崔慧珍,安嫄嫄,李光文,伏云珍,馬 琨
(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,寧夏 銀川 750021)
中國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約7億t左右[1],這些秸稈的不合理利用不僅消耗大量的人力物力,還會(huì)造成資源浪費(fèi),而農(nóng)作物秸稈富含大量的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素,是重要的土壤改良劑[2]。因此,進(jìn)行秸稈還田是解決這一問(wèn)題的一項(xiàng)重要手段。作物秸稈還田能通過(guò)改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤持水能力[3]和土壤肥力[4],還可以增加土壤微生物數(shù)量和活性[5],提高作物產(chǎn)量[3]。相關(guān)研究認(rèn)為,土壤微生物群落在作物秸稈腐解過(guò)程中起著決定性作用[6],土壤微生物群落會(huì)對(duì)秸稈的腐解做出響應(yīng)[4]。玉米秸稈還田后,土壤微生物對(duì)碳源的利用能力提高,微生物群落多樣性及均勻度增加[7];水稻秸稈還田后,土壤中碳源種類產(chǎn)生變化,細(xì)菌優(yōu)勢(shì)種群及相應(yīng)豐度改變[4]。然而,也有研究證實(shí),土壤微生物群落有明顯的季節(jié)性變化特征[8]。Li等[9]發(fā)現(xiàn),土壤細(xì)菌與作物的交互作用隨玉米生育期而發(fā)生改變,某些特定細(xì)菌類群對(duì)周圍營(yíng)養(yǎng)物的吸收策略表現(xiàn)出明顯季節(jié)性模式,其生物量隨季節(jié)變化而波動(dòng);Spedding等[10]也證實(shí),在長(zhǎng)期耕作和作物殘茬管理下,土壤真菌的磷脂脂肪酸(PLFAs)、總PLFAs在作物生育期內(nèi)均增加。劉定輝等[11]研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈長(zhǎng)期還田后土壤微生物數(shù)量的增加主要因?yàn)榧?xì)菌數(shù)量的增加,且收獲期土壤細(xì)菌數(shù)量高于分蘗期。但Lou等[12]研究表明,秸稈覆蓋減小了土壤溫度的季節(jié)性變化,使土壤微生物生物量和活性的季節(jié)性變化特征減弱??梢?,基于土壤微生物群落組成的分析,必須考慮土壤季節(jié)性的變化因素。土壤微生物群落組成與作物生育階段、還田秸稈類型、耕作栽培及秸稈管理等措施密切相關(guān)。
目前,有關(guān)秸稈還田后土壤微生物群落變化已有較多研究,但多集中于單一季節(jié)土壤微生物群落的變化。由于秸稈腐解期較長(zhǎng),秸稈的季節(jié)性腐解規(guī)律不同,土壤微生物群落響應(yīng)也隨之改變。因此,本研究采用PLFAs指紋圖譜的方法,研究玉米秸稈還田下,旱作區(qū)農(nóng)田土壤微生物群落的季節(jié)變化特征,分析土壤基本理化性質(zhì)、生物學(xué)性狀與土壤微生物群落組成及玉米產(chǎn)量間的相互關(guān)系,期望為寧夏旱作區(qū)秸稈還田管理及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)地位于寧夏同心縣河西鎮(zhèn)農(nóng)場(chǎng)村(37°9'34″N,105°48'2″E),該區(qū)域海拔1 350 m,年均降水量277 mm,年蒸發(fā)量為2 300 mm,年均氣溫8.7℃,土壤類型為淡灰鈣土。試驗(yàn)開始前供試土壤基本理化性狀為:全氮0.54 g/kg、堿解氮41 mg/kg、全磷0.83 g/kg、有效磷41.5 mg/kg、全鉀20.2 g/kg、速效鉀216 mg/kg、緩效鉀1 014 mg/kg、有機(jī)質(zhì)9.2 g/kg、pH值8.26、全鹽0.28 g/kg、陽(yáng)離子代換量9.3 cmol/kg。
試驗(yàn)開始于2013年秋季,當(dāng)年玉米收獲后,將秸稈粉碎至3~5 cm,結(jié)合秋季深耕,翻入土壤,隨后灌冬水。采用單因素隨機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)秸稈還田量為0 kg/hm2(T0)、3 000 kg/hm2(T1)、6 000 kg/hm2(T2)、9 000 kg/hm2(T3)、12 000 kg/hm2(T4)5個(gè)處理,3次重復(fù),共15個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為4×15 m2。供試玉米品種為先玉335,播種密度為6 500株/666.7 m2。2014—2019年玉米全生育期氮肥(N)施用量分別為32 kg/666.7 m2,28 kg/666.7 m2,24 kg/666.7 m2,26 kg/666.7m2,26 kg/666.7 m2,26 kg/666.7 m2。苗期追施60%的氮肥,磷肥(P2O5)12.5 kg/666.7 m2和鉀肥(K2O)2.5 kg/666.7 m2;抽穗期追施30%的氮肥;灌漿期追施10%的氮肥。2019年6月1日(玉米大喇叭口期)和9月30日(玉米成熟期),利用多點(diǎn)采樣法采集玉米行間0~20 cm土層土壤樣本,各小區(qū)土壤樣本獨(dú)立。土樣裝于密封袋后用冰盒保鮮帶回實(shí)驗(yàn)室,過(guò)1 mm篩;部分低溫儲(chǔ)存于-40℃冰箱,用于土壤微生物群落測(cè)定;部分儲(chǔ)存于2~8℃冰箱,用于微生物生物量碳和呼吸強(qiáng)度測(cè)定;剩余土樣自然風(fēng)干,用于理化性狀測(cè)定。
1.3.1 土壤理化及生物學(xué)性狀 土壤全氮、總碳用碳氮分析儀(ElementarVario MAX)測(cè)定,全磷用HCLO4-H2SO4消煮鉬銻抗比色法測(cè)定,堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷用Olsen法測(cè)定,速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定,土壤pH值用水土比(5:1)浸提后pH計(jì)測(cè)定,微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提,用總有機(jī)碳分析儀(TOC—LH57405200261 SA JAPAN)測(cè)定,呼吸強(qiáng)度用密閉培養(yǎng)法測(cè)定,具體參照土壤農(nóng)化分析[13]。
1.3.2 土壤微生物磷脂脂肪酸 參照魏常慧等[14]的方法,稱取相當(dāng)于4 g干土質(zhì)量的新鮮土樣于棕色玻璃瓶,加磷酸緩沖液,甲醇:氯仿混合液,氯仿和無(wú)菌超純水混勻振蕩,黑暗培養(yǎng)18-24 h,取氯仿相,經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮和硅膠柱分離磷脂,N2吹干,用甲苯:甲醇混合液和氫氧化鉀:甲醇溶液混勻溶解后,加正己烷:氯仿混合液、1 M醋酸和無(wú)菌超純水萃取酯化,通過(guò)Agilent 7860型氣相色譜儀,MIDI Sherlock脂肪酸圖譜微生物鑒定系統(tǒng)分析待測(cè)樣品。
利用Excel 2010軟件和Origin 2018軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理作圖,單因素方差分析(one—way ANOVA)和Pearson相關(guān)分析采用DPS9.01軟件。
玉米秸稈還田6年后,玉米成熟期對(duì)應(yīng)土壤理化及生物學(xué)性狀分析結(jié)果顯示(表1):土壤堿解氮、pH值、呼吸強(qiáng)度均與對(duì)照(T0)間有顯著差異(P<0.05);當(dāng)秸稈還田量達(dá)到6 000 kg/hm2(T2)后,土壤中全氮、總碳含量顯著高于對(duì)照(T0),有顯著差異(P<0.05)。不同秸稈還田量以T3的土壤全氮、總碳含量最高,但其土壤C/N卻顯著低于T0(P<0.05),不同秸稈還田量間的土壤C/N無(wú)顯著性差異。除T2的土壤全磷含量較T0顯著增加6.78%,T1、T4的土壤呼吸熵較T0顯著增加99.01%、72.12%外,其余秸稈還田處理中土壤理化及生物學(xué)性狀與對(duì)照(T0)間均無(wú)顯著差異??梢?,持續(xù)秸稈還田能通過(guò)提高土壤碳、氮和堿解氮等土壤養(yǎng)分含量,降低土壤pH值而影響土壤理化及生物學(xué)性狀。
表1 持續(xù)秸稈還田對(duì)土壤理化及生物學(xué)性狀的影響
2.2.1 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌、G+、G-磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響 由圖1可知,與T0相比,不同秸稈還田量下,玉米大喇叭口期和成熟期對(duì)應(yīng)土壤中以PLFAs表征的土壤細(xì)菌、G+、G-生物量均有不同程度的提高。與T0相比,玉米大喇叭口期對(duì)應(yīng)土壤樣本中細(xì)菌、G+、G-生物量均以T1處理最高,有顯著性差異(P<0.05);其他處理下的土壤細(xì)菌、G+、G-生物量分別比T0高出22.34%~76.64%、15.19%~58.07%、27.04%~88.86%。玉米成熟期對(duì)應(yīng)土壤樣本表現(xiàn)為隨秸稈還田量的增加,土壤中細(xì)菌、G+、G-生物量整體呈上升趨勢(shì),但T2與T1間無(wú)顯著差異;與T1相比,T3、T4主要微生物群落的脂肪酸含量呈明顯升高的趨勢(shì);其中,T4的細(xì)菌、G+、G-生物量分別比對(duì)照(T0)顯著高出104.08%、99.20%、107.37%(P<0.05)。
圖1 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌(a)、革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)(b)、革蘭氏陰性菌(G-)(c)磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響
與大喇叭口期相比,玉米成熟期對(duì)應(yīng)土壤細(xì)菌、G+、G-均較高。成熟期對(duì)應(yīng)秸稈處理的土壤中細(xì)菌脂肪酸含量增加23.49%~79.69%、G+增加32.80%~103.24%、G-增加18.37%~74.62%,以T4的土壤細(xì)菌、G+、G-的脂肪酸含量增加幅度最大;說(shuō)明秸稈還田量為12 000 kg/hm2時(shí)更有利于促進(jìn)作物生長(zhǎng)后期土壤細(xì)菌、G+、G-生物量的增加??梢姡掷m(xù)秸稈還田能增加土壤細(xì)菌、G+、G-的生物量;以PLFAs表征的土壤細(xì)菌、G+、G-生物量有季節(jié)性差異。
2.2.2 秸稈還田對(duì)土壤放線菌、真菌磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響 隨秸稈還田量的持續(xù)增加,兩個(gè)不同采樣時(shí)期對(duì)應(yīng)土壤的放線菌、真菌脂肪酸含量整體呈增加的趨勢(shì)(圖2),均以秸稈還田量為12 000 kg/hm2(T4)最高。T4處理下,以PLFAs表征的土壤放線菌生物量(圖2a)在兩個(gè)不同采樣時(shí)期,分別較對(duì)應(yīng)T0高出57.44%(P>0.05)和84.69%(P<0.05);真菌生物量(圖2b)較T0顯著高出100.79%(P<0.05)和81.42%(P<0.05)。與玉米大喇叭口期相比,玉米成熟期對(duì)應(yīng)各處理土壤樣本中放線菌、真菌脂肪酸含量分別顯著增加了55.17%~115.16%、113.43%~164.56%,在秸稈還田量為6 000 kg/hm2(T2)時(shí)達(dá)到顯著水平(P<0.05),其余各處理下均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),有顯著的季節(jié)性差異。
圖2 秸稈還田對(duì)土壤放線菌(a)、真菌(b)磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響
2.2.3 秸稈還田對(duì)土壤真菌/細(xì)菌(F/B)比值、G+/G-的季節(jié)性影響 由圖3可見,隨玉米秸稈還田量的增加,土壤中F/B在玉米大喇叭口期對(duì)應(yīng)土壤樣本中呈增長(zhǎng)趨勢(shì),在秸稈還田量達(dá)到9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2后,較T0高出24.04%~30.35%,與對(duì)照(T0)間有顯著性差異(P<0.05)。與玉米大喇叭口期相比,成熟期土壤樣本的F/B顯著升高27.87%~84.52%(P<0.01),表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異;但成熟期不同秸稈還田量對(duì)應(yīng)土壤樣本的F/B間無(wú)顯著差異(P>0.05)。除秸稈還田量為9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2時(shí)對(duì)應(yīng)土壤樣本G+/G-在玉米成熟期較大喇叭口期顯著高出21.50%~24.70%外(P<0.01),其他秸稈還田量在兩個(gè)作物生育期對(duì)應(yīng)土壤樣本間的G+/G-差異均不顯著(P>0.05)??梢?,持續(xù)秸稈還田會(huì)對(duì)F/B、G+/G-產(chǎn)生一定的季節(jié)性影響。
圖3 秸稈還田對(duì)土壤F/B、G+/G-的季節(jié)性影響
玉米秸稈還田6年后(表2),整體上,各處理年度內(nèi)玉米產(chǎn)量與秸稈不還田(T0)處理間均無(wú)顯著差異(P>0.05),盡管不同年際間作物產(chǎn)量有一定的波動(dòng),但與對(duì)照處理多年玉米平均產(chǎn)量相比,秸稈還田處理產(chǎn)量變動(dòng)幅度僅為其產(chǎn)量的0.531%~2.99%。相同栽培管理措施下,秸稈還田量的高低未影響作物產(chǎn)量。
表2 持續(xù)秸稈還田對(duì)玉米產(chǎn)量的影響kg/hm2
Pearson相關(guān)分析表明(表3),持續(xù)玉米秸稈還田后,土壤全氮、總碳與細(xì)菌、真菌、放線菌、叢枝菌根真菌的脂肪酸含量均呈顯著正相關(guān);土壤全氮與革蘭氏陽(yáng)性菌生物量呈極顯著正相關(guān),與革蘭氏陰性菌和原生動(dòng)物類呈顯著正相關(guān);土壤總碳與革蘭氏陽(yáng)性菌呈顯著正相關(guān);土壤堿解氮與細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、叢枝菌根真菌呈顯著正相關(guān),土壤pH值與革蘭氏陰性菌呈顯著負(fù)相關(guān),土壤呼吸強(qiáng)度與細(xì)菌、革蘭氏陰性菌、真菌、原生動(dòng)物類、叢枝菌根真菌呈顯著正相關(guān);土壤微生物群落組成中,F(xiàn)/B和G+/G-分別與土壤堿解氮和速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān),玉米產(chǎn)量?jī)H與土壤速效鉀呈顯著正相關(guān)。而土壤全磷、速效磷、微生物生物量碳、微生物熵、呼吸熵與玉米產(chǎn)量、土壤微生物群落組成間均無(wú)顯著相關(guān)性。
表3 持續(xù)秸稈還田下玉米產(chǎn)量、土壤微生物群落組成與土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)性狀間的相關(guān)分析
秸稈還田可為土壤輸入大量碳、氮[15]。試驗(yàn)中,持續(xù)秸稈還田明顯提高了土壤中總碳、全氮、堿解氮等的含量。前人研究表明,玉米秸稈還田后,秸稈碳、氮分別占土壤總碳、總氮的26.4%~46.3%、10.7%~17.7%,秸稈還田與糞肥配合施用時(shí)可增加土壤碳、氮的穩(wěn)定性,顯著提高土壤碳、氮含量[16];小麥秸稈全量還田結(jié)合底土耕作可促進(jìn)微生物碳源代謝,有助于增加碳的固存,且土壤中有機(jī)碳含量隨時(shí)間的推移增加,土壤中氮素含量也顯著增加[17]??梢姡魑锝斩捲谕寥捞?、氮管理方面發(fā)揮著重要作用。Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田后土壤有機(jī)分解代謝增強(qiáng),土壤呼吸也顯著提高,秸稈還田增強(qiáng)了光合碳的輸入,顯著促進(jìn)了土壤碳的累積。本研究結(jié)果與之類似,但試驗(yàn)中秸稈還田量的高低并未對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響,這可能是秸稈腐解后期難分解有機(jī)物幾近相同的緣故。Liu等[19]研究也表明,秸稈還田管理對(duì)土壤養(yǎng)分有著顯著影響,尤其是有機(jī)碳和總氮,秸稈還田后20-40 cm耕層土壤中有機(jī)碳、總氮含量顯著增加;并認(rèn)為,碳是作物秸稈的主要組成部分,秸稈經(jīng)腐解會(huì)釋放大量的碳。以往研究認(rèn)為,C/N比反映了土壤碳、氮間的相互作用[20],外源C、N的輸入都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響[21]。Xu等[22]還發(fā)現(xiàn)秸稈還田可提高土壤活性有機(jī)碳,增加C/N。本試驗(yàn)同蓋霞普等[21]發(fā)現(xiàn)土壤C/N有隨秸稈還田量的增加而降低的趨勢(shì)的結(jié)果相一致。分析認(rèn)為,試驗(yàn)中連續(xù)秸稈還田6年間,玉米秸稈在逐漸腐解過(guò)程中會(huì)釋放碳、氮;在適量氮、磷、鉀肥施用條件下,能夠從減少養(yǎng)分損失和增加輸入兩方面促進(jìn)土壤碳、氮累積;C/N較高的玉米秸稈還田后會(huì)將土壤中有機(jī)氮固定轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮,減少氮的礦化,提高土壤中氮的含量,相應(yīng)降低了土壤C/N比。
本研究表明,持續(xù)秸稈還田降低了土壤pH值,這與前人研究基本一致[23-24]。葉文培等[25]也證實(shí)玉米和水稻秸稈還田能促使土壤pH值下降。分析認(rèn)為,盡管還田作物秸稈種類不同,但秸稈在腐解時(shí)都會(huì)釋放大量有機(jī)酸[26];同時(shí),土壤微生物在代謝過(guò)程中也會(huì)釋放大量的無(wú)機(jī)、有機(jī)酸物質(zhì)[27],從而使土壤pH值下降。這說(shuō)明在旱作區(qū)持續(xù)進(jìn)行秸稈還田管理能改善土壤pH環(huán)境,有效提升土壤肥力。
本試驗(yàn)中,秸稈還田管理下,除T1外,土壤微生物PLFAs含量整體上均有隨秸稈還田量增加而升高的趨勢(shì);受季節(jié)變化影響,玉米成熟期對(duì)應(yīng)土壤中各微生物脂肪酸含量明顯高于大喇叭口期。分析認(rèn)為,隨還田時(shí)間延長(zhǎng),秸稈腐解更充分,能為土壤微生物提供更多碳源,促進(jìn)了土壤微生物的繁殖,相應(yīng)增加了以PLFAs表征的土壤微生物生物量。但在玉米生長(zhǎng)旺盛階段,玉米需要從土壤中吸收大量的養(yǎng)分,可能會(huì)與土壤微生物形成養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,隨作物生育期的推進(jìn),玉米進(jìn)入生長(zhǎng)后期并逐漸成熟時(shí),所需養(yǎng)分逐漸減少,與微生物間養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)力減小,土壤微生物的繁殖能力增強(qiáng),微生物生物量顯著增加。此外,土壤物理、化學(xué)性狀的變化是影響土壤微生物群落種類、活性及分布的關(guān)鍵因素[28]。Brocket等[29]發(fā)現(xiàn)土壤含水量是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的重要影響因素,在干旱環(huán)境下,由于缺水,土壤微生物活性降低甚至死亡;Hackl等[30]研究也表明微生物群落PLFAs含量在潮濕低溫環(huán)境下較高。本研究中,玉米大喇叭口期土壤樣本含水率低,且此時(shí)氣溫較高,土壤微生物活性較低,而玉米成熟期氣溫降低,土壤含水率增加,土壤微生物活性也隨之提高,微生物生物量增加。因此,成熟期以PLFAs表征的土壤微生物生物量顯著高于大喇叭口期,可能是導(dǎo)致微生物生物量有季節(jié)性差異的主要原因。土壤真菌/細(xì)菌(F/B)生物量的比值可用來(lái)判斷土壤質(zhì)量狀況和自我調(diào)控能力,F(xiàn)/B值越大,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性越強(qiáng)[31]。Marschner P等[32]認(rèn)為,真菌在分解作物秸稈過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位;土壤中F/B越大,G+/G-越小,土壤肥力越高[33]。本研究中,秸稈還田后土壤中細(xì)菌、真菌磷脂脂肪酸含量均增加,土壤中真菌磷脂脂肪酸含量的增加幅度大于細(xì)菌。盡管對(duì)應(yīng)土壤中G+/G-在各處理間無(wú)顯著性差異,但G-較G+所占細(xì)菌總磷脂脂肪酸含量比例大。Huang等[34]研究也表明,G-敏感度高,在富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)速度高于G+。可見,秸稈還田后可能更有利于G-的生長(zhǎng)。
本試驗(yàn)表明,連續(xù)秸稈還田后,各處理玉米產(chǎn)量間均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。目前,關(guān)于秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量影響的研究結(jié)果各有不同。有研究認(rèn)為秸稈還田后能夠提高土壤養(yǎng)分,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤持水、保溫性能,豐富土壤微生物多樣性,使作物高產(chǎn)[35];但也有研究表明,盡管秸稈還田改善了土壤質(zhì)量,但并沒有影響作物產(chǎn)量,甚至造成減產(chǎn)[36-37]。黃紹敏等[38]研究表明玉米生長(zhǎng)在抽穗期前主要受土壤肥力影響,抽穗期后則由氣候條件決定;干旱區(qū)由于夏季高溫少雨,不利于玉米灌漿,秸稈還田后提高的土壤肥力僅能減緩11%~14%的氣候變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響[38]??梢?,秸稈還田后,玉米產(chǎn)量變化應(yīng)該受生產(chǎn)技術(shù)、氣候條件、土壤肥力等多種因素綜合影響。
玉米秸稈還田管理可提高寧夏旱作區(qū)農(nóng)田土壤中全氮、總碳、堿解氮等養(yǎng)分含量,降低土壤pH值。受土壤全氮、總碳的驅(qū)動(dòng),以PLFAs表征的土壤微生物生物量在秸稈還田后明顯增加;微生物季節(jié)性變化差異明顯,但不同秸稈量的還田措施未對(duì)玉米產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。