不同類型糞肥還田對土壤酶活性及微生物群落的影響①

張 英，武淑霞，雷秋良，翟麗梅，王洪媛，李 浩，楊 波，劉宏斌

不同類型糞肥還田對土壤酶活性及微生物群落的影響①

張 英，武淑霞*，雷秋良，翟麗梅，王洪媛，李 浩，楊 波，劉宏斌

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

畜禽糞便作為有機(jī)肥還田可以維持和提高土壤有機(jī)質(zhì)、改良土壤，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。不同類型糞肥還田后對土壤生物學(xué)性狀的影響不同，為探究這一問題，在內(nèi)蒙古烏蘭察布市設(shè)置田間試驗(yàn)，包括化肥(F)、羊糞(GM)、豬糞(PM)、牛糞(CM)4個(gè)處理，研究其對土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物群落的影響。結(jié)果表明，施用糞肥較化肥具有增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、銨態(tài)氮等養(yǎng)分含量的趨勢。不同糞肥較化肥處理的土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性最高增幅分別為32.4%、150.4%、26.8% 和30.1%。牛糞處理的土壤微生物生物量碳氮顯著提高，分別較化肥增加33.2% 和33.4%。不同處理在細(xì)菌門水平上的優(yōu)勢種群較一致，放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)是優(yōu)勢種群。本試驗(yàn)條件下，牛糞處理更能提高土壤微生物生物量碳氮，短期內(nèi)施用不同糞肥對于提高土壤微生物群落多樣性差異不顯著，土壤pH、有效磷、銨態(tài)氮是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。

羊糞；豬糞；牛糞；土壤酶活性；土壤微生物群落

畜牧業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)伴隨著大量畜禽糞污產(chǎn)生，我國畜禽養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生總量約為38億噸，綜合利用率為75%[1]。作為有機(jī)肥進(jìn)行還田是畜禽糞便資源化利用的最主要方式之一[2]。有機(jī)肥本身含有大量有機(jī)質(zhì)及多種營養(yǎng)成分，施入土壤可提高土壤養(yǎng)分，陳潔等人[3]研究得出長期施用有機(jī)肥可顯著增加土壤碳氮庫，并增加土壤有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量。土壤酶活性也是評價(jià)土壤肥力指標(biāo)之一[4]，多種酶與土壤元素轉(zhuǎn)化密不可分，如蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶參與碳、氮、磷等化學(xué)循環(huán)。長期施用有機(jī)肥會顯著提高土壤酶活性，而施用化肥對酶活性的影響不大[5]。研究土壤酶對糞肥添加的響應(yīng)有利于明確土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化機(jī)制，增加土壤肥力。

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，如固氮作用、硝化作用、反硝化作用、腐殖質(zhì)的分解和合成等過程[6]。因此土壤微生物種類和數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)也能反映土壤質(zhì)量狀況[7]。施肥會改變土壤微生物組成及群落多樣性，研究表明施用有機(jī)肥提高土壤變形菌門和厚壁菌門的相對豐度，并降低放線菌門相對豐度[8]。長期施用糞肥會降低土壤真菌與細(xì)菌比，顯著改變土壤細(xì)菌和真菌群落的結(jié)構(gòu)[9]。另外有研究表明，pH、全氮、全磷和鉛含量是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子，不同糞肥添加改變了稻田土壤理化性質(zhì)，從而間接改變了稻田土壤微生物的群落組成[10]。施入糞肥有利于提高土壤微生物數(shù)量及群落多樣性[11-12]，而長期施入化肥會使土壤養(yǎng)分種類單一化，并且會使土壤pH降低，導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量和種類減少。因此，研究糞肥還田后的微生物群落結(jié)構(gòu)變化對土壤質(zhì)量管理具有重要作用。

不同類型畜禽糞便由于成分和性質(zhì)的差異，在不同地區(qū)、不同種植方式下施用后對作物生長、土壤養(yǎng)分及微生物性狀等的影響也存在較大差異[13-14]，李祥云等[15]將雞糞、豬糞和牛糞施用于菜地，得出施用豬糞的蔬菜營養(yǎng)成分較均衡，建議在蔬菜有機(jī)栽培生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用。張永峰等[16]研究顯示不同糞肥均能夠明顯提高玉米產(chǎn)量和土壤肥力，施用雞糞效果最好。陳貴等[17]在稻田上的試驗(yàn)表明豬糞更能提高土壤養(yǎng)分含量。本研究選擇內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)青貯玉米為研究對象，通過田間試驗(yàn)比較牛糞、羊糞、豬糞3種當(dāng)?shù)刂饕S肥施用后對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，并明確土壤微生物對不同糞肥響應(yīng)特征，以便綜合評價(jià)不同類型糞肥還田后對土壤作用效果，對于指導(dǎo)當(dāng)?shù)丶S肥還田、促進(jìn)資源有效利用具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市察哈爾右翼前旗，氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶愿珊禋夂?，冬季長達(dá)5個(gè)月，年平均氣溫4.5 ℃，年降水量376.1 mm，多集中在7—8月上旬。該地區(qū)土壤屬于半干旱草原栗鈣土地帶中的暗栗鈣土帶。試驗(yàn)前耕層土壤(0 ～ 20 cm)基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用羊糞、牛糞、豬糞3種農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)典型畜禽糞污，糞肥具體養(yǎng)分含量如表2所示。研究在等氮量條件下，施用糞肥對作物和土壤的影響。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理(表3)，每個(gè)處理重復(fù)3次，糞肥經(jīng)過自然堆肥發(fā)酵后施入土壤，各處理施肥量根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施肥習(xí)慣設(shè)置?；史N類為復(fù)合肥，糞肥的磷鉀施用量根據(jù)等氮量條件和磷鉀養(yǎng)分含量換算得到。每個(gè)小區(qū)面積為500 m2。供試青貯玉米品種為京科9685，播種日期為2020年5月6日。

表2 供試肥料的養(yǎng)分含量

1.3 樣品采集與測定

在青貯玉米成熟期采集0 ～ 20 cm土壤樣品，各小區(qū)分別采取10個(gè)樣品混勻，所有土壤樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，分成兩部分，一部分鮮土過10目篩后，用于測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物生物量碳氮和含水量，部分鮮樣取回后保存在–80℃冰箱用于測定微生物群落結(jié)構(gòu)；另一部分土樣風(fēng)干過20目篩后用于土壤理化性質(zhì)測定。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及施肥方案

注：化肥的磷鉀施肥量以P2O5和K2O計(jì)，糞肥的磷鉀施肥量以總的單質(zhì)P和單質(zhì)K計(jì)。

1.4 試驗(yàn)測定方法

1.4.1 土壤理化性質(zhì)測定 土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法–外加熱法測定；全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮法測定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用0.01 mol/LCaCl2浸提，流動(dòng)分析儀(AA3)測定；全磷采用NaOH熔融–鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH熔融–火焰光度法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提–鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提–火焰光度法測定；pH采用5︰1水土比(︰)pH計(jì)測定。

1.4.2 土壤酶活性及微生物測定 土壤酶活性參考關(guān)松蔭[18]的方法進(jìn)行測定，脲酶采用苯酚鈉–次氯酸鈉比色法測定，用單位時(shí)間和單位干土中產(chǎn)生的NH4+-N的質(zhì)量表示；土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，用單位時(shí)間和單位干土中產(chǎn)生葡萄糖的質(zhì)量表示；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定，用滴定相當(dāng)于 1 g 干土濾液所消耗的0.02 mol/L KMnO4體積表示；堿性磷酸酶采用蘇州科銘生物技術(shù)公司的堿性磷酸酶試劑盒測定；土壤微生物生物量碳氮采用熏蒸–浸提法測定[19]。

采用Fast DNA SPIN Kit for Soil(MP Biomedicals)試劑盒提取土壤DNA，使用NanoDrop2000紫外–可見分光光度計(jì)進(jìn)行DNA濃度和純度測定，采用1% 瓊脂糖凝膠電泳對DNA完整性進(jìn)行檢測。微生物群落結(jié)構(gòu)采用16S rRNA 測序技術(shù)，引物設(shè)計(jì)338F (ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTA CHVGGGTWTCTAAT)。2% 瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物。采用Illumina MiSeq平臺對樣本進(jìn)行測序。生物信息分析流程使用的是QIIME2推薦的DADA2方法對所有樣品的全部原始序列進(jìn)行質(zhì)量控制，去噪，拼接，并且去嵌合體，形成OTU[20]，本文中提到OTU應(yīng)被稱為擴(kuò)增特征序列(Amplicon Sequence Variant)，選取OTU的代表性序列，與數(shù)據(jù)庫(16S 默認(rèn)Greengenes Database 13_8版本[按99%序列相似性聚類]進(jìn)行比對獲得物種注釋信息?；贠TU的絕對豐度及注釋信息，對每個(gè)樣品在7個(gè)分類水平(界、門、綱、目、科、屬、種)上的序列數(shù)目占總序列數(shù)的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有效地評估樣本的物種注釋信息。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤理化性質(zhì)部分采用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)并作圖，采用SPSS 24.0進(jìn)行單因素方差分析檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。用Duncan 新復(fù)極差法比較不同處理的 Alpha 多樣性在 0.05 水平下的差異顯著性；運(yùn)用Canoco 5.0 軟件做主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)。微生物數(shù)據(jù)作圖采用深圳微生太科技有限公司平臺進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同糞肥對土壤養(yǎng)分的影響

不同糞肥處理對土壤養(yǎng)分的影響如圖1所示，不同類型糞肥對土壤養(yǎng)分的影響不同。CM處理的有機(jī)質(zhì)含量最高，較F處理高9.7%；PM處理的全氮含量最高，較F處理高11.3%；但各處理間有機(jī)質(zhì)和全氮含量差異均不顯著。土壤硝態(tài)氮含量大小為PM> F>CM>GM，PM處理顯著增加土壤硝態(tài)氮含量，較F、GM和CM分別高23.6%、73.1% 和64.6%。各處理的土壤銨態(tài)氮含量差異不顯著，PM和CM處理的有效磷含量顯著高于F。不同糞肥處理速效鉀的含量大小為CM>F>GM>PM，且CM處理顯著高于GM和PM處理。不同處理間pH差異不顯著，與F相比較，豬糞處理的土壤pH略有降低，羊糞和牛糞處理的土壤pH略有提高。

2.2 不同糞肥對土壤微生物生物量碳氮的影響

不同糞肥處理對土壤微生物生物量碳氮的影響如圖2所示。不同處理土壤微生物生物量碳含量范圍為133.55 ～ 177.86 mg/kg，CM處理顯著高于其他處理，分別較F、GM和PM處理增加33.2%、32.0% 和31.8%。不同處理土壤微生物生物量氮含量范圍為24.36 ～ 32.49 mg/kg，且各糞肥處理均大于F處理，其中CM處理顯著高于其他處理，分別較F、GM和PM處理增加33.5%、21.2% 和28.7%。

2.3 不同糞肥對土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶與土壤碳氮磷元素轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。各處理酶活性如表4所示，不同糞肥均較F處理提高了土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性，PM處理的脲酶和堿性磷酸酶活性分別較F處理提高了30.7% 和26.8%。不同處理間蔗糖酶活性的大小為GM>PM>CM>F，GM處理蔗糖酶活性最高，分別較F、PM和CM高150.4%、31.0% 和92.0%。CM處理過氧化氫酶活性顯著高于GM和F處理，分別較F、GM和PM處理高30.1%、11.8% 和7.14%。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)，下圖同)

圖2 不同施肥處理對土壤微生物生物量碳氮的影響

表4 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

土壤酶活性與土壤環(huán)境條件的改變密切相關(guān)，將土壤酶活性與土壤理化指標(biāo)等環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)，土壤脲酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷含量顯著正相關(guān)；蔗糖酶活性與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)；堿性磷酸酶活性與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)；過氧化氫酶活性與土壤硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)。

表5 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

注：*、**分別表示在<0.05和<0.01水平顯著相關(guān)。

2.4 不同糞肥對土壤微生物群落的影響

2.4.1 不同處理土壤細(xì)菌群落多樣性分析 經(jīng)樣本測定分析得到土壤樣本測序深度合理。通過對OTU數(shù)量(圖3)和微生物多樣性指數(shù)(表6)的分析，可了解土壤微生物群落物種豐富度和多樣性。4個(gè)處理共有OTU數(shù)為654，不同處理OTU數(shù)量大小為PM>CM>GM>F，其中PM處理OTU數(shù)量最多為1 122，是F處理的2.88倍；CM處理OTU為550，是F處理的1.41倍；GM處理OTU為405，是F處理的1.04倍。由表6可以看出，CM處理Shannon指數(shù)最高，PM處理Simpson指數(shù)較低，Chao1指數(shù)大小排序?yàn)镻M>CM>F>GM，豬糞和牛糞處理微生物多樣性高于羊糞處理。

2.4.2 不同處理土壤細(xì)菌群落組成 不同糞肥處理微生物群落差異性分析如圖4所示，第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)分別解釋不同樣本細(xì)菌群落總變異的38.72% 和15.31%。不同處理在PC1軸上多集中在負(fù)半軸。在PC2軸上F和PM處理主要分布在負(fù)半軸，GM和CM處理主要分布在正半軸。整體來看，PM處理和其他處理微生物群落結(jié)構(gòu)差異性較大。

圖3 OTU水平的Venn圖

表6 不同處理土壤細(xì)菌Alpha多樣性指數(shù)

圖4 不同施肥處理微生物群落主成分分析

由圖5可知，在細(xì)菌門水平上的優(yōu)勢種群有放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)，分別占土壤細(xì)菌群落的26.42% ～ 41.12%、21.41% ～ 27.69%、9.23% ～ 15.14%、8.80% ～ 11.63%、3.72% ～ 22.54%，幾種優(yōu)勢種群共占細(xì)菌群落的85% 以上。不同處理土壤細(xì)菌門水平發(fā)生一定程度的改變，Actinobacteria相對豐度大小為CM> F>GM>PM，Proteobacteria相對豐度大小為GM>CM> F>PM，Acidobacteria相對大小豐度為F>PM>GM> CM，Chloroflexi相對豐度大小為F>PM>GM>CM，F(xiàn)irmicutes相對豐度大小為PM>CM>GM>F。PM處理的Firmicutes相對豐度較其他處理高，而Actinobacteria和Proteobacteria的相對豐度較低。F處理的酸桿菌門Acidobacteria和Chloroflexi相對豐度較高，而Firmicutes相對豐度較低。GM和CM處理的Actinobacteria和Proteobacteria相對豐度較高，Acidobacteria相對豐度較低。

圖5 細(xì)菌門水平上的土壤微生物物種組成

不同處理下細(xì)菌科水平上的土壤微生物物種組成如表7所示，放線菌科(Gaiellaceae)、微球菌科(Micrococcaceae)、諾卡氏菌科(Nocardioidaceae)、單核細(xì)菌科(Solirubrobacterales)的相對豐度較高?？梢钥闯鯣M、CM和F處理的微生物物種組成較為相似，PM處理與其他處理的微生物物種組成不同。PM處理梭菌科(Clostridiaceae)較其他處理相對豐度較高，放線菌科(Gaiellaceae)和微球菌科(Micrococcaceae)相對豐度較低。

表7 細(xì)菌科水平上的土壤微生物物種組成 (%)

續(xù)表7

注：表中同行數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

2.4.3 環(huán)境因子與微生物種群相關(guān)性分析 圖6是施用不同糞肥后土壤環(huán)境因子對土壤微生物菌群的影響，通過RDA分析，估測各種環(huán)境因子對土壤微生物門水平菌群的影響。土壤環(huán)境因子包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀、pH。如圖所示，第一主成分和第二主成分的解釋率分別為49.97% 和12.49%，pH、有效磷和銨態(tài)氮對門水平微生物菌群的影響作用最大，是影響土壤細(xì)菌群落的關(guān)鍵環(huán)境因子。

圖6 門水平微生物物種與環(huán)境因子之間RDA分析

2.4.4 土壤理化性質(zhì)和酶活性與微生物種群相關(guān)性分析 圖7是施用不同糞肥后土壤環(huán)境因子對土壤微生物門水平菌群的影響，結(jié)果顯示，NKB19、纖維桿菌門(Fibrobacteres)、TM6相對豐度與土壤堿性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)。GAL15相對豐度與土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量顯著負(fù)相關(guān)。酸桿菌門(Acidobacteria)、WS3相對豐度與NH4+-N含量呈顯著負(fù)相關(guān)。芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和OD1相對豐度與NH4+-N含量呈顯著正相關(guān)。NKB19和藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)與有效磷量呈顯著正相關(guān)。TM6和BRC1與pH呈顯著負(fù)相關(guān)。厚壁菌門(Firmicutes)與速效鉀和脲酶呈顯著正相關(guān)。OP3與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān)。OP3、酸桿菌門()、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)與過氧化氫酶呈顯著負(fù)相關(guān)。衣原體門(Chlamydiae)與蔗糖酶呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

大量研究表明施用有機(jī)肥顯著影響土壤養(yǎng)分含量[21-22]，本研究和前人研究一致，施用糞肥能夠增加土壤養(yǎng)分含量，并且不同糞肥對土壤養(yǎng)分影響不同。不同處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮差異性不顯著，但是施用牛糞處理的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量略高，這主要是與牛糞本身有機(jī)質(zhì)含量較高以及牛糞中氮的礦化率較高有關(guān)[23]。豬糞處理有效磷含量高于其他處理，這與豬糞自身有效磷含量較高有關(guān)。土壤酶活性受土壤理化性質(zhì)影響，脲酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷含量顯著正相關(guān)，堿性磷酸酶活性與有效磷含量呈顯著正相關(guān)，因此牛糞和豬糞處理脲酶活性較高，且豬糞處理的堿性磷酸酶活性較高?；侍岣咄寥乐蠳O3–-N含量，容易造成較大的NO3–-N淋失風(fēng)險(xiǎn)。有研究表明與施用化肥比較，長期適量施用糞肥不會造成NO3–-N含量淋失風(fēng)險(xiǎn)，糞肥處理中土壤微生物顯著提高了對胺類、碳水化合物類碳源的利用能力，降低無機(jī)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)[24]。但是不同糞肥之間，豬糞更容易造成NO3–-N淋失量增加[25]，這可能因?yàn)樵谠鍪┑实耐瑫r(shí)，高C/N的有機(jī)肥對于降低土壤中NO3–-N含量的效果更好，而豬糞的C/N較小[26]。另外，不同糞肥間牛糞處理微生物生物量碳氮含量較高，這可能是因?yàn)椴煌S肥的C/N會影響土壤微生物生物量碳氮，有機(jī)肥的C/N為15︰1左右時(shí)，氮活性較高。而過高的C/N會使土壤氮素活性大幅度降低，氮素供應(yīng)不足，不利于土壤微生物生長，使土壤微生物生物量碳氮較低[8, 27]，3種糞肥中牛糞的C/N較接近于15，這可能是牛糞處理的微生物生物量碳氮含量較高原因之一。

(SOM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TK：全鉀；AP：有效磷；NH4+-N：銨態(tài)氮；Invertase：蔗糖酶；Urease：脲酶；Catalase：過氧化氫酶；ALP：堿性磷酸酶。*表示 0.01≤P<0.05，** 表示0.001≤P < 0.01)

大量研究表明有機(jī)肥較化肥更能增加土壤微生物群落多樣性[28-29]，但是對于不同糞肥的對比研究較少，本研究表明與牛糞和羊糞相比，豬糞在提高土壤微生物物種豐富度及群落多樣性方面效果較好，這與理鵬等[10]在稻田中施入不同糞肥對土壤微生物群落多樣性的研究結(jié)果一致。本研究在北方旱地施用不同類型糞肥，列出在微生物細(xì)菌門水平上7個(gè)處理前20個(gè)細(xì)菌門，其中優(yōu)勢種群有放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)，這與之前的研究結(jié)果一致[30-31]。微生物科水平上放線菌科(Gaiellaceae)、微球菌科(Micrococcaceae)、諾卡氏菌科(Nocardioidaceae)、單核細(xì)菌科(Solirubrobacterales)的相對豐度較高。NH4+-N、pH、有效磷和土壤酶影響大多微生物群落結(jié)構(gòu)。不同糞肥處理之間，豬糞處理厚壁菌門和梭菌科的相對豐度最高，梭菌科屬于厚壁菌門，這可能是由于厚壁菌門與土壤脲酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，豬糞處理脲酶活性較高導(dǎo)致厚壁菌門豐度較高。厚壁菌可以產(chǎn)生芽孢，芽孢桿菌屬于厚壁菌門，研究表明芽孢桿菌產(chǎn)生孢子，可以抵抗干燥脫水和極端環(huán)境。所以施用糞肥可以有助于土壤中植物的抗逆性[32]。放線菌門與NH4+-N含量呈顯著負(fù)相關(guān)，而豬糞處理NH4+-N含量較高可能導(dǎo)致豬糞處理降低了土壤放線菌門和放線菌科的相對豐度，研究表明放線菌門參與固氮、有機(jī)質(zhì)循環(huán)，促進(jìn)土壤中動(dòng)植物殘?bào)w降解[32]，土壤中放線菌門相對豐度降低有利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積[33]。豬糞處理的硝化螺旋菌門相對豐度較其他處理低，硝化螺旋菌門具有完整的反硝化以及固定CO2的代謝通路，參與土壤多種元素的地球化學(xué)循環(huán)過程[34]。羊糞和牛糞處理的變形菌門相對豐度較高，變形菌門包括很多可以進(jìn)行固氮的細(xì)菌，參與土壤養(yǎng)分的生物循環(huán)[29]。酸桿菌門與土壤NH4+-N含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，化肥處理較低的NH4+-N含量可能導(dǎo)致酸桿菌門相對豐度較高，而酸桿菌門降解土壤植物殘?bào)w，促進(jìn)光合作用和土壤物質(zhì)循環(huán)[35]。

4 結(jié)論

1)糞肥較化肥提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、NH4+-N和有效磷含量。其中牛糞處理顯著提高土壤速效鉀含量，豬糞處理顯著提高土壤NO3–-N含量。不同施肥處理對于土壤pH影響不顯著，但豬糞處理的pH略有降低，羊糞和牛糞處理的土壤pH略有提高。

2)牛糞較化肥處理顯著提高土壤微生物生物量碳氮和過氧化氫酶活性，豬糞處理顯著提高土壤脲酶和堿性磷酸酶活性，羊糞處理顯著提高了蔗糖酶活性。

3)豬糞處理的土壤厚壁菌門相對豐度較高，牛糞和羊糞處理的放線菌門和變形菌門相對豐度較高，化肥處理的酸桿菌門和綠彎菌門相對豐度較高。土壤pH、有效磷、NH4+-N是影響土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子，而短期內(nèi)施用不同糞肥對土壤微生物群落多樣性的影響差異不顯著。

4)不同糞肥在提高土壤養(yǎng)分、土壤酶活性及微生物群落多樣性方面均具有顯著的積極作用，且不同糞肥對土壤酶活性及微生物群落組成的影響不同，在北方農(nóng)牧區(qū)施肥時(shí)應(yīng)結(jié)合田塊相關(guān)指標(biāo)豐缺狀況，選擇更為互補(bǔ)的糞肥進(jìn)行施肥，以便更好地培肥土壤。

致謝：感謝內(nèi)蒙古烏蘭察布市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站魏靜給予的幫助。

[1] 武淑霞, 劉宏斌, 黃宏坤, 等. 我國畜禽養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生量及其資源化分析[J]. 中國工程科學(xué), 2018, 20(5): 103–111.

[2] 莫海霞, 仇煥廣, 王金霞, 等. 我國畜禽排泄物處理方式及其影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展, 2011, 28(6): 59–64.

[3] 陳潔, 梁國慶, 周衛(wèi), 等. 長期施用有機(jī)肥對稻麥輪作體系土壤有機(jī)碳氮組分的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2019, 25(1): 36–44.

[4] Samuel A D, Bungau S, Tit D M, et al. Effects of long term application of organic and mineral fertilizers on soil enzymes[J]. Revista De Chimie, 2018, 69(10): 2608–1612.

[5] 孫瑞蓮, 趙秉強(qiáng), 朱魯生, 等. 長期定位施肥對土壤酶活性的影響及其調(diào)控土壤肥力的作用[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2003, 9(4): 406–410.

[6] 鄭昭佩, 劉作新. 土壤質(zhì)量及其評價(jià)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(1): 131–134.

[7] Harris J A. Measurements of the soil microbial community for estimating the success of restoration[J]. European Journal of Soil Science, 2003, 54(4): 801–808.

[8] 徐忠山, 劉景輝, 逯曉萍, 等. 施用有機(jī)肥提高黑土土壤酶活性、增加細(xì)菌數(shù)量及種類多樣性[J]. 中國土壤與肥料, 2020(4): 50–55.

[9] 魏巍, 許艷麗, 朱琳, 等. 長期施肥對黑土農(nóng)田土壤微生物群落的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(2): 372–380.

[10] 理鵬, 吳建強(qiáng), 沙晨燕, 等. 糞肥和有機(jī)肥施用對稻田土壤微生物群落多樣性影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2020, 41(9): 4262–4272.

[11] Ge G F, Li Z J, Fan F L, et al. Soil biological activity and their seasonal variations in response to long-term application of organic and inorganic fertilizers[J]. Plant and Soil, 2009, 326(1/2): 31–44.

[12] Tong L H, Zhu L, Lv Y Z, et al. Response of organic carbon fractions and microbial community composition of soil aggregates to long-term fertilizations in an intensive greenhouse system[J]. Journal of Soils and Sediments, 2020, 20(2): 641–652.

[13] 李書田, 劉榮樂, 陜紅. 我國主要畜禽糞便養(yǎng)分含量及變化分析[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(1): 179–184.

[14] 李永平, 史向遠(yuǎn), 周靜, 等. 不同畜禽糞肥對土壤培肥及玉米增產(chǎn)效應(yīng)的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 41(6): 590–593.

[15] 李祥云, 宋朝玉, 王瑞英, 等. 不同畜禽糞肥及不同用量對大蔥生長的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2006(6): 45–47.

[16] 張永峰, 祝延立, 那偉. 施用不同糞肥對土壤理化性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)科技通訊, 2010(8): 55–58.

[17] 陳貴, 張紅梅, 沈亞強(qiáng), 等. 豬糞與牛糞有機(jī)肥對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分利用和土壤肥力的影響[J]. 土壤, 2018, 50(1): 59–65.

[18] 關(guān)松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1986.

[19] Brookes P C, Landman A, Pruden G, et al. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1985, 17(6): 837–842.

[20] Caporaso J G, Kuczynski J, Stombaugh J, et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data[J]. Nature Methods, 2010, 7(5): 335–336.

[21] 董文, 張青, 羅濤, 等. 不同有機(jī)肥連續(xù)施用對土壤質(zhì)量的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2020, 36(28): 106–110.

[22] Brunetti G, Plaza C, Clapp C E, et al. Compositional and functional features of humic acids from organic amendments and amended soils in Minnesota, USA[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(6): 1355–1365.

[23] 周博, 高佳佳, 周建斌. 不同種類有機(jī)肥碳、氮礦化特性研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2012, 18(2): 366–373.

[24] 楊世琦, 韓瑞蕓, 王永生, 等. 豬糞還田對土壤硝態(tài)氮淋失的影響研究——以黃灌區(qū)稻旱輪作制為例[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016, 36(2): 492–499.

[25] 王瑩, 梁勤爽, 楊志敏, 等. 淋溶對畜禽糞便釋放氮磷面源污染物的影響[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 34(1): 92–98.

[26] 劉杏認(rèn), 任建強(qiáng), 劉建玲. 不同氮水平下有機(jī)肥碳氮比對土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康挠绊慬J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2006, 24(4): 30–32.

[27] 魏元茂. 不同碳氮比有機(jī)肥對有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤微生物生物量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)與技術(shù), 2016, 36(21): 23–24, 70.

[28] 王利利, 董民, 張璐, 等. 不同碳氮比有機(jī)肥對有機(jī)農(nóng)業(yè)土壤微生物生物量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(9): 1073–1077.

[29] Hu J L, Lin X G, Wang J H, et al. Microbial functional diversity, metabolic quotient, and invertase activity of a sandy loam soil as affected by long-term application of organic amendment and mineral fertilizer[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11(2): 271–280.

[30] Chaudhry V, Rehman A, Mishra A, et al. Changes in bacterial community structure of agricultural land due to long-term organic and chemical amendments[J]. Microbial Ecology, 2012, 64(2): 450–460.

[31] Kerney K R, Schuerger A C. Survival ofendospores on ultraviolet-irradiated rover wheels and Mars regolith under simulated Martian conditions[J]. Astrobiology, 2011, 11(5): 477–485.

[32] Bhatti A A, Haq S, Bhat R A. Actinomycetes benefaction role in soil and plant health[J]. Microbial Pathogenesis, 2017, 111: 458–467.

[33] Calleja-Cervantes M E, Menéndez S, Fernández-González A J, et al. Changes in soil nutrient content and bacterial community after 12 years of organic amendment application to a vineyard[J]. European Journal of Soil Science, 2015, 66(4): 802–812.

[34] 張文斯, 何敏, 谷立新, 等. 宏基因組學(xué)分析研究硝化螺旋菌門趨磁細(xì)菌的環(huán)境功能[C]. 2017中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會, 北京, 2017.

[35] 王光華, 劉俊杰, 于鎮(zhèn)華, 等. 土壤酸桿菌門細(xì)菌生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展[J]. 生物技術(shù)通報(bào), 2016, 32(2): 14–20.

Effects of Different Manures on Soil Enzyme Activity and Microbial Community

ZHANG Ying, WU Shuxia*, LEI Qiuliang, ZHAI Limei, WANG Hongyuan, LI Hao, YANG Bo, LIU Hongbin

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China)

The application of livestock and poultry manures to the field as organic fertilizers can maintain and improve soil fertility, which is beneficial to the sustainable development of agriculture. In order to clarify the effects of different manures on soil biological properties, a field experiment was conducted in Ulanqab of Inner Mongolia, including four treatments of chemical fertilizer (F), goat manure (GM), pig manure (PM) and cow manure (CM), soil nutrients, enzyme activities and microbial communities were determined under the different treatments. The results show that, compared with F, application of manures trends to insignificantly increase the contents of soil nutrients such as organic matter, total nitrogen, available phosphorus and ammonium nitrogen. The highest increase rates of soil urease, invertase, alkaline phosphatase and catalase activities under different manures are 32.4%, 150.4%, 26.8% and 30.1%, respectively. Soil microbial biomass carbon and nitrogen under cow manure are significantly increased by 33.2% and 33.4%, respectively. The dominant populations are relatively consistent at the phyla level of bacteria under different treatments, which are Actinobacteria, Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi and Firmicutes. Under the experimental conditions, different manures have different effects on soil nutrients and enzyme activities, cow manure can improve soil microbial biomass carbon and nitrogen, the short-term application of different manures has no significant effect on the diversity of soil microbial communities, soil pH, available phosphorus, and ammonium nitrogen are the main environmental factors that affect the structure of soil microbial community.

Goatmanure; Pig manure; Cow manure; Soil enzyme activity; Soil microbial community

S158.2；S154.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.06.011

張英, 武淑霞, 雷秋良, 等. 不同類型糞肥還田對土壤酶活性及微生物群落的影響. 土壤, 2022, 54(6): 1175–1184.

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1610132021028)、國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目(U20A20114)和泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程項(xiàng)目(LJNY202125)資助。

通訊作者(wushuxia@caas.cn)

張英(1994—)，女，河南鄲城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染防控。E-mail: 1733079188@qq.com