秸秆还田配施有机无机肥料对冬小麦土壤水氮变化及其微生物群落和活性的影响

公华锐,李 静,*,马军花,侯瑞星,张旭博,欧阳竹

1 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 1001012 中国科学院大学,北京 100049

2016年,我国农作物种植面积到达1.6亿hm2,粮食产量达到61623.9万t[1]。伴随着作物产量的提高,农作物秸秆产量大幅提高[2],据统计,2015年我国主要农作物秸秆理论资源量为10.4亿t,秸秆综合利用效率达到80.1%[3]；在我国“十三五”规划期间,计划将秸秆综合利用效率提高到85%以上。目前秸秆利用的方式也由原来的以饲料化为主转型为以肥料化为主,秸秆还田在土壤中的腐解过程会对土壤酶活性、土壤微生物群落产生的一定的影响[4]。微生物肥料是以活性微生物为主体,并通过微生物的生命活动及其产物对作物生长产生影响[5],在秸秆还田的基础上配施微生物肥料,在保证土壤肥力的同时促进秸秆腐熟,且在短期内对土壤微生物群落以及土壤理化性质的影响显著。土壤微生物作为土壤质量变化最敏感的指标[6],能直接反应土壤的健康情况,因此,研究秸秆还田配施微生物肥料下对冬小麦土壤微生物群落功能以及水氮条件的变化,对冬小麦-夏玉米体系下提高秸秆还田的利用效率,降低化肥施用比例,保持土壤的可持续耕作具有重要意义。大量研究[7- 9]已经证实相对于化肥,秸秆还田增加了土壤中有机质含量以及酶活性等。Zhao等[10]基于冬小麦-夏玉米轮作体系上的长期试验结果得出,相对于秸秆不还田,秸秆还田增加了总磷脂脂肪酸(PLFA)含量,提高了细菌与真菌的丰度,且还田量越高,对微生物群落结构的影响越显著；李晓莎等[11]认为秸秆还田在深松的耕作模式下土壤微生物活性显著高于常规耕作模式；甄丽莎等[12]以秸秆还田配施肥为研究对象,结果得出在秸秆还田配施有机肥相对于施用化肥,没有提高土壤酶活性以及土壤可利用养分的含量。同时,传统的秸秆还田无论配施化肥还是有机肥,均是利用土壤本身的微生物进行分解,且分解速率较慢；目前外源微生物菌剂在秸秆还田的促腐环节中得到越来越广泛的运用[13],在加速秸秆腐解的同时,也能在短时间内迅速调节土壤微生物结构及土壤酶活性,改善土壤理化性质。Liebich等[14]试验结果表明,不同菌群施用到玉米秸秆后,对土壤有机质组分影响不显著,但能够促进秸秆腐解的菌群,对土壤微生物群落结构的影响显著,且同样影响了土壤本身的功能；钱海燕等[15]的研究中表明秸秆还田配施微生物菌剂对转化酶活性、真菌、纤维素分解菌的增长效果显著,配施化肥对细菌、放线菌以及脲酶、过氧化氢酶活性的增长效果显著。综上,前人的研究多集中在秸秆还田配施不同肥料对土壤理化性质或微生物群落的单方面影响,本文基于微生物群落中较高的多样性会促进土壤肥力提升的假设进行试验设计,从土壤肥力与土壤微生物生态两方面进行试验设计,一方面通过小麦生长过程中水氮条件的变化反应土壤地力的变化情况,另一方面通过土壤PLFA指纹特征反应土壤微生物群落结构的变化,并结合数学统计法分析两者之间的作用关系。旨在探讨秸秆还田配施微生物肥料对包括土壤基本理化条件和水氮条件的无机环境,以及包括有机碳氮、土壤酶活性、土壤微生物群落在内的有机环境的影响,为合理的秸秆还田方式与土壤可持续利用提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验设计

试验于2016年10月—2017年6月在中国科学院禹城综合试验站(116°36′E,36°57′N)进行。该区位于黄淮海平原,属暖温带半湿润季风气候区,年均气温13.1℃,年均降水量593.2 mm,其中夏季降水占全年降水68%,冬春季占15%左右,无霜期220 d。供试土壤为潮土,供试耕层土壤pH 8.0,容重1.46 g/cm3,有机质含量1.5%,全氮0.64 g/kg,全磷0.84 g/kg,全钾19.99 g/kg。图1为2016—2017年冬小麦生长季降雨量及温度状况。

图1 冬小麦生长季的降雨和平均气温Fig.1 Daily precipitation and average temperature during the winter wheat growing season

本试验在玉米秸秆7.5 t/hm2全量还田的基础上,采用单因素随机区组设计,设化肥常规用量(TF),30%减量化肥+普通有机肥(TM),30%减量化肥+微生物有机肥(TE),30%减量化肥+金水酵素微生物菌剂(TJ),30%减量化肥+微生物有机肥+金水酵素微生物菌剂(TEJ),共5个处理,3次重复,共15个小区；试验小区面积为25 m2(5 m×5 m),间距为50 cm。试验区选取前期10年以上冬小麦-夏玉米典型轮作农田为试验小区,两季秸秆还田,施肥制度与本研究正常化肥施用(TF)一致。冬小麦种植前,通过收割机直接收获玉米,同时将玉米秸秆粉碎,待秸秆晒干后采用常规旋耕还田,耕作深度为10—15 cm。

供试普通有机肥为动物粪便与植物秸秆发酵而成,其中碳氮含量分别为13.25%和1.78%；供试微生物有机肥与金水酵素,均由天津ETS生物技术有限公司提供,核心菌群为ETS菌群,其中60%为厌氧菌,40%为好氧菌。金水酵素微生物菌剂属于液态微生物农用发酵腐熟剂。

供试小麦品种为济麦22,于2016年10月18日种植,2017年6月16日收获。正常施肥使用N-P2O-K2O的复合肥,用量以氮素(N)为225 kg/hm2计算,按5∶5分基肥和拔节期追施。微生物有机肥用量按照1.78%的含氮量,根据30%化肥N用量计算,约为3 t/hm2,作为基肥底施。金水酵素用量为30 L/hm2,按照1∶150比例加水稀释,在小麦播种前喷洒在土壤表层。微生物有机肥与金水酵素均在使用化肥与灌溉前使用。

1.2 样品采集与测定

土壤微生物生物量脂肪酸标记[17]如表1所示,委托中国科学院华南植物园PLFA分析测试实验室测定。

表1 微生物生物量脂肪酸标记

1.3 数据处理

所有数据处理和分析均在Excel 2016、SPSS 23.0以及Canoco 4.5软件中进行。采用单因素方差分析进行方差分析；采用LSD法检验处理间P<0.05水平的差异显著性；采用主成分分析(PCA)检验不同处理间PLFA标记结构的差异性；采用冗余分析(RDA)来评估土壤理化环境、有机碳氮含量、土壤酶活性与土壤微生物群落结构之间的关系；采用皮尔逊相关系数分析土壤酶活性与土壤微生物群落之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤环境的变化

相对于化肥常规TF处理,施用普通有机肥及微生物有机肥pH提高了0.9%—3.5%(表2)。耕层内速效P含量以TM处理最高(26.8 mg/kg),相较于TF处理提高了17.5%,而处理TJ显著低于(16.7 mg/kg,P<0.05)其他处理相对TF下降了26.7%。此外,EC值以TM最低(0.21 ds/m),但处理间无显著差异；耕层内土壤温度处理间无显著差异；TOC含量以TF最高为0.89%。

表2 不同处理下的土壤理化性质

表中数据为平均值±标准差(n≥3),同一列数据后不同字母表示差异达5%显著水平; TF：单施化肥 Chemical fertilizer；TM：70%化肥+普通有机肥 70% chemical fertilizer plus organic fertilizer；TE：70%化肥+微生物有机肥 70% chemical fertilizer plus microbial organic fertilizer；TJ：70%化肥+微生物促腐菌剂 70% chemical fertilizer plus microbial decomposition agent；TEJ：70%化肥+微生物有机肥+微生物促腐菌剂,70% chemical fertilizer plus miacrobial organic fertilizer and microbial decomposition agent

2.2 土壤含水量变化

图2 不同处理下耕层土壤含水量变化Fig.2 Topsoil moisture under different treatments

小麦返青后的营养生长期间,处理间土壤含水量的差异不显著(图2)。在小麦开花期直到成熟收获,处理TEJ土壤含水量均为各处理的最低值(9.4%—17.6%)；在开花期TEJ与TM均低于TF的土壤含水量,以TE最高,高于TF处理13.3%；在小麦完熟期,土壤含水量仍以TE处理最高(20.5%),且显著高于(P<0.05)其他处理,其余处理间无显著差异。

2.3 土壤无机氮素含量变化

图3 不同处理下耕层土壤与含量变化Fig.3 Content of and under different treatments

2.4 土壤有机碳氮

处理间耕层MBC含量大小排序为TF>TM>TE>TJ>TEJ(图4)；其中TF处理显著高于(532.5 mg/kg,P<0.05)其他处理；MBN含量TEJ最低(25.9 mg/kg),低于其他处理38.0%—47.7%。耕层DOC含量以TE处理最高(115.1 mg/kg),高于TF处理58.8%,而TEJ耕层DOC含量低于TF处理33.7%；且处理间耕层DON含量无显著差异。

图4 不同处理对土壤有机碳氮含量的影响Fig.4 Effects of microbial fertilizers on organic carbon and nitrogen concentrationMBC：微生物碳 Microbial carbon；DOC：可溶性碳 Dissolved carbon；MBN：微生物氮 Microbial nitrogen；DON：可溶性氮 Dissolved nitrogen

2.5 土壤酶活性

耕层土壤中水解酶(βG、CBH)活性主要是在纤维素降解过程中发挥作用,并参与土壤碳的循环[18]；不同处理下耕层βG、CBH活性变化趋势一致(图5),且极显著相关(R=0.90,P<0.01),其大小排序均为TEJ>TM>TF>TE>TJ,TEJ处理βG、CBH活性分别高于TF处理29.4%、30.2%；磷酸酶反应了土壤中磷素的活化程度,而蛋白酶LAP主要参与土壤中氮素循环；磷酸酶AP活性以处理TJ最高(748.6 mmol g-1h-1),TF(659.7 mmol g-1h-1)最低,且TF与其他处理间无显著差异。耕层中LAP活性TM最低(259.5 mmol g-1h-1),低于其他处理5.1%—23.5%,其余处理间无显著差异。

2.6 土壤微生物群落结构变化

不同处理的土壤微生物PLFA特征中(图6),各处理均以细菌为主,所占有效脂肪酸比例为74.8%—82.9%；其次为真菌与放线菌。各处理PLFA总量TE最高(4733.1 ng/g),显著高于(P<0.05)TF与TEJ处理。细菌总量以TE最高,与TM、TJ均显著高于TEJ与TF；细菌中GP/GN比例,TF与TEJ处理为1.55/1.60,均高于其他三个处理(1.19—1.29)；不同处理对真菌含量的影响与其对细菌的影响相近,大小排序均为TE>TM>TJ>TEJ>TF；细菌/真菌比例TE、TM、TJ三个处理相近(6.2—6.9),TF为各处理中最高,达到10.8。ACT含量在总量中所占比例高于AMF,且受不同处理的影响与细菌、真菌相似。此外,TF处理的AMF含量显著低于TEJ处理,仅为34.6 ng/g,低于含量较高的TE、TM与TJ处理81.5%—86.7%。

图6 不同处理下土壤微生物PLFA含量Fig.6 Content of soil microbial PLFAs under different treatmentsGP:革兰氏阳性细菌 Gram-positive bacteria；GN:革兰氏阴性细菌 Gram-negative bacteria；F：真菌 Fungi；B：细菌 Bacteria；AMF:丛枝菌根真菌 Arbuscular mycorrhizae fungi；ACT:放线菌 Actinomycetes

通过PCA分析表明(图7),TM、TE、TJ土壤微生物相似,而TEJ、TF的微生物群落结构变化较大。相较施用传统化肥的TF处理,TM、TE、TJ三个处理提高了GN(17:1ω8c,18:1ω5c,18:1ω7c)的多度值,而降低了GP(i17:0)与真菌(18:2ω6c)的多度值；而TEJ处理,相对于TF提高了真菌(18:2ω6c)的多度值。

图7 不同处理下土壤微生物群落PLFA的主成分分析Fig.7 PCA of PLFAs of soil microbial communities under different treatments

2.7 相关关系

施用不同微生物肥料各处理下的土壤微生物与土壤有机环境的RDA排序分析表明(图8),第一主轴解释了66.9%的两者之间的关系,蒙特卡罗检验结果显示,所有排序轴对应的环境变量对于响应变量的解释贡献均达到统计学上的显著水平。土壤有机碳氮中DOC、MBN、DON与微生物群落相近,表现出正相关关系；TOC距离较远,表现为正相关,但并无显著关系；MBC与微生物群落表现为负相关。土壤酶中水解酶βG、CBH与微生物群落相近,表现出正相关关系,且相关性βG>CBH；而AP与GP、GN、细菌以及ACT呈正相关关系,与真菌与AMF呈负相关关系。5个处理中TM、TE两者较为接近,均与第一主轴表现为负相关；而TF、TEJ与第一主轴表现出了正相关。

图8 土壤有机环境因子及酶活性与土壤微生物群落的冗余分析Fig.8 RDA of soil microbial communities data,organic environmental variables of soil and soil enzyme activities data

图9 土壤理化环境因子与土壤微生物群落的冗余分析Fig.9 RDA of soil microbial communities data and soil physicochemical environmental variables

3 讨论

3.1 秸秆还田及施肥组合对土壤水氮变化的影响

水肥是作物生长最重要的两个限制因子,直接影响作物生长中的干物质的积累与产量的形成[19- 21]。本研究中,在小麦开花期到成熟期TE处理的土壤含水率显著(P<0.05)高于其他处理,并以TEJ处理最低；在以往的研究[22-23]中,已经证实秸秆还田能通过改善土壤结构来减少水分蒸发,提高含水量；Cong等[24]研究认为,使用微生物有机肥相对于普通有机肥提高了土壤微团粒结构,提高了土壤有机碳含量；因此微生物有机肥通过增加土壤团粒结构进一步提高土壤的保水能力。长期秸秆还田相较于常规施肥处理无机氮素下降趋势明显,需要配施化肥补充氮素[25]；本研究在秸秆还田的基础上施用化肥,返青期、拔节期,土壤无机氮素的含量均高于其他施用有机肥的处理；而在小麦生殖生长时期,TM处理的无机氮素含量较高,且施用微生物肥料并没有提高土壤中的无机氮素含量。长期试验中,有机肥能有保持土壤养分[26]；荣勤雷等[27]认为具有促腐功能的生物肥料对土壤速效养分的提升效果低于普通有机肥,且微生物菌剂的介入具有活化土壤氮素,提高氮素循环关键菌群丰度的作用[28]；本研究中,使用微生物有机肥并未提高土壤有机碳以及MBC的含量,但提高了土壤MBN与DON的含量,这与上述观点一致。

3.2 秸秆还田及施肥组合对土壤酶活性及微生物群落结构的影响

土壤酶活性以及微生物群落结构是评价土壤肥力的重要指标之一,秸秆还田后的土壤环境变化较大,对土壤酶活性以及微生物群落结构的影响同样显著[8,11]。βG、CBH等水解酶是土壤中碳素转化循环的重要参与者,与可溶性碳以及腐殖质呈正相关关系[29- 30],本研究中TM、TE处理显著提高了土壤βG、CBH活性,同时两处理下DOC含量高于其他处理,与上述研究结果一致。AP与LAP活性处理间无显著差异；在荣勤雷等[27]研究中,同样发现有机肥与化肥未对土壤磷酸酶的影响存在差异；Cenini等[31]研究结果得出土壤LAP活性与MBN以及有机氮素含量呈现正相关关系,但本研究中处理间与MBN与DON存在显著差异,仍需进一步探讨参与氮素循环的酶活性与土壤中氮素含量的关系。

同时,本研究中相比化肥,施用有机肥增加PLFA的总数量以及细菌与真菌数量,提高了微生物多样性指数。Zhang等[32]的研究中得出,秸秆还田改变了土壤微生物菌落结构,提高了细菌的丰度,且在PCA分析中,认为真菌的负载量(18:2ω6,9c)最高,本研究中真菌(18:2ω6C)在PCA分析中在第一主轴上同样有较高的多度值,但细菌的多度值高于真菌,这与上述研究不符。本研究中并未对细菌的种群进行探讨,但在细菌PLFA总量上,施用微生物有机肥的处理下最高,这与上述观点基本相符。此外,本研究中施用有机肥相较施用化肥,降低了GP/GN比；GP菌群相对于GN更能适应养分胁迫环境[33],GP/GN比的下降也在一方面反应了秸秆还田配施有机肥处理下,土壤养分环境更优化。

此外,本研究中微生物有机肥与金水酵素的组合使用,与单独使用相比,显著降低了土壤βG、CBH活性,显著减少了土壤中PLFA总量与细菌PLFA数量,同时该处理下土壤有机碳氮的含量也较低,可以认为是土壤环境因子的变化进而影响了土壤酶活性及微生物菌群。有报道[32]认为氨氧化细菌在有机环境中富集时加剧了土壤氮素的流失,从而影响了土壤微生物的生存环境；但具体对于ETS菌群的研究尚属空白,仍需进一步探讨。

3.3 土壤微生物群落、土壤酶活性与土壤环境因子的关系

土壤酶与微生物共同作用参与土壤中C、N的流动与循环,在本研究中,βG、CBH活性与土壤微生物群落表现出了显著相关性,而LAP与真菌表现出了负相关；βG、CBH降解纤维素而产生的糖类是土壤微生物的主要能量来源,因此两者关系密切；也有研究[29]认为LAP作为参与氮素循环的酶与微生物群落数量也存在正相关关系；这与本研究不符,由于特定的氮酶种类复杂,LAP并不能完全反应土壤氮酶活性的变化,仍需通过氨基葡萄糖苷酶(NAG)等继续探讨。土壤中TOC对微生物群落具有显著影响,能够为土壤微生物提供充足的碳源[34-35],这与本研究中RDA分析所呈现的结果一致；但在一些研究[36]中,认为土壤MBC与土壤微生物群落也存在着正相关关系,而本研究中,相比MBC对土壤微生物的影响,MBN与DON对土壤微生物群落的影响更显著；主要是由于MBC与其他环境因子存在多重共线性,受外源环境影响变动较大,并且也没有与碳素循环中的土壤酶活性表现出相关性。土壤中理化环境因子中,土壤含水量与土壤微生物群落存在着正相关,这与前人研究[37]一致；同时,相比硝态氮,铵态氮与土壤微生物群落的相关程度更高,Giagnoni等[38]研究得出,不同的氮源形态对玉米根际微生物群落组成影响显著,马宗斌等[39]认为不同作物基因型的差异,也会导致土壤微生物对氮素形态的响应差异。

4 结论