不同残膜量对棉田土壤氮素、八大离子含量及微生物的影响

李玉环,何新林,杨丽莉,王禹植,徐 阳

(1.石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000；2.石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000)

虽然前人已对残膜的危害有了一定的认识，然而目前残膜对土壤养分及微生物的影响研究较少，尤其不同残膜强度对土壤微生物特征的影响研究鲜有报道，在残膜添加量对养分和微生物影响方面的研究结果并不一致，且不同区域结果差异较大，需要针对不同条件具体研究。新疆地处中国西北干旱地区，为了提高农业收益，很多地区均采用地膜覆盖种植，成为全国残膜污染最为严重的区域之一，残膜污染问题也最具有代表性。本研究拟设置不同残膜强度, 分析残膜对新疆棉田土壤氮素养分、八大离子含量以及土壤微生物的影响, 为残膜污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于新疆石河子市试验场二连石河子大学节水灌溉实验站进行。该站中心位置位于东经85°59′47″，北纬44°19′28″，海拔412 m，平均地面坡度为6‰。多年平均降雨量为207 mm，平均蒸发量为1 660 mm。试验田地下水埋深大于5 m，土壤质地为中壤土，粘粒含量(粒径<0.01 mm)大于20%。试验前采集0～40 cm土壤测定土壤理化性质，如表1所示。

表1 供试土壤理化性质

1.2 试验设计

课题组前期研究发现，在多年连续覆膜条件下，残膜量Mf(kg·hm-2)与残膜年限X(a)之间存在线性关系：Mf=15.69X+72.54。根据该研究结果，设置 8个残膜量梯度，即150 kg·hm-2(T1，覆膜年限为5 a)、230 kg·hm-2(T2, 覆膜年限为10 a)、465 kg·hm-2(T3, 覆膜年限为25 a)、512 kg·hm-2(CK1, 覆膜年限为28 a)、857 kg·hm-2(T4, 覆膜年限为50 a)、1 250 kg·hm-2(T5, 覆膜年限为75 a)、1 640 kg·hm-2(T6, 覆膜年限为100 a)、0 kg·hm-2(CK2, 覆膜年限为0 a)；分析不同残膜量对棉田土壤氮素养分、八大离子含量及微生物的影响。

每个处理中设置3个微小区，作为试验的3次重复，小区面积为1.45 m×8.1 m。试验所用地膜均为新疆天业公司生产, 厚度0.008 mm，为高分子有机聚合物材料，其分子结构稳定，在自然条件下很难降解，降解周期为200～400 a，很难与土壤发生反应[16]。经过调查，研究区残留地膜主要集中在0～40 cm土层，其中残膜面积为4 cm2及以下的数量最多，占总量的80%以上，残膜单片面积越大，其残膜数量越少，0～10 cm、10～30 cm和30～40 cm土层残膜所占比率分别约为29%、60%和11%[17]。试验前将地里残留的地膜捡拾干净，0～10、10～30 cm和30～40 cm土层按3∶6∶1的比例将人工剪碎的残膜(2 cm×2 cm)均匀混入土壤中。处理之间埋设50 cm深度的防水帆布，以消除各处理之间水肥及作物根系缠绕的影响。

残膜量与覆膜年限的线性关系及残膜分布特征由课题组于2019年7月—2020年2月在玛纳斯流域取样测得，该流域棉田归属兵团下属团场统一管理,连续覆膜种植棉花，灌水施肥制度相同，农艺措施、种植方式和地膜回收情况均一致；人工裁剪的地膜在2020年3月掺入大田，4月播种，并于2020年10月收获。种植棉花品种为‘东盛1442号’，种植模式如图1所示(见227页)。采用膜下滴灌一膜两管四行的种植模式，膜宽1.6 m，行间60 cm，膜间30 cm。所有处理施肥量与灌水量取同一水平，在生长期间分别追施铵态氮肥72 kg·hm-2和尿素200 kg·hm-2。每株棉花在花铃期打顶，其他管理措施与当地常规方法相同。

图1 棉花种植模式示意图Fig.1 Schematic diagram of cotton planting pattern

1.3 测定指标及方法

1.3.4 土壤微生物测定 细菌核糖体编码基因相应区段的扩增及测序由诺禾致源生物信息公司完成。试验流程包括：样品准备(采用CTAB法提取DNA)、DNA提取与检测(使用琼脂糖凝胶电泳检测提取出的DNA纯度和浓度；随后取适量DNA于离心管中，并用无菌水稀释至1 ng·μl-1)、PCR扩增(使用带barcode的特异性引物、New England Biolabs公司的Phusion® High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真酶进行PCR)、产物纯化(PCR产物用2%浓度的琼脂糖凝胶电泳进行检测，对目的条带使用Qiagen公司提供的胶回收试剂盒进行回收)。文库制备与库检(使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建库试剂盒进行文库构建)、NovaSeq上机测序[21]。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2016处理相关试验数据，用Origin 9.0作图，采用SPSS 26进行养分含量差异性分析；使用Mothur软件将ASVs与数据库比对从而得到每个ASV的物种信息。使用QIIME2软件计算分析样品的Alpha多样性，包括Chao1指数、Observed species指数、Shannon指数、Simpson指数及组间群落结构差异性。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量对土壤氮素含量的影响

注：图中不同字母代表处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different letters in the figure represent differences between treatments (P<0.05).

2.2 不同残膜量对土壤八大离子含量的影响

图3 不同残膜量对0～20 cm土层八大离子含量的影响 Fig.3 Effects of different amounts of residual film on the content of eight major ions in 0～20 cm soil layers

2.3 不同残膜量对土壤微生物的影响

2.3.1 土壤微生物Alpha多样性分析 Alpha多样性指数是反映微生物丰富度和均匀度的指标，各处理Alpha多样性指数如表2所示。Chao1表征估计样品中包含的物种总数；Observed species表征直观观测到的物种数目；Shannon表征群落的丰富度和均匀度；Simpson表征群落内物种分布的多样性和均匀度。不同残膜量处理OTUs数(根据不同的相似度水平，对所有序列进行OTU划分，对97%相似水平下的OTU进行生物信息统计分析)。

表2 不同残膜量下0～40 cm土层土壤 微生物Alpha多样性指数统计

由表2可知，相较于对照组CK2，T1、T2、T3、CK1处理的微生物Chao1指数和Observed species指数都有所增大，Shannon指数在残膜量为512 kg·hm-2(CK1)以下时，较CK2处理高，当残膜量大于512 kg·hm-2(CK1)时，各处理Shannon指数低于CK2处理，T4、T5、T6处理Shannon指数比CK2处理分别低6.09%、8.74%、12.54%。Simpson指数除T1处理比对照组CK2高0.72%以外，其他处理Simpson指数都比对照组CK2低。

2.3.2 土壤细菌群落物种组成分析 为探寻各处理之间门(Phylum)水平上优势物种的差异，选取每3个样本(组)中平均丰度排名前10的物种，即变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、不明细菌门(Unidentified-bacteria)、放线杆菌门(Actinobacteriota)、厚壁菌门(Firmicutes)、类杆菌门(Bacteroidota)、泉古菌门(Crenarchaeota)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、粘球菌门(Myxococcota)、绿弯菌门(Chloroflexi)，绘制三元相图(图4)。由图4可知，0～40 cm土层中变形菌门(Proteobacteria)和不明细菌门(Unidentified-bacteria)在各处理中数量最多(50%以上)；CK2处理中厚壁菌门(Firmicutes)、放线杆菌门(Actinobacteriota)和泉古菌门(Crenarchaeota)数量较多，其余优势菌门则主要分布在T1处理中；CK1处理中厚壁菌门(Firmicutes)和类杆菌门(Bacteroidota)数量较多，其余优势菌门在T3、T4和CK1处理中分布较均匀；由图4C可知，各优势菌门主要集中在T4处理(857 kg·hm-2)。

注：各图中的3个顶点分别代表3个不同梯度的残膜处理；圆圈越大，物种相对丰度越大，反之物种相对丰度越小；圆圈离某个顶点的距离越接近，则表示该圆圈所代表的物种在这个处理中含量越高。Note: The three vertices in each figure represent the residual film treatment with three diferent gradients. The larger the circle, the greater the relative abundance of species, and conversely, the smaller the relative abundance of species. The closer the circle is to a vertex, the higher the content of the species represented by the circle in this treatment.

3 讨 论

农田中高残膜强度会显著影响微生物含量，改变其群落结构及均匀性。土壤微生物是土壤生态系统中物质循环和能量流动的关键组成部分，对土壤中有机质分解和养分转化具有重要作用[30]，是衡量土壤肥力的重要指标[31]。对0～40 cm土层土壤微生物群落分析可知，当残膜量大于512 kg·hm-2,土壤中Chao1和Simpson指数明显降低，T4、T5、T6处理中Shannon指数比CK2处理降低6.09%～12.54%，T5、T6处理的优势物种数也明显低于其他处理，张丹等[2]研究结果同样表明当残膜量超过450 kg·hm-2时，土壤微生物量、土壤纤维素酶、木聚糖酶以及几丁质酶等参与有机质分解的土壤酶活性显著降低。其原因可能是高残膜强度通过减小土壤孔隙率和降低土壤含氧量抑制了放线菌门等好氧微生物的活性[32]，阻碍了好氧微生物正常的新陈代谢，同时阻碍了优势物种酸杆菌门等的物质循环，降低了微生物的丰富度及多样性；此外，高强度残膜产生的有机污染物影响作物的正常生长，对土壤微生物产生较大危害[33]，有机质的腐殖化过程、氮素的硝化过程和磷素的分解等养分转化过程都需要土壤微生物(如优势物种酸杆菌门等)参与,所以高强度残膜会降低土壤养分含量,导致微生物活力和含量降低[34]。当残膜量低于512 kg·hm-2时，残膜通过保水作用提高了土壤微生物和相关酶(如几丁质酶、脲酶等)的活性[35]，故微生物多样性及丰富度较大。

4 结 论

3)在0～40 cm土层中，相较于对照组CK2，T1、T2、T3、CK1处理中微生物Chao1指数和Observed species指数均有所增大，T4、T5、T6处理中Shannon指数低于CK2处理；Simpson指数除T1处理外，其余处理中均低于对照组CK2；T5和T6处理中优势物种数明显低于其他处理。