煙稈炭基肥對薏苡土壤有機碳組分及微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度的影響*

胡 坤, 張紅雪, 郭力銘, 吳鳳英, 周碧青, 邢世和, 毛艷玲

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002; 2.土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點實驗室 福州 350002;3.自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心 福州 350002)

薏苡(Coix lacryma-jobiL.)是一年生或多年生禾本科C4植物, 廣泛種植于我國南部省份, 其各種營養(yǎng)成分十分豐富, 可藥食兩用, 具有利水、健脾、除痹、清熱排膿的功效, 被譽為禾本科植物之王[1]。近年來,由于長期連作、化肥使用不合理等, 導(dǎo)致土壤性質(zhì)退化嚴重、養(yǎng)分供應(yīng)不平衡、土壤肥力和生產(chǎn)力下降, 嚴重影響了優(yōu)質(zhì)薏米生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此,薏苡種植土壤改良十分必要。目前, 常用的改良方法有使用化學(xué)改良劑、種植綠肥、增施有機肥等,但其存在改良時間長, 可能造成二次污染等問題[3]。因此尋找一種價格低廉且效果顯著的綠色改良材料至關(guān)重要。大量研究表明, 生物炭在農(nóng)業(yè)土壤改良中的效果良好[3-4]。

生物炭是農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)材料(秸稈、雜草、糞便等)在無氧或缺氧條件下通過高溫裂解得到的一種富碳固體產(chǎn)物, 其含碳量極高, 施入土壤中能提高土壤中有機質(zhì)含量, 進而提升肥力, 并且由于其本身多孔隙的結(jié)構(gòu)和巨大比表面積可為微生物提供適宜生活環(huán)境, 提高土壤酶活性和微生物量[5-6]。但是生物炭主要來源于農(nóng)業(yè)廢棄物, 其本身養(yǎng)分有限, 單獨施用并不能滿足作物生長的需要[7], 生物炭基肥是以生物炭為載體, 定向添加其他類型氮磷鉀肥料制備而成, 可以彌補生物炭速效養(yǎng)分不足、消耗量大等問題[8]。多項研究發(fā)現(xiàn)生物炭基肥能夠增加土壤有機碳含量, 改善土壤理化性質(zhì), 提升土壤酶活性及微生物群落和功能多樣性。高夢雨等[9]研究了施用炭基肥和生物炭對棕壤有機碳組分的影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用多年炭基肥和生物炭能顯著提高土壤總有機碳及各組分含量, 提升效果顯著優(yōu)于投入等量碳素或等量氮磷鉀養(yǎng)分。常棟等[10]通過對植煙地土壤添加炭基肥發(fā)現(xiàn), 炭基肥增強土壤微生物對碳源的利用程度, 對土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性具有一定的提升作用。Ibrahim等[11]研究發(fā)現(xiàn), 施用煙稈炭基肥, 能顯著增加土壤氮循環(huán)酶活性和土壤細菌分類群(變形菌、放線菌等)豐度, 改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等。

土壤有機碳(SOC)是衡量土壤質(zhì)量的重要指標,在調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì), 改善土壤生態(tài)環(huán)境, 影響作物產(chǎn)量等方面具有重要作用[12]。土壤有機碳可進一步分為活性有機碳和惰性有機碳, 活性有機碳組分在土壤中易礦化分解, 轉(zhuǎn)化、循環(huán)周期短, 能更敏感地反映土壤有機碳的動態(tài)變化, 直接反映當前土壤肥力狀況。因此土壤有機碳及活性碳組分作為土壤質(zhì)量評價的重要指標, 其含量變化可有效表征生物炭基肥對土壤改良的效果[13-14]。福建省煙草(Nicotiana tabacumL.)種植量大, 秸稈資源豐富, 煙稈作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物, 其本身含碳量高, 占比達40%, 成本低,污染小, 開發(fā)成生物炭的潛力很大[15]。利用煙稈制備煙稈炭基肥, 進行煙稈炭基肥對薏苡種植土壤改良效果的研究不僅對薏苡土壤養(yǎng)分調(diào)控、科學(xué)種植意義重大, 而且可實現(xiàn)對煙稈的高效處理和資源化利用。目前, 將煙草秸稈作為制備生物炭基肥原料的研究較少, 盡管生物炭基肥改良土壤的效果已在多種作物上證實, 但缺乏生物炭基肥在薏苡上的應(yīng)用研究, 因此本研究以福建省浦城縣薏苡種植土壤為研究對象, 施用煙稈炭基肥, 通過研究土壤有機碳組分、酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度變化特征, 以期為薏苡土壤改良和煙稈廢棄物資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于福建省南平市浦城縣(27°48′33.76″N,118°32′58.41″E), 海拔249 m, 屬典型中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。年平均氣溫17.4 ℃, 年降雨量1700 mm左右, 年日照時數(shù)1900 h, 全年無霜期254 d, 四季分明, 雨熱同期, 土壤類型為黃紅壤。

1.2 試驗材料

土壤: 試驗前采集農(nóng)田表層土壤(0～20 cm), 風(fēng)干, 研磨, 分別過1 mm和0.149 mm篩, 用于分析土壤pH、全碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等化學(xué)性質(zhì), 結(jié)果如表1所示。

表1 供試材料基本化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic chemical properties of the test materials

化肥: 尿素(N46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 50%), 購自市場。

煙稈炭基肥: 選用福建省三明市尤溪縣的‘翠碧一號’烤煙, 經(jīng)烘干、粉碎后, 通過便攜式生物炭化機(淮安華電環(huán)保機械制造有限公司), 在高溫(500 ℃)無氧環(huán)境下裂解2 h, 制得煙稈生物炭, 其基本化學(xué)性質(zhì)如表1所示。煙稈炭基肥由生物炭、尿素、過磷酸鈣和氯化鉀按照質(zhì)量比20∶15∶39∶26經(jīng)平磨式擠壓造粒機混合制成, 各養(yǎng)分比例為N∶P2O5∶K2O=4.6∶7.2∶5。

薏苡: 供試品種為‘浦薏6號’, 由浦城縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育, 其品性優(yōu)良, 種性穩(wěn)定, 純度較高, 適于試驗研究。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個施肥處理方式: 1) CK: 空白對照,不施肥; 2) F: 常規(guī)施化肥, 尿素100 kg?hm?2、過磷酸鈣600 kg?hm?2、氯化鉀100 kg?hm?2; 3) LBF: 施低量煙稈炭基肥, 生物炭基肥施用量為800 kg?hm?2;4) HBF: 施高量煙稈炭基肥, 生物炭基肥施用量為1600 kg?hm?2。其中LBF處理與F處理保持等量氮磷鉀養(yǎng)分量, 每個處理3次重復(fù), 隨機區(qū)組排列, 每個小區(qū)面積為12 m2(6 m×2 m)。每個小區(qū)種植40株薏苡, 株行距為50 cm×40 cm。基肥在起壟前均勻施于土壤表層, 翻耕使得肥料與土壤混合均勻, 其他水分及病蟲害等大田管理按照常規(guī)進行。薏苡于6月19日移栽, 12月15日收獲。

1.4 樣品采集與預(yù)處理

在薏苡收獲期, 每個小區(qū)采用“S”形取樣法取0～20 cm表層土壤, 挑去土壤中的雜草和石屑, 混勻樣品, 四分法取樣, 一部分鮮樣用于微生物和酶活性測定, 剩下自然風(fēng)干, 過1 mm和0.149 mm土篩用于土壤pH和碳組分測定。

1.5 測試項目和方法

土壤pH和碳組分: 土壤pH采用電位法測定, 水與土壤的比例為2.5∶1; 土壤有機碳(SOC)含量采用全自動微量碳氮元素分析儀(德國ELEMENTAR)測定; 可溶性有機碳(DOC)含量按照1∶10土液比進行浸提, 離心過濾后用TOC分析儀(日本島津SHIMADZU)測定; 顆粒有機碳(POC)含量通過5 g?L?1六偏磷酸鈉分散, 沖洗烘干、研磨后用全自動微量碳氮元素分析儀測定; 易氧化有機碳(EOC)含量采用333 mmol?L?1高錳酸鉀氧化法測定; 微生物量碳(MBC)含量采用K2SO4浸提、氯仿熏蒸法測定。

土壤酶活性: 土壤淀粉酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 其活性以24 h后1 g土壤麥芽糖的毫克數(shù)表示; 土壤蔗糖酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 其活性以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示; 土壤脫氫酶活性測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法, 其活性以24 h后1 g土壤三苯基甲月替(TPF)的微克數(shù)表示; 土壤過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法, 其活性以1 g土壤消耗0.1 mol?L?1KMnO4的體積(mL)表示。結(jié)果表示均轉(zhuǎn)化為干土重。

土壤微生物量: 選取不同處理下薏苡收獲期土壤進行細菌豐度及多樣性的測定。16S rDNA PCR產(chǎn)物高通量測序由北京奧維森基因科技有限公司完成。細菌16SrDNA V3-V4 擴增引物為338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′- GG ACTACNNGGGTATCTAAT-3′)。PCR反應(yīng)體系為12.5 μL 2×Taq PCR MasterMix, 3 μL BSA (2 ng?μL?1),2 Primer (5 μmol?L?1), 2 μL模 板DNA, 和5.5 μL ddH2O。具體步驟為: 先從樣本中提取DNA, 用帶有barcode的特異引物擴增到16S rDNA的V3-V4區(qū),在95 ℃預(yù)變性5 min, 95 ℃變性45 s, 55 ℃退火50 s, 72 ℃延伸45 s, 進行32個循環(huán), 再在72 ℃延伸10 min, 最后通過Illumina MiSeq平臺進行Pairedend測序, 下機數(shù)據(jù)經(jīng)過QIIME (v1.8.0)軟件過濾、拼接、去除嵌合體, 完成序列分析。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2018整理數(shù)據(jù), 用SPSS 20.0軟件對土壤有機碳組分、酶活性數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和SNK法進行顯著性檢驗(P<0.05), 運用Origin 2018繪制土壤細菌PCA分析圖和群落豐度箱型圖, 采用Stamp對土壤細菌屬進行差異分析,利用LEfSe分析軟件對土壤細菌進行LEfSe分析, 利用Canoco 4.5對土壤pH、碳組分含量、酶活性及土壤細菌群落相對豐度做冗余(RDA)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH、有機碳及其組分含量變化

由表2可知, 與CK處理相比, 施用煙稈炭基肥LBF和HBF處理土壤pH顯著增加10.14%和10.51%(P<0.05), 而F處理pH降低2.54% (P<0.05)。施用炭基肥顯著提高土壤有機碳(SOC)含量(P<0.05), HBF處理土壤SOC含量最高, 為12.54 g?kg?1, 較其他處理增加11.47%～24.65%; CK與F處理間無顯著差異。不同施肥處理可溶性有機碳(DOC)含量較CK處理增加24.49%～44.81%, 施用炭基肥處理的DOC含量高于常規(guī)施化肥處理(P<0.05)。施用炭基肥顯著增加土壤顆粒有機碳(POC)含量, 與F處理相比, HBF和LBF處理POC含量增加36.89%和24.78% (P<0.05),HBF與LBF處理間差異也達顯著水平(P<0.05)。施用炭基肥, 土壤易氧化有機碳(EOC)含量也呈增加趨勢, 在HBF處理下增幅達最大, 相較CK、F和LBF處理分別增加0.67 g?kg?1(P<0.05)、0.29 g?kg?1(P<0.05)和0.23 g?kg?1(P<0.05), F與LBF處理間無顯著差異。施用炭基肥, 土壤微生物量碳(MBC)含量顯著增加(P<0.05), 相比CK處理平均增加107.98%,相比F處理平均增加58.57%; 但CK與F處理間無顯著差異。

表2 不同處理下土壤pH和有機碳組分變化Table 2 Changes of soil pH and organic carbon fractions under different treatments

2.2 土壤酶活性變化

對不同施肥處理下各種土壤酶活性進行分析,得到結(jié)果如表3。施用煙稈炭基肥, 土壤淀粉酶活性升高, HBF處理土壤淀粉酶活性最高, 相比CK、F和LBF處理提高1.12倍、0.57倍和0.20倍, 各處理間均達到顯著水平(P<0.05)。土壤蔗糖酶活性有一定提升, 但各處理之間差異不顯著(P>0.05)。土壤脫氫酶和過氧化氫酶活性變化趨勢為HBF>LBF>F>CK, 且隨著炭基肥施用量的增加而升高; HBF處理土壤酶活性達最高, 相比CK和F處理, 脫氫酶活性分別提高94.80%和69.43% (P<0.05), 過氧化氫酶活性分別提高54.93%、37.50% (P<0.05)。

表3 不同處理下土壤酶活性變化Table 3 Changes in soil enzymes activities under different treatments

2.3 土壤細菌群落α、β多樣性變化

土壤細菌群落Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)分別用于反映土壤樣品中微生物群落的豐富度和多樣性, 數(shù)值越大, 表明群落豐富度、多樣性越高。不同處理土壤細菌Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)如圖1所示。施用煙稈炭基肥, 土壤細菌Chao1指數(shù)升高, 在HBF處理下達最大, 為4470.16, 相比CK和F處理增加了17.29%和10.32%, 相比LBF處理也有一定提升。施用炭基肥提高土壤細菌Shannon指數(shù), HBF處理數(shù)值最大, 為10.11, 相比CK、F和LBF處理分別提高0.65、0.46和0.17個單位。這表明施用煙稈炭基肥提高土壤微生物群落豐富度和多樣性, 且隨施用量的增加效果越明顯。

圖1 不同處理土壤細菌α多樣性Fig.1 Alpha diversity of soil bacteria under different treatments

圖2為不同處理細菌群落分布主成分分析圖。從圖中可以看出, 前兩個軸(PC1, PC2)共同解釋了24.3%的變異, 第1主成分軸貢獻率為12.5%, 各處理間有明顯的空間分異, CK和LBF處理主要位于PC1軸的正端, F和HBF處理位于PC1軸的負端,CK和F處理樣品間差異性較大, LBF和HBF處理樣品間差異性較小, CK與F、LBF處理間距離相對較近, 而與HBF處理距離較遠。說明與CK處理相比, HBF處理對細菌群落組成的影響大于F和LBF處理。

圖2 不同處理土壤細菌群落分布PCA分析圖Fig.2 PCA analysis of soil bacterial community distribution under different treatments

2.4 土壤細菌群落結(jié)構(gòu)差異性變化

測定不同處理土壤細菌, 其門水平上的10種土壤優(yōu)勢菌群分布如表4。變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)、螺旋體菌門(Saccharibacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)是優(yōu)勢菌門, 占比超過95%。施用炭基肥后放線菌門和擬桿菌門等比例明顯提高, 在HBF處理下達最大, 比CK處理分別增加26.46%和32.86%, 比F處理分別增加10.94%和30.23%。而變形菌門和綠彎菌門等比例呈下降趨勢。

表4 不同處理土壤細菌門水平的菌群分布百分比Table 4 Percentage distribution of soil bacteria at the phyla level under different treatments %

通過對土壤細菌屬水平進行STAMP分析, 可以揭示炭基肥施用下的顯著差異物種(圖3)。與CK處理相比, LBF處理物種組成與CK相似, 僅有芽單胞菌屬(Gemmatimonas)相對豐度顯著升高(P<0.05),Candidatus?Koribacter、Jatrophihabitans2個屬相對豐度顯著降低(P<0.05); HBF處理中Jatrophihabitans、熱酸菌屬(Acidothermus)、芽單胞菌屬、叢生放線菌屬(Actinospica)、德沃斯氏菌屬(Devosia)等5個屬相對豐度顯著升高(P<0.05), 而Candidatus_Koribacter、生絲微菌屬(Hyphomicrobium)、厭氧粘細菌屬(Anaeromyxobacter)、短根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、Haliangium、泉發(fā)菌屬(Crenothrix)等6個屬相對豐度顯著降低(P<0.05)。與F處理相比, LBF處理中短根瘤菌屬、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、布氏桿菌屬(Bryobacter)、Haliangium等4個屬相對豐度顯著升高(P<0.05), 而酸土單胞菌屬(Aciditerrimonas)、類諾卡氏屬(Nocardioides)、泉發(fā)菌屬、馬杜拉放線菌屬(Actinomadura)等4個屬相對豐度顯著降低(P<0.05);HBF處理中布氏桿菌屬、叢生放線菌屬、Haliangium、硝化螺旋菌屬等4個屬相對豐度顯著升高(P<0.05), 而酸土單胞菌屬、泉發(fā)菌屬、金色馬賽菌(Massilia)等3個屬相對豐度顯著降低(P<0.05)。

圖3 基于STAMP分析的不同處理土壤顯著差異的細菌屬Fig.3 Soil bacterial genera with significant differences among different treatments based on STAMP analysis

基于分類信息的LEfSe分析的進化分支圖(圖4)可以更好地體現(xiàn)不同施肥處理間存在的差異物種。由內(nèi)至外輻射的圓圈代表了由門至屬的分類級別。在不同分類級別上的每一個小圓圈代表該水平下的一個分類, 小圓圈直徑大小與相對豐度大小呈正比。圖中無顯著差異的物種統(tǒng)一著色為黃色, 差異物種跟隨分組進行著色, 4種顏色分別代表不同處理中起到重要作用的優(yōu)勢微生物類群。由圖中可以看出,不同處理在不同分類水平差異物種不同, CK處理總計有2個門、5個綱、5個目、8個科為顯著差異物種, F處理有0個門、3個綱、2個目、5個科為顯著差異物種, LBF處理有2個門、2個綱、1個目、3個科為顯著差異物種, HBF處理有1個門、2個綱、5個目、5個科為顯著差異物種。在細菌門類水平上, CK處理中酸酐菌門(Acidobacteria)和浮霉狀菌門(Planctomycetes)為具有顯著差異的物種, 其相對豐度高于其他土壤菌門, F處理無顯著差異物種,LBF處理中變形菌門和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)為顯著差異物種, HBF處理中擬桿菌門顯著高于其他菌門。

圖4 基于分類信息的LEfSe分析的不同處理土壤細菌進化分支圖Fig.4 Evolutionary branch diagram of LEfSe analysis of soil bacteria based on classification information

2.5 土壤pH、碳組分、酶活性、土壤細菌群落相關(guān)性分析

對土壤pH、碳組分與酶活性及細菌門分類水平上10種優(yōu)勢物種豐度進行冗余(RDA)分析, 如圖5所示, 空心箭頭代表土壤pH及碳組分含量, 箭頭越長代表影響越顯著。從圖可見土壤pH、土壤有機碳(SOC)、顆粒有機碳(POC)、微生物量碳(MBC)為主要影響因子, 而可溶性有機碳(DOC)、易氧化有機碳(EOC)對土壤酶和細菌的影響相對較小。實心箭頭代表土壤4種酶活性和在門分類水平上10種土壤優(yōu)勢細菌群落的相對豐度, 影響因子與細菌種群夾角越接近0°代表兩者呈正相關(guān)越顯著, 夾角越接近180°代表兩者呈負相關(guān)越顯著。由圖5可以看出,土壤pH、土壤碳組分與酶活性及細菌群落之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05), 其中土壤碳組分含量與土壤酶活性呈正相關(guān)關(guān)系, 土壤pH、SOC、POC、DOC和MBC含量與土壤各種酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 而與變形菌門呈顯著負相關(guān)。土壤EOC含量與螺旋體菌門、放線菌門和芽單胞菌門等呈顯著正相關(guān)(P<0.05), 與疣微菌門(Verrucomicrobia)和酸桿菌門等呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖5 土壤pH、碳組分與酶活性及細菌門水平相對豐度相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysis among soil pH, carbon components, enzymes activities and relative abundances of bacterial phyla

3 討論

3.1 煙稈炭基肥對土壤pH和有機碳組分的影響

本研究結(jié)果表明, 土壤pH、有機碳組分因肥料種類、施用量的不同而有所差異, 施用煙稈炭基肥,顯著提高土壤pH和SOC含量, 增加土壤DOC、POC、MBC等活性有機碳組分含量, 且都隨施用量的增加而升高。其中, MBC的提升效果最明顯, 與常規(guī)施化肥處理相比平均增加58.57%, 與對照處理相比平均增加107.98%, 這與前人的研究相似。陳懿等[16]研究表明施用炭基肥可明顯提升土壤pH和其他養(yǎng)分含量, 同時生物炭對肥料養(yǎng)分具有吸持效應(yīng), 進而提升土壤肥力。宋大利等[17]和Demisie等[18]研究發(fā)現(xiàn)生物炭和肥料配施增加土壤有機碳及其組分含量, 改善土壤質(zhì)量。分析其原因, 可能是生物炭本身呈堿性, 含有大量的K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子, 施入土壤后, 它能交換中和土壤中的H+和Al3+, 從而降低土壤酸度, 提高土壤pH[19]。生物炭本身含碳量高, 全碳含量達645.2 g·kg–1, 遠高于土壤平均值, 配合化肥施入土壤增加土壤SOC和POC含量, 增加土壤碳庫儲量, 改善土壤生產(chǎn)力。MBC含量提升顯著的原因是生物炭具有多孔隙結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積, 能有效吸附肥料中的速效養(yǎng)分, 同時為微生物生長活動提供了良好的棲息地, 促進了土壤中微生物群落的生長, MBC含量得到提高[20]。DOC含量受季節(jié)、溫度、濕度、pH等多種因素影響, 因此可能是煙稈炭基肥改善土壤pH、濕度等影響微生物活性, 進而影響DOC含量的變化, 其具體機理還有待進一步研究。

3.2 煙稈炭基肥對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中生物催化劑, 其活性高低是土壤有機質(zhì)分解與礦化以及土壤碳、氮、磷等元素循環(huán)的主要限制因素, 可有效反映土壤養(yǎng)分狀況及肥力水平[21]。

本研究中施用煙稈炭基肥后, 土壤淀粉酶、脫氫酶、過氧化氫酶活性提高, 相比常規(guī)施化肥分別提高31.42%～57.14%、45.55%～69.43%和5.00%～37.50%, 高量炭基肥處理提高作用高于低量炭基肥處理, 而炭基肥對土壤蔗糖酶活性的影響不顯著。周玉祥等[22]研究發(fā)現(xiàn)土壤淀粉酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性均隨秸稈生物炭施用量的增加有不同程度提高。陳心想等[23]研究認為生物炭可以顯著提高土壤過氧化氫酶活性, 但在短期內(nèi)對蔗糖酶無顯著影響, 這些都與本研究結(jié)果一致。淀粉酶與土壤C循環(huán)有關(guān), 施用煙稈炭基肥, 提高了土壤中活性有機碳組分含量, 進而提高土壤淀粉酶活性。脫氫酶與過氧化氫酶都是微生物生長代謝中重要的氧化還原酶,其活性可以反映土壤微生物數(shù)量及相應(yīng)的活性, 施用炭基肥改善土壤環(huán)境和細菌菌落組成結(jié)構(gòu), 提高土壤細菌數(shù)量, 進而提升土壤脫氫酶和過氧化氫酶活性。蔗糖酶促進糖類水解, 一般用來表征土壤熟化程度和肥力水平, 施用炭基肥后對蔗糖酶活性沒有顯著影響, 原因在于生物炭對酶活性的影響具有可變性, 這可能還與生物炭的種類、自身理化性質(zhì)、施用量、土壤類型等因素有關(guān)[24]。

3.3 煙稈炭基肥對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)和豐度的影響

施用生物炭基肥會影響土壤生物化學(xué)環(huán)境, 進而直接影響微生物群落物種的豐富度及多樣性[25]。本研究表明, 施用煙稈炭基肥, 土壤細菌群落Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)明顯提高, 土壤細菌群落豐富度和多樣性提高。這與陳懿等[26]的研究結(jié)果一致。一方面, 生物炭巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可以為微生物的棲息和繁殖提供良好的環(huán)境; 另一方面, 炭基肥以生物炭與肥料按配比制得, 含有豐富的C、N、P和K等營養(yǎng)成分, 能夠直接為微生物生長提供所需的養(yǎng)分[27]。

同時, 有研究發(fā)現(xiàn), 施用生物炭和生物炭基肥會對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)有影響, 施用生物炭后, 90%以上細菌為變形菌門、放線菌門、綠彎菌門、酸桿菌門、螺旋體菌門、擬桿菌門和芽單胞菌門[28]。不同細菌類別對生物炭基肥的響應(yīng)不同, 本研究中, 施用煙稈炭基肥, 放線菌門、擬桿菌門細菌豐度上升, 這與Nielsen等[29]的研究一致。放線菌適宜在偏堿環(huán)境下生存, 而炭基肥中的生物炭pH為堿性, 施入土壤有利于放線菌的生長。擬桿菌門細菌具有纖維素降解能力, 對于土壤中碳元素的循環(huán)具有積極意義,而炭基肥的施入正好補充了C循環(huán)過程中有機物質(zhì)的損失。施用煙稈炭基肥, 土壤變形菌門、綠彎菌門細菌豐度呈下降趨勢。而徐民民等[30]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭會提高小麥(Triticum aestivumL.)根際綠彎菌門豐度, 對變形菌門無影響。這與本研究結(jié)果存在差異, 原因可能是與宿主植物和土壤性質(zhì)的不同有關(guān)。變形菌是土壤中最豐富的細菌類群, 對土壤酸堿度敏感, 與土壤pH呈負相關(guān)[31], 生物炭基肥施入提高土壤pH, 進而降低變形菌門相對豐度。研究表明綠彎菌門是一種貧瘠營養(yǎng)型細菌, 在光合作用中提供能量, 它們所產(chǎn)生的初級生產(chǎn)力對異養(yǎng)菌具有非常重要的作用, 但生長速度慢[32]。施用炭基肥處理中綠彎菌門豐度降低, 可能與土壤細菌中其他顯著提高的細菌門類與綠彎菌產(chǎn)生較強的競爭作用有關(guān)。

在屬水平上, 與常規(guī)施化肥相比, 施用煙稈炭基肥, 硝化螺旋菌屬、布氏桿菌屬、Haliangium等3個屬相對豐度顯著升高(圖3), 硝化螺旋菌屬驅(qū)動硝化過程, 在土壤氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用[33], 布氏桿菌屬能夠分解有機物, 促進碳循環(huán)[34]。研究發(fā)現(xiàn), 施用生物炭基肥, 會增加土壤有機碳組分和硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量, 補充碳氮循環(huán)過程中所消耗有機物質(zhì), 進而提高相應(yīng)菌屬豐度[35]。酸土單胞菌屬、泉發(fā)菌屬等2個屬相對豐度顯著降低, 酸土單胞菌屬適宜在酸性環(huán)境下生存, 生物炭為堿性, 施入會影響酸土單胞菌屬的生存, 降低其豐度; 泉發(fā)菌屬為好氧甲烷氧化菌,能夠氧化土壤中的甲烷, 但其在土壤中作用機制還不清楚, 有待進一步研究[36]。

3.4 各處理間土壤pH、有機碳組分、酶活性、細菌門豐度之間關(guān)系分析

土壤pH表征土壤酸堿性, 影響土壤中多種微生物活動進程。土壤有機碳組分參與土壤C循環(huán), 直接影響微生物生長環(huán)境, 土壤酶來源于土壤微生物及動植物殘體, 而土壤細菌在土壤微生物中數(shù)量最多、分布最廣。周之棟等[37]指出, 土壤酶活性是土壤微生物過程的反映, 酶活性越高, 土壤細菌越活躍,豐富度越高, 同時土壤功能細菌能分解有機物, 釋放養(yǎng)分, 促進土壤碳循環(huán), 而土壤碳循環(huán)產(chǎn)物與養(yǎng)分又反過來能供細菌生長所需, 因此土壤pH、碳組分與酶活性和細菌豐度有一定的直接或間接聯(lián)系。本研究冗余結(jié)果顯示, 土壤pH、土壤SOC、POC和MBC等是影響土壤細菌群落豐度變化的主導(dǎo)因子, 原因在于一方面絕大部分細菌對土壤酸堿度極其敏感;另一方面土壤SOC會影響土壤碳庫儲量, 土壤POC和MBC等活性有機碳組分促進土壤碳循環(huán), 改善土壤生產(chǎn)力, 進而促進細菌繁殖生長, 增加細菌群落豐度。施用煙稈炭基肥, 一方面降低土壤酸度, 提高土壤SOC含量, 進而直接影響淀粉酶分解含碳有機化合物、促進蔗糖轉(zhuǎn)化酶增加土壤中易溶營養(yǎng)物質(zhì),顯著提高脫氫酶和過氧化氫酶等微生物代表性酶活性; 另一方面煙稈炭基肥可以增加土壤DOC、EOC和MBC等活性有機碳含量, 使土壤碳循環(huán)速度加快,增加土壤養(yǎng)分含量, 進而促進土壤放線菌菌絲體產(chǎn)生各種胞外水解酶, 降解土壤中的各種不溶性有機物質(zhì)以獲得細胞代謝所需的各種營養(yǎng), 故土壤有機碳組分含量與各種酶活性及放線菌門呈正相關(guān)關(guān)系。但土壤pH、碳組分、酶活性和土壤細菌之間的關(guān)系不顯著, 可能原因是土壤細菌種類繁多且作用效果有差異, 故其還有待進一步探究[38]。

4 結(jié)論

1)煙稈炭基肥增加了土壤pH和有機碳組分含量, 有效抑制土壤酸化, 影響土壤碳庫儲量, 提升土壤肥力。

2)煙稈炭基肥顯著提升了土壤淀粉酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性, 提高了土壤細菌豐度及多樣性,影響了土壤細菌群落組成結(jié)構(gòu)。

3)通過RDA分析, 土壤pH、SOC、POC、DOC和MBC含量與土壤各種酶活性均呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 而與變形菌門呈顯著負相關(guān)。

綜合分析表明, 煙稈炭基肥對土壤pH、碳組分、酶活性和微生物具有積極影響, 對薏苡種植土壤改良、肥力提升具有重要意義。