化肥配施微生物菌肥及改良基质对土壤团聚体有机碳及微生物菌群结构的影响

决 超, 杨囡君, 王盛荣

(1.商丘职业技术学院,河南商丘 476000; 2.河南省农村社会事业发展服务中心,河南郑州 450003)

近年来,随着农业高度集约化生产,作物长期连作种植以及化肥施用不合理造成土壤结构破坏、养分供应不均、微生物结构失调、产量及品质下降等问题,严重影响了我国农业可持续生产[1-2]。有研究表明,改变种植制度或施肥方式是解决目前困境的有效途径[3-5]。其中,通过调整种植制度来改善土壤质量往往需要年限较长,不能满足产业发展需求。因此,通过改变施肥方式提高土壤质量,改善土壤结构对农业可持续发展具有更重要的意义。长期单一施用化肥会破坏土壤结构,造成土壤养分供应不均,生物学活性降低[6-7]。而有研究表明,有机无机肥配施能够改善土壤质量,提高土壤微生物活性[8-9]。赖金平等的研究表明,增施有机肥能够促进土壤大粒径团聚体形成,提高团聚体稳定性以及大粒径团聚体有机碳含量[10]。张勇等的研究表明,化肥配施有机肥可以改变土壤团聚体结构组成,提高团聚体稳定性,增加土壤有机碳含量[11]。孟庆英等的研究表明,化肥配施微生物菌肥能够提高大粒径团聚体含量,改变土壤真菌群落多样性[12]。可见,增施有机肥能够对土壤团聚体及有机碳含量变化产生较大的影响。

土壤团聚体是由土粒径生物及非生物与环境因子相互作用形成,是土壤结构的基础物质[13-15]。土壤团聚体是土壤中物质转化和能量循环的重要场所,其数量和质量直接或间接地影响土壤碳氮等元素循环与利用,是决定土壤肥力水平的重要因素[16-17]。土壤有机碳是土壤养分供应和能量循环的核心物质,能够调节土壤养分供应能力,改善土壤微生态环境,其含量高低是评价农田土壤质量的重要指标[18-19]。有研究发现,土壤团聚体通过对有机碳的包被作用将其与外界隔离,降低碳裸露,可以有效减缓有机碳分解[20]。土壤微生物参与土壤有机碳形成、分解与转化的大多数过程,同时土壤有机碳也是微生物生命活动所需物质和能量的主要来源[21]。因此,探究施肥方式对土壤团聚体有机碳及微生物菌群结构的影响有助于了解农田土壤肥力的变化规律。

微生物菌肥具有活化有机质、培肥地力,增加土壤生物学活性,减少环境污染等优势[22-23]。土壤改良基质具有提高土壤透气性、提升土壤蓄水保肥能力、增加土壤生物学活性等特点[24]。目前,无机有机肥配施对土壤团聚体有机碳影响的研究有很多,而关于化肥与微生物菌肥及土壤改良基质配施对土壤团聚体有机碳及微生物菌系结构影响的研究很少,且不同区域土壤类型、气候因素不尽相同[25-26]。因此,本研究通过多年田间试验,探究化肥与不同比例微生物菌肥及改良基质配施对土壤团聚体及团聚体有机碳、微生物菌群结构的影响,揭示不同施肥条件下土壤团聚体有机碳及微生物菌群结构的变化规律,以期为豫东地区黄潮土微生物菌肥及土壤改良基质的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020—2022年在河南省商丘职业技术学院试验示范基地附近农户(116°15′E,39°28′N)进行。该区域位于河南省东部,平均海拔53 m,属暖温带半湿润季风气候。年均气温14.2 ℃,年均日照时长2 200 h,无霜期为212 d。多年平均降水量 650～700 mm,年内降雨分布不均,主要集中在6—9月。供试土壤为黄潮土二合土质,播种前0～20 cm土壤理化性状：碱解氮含量为32.65 mg/kg、速效磷含量为43.21 mg/kg、有机质含量为9.94 g/kg、速效钾含量为134.56 mg/kg、有机碳含量为10.12 g/kg、pH值8.12;团聚体质量分数：<0.053粒径为12.55%、0.053～0.250 mm粒径为15.85%、>0.250～2.000 mm 粒径为21.72%、>2.000 mm粒径为49.88%。试验地前茬为多年马铃薯—玉米轮作种植。

1.2 试验材料

供试马铃薯：中薯5号脱毒种薯(中国农业科学院蔬菜花卉所);供试玉米：郑单958(河南省农业科学院粮食作物研究所);供试肥料：马铃薯复合肥(N、P2O5、K2O含量分别为16%、5%、21%,中农舜天生态肥业公司);玉米复合肥(N、P2O5、K2O含量分别为10%、5%、15%,河南民丰肥业有限公司);微生物菌肥(有效活菌数≥2.0 亿CFU/g,含N 5.32%、P2O53.18%、K2O 4.16%、有机质 45.32%,枣阳美岛生物科技有限公司);土壤改良基质(由牛粪、蘑菇料和秸秆腐熟而成,含N 4.19%、P2O52.24%、K2O 1.85%、有机质 29.19%)。

1.3 试验设计

试验设6个处理,分别为不施肥(CK),单施化肥(T1),50%化肥+50%微生物菌肥(T2),50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基质(T3),70%化肥+30%微生物菌肥(T4),70%化肥+30%微生物菌肥+土壤改良基质(T5)。3次重复,共计18个小区,随机区组排列。试验田种植制度为马铃薯—玉米轮作种植;耕作制度均为0～20 cm旋耕。其中马铃薯株行距35 cm×45 cm,玉米株行距30 cm×50 cm,小区面积48 m2,走道0.6 m,保护行3 m。马铃薯季施肥量：单施化肥600 kg/hm2;单施微生物菌肥1 200 kg/hm2;土壤改良基质15 000 kg/hm2;玉米季施肥不做特殊处理,均为复合肥(N、P2O5、K2O含量分别为10%、5%、15%)750 kg/hm2;马铃薯季在整地前均作为基肥一次性施入,生育期内不进行追肥;玉米季复合肥70%作为基肥施入,30%在大喇叭口期进行追肥。马铃生育期：4月1日至6月10日;玉米生育期：6月15日至10月8日。马铃薯季、玉米季田间管理措施均不做特殊处理,按照当地种植习惯进行。

1.4 样品采集与试验方法

于2022年马铃薯收获期进行土壤样品采集。利用5点取样法采集0～20 cm土层样品,混匀后通过冰盒带回实验室。捡出较大根系、石砾等杂物后,将土壤样品分成2份,一份自然风干,用于土壤团聚体组成、团聚体有机碳含量测定;另一份保存在-40 ℃冰箱,用于土壤微生物菌群结构测定。并于2021年、2022年采集土样测定土壤有机碳含量。

采用重铬酸钾容量-外加热法[27]进行土壤有机碳及团聚体有机碳含量测定。采用磷脂脂肪酸法[28]进行土壤微生物菌群结构测定。采用干筛法进行团聚体粒径测定,称取风干土样100 g,放入从上到下装有2.000、0.250、0.053 mm 的振荡套筛上,利用振荡式筛分仪在 200次/min 频率下振荡 10 min 后,分别称取 <0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒径土壤质量,计算不同粒径质量分数。其中,平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、>0.250 mm粒径团聚体(R0.25)含量和分形维数(D)计算公式如下[16]：

团聚体有机碳相对贡献率=某粒级团聚体有机碳含量×该粒级团聚体含量/土壤有机碳含量×100%。

1.5 数据处理

采用WPS Excel进行原始数据计算、分析与作图;采用SPSS 17.0进行处理间差异显著性检验与相关性分析;采用canoco 5.0进行冗余(RDA)分析。

2 结果与分析

2.1 化肥配施菌肥及改良基质对土壤团聚体组成的影响

不同施肥处理土壤团聚体组成差异明显(表1)。各处理土壤团聚体以>2.000 mm粒径为主,占比为49.21%～56.89%;其次是>0.250～2.000 mm粒径,占比为25.17%～27.61%;0.053～0.250 mm粒径与<0.053 mm粒径所占比值较小,分别为11.33%～15.15%、6.61%～8.03%。与CK处理相比,不同施肥处理均可提高>2.000 mm粒径团聚体含量,降低 <0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000 mm粒径团聚体含量。其中,T5处理>2.000 mm粒径团聚体含量最高,较CK处理显著提高15.61%(P<0.05),较其他施肥处理提高11.00%～4.91%,显著高于除T3处理外的其他施肥处理(P<0.05)。T5处理<0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000 mm粒径团聚体含量均最低,较CK处理分别显著降低17.68%、25.21%、8.84%(P<0.05);<0.053、0.053～0.250 mm粒径团聚体含量较其他处理分别显著降低7.42%～13.82%、7.66%～20.66%(P<0.05);>0.250～2.000 mm粒径团聚体含量较T1、T2处理分别显著降低7.60%、5.34%(P<0.05),与T3、T4处理相比均无显著性差异。

表1 不同处理土壤团聚体质量分数变化

2.2 化肥配施菌肥及改良基质对土壤团聚体稳定性的影响

不同施肥处理土壤团聚体平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、>0.250 mm粒径团聚体(R0.25)含量以及分形维数(D)变化较大(表2)。与CK处理相比,不同施肥处理均可提高MWD值、GMD 值、R0.25值,降低D值。其中,T5处理MWD值、GMD值、R0.25值均最高,较CK处理分别显著提高9.71%、12.71%、6.82%(P<0.05);MWD值、GMD值较T1处理分别显著提高5.49%、6.40%(P<0.05);MWD值、GMD值、R0.25值较T2处理分别显著提高6.08%、8.13%、5.42%(P<0.05),与T3、T4处理相比均无显著性差异。T5处理D值最低,较CK处理显著降低4.92%(P<0.05),与其他处理相比均无显著性差异。T3处理MWD值、GMD值、R0.25值、D值与T4处理相比均无显著性差异。

表2 不同处理土壤团聚体稳定性变化

2.3 化肥配施菌肥及改良基质对土壤有机碳含量的影响

不同施肥年限下各处理土壤有机碳含量变化如图1所示。施肥第1年(2020年)时,与CK处理相比,不同施肥处理土壤有机碳含量均不同程度地提高,但各处理间均无显著性差异。施肥第2年(2021年)时,与CK处理相比,T3、T4、T5处理土壤有机碳含量分别显著提高5.81%、5.15%、8.66%(P<0.05),T1、T2处理无显著性变化;T5处理土壤有机碳含量较T1处理显著提高7.60%(P<0.05),与T2、T3、T4处理相比均无显著性差异。施肥第3年(2022年)时,与CK处理相比,T2、T3、T4、T5处理土壤有机碳含量分别显著提高5.64%、9.28%、7.51%、13.37%(P<0.05),T1处理无显著性变化;T5处理土壤有机碳含量最高,较T1、T2、T4处理分别显著提高10.80%、7.32%、5.45%(P<0.05),与T3处理相比均无显著性差异。T3、T4处理土壤有机碳含量均显著高于T1处理(P<0.05),而与T2处理相比均无显著性差异。

2.4 化肥配施菌肥及改良基质对土壤团聚体有机碳含量的影响

不同施肥处理土壤团聚体有机碳含量变化如表3所示。与CK处理相比,不同施肥处理均可提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒径土壤团聚体有机碳含量,降低<0.053 mm粒径团聚体有机碳含量。其中,T3处理0.053～0.250 mm粒径团聚体有机碳含量最高,较CK处理显著提高9.59%(P<0.05),较其他施肥处理提高1.78%～8.04%,显著高于T1处理(P<0.05)。T5处理>0.250～2.000、>2.000 mm粒径团聚体有机碳含量均最高,较CK处理分别显著提高12.55%、10.95%(P<0.05),较其他施肥处理分别提高3.73%～9.93%、4.01%～8.44%,其中>0.250～2.000 mm粒径团聚体有机碳显著高于T1、T2处理(P<0.05),>2.000 mm粒径团聚体有机碳含量显著高于T1、T2、T4处理(P<0.05)。T5处理<0.053 mm 粒径团聚体有机碳含量,较CK、T1处理分别显著降低6.48%、5.24%(P<0.05),与T2、T3、T4处理相比均无显著性差异。

表3 不同处理土壤团聚体有机碳含量的变化

2.5 化肥配施菌肥及改良基质对土壤团聚体有机碳相对贡献率的影响

不同施肥处理土壤团聚体有机碳相对贡献率如图2所示。各处理土壤团聚体有机碳相对贡献率以>2.000 mm粒径为主,有机碳相对贡献率可达53.95%～61.92%;其次是>0.250～2.000 mm粒径,有机碳相对贡献率在23.86%～25.98%;0.053～0.250、<0.053 mm粒径有机碳相对贡献率较低,分别在8.98%～12.33%、5.33%～7.74%。与CK处理相比,不同施肥处理能够提高>2.000 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率,降低0.053～0.250、<0.053、>0.250～2.000 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率。其中T5处理以>2.000 mm粒径有机碳相对贡献率最高,较CK处理显著提高14.77%(P<0.05),较其他施肥处理显著提高5.40%～10.79%(P<0.05)。不同施肥处理<0.053、0.053～0.250 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率较CK处理分别降低8.27%～31.14%、3.76%～27.90%,除T2处理0.053～0.250 mm粒径有机碳相对贡献率与CK处理无显著性差异外,其他施肥处理 <0.053、0.053～0.250 mm粒径有机碳相对贡献率均显著降低(P<0.05)。其中,T5处理<0.053、0.053～0.250 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率显著最低。各处理>0.250～2.000 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率均无显著性差异。

2.6 化肥配施菌肥及改良基质对土壤微生物菌群结构的影响

不同施肥处理土壤微生物菌群结构变化如表4所示。与CK处理相比,不同施肥处理均可提高土壤细菌、放线菌、总菌量、革兰氏阴性菌生物量以及细菌/真菌比值,降低真菌生物量。其中T5处理细菌、放线菌生物量以及细菌/真菌比值均最高,较CK处理分别显著(P<0.05)提高6.81%、12.42%、15.79%,较其他施肥处理分别提高1.62%～4.39%、4.88%～9.55%、3.94%～9.09%,放线菌生物量显著高于T1、T2、T3处理(P<0.05),细菌/真菌比值显著高于T1、T2处理(P<0.05)。T3、T5处理革兰氏阳性菌均最高值,较CK处理显著提高12.55%(P<0.05),较T1、T2、T4处理分别显著提高9.35%、14.96%、7.60%(P<0.05)。T3处理 G+/G-比值较CK处理显著提高11.86%(P<0.05),较T1、T2、T4处理分别显著提高13.79%、20.00%、11.86%(P<0.05),与T5处理相比无显著性差异。T5处理真菌生物量最低,较CK处理显著降低7.61%(P<0.05),与其他施肥处理相比无显著性差异。各处理总菌量、革兰氏阴性菌生物量均无显著性差异。

表4 不同处理土壤微生物菌群生物量变化

2.7 不同施肥措施条件下土壤团聚体有机碳相对贡献率与土壤团聚体稳定性指标的相关性分析

由表5可知,不同粒径团聚体有机碳相对贡献率与土壤团聚体稳定性存在一定的相关关系。其中>2 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率与土壤团聚体MWD值、GMD值、R0.25值呈极显著正相关关系(P<0.01),与D值呈极显著负相关关系(P<0.01);<0.053 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率与土壤团聚体MWD值、GMD值、R0.25值呈显著负相关关系(P<0.05),与D值呈显著正相关关系(P<0.05);0.053～0.25、>0.25～2 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率与土壤团聚体MWD值、GMD值、R0.25值、D值均呈无显著性相关关系。由此可见,合理施肥不仅能够明显促进大团聚体形成,提高土壤团聚体MWD值、GMD值、R0.25值,降低D值,提升土壤团聚体稳定性,还有利于提高大团聚体有机碳的相对贡献率。

表5 土壤团聚体有机碳相对贡献率与团聚体稳定性的相关性分析

2.8 土壤微生物区系与土壤团聚体稳定性的冗余分析

为进一步分析土壤微生物群落结构与土壤团聚体之间的相关关系,利用土壤微生物群落菌群结构与土壤团聚体稳定性指标进行冗余分析(RDA)。结果表明,图3能够在排序轴1、轴2累积变量55.26%水平上解释不同施肥措施条件下土壤团聚体稳定性变化对土壤微生物菌群结构变化的影响。图中各空间处理点较为分散,表明不同施肥处理土壤团聚体稳定性变化对土壤微生物菌群结构的影响不同。从表征各指标的空心箭夹角关系可知,土壤细菌、放线菌、总菌量、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌与MWD值、GMD值、R0.25值呈正相关关系,与D值呈负相关关系;土壤真菌和革兰氏阴性菌与D值呈正相关关系,与MWD值、GMD值、R0.25值呈负相关关系。而从表6可知,R0.25值的结解释度为43.2%,贡献度为76.4%,远高于其他稳定性指标。说明不同施肥措施条件下大粒径团聚体的变化是引起土壤微生物菌群结构变化的主要因素,且影响是极显著的(P=0.002)。由此说明,土壤微生物菌群结构与土壤团聚体变化密切相关。

表6 冗余分析中的正向选择结果

3 讨论

不同粒径土壤团聚体对土壤养分供应、生物活性具有不同的作用,且不同粒径团聚体比例对土壤孔隙度有较大的影响[1]。土壤团聚体MWD、GMD、R0.25值、D值是表征土壤团聚体稳定性的重要指标,其中MWD、GMD、R0.25值越大,大粒径团聚体含量越高,团聚体稳定性越强,而D值越小,土壤团聚体结构越稳定[29]。本研究中,不同施肥处理均可提高 >2.000 mm 粒径团聚体含量以及团聚体MWD值、GMD值、R0.25值,降低D值,其中,70%化肥配施30%微生物菌肥及改良基质处理表现突出。这是因为外源有机物进入土壤后,一方面可以直接吸附较小团聚体形成较大粒径团聚体;另一方面微生物菌肥及改良基质的摄入,能够改良土壤透气状况,提高土壤生物学活性,促进土壤有机碳转化与形成,进而促使有机碳吸附较小颗粒形成较大团聚体,进而提高土壤团聚体稳定性。而50%化肥配施50%微生物菌肥处理土壤团聚体组成及稳定性与单施化肥处理相比差异不明显。这可能是化肥减量过多,氮素含量较少,从而加速土壤有机碳降解,抵消外源有机物带来的促进作用,所以未表现出明显差异[2]。

土壤有机碳是土壤团聚体形成的基础物质,也是土壤微生物生命活动所需碳源和能量的主要来源[30-31]。团聚体是土壤微生物活动的主要场所,其生命代谢活动主要发生在团聚体内[32-33]。本研究中,施肥能够提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm 粒径土壤团聚体有机碳含量,降低 <0.053 mm 粒径团聚体有机碳含量。其中,70%化肥配施30%微生物菌肥及土壤改良基质处理土壤有机碳含量明显高于其他施肥处理。结合团聚体组成及稳定性分析可知,微生物菌肥及改良基质能够促进大粒径团聚体形成,而大粒径团聚体通常是由小粒径团聚体通过碳量高的非稳性胶结剂胶结而成。因此,大粒径团聚体比小粒径团聚体含有更多的有机碳,进而提高大粒径团聚体有机碳的相对贡献率[34]。

本研究中,与对照处理相比,化肥减量配施微生物菌肥处理均可提高土壤细菌、放线菌、总菌量、革兰氏阴性菌生物量以及细菌/真菌比值,降低真菌生物量。其中,70%化肥配施30%微生物菌肥及土壤改良基质处理表现突出。这是因为外源有机物的摄入能补充土壤碳源,使得以某类碳源为主的微生物代谢活动加强。而土壤改良基质进入土壤后,利用自身疏松特点,能够提高土壤透气性,改善土壤微生态环境,提高微生物代谢活性。土壤微生物活性的提高可以促进大粒径团聚体的形成,进而提升有机碳转化与固定速率,增加有机碳累积。相关性分析表明,大粒径团聚体有机碳相对贡献率与土壤团聚体稳定性有极显著的相关关系。而冗余分析表明,大粒径团聚体的变化是引起土壤微生物菌群结构变化的主要因素。由此可知,合理施肥不仅能够明显促进大粒径团聚体形成,提高土壤团聚体稳定性,还能够提高土壤团聚体有机碳含量,改善土壤菌群结构。

4 结论

化肥减量配施微生物菌肥及土壤改良基质能够促进土壤大粒径团聚体形成,提高MWD值、GMD 值、R0.25值,降低D值;能够提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒径团聚体有机碳含量及>2.000 mm粒径团聚体有机碳相对贡献率;能够改善土壤微生物菌群结构,降低有害真菌比例。相关分析表明,土壤团聚体有机碳贡献率及微生物菌群结构变化与土壤团聚体稳定性具有紧密的关系。在本试验条件下,70%化肥配施30%微生物菌肥及土壤改良基质处理表现最优。