劉亞軍，王文靜，李 敏，王紅剛，儲(chǔ)鳳麗，胡啟國(guó)

（商丘市農(nóng)林科學(xué)院，河南 商丘 476000）

土壤微生物是農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠直接或間接地參與土壤結(jié)構(gòu)形成、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)等過(guò)程[1?2]。土壤微生物群落多樣性改變對(duì)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與分解、作物根系養(yǎng)分吸收與利用以及土地生產(chǎn)能力均有顯著影響[3?4]。有研究表明，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的改變，是土壤養(yǎng)分含量下降、作物減產(chǎn)的首要原因[5?6]。土壤微生物對(duì)于生態(tài)農(nóng)田人為擾動(dòng)所引起的土壤質(zhì)量變化較為敏感，因此，土壤微生物相關(guān)指標(biāo)已被廣泛用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量及其變化[7?8]。研究土壤微生物群落對(duì)不同施肥措施的響應(yīng)，對(duì)于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量及肥力演變具有重要意義。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，施肥量及方式對(duì)土壤質(zhì)量演變以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要影響[9]。施肥可以明顯提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，據(jù)FAO（Food and Agriculture Organization of the United Nations，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織）調(diào)查，化肥對(duì)糧食的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率可以達(dá)到30%～50%[10]。然而，為追求作物產(chǎn)量，廣大農(nóng)戶(hù)及種植者濫施亂施化肥已成為普遍現(xiàn)象，不僅造成土壤板結(jié)、養(yǎng)分下降、土壤酸化嚴(yán)重、肥料利用率降低以及土壤污染加劇等問(wèn)題，還對(duì)土壤微生物群落多樣性產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致土壤微生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低[11?12]。因此，合理的施肥措施是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要研究方向之一。無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施不僅能夠提高作物產(chǎn)量、改善土壤養(yǎng)分質(zhì)量，還能夠提高土壤微生物群落多樣性[13?15]。有研究表明，無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施不僅能夠提高作物產(chǎn)量、增加作物氮素累積量以及提升肥料利用率與吸收率，還能夠有效提升土壤微生物對(duì)各類(lèi)碳源的利用能力，并顯著提高土壤微生物Shannon 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、McIntosh 指數(shù)[16?19]。生物有機(jī)肥具有速效、長(zhǎng)效和改良土壤等特點(diǎn)，且含有豐富的有機(jī)質(zhì)及多種碳源可被土壤微生物吸收利用，從而提高微生物代謝水平，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[20]。農(nóng)作物秸稈作為特殊的有機(jī)物料，含有豐富的氮磷鉀及微量元素，腐爛分解后有利于提高土壤養(yǎng)分含量以及土壤微生物對(duì)各類(lèi)碳源的利用能力，且有利于緩解焚燒秸稈帶來(lái)的環(huán)境壓力[21]。目前，無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施對(duì)土壤微生物群落影響的研究報(bào)道有很多，但主要集中在小麥、玉米、水稻等[22?24]作物上，關(guān)于無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施對(duì)甘薯土壤養(yǎng)分含量及微生物碳源代謝功能影響的研究卻鮮有報(bào)道。因此，研究小麥—甘薯輪作條件下不同施肥措施對(duì)甘薯土壤養(yǎng)分含量以及碳源代謝功能的影響，并探討其關(guān)聯(lián)性，以期尋找高效、安全的施肥模式，為小麥—甘薯輪作栽培合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河南省商丘市雙八鎮(zhèn)朱莊村（116°38′N(xiāo)、39°93′E），平均海拔53 m。該地屬典型暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量670 mm，降水多集中在6—9 月。平均溫度14.2 ℃，無(wú)霜期210 d，年日照時(shí)數(shù)2 200 h。供試土壤為黃潮土黏土質(zhì)，基礎(chǔ)土壤（0～20 cm）理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)9.68 g/kg、速效鉀132.75 mg/kg、速效磷49.62 mg/kg、堿解氮57.39 mg/kg、pH值8.05。試驗(yàn)地常年小麥—甘薯輪作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年10 月—2021 年10 月進(jìn)行，單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共6 個(gè)處理：?jiǎn)问┗剩═1）、秸稈還田不施肥（T2）、單施生物有機(jī)肥（T3）、80%化肥+生物有機(jī)肥配施（T4）、80%化肥+秸稈還田配施（T5）、80%化肥+生物有機(jī)肥+秸稈還田配施（T6）。甘薯季施肥量，T1：N 150 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 300 kg/hm2；T2：小麥與甘薯秸稈全量還田；T3：生物有機(jī)肥1 200 kg/hm2；T4：N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2+生物有機(jī)肥1 200 kg/hm2；T5：N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2+小麥與甘薯秸稈全量還田；T6：N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2+生物有機(jī)肥1 200 kg/hm2+小麥與甘薯秸稈全量還田。小麥季施肥量，各 處 理 均 施N 187.5 kg/hm2、P2O5187.5 kg/hm2和K2O 375 kg/hm2。甘薯季與小麥季肥料均作為基肥一次性施入，生育期內(nèi)不進(jìn)行追肥。秸稈還田處理小麥與甘薯秸稈通過(guò)機(jī)器（沃銘4JGH-130 秸稈粉碎機(jī)、青島洪珠1JH-110 薯類(lèi)殺秧機(jī)）粉碎，旋耕前播撒在土壤表面；秸稈不還田處理人工移走秸稈。小區(qū)面積62.4 m2，3 次重復(fù)。甘薯株行距0.26 m×0.8 m、走道0.8 m、保護(hù)行3 m。小麥種植按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

供試甘薯：商薯17（商丘市農(nóng)林科學(xué)院甘薯試驗(yàn)站選育）。供試肥料：化肥為復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20），購(gòu)自河南億豐年生物科技有限公司），有機(jī)肥指還田的小麥與甘薯秸稈及生物有機(jī)肥。其中，生物有機(jī)肥為顆粒狀特制肥，養(yǎng)分含量：N 為2.45%、P2O5為2.31%、K2O 為1.21%，黃腐酸≥12%、有機(jī)質(zhì)≥40%、芽孢桿菌（膠凍樣芽孢桿菌+巨大芽孢桿菌）≥0.5 億cfu/g，購(gòu)自山東泉林嘉有機(jī)肥料有限責(zé)任公司。

1.3 土壤取樣

于2021年10月馬鈴薯收獲前一周，利用5點(diǎn)取樣法采集0～20 cm 土壤樣品，采集后立即通過(guò)便攜式冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm 篩后一部分置于2～8 ℃冰箱，用于土壤微生物功能的測(cè)定；一部分陰干，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

土壤速效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量和pH值分別采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法、堿解擴(kuò)散法、NH4Ac 浸提-火焰光度法、K2Cr2O7-外加熱法和水土比法（1∶5）測(cè)定[25]。

利用Biolog法進(jìn)行土壤微生物群落碳源代謝功能多樣性分析。稱(chēng)取相當(dāng)于5.0 g 風(fēng)干土質(zhì)量的新鮮土樣，依據(jù)劉亞軍等[26]的提取步驟，在28 ℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)接種，利用讀板儀在波段590 nm 處每24 h 讀數(shù)1 次，連續(xù)讀數(shù)培養(yǎng)至168 h。土壤微生物群落功能采用平均顏色變化率（AWCD）、Shannon指數(shù)（H）、Simpson 指 數(shù)（Ds）、McIntosh 指 數(shù)（E）、Richness（R）來(lái)表征。其中，豐富度指數(shù)是指被利用的碳源的總數(shù)目（R=S）。其他計(jì)算公式[27]：

式中，A0為對(duì)照孔的吸光值；Ai為第i個(gè)培養(yǎng)基孔的吸光值；Pi為第i個(gè)培養(yǎng)基孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)平板相對(duì)吸光值總和的比率；S為發(fā)生顏色變化孔的數(shù)目。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與計(jì)算，利用SPSS 17.0 以新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，利用Canoco 5.0 進(jìn) 行 冗 余 分 析（Redundancy analysis，RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)甘薯土壤養(yǎng)分及pH值的影響

由圖1可知，與單施化肥、秸稈還田不施肥或單施生物有機(jī)肥相比，化肥與有機(jī)肥配施處理的土壤養(yǎng)分含量整體上更高。土壤速效磷、速效鉀含量表現(xiàn)為T(mén)6>T4>T1>T5>T3>T2。其中，T6 處理速效磷、速效鉀含量較其他處理分別顯著提高9.27%～31.80%、3.97%～18.54%。土壤速效氮含量整體表現(xiàn)為T(mén)6>T4>T5>T1>T3>T2。其中，T6 處理較其他處理顯著提高5.79%～28.06%；T4 處理顯著高于除T6處理外的其他處理；T2處理顯著低于其他處理。土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為T(mén)6>T4>T3>T1>T5>T2。其中，T6 處理較T1、T2、T5 處理分別顯著提高6.56%、11.21%、6.86%，而與T3、T4 處理均無(wú)顯著性差異。T4處理pH 值最高，較T2處理顯著提高1.25%，與其他處理均無(wú)顯著性差異。

圖1 不同施肥處理甘薯土壤養(yǎng)分含量和pH值的變化Fig.1 Changes of soil nutrient content and pH value of sweetpotato under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對(duì)甘薯土壤微生物AWCD值的影響

AWCD 值是反映土壤微生物對(duì)單一碳源利用強(qiáng)度的重要指標(biāo)。AWCD 值越高，碳源利用活動(dòng)越強(qiáng)[28]。由圖2 可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同施肥處理甘薯土壤微生物碳源利用能力總體呈不斷上升趨勢(shì)。培養(yǎng)0～24 h 時(shí)，除T6 處理增長(zhǎng)較快外，其他處理變化均不明顯；培養(yǎng)24～48 h 時(shí)，T4、T6 處理AWCD 值快速增長(zhǎng)，其他處理增長(zhǎng)緩慢；培養(yǎng)48～120 h 時(shí)，不同處理AWCD 值均快速增長(zhǎng)，此時(shí)期為土壤微生物代謝旺盛時(shí)期；培養(yǎng)120～168 h 時(shí)，AWCD 值漸趨于平穩(wěn)，此時(shí)期土壤微生物代謝穩(wěn)定。培養(yǎng)120 h 時(shí)，各處理AWCD 值表現(xiàn)為T(mén)6>T4>T5>T3>T1>T2。其中，T6 處理AWCD 值較其他處理提高0.17～1.72倍；T4處理AWCD值高于T1、T2、T3、T5處理，但明顯低于T6處理。

圖2 不同施肥處理甘薯土壤微生物群落的AWCD值Fig.2 AWCD value of soil microbial communities of sweetpotato under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理對(duì)甘薯土壤微生物碳源利用能力的影響

由圖3可知，與單施化肥、秸稈還田不施肥或單施生物有機(jī)肥相比，化肥與有機(jī)肥配施能夠提高土壤微生物群落對(duì)各類(lèi)碳源的利用能力。其中，土壤微生物對(duì)多聚化合物、碳水化合物、芳香化合物以及氨基酸的利用能力表現(xiàn)出顯著差異。T6 處理對(duì)多聚化合物、碳水化合物、氨基酸的利用能力較其他處理分別顯著提高12.75%～74.24%、5.71%～131.25%、20.65%～177.50%。其中，T6 處理對(duì)多聚化合物的利用能力顯著高于T2、T3、T5 處理，對(duì)碳水化合物的利用能力顯著高于T1、T2 處理，對(duì)氨基酸的利用能力顯著高于T1、T2、T3 處理。T4 處理對(duì)芳香化合物的利用能力較其他處理提高10.98%～145.95%，顯著高于T1、T2、T3、T5處理，但與T6處理相比無(wú)顯著性差異。不同施肥處理對(duì)羧酸化合物、胺類(lèi)化合物的利用能力均無(wú)顯著性差異。

圖3 不同施肥處理甘薯土壤微生物群落對(duì)六大類(lèi)碳源的利用能力Fig.3 Utilization capacity of six types of carbon sources by soil microbial community of sweetpotato under different fertilization treatments

2.4 不同施肥處理對(duì)甘薯土壤微生物功能多樣性的影響

H、Ds、E、R 分別反映土壤微生物的相對(duì)多度、常見(jiàn)物種數(shù)目、均勻程度以及碳源利用豐富度，可用來(lái)指示土壤微生物群落對(duì)各類(lèi)碳源的利用程度[4]。選取代謝活動(dòng)較快時(shí)（培養(yǎng)至120 h）各處理的AWCD 值進(jìn)行土壤微生物群落功能多樣性分析后發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理甘薯土壤微生物群落功能多樣性存在一定差異。由圖4 可知，各處理土壤微生物H、R 均表現(xiàn)為T(mén)6>T4>T3>T5>T2>T1。其中，T6處理H 較T1、T2 處理分別顯著提高36.41%、30.05%；T4 處 理H 較T1、T2 處 理 分 別 顯 著 提 高30.43%、24.35%；T6 處理R 較其他處理顯著提高12.66%～57.65%；T1 處理R 顯著低于其他處理。土壤微生物E 表現(xiàn)為T(mén)6>T2>T4>T3>T5>T1。其中，T6處理較其他處理顯著提高28.29%～71.39%；T1 處理最低。土壤微生物Ds表現(xiàn)為T(mén)3>T1>T5>T2>T4>T6。其中，T3 處理較其他處理提高13.23%～88.34%，顯著高于T4、T6處理。

圖4 不同施肥處理甘薯土壤微生物多樣性指數(shù)的變化Fig.4 Changes of soil microbial diversity index of sweetpotato under different fertilization treatments

2.5 不同施肥處理甘薯土壤微生物碳源代謝功能與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析不同施肥處理甘薯土壤微生物群落功能多樣性的差異，利用土壤微生物群落碳源利用能力、多樣性指數(shù)和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行RDA分析。由結(jié)果（圖5a）可知，排序軸1（37.82%）、排序軸2（9.65%）能夠在累積貢獻(xiàn)率47.47%水平上解釋不同施肥處理土壤各養(yǎng)分含量對(duì)土壤微生物群落碳源利用能力的影響。圖中各處理點(diǎn)空間位置比較分散，說(shuō)明不同施肥處理對(duì)甘薯土壤微生物碳源利用能力產(chǎn)生不同影響。羧酸類(lèi)化合物、多聚化合物、碳水化合物、芳香化合物、氨基酸AWCD 值與土壤速效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量以及pH 值均呈正相關(guān)關(guān)系；胺類(lèi)化合物AWCD 值與速效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，土壤速效磷（貢獻(xiàn)率35.3%）為主要驅(qū)動(dòng)因子，說(shuō)明外源速效磷的攝入會(huì)促進(jìn)以各類(lèi)化合物為碳源基質(zhì)的土壤微生物代謝強(qiáng)度，而土壤pH 值的升高會(huì)抑制土壤微生物對(duì)胺類(lèi)化合物的利用能力。

由 圖5b 可 知，排 序 軸1（39.05%）、排 序 軸2（0.53%）能夠在累積貢獻(xiàn)率39.58%水平上解釋不同施肥處理土壤各養(yǎng)分含量對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的影響。H、E、R 與土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀含量呈正相關(guān)關(guān)系，與pH 值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；Ds 與土壤速效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量以及pH 值均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，土壤速效氮（貢獻(xiàn)率23.4%）、有機(jī)質(zhì)（貢獻(xiàn)率15.7%）為主要驅(qū)動(dòng)因子。說(shuō)明外源速效氮、有機(jī)質(zhì)的攝入會(huì)促進(jìn)土壤微生物群落的H、E、R，抑制微生物的Ds。由此說(shuō)明，不同施肥處理甘薯土壤微生物碳源代謝功能與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)。

圖5 不同施肥處理甘薯土壤微生物的碳源利用能力（a）、多樣性指數(shù)（b）與土壤環(huán)境因子間的RDA分析Fig.5 RDA of carbon source utilization capacity（a），diversity index（b）of soil microorganisms and soil environmental factors under different fertilization treatments

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，小麥—甘薯輪作條件下80%化肥+生物有機(jī)肥+秸稈還田配施（T6）時(shí)，甘薯土壤速效磷、速效氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量均為最高值。其中，T6處理土壤速效磷、速效氮、速效鉀含量較其他處理分別顯著提高9.27%～31.80%、5.79%～28.06%、3.97%～18.54%；T6 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較單施化肥（T1）、秸稈還田不施肥（T2）以及80%化肥+秸稈還田配施處理（T5）分別顯著提高6.56%、11.21%、6.86%；T6 處理pH 值較80%化肥+生物有機(jī)肥配施處理（T4）明顯降低。秸稈還田不施肥處理（T2）土壤各養(yǎng)分含量均顯著低于T6 處理。秸稈含有豐富的氮磷鉀等元素，還田后經(jīng)過(guò)土壤微生物的礦化作用能夠釋放氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素供作物吸收利用[32]。生物有機(jī)肥富含多種碳源可滿足土壤微生物代謝活動(dòng)，能夠提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與分解效率[33?35]。而作物前期生長(zhǎng)需要較多養(yǎng)分，秸稈還田不施肥處理（T2）與單施生物有機(jī)肥處理（T3）養(yǎng)分釋放較慢不能滿足作物根系的吸收與利用，從而表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分含量低于其他施肥處理?；蕼p量與生物有機(jī)肥和秸稈配施（T6）不僅能夠及時(shí)供給作物前期生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，還能夠利用秸稈還田后疏松質(zhì)地，增加土壤含氧量，有利于土壤微生物生存繁殖。生物有機(jī)肥不僅能夠提供豐富的有機(jī)質(zhì)，還可以利用其腐解后生成的腐殖質(zhì)增加土壤孔隙度，改變水氣比例，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，緩解土壤板結(jié)與酸化，從而促進(jìn)土壤微生物群落代謝活動(dòng)，增加土壤養(yǎng)分分解與轉(zhuǎn)化效率[29，36]。

無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施能夠提高甘薯土壤微生物群落碳源代謝能力，增加土壤微生物的相對(duì)多度、均勻程度以及碳源利用豐富度。這與徐江兵等[30]、何翠翠等[19]、理鵬等[31]的研究較為一致。其中，T6處理土壤微生物對(duì)多聚化合物、碳水化合物、氨基酸的利用能力較其他處理分別顯著提高12.75%～74.24%、5.71%～131.25%、20.65%～177.50%；土壤微生物H、E、R 較其他處理均有不同程度的提高。這是因?yàn)榛蕼p量與生物有機(jī)肥和秸稈配施時(shí)，無(wú)機(jī)肥能夠較快地釋放養(yǎng)分，及時(shí)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量；還能夠利用生物有機(jī)肥以及通過(guò)小麥、甘薯秸稈腐解后增加土壤碳源的種類(lèi)及數(shù)量，促進(jìn)土壤微生物繁殖，提升土壤微生物群落代謝活動(dòng)能力，從而使土壤微生物群落功能多樣性發(fā)生較大變化[32?37]。此外，土壤微生物群落對(duì)各類(lèi)碳源的利用能力以及多樣性指數(shù)與土壤環(huán)境因子間呈現(xiàn)不同的關(guān)聯(lián)性。其中，土壤速效磷（貢獻(xiàn)率35.3%）為碳源利用的主要驅(qū)動(dòng)因子，土壤速效氮（貢獻(xiàn)率23.4%）、有機(jī)質(zhì)（貢獻(xiàn)率15.7%）為多樣性指數(shù)的主要驅(qū)動(dòng)因子。由此可知，無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施能夠明顯提高土壤養(yǎng)分含量、微生物碳源代謝能力以及功能多樣性指數(shù)，且土壤微生物群落代謝功能變化與土壤養(yǎng)分間具有緊密相關(guān)的聯(lián)系。然而由于Biolog技術(shù)不能反映生長(zhǎng)緩慢與不可培養(yǎng)的微生物，需要利用分子生物學(xué)手段進(jìn)一步研究。