王娟娟,朱紫娟,錢曉晴,王桂良
(揚(yáng)州大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225007)
秸稈還田不僅能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用,還可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累、改善土壤微生物環(huán)境,維持土壤可持續(xù)發(fā)展[1-2]。土壤微生物在維持農(nóng)田土壤健康、生產(chǎn)力及其可持續(xù)性等方面具有非常重要的作用。細(xì)菌是土壤微生物中含量最多、豐富度最高的類群,其群落結(jié)構(gòu)的變化將顯著影響土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程。因此,土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)是反映農(nóng)田土壤肥力狀況的重要指標(biāo)之一[3]。
長(zhǎng)期施用化肥的農(nóng)田土壤細(xì)菌多樣性和數(shù)量均顯著降低,群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化[4]。而秸稈還田在改變農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的同時(shí),也會(huì)改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。近年來(lái),隨著我國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展,秸稈還田被認(rèn)為是維持土壤肥力、實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)增效、防止農(nóng)業(yè)面源污染的重要措施[5-7]。李錄久等[8]研究表明水稻氮肥運(yùn)籌配合實(shí)施小麥秸稈直接還田,稻田土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量都明顯提高,土壤CEC和pH增大,其酸化程度減輕。劉驍蒨等[9]認(rèn)為秸稈覆蓋還田配施適量的氮磷鉀肥能顯著提高稻田土壤微生物生物量碳、氮和土壤的細(xì)菌多樣性。其他研究同樣表明,秸稈還田施用氮肥可顯著增加土壤養(yǎng)分含量,增強(qiáng)土壤酶活性,且有利于土壤細(xì)菌群落多樣性和穩(wěn)定性的提高,改善土壤微生物環(huán)境,實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)增效[10]。
前人的這些研究多集中在某一季作物秸稈還田對(duì)當(dāng)季土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的研究,而秸稈還田后在土壤中經(jīng)微生物分解礦化是個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程,有必要在全年尺度探討其對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響。另外,這些研究大多采用的是培養(yǎng)法、變性梯度凝膠電泳和磷脂脂肪酸分析等傳統(tǒng)方法,工作量大且獲得的信息量少。因此,本研究采用Illumina高通量測(cè)序技術(shù),探討在全年尺度下稻麥輪作系統(tǒng)中稻、麥秸稈全量還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響,以探討稻麥輪作系統(tǒng)中秸稈全量還田在改善土壤生態(tài)環(huán)境方面的可行性,為推行秸稈全量還田、實(shí)現(xiàn)培肥土壤和藏糧于地提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)于2019~2020年在江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(32°30′N,119°25′E)進(jìn)行,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年均氣溫14.5 ℃,年均降水量1000 mm,年均日照時(shí)數(shù)2300 h。土壤質(zhì)地為砂壤土,含有機(jī)質(zhì)22.85 g/kg、堿解氮115.16 mg/kg、有效磷49.43 mg/kg、速效鉀72.72 mg/kg。供試水稻品種是淮稻H5,小麥品種是揚(yáng)麥16。
試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理(圖1):全年稻和麥秸稈均不還田(CK)、小麥季稻秸稈還田(W-RS)、水稻季麥秸稈還田(R-WS)、全年稻和麥秸稈全量還田(RWS)。各小區(qū)人工收割,留茬約10 cm,秸稈還田處理中植株脫粒后通過(guò)秸稈粉碎機(jī)粉碎為5~10 cm的小段,全部均勻施入小區(qū)內(nèi),利用小型旋耕機(jī)將秸稈旋耕入土0~15 cm。秸稈不還田處理中植株脫粒后的秸稈不還田,小區(qū)同樣進(jìn)行旋耕。參考當(dāng)?shù)赝扑]施肥量,水稻施氮240 kg/hm2,分基肥、分蘗肥、促花肥施用,比例為5∶2∶3;小麥?zhǔn)┑?10 kg/hm2,分基肥、拔節(jié)肥施用,比例為4∶6。磷、鉀肥均為90 kg/hm2,作基肥一次性施入。氮、磷、鉀肥分別為尿素(N 46.4%)、過(guò)磷酸鈣(P2O513.5%)、氯化鉀(K2O 63%)。各處理隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次,小區(qū)面積25 m2,小區(qū)之間筑田埂并用塑料薄膜覆蓋,以防肥水串灌。其他田間管理按當(dāng)?shù)爻R?guī)方法進(jìn)行。
圖1 試驗(yàn)處理描述的示意圖
在 水 稻 收 獲 前1 d(2020年10月30日),用直徑約為5 cm的土鉆采集0~5、5~10和10~15 cm耕層土壤,每個(gè)小區(qū)按照“S”形15點(diǎn)取樣,每個(gè)土層混合成1個(gè)土壤樣品,剔除其中的植物殘?bào)w或石礫等雜質(zhì),裝入滅菌自封袋暫存于冷凍保溫箱中,迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。將每份土壤樣品分為2份,一份經(jīng)風(fēng)干后用于測(cè)定土壤理化性質(zhì),包括pH、EC及有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量,測(cè)定方法參照鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[11]。
另一份于-80℃保存,用于土壤DNA的提取。土壤DNA采用Power soilTMDNA試劑盒(MoBio Laboratories,Solana Beach,CA)進(jìn)行提取,每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)。提取后的土壤DNA,采用16S rRNA基因V3~V4區(qū)通用引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAGF-3);806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAATR-3’),目標(biāo)片段長(zhǎng)度為468 bp。進(jìn)行PCR擴(kuò)增,后續(xù)文庫(kù)構(gòu)建、Miseq測(cè)序、序列拼接均在上海美吉生物醫(yī)藥有限公司的Illumina MiSeq PE300測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行[12]。
樣品理化性質(zhì)方面采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)、繪制圖表。采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)間多重比較(LSD法)和相關(guān)性分析。
高通量數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析在美吉平臺(tái)生物云(http://www.i-sanger.com)進(jìn)行。根據(jù)序列的相似度,將有效序列聚類為OTU(97%相似度)。采用細(xì)菌16S rRNA對(duì)比庫(kù)Silva(Release132,http://www.arb-silva.de)對(duì)各OTU進(jìn)行物種注釋。獲得各樣本的細(xì)菌分類學(xué)信息,及各個(gè)分類水平上的群落物種組成。根據(jù)樣品門水平上物種注釋及豐富度繪制群落柱圖,并計(jì)算細(xì)菌多樣性,獲得相關(guān)指數(shù)。根據(jù)土壤細(xì)菌群落各菌門相對(duì)豐度值,采用單因素方差分析,分析不同樣本間門水平上物種豐度差異的顯著性,獲得樣本間顯著性差異物種。各樣品的細(xì)菌群落多樣性比較采用student’s T test方法。為避免多重共線性采用方差膨脹因子VIF等檢驗(yàn),逐步剔除VIF大于10的變量。最后用冗余分析計(jì)算理化性質(zhì)、樣品細(xì)菌群落組成分布及主要OTU之間關(guān)系的相關(guān)性。
各土層都表明秸稈還田處理土壤含水率較高(表1),0~15 cm土層CK處理土壤平均含水率為24.79%;W-RS和R-WS處理間差異不顯著,平均為25.69%;RWS處理最高,為27.29%。土壤含水率隨土層加深有下降趨勢(shì)。0~5 cm土層R-WS和RWS處理有機(jī)質(zhì)含量平均為28.45 g/kg,顯著高于CK和W-RS處理;5~10 cm土層RWS處理顯著高于其他各處理;10~15 cm土層各處理間差異不顯著,平均為23.17 g/kg。土壤有機(jī)質(zhì)隨土層加深有下降的趨勢(shì)。pH在各處理間差異不顯著,0~15 cm土層土壤pH平均為6.81。與CK處理相比,秸稈還田各處理土壤EC都有所增加,W-RS、R-WS、RWS處理間無(wú)顯著差異。
表1 秸稈還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)的影響
秸稈還田處理土壤全氮含量較高,0~15 cm土層CK和W-RS處理土壤全氮含量分別平均為1.16和1.18 mg/kg,R-WS處理為1.26 mg/kg,RWS處理最高,為1.37 mg/kg。各土層土壤全磷含量都以RWS處理最高,0~15 cm土層平均為1.96mg/kg,CK處理最低,為1.46 mg/kg。秸稈還田提高了土壤堿解氮含量,各土層R-WS和RWS處理堿解氮含量都顯著高于CK處理,W-RS與CK處理差異不顯著,平均為81.26 mg/kg。各土層RWS處理土壤有效磷含量最高,0~15 cm土層W-RS和R-WS處理間差異不顯著,平均為84.66 mg/kg。各土層速效鉀含量以R-WS和RWS處理最高,平均為132.47 mg/kg,CK和W-RS處理間差異不顯著,平均為117.59 mg/kg??傮w而言,隨土層加深,氮磷鉀各指標(biāo)含量都有下降趨勢(shì),秸稈還田各處理都較CK處理有所增加,其中RWS處理較高。
對(duì)土壤樣品測(cè)序結(jié)果進(jìn)行分析,共獲得有效序列1278919個(gè),平均長(zhǎng)度為440 bp。按最小樣品數(shù)時(shí)行序列抽平,基于97%相似度的聚類分析得到5970個(gè)OTU,分別代表49個(gè)細(xì)菌門、135綱、424科和725屬。對(duì)不同處理土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行Alpha多樣性分析(表2),表征群落豐富度的Sobs和Chao指數(shù)具有相似的變化規(guī)律,0~5 cm土層秸稈還田土壤細(xì)菌豐富度略低,5~10 cm土層除RWS處理其他處理豐富度均有所下降,10~15 cm土層W-RS處理的Sobs和Chao指數(shù)略有下降。但是各處理間豐富度指數(shù)差異并不顯著。群落多樣性Shannon和Simpson指數(shù)在各處理間無(wú)顯著性差異??梢?jiàn),本試驗(yàn)中秸稈還田處理對(duì)稻田土壤細(xì)菌群落多樣性無(wú)顯著性差異。
表2 不同秸稈還田處理中土壤細(xì)菌α 多樣性變化
圖2為門水平上各處理土壤的細(xì)菌群落組成,其他(others)為相對(duì)豐度小于1%的菌門。各處理主要優(yōu)勢(shì)菌門包括變形菌門(Proteobacteria)(38.9%)、酸桿菌門(Acidobacteria)(17.0%)、綠彎菌門(Chloroflexi)(14.1%)、擬桿菌門(Bacteroidetes)(5.3%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)(4.2%)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)(3.6%)、放線菌門(Actinobacteria)(2.2%)、Parcubacteria(2.2%),共占總序列的87.5%。變形菌門在所有處理中相對(duì)豐度最大,R-WS處理在0~5 cm土層最高,而在5~10、10~15 cm土層則最低。居于第二的酸桿菌門在各處理土壤的分布趨勢(shì)則與變形菌門相反。在0~5 cm土層,各處理之間細(xì)菌門相對(duì)豐度并沒(méi)有顯著差異;5~10與10~15 cm分別只有綠彎菌門(Chloroflexi)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)存在顯著差異。
圖2 不同秸稈處理土壤門水平上細(xì)菌群落組成
細(xì)菌科水平上的前三位優(yōu)勢(shì)菌為酸桿菌(Acidobacteria)、厭氧繩菌科(Anaerolineaceae)和芽單胞菌科(Gemmatimonadaceae)(圖3),在各處理中平均相對(duì)豐度分別為8.63%、7.08%和3.66%。在0~5 cm表層土壤中,各細(xì)菌科所占相對(duì)豐度略有差異,但沒(méi)有達(dá)到顯著性差異。而在5~10 cm土層,嗜氫菌科(Hydrogenophilaceae)在CK處理中占比為4.06%,秸稈還田各處理顯著降低,平均為2.12%。在10~15 cm土層,達(dá)到顯著差異的細(xì)菌科有硝化螺旋菌科(Nitrospira,P=0.027)、嗜氫菌科(Hyrogenophilaceae,P=0.027)、Acidiferrobacteraceae(P=0.018)和嘉利翁氏菌科(Gallionelaceae)(P=0.007)。與CK處理相比,秸稈還田各處理這幾類細(xì)菌的相對(duì)豐度都顯著下降。此外,鐵氧化菌嘉利翁氏菌科(Gallionellaceae)只存在于5~10和10~15 cm土壤中。
圖3 不同秸稈處理土壤在科水平上細(xì)菌群落組成
對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行VIF分析,篩選剔除VIF值大于10的環(huán)境因子。0~5 cm土層剔除pH(VIF=13.28);5~10 cm剔除EC(VIF=15.38)、TN(VIF=14.12);10~15 cm剔除pH(VIF=32.79)、EC(VIF=45.81),再采用冗余分析方法來(lái)探討其他土壤理化性質(zhì)與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系(圖4)??傮w而言,CK與各秸稈還田處理的樣品分布點(diǎn)并沒(méi)有顯著地分隔開(kāi),說(shuō)明秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌群體結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生顯著的影響。0~5 cm土層,前兩個(gè)主軸可以解釋各處理土壤細(xì)菌群落組成變異的84.14%(RDA1=73.06%,RDA2=11.08%)。土壤有機(jī)質(zhì)、總氮含量和含水率對(duì)細(xì)菌群落組成的影響較大;RWS處理與CK和W-RS處理相聚較遠(yuǎn),說(shuō)明全年秸稈還田可能會(huì)影響0~5 cm土層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。5~10 cm土層,前兩主軸可以解釋79.42%的細(xì)菌群落總變異,對(duì)細(xì)菌群落組成影響最大的土壤因子為全磷含量和含水率;土壤磷養(yǎng)分狀況是R-WS和RWS秸稈還田處理土壤細(xì)菌群體結(jié)構(gòu)的主要影響因素。影響10~15 cm土層細(xì)菌群落組成的主要理化性質(zhì)包括含水率和土壤有效鉀含量。綜合所有樣本,土壤含水率及有機(jī)質(zhì)、總磷和總氮含量是影響各土層細(xì)菌多樣性的主要理化性質(zhì)。
圖4 基于門水平細(xì)菌群落組成與土壤理化性質(zhì)的冗余分析
進(jìn)一步對(duì)土壤樣品中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析(圖5)。橫向?yàn)榄h(huán)境因子信息,縱向?yàn)槲锓N信息,中間熱圖對(duì)應(yīng)的值為Spearman相關(guān)系數(shù)r,介于-1~1之間,r<0為負(fù)相關(guān),*表 示P<0.05,**表 示P<0.01,***表 示P<0.001。相對(duì)豐度前10位的菌門中酸桿菌門(Acidobacteria)與土壤含水率呈顯著負(fù)相關(guān);擬桿菌門(Bacteroidetes)分別與含水率、EC及土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和堿解氮含量呈正相關(guān),除EC之外,其他都達(dá)到極顯著水平;硝化螺旋菌門(Nitrospirae)則與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān),與全磷和有效磷含量呈正相關(guān)。在科水平上,Saccharibacteria與土壤含水率及全氮、速效鉀和堿解氮含量都呈顯著正相關(guān)。
圖5 土壤樣品中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門與環(huán)境因子的相關(guān)性分析熱圖
本研究表明,秸稈還田各處理土壤含水率和有機(jī)質(zhì)含量都有所增加(表1),特別是0~5 cm土層土壤各處理間差異顯著。其主要原因可能是,在常規(guī)耕作方式下,粉碎的秸稈還田后主要集中在表層土壤中,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加,同時(shí)增加土壤的保水能力,提高土壤含水率。類似結(jié)果也表明秸稈還田顯著增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量,且隨土層深度的增加秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響逐漸減?。?3]。與秸稈不還田處理相比,秸稈還田各處理顯著增加土壤電導(dǎo)率,其主要原因可能是秸稈還田后釋放出更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加溶液中鹽類含量,從而使土壤溶液的離子濃度增大[14]。秸稈還田各處理增加各土層土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。秸稈中的氮磷鉀養(yǎng)分分解轉(zhuǎn)化速率相對(duì)無(wú)機(jī)養(yǎng)分較慢,有利于土壤養(yǎng)分庫(kù)的累積,從而提高了收獲期土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量[15-16]。另外,秸稈還田改善土壤理化性質(zhì)及微生物環(huán)境,促進(jìn)化學(xué)養(yǎng)分的固定,減少養(yǎng)分損失[17-18]。本研究結(jié)果表明,與CK處理相比,小麥季稻秸稈還田處理同樣增加水稻收獲期土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量,主要原因可能是小麥季秸稈還田后在土壤中經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間礦化分解,有利于土壤微生物環(huán)境的改善和增強(qiáng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu),從而促進(jìn)對(duì)土壤速效養(yǎng)分的吸附與固持,其作用一直持續(xù)到下季水稻收獲期[19-20]。
通過(guò)改變耕作措施干擾土壤微生物環(huán)境的穩(wěn)定性,施肥量及其種類都會(huì)影響土壤微生物的多樣性[21]。孫瑞波等[22]通過(guò)研究長(zhǎng)期秸稈還田與使用化肥對(duì)稻田土壤微生物生物量的影響,表明秸稈還田雖然有利于土壤肥力的提高,但并未對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性產(chǎn)生顯著影響。本研究同樣表明秸稈還田后土壤的細(xì)菌Sobs和Shannon指數(shù)與全年秸稈不還田處理之間差異不顯著。各處理中變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)是細(xì)菌群落的前三位優(yōu)勢(shì)菌門(圖2),這與其他研究結(jié)果基本一致[23-24]。整體而言,各處理之間存在顯著差異菌門的相對(duì)豐度幾乎都小于0.5%。然而,目前大多研究主要集中在相對(duì)豐度較大的菌門,對(duì)這些秸稈還田后存在顯著差異的稀有菌門的深入研究可能有助于進(jìn)一步了解秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理。
土壤是微生物的重要棲息地,一方面直接為微生物的繁殖與生長(zhǎng)提供必需的土壤環(huán)境條件,另一方面通過(guò)影響植物的根系分泌物從而間接地影響微生物群落結(jié)構(gòu)[25]。大量研究表明,土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有重要作用,其中pH是影響土壤細(xì)菌群落變化的關(guān)鍵因子[26-28]。但本研究中各秸稈還田處理并不顯著影響土壤pH,因此,在細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)冗余分析中表明pH并不是秸稈還田措施下顯著影響土壤細(xì)菌群落變化的理化性質(zhì)(圖4)。0~5 cm土層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與其他的研究結(jié)果相似[29-31]。其主要原因可能是秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,為土壤微生物提供重要的能量來(lái)源,促進(jìn)土著優(yōu)勢(shì)種群的生長(zhǎng)繁殖,而不利于一些非優(yōu)勢(shì)種群及對(duì)環(huán)境變化敏感種群微生物生長(zhǎng)與豐度增加。5~10 cm土層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與全磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他研究結(jié)果相似[31-32],其主要原因是秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,主要通過(guò)改變土壤理化性狀來(lái)調(diào)控細(xì)菌群落組成。本研究中,當(dāng)其他養(yǎng)分供應(yīng)充足時(shí),磷可能是成為微生物量的限制因子,因此土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受土壤供磷水平的影響。10~15 cm土層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤含水率、堿解氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,其主要原因可能是土壤堿解氮累積越多,反而不利于土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的變化[30,33-34]。因此,通過(guò)優(yōu)化施肥,在滿足作物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分需求的同時(shí),盡可能減少養(yǎng)分在土壤中的累積量,有利于改善土壤微生物環(huán)境,培肥土壤,促進(jìn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。
與全年秸稈不還田相比,秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀養(yǎng)分含量;全年或水稻當(dāng)季秸稈還田更有利于稻田0~5 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分增加。
秸稈還田并沒(méi)有顯著提高土壤細(xì)菌多樣性指數(shù);各處理中前三位優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi),分別占總序列的38.9%、17.0%、14.1%;各處理間存在顯著差異的菌門主要集中在相對(duì)豐度小于0.5%的稀有菌門。
總體而言,土壤含水率及有機(jī)質(zhì)、總磷和總氮含量是影響各土層細(xì)菌多樣性的主要理化性質(zhì)。