鄧巧玲，何俊峰，李繼福，吳啟俠

(長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

鄒家龍

(湖北省荊州市農(nóng)技推廣中心，湖北 荊州 434025)

胡義濤，黃帥

(長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

作物秸稈含有豐富的碳及氮、磷、鉀和中微量營(yíng)養(yǎng)元素，是一種重要的有機(jī)質(zhì)資源[1,2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就秸稈還田對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的影響進(jìn)行了大量研究，基本明確了秸稈還田在提高土壤肥力和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境方面具有積極作用[3～6]。其中，土壤微生物群落多樣性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。研究表明，微生物在土壤生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程中起著重要的驅(qū)動(dòng)作用[7]，能夠促進(jìn)有機(jī)物料的降解和腐殖化，而長(zhǎng)期施用有機(jī)肥亦會(huì)引起農(nóng)田環(huán)境變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物量、種類(lèi)分布和優(yōu)勢(shì)菌落發(fā)生變化以適應(yīng)新的土壤環(huán)境[8]。

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其穩(wěn)定性直接影響土壤的通透性和微生物的生存環(huán)境[9]。劉威等[10]研究發(fā)現(xiàn)，免耕秸稈覆蓋和秸稈翻壓還田均有利于微小團(tuán)聚體向較大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，增加>0.25mm徑級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例。此外，不同粒級(jí)團(tuán)聚體的物理化學(xué)特性以及養(yǎng)分保持和供應(yīng)能力均存在差異，這直接影響其中的微生物生物量、多樣性及功能。王丹等[11]研究表明，秸稈還田顯著改變了2～0.2mm和0.2～0.02mm顆粒組中細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)，而且由團(tuán)聚體粒組自身帶來(lái)的微生物多樣性的變異遠(yuǎn)大于施肥措施引起的變異。Puget等[12]研究表明，大團(tuán)聚體比小團(tuán)聚體含有更多的易分解有機(jī)碳和氮，且大團(tuán)聚體含量與微生物生物量碳、氮含量成極顯著正相關(guān)關(guān)系。稻-麥和稻-油是中國(guó)南方稻田水旱輪作區(qū)主要的輪作制度。近年來(lái)，中國(guó)南方開(kāi)展了不少秸稈還田的研究，而關(guān)于長(zhǎng)期水旱輪作制下秸稈還田對(duì)土壤理化和生物性質(zhì)影響的研究還比較薄弱[13]。因此，本研究以湖北江漢平原7年稻-油輪作定位田間試驗(yàn)的水稻土為研究對(duì)象，采用干濕團(tuán)聚體分析、Biolog生態(tài)微平板法和磷脂脂肪酸法等技術(shù)探究秸稈還田對(duì)油菜季土壤結(jié)構(gòu)和微生物多樣性的影響，以期為水稻-油菜輪作區(qū)秸稈還田技術(shù)應(yīng)用及微生物活性的響應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖北省荊州市荊州區(qū)川店鎮(zhèn)(N 30°33′25″，E 112°4′53″，海拔80m)，為河流沖積物發(fā)育的水稻土，2011年水稻季開(kāi)始進(jìn)行水旱輪作肥效定位試驗(yàn)，采用一年兩熟的中稻-冬油菜輪作模式。試驗(yàn)前耕層(0～20cm)土壤pH 5.97、含有機(jī)質(zhì)26.9g/kg、全氮0.61g/kg、堿解氮107.45mg/kg、有效磷8.1mg/kg和速效鉀164.8mg/kg。土壤質(zhì)地分級(jí)(美國(guó)制)為粉粒61.0%、黏粒35.5%和砂粒3.5%，屬粉質(zhì)黏壤土[14]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選取其中2個(gè)處理[14]，即：(1)NPK(-S)，施用氮磷鉀肥、秸稈不還田；(2)NPK+S(+S)，施用氮磷鉀肥、秸稈還田。各處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20m2，隨機(jī)區(qū)組排列，S表示還田秸稈。水稻和油菜每季的肥料施用量均保持一致，即：N 180kg/hm2、P2O590kg/hm2、K2O 120kg/hm2和B 15kg/hm2。肥料品種有尿素(46% N)、過(guò)磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)和硼砂(11% B)。水稻季氮肥分3次施用，基肥∶蘗肥∶穗肥=2∶1∶1；磷肥和鉀肥在水稻移栽前一次性基施。冬油菜季氮肥分3次施用，基肥∶越冬肥∶蕾薹肥=3∶1∶1；磷、鉀和硼肥一次性基施。本研究截取2016～2017年油菜季相關(guān)數(shù)據(jù)，以研究長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及微生物多樣性的影響。

圖1 2016～2017年油菜季氣溫和降雨量

試驗(yàn)所用水稻和油菜品種均為當(dāng)?shù)刂魍破贩N，分別為鄂科1號(hào)和華油雜15號(hào)。試驗(yàn)期間農(nóng)田月均氣溫和降雨情況如圖1所示。田間生產(chǎn)管理均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門(mén)的推薦措施進(jìn)行，并適時(shí)防治病蟲(chóng)害。

1.3 樣品采集與測(cè)定

2017年5月2日油菜收獲時(shí)，按照S型采集各處理耕層土樣，混勻。將土樣分為2部分，一部分用手輕輕掰成<10mm的小土塊，自然風(fēng)干并剔除其中石塊、根系，用于土壤團(tuán)聚體的測(cè)定；一部分土樣過(guò)2mm篩，-70℃冰箱保存。采用Biolog生態(tài)微平板法(Biolog EcoPlate)測(cè)定土壤微生物群落功能多樣性；采用磷脂脂肪酸分析法(PLFA)測(cè)定微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性。

團(tuán)聚體分級(jí)：將一定重量風(fēng)干土樣通過(guò)孔徑依次為5、2、1、0.5m和0.25mm套篩，分別稱(chēng)重計(jì)算出各級(jí)干篩團(tuán)聚體占土壤總量百分率，并按干篩的比例配成60g風(fēng)干土樣。用Elliott土壤團(tuán)聚體濕篩法[15]獲得不同粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

式中：Wi表示在該尺寸范圍內(nèi)土壤團(tuán)聚體干重占總干重的比例，%；n表示篩子的數(shù)目；Xi表示聚集在每一個(gè)尺寸篩子的平均直徑，mm。

分形維數(shù)(PSD)的計(jì)算公式[16]：

Biolog生態(tài)微平板法：稱(chēng)取5g新鮮土壤于100mL聚乙烯瓶中，加入45mL無(wú)菌去離子水，4℃下充分振蕩60min，靜置3min后用無(wú)菌去離子水配制成10-3土壤懸浮液。用8通道加樣槍吸取土壤懸浮液150μL至ECO板的微孔中，每12h測(cè)定590nm處光度值，直至讀數(shù)穩(wěn)定為止，一般培養(yǎng)240h，利用每孔吸光度值計(jì)算平均光密度值(average well colour development，AWCD)[4]。

磷脂脂肪酸分析法：稱(chēng)取4.0g新鮮土樣，利用Blight/Dyer法通過(guò)氯仿-甲醇-檸檬酸緩沖液(體積比1∶2∶0.8)振蕩提取總脂，經(jīng)硅膠柱層析(CNWBOND Si SPE Cartridge)分離得到磷脂脂肪酸，將得到的磷脂脂肪酸甲脂化，然后采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析磷脂脂肪酸的組成[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS計(jì)算和處理，LSD法檢驗(yàn)P<0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

表1 秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量和通透性的影響如表1所示，與-S處理相比，秸稈還田能夠顯著增加耕層土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，增幅分別為15.2%、23.2%和41.0%，而堿解氮含量差異不顯著。這是由于作物秸稈含有大量的碳和磷、鉀元素，經(jīng)過(guò)多年的還田處理和微生物降解，能夠提高土壤養(yǎng)分的有效性[5]。連續(xù)進(jìn)行秸稈還田還能夠降低耕層土壤容重、增加土壤通氣孔隙度和含水量，但對(duì)總孔隙度和毛管孔隙度沒(méi)有顯著性影響。

2.2 秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響

圖2A表明各處理粒徑團(tuán)聚體含量的分布呈現(xiàn)“兩頭高中間低”的趨勢(shì)，即為：< 0.25mm團(tuán)聚體含量最高；其次為>5mm和0.25～0.5mm。與-S處理相比，+S能夠顯著提高>5mm和0.25～0.5mm粒級(jí)的含量，增幅分別為29.1%和58.3%，這與劉威等[10]、楊如萍等[18]的研究結(jié)果基本相同。同時(shí)，秸稈還田可以明顯增加>0.25mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，這可能是地上部秸稈翻壓還田及地下根系提高土壤養(yǎng)分的同時(shí)，還改善了土壤結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了土壤的團(tuán)聚作用，促進(jìn)土壤中微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[18]。

MWD:土壤平均重量直徑，mm；GMD:土壤平均幾何直徑，mm；PSD:分形維數(shù)。圖2 土壤團(tuán)聚體分布與結(jié)構(gòu)表征

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果(圖2B)顯示-S處理的MWD、GMD和PSD值分別為4.71、1.33和2.79，而+S處理的值則分別依次為5.36、1.64和2.06，處理間MWD和PSD達(dá)到顯著性差異。相關(guān)研究表明，團(tuán)聚體的MWD和GMD值越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力也越強(qiáng)[19]。土壤團(tuán)聚體PSD值的變化規(guī)律與土壤團(tuán)聚體MWD和GMD基本相反。分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)有關(guān)，分形維數(shù)PSD升高，標(biāo)志著土壤中粘粒含量增大，單位質(zhì)量土粒表面積增大，土壤固相對(duì)水分的吸附力增強(qiáng)；另一方面，在土壤孔隙比相同的情況下，PSD越大，毛細(xì)管尺寸越小，毛細(xì)管壓力越大，使得土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越差[20]。因此，秸稈翻壓還田有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，而且隨著試驗(yàn)周期延長(zhǎng)和有機(jī)物料腐殖化，改善效果會(huì)更加明顯[21]。

2.3 秸稈還田對(duì)土壤微生物多樣性的影響

Biolog生態(tài)微平板法中最常用的參數(shù)AWCD是表征土壤微生物群落利用碳源能力強(qiáng)弱，反映土壤微生物碳代謝總體活性的重要指標(biāo)[4]。圖3A結(jié)果顯示，-S和+S處理的AWCD值隨著培養(yǎng)時(shí)間增加均呈“S”型增加，其中50～156h的AWCD增加速率最快，156h后不同處理間碳代謝活性逐步達(dá)到最大且趨于穩(wěn)定，且表現(xiàn)為+S處理>-S處理，表明多年秸稈還田處理土壤微生物群落碳源利用能力提高，總體碳代謝活性增強(qiáng)。采用培養(yǎng)96h的平板微孔光密度值進(jìn)行主成分分析，提取2個(gè)主成分因子并做荷載圖(圖3B)。2個(gè)主成分因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到84%，說(shuō)明2個(gè)主成分因子可以很好地解釋秸稈還田與否土壤微生物之間的差異，其中第1主成分(PC1)的方差貢獻(xiàn)率為46.4%，第2主成分(PC2)的方差貢獻(xiàn)率為37.6%，可以看出試驗(yàn)前和油菜收獲時(shí)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分別劃分在第1和第2象限，進(jìn)一步表明長(zhǎng)期施肥和秸稈還田均能顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

AWCD:每孔顏色變化吸收值；PC1:主成分1；PC2:主成分2；IN-S:試驗(yàn)前的-S處理；IN+S:試驗(yàn)前的+S處理；GP:革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌；GN:革蘭氏陰性細(xì)菌；Act:放線(xiàn)菌；Fungi:真菌；AM fungi:叢枝菌根真菌；F/B PLFA ratio:真菌/細(xì)菌的磷脂脂肪酸比值圖3 土壤微生物功能和結(jié)構(gòu)多樣性

微生物群落直接而敏感地反映土壤生物活性和土壤環(huán)境的質(zhì)量變化[17]。PLFA法分析結(jié)果表明，秸稈還田能夠增加土壤PLFA量(+S處理 196.59nmol/g、-S處理 154.14nmol/g)(圖3D)。與-S處理相比，秸稈還田能夠不同程度地增加土壤中革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌、革蘭氏陰性菌和叢枝菌根真菌含量，而放線(xiàn)菌和真菌含量則有一定的降低(圖3C)。真菌/細(xì)菌比可反映細(xì)菌和真菌相對(duì)含量的變化和2個(gè)種群的相對(duì)豐富程度。此外，土壤真菌與細(xì)菌脂肪酸比值越高，土壤生態(tài)系統(tǒng)越持續(xù)穩(wěn)定[22]。對(duì)于真菌與細(xì)菌的脂肪酸比值，雖然+S處理和-S處理沒(méi)有顯著性差異，但仍可以看出+S處理的真菌/細(xì)菌的脂肪酸值略高(圖3D)。說(shuō)明長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)微生物群落的影響不僅在于微生物量的變化，也明顯影響著微生物群落結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

水旱輪作條件下，長(zhǎng)期秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和NPK養(yǎng)分有效性，同時(shí)降低油菜季土壤容重，并增加土壤通透性和蓄水能力。與對(duì)照(秸稈不還田)相比，秸稈還田可顯著改善土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布、增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，進(jìn)而提升土壤肥力，并明顯提高土壤微生物總體碳代謝活性，增加細(xì)菌和叢枝菌根真菌含量及改變微生物的群落結(jié)構(gòu)多樣性。

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[編輯] 余文斌