无机肥与有机肥配施对甘薯土壤养分变化及微生物碳代谢功能的影响

刘亚军，王文静，李 敏，王红刚，储凤丽，胡启国

（商丘市农林科学院，河南 商丘 476000）

土壤微生物是农田土壤生态系统的重要组成部分，能够直接或间接地参与土壤结构形成、养分循环和能量流动等过程[1‑2]。土壤微生物群落多样性改变对土壤养分的转化与分解、作物根系养分吸收与利用以及土地生产能力均有显著影响[3‑4]。有研究表明，土壤微生物群落结构与功能的改变，是土壤养分含量下降、作物减产的首要原因[5‑6]。土壤微生物对于生态农田人为扰动所引起的土壤质量变化较为敏感，因此，土壤微生物相关指标已被广泛用于评价土壤质量及其变化[7‑8]。研究土壤微生物群落对不同施肥措施的响应，对于评价土壤质量及肥力演变具有重要意义。

施肥是农业生产的重要环节，施肥量及方式对土壤质量演变以及农业可持续发展具有重要影响[9]。施肥可以明显提高作物产量，改善作物品质，据FAO（Food and Agriculture Organization of the United Nations，联合国粮食及农业组织）调查，化肥对粮食的增产贡献率可以达到30%～50%[10]。然而，为追求作物产量，广大农户及种植者滥施乱施化肥已成为普遍现象，不仅造成土壤板结、养分下降、土壤酸化严重、肥料利用率降低以及土壤污染加剧等问题，还对土壤微生物群落多样性产生重要影响，导致土壤微生态系统稳定性降低[11‑12]。因此，合理的施肥措施是当今农业生产重要研究方向之一。无机肥与有机肥配施不仅能够提高作物产量、改善土壤养分质量，还能够提高土壤微生物群落多样性[13‑15]。有研究表明，无机肥与有机肥配施不仅能够提高作物产量、增加作物氮素累积量以及提升肥料利用率与吸收率，还能够有效提升土壤微生物对各类碳源的利用能力，并显著提高土壤微生物Shannon 指数、Simpson 指数、McIntosh 指数[16‑19]。生物有机肥具有速效、长效和改良土壤等特点，且含有丰富的有机质及多种碳源可被土壤微生物吸收利用，从而提高微生物代谢水平，改善土壤微生物群落结构[20]。农作物秸秆作为特殊的有机物料，含有丰富的氮磷钾及微量元素，腐烂分解后有利于提高土壤养分含量以及土壤微生物对各类碳源的利用能力，且有利于缓解焚烧秸秆带来的环境压力[21]。目前，无机肥与有机肥配施对土壤微生物群落影响的研究报道有很多，但主要集中在小麦、玉米、水稻等[22‑24]作物上，关于无机肥与有机肥配施对甘薯土壤养分含量及微生物碳源代谢功能影响的研究却鲜有报道。因此，研究小麦—甘薯轮作条件下不同施肥措施对甘薯土壤养分含量以及碳源代谢功能的影响，并探讨其关联性，以期寻找高效、安全的施肥模式，为小麦—甘薯轮作栽培合理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省商丘市双八镇朱庄村（116°38′N、39°93′E），平均海拔53 m。该地属典型暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降水量670 mm，降水多集中在6—9 月。平均温度14.2 ℃，无霜期210 d，年日照时数2 200 h。供试土壤为黄潮土黏土质，基础土壤（0～20 cm）理化性质：有机质9.68 g/kg、速效钾132.75 mg/kg、速效磷49.62 mg/kg、碱解氮57.39 mg/kg、pH值8.05。试验地常年小麦—甘薯轮作。

1.2 试验设计

试验于2020 年10 月—2021 年10 月进行，单因素随机区组设计，共6 个处理：单施化肥（T1）、秸秆还田不施肥（T2）、单施生物有机肥（T3）、80%化肥+生物有机肥配施（T4）、80%化肥+秸秆还田配施（T5）、80%化肥+生物有机肥+秸秆还田配施（T6）。甘薯季施肥量，T1：N 150 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 300 kg/hm2；T2：小麦与甘薯秸秆全量还田；T3：生物有机肥1 200 kg/hm2；T4：N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2+生物有机肥1 200 kg/hm2；T5：N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2+小麦与甘薯秸秆全量还田；T6：N 120 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2+生物有机肥1 200 kg/hm2+小麦与甘薯秸秆全量还田。小麦季施肥量，各 处 理 均 施N 187.5 kg/hm2、P2O5187.5 kg/hm2和K2O 375 kg/hm2。甘薯季与小麦季肥料均作为基肥一次性施入，生育期内不进行追肥。秸秆还田处理小麦与甘薯秸秆通过机器（沃铭4JGH-130 秸秆粉碎机、青岛洪珠1JH-110 薯类杀秧机）粉碎，旋耕前播撒在土壤表面；秸秆不还田处理人工移走秸秆。小区面积62.4 m2，3 次重复。甘薯株行距0.26 m×0.8 m、走道0.8 m、保护行3 m。小麦种植按当地习惯进行。

供试甘薯：商薯17（商丘市农林科学院甘薯试验站选育）。供试肥料：化肥为复合肥（N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20），购自河南亿丰年生物科技有限公司），有机肥指还田的小麦与甘薯秸秆及生物有机肥。其中，生物有机肥为颗粒状特制肥，养分含量：N 为2.45%、P2O5为2.31%、K2O 为1.21%，黄腐酸≥12%、有机质≥40%、芽孢杆菌（胶冻样芽孢杆菌+巨大芽孢杆菌）≥0.5 亿cfu/g，购自山东泉林嘉有机肥料有限责任公司。

1.3 土壤取样

于2021年10月马铃薯收获前一周，利用5点取样法采集0～20 cm 土壤样品，采集后立即通过便携式冰盒带回实验室，过2 mm 筛后一部分置于2～8 ℃冰箱，用于土壤微生物功能的测定；一部分阴干，用于土壤理化性质的测定。

1.4 指标测定方法

土壤速效磷、速效氮、速效钾、有机质含量和pH值分别采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法、碱解扩散法、NH4Ac 浸提-火焰光度法、K2Cr2O7-外加热法和水土比法（1∶5）测定[25]。

利用Biolog法进行土壤微生物群落碳源代谢功能多样性分析。称取相当于5.0 g 风干土质量的新鲜土样，依据刘亚军等[26]的提取步骤，在28 ℃条件下进行培养接种，利用读板仪在波段590 nm 处每24 h 读数1 次，连续读数培养至168 h。土壤微生物群落功能采用平均颜色变化率（AWCD）、Shannon指数（H）、Simpson 指 数（Ds）、McIntosh 指 数（E）、Richness（R）来表征。其中，丰富度指数是指被利用的碳源的总数目（R=S）。其他计算公式[27]：

式中，A0为对照孔的吸光值；Ai为第i个培养基孔的吸光值；Pi为第i个培养基孔的相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比率；S为发生颜色变化孔的数目。

1.5 数据分析

利用Excel 2010 进行数据整理与计算，利用SPSS 17.0 以新复极差法进行显著性检验，利用Canoco 5.0 进 行 冗 余 分 析（Redundancy analysis，RDA）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对甘薯土壤养分及pH值的影响

由图1可知，与单施化肥、秸秆还田不施肥或单施生物有机肥相比，化肥与有机肥配施处理的土壤养分含量整体上更高。土壤速效磷、速效钾含量表现为T6>T4>T1>T5>T3>T2。其中，T6 处理速效磷、速效钾含量较其他处理分别显著提高9.27%～31.80%、3.97%～18.54%。土壤速效氮含量整体表现为T6>T4>T5>T1>T3>T2。其中，T6 处理较其他处理显著提高5.79%～28.06%；T4 处理显著高于除T6处理外的其他处理；T2处理显著低于其他处理。土壤有机质含量表现为T6>T4>T3>T1>T5>T2。其中，T6 处理较T1、T2、T5 处理分别显著提高6.56%、11.21%、6.86%，而与T3、T4 处理均无显著性差异。T4处理pH 值最高，较T2处理显著提高1.25%，与其他处理均无显著性差异。

图1 不同施肥处理甘薯土壤养分含量和pH值的变化Fig.1 Changes of soil nutrient content and pH value of sweetpotato under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理对甘薯土壤微生物AWCD值的影响

AWCD 值是反映土壤微生物对单一碳源利用强度的重要指标。AWCD 值越高，碳源利用活动越强[28]。由图2 可知，随着培养时间的延长，不同施肥处理甘薯土壤微生物碳源利用能力总体呈不断上升趋势。培养0～24 h 时，除T6 处理增长较快外，其他处理变化均不明显；培养24～48 h 时，T4、T6 处理AWCD 值快速增长，其他处理增长缓慢；培养48～120 h 时，不同处理AWCD 值均快速增长，此时期为土壤微生物代谢旺盛时期；培养120～168 h 时，AWCD 值渐趋于平稳，此时期土壤微生物代谢稳定。培养120 h 时，各处理AWCD 值表现为T6>T4>T5>T3>T1>T2。其中，T6 处理AWCD 值较其他处理提高0.17～1.72倍；T4处理AWCD值高于T1、T2、T3、T5处理，但明显低于T6处理。

图2 不同施肥处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 不同施肥处理对甘薯土壤微生物碳源利用能力的影响

由图3可知，与单施化肥、秸秆还田不施肥或单施生物有机肥相比，化肥与有机肥配施能够提高土壤微生物群落对各类碳源的利用能力。其中，土壤微生物对多聚化合物、碳水化合物、芳香化合物以及氨基酸的利用能力表现出显著差异。T6 处理对多聚化合物、碳水化合物、氨基酸的利用能力较其他处理分别显著提高12.75%～74.24%、5.71%～131.25%、20.65%～177.50%。其中，T6 处理对多聚化合物的利用能力显著高于T2、T3、T5 处理，对碳水化合物的利用能力显著高于T1、T2 处理，对氨基酸的利用能力显著高于T1、T2、T3 处理。T4 处理对芳香化合物的利用能力较其他处理提高10.98%～145.95%，显著高于T1、T2、T3、T5处理，但与T6处理相比无显著性差异。不同施肥处理对羧酸化合物、胺类化合物的利用能力均无显著性差异。

图3 不同施肥处理甘薯土壤微生物群落对六大类碳源的利用能力Fig.3 Utilization capacity of six types of carbon sources by soil microbial community of sweetpotato under different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对甘薯土壤微生物功能多样性的影响

H、Ds、E、R 分别反映土壤微生物的相对多度、常见物种数目、均匀程度以及碳源利用丰富度，可用来指示土壤微生物群落对各类碳源的利用程度[4]。选取代谢活动较快时（培养至120 h）各处理的AWCD 值进行土壤微生物群落功能多样性分析后发现，不同施肥处理甘薯土壤微生物群落功能多样性存在一定差异。由图4 可知，各处理土壤微生物H、R 均表现为T6>T4>T3>T5>T2>T1。其中，T6处理H 较T1、T2 处理分别显著提高36.41%、30.05%；T4 处 理H 较T1、T2 处 理 分 别 显 著 提 高30.43%、24.35%；T6 处理R 较其他处理显著提高12.66%～57.65%；T1 处理R 显著低于其他处理。土壤微生物E 表现为T6>T2>T4>T3>T5>T1。其中，T6处理较其他处理显著提高28.29%～71.39%；T1 处理最低。土壤微生物Ds表现为T3>T1>T5>T2>T4>T6。其中，T3 处理较其他处理提高13.23%～88.34%，显著高于T4、T6处理。

图4 不同施肥处理甘薯土壤微生物多样性指数的变化Fig.4 Changes of soil microbial diversity index of sweetpotato under different fertilization treatments

2.5 不同施肥处理甘薯土壤微生物碳源代谢功能与土壤环境因子的相关性分析

为进一步分析不同施肥处理甘薯土壤微生物群落功能多样性的差异，利用土壤微生物群落碳源利用能力、多样性指数和土壤理化性质进行RDA分析。由结果（图5a）可知，排序轴1（37.82%）、排序轴2（9.65%）能够在累积贡献率47.47%水平上解释不同施肥处理土壤各养分含量对土壤微生物群落碳源利用能力的影响。图中各处理点空间位置比较分散，说明不同施肥处理对甘薯土壤微生物碳源利用能力产生不同影响。羧酸类化合物、多聚化合物、碳水化合物、芳香化合物、氨基酸AWCD 值与土壤速效磷、速效氮、速效钾、有机质含量以及pH 值均呈正相关关系；胺类化合物AWCD 值与速效磷、速效氮、速效钾、有机质含量呈正相关关系，与pH值呈负相关关系。其中，土壤速效磷（贡献率35.3%）为主要驱动因子，说明外源速效磷的摄入会促进以各类化合物为碳源基质的土壤微生物代谢强度，而土壤pH 值的升高会抑制土壤微生物对胺类化合物的利用能力。

由 图5b 可 知，排 序 轴1（39.05%）、排 序 轴2（0.53%）能够在累积贡献率39.58%水平上解释不同施肥处理土壤各养分含量对土壤微生物群落功能多样性的影响。H、E、R 与土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量呈正相关关系，与pH 值呈负相关关系；Ds 与土壤速效磷、速效氮、速效钾、有机质含量以及pH 值均呈负相关关系。其中，土壤速效氮（贡献率23.4%）、有机质（贡献率15.7%）为主要驱动因子。说明外源速效氮、有机质的摄入会促进土壤微生物群落的H、E、R，抑制微生物的Ds。由此说明，不同施肥处理甘薯土壤微生物碳源代谢功能与土壤理化性质密切相关。

图5 不同施肥处理甘薯土壤微生物的碳源利用能力（a）、多样性指数（b）与土壤环境因子间的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 结论与讨论

本研究结果表明，小麦—甘薯轮作条件下80%化肥+生物有机肥+秸秆还田配施（T6）时，甘薯土壤速效磷、速效氮、速效钾和有机质含量均为最高值。其中，T6处理土壤速效磷、速效氮、速效钾含量较其他处理分别显著提高9.27%～31.80%、5.79%～28.06%、3.97%～18.54%；T6 处理土壤有机质含量较单施化肥（T1）、秸秆还田不施肥（T2）以及80%化肥+秸秆还田配施处理（T5）分别显著提高6.56%、11.21%、6.86%；T6 处理pH 值较80%化肥+生物有机肥配施处理（T4）明显降低。秸秆还田不施肥处理（T2）土壤各养分含量均显著低于T6 处理。秸秆含有丰富的氮磷钾等元素，还田后经过土壤微生物的矿化作用能够释放氮磷钾等营养元素供作物吸收利用[32]。生物有机肥富含多种碳源可满足土壤微生物代谢活动，能够提高土壤养分转化与分解效率[33‑35]。而作物前期生长需要较多养分，秸秆还田不施肥处理（T2）与单施生物有机肥处理（T3）养分释放较慢不能满足作物根系的吸收与利用，从而表现为土壤养分含量低于其他施肥处理。化肥减量与生物有机肥和秸秆配施（T6）不仅能够及时供给作物前期生长所需的养分，还能够利用秸秆还田后疏松质地，增加土壤含氧量，有利于土壤微生物生存繁殖。生物有机肥不仅能够提供丰富的有机质，还可以利用其腐解后生成的腐殖质增加土壤孔隙度，改变水气比例，有效改善土壤结构，缓解土壤板结与酸化，从而促进土壤微生物群落代谢活动，增加土壤养分分解与转化效率[29，36]。

无机肥与有机肥配施能够提高甘薯土壤微生物群落碳源代谢能力，增加土壤微生物的相对多度、均匀程度以及碳源利用丰富度。这与徐江兵等[30]、何翠翠等[19]、理鹏等[31]的研究较为一致。其中，T6处理土壤微生物对多聚化合物、碳水化合物、氨基酸的利用能力较其他处理分别显著提高12.75%～74.24%、5.71%～131.25%、20.65%～177.50%；土壤微生物H、E、R 较其他处理均有不同程度的提高。这是因为化肥减量与生物有机肥和秸秆配施时，无机肥能够较快地释放养分，及时补充土壤养分，增加土壤有机质含量；还能够利用生物有机肥以及通过小麦、甘薯秸秆腐解后增加土壤碳源的种类及数量，促进土壤微生物繁殖，提升土壤微生物群落代谢活动能力，从而使土壤微生物群落功能多样性发生较大变化[32‑37]。此外，土壤微生物群落对各类碳源的利用能力以及多样性指数与土壤环境因子间呈现不同的关联性。其中，土壤速效磷（贡献率35.3%）为碳源利用的主要驱动因子，土壤速效氮（贡献率23.4%）、有机质（贡献率15.7%）为多样性指数的主要驱动因子。由此可知，无机肥与有机肥配施能够明显提高土壤养分含量、微生物碳源代谢能力以及功能多样性指数，且土壤微生物群落代谢功能变化与土壤养分间具有紧密相关的联系。然而由于Biolog技术不能反映生长缓慢与不可培养的微生物，需要利用分子生物学手段进一步研究。