徐萬里，唐光木，葛春輝，王西和，劉 驊

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/綠洲養(yǎng)分與水土資源高效利用重點實驗室，烏魯木齊 830091

長期施肥對新疆灰漠土土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性的影響

徐萬里，唐光木，葛春輝，王西和，劉 驊*

新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/綠洲養(yǎng)分與水土資源高效利用重點實驗室，烏魯木齊 830091

以20a新疆國家灰漠土土壤肥力與肥料效益長期定位試驗為平臺，采用常規(guī)培養(yǎng)法，結(jié)合Biolog技術(shù)對可培養(yǎng)微生物、生理菌群數(shù)量和碳源利用進(jìn)行測定分析，研究撂荒(CK0)、耕作不施肥(CK)、不同化肥(N、NK、NP、PK、NPK)、化肥配施低量高量有機(jī)肥(NPKM1和NPKM2)和秸稈還田(NPKS)等10種處理土壤微生物特征，揭示長期施肥對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性的影響。結(jié)果表明：(1)可培養(yǎng)微生物：與CK處理相比，CK0處理顯著提高了細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量(P<0.05)，NPKS處理微生物數(shù)量則顯著降低(P<0.05)；不同化肥處理的細(xì)菌(除PK處理外)、放線菌(除PK和N處理外)數(shù)量也有所增加，增幅在8.14%—135.70%和15.30%—44.78%之間；真菌數(shù)量(除NK處理外)則有一定幅度的降低；NPKM1和NPKM2處理，微生物數(shù)量最高，細(xì)菌分別增加了162.20%和173.75%，放線菌增加了34.39%和39.37%，真菌增加了63.33%和488.33%；(2)生理菌群：與CK0相比，CK處理顯著提高了自生固氮菌和亞硝化細(xì)菌數(shù)量(P<0.05)，顯著降低了氨化細(xì)菌和纖維素分解菌數(shù)量(P<0.05)；與CK相比，NPKM1和NPKM2處理顯著提高土壤中與氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的生理菌群數(shù)量(P<0.05)，不同化肥處理和NPKS處理的影響不相同，NPK處理顯著高于其余處理(P<0.05)；(3)微生物碳源利用：微生物活性表現(xiàn)為NK、NPKM1、NPKM2>N、NPK、CK>PK、NPKS>CK0、NP；CK0處理3個多樣性指數(shù)以及NPKM1、NPKM2和NK處理Shannon(H)指數(shù)最高，其余施肥處理差異不顯著；糖類、氨基酸類、羧酸類和胺類是微生物利用的主要碳源。(4)聚類分析表明，除NP處理外，施氮處理土壤有較為相似的碳源利用，細(xì)菌和真菌與養(yǎng)分之間有較好的相關(guān)性，可培養(yǎng)微生物和生理菌群與微生物碳源利用的相關(guān)性較差。因此，長期不同施肥對新疆灰漠土土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性產(chǎn)生了顯著的影響，長期耕作不施肥降低了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性，不同化肥配合施用對微生物群落的影響不同，NPK及NPK配施有機(jī)肥可提高土壤微生物多樣性。

長期施肥；灰漠土；微生物多樣性； Biolog；新疆

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要措施之一，長期施肥將明顯改變作物產(chǎn)量[1]、土壤理化性質(zhì)[2]和生物活性[3- 4]，對土壤質(zhì)量和可持續(xù)利用具有深遠(yuǎn)影響。微生物是土壤生物中最重要的組成部分，在土壤營養(yǎng)元素循環(huán)、土壤肥力形成和發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善、植物生長和土傳病害防治等許多方面起著極其重要的作用。研究表明，施肥使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化[5- 6]，長期平衡施肥使土壤微生物量碳氮和微生物功能活性增強[7- 8]，有機(jī)肥與化肥長期配施條件下氨氧化細(xì)菌的多樣性高于化肥處理[9]；長期施用有機(jī)肥的土壤反硝化細(xì)菌多樣性高于不施肥和施用化肥的土壤[10]；長期施用氮鉀肥和秸稈還田對稻田甲烷氧化菌多樣性有重要的影響，其中氮肥甲烷氧化菌的數(shù)量有抑制作用[11]；長期施用有機(jī)肥和秸稈還田有利于黃土高原土壤有機(jī)碳的積累，從而增加了叢枝菌根的多樣性[12]。在研究方法上，由于土壤中微生物數(shù)量龐大，種類繁多，且存在大量無法培養(yǎng)的微生物類群，采用傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法，無法全面了解土壤微生物信息，因此近年來采用磷脂脂肪酸法、碳源代謝利用(Biolog法)和分子生物學(xué)等的方法來研究土壤微生物多樣性已成為熱點[13- 18,8]。

灰漠土是典型的干旱荒漠地帶土壤，是新疆主要的農(nóng)業(yè)耕作土壤之一。但目前新疆灰漠土上長期施肥對土壤微生物群落和功能多樣性的研究很少[19]，采用Biolog法來揭示長期施肥對灰漠土土壤微生物碳源利用的影響還未見報道。為此，本文采用傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)和Biolog測定相結(jié)合的方法，研究長期定位施肥對灰漠土土壤微生物學(xué)特性的影響，為揭示新疆灰漠土質(zhì)量演變規(guī)律、土壤肥力保持、土壤微生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展和作物產(chǎn)量提高等方面提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤來自新疆烏魯木齊市國家灰漠土肥力與肥料效益重點野外科學(xué)觀測試驗站(N：43°95′26″，E：87°46′45″)。該試驗站位于新疆烏魯木齊市以北22 km的新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧區(qū)綜合試驗場內(nèi)。國家灰漠土肥力與肥料效益重點野外科學(xué)觀測試驗站海拔高度680—920 m，年均氣溫5—7℃，年降水量180—250 mm，年蒸發(fā)量1600—2200 mm，年均日照時數(shù)2594 h，無霜期156 d，屬干旱半干旱荒漠氣候。試驗土壤為第四紀(jì)黃土狀沉積物，屬灰漠土土類中度熟化灰漠土，在北疆農(nóng)耕區(qū)具有典型性和代表性。試驗地的土壤基本養(yǎng)分含量見表1。

表1 灰漠土長期施肥土壤養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient contents of grey desert soil under the Long-term fertilization

CK0：不耕作施肥abandonment;CK：耕作不施肥cultivated without fertilization;N：單施氮肥only nitrogen fertilizer;NK：施氮鉀肥nitrogen and potassium fertilizer;NP：施氮磷肥nitrogen and phosphate fertilizer;PK：施磷鉀肥phosphate and potassium fertilizer;NPK：施氮磷鉀肥nitrogen, phosphate and potassium fertilizer;NPKM1：施氮磷鉀+常量有機(jī)肥NPK and organic materials;NPKM2：施氮磷鉀+增量有機(jī)肥NPK and double organic materials；NPKS：施氮磷鉀+秸稈還田 NPK and straw

1.2 試驗設(shè)計

本試驗從長期肥料肥效試驗(20a)中選擇以下10個處理：(1)不耕作，不施肥(撂荒，CK0)；(2)耕作，不施肥(CK)；(3)單施氮肥(N)；(4)施氮鉀肥(NK)；(5)施氮磷肥(NP)；(6)施磷鉀肥(PK)；(7)施氮磷鉀肥(NPK)；(8)施氮磷鉀+常量有機(jī)肥(NPKM1)；(9)施氮磷鉀+增量有機(jī)肥(NPKM2)，即氮、磷、鉀和有機(jī)肥施用量均是常量處理的1.5倍；(10)施氮磷鉀+秸稈還田(NPKS)。每年施N 242 kg/hm2、P2O5138 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2，施肥時60%的化學(xué)氮肥及100%化學(xué)磷、鉀肥和有機(jī)肥作基肥，在播種前均勻撒施地表，深翻后播種，剩余40%的化學(xué)氮肥作追肥。所有施氮處理的施氮總量相同；有機(jī)肥為羊糞，常量有機(jī)肥施用量為30000 kg/hm2，每年秋季一次施入翻地。秸稈還田為當(dāng)季作物全部秸稈粉碎還田。試驗種植方式為玉米-冬小麥-棉花輪作。

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 樣品采集

2010年9月采集以上10組處理土樣。采用5點法隨機(jī)采集耕層0—20 cm土壤樣品，每個土樣3次重復(fù)。將土壤樣品混合均勻后4℃保存，進(jìn)行微生物計數(shù)和Biolog碳源利用測定。

1.3.2 土壤微生物數(shù)量測定[20]

采用稀釋平板涂抹培養(yǎng)計數(shù)法分析。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用改良的高氏一號培養(yǎng)基(每300 mL培養(yǎng)基中加3%重鉻酸鉀1 mL)，真菌采用PDA培養(yǎng)基(每100 mL培養(yǎng)基加1%鏈霉素溶液0.3 mL)。微生物生理菌群數(shù)量，采用稀釋液體培養(yǎng)法(MPN法)計數(shù)。好氧性自生固氮菌采用阿須貝無氮培養(yǎng)基，纖維素分解菌采用赫奇遜氏培養(yǎng)基，氨化細(xì)菌用蛋白胨液體培養(yǎng)基，亞硝化細(xì)菌用銨鹽培養(yǎng)液(由于土壤中很少有亞硝酸鹽的長期累積，所以測定亞硝化細(xì)菌的數(shù)量就可以反映硝化細(xì)菌的數(shù)量[21])。

1.3.3 土壤微生物群落碳源代謝利用測定

采用 Biolog ECO微平板法進(jìn)行[20]。稱取10 g鮮土加入l00 mL滅菌的生理鹽水(0.85%)中，搖勻，靜止片刻，然后將土壤樣品稀釋至10-3。取150 μL菌懸液接種到生態(tài)板的每一個孔中，25℃恒溫培養(yǎng)，每隔24 h分別在590 nm波長下讀數(shù)，連續(xù)培養(yǎng)7 d。取120 h的平均光密度值進(jìn)行主成分分析。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

微平板孔中溶液吸光值平均顏色變化率(AWCD)用于描述土壤微生物代謝活性，計算公式如下：

AWCD=∑(Ci-Ri)/n

式中，Ci為每個有培養(yǎng)基孔的吸光值，Ri為對照孔的吸光值，n為培養(yǎng)基孔數(shù)，Biolog Eco板n值為31。采用Simpson、Shannon-Wiener和McIntosh 3個指數(shù)來表征土壤微生物群落功能多樣性。其中Simpson指數(shù)(D)用于評估某些最常見種的優(yōu)勢度，Shannon-Wiener指數(shù)(H)用于評估物種的豐富度，McIntosh指數(shù)(U)用于評估群落物種均勻度：

Simpson指數(shù)(D)

D= 1-∑pi2

Shannon-Wiener指數(shù)(H)

H=-∑pi(lnpi)

McIntosh指數(shù)(U)

式中，pi為第i孔的相對吸光值與所有整個微平板的相對吸光值總和的比值(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)；ni為第i孔的相對吸光值(Ci-Ri)。

數(shù)據(jù)采用DPS v9.50版軟件進(jìn)行平均吸光值(AWCD)、多樣性指數(shù)、主成分分析(PCA)和相關(guān)的方差分析等工作。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對灰漠土土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，其變化能敏感地反映土壤質(zhì)量和肥力的變化[22]。從表2可以看出，與CK處理相比，CK0處理細(xì)菌數(shù)量有所增加，不同化肥處理(PK除外)、NPKM1和NPKM2處理可增加土壤細(xì)菌的數(shù)量，不同化肥處理增幅在8.14%—135.70%之間，NPKM1和NPKM2分別增加了162.20%和173.75%；PK和NPKS處理，土壤中細(xì)菌數(shù)量則分別減少了15.22%和14.17%。從表中還可以看出，CK0處理土壤放線菌數(shù)量最高，耕作施肥減少了放線菌數(shù)量；不同施肥處理間，長期施化肥(除PK和N處理外)處理相比CK處理增加了土壤中放線菌數(shù)量，其增幅在15.30%—44.78%之間； NPKM1和NPKM2處理放線菌數(shù)量分別增加了34.39%和39.37%； NPKS處理土壤放線菌數(shù)量則減少了21.27%。真菌數(shù)量CK0處理相對較高，耕作和施肥后(除NPKM2外)則大幅降低；與CK相比，不同化肥處理(除NK處理外)真菌數(shù)量均有一定幅度的降低，其降幅在10.00%—38.33%之間； NPKM1和NPKM2處理土壤真菌明顯增加，分別增加了63.33%和488.33%，但NPKS處理的土壤真菌數(shù)量卻明顯降低，減少了63.33%。

細(xì)菌生理菌群受土壤特性和環(huán)境影響而在土壤中呈現(xiàn)不同的數(shù)量分布，各生理菌群的分布在一定程度上反映出土壤養(yǎng)分的利用狀況和健康程度[23]。從研究結(jié)果(表2)可以看出長期定位不同施肥處理造成土壤環(huán)境的不同，可引起土壤中生理菌群數(shù)量發(fā)生顯著變化。CK處理自生固氮菌和亞硝化細(xì)菌數(shù)量高于CK0處理，氨化細(xì)菌和纖維素分解菌數(shù)量則低于CK0處理；長期施用化肥的土壤中，與CK相比， NPK處理氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌和纖維素分解菌的數(shù)量較好，分別增加了395.33%、141.25%和184.09%；NPKM1和NPKM2處理可提高土壤中與氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的生理菌群數(shù)量，自生固氮菌分別增加了40%和10.71%，氨化細(xì)菌分別增加了552.34%和1014.02%，亞硝化細(xì)菌分別增加了437.50%和105.00%，但與碳素轉(zhuǎn)化相關(guān)的纖維素分解菌數(shù)量，NPKM1增加了342.61%，而NPKM2處理纖維素分解菌數(shù)量反而降低了13.92%；NPKS處理氨化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌數(shù)量增加了198.13%和70.00%，自生固氮菌和纖維素分解菌數(shù)量降低了94.29%和53.41%。

表2 長期施肥對灰漠土土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響Table 2 Effect of the Long-term fertilization on microbial community diversity of grey desert soil

每組同列的不同字母表示差異顯著性水平; 小寫字母為5%顯著水平; CK0：不耕作施肥；CK：耕作不施肥；N：單施氮肥；NK：施氮鉀肥；NP：施氮磷肥；PK：施磷鉀肥；NPK：施氮磷鉀肥；NPKM1：施氮磷鉀+常量有機(jī)肥；NPKM2：施氮磷鉀+增量有機(jī)肥；NPKS：施氮磷鉀+秸稈還田

2.2 長期施肥對灰漠土土壤微生物群落功能多樣性的影響

2.2.1 平均顏色變化率

圖1 長期施肥土壤平均顏色變化率Fig.1 AWCD of the Long-term fertilization soilCK0：不耕作施肥abandonment;CK：耕作不施肥cultivated without fertilization;N：單施氮肥only nitrogen fertilizer;NK：施氮鉀肥nitrogen and potassium fertilizer;NP：施氮磷肥nitrogen and phosphate fertilizer;PK：施磷鉀肥phosphate and potassium fertilizer;NPK：施氮磷鉀肥nitrogen, phosphate and potassium fertilizer;NPKM1：施氮磷鉀+常量有機(jī)肥NPK and organic materials;NPKM2：施氮磷鉀+增量有機(jī)肥NPK and double organic materials；NPKS：施氮磷鉀+秸稈還田 NPK and straw

平均顏色變化率(AWCD)是表征土壤微生物群落對底物碳源利用強度的指標(biāo)，AWCD值越大，表明對碳源利用強度越強，微生物代謝活性越高[24]。從圖1可以看出，不同施肥處理土壤的AWCD值隨培養(yǎng)時間的延長而提高。在培養(yǎng)的0—24 h內(nèi)不同處理土壤AWCD值變化不明顯，24—72 h內(nèi)則表現(xiàn)出快速增長的趨勢，微生物活性進(jìn)入對數(shù)增長期；在培養(yǎng)的72 h后，在培養(yǎng)時間內(nèi)，AWCD值隨培養(yǎng)時間的延長增長趨于緩慢。從培養(yǎng)處于穩(wěn)定期的96 h來看，AWCD值在0.69—1.14之間，AWCD值表現(xiàn)為NK> NPKM1、NPKM2>N>CK>NPK>NPKS>PK>CK0>NP，NK處理最高，活性最強，NP處理最低。

2.2.2 多樣性指數(shù)分析

根據(jù)不同處理碳源利用情況，綜合考慮其變化趨勢，選取光密度趨于穩(wěn)定，且不同處理之間有較好分形的96 h的AWCD值進(jìn)行土壤微生物群落代謝多樣性的分析(表3)。從表中可以看出，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)除撂荒地較高外，其余處理差異均不明顯，Shannon豐富度指數(shù)各處理間有一定的差異。其中NK、NPKM1和NPKM2處理的Shannon指數(shù)高于CK0；其余處理均低于CK0，但CK、N和NPK處理與CK0差異不顯著； NP、PK和NPKS處理Shannon指數(shù)較低。從表中還可以看出， McIntosh均勻度指數(shù)表現(xiàn)為CK0>NP>NK、NPKM1、NPKM2、NPK、NPKS、PK>N>CK，CK0處理與其他處理間差異顯著(P<0.05)。

表3 長期施肥灰漠土土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)Table 3 Diversity indices of grey desert soil microbial communities for Long-term fertilization

每組同列的不同字母表示差異顯著性水平; 小寫字母為5%顯著水平; CK0：不耕作施肥；CK：耕作不施肥；N：單施氮肥；NK：施氮鉀肥；NP：施氮磷肥；PK：施磷鉀肥；NPK：施氮磷鉀肥；NPKM1：施氮磷鉀+常量有機(jī)肥；NPKM2：施氮磷鉀+增量有機(jī)肥；NPKS：施氮磷鉀+秸稈還田

2.2.3 主成分分析

圖2 長期施肥土壤微生物群落主成分分析 Fig.2 Principal component analysis of soil microbial community CK0：不耕作施肥；CK：耕作不施肥；N：單施氮肥；NK：施氮鉀肥；NP：施氮磷肥；PK：施磷鉀肥；NPK：施氮磷鉀肥；NPKM1：施氮磷鉀+常量有機(jī)肥；NPKM2：施氮磷鉀+增量有機(jī)肥；NPKS：施氮磷鉀+秸稈還田

利用培養(yǎng)96h的AWCD值，對長期施肥土壤微生物利用單一碳源特性進(jìn)行主成分分析，同時提取特征值大于1的主成分的特征根及方差貢獻(xiàn)率。本研究共提取出7個主成分，累計貢獻(xiàn)率達(dá)95.82%。其中第一主成分(PC1)的特征根為13.09，方差貢獻(xiàn)率為42.24%；第二主成分(PC2)的特征根為4.56，方差貢獻(xiàn)率為14.69%；第三主成分(PC3)的特征根為3.82，方差貢獻(xiàn)率為12.34%。其余4—7主成分貢獻(xiàn)率均小于10%。

選取方差貢獻(xiàn)率最高的前兩個主成分PC1和PC2進(jìn)行微生物群落功能多樣性分析。主成分分析表明(圖2)，不同施肥處理碳源利用在PC軸上差異顯著，在PC1軸上， CK、N、NK、NPK、NPKM1和NPKM2處理分布在正方向上， CK0、NP、PK和NPKS處理分布在負(fù)方向上；在PC2軸上， CK0、CK、N、NK和NP處理分布在正方向上，NPKM1、NPKM2、NPK、NPKS和PK處理分布在負(fù)方向上。

初始載荷因子反映主成分與碳源利用的相關(guān)系數(shù)，載荷因子越高，表示該碳源對主成分的影響越大[25]。從表4中可以看出，對第一主成分(PC1)貢獻(xiàn)較大的碳源有18種，主要包括糖類(5種)、氨基酸類(3種)、羧酸類(5種)、聚合物類(1種)、胺類(2種)和其他類(2種)；對第二主成分(PC2)貢獻(xiàn)較大的碳源有5種，主要包括氨基酸類(2種)、羧酸類(2種)和胺類(1種)。糖類、氨基酸類、羧酸類和胺類是微生物利用的主要碳源。

從圖2和表4綜合分析可以看出，說明長期不同施肥處理的土壤微生物碳源利用能力存在差異，且不同處理在主成分軸上的差異，是和聚集在該軸上微生物利用碳底物的利用能力相關(guān)聯(lián)的。在PC1上， CK、N、NK、NPK、NPKM1和NPKM2處理對糖類(N-乙?；?D-葡萄胺、D-纖維二糖、D-木糖、D-甘露醇和β-甲基D-葡萄糖苷)、氨基酸(L-苯基丙氨酸、L-蘇氨酸和L-絲氨酸)、羧酸類(衣康酸、2-羥基苯甲酸、D-蘋果酸、y-羥基丁酸和D-半乳糖內(nèi)酯)和胺類(苯乙基胺和腐胺)等碳源的利用能力高于CK0、NP、PK和NPKS處理。在PC2上， CK0、CK、N、NK和NP處理對L-天冬酰胺酸、L-精氨酸、4-羥基苯甲酸和苯乙基胺的利用能力較強，而NPKM1、NPKM2、NPK、NPKS和PK處理對D-蘋果酸的利用能力較強。因此施肥對灰漠土中微生物群落在碳源的利用能力的影響是導(dǎo)致其活性差異的主要原因。

表4 長期施肥Biolog-Eco板碳源在PC1和PC2上的載荷值(︱r︱﹥0.6)Table 4 Correlation analysis of different carbon source utilization with PC1 and PC2 (︱r︱﹥0.6)

圖3 長期施肥土壤微生物群落碳源代謝的聚類分析樹狀圖Fig.3 Cluster analysis dendrogram of microbial communities′C sources utilization under Long-term fertilizationCK0：不耕作施肥；CK：耕作不施肥；N：單施氮肥；NK：施氮鉀肥；NP：施氮磷肥；PK：施磷鉀肥；NPK：施氮磷鉀肥；NPKM1：施氮磷鉀+常量有機(jī)肥；NPKM2：施氮磷鉀+增量有機(jī)肥；NPKS：施氮磷鉀+秸稈還田

應(yīng)用各種碳源光密度值(96 h)作統(tǒng)計變量進(jìn)行聚類分析，可以清晰直觀的反映各施肥處理間的遠(yuǎn)近關(guān)系[26]。本研究采用歐式距離中的最短距離法。由圖3可以看出，含有氮肥的各種處理(除NP處理外)具有較相似的碳源利用模式；其中NPK、NPKM1、NPKM2、N、NPKS和NK處理間距離接近，具有相似的碳源利用，但與CK0和CK處理距離較遠(yuǎn)，土壤微生物群落的碳源利用差異顯著； PK處理與施氮處理在碳源利用上有一些差異，但與CK0和CK處理較為相似；NP處理與其余處理差異均比較顯著。聚類分析表明，施氮處理(除NP外)有著較為相似的碳源利用，其中NPKM1、NPKM2、 N和NK處理具有較高的AWCD值。辜運富認(rèn)為施N能夠促進(jìn)作物的發(fā)育，從而得到更多的根系分泌物，進(jìn)而提高土壤中微生物的數(shù)量[27]。

3 結(jié)論與討論

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，微生物是土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要參與者，是土壤養(yǎng)分的儲備庫和周轉(zhuǎn)庫[21]。影響土壤微生物的因素很多，如土壤和作物類型、耕作制度和施肥措施等。長期施肥由于改變了土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而改變了土壤中微生物群落構(gòu)成，其數(shù)量、生理類群和生態(tài)功能都會產(chǎn)生一定變化[28- 29]。

已有的研究表明長期施肥條件下細(xì)菌、固氮菌數(shù)量與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量呈顯著正相關(guān)，真菌、放線菌數(shù)量與土壤養(yǎng)分因子之間沒有明顯的相關(guān)性[30]，本研究表明不同施肥處理對土壤微生物多樣性產(chǎn)生了顯著的影響，與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系較為密切，但長期施肥對土壤的影響較為復(fù)雜，長期形成的養(yǎng)分限制因子、養(yǎng)分豐缺程度以及物理環(huán)境不同的土壤，在養(yǎng)分含量與微生物之間出現(xiàn)較大差異。本研究顯示，土壤細(xì)菌和真菌與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系密切，而放線菌關(guān)系較差。由于土壤中不同生理功能微生物生長、繁殖和代謝所需要的環(huán)境條件不同，和長期施肥土壤養(yǎng)分的相關(guān)性因菌群不同而有所差異。同時，李秀英的研究顯示長期施肥土壤中固氮細(xì)菌和氨化細(xì)菌數(shù)量與土壤養(yǎng)分相關(guān)性較強[22]，則本研究表明僅氨化細(xì)菌與有機(jī)質(zhì)、全N、全P、有效N、有效P和有效K的關(guān)系密切，亞硝化細(xì)菌和全N的關(guān)系較為緊密，其余幾類菌群與土壤養(yǎng)分的相關(guān)程度均較低，Biolog碳源利用AWCD值與土壤養(yǎng)分的相關(guān)程度均較差。

影響土壤微生物碳源利用多樣性的主要因素可能與碳源種類，植物殘體和根系分泌物、土壤物理性狀和化學(xué)性質(zhì)等有密切關(guān)系[31]。將長期施肥土壤Biolog 數(shù)據(jù)中AWCD值、微生物多樣性指數(shù)與可培養(yǎng)微生物類群進(jìn)行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)，AWCD值與各種土壤微生物類群之間未達(dá)到顯著相關(guān)水平；從趨勢上看，AWCD值除與放線菌之間呈負(fù)相關(guān)，與其余類群呈正相關(guān)關(guān)系。其原因可能是可培養(yǎng)微生物的培養(yǎng)基使用的碳源較為單一，與Biolog-Eco板上的碳源不一致造成。但多樣性指數(shù)與微生物類群之間有相關(guān)性，其中微生物碳源利用Simpson(D)指數(shù)與放線菌、真菌、氨化細(xì)菌和纖維素分解菌之間呈顯著相關(guān)關(guān)系，說明微生物種群的優(yōu)勢物種受這些類群的微生物的影響比較大；Shannon(H)指數(shù)與纖維素分解菌之間顯著正相關(guān)性，微生物種群的豐富度與纖維素分解菌關(guān)系密切；McIntosh(U)指數(shù)與放線菌、氨化細(xì)菌呈顯著相關(guān)，放線菌和氨化細(xì)菌決定了微生物種群的均勻性。

研究表明長期不同施肥處理微生物多樣性存在一定的差異。撂荒地由于對土壤的擾動少，土壤結(jié)構(gòu)良好，自然回歸土壤的有機(jī)物質(zhì)較多，土壤微生物數(shù)量高于長期不施肥和部分單施化肥處理，這與李秀英和梁斌的研究結(jié)果一致[22,32]；但養(yǎng)分的不均衡性又表現(xiàn)出具特殊功能的生理類群數(shù)量與長期施肥相比并沒有明顯的提高；由于Biolog微平板上的碳源與根系分泌物有關(guān)，受地上部植物和根系分泌物種類多樣的影響，撂荒地土壤中利用這些碳源的微生物活性較弱，AWCD值較低，但微生物多樣性指數(shù)較高，但這一結(jié)果與時鵬的研究結(jié)果不同[25]。這可能是因為長期不施肥和秸稈不還田處理土壤中養(yǎng)分含量低，微生物數(shù)量也相對較低，同時耕作改變了土壤環(huán)境[33]，耕種的作物種類較為單一，根系分泌物有一定的累積，利用這些根系分泌物的微生物增多，Biolog碳源利用活性(AWCD值)高于撂荒地，但多樣性指數(shù)較低。

長期采用不同的施肥模式，土壤有機(jī)質(zhì)含量、組成會有較大的變化，土壤微生物多樣性也呈現(xiàn)較大的差異。本研究表明除個別缺素施肥處理微生物活性低于不施肥處理外，其余處理對土壤微生物多樣性有一定程度的提升；由于土壤中某些營養(yǎng)元素的缺失，提升效果沒有NPKM和NPK處理顯著。秸稈還田處理對土壤微生物多樣性的影響還存在一些爭議，較多文獻(xiàn)報道旱地紅壤秸稈還田細(xì)菌數(shù)量較其余處理低，而放線菌和真菌數(shù)量較高[34]；化肥有機(jī)肥配施使紅壤微生物碳源利用率增強而秸稈還田對其有不利影響[35- 36]，本研究表明NPKS處理對微生物多樣性并沒有提升作用，分析原因可能與不同土壤類型和氣候條件有關(guān)[35]，且因為秸稈還田后無機(jī)N、P相對缺乏且C / N比高，而養(yǎng)分多是緩效的，微生物分解慢，同時改變了土壤微生物優(yōu)勢種群，引起微生物多樣性低下[36]。

由于可培養(yǎng)的微生物數(shù)量只占土壤微生物數(shù)量的極小一部分，而Biolog生態(tài)板使用的碳源多與植株產(chǎn)生的根系分泌物關(guān)系密切，具有一定的局限性，如結(jié)合先進(jìn)的分子生物學(xué)方法，可以使結(jié)果更為全面、合理。

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Effects of long-term fertilization on diversities of soil microbial community structure and function in grey desert soil of Xinjiang

XU Wanli, TANG Guangmu, GE Chunhui, WANG Xihe, LIU Hua*

InstituteofSoilandFertilizerandAgriculturalSparingWater/KeyLaboratoryofNutrientandWaterResourcesEfficientUtilizationofOasis,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China

A long-term (20 years) stationary experiment was carried out in a grey desert soil field of Xinjiang to study the effects of fertilization on soil microbial community characteristics and functional diversity. Traditional microbial cultivation method and Biolog technique were used to analyze soil microbial community, the number of bacterial physiological groups and microbial carbon utilization. Ten fertilization treatments were studied, i.e., abandonment (CK0), cultivated without fertilization (CK), different chemical fertilizer treatments (N, NK, NP, PK, and NPK), NPK and organic materials (NPKM1), NPK and double organic materials (NPKM2), as well as NPK and straw (NPKS). Results showed that, (1) compared with CK treatment, data on the cultivable microorganisms illustrated that the numbers of bacteria, actinomycetes and fungi in CK0 treatment all increased significantly (P< 0.05). Effects of different chemical fertilizer treatments were different. The numbers of bacteria (except PK treatment), and actinomycetes (except PK and N treatments) increased by 8.14—135.70% and 15.30—44.78%, respectively. The numbers of fungi (except NK treatment) decreased by 10.00—38.33%. The numbers of microorganisms were the highest in NPKM1 and NPKM2 treatments. The bacteria numbers of NPKM1 and NPKM2 treatments increased by 162.20% and 173.75%, when comparing with CK treatment. The numbers of actinomycetes increased by 34.39% and 39.37%, while the numbers of actinomycetes increased by 63.33% and 488.33%. However, the numbers of microorganisms decreased obviously (P< 0.05), the numbers of bacteria, actinomycetes and fungi decreased by 14.17%, 21.27% and 63.33%. (2) Studies of soil bacterial physiological groups showed that, the amounts of Azotobacter and Nitrifier in CK treatment were higher than those of CK0 treatment (P< 0.05), but the amounts of Ammoniation and Cytophaga in CK treatment were lower (P< 0.05). Effects of different chemical fertilizer treatments and NPKS treatment were very different. Effect of NPK treatment was obviously the best (P< 0.05). However, NPKM1 and NPKM2 treatments could obviously improve the amount of soil bacterial physiological groups related with N transformation. (3) Carbon utilizations of soil microbial community showed that, the order of soil microbial activities was, NK, NPKM1, NPKM2>N, NPK, CK>PK, NPKS>CK0, NP. Soil microbial diversity indices of CK0 treatment were the highest. Compared with CK treatment, all fertilization treatments were not significantly different in Simpson index and McIntosh index. Shannon index in NPKM1, NPKM2 and NK treatments were the highest, other fertilizer treatments were not significantly different from, or significantly lower than CK. Carbohydrates, Amino acids, Carboxylic acids and Amines/amides were the main carbon resources for microbial utilization. (4) Cluster analysis indicated that carbon utilizations by soil microbial community for different N treatments were similar (except NP treatment). Correlation between bacteria, fungi and soil nutrient contents were significant, but no significant correlation relationships existed among the cultivable microorganisms, soil bacterial physiological groups and carbon utilizations of soil microbial community. To sum up, the effects of long-term fertilization on diversities of soil microbial community structure and function in grey desert soil of Xinjiang were remarkable. Long-term cultivation without fertilization decreased the diversities of soil microbial community structure and function. Different chemical fertilizer treatments had varied effects. NPK and NPKM treatments could improve the diversities of soil microbial community structure and function.

long-term fertilization; grey desert soil; soil microbial diversity; Biolog; Xinjiang

國家灰漠土肥力與肥料效益監(jiān)測站公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項 (20120303)

2013- 03- 31;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201303310567

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liuhualh@sohu.com

徐萬里，唐光木，葛春輝，王西和，劉驊.長期施肥對新疆灰漠土土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(2):468- 477.

Xu W L, Tang G M, Ge C H, Wang X H, Liu H.Effects of long-term fertilization on diversities of soil microbial community structure and function in grey desert soil of Xinjiang.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):468- 477.