有機(jī)肥和化肥配施對(duì)小麥甘薯輪作土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

張偉彬

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘 476000)

腐殖質(zhì)一般占土壤有機(jī)質(zhì)的70%～90%，大部分與土壤礦物質(zhì)顆粒結(jié)合形成復(fù)合體，能夠通過改善土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)特性而提高土壤的自我修復(fù)與吸附能力，在土壤養(yǎng)分供應(yīng)以及土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)建方面發(fā)揮重要作用。按照與礦物質(zhì)顆粒的結(jié)合方式和緊密程度不同，腐殖質(zhì)劃分為聯(lián)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)、松結(jié)態(tài)4種結(jié)合形態(tài)，腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)比例的不同會(huì)影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)以及結(jié)構(gòu)特征。

農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)腐殖質(zhì)組分的變化受自然因素和人為管理活動(dòng)的影響較大。研究土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分比例的變化是揭示不同施肥措施對(duì)土壤碳循環(huán)轉(zhuǎn)化影響的重要途徑。有研究表明，人為管理活動(dòng)對(duì)土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分含量變化均有一定的影響。長(zhǎng)期過量單施化肥會(huì)造成土壤有機(jī)碳、腐殖質(zhì)含量減少，加重土壤酸化，而化肥配施有機(jī)肥不僅有利于土壤有機(jī)碳與腐殖質(zhì)含量的積累，還能促進(jìn)土壤腐殖化，改善土壤微生態(tài)環(huán)境。目前，有關(guān)有機(jī)物料還田對(duì)土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分含量影響的研究報(bào)道有很多。但土壤有機(jī)碳及腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)受土壤類型、氣候等因素的影響較大，還與外源有機(jī)物的投入密切相關(guān)，且不同植物根系分泌物及殘留物均有所不同，對(duì)土壤微生物群落代謝活動(dòng)、腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的影響也不盡相同。本研究設(shè)置不施肥、單施化肥、單施生物有機(jī)肥、化肥配施有機(jī)肥、單施牛糞、化肥配施牛糞6個(gè)處理，研究化肥與不同有機(jī)肥配施條件下土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化并探討其關(guān)聯(lián)性，旨在找到適宜的施肥模式，為麥?zhǔn)硖锖侠硎┓侍峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年10月至2021年6月在商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)示范基地附近(116°15′E，39°28′N)進(jìn)行。試驗(yàn)所在地年降水量650 mm，年平均氣溫14.2 ℃，全年積溫(≥0 ℃)為4 500～5 500 ℃·d，無(wú)霜期210 d，年日照時(shí)長(zhǎng)2 200 h。供試土壤為黃潮土，質(zhì)地為沙壤，基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為：全氮 0.75 g/kg、全磷 0.62 g/kg、有機(jī)質(zhì)8.92 g/kg、堿解氮58.31 mg/kg、速效磷46.82 mg/kg、速效鉀128.22 mg/kg，pH值8.11。試驗(yàn)地常年輪作種植小麥、甘薯。

1.2 供試材料

小麥品種：周麥18(周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院)；甘薯品種：商薯19(商丘市農(nóng)林科學(xué)院)；牛糞，由牛糞與小麥秸稈等腐熟而成，含有機(jī)質(zhì)36.5%，含N 2.35%、PO1.26%、KO 0.75%，購(gòu)于農(nóng)戶；生物有機(jī)肥，含有機(jī)質(zhì)32.2%，含N 3.85%、PO2.12%、KO 1.15%，有效活菌數(shù)≥0.2億 CFU/g，河北中創(chuàng)豐農(nóng)生物有效公司；化肥，含N 46.3%、PO24.2%、KO≥50%，市售。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，于2018年小麥季開始，設(shè)不施肥(CK)、單施化肥(T1)、單施生物有機(jī)肥(T2)、50%化肥與50%生物有機(jī)肥配施(T3)、單施牛糞(T4)、50%化肥與50%牛糞配施(T5)6個(gè)處理，重復(fù)3次，小區(qū)面積40 m。小麥生育期為10月15日至次年6月8日，播種量為 300 kg/hm；甘薯生育期為6月15日至10月10日，種植密度為52 500株/hm，株行距 27 cm×80 cm。單施化肥用量為純N 210 kg/hm、PO150 kg/hm、KO 150 kg/hm；單施牛糞用量為 22 500 kg/hm；單施生物有機(jī)肥用量為 1 800 kg/hm；小麥季與甘薯季施肥量相同，其中小麥季磷肥、鉀肥、牛糞、生物有機(jī)肥作為基肥在旋地前施入，70%氮肥作為基肥，30%氮肥作為追肥在小麥拔節(jié)期至抽穗期施入，甘薯季均作為基肥一次性施入。其他田間管理措施均同當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣一致。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)處理及肥料用量 kg/hm2

1.4 土壤取樣與分析方法

于2021年6月1日利用5點(diǎn)取樣法采集耕作層(0～20 cm)土壤樣品，然后通過低溫儲(chǔ)存盒帶回實(shí)驗(yàn)室，揀出根系、碎石等雜物，過2 mm 網(wǎng)篩后，分為2個(gè)部分。一部分保存在-40 ℃冰箱，用來測(cè)定土壤微生物結(jié)構(gòu)；另一部分自然陰干，用來測(cè)定土壤腐殖質(zhì)組成。

腐殖質(zhì)測(cè)定采用結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)分組法，具體操作步驟參照李建明等的方法；微生物結(jié)構(gòu)采用磷脂脂肪酸法，按照Bardgett等的提取方法，將提取的樣品通過氣相色譜儀利用脂肪酸鑒定系統(tǒng)來分析。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Office WPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，利用SPSS 17.0進(jìn)行不同處理間多重比較(法)，利用Canoco 5.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.2 不同施肥措施對(duì)土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)的影響

由表2可知，不同施肥措施條件下，各處理土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)發(fā)生較大的變化。與CK處理相比，不同施肥處理的腐殖質(zhì)含量均有不同程度的提高，其中除T1處理腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)含量與CK處理相比均無(wú)顯著差異外，其他處理均顯著提高。與CK處理相比，配施有機(jī)肥處理的松結(jié)態(tài)含量顯著提高0.62～1.33倍，其中T3處理含量最高，且顯著高于T2處理；配施有機(jī)肥處理的聯(lián)結(jié)態(tài)含量顯著提高0.68～1.25倍，其中T3處理含量顯著高于T2、T4、T5處理；配施有機(jī)肥處理的穩(wěn)結(jié)態(tài)含量顯著提高1.06～2.06倍，其中T3處理含量顯著高于T2、T5處理；配施有機(jī)肥處理的緊結(jié)態(tài)含量顯著提高0.03～0.19倍，其中T3處理含量顯著高于T2、T5處理。

表2 不同處理土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)含量

2.2 不同施肥措施對(duì)土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)組成的影響

由表3可知，不同施肥措施條件下土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的胡敏酸、富里酸含量以及胡富比(H/F)表現(xiàn)出不同的變化。與CK處理相比，不同施肥處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的胡敏酸、富里酸含量以及胡富比均有不同程度的提高，其中胡敏酸含量分別提高20.83%～175.00%，富里酸含量分別提高7.14%～96.43%， 除T1處理不顯著外，其他處理胡敏酸、富里酸含量均顯著提高。而配施有機(jī)肥處理的胡敏酸、富里酸含量也存在較大的差異，其中T3處理胡敏酸含量較T2、T5處理分別顯著提高53.49%、43.48%，T3處理富里酸含量較T2、T5處理分別顯著提高34.15%、25.00%，與T4處理均無(wú)顯著差異。H/F比值總體表現(xiàn)為T3處理>T4處理>T2處理>T5處理>T1處理>CK處理，T3處理顯著高于除T4處理外的其他處理。

表3 不同處理土壤松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)組成

2.3 不同施肥措施對(duì)土壤聯(lián)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)組成的影響

由表4可知，不同施肥處理聯(lián)結(jié)態(tài)的胡敏酸、富里酸含量較CK處理分別提高25.93%～174.07%、45.45%～84.85%，T1處理的胡敏酸、富里酸含量與CK處理相比均無(wú)顯著差異，T2、T3、T4、T5處理均顯著提高。而在所有配施有機(jī)肥處理中，T3處理的胡敏酸含量較T2、T4、T5處理分別顯著提高42.31%、19.35%、37.04%，T2、T4、T5處理之間均無(wú)顯著差異；T3處理的富里酸含量較T2、T4、T5處理分別提高27.08%、15.09%、21.57%，顯著高于T2、T5處理，T2、T4、T5處理之間均無(wú)顯著差異。H/F比值總體表現(xiàn)為T3處理>T4處理>T2處理=T5處理>T1處理>CK處理，T3處理顯著高于T1、CK處理，T2、T4、T5處理也顯著高于CK處理，但與T1處理均無(wú)顯著差異。

表4 不同處理土壤聯(lián)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)組成

2.4 不同施肥措施對(duì)土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)組成的影響

由表5可知，不同施肥處理穩(wěn)結(jié)態(tài)的胡敏酸、富里酸含量及H/F比值差異顯著。胡敏酸含量總體表現(xiàn)為 T3>T4>T5>T2>T1>CK，其中T3處理較其他處理顯著提高18.18%～271.43%，CK、T1處理顯著最低，T4處理顯著高于T2、T5處理；富里酸含量總體表現(xiàn)為T3>T4>T5>T2>T1>CK，其中T3處理較其他處理顯著提高13.51%～162.50%，CK、T1處理最低，T2、T4、T5處理之間均無(wú)顯著差異；H/F比值總體表現(xiàn)為T3>T4>T2>T5>T1>CK，其中T3較其他處理顯著提高0.81%～42.53%，T3、T4處理顯著高于CK處理，其他處理間均無(wú)顯著差異。

表5 不同處理土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)組成

2.5 不同施肥措施對(duì)土壤腐殖質(zhì)胡敏酸E4/E6的影響

由圖1可知，不同施肥措施條件下土壤腐殖質(zhì)胡敏酸E4/E6的光密度比值差異較大。與CK處理相比，不同施肥處理的E4/E6比值表現(xiàn)出不同的變化，其中T1處理E4/E6比值提高，較CK處理提高0.49%，其他施肥處理的E4/E6比值均降低，T3處理E4/E6比值最低，較CK處理降低4.16%，但均無(wú)顯著差異。而所有配施有機(jī)肥處理的土壤腐殖質(zhì)E4/E6比值較T1處理均有不同程度的降低，但均無(wú)顯著差異。胡敏酸E4/E6比值總體表現(xiàn)為T1>CK>T5>T2>T4>T3。

2.6 不同施肥措施對(duì)土壤微生物群落磷脂脂肪酸的影響

由表6可知，不同施肥措施條件下以磷脂脂肪酸含量為表征的土壤微生物主要類群結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化。與CK處理相比，T2、T3、T4、T5處理的細(xì)菌、放線菌、總菌落生物量均有不同程度的提高，真菌生物量下降，其中細(xì)菌、放線菌、總菌落生物量較CK處理分別提高13.50%～35.71%、18.91%～46.00%、10.35%～22.53%。除T2處理總菌落數(shù)無(wú)顯著差異外，其他處理指標(biāo)均顯著提高，真菌生物量分別下降5.63%～22.14%，但均無(wú)顯著差異。T1處理的細(xì)菌、真菌、放線菌、總菌落生物量與CK處理相比均無(wú)顯著差異。而在所有配施有機(jī)肥處理中，T3處理的細(xì)菌、放線菌、總菌落生物量以及革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌比值、細(xì)菌/真菌比值均最高，真菌生物量最低，其中細(xì)菌、總菌落生物量、革蘭氏陽(yáng)性菌/陰性菌比值較T2處理顯著提高17.50%、11.03%、25.00%，放線菌生物量和細(xì)菌/真菌比值較T2、T5處理分別顯著提高22.78%、14.88%和38.69%、33.98%，其他處理指標(biāo)均無(wú)顯著差異，真菌生物量也無(wú)顯著差異。

表6 不同處理土壤微生物磷脂脂肪酸含量

2.7 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)、組成間的多元分析

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)RDA分析結(jié)果表明，第1、第2排序軸能夠在累積變量74.19%上解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)之間的關(guān)系(圖2-A)。各處理空間位置比較分散，說明不同施肥措施條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化對(duì)腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。其中土壤細(xì)菌、放線菌、總菌落與腐殖質(zhì)不同結(jié)合形態(tài)均呈正相關(guān)，土壤真菌正好相反，與腐殖質(zhì)不同結(jié)合形態(tài)均呈負(fù)相關(guān)，其中穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)(65.4%)為主要驅(qū)動(dòng)因子。說明土壤外源穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的攝入有利于提高土壤細(xì)菌、放線菌、總菌落生物量以及革蘭氏陽(yáng)性菌/陰性菌、細(xì)菌/真菌比值，能夠較明顯地降低真菌生物量。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤腐殖質(zhì)組成間的RDA分析結(jié)果表明，第1、第2排序軸能夠在累積變量72.16%上解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與腐殖質(zhì)組成間的關(guān)系(圖2-B)。其中土壤細(xì)菌、放線菌、總菌落、革蘭氏陽(yáng)性菌/陰性菌、細(xì)菌/真菌比值與土壤腐殖質(zhì)胡敏酸、富里酸以及胡敏酸/富里酸比值呈正相關(guān)關(guān)系，與胡敏酸E4/E6比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤真菌與土壤腐殖質(zhì)胡敏酸E4/E6比值呈正相關(guān)關(guān)系，與胡敏酸、富里酸以及胡敏酸/富里酸比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中胡敏酸(56.34%)為主要驅(qū)動(dòng)因子，說明土壤腐殖質(zhì)胡敏酸含量的提高有利于提高土壤細(xì)菌、放線菌、總菌落生物量以及革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌比值、細(xì)菌/真菌比值，降低真菌生物量。由此可知，不同施肥措施能夠改變土壤腐殖質(zhì)的結(jié)合形態(tài)及組成，而土壤穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和胡敏酸含量與土壤微生物群落的變化有緊密相關(guān)的聯(lián)系。因此，合理的化肥與有機(jī)肥配施比例能夠有效改善土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分，從而提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 討論

土壤腐殖質(zhì)不同結(jié)合形態(tài)對(duì)土壤肥力供應(yīng)及土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)建有較大的影響，其中松結(jié)合腐殖質(zhì)易被土壤微生物分解與轉(zhuǎn)化，能夠影響土壤養(yǎng)分的供給，緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)不易被土壤微生物分解與轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤養(yǎng)分保持與土壤結(jié)構(gòu)改善具有重要的影響。有研究表明，農(nóng)田中配施的有機(jī)物料大部分能夠被土壤微生物分解，未分解部分會(huì)通過腐殖化進(jìn)程轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥措施能夠提高土壤松結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的比例。本研究結(jié)果顯示，與CK處理相比，不同施肥處理的松結(jié)態(tài)、聯(lián)結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)、緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均有不同程度的提高，其中50%化肥與50%生物有機(jī)肥配施處理腐殖質(zhì)不同結(jié)合形態(tài)含量均最高，明顯高于單施化肥或生物有機(jī)肥處理，而50%化肥與50%牛糞配施處理與單施牛糞處理的不同結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量無(wú)顯著差異。同種結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量在不同施肥處理間差異較大，有可能是生物有機(jī)肥及腐解產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的形成有顯著作用，進(jìn)而影響土壤不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的形成，而牛糞與化肥結(jié)合配施有可能抑制有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的形成，從而使得該處理的腐殖質(zhì)含量低于單施化肥處理。

胡敏酸、富里酸是土壤腐殖質(zhì)活躍的化學(xué)物質(zhì)，不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的胡敏酸/富里酸比值與土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)成及供肥能力密切相關(guān)。有研究表明，E4/E6比值越大，表示不同結(jié)合形態(tài)腐殖胡敏酸分子量越小，分子復(fù)雜程度及縮合度越高。本研究結(jié)果顯示，與CK處理相比，各施肥處理的腐殖質(zhì)胡敏酸、富里酸含量以及胡敏酸/富里酸比值均不同程度地升高，E4/E6比值均下降，其中50%化肥與50%生物有機(jī)肥配施處理胡敏酸、富里酸含量以及胡敏酸/富里酸比值均最高，顯著高于單施化肥或生物有機(jī)肥處理，E4/E6比值最低，顯著低于單施化肥或生物有機(jī)肥處理。而50%化肥與50%牛糞配施配施處理與單施牛糞處理的不同結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)胡敏酸、富里酸含量以及胡敏酸/富里酸比值較單施牛糞處理均不同程度地下降、E4/E6比值上升。造成上述差異的原因有可能是不同有機(jī)肥與化肥結(jié)合的差異造成的，也可能是有機(jī)肥適應(yīng)土壤類型不同、分解時(shí)間的差異等因素造成的。由此說明，化肥與生物有機(jī)肥配施有利于不同結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量的積累。

土壤有機(jī)碳、腐殖質(zhì)是影響土壤微生物群落組成的重要環(huán)境因素，長(zhǎng)期添加有機(jī)物可以有效提高土壤微生物活性，改善土壤微生物群落組成。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與單施化肥或不施肥處理相比，配施有機(jī)肥處理能夠提高土壤細(xì)菌、放線菌、總菌落生物量和革蘭氏陽(yáng)性菌/陰性菌、細(xì)菌/真菌比值，降低土壤真菌生物量，其中50%化肥與50%生物有機(jī)肥配施處理表現(xiàn)更加顯著。分析認(rèn)為，不同處理外源有機(jī)物的攝入，能夠?yàn)橥寥牢⑸锘顒?dòng)提供不同種類的碳源，增強(qiáng)土壤微生物碳源代謝利用能力。而化肥與有機(jī)肥配施處理與單施化肥或有機(jī)肥處理間的差異較大，分析認(rèn)為化肥與有機(jī)肥配施，既能夠滿足作物前期對(duì)養(yǎng)分的需求，又能保證后期養(yǎng)分的供應(yīng)，增加養(yǎng)分的利用效率以及土壤微生物活性，提高土壤中有機(jī)質(zhì)與腐殖質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化速率，加速有機(jī)肥的腐殖化進(jìn)程。RDA分析表明，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變受土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分間的影響較大，其中穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)(65.4%)及胡敏酸(56.34%)為主要驅(qū)動(dòng)因子。可見，麥?zhǔn)硖锊煌┓蚀胧┎粌H能夠顯著改變土壤腐殖質(zhì)結(jié)合形態(tài)及組分含量，也能夠明顯影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的組成變化。

4 結(jié)論

麥?zhǔn)硖锊煌┓蚀胧┠軌蜉^大程度地影響土壤腐殖質(zhì)組成、含量以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。與單施化肥或不施肥相比，化肥配施有機(jī)肥或單施有機(jī)肥均能顯著提高土壤不同結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)含量及胡敏酸、富里酸含量，降低胡敏酸/富里酸比值，且能明顯改善土壤微生物群落構(gòu)成，其中50%化肥與50%生物有機(jī)肥配施處理表現(xiàn)更加突出。RDA分析表明，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化與土壤不同結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)及組分含量密切相關(guān)。