王桂躍,蘇 婷,韓海亮,譚禾平,包 斐,趙福成
(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 東陽(yáng)玉米研究所,浙江 東陽(yáng) 322100)
土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,參與土壤中幾乎一切生物化學(xué)反應(yīng),對(duì)維持土壤生態(tài)平衡具有重要作用[1]。微生物群落對(duì)環(huán)境條件的變化反應(yīng)敏捷,因而常被作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的敏感性生物指標(biāo)之一[2]。土壤微生物生物量既是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力,又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù),對(duì)土壤環(huán)境因子的變化極為敏感,土壤的微小變動(dòng)均會(huì)引起其活性變化[3]。土壤微生物生物量的主要組成包括微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)和微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)。溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon,DOC)和溶解性有機(jī)氮(dissolved organic nitrogen,DON)是土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的2個(gè)重要組成部分。MBC、MBN、DOC和DON是對(duì)土壤質(zhì)量變化響應(yīng)最明顯和最迅速的土壤活性組成部分[4]。土壤酶是土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要參與者,是土壤有機(jī)體的代謝動(dòng)力,在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[5]。因此,土壤微生物群落、活性碳氮含量,以及土壤酶活性常被用來(lái)評(píng)價(jià)土壤的生物學(xué)性狀。
施肥是影響土壤質(zhì)量演化及其可持續(xù)利用最為深刻的農(nóng)業(yè)措施之一[3],它通過(guò)改變土壤微生物活性、數(shù)量和群落結(jié)構(gòu),從而改變土壤C、N養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率和途徑,影響土壤供氮能力和碳儲(chǔ)備能力,進(jìn)而影響土壤質(zhì)量。有關(guān)施肥對(duì)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境的影響,已有大量研究[6],但涉及土壤生物學(xué)特性的研究較少。近20年來(lái),土壤生物學(xué)特性在土壤肥力研究中的地位顯著加強(qiáng)。前人研究認(rèn)為,施用有機(jī)肥料可以顯著提高土壤微生物量碳、氮的含量,以及土壤酶活性,并且隨著用量的增大,效果也隨之增強(qiáng)[7-8]。另有研究表明,施用化學(xué)肥料也能提高土壤微生物量碳的含量[9]。但是,王繼紅等[10]研究表明,過(guò)量施用化肥會(huì)使土壤微生物量碳的含量降低,而適量施用氮肥或磷肥均能夠使土壤中微生物生物量碳、氮含量增加[11]。路磊等[12]研究也表明,單施化肥使土壤中的微生物生物量氮的含量降低,王俊華等[13]和卜洪震等[14]長(zhǎng)期施肥研究結(jié)果表明,與單施化肥相比,有機(jī)肥與化肥配合施用條件下土壤中微生物生物量碳的含量提高更顯著。然而,迄今在該領(lǐng)域的研究大多集中在單一施用化肥或有機(jī)肥對(duì)少數(shù)土壤微生物學(xué)指標(biāo)的影響上,關(guān)于長(zhǎng)期測(cè)土配方施肥下土壤微生物群落、微生物量,以及土壤酶活性等多種土壤生物學(xué)指標(biāo)的變化,尚缺少相關(guān)研究。
本研究在浙江省東陽(yáng)玉米研究所定位監(jiān)測(cè)基地通過(guò)6 a的測(cè)土配方試驗(yàn),旨在了解長(zhǎng)期施肥對(duì)水田和旱地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、活性碳氮含量及酶活性的影響,以期為科學(xué)施肥、保護(hù)和合理利用現(xiàn)有耕地資源提供重要依據(jù)。
定位試驗(yàn)于2009年開始,在浙江省東陽(yáng)玉米研究所基地內(nèi)進(jìn)行,土壤為黃紅壤,0~20 cm土層土壤基本理化性狀:有機(jī)質(zhì)13.8 g·kg-1,全氮 0.50 g·kg-1,全磷0.42 g·kg-1,全鉀1.54 g·kg-1,速效氮 21.6 mg·kg-1,有效磷 3.25 mg·kg-1,速效鉀 20.3 mg·kg-1,pH值5.42。試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理:①PCK,水田無(wú)肥區(qū),不施用任何肥料;②PCF,水田常規(guī)施肥區(qū),按當(dāng)?shù)刂饕┓柿?N,210 kg·hm-2;P2O5,60 kg·hm-2;K2O,70 kg·hm-2)及化學(xué)肥料品種(尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀)施肥;③PSTF,水田測(cè)土配方施肥純化肥區(qū),根據(jù)土壤養(yǎng)分情況和作物確定最佳施肥量(N,225 kg·hm-2;P2O5,85 kg·hm-2;K2O,120 kg·hm-2),肥料品種同PCF;④PSTF+OF,水田測(cè)土配方施肥化肥+有機(jī)肥區(qū),在PSTF的基礎(chǔ)上增施商品精致有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)含量45%,N 1.8%+P2O51.6%+K2O 2.2%)22 500 kg·hm-2;⑤DCF,旱地常規(guī)施肥區(qū),N、P2O5、K2O投入量分別為275、60、175 kg·hm-2,肥料分別選用尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀;⑥D(zhuǎn)STF+OF,旱地測(cè)土配方施肥化肥+有機(jī)肥區(qū),N、P2O5、K2O投入量分別為240、72、140 kg·hm-2,肥料品種同DCF,此外再施用商品精致有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)含量45%,N 1.8%+P2O51.6%+K2O 2.2%)22 500 kg·hm-2。各處理除施肥不同外,其他土壤與作物管理措施均保持一致。
各處理小區(qū)面積33.3 m2,水田小區(qū)間用水泥板隔開,防止肥、水互相滲透。水泥板高60 cm、厚5 cm,埋深30 cm,露出田面30 cm。每小區(qū)各有一進(jìn)水口和一出水口,進(jìn)水口位置高于出水口,安裝閥門。旱地小區(qū)以排水溝和水泥板相隔,水泥板厚度5 cm,埋深40 cm,高出畦面20 cm。水田種植一年一季晚稻甬優(yōu)9號(hào),旱地常年種植春夏兩季玉米,品種均為渝糯7號(hào)。
土壤樣品采集于2015年3月底。每小區(qū)按S形取樣法5點(diǎn)取樣,取0~20 cm層土壤,均勻混合。土樣帶回室內(nèi)揀去石礫和植物殘?bào)w等,過(guò)2 mm土篩,分成3份:一份風(fēng)干后,用于測(cè)定土壤理化性狀和土壤酶活性;第二份立即保存于4 ℃冰箱中,用于土壤微生物量碳、氮的測(cè)定;第三份土樣保存于-70 ℃冰箱,用于土壤磷脂脂肪酸(PLFA)的測(cè)定。
土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定參照文獻(xiàn)[15]:土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法;土壤全氮采用半微量開氏法;全碳采用重鉻酸鉀容量法;土壤有效磷采用碳酸氫鈉(Olsen)法;土壤速效鉀采用乙酸銨提取火焰分光光度法;土壤pH采用1∶2.5土水質(zhì)量體積比浸提,用pH計(jì)測(cè)定。
土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌和放線菌種群數(shù)量的測(cè)定分別采用牛肉膏蛋白胨、孟加拉紅和改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基平板稀釋法[16],平板計(jì)數(shù);PLFA的提取與純化參考Eli等[17]和吳愉萍[18]的方法進(jìn)行,不同磷脂脂肪酸的種類和含量表示不同微生物的種類和生物量,以12∶0、14∶0、15∶0、16∶0、17∶0、18∶0、20∶0、i15∶0、i17∶0、a15∶0、a17∶0、cy17∶0、cy19∶0表示細(xì)菌生物量[14-16],以18∶2ω6、18∶3ω6、18∶1ω9表示真菌生物量[19-22],以16∶0 10Me、17∶0 10Me、18∶0 10Me表示放線菌生物量[23];土壤MBC、MBN采用氯仿熏蒸浸提方法測(cè)定(轉(zhuǎn)換系數(shù)分別取0.38和0.54)[24];使用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量;DOC、DON含量采用KCl溶液浸提,然后使用Multi N/C 3100測(cè)定DOC、溶解性總氮(TDN)含量,TDN減去銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的剩余部分即為DON含量;土壤纖維素酶、脲酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶分別采用3,5-二硝基水楊酸法、靛酚藍(lán)比色法、TTC還原法和高錳酸鉀滴定法測(cè)定[25]。
數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后,利用SPSS 21.0 for Windows進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用ANOVA進(jìn)行方差分析、LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
從表1可以看出,與長(zhǎng)期不施肥(PCK)相比,水田施肥可顯著(P<0.05)提高土壤有效磷和速效鉀的含量,同時(shí)能顯著(P<0.05)降低土壤pH值,但在試驗(yàn)期間對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全碳和全氮含量無(wú)顯著影響。水田中,與常規(guī)施肥(PCF)相比,PSTF處理的土壤化學(xué)性狀無(wú)顯著差異,而PSTF+OF處理的土壤全碳和有效磷含量顯著(P<0.05)增加。與水田相比,在相同母質(zhì)的旱地上,DSTF+OF處理的旱地土壤有機(jī)質(zhì)、全碳、全氮、有效磷和速效鉀含量比水田相應(yīng)處理(PSTF+OF)下分別增加31.18%、16.32%、83.64%、9.76%和2.23%,pH值下降15.15%。
由圖1可知,整體上各處理的可培養(yǎng)微生物數(shù)量差異不大,僅DSTF+OF處理的真菌含量顯著(P<0.05)高于其他處理。
由圖2可知,不同施肥處理對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)有顯著(P<0.05)影響,但對(duì)放線菌無(wú)顯著影響。水田中,與長(zhǎng)期不施肥(PCK)相比,PSTF+OF處理顯著(P<0.05)提高了土壤細(xì)菌的磷脂脂肪酸含量,但對(duì)真菌無(wú)顯著影響。與水田上的DSTF+OF處理相比,旱地上相應(yīng)的DSTF+OF處理下細(xì)菌和真菌的磷脂脂肪酸含量均顯著(P<0.05)增加。
表1 長(zhǎng)期施肥各處理對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響Table 1 Effects of long-term fertilization systems on soil chemical properties
同列數(shù)據(jù)后無(wú)相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。
Data followed by no same letters within the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.
同一類微生物上各處理間無(wú)相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。Treatments marked by no same letters indicated significant difference at P<0.05 within the same microbe group. The same as below.圖1 長(zhǎng)期施肥各處理對(duì)土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響Fig.1 Effects of long-term fertilization systems on culturable microorganisms
圖2 長(zhǎng)期施肥各處理對(duì)土壤微生物PLFA含量的影響Fig.2 Effects of long-term fertilization systems on PLFAs
從表2可以看出,水田中,相較PCF,PCK處理的土壤活性碳氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量差異不顯著,但PSTF處理顯著(P<0.05)提高了土壤微生物量碳的含量,PSTF+OF處理能同時(shí)顯著(P<0.05)增加土壤微生物碳、氮的含量。旱地中,與旱地常規(guī)施肥處理(DCF)相比,DSTF+OF處理能顯著(P<0.05)提高土壤微生物量碳、微生物量氮和硝態(tài)氮的含量,但可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮和銨態(tài)氮含量均無(wú)顯著差異。
由表3可知,各處理對(duì)纖維素酶活性均無(wú)顯著影響。水田中各處理間脲酶活性無(wú)顯著差異,與之相比,旱地處理(DCF與DSTF+OF)的脲酶活性顯著(P<0.05)提高。與不施肥處理(PCK)相比,水田中PCF處理的脫氫酶活性無(wú)顯著變化,但其他處理的脫氫酶活性均顯著(P<0.05)升高。與不施肥或不施有機(jī)肥的處理相比,無(wú)論是在水田還是旱地中施入有機(jī)肥的處理(PSTF+OF和DSTF+OF)的過(guò)氧化氫酶活性均顯著(P<0.05)升高。
相關(guān)分析顯示(表4),微生物群落間,細(xì)菌和真菌含量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān),而放線菌與細(xì)菌含量呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān);土壤活性碳、氮因素間,微生物量氮與可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮、硝態(tài)氮存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)性,硝態(tài)氮與可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮分別呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān),銨態(tài)氮與可溶性有機(jī)碳呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān);各土壤酶活性間無(wú)顯著相關(guān)性。此外,硝態(tài)氮與微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.05)相關(guān)性,微生物量碳與土壤脫氫酶和過(guò)氧化氫酶呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。
表2 長(zhǎng)期施肥各處理對(duì)土壤活性碳氮含量的影響Table 2 Effects of long-term fertilization systems on labile organic carbon and nitrogen mg·kg-1
表3 長(zhǎng)期施肥各處理對(duì)土壤酶活性的影響Table 3 Effects of long-term fertilization systems on enzyme activities
表4 土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)、活性碳氮和土壤酶活性的相關(guān)分析Table 4 Correlation coefficients within microbial community structure,labile organic carbon and nitrogen and enzyme activities
*,P<0.05; **,P<0.01.
長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)肥與N、P、K配合施用可提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分含量,改善土壤物理性狀,調(diào)節(jié)土壤C/N,促進(jìn)作物和土壤微生物的生長(zhǎng)[23]。土壤有機(jī)碳含量變化主要受到施肥的影響,同時(shí)也受到環(huán)境因素,尤其是土壤水分、氣候變化、大氣沉降等的影響[13],本研究中僅考慮了N、P、K和有機(jī)肥對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響。在水田中,與PSTF處理相比,PSTF+OF處理的土壤有效磷含量顯著增加,這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥的施用更有利于土壤理化特性的改善和養(yǎng)分的持續(xù)供應(yīng),促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體的形成,而僅施用化肥氮磷鉀對(duì)土壤大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體形成的促進(jìn)作用緩慢,且易致土壤板結(jié)。與水田相比,在相同母質(zhì)的旱地上,施肥處理提高土壤養(yǎng)分的效應(yīng)更明顯,可能與旱地化肥用量比水田高有關(guān)。
土壤微生物易受土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、pH值、質(zhì)地、溫度、水分和通氣性等條件的影響,因此,土壤的利用方式和管理措施會(huì)使土壤微生物發(fā)生變化[26]。由于土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,關(guān)于施肥究竟如何影響土壤微生物的變化問(wèn)題尚缺乏共識(shí)[27]。本研究中,不同施肥條件下,水田與旱地兩種利用方式土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量差異不大,僅DSTF+OF處理的真菌含量顯著高于其他處理,這可能與培養(yǎng)方法有關(guān)。前人研究表明,運(yùn)用傳統(tǒng)的選擇性培養(yǎng)基方法鑒定的微生物僅占環(huán)境總微生物的0.1%~10%,這不能完全反映土壤中微生物真實(shí)的分布情況[28]。Bardgett等[29]認(rèn)為,土壤中磷脂脂肪酸的組成可以表示土壤微生物群落的生物量和結(jié)構(gòu),一些研究發(fā)現(xiàn),直接從土壤中提取的磷脂脂肪酸含量可以準(zhǔn)確地反映出土壤微生物的生物量[29-32]。本研究測(cè)定了不同施肥處理下的土壤微生物PLFA含量,結(jié)果顯示,在水田中PCK、PCF與PSTF之間細(xì)菌PLFA含量的差異不顯著,只有PSTF+OF細(xì)菌PLFA含量顯著高于PCK;而旱地的DSTF+OF處理下細(xì)菌PLFA含量顯著高于水田各處理。陳曉娟等[33]研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌和真菌PLFA水稻田高于旱地,而本研究結(jié)果恰好相反,而放線菌PLFA兩者無(wú)顯著差異。以上結(jié)果的不一致可能一方面是因?yàn)楹档氐氖┓柿勘人锔?,另一方面也與取樣時(shí)間有關(guān),本試驗(yàn)在初春取樣,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的冬期后,兩類土壤的溫度、水分和通氣性均趨于相近。Schloter等[34]研究顯示,精準(zhǔn)施肥與傳統(tǒng)施肥相比,對(duì)表層土壤的細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)并無(wú)明顯影響,本研究亦得到類似的結(jié)果,即水田測(cè)土配方施肥(PSTF)和常規(guī)施肥處理間細(xì)菌、真菌、放線菌含量均無(wú)顯著差異。
土壤微生物量碳能反映土壤有效養(yǎng)分狀況和生物活性[35],微生物量氮是土壤氮素的一個(gè)重要儲(chǔ)備庫(kù),了解土壤微生物量氮的消長(zhǎng)有助于揭示進(jìn)入土壤肥料氮素的生物固定和釋放的本質(zhì)[36-37]。對(duì)于農(nóng)田土壤,不同施肥管理對(duì)土壤微生物生物量有明顯的影響,與不施肥處理土壤相比,施肥可顯著提高土壤的微生物量碳氮的含量,其中化肥與有機(jī)肥長(zhǎng)期配施的效果最為明顯[3]。本研究結(jié)果也證明,與不施肥處理土壤相比,PSTF+OF處理能同時(shí)增加微生物量碳和微生物量氮的含量。
土壤酶主要來(lái)自于土壤微生物代謝過(guò)程,此外也源于土壤動(dòng)物和植物的分解。土壤中一切生化反應(yīng)都是在土壤酶的參與下完成的,土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反應(yīng)強(qiáng)度[38]。纖維素酶是可以表征土壤碳素循環(huán)速度的重要指標(biāo),本研究發(fā)現(xiàn),各種施肥處理對(duì)纖維素酶活性無(wú)顯著影響,這意味著不同施肥處理對(duì)土壤碳素循環(huán)速度的影響不顯著。脲酶能分解有機(jī)物,促其水解成氨和二氧化碳。本研究結(jié)果顯示,與水田相比,旱地中施肥處理使脲酶活性顯著提高,而在水田中各處理對(duì)脲酶活性的影響均不顯著。脫氫酶常被認(rèn)為是土壤微生物活性的一個(gè)有效指標(biāo),其活性可以表征土壤腐殖質(zhì)化強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)積累的程度[39]。本研究結(jié)果顯示,PSTF+OF處理能顯著提高脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性。由此可見,長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤酶活性有很大的影響,其原因可能是長(zhǎng)期施肥改變了土壤微生物量、區(qū)系組成,以及代謝過(guò)程,從而影響土壤酶的數(shù)量和活性[3]。
致謝:承蒙浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院張國(guó)平教授審閱并提出寶貴意見,在此深表謝意!
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