC/SMBN顯著高于根際區(qū)(P<0.05)。與CK相比, SN0處理下非根際區(qū)SMBC/SMBN由4.25升高到14.66 (P<0.05)。與SN0相比, 隨著氮肥的施用, 非根際區(qū)SMBC/SMBN降低34.6% (SN1)和69.2%(SN2) (P<0.05); 同時, SN1處理下根際區(qū)SMBC/SMBN由6.79降低到4.99, 而SN2處理下根際區(qū)SMBC/SMBN與SN0處理無顯著性差異。以上結果分析發(fā)現, 低量氮肥施用顯著降低了非根際和根際區(qū)SMBC/SMBN, 而根際區(qū)SMBC/SMBN顯著低于非根際區(qū)。然而, 高量氮肥施用對根際區(qū)SMBC/SMBN并無顯著影響, 并顯著提高了非根際區(qū)SMBC/SMBN,導致根際區(qū)SMBC/SMBN顯著高于非根際區(qū)。

3 討論

土壤微生物生物量是評估土壤活性養(yǎng)分庫的重要指標[19]。根際土壤由于受作物根系及其根系分泌物的影響, 具有與非根際區(qū)土壤顯著不同的微生物群落結構[20-24]。本研究中, 秸稈還田條件下, 黃泥土根際區(qū)SMBC和SMBN含量顯著高于非根際區(qū), 表明根際具有較高的微生物活性。根際能產生這種效應可能主要由于水稻根系不斷地分泌著各種代謝產物, 包括有機酸、糖類、氨基酸、黃酮、生長素、核苷酸、酚酸類、脂肪酸和淵醇、酶類等, 為微生物生長提供營養(yǎng)。同時, 根表組織的死亡和脫落, 能改良周圍土壤的物理性質和化學性質, 豐富了土壤有機質, 從而為微生物的大量增殖創(chuàng)造了條件, 使植物根際具有很高的生物活性[25]。與黃泥土類似, 高砂土根際SMBC含量也顯著高于非根際區(qū), 然而高砂土根際與非根際之間SMBN含量并無顯著性差異,這很可能是由于高砂土中可利用氮含量相對匱乏,無論是根際還是非根際區(qū), 土壤中的氮絕大部分被微生物所同化, 因此, 根際與非根際區(qū)SMBN含量并無顯著性差異。整體來說, 與非根際區(qū)相比, 秸稈還田條件下兩種類型土壤根際區(qū)養(yǎng)分有效性更高。

高碳氮比的秸稈大量還田會造成土壤氮素的固定并降低土壤微生物活性。添加秸稈能明顯改善土壤的理化性質[26]。因此, 秸稈還田配施氮肥可有效促進秸稈降解, 提高土壤微生物生物量[27-28]。本研究中,秸稈與低量氮肥配施顯著提高了兩種類型土壤非根際和根際區(qū)SMBN含量。這可能是由于氮肥施用可為土壤微生物提供氮源, 促進含氮微生物的生長; 同時, 根際區(qū)高的微生物活性也更有利于土壤微生物氮的同化, 因此根際區(qū)SMBN含量顯著高于非根際區(qū)。然而, 兩種類型土壤非根際和根際區(qū)SMBC對低量氮肥的響應存在著顯著性差異。秸稈還田條件下, 高砂土非根際區(qū)土壤中微生物的生長主要受到土壤性質和秸稈殘體的影響, 高砂土本身C/N較高,而氮肥施用可以提高微生物活性, 促進秸稈分解固定土壤中大量的氮, 與不施秸稈且不施氮肥處理相比, 秸稈還田條件下微生物同化碳的速率在根際和非根際中都有提高, 當氮肥施用量比較低時, 隨著土壤中可利用氮的降低, 土壤微生物活性很可能會逐漸降低, 從而抑制微生物的生長, 導致非根際區(qū)SMBC含量降低。然而對于黃泥土, 本身的C/N較低, 較高的有機質礦化釋放出更多的無機氮, 而高的無機氮可進一步提高微生物活性[27-28], 進而提高非根際區(qū)秸稈降解程度, 產生更多的碳源供土壤微生物所利用, 從而提升非根際區(qū)SMBC含量。與非根際區(qū)相比, 根際區(qū)土壤微生物數量受土壤性質、秸稈殘體及作物生長的綜合影響[29-30]。根際由于受根系及其根系分泌物的影響, 具有與非根際區(qū)土壤顯著不同的微生物量碳氮含量, 而且不同類型土壤中非根際與根際區(qū)微生物量碳氮含量對秸稈與不同量氮肥配施的響應也不同[31]。由于水稻根系的存在, 根際區(qū)大部分氮肥很可能用于滿足水稻生長, 進而提高根系分泌物含量為微生物生長提供足夠的碳源, 從而增加高砂土根際區(qū)SMBC含量, 然而對于黃泥土,除了根際分泌物增加效應, 氮源較為充足的黃泥土也會提高根際區(qū)秸稈的降解, 進而固定更多的氮源,隨著根際區(qū)氮源的減少, 微生物活性又會有所降低,兩者相反的效應很可能導致低量氮肥施用對根際SMBC含量并無顯著性影響[32]。此外, 低量氮肥施用下, 高砂土根際區(qū)微生物量熵的增加和非根際區(qū)微生物量熵的降低, 說明氮肥施用提高了根際區(qū)微生物碳同化速率, 而降低了非根際區(qū)碳同化速率, 因而進一步導致秸稈與低量氮肥配施下, 高砂土根際區(qū)SMBC含量仍顯著高于非根際區(qū)。與高砂土所不同,由于黃泥土非根際區(qū)SMBC含量的提高導致秸稈與低量氮肥配施下, 黃泥土根際區(qū)SMBC含量顯著低于非根際區(qū)。綜上分析可見, 秸稈與低量氮肥配施可能通過調控秸稈降解和根系分泌物含量, 提高了土壤根際和非根際區(qū)可利用氮含量, 并提高了高砂土根際區(qū)可利用有機碳含量, 以及黃泥土非根際區(qū)可利用有機碳含量, 從而增加土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性。然而, 當秸稈與低量氮肥配施條件下, 對于高砂土, 根際區(qū)對土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性貢獻顯著高于非根際區(qū), 很可能是由于高砂土具有較高的C/N比, 施氮使根際區(qū)微生物同化碳的速率加大[33]; 而對于黃泥土, 非根際區(qū)對土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性貢獻更大, 可能由于黃泥土養(yǎng)分含量較低,秸稈還田配施氮肥激活土壤微生物活性, 使得非根際區(qū)秸稈降解程度提高[34]。

隨著氮肥施用量的增加, 高量氮肥施用顯著提高了非根際和根際區(qū)SMBC和SMBN含量, 說明秸稈與高量氮肥配施促進了土壤微生物的生長, 這與前人[35-36]的研究結果一致。這可能是由于高量氮肥施用可以緩解秸稈還田條件下土壤氮素缺乏, 提高了微生物的活性, 進而促進秸稈腐解產生更多的小分子有機物, 供微生物同化利用, 使微生物數量快速增加。然而, 兩種類型土壤非根際和根際區(qū)SMBC增加量對高量氮肥的響應存在著顯著性差異。對于黃泥土, 秸稈與高量氮肥配施條件下, 根際較高的微生物活性, 使其具有較高的微生物熵, 表明根際具有較高的微生物同化速率, 因此, 黃泥土根際區(qū)SMBC含量仍顯著高于非根際區(qū)。這很可能是由于大量氮肥的施用能提高微生物活性, 促進秸稈分解釋放更多的碳源, 提高非根際區(qū)SMBC含量, 而根際區(qū)氮肥施用促進了水稻生長, 分泌更多的根系分泌物, 提高根際區(qū)微生物碳源, 從而也提高了根際區(qū)SMBC含量。然而, 高量氮肥施用導致了高砂土非根際區(qū)土壤微生物熵顯著提高, 而根際區(qū)土壤微生物熵并無顯著性變化, 說明非根際土壤微生物碳同化速率較高。因此, 盡管根際區(qū)碳源較為豐富, 但非根際區(qū)高的微生物碳同化速率, 導致秸稈與高量氮肥配施下高砂土非根際SMBC增加量更高。此外, 大量氮肥施用可促進水稻生長分泌更多根系分泌物, 為根際區(qū)微生物提供大量氮源, 促進根際含氮微生物的生長, 因此, 高砂土根際區(qū)SMBN含量顯著高于非根際區(qū)。然而, 黃泥土根際區(qū)SMBN含量雖也顯著增加,但其含量反而低于非根際區(qū)。這很可能是由于在根際和非根際區(qū)秸稈降解導致微生物固定氮, 而根際區(qū)的氮素會被水稻利用, 雖然根系分泌物為土壤微生物提供氮源, 但其增加量遠不足水稻利用量, 因此根際區(qū)SMBN含量低于非根際區(qū)。氮肥施用促進了含氮微生物的生長, 而含氮量較高的黃泥土可加大秸稈的降解程度, 導致非根際區(qū)微生物固定更多的氮, 而根際區(qū)大部分氮肥將用于水稻生長, 提高根系分泌物含量為土壤微生物提供氮源, 增加土壤SMBN含量。然而, 根際區(qū)大量秸稈降解會造成土壤氮素的固定, 降低土壤微生物活性, 其降低效應很可能造成根際區(qū)SMBN增加量顯著低于非根際區(qū)。綜上分析可見, 高量氮肥施用可顯著提高水稻根際和非根際土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性。然而, 高氮肥施用條件, 對于高砂土, 非根際區(qū)對土壤可利用有機碳貢獻更大, 而根際區(qū)對土壤有效氮貢獻較大。對于黃泥土, 根際區(qū)對土壤可利用有機碳貢獻更大, 而非根際區(qū)對土壤有效氮貢獻較大。

秸稈與氮肥配施條件下, 微生物量碳氮的變化也會引起SMBC/SMBN的變化, 而SMBC/SMBN經常被用來描述微生物的群落結構信息[37]。一般來說,真菌的C/N值在7～12, 細菌的C/N值在3～6[38]。本研究結果中不施秸稈和氮肥處理下高砂土非根際和根際區(qū)SMBC/SMBN約為1.67～2.32, 而黃泥土SMBC/SMBN約2.79～4.25, 麥秸直接還田且不施氮肥條件下高砂土非根際和根際區(qū)SMBC/SMBN約為3.08～3.25, 而黃泥土SMBC/SMBN約14.07～6.79, 說明兩種類型土壤中微生物群落結構改變, 其中高砂土根際和非根際中細菌數量較多, 而黃泥土非根際區(qū)微生物量碳氮高達14.07, 說明非根際區(qū)主要以真菌為主, 而根際區(qū)SMBC/SMBN僅6.79, 說明根際區(qū)微生物由“真菌型”逐漸轉變?yōu)椤凹毦汀?。氮肥施用條件下, 無機氮比例逐漸增大, 適合細菌的生長, 因此, 秸稈與氮肥配施條件下, 兩種類型土壤中微生物以“細菌型”為主。而高量氮肥施用下, 高砂土非根際區(qū)SMBC/SMBN的升高則可能是大量氮肥施用不僅促進了細菌生長, 也可能促進了真菌的生長, 但土壤中微生物仍以細菌型為主。對于黃泥土, 高量氮肥施用下, 根際區(qū)SMBC/SMBN高于非根際區(qū), 很可能是由于大量氮肥施用顯著促進了非根際區(qū)土壤細菌生長并降低了SMBC/SMBN, 而根際區(qū)微生物受多種因素影響SMBC/SMBN并無顯著性變化。對于兩種類型土壤來說, 秸稈與氮肥配施很可能是通過促進秸稈降解和根系分泌物分泌, 改變土壤中微生物量碳氮含量, 從而提高非根際區(qū)土壤碳氮養(yǎng)分有效性。然而, 秸稈降解及其與根系分泌物的交互作用對不同種群微生物生長協調的影響與機理尚不清楚,還有待于進一步研究。

4 結論

1)對于高砂土, 低量氮肥施用降低了非根際區(qū)SMBC含量, 增加了根際區(qū)SMBC含量, 從而提高了根際區(qū)有機碳有效性。對于黃泥土, 低量氮肥施用對根際SMBC含量并無顯著性影響, 但提升了非根際區(qū)SMBC含量, 從而增加了非根際區(qū)有機碳有效性。此外, 研究發(fā)現對于高砂土, 根際區(qū)對土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性貢獻顯著高于非根際區(qū), 而對于黃泥土非根際區(qū)對土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性貢獻更大。

2)與未施用氮肥相比, 秸稈與高量氮肥配施顯著提高兩種類型土壤非根際和根際區(qū)SMBC和SMBN含量, 從而提高了土壤有機碳和氮養(yǎng)分有效性。然而, 兩種類型土壤非根際和根際區(qū)對土壤養(yǎng)分的相對貢獻存在著顯著性差異。其中, 高砂土根際區(qū)對土壤有效氮貢獻顯著高于非根際區(qū), 而有機碳有效性貢獻較小; 然而, 黃泥土根際區(qū)對土壤有機碳有效性貢獻高于非根際區(qū), 而有效氮貢獻較小。

3)氮肥施用條件下, 無機氮比例逐漸增大適合細菌的生長。因此, 秸稈與氮肥配施改變了微生物群落結構, 引起微生物生物量碳氮比(SMBC/SMBN)的變化, 有效提高土壤養(yǎng)分有效性。