菜薹尾菜原位还田对下季土壤微生物功能多样性的影响

徐大兵，谢媛圆，佀国涵，袁家富，赵书军

（农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室/湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉430064）

近年来，中国蔬菜种植面积和产量逐年增加，2016年播种面积达2 232.8万hm2，总产量7.98亿t，其中湖北省总产量达4 002万t，占全国蔬菜总产量的5.04%［1］。随着蔬菜产量的增加，尾菜处理问题逐渐凸显出来。2016年中国尾菜量近2.92亿t［2］，其中湖北省尾菜量146万t，可资源化利用尾菜117万t，氮磷钾养分储量为氮（N）5.20万t、磷（P2O5）2.91万t、钾（K2O）4.46万t，数量巨大，因此，如何合理利用尾菜资源是目前湖北省乃至全国亟待解决的问题［3，4］。

与堆肥或简易堆沤或沼气等方式处理尾菜相比，原位还田成本较低［5，6］。蔬菜尾菜具有较低C/N值（平均11.04）和较高的含氮量（平均3.45%），易被微生物分解和矿化［2］。胡国平等［7］研究发现尾菜还田可以降低土壤硝态氮的淋失。相比尾菜堆肥化过程的研究，原位还田后对土壤环境的影响研究相对较少［8］。因此，在尾菜量逐年剧增的大背景下，人们对原位还田技术也会越来越关注，特别是对下季作物生长和土壤环境的影响，需要相关领域的学者进行深入长期的观察研究。因此，本研究以红菜薹尾菜为原料，研究红菜薹尾菜原位还田后对下季四季豆种植土壤活性碳氮和微生物碳源利用能力的影响，以期为红菜薹尾菜原位还田对土壤环境的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于湖北省武汉市蔡甸区永安镇高新村（东经113°57′16.96″，北纬30°25′23.66″），是以垄岗为主体的丘陵性湖沼平原，属北亚热带季风性气候，年平均气温为17.1℃，年降水量为1 302.4 mm，日照为1 639.3 h。

1.2 材料

1.2.1 供试土壤供试土壤类型为潮土，0~20 cm土层基本理化性质：pH 6.70，有机质27.6 g/kg，碱解氮134.5 mg/kg，速效磷34.6 mg/kg，速效钾167.5 mg/kg。

1.2.2 供试作物供试作物为四季豆，品种为架豆。

1.3 试验设计

试验于2018年4—6月进行，设置3个处理，处理1，不还田，常规施肥，75 kg复合肥（15-15-15），计作CK；处理2，菜薹全部还田，计作FS；处理3，菜薹全部还田+在常规施肥的基础上化肥减施30%，计作FS-30N。各处理具体施肥量见表1，尾菜和70%复合肥作基肥，30%复合肥于开花结果时穴施追肥。洪山菜薹新鲜资源量50 250 kg/hm2，含水量89.53%，干物质量5 261 kg/hm2，氮、磷、钾养分含量分别为2.81%、0.42%和4.37%。

表1 不同处理施肥量 （单位：kg/hm2）

每个处理重复3次，随机区组排列。小区面积为4 m×10 m=40 m2。菜薹收获后，采取旋耕的方式还田。在还田旋耕前施750 kg/hm2生石灰消毒杀菌。

1.4 样品采集与测定

尾菜还田后分别于10、20、30、45、60 d采集0~20 cm土层新鲜土壤样品，一部分用于Biology和硝态氮分析；一部分风干后用于活性有机碳分析。

1.4.1 硝态氮测定250 mL三角瓶中加入10.0 g新鲜土壤，加入50 mL 2 mol/L氯化钾溶液，25℃振荡30 min，定量滤纸过滤后滤液备用，取2 mL滤液去离子水定容至50 mL，625 nm和220 nm或275nm波长下比色测定，计算硝态氮含量。

1.4.2 土壤活性有机碳测定采用重铬酸钾外加热法，称取风干土0.10 g左右，加入10 mL 0.2 mol/L（1/6 K2Cr2O7-1/3 H2SO4，水∶酸=3∶1）混合液，130~140℃烘箱内共煮5 min，用标准0.05 mol/L FeSO4滴至砖红色。

1.4.3 Biology测定无菌操作称取10 g新鲜土置于100 mL灭菌生理盐水中，150 r/min振荡机振荡15 min。吸取1 mL稀释液加入9 mL无菌缓冲液的试管中，配制成10-2的稀释液，同此法配制成10-3的稀释液。将10-3的稀释液倒入灭菌的V型槽中，用8通道加样器向BIOLOG孔板各孔中分别添加150 μL稀释后的悬液。每个土壤样品3次重复。25℃恒温培养，在24、48、72、96、120、144、168 h后使用BIOLOG EMAX读板仪读取各孔在590 nm处的吸光度［9］。

1.5 数据分析

本研究采用平均颜色变化率（Average well color development，AWCD）在144 h的 数 据 计 算Biolog-ECO生态板中土壤微生物的群落代谢类型，用31个孔的AWCD表示微生物代谢的整体活性，土壤微生物群落多样性指数包括物种丰富度指数（H）、均匀度指数（E）、碳源利用丰富度指数（S）、Simpson优势度指数（D）。计算公式如下。

S=被利用碳源的总数

式中，C为每个孔的吸光值，R为对照孔的吸光值，n为孔数，ECO生态板n为31；Pi为第i孔的相对吸光值与所有反应孔相对吸光值总和的比值，即Pi=（C-R）/∑（C-R）［10，11］。

试验数据采用Excel 2007软件进行初步处理，采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析（Duncan）和相关性分析（Pearson），采用Origin 2019软件进行主成分分析、热图聚类分析，并绘制相关图形。

2 结果与分析

2.1 菜薹尾菜原位还田对土壤速效碳、氮含量的影响

从图1可以看出，不同处理间硝态氮含量差异均不显著（P＞0.05）。随着生育期的推进，CK处理硝态氮含量逐渐下降，60 d后下降了11.91%，而FS和FS-30N处理分别下降了14.02%和12.06%，且这2个处理土壤硝态氮含量的下降主要集中在45~60 d。菜薹尾菜原位还田经过60 d后，不同处理土壤硝态氮含量差异较小，主要集中在27.27~29.17 mg/kg。

图1 不同处理土壤硝态氮含量

由图2可知，与CK相比，FS-30N处理活性有机碳的含量下降了3.37%~10.37%，就FS处理而言，除了45 d略有增加外，其他时间则降低了4.06%~35.57%。随着生育期的推进，土壤活性有机碳的含量相对趋于稳定，变化幅度较小。

图2 不同处理土壤活性有机碳含量

2.2 菜薹尾菜原位还田对土壤微生物功能多样性的影响

从表2可以看出，不同处理碳源利用能力多样性指数在前30 d均没有显著差异。在45 d，CK的均一度指数显著高于FS-30N，但FS与两者差异都不显著，且至60 d时，不同处理间的均一度指数又没有显著差异。就优势度指数和香浓多样性指数而言，只有在45 d和60 d，CK均显著高于FS和FS-30N，且45 d FS与FS-30N香浓多样性指数差异也达到了显著水平。与CK相比，还田后30 d FS-30N碳源利用丰度指数显著降低2.61，然而到了45 d，FS和FS-30N处理碳源利用丰度指数显著低于CK，且分别减少了4.11和2.00，同时FS碳源利用丰度指数比FS-30N降低了2.11，且两者差异达到显著水平。还田后60 d，FS和FS-30N处理碳源利用丰度指数显著低于CK，分别降低了2.00和1.77，但FS与FS-30N处理间差异不显著。

表2 不同处理微生物功能多样性分析

AWCD表征微生物群落对碳源的利用率。从图3可以看出，菜薹尾菜原位还田后，与CK相比，FS和FS-30N处理AWCD均呈下降趋势。尾菜还田后的30~60 d，CKAWCD（96~168h）显著 高于FS和FS-30N（P＜0.05），且在45 d FS-30NAWCD（96~168 h）显著高于FS（P＜0.05）。以培养120 h的AWCD对尾菜还田下不同处理土壤微生物碳源利用能力进行主成分分析。还田后10、20、30、45、60 d各处理分别提取了6、4、10、9、10个主成分，其累积方差贡献率分别达82.06%、80.20%、84.77%、82.19%和80.54%，其中2个主成分的累积方差贡献率分别达62.89%、69.87%、37.80%、42.35%和33.25%。

图3 不同处理AWCD和PCA分析

尾菜还田后10 d FS和FS-30N碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、多聚物的OD显著低于CK，且分别降低了32.57%和27.80%、27.51%和29.77%、43.93%和50.08%、31.55%和34.75%（图4）。对于聚合物而言，与还田后10 d相比，还田后60 d CK、FS和FS-30NOD分别增加了28.32%、77.50%和102.56%。与还田后10 d相比，还田后60 d FS和FS-30N碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、酚酸、胺类的OD分别提高了29.49%和28.49%、42.70%和27.48%、42.70%和27.48%、33.21%和48.52%、84.58%和37.16%。

图4 不同处理碳源利用能力分析

在移栽后10 d土壤对碳水化合物、氨基酸和羧酸类的利用能力较强，随着时间的推进，土壤主要对碳水化合物和羧酸类具有较强的利用能力，而到移栽后45 d又以碳水化合物、氨基酸和羧酸类利用为主，到最后60 d则主要以碳水化合物和羧酸类为主。在整个过程中，酚酸、多聚物和胺类化合物中的2-羟基苯甲酸、吐温-80和苯乙胺始终具有较高的利用能力。从图5可以看出，尾菜还田后10 d土壤微生物功能多样性发生了明显的变化，还田以后也明显地改变了土壤微生物功能多样性。

图5 碳源利用能力热图聚类分析

2.3 土壤活性碳氮与功能多样性相关性分析

从表3可以看出，相比活性有机碳，硝态氮对六大类碳源的影响较大，其中对碳水化合物和多聚物的影响比较显著。六大类碳源对多样性指数的影响最大，其次是优势度指数和丰度指数，对均一度指数的影响最小。多聚物对微生物功能多样性的影响最大，其次是碳水化合物和氨基酸类。

表3 不同指标相关性分析

3 讨论

尾菜还田后能够改善土壤的理化性状和作物品质，以及提高产量［12，13］。研究发现蔬菜废弃物直接还田后能够增加当季或者第二季作物产量［5，14，15］。然而，目前有关尾菜直接还田后对土壤基本性质影响的研究尚不多见。胡国平等［7］研究表明蔬菜废弃物还田可以降低土壤硝态氮淋失风险。本研究表明，与常规施肥相比，在常规施肥基础上尾菜还田后60 d土壤硝态氮含量增加了6.51%~21.18%，这与胡国平等［7］研究结果一致。然而在尾菜还田的基础上化肥减施30%，土壤的硝态氮含量增加了3.79%~18.99%，此外，产量也没有显著差异，这也进一步说明了低碳氮比（17.5）菜薹尾菜还田增加了速效氮的矿化［7，16］。

土壤活性有机碳是评价土壤碳平衡和土壤化学、生物化学肥力保持的重要指标［17］。本研究结果表明，与常规施肥相比，菜薹尾菜还田后降低了土壤活性有机碳的含量。张玉军等［18］研究发现长期有机肥和秸秆还田也降低了红壤水稻土的活性有机质含量，但是大量的试验研究发现施有机肥或者有机无机肥配施，较单施化肥显著提高了土壤活性有机碳的含量［19］。这可能是尾菜与有机肥和秸秆之间碳氮比差异有关，高碳氮比增加了土壤微生物的活性，大量的速效碳氮被微生物自身消耗而使得土壤累积较少［18］。

研究尾菜还田对土壤微生物功能多样性的影响，对于探索尾菜还田模式下的土壤绿色生态发展具有理论指导意义［20，21］。在本研究中，与常规施肥相比，尾菜还田后10 d土壤微生物功能多样性发生了明显的变化，对主要碳源的利用能力有所提高，但是与常规施肥相比，还田处理降低了土壤微生物功能多样性，但是这种改变在60 d后得到了缓解。然而目前有关有机物料施入对于土壤微生物碳源利用能力多样性影响的研究普遍表现为正向效益［22，23］，这主要的原因可能是低碳氮比尾菜（碳氮比17.5）大量还田同时配合化肥施用短期导致土壤碳氮比降低，影响了有机质的矿化，从而影响碳源利用能力［24］，此外还可能是因为本试验值观测了60 d，还田后的正向激发效应还未显示出来，但是60 d已经有恢复的迹象。因此，大量的低碳氮比尾菜还田对土壤微生物碳源利用能力的影响还需要延长时间进一步观测。

微生物群落碳源代谢强度和代谢类型的变化被认为是预测土壤质量变化最有潜力的敏感性生物指标。在本研究中土壤微生物碳水化合物和羧酸类具有较强的利用能力，且在追肥过后氨基酸类也表现出较强的利用能力。不同的试验结果表明土壤微生物利用能力较高的碳源种类不一［25］，这可能是由于土壤生境的差异，造成的微生物对土壤碳源种类具有不同的偏好［22］。在本研究中硝态氮对土壤微生物功能多样性的影响较大，因此，在尾菜还田后应该注意氮肥的运筹，从而避免微生物与植物争“氮”［26，27］。

4 小结

1）在常规施肥基础上尾菜还田后60 d土壤硝态氮含量增加了6.51%~21.18%，然而在尾菜还田的基础上化肥减施30%土壤的硝态氮含量增加了3.79%~18.99%。还田后处理均降低了土壤活性有机碳的含量。

2）与常规施肥相比，尾菜还田和还田后化肥减施30%处理均降低了土壤碳源利用能力。尾菜还田后10 d土壤微生物功能多样性发生了明显的变化，但是60 d后处理间的差异有缩小的趋势。还田后60 d内土壤微生物主要对碳水化合物和羧酸类具有较强的利用能力。

3）相比活性有机碳，硝态氮显著影响碳水化合物和多聚物代谢。六大类碳源对多样性指数的影响最大，对均一度指数的影响最小。多聚物、碳水化合物和氨基酸类对微生物功能多样性的影响最大。