集中施入有机肥后土壤微生物数量的空间动态变化

罗莉，何倩，李俊华，张福，苗柯情

（新疆兵团绿洲生态农业重点实验室/石河子大学农学院，石河子 832003）

土壤微生物是一个庞大的群落，有着丰富的物种多样性，其中包括能分解有机碳的细菌、真菌和放线菌等。除土著微生物外，人类或动物的某些活动，如有机肥、生物肥料、粪便的投入等均能影响土壤微生物的数量和群落结构[1-2]。而不同的施肥方式不仅会影响到土壤的物理和化学性质而且会影响土壤微生物的生物量、呼吸作用及结构多样性[3-6]。有机肥的集中施入则会使有机肥周边的土壤在很多方面上的性质与整个土体产生巨大的差异，也就是“肥际微域”效应[7]，使得土壤微生物群落结构发生变化，影响到微生物在土体内的代谢活动。而有机肥施入土壤后并不能立即使土壤生物碳发生变化，需要长时间才能通过微生物的代谢改变其C/N。

在集中施入肥料后土壤氮、磷、钾等营养元素的移动及转化的研究均有报道[8-10]，而关于微生物的空间变化报道不多[11]，对微生物的空间动态变化的研究更少。本研究以新疆石河子连作棉花土壤为供试材料，采用土柱模拟法，研究鸡粪的2种集中施肥方式（穴施、条施）及2种对照施肥方式（不施肥、均匀施肥）下土壤微生物数量的空间动态变化，以期为农田生产提供科学的施肥模式，为土壤的可持续利用提供更科学的依据。

1 材料与方法

1.1 材料

于2014年4月22日-5月11日在石河子大学农学院试验站温室进行。供试土壤采自石河子大学农学院试验站，地处北纬44°18′54〞、东经86°03′13〞，海拔 460 m。

土壤类型为灰漠土，有机质16.19 g/kg，全氮1.06 g/kg，全磷 0.93 g/kg，速效氮 80.1 mg/kg，速效磷25.6 mg/kg，速效钾238.7 mg/kg。供试有机肥为鸡粪（石河子市天业工业园区宏新生物科技有限公司提供），有机质含量31.9%，N 1.6%，P2O51.3%，K2O 1.7%，pH值 7.36。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

本研究采用土柱实验，设置4个施肥处理：不施肥（CK）、均匀施肥（U）、穴施（S）和条施（B），每个处理设置18个重复。其中以不施肥和均匀施肥作为对照，以穴施和条施作为集中施肥处理。

供试土壤经风干后，过5 mm筛备用，每个土柱内装入风干土34 kg。有机肥的施用量均为0.44 g/kg（干基），将穴施的肥料装入直径5 cm，高10 cm的圆柱内（400目的尼龙网制成）。将条施的肥料装入长13 cm，宽1.5 cm，高 10 cm的长方体内（400目的尼龙网制成），圆柱与长方体体积大小相同。

所用培养容器为PVC管，内径30 cm，高50 cm，纵向分为两半后用铁丝固定，胶带密封其缝隙，底部用60目的尼龙网封住后摆在盆中。先将风干土分5次均匀倒入土柱内，每次加入等量的水，使土体水分含量为土壤最大田间持水量的70%，装土至距管口10 cm位置（土体高40 cm，土体容重1.2 g/cm3）。均匀施肥处理是将有机肥先与2 kg的土壤混匀后再与剩下的土混匀后装入土柱，集中施肥处理是在土装至土柱1/2（25 cm）的位置时，在土柱中心位置放置肥料袋，肥料袋先由高出土柱的圆柱状和条形物体固定位置后继续装土加水，完成装土后将固定物取走，覆土即可。

土柱培养时间30 d，期间水分控制在田间持水量的70%-90%，低于此范围及时补充水分。分别在处理后的5、10和30 d采样，每次每个处理取3个土柱进行采样。采样垂直方向上分3个位置：10 cm（距土表 9-11 cm）、20 cm（距土表 19-21 cm）、35 cm（距土表 34-36 cm），水平方向上分3个位置：2 cm（距肥料袋1.5-2.5 cm）、5 cm（距肥料袋 4.5-5.5 cm）、10 cm（距肥料袋 9.5-10.5 cm）。采样位置如图1所示，均匀施肥的按穴施采样法采样。采样方式是先切出垂直的3层，再在每层上用环状或长形的刀片切下不同水平位置的土样。

图1 采样示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling

采回的土壤置于-20℃保存，供平板计数使用。细菌、真菌和放线菌的数量分别用牛肉膏蛋白胨培养基、虎红琼脂培养基和改良高氏一号培养基[12]，黑暗条件下28℃分别培养1、2和4 d。同时测定土壤样品含水量，以每克干土中菌落数量表示，单位是cfu/g。

1.2.2 数据分析

选择符合要求的稀释梯度数据，进行计算，土壤微生物数量的计算公式：

菌数（cfu/g）=稀释平板上的菌落数（cfu）×稀释倍数 /干土质量（g）。

采用EXCEL和SPSS 22.0对所得数据进行统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 施肥方式对土壤细菌数量空间动态的影响

由图2可见，在所有垂直位置和水平位置的土壤细菌数量施用鸡粪处理均显著高于不施鸡粪处理，说明鸡粪显著促进了细菌的繁殖。不同施肥方式细菌数量存在显著差异，其中，处理后5和10 d，垂直10 cm位置细菌数量均为S>B>U>CK，垂直20 cm位置的分别为S>B>U>CK和B>S>U>CK，垂直35 cm位置则是U>B>S、CK；处理后30 d的各垂直位置处理间差异不显著。集中施肥处理对垂直35 cm位置土壤细菌影响小，而均匀施肥能促进细菌数量增加。施用鸡粪对土壤细菌数量的影响是随着时间的变化呈现先升高后降低的趋势，处理后30 d集中施入鸡粪的影响已经不显著。其中在垂直10 cm位置，处理5 d后集中施肥处理的水平2 cm细菌数量显著高于水平5和10 cm，较均匀施肥增加73.4%-124.8%，较不施肥增加208.4%-317.7%；处理10 d后集中施肥处理的水平2 cm细菌数量显著高于水平5和10 cm，较均匀施肥增幅86.8%-117.0%，较不施肥增幅203.9%-302.4%；处理30 d后集中施肥处理与均匀施肥的差异不显著。在垂直20 cm位置与10 cm处理间规律一致。

图2 施肥方式对土壤细菌数量空间动态的影响Fig.2 Effect of fertilization methods on the spatial dynamics of soil bacteria number

2.2 施肥方式对土壤真菌数量空间动态的影响

土壤中真菌个体数量在103-105cfu/g，但真菌的生物量最大，其在土壤物质循环中起着极为重要的作用。土壤真菌的许多类群能够分解纤维素、半纤维素和木质素等难分解的物质。由图3可见，处理后5 d各垂直位置和各水平位置的土壤真菌数量施用鸡粪处理均显著高于不施鸡粪处理，说明施用鸡粪的前期显著促进了真菌的繁殖。不同施肥方式真菌数量存在显著差异，其中，处理后5和10 d，垂直10和20 cm位置真菌数量均为S、B>U>CK，垂直35 cm位置则是U>B>S和CK；处理后30 d的各位置真菌数量较前2次有所减少，处理间差异不显著。说明集中施肥处理下，距离肥料越近越促进真菌的繁殖，而在远离肥料的垂直35 cm位置则已超过集中施肥的作用范围，故均匀施肥的真菌数量较高。且可以看出施用鸡粪对土壤真菌数量的影响是随着时间的逐渐降低，到处理后30 d集中施入鸡粪对其影响已不显著。其中在垂直10 cm位置，处理5 d后集中施肥处理的水平2 cm真菌数量显著高于水平5和10 cm，且较均匀施肥增加30.9%-43.9%，较不施肥增加171.1%-264.3%；处理10 d后集中施肥处理的水平5 cm真菌数量显著高于水平2和10 cm，较均匀施肥增加7.4%-29.7%，较不施肥增加152.8%-223.4%；处理30 d后集中施肥处理的水平2 cm真菌数量显著高于水平5和10 cm，集中施肥处理与均匀施肥的差异不显著。在垂直20 cm位置与10 cm位置处理间规律一致。

图3 施肥方式对土壤真菌数量空间动态的影响Fig.3 Effect of fertilization methods on the spatial dynamics of soil fungi number

2.3 施肥方式对土壤放线菌数量空间动态的影响

土壤中放线菌的数量仅次于细菌，其在土壤有机化合物的分解和土壤腐殖质合成的过程中起着重要作用。由图4可见，与土壤细菌数量类似，在所有垂直位置和水平位置的土壤放线菌数量施用鸡粪处理均显著高于不施鸡粪处理，且在处理间放线菌的数量也存在显著差异，其中，处理后的垂直10和20 cm位置放线菌数量均为S、B>U>CK，垂直35 cm位置则是U>B、S>CK。且可以看出施用鸡粪对土壤放线菌数量的影响是随着时间的变化呈现先升高后降低的趋势。其中在垂直10 cm位置，处理5 d后集中施肥处理的水平2 cm细菌数量显著高于水平5和10 cm，且较均匀施肥增加44.0%-97.0%，较不施肥增加215.6%-311.9%；处理10 d后集中施肥处理的各水平位置的放线菌数量均高于均匀施肥，增幅39.0%-67.8%，较不施肥增加103.4%-166.8%；处理30 d后集中施肥处理的水平2和5 cm细菌数量显著高于水平10 cm，且较均匀施肥增加101.6%-202.2%，较不施肥增加136.1%-188.5%。在垂直20 cm位置与10 cm位置处理间规律一致。

3 讨论

目前，对营养斑块研究多集中在以化肥形成的营养斑块对作物的产量效应[13]，根系生长状况及养分吸收方面[14]，而涉及有机肥形成的营养斑块对土壤微生物的研究较少，其中有机肥形成的营养斑块对土壤微生物的空间分布的动态变化研究则更少，因此研究集中施入有机肥对土壤微生物空间分布的影响，有利于明确有机肥营养斑块对土壤微生物的空间驱动机制，以期为农田生产提供科学的有机肥施肥模式，为土壤的可持续利用提供更科学的依据。

喻田甜等[15]和田小明等[16]的研究结果与本研究结果一致，认为施用有机肥可以显著促进土壤细菌、真菌和放线菌数量的繁殖。同时，喻田甜指出有机肥的肥际对土壤微生物的影响范围是很有限的，肥料在土柱中培养40 d后对土壤微生物的影响范围仅为0-2 cm。丁永亮[17]认为在秸秆的腐解过程中，施肥后5-10 d土壤的呼吸强度最高，脲酶和蔗糖酶活性最大。此结论与本研究的结果一致，即：集中施入有机肥后土壤细菌、真菌和放线菌数量的显著高于均匀施入有机肥和不施肥且菌量最高的时间在5-10 d相一致。而Anita等[18]认为土壤添加牛粪冲洗废液（含水量93%）之后，在处理后2-4 d土壤微生物生长曲线即可出现最大值，并随着时间的推移逐渐减小，此结论比本研究的结论提前几天，这可能是由于土壤微生物更迅速分解了牛粪冲洗废液带入的有机物造成的。

土壤微生物在空间上的分布受土壤温度，水分，空气和容重等多种自然因素影响[19]，同时也受人为因素影响，如耕作及施肥造成的耕层土壤养分充足，空气水分适宜，使得微生物活动更为频繁。本研究表明，垂直20 cm位置的土壤微生物数量整体高于垂直10和35 cm位置，与以往对土壤微生物在垂直方向上的研究结论[20-21]有所不同，可能是由于本研究是以土柱模拟的方式进行的，与自然土体有本质的区别，土柱内的土壤是经过充分混匀后分装而成[13]，土体的水分也经过严格控制，故土柱内土壤的容重、养分等均相同，土壤微生物数量主要受集中施入有机肥后产生的影响。土壤微生物数量在水平上的分布则是以在距离肥料2-5 cm处最高，此结论与前人[14，22]研究结论一致。

为了更好的了解有机肥营养斑块对土壤微生物的空间驱动机制，本研究已对微生物数量的分布做出了较为详尽的分析，但对于土壤微生物的区系及丰度的分析还有待进一步研究。

4 结论

集中施入鸡粪较均匀施用和不施肥可以显著促进土壤细菌、真菌和放线菌的数量。土壤细菌和放线菌数量随着时间的变化先升高后降低，在处理后10 d达到最大值，真菌数量则是逐渐降低的，在处理后30 d各施肥方式间微生物数量差异不显著。在空间上集中施肥垂直10和20 cm位置受肥料的影响较显著，35 cm位置影响较小；水平方向上以距肥料较近的2-5 cm位置的微生物数量高于离肥料较远的10 cm位置。

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