孫 瑞， 孫本華*， 高明霞， 楊學(xué)云， 張樹蘭

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西楊凌 712100)

孫 瑞1， 孫本華1*， 高明霞2， 楊學(xué)云1， 張樹蘭1

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 陜西楊凌 712100)

【目的】土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，研究長期不同土地利用方式對其產(chǎn)生的影響可為該地區(qū)選擇適宜的土地利用方式，實(shí)現(xiàn)培肥土壤和高產(chǎn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論支撐?！痉椒ā恳晕挥陉兾鳁盍璧摹皣尹S土肥力與肥料效益監(jiān)測基地”的長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用Biolog分析結(jié)合常規(guī)分析，研究了4種長期不同土地利用方式[不施肥農(nóng)田(CK)， 長期施氮、磷、鉀化肥農(nóng)田(NPK)，長期絕對休閑(FL)和撂荒(AL)]對土土壤微生物量、呼吸強(qiáng)度和微生物功能多樣性的影響?！窘Y(jié)果】AL和NPK處理的土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)均顯著高于CK和FL處理，其中AL和NPK處理之間差異不顯著，CK和FL處理之間差異不顯著。NPK處理的SMBC/SMBN值最高，而CK和FL處理最低，兩組間差異顯著，而AL處理居中但與兩組之間均差異不顯著。不同土地利用方式下土壤基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度的變化趨勢是AL>FL>NPK>CK，累積呼吸量的變化趨勢為AL>NPK>FL>CK，表明AL處理的土壤微生物活性最高，其次是NPK處理，再者是FL處理，而CK處理的土壤微生物活性最低。Biolog分析的結(jié)果顯示，AL、NPK和CK處理的平均顏色變化率(AWCD)在開始的24 h變化不大，此后隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而快速升高；而FL處理在72 h之后才快速升高。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，NPK和AL處理的AWCD最大，其次是CK處理，F(xiàn)L處理最低。NPK和AL處理的Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)H、碳源利用豐富度指數(shù)S和Simpson指數(shù)D均最高，CK其次，F(xiàn)L最低。各處理的Shannon-Wiener均勻度指數(shù)E沒有明顯差異。相比CK、 NPK和AL處理能提高土土壤微生物群落的功能多樣性，F(xiàn)L處理則會降低土土壤微生物群落的功能多樣性。主成分分析共提取了5個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)87.7%，其中第1主成分(PC1)的方差貢獻(xiàn)率為52.0%，第2主成分(PC2)為11.6%。NPK處理和AL處理的碳源利用特征相類似，與CK和FL處理存在顯著差異，表明不同土地利用方式下土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)了顯著分異。糖類、羧酸類和氨基酸類等三類碳源是區(qū)分各處理的主要碳源?！窘Y(jié)論】撂荒和合理施肥的農(nóng)田均可以提高土壤微生物量、土壤呼吸作用和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，長期的絕對休閑則不利于土壤微生物功能多樣性的維持。合理施肥的農(nóng)田并不會造成土壤微生物量的下降以及土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能多樣性的退化，相反，合理施肥對于維持農(nóng)田土壤微生物量以及微生物結(jié)構(gòu)和功能多樣性具有顯著的積極作用。

土地利用方式； 土壤微生物量碳氮； 土壤呼吸； 微生物多樣性； BIOLOG生態(tài)測試

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它在有機(jī)質(zhì)分解、營養(yǎng)循環(huán)、植物生長的促進(jìn)或抑制以及各種土壤物理過程中，發(fā)揮著重要的作用[1]。研究表明，許多微生物活性指標(biāo)如土壤微生物量、呼吸強(qiáng)度和微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性的變化能敏感地反映出土壤質(zhì)量和健康狀況，是土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)不可缺少的重要生物學(xué)指標(biāo)[2]。

土地利用方式不同可以引起陸地生態(tài)以及生物地球化學(xué)循環(huán)過程的變化，導(dǎo)致土壤性質(zhì)變化和土地生產(chǎn)力改變[3]。目前，國內(nèi)在這方面的研究以土地利用方式對土壤有機(jī)碳、土壤養(yǎng)分、土壤理化特性的影響等居多[4-9]，而在土壤微生物功能和結(jié)構(gòu)多樣性方面相對較少[10-11]，對于黃土高原地區(qū)來說，土地利用方式對土壤微生物特性的研究也僅限于土壤微生物量碳氮方面。本文以“國家黃土肥力與肥料效益監(jiān)測基地”的長期試驗(yàn)為平臺，研究了黃土區(qū)長期不同土地利用方式下土壤微生物量、呼吸強(qiáng)度及微生物群落功能多樣性等土壤微生物特性的變化，旨在探索土地利用方式對土壤微生物特性的影響，為制定合理的土地利用方式，提高黃土區(qū)土壤質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)黃土土壤的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 土樣采集與處理

于2013年6月小麥?zhǔn)斋@后采集各處理0—20 cm表層土樣。采樣時(shí)每小區(qū)采9點(diǎn)組成一個(gè)混合樣品，重復(fù)采集3次，樣品裝入塑封袋并置于冰塊上運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。新鮮樣品剔除動(dòng)植物殘?bào)w后，過3 mm篩，4℃冰箱保存，Biolog分析于48 h內(nèi)進(jìn)行，一周內(nèi)進(jìn)行土壤微生物生物量碳、氮和土壤呼吸強(qiáng)度的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤微生物生物量碳、氮的測定 土壤微生物生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸浸提法[13]。濾液中的有機(jī)碳用TOC-VCPH(日本島津)分析儀測定，全氮用過硫酸鉀氧化—紫外比色法測定。

1.3.2 土壤呼吸強(qiáng)度的測定 稱取20 g鮮土于500 mL有蓋的可密封的玻璃廣口瓶中，并將土壤均勻地平鋪于底部，將盛有5 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的吸收小瓶懸掛在土壤的上方。培養(yǎng)瓶密封后于25℃下恒溫培24 h，用煮沸除去CO2的蒸餾水沖洗4次NaOH溶液于100 mL三角瓶中，加入2 mL 1 mol/L BaCl2和酚酞指示劑2滴，用0.05 mol/L鹽酸滴定至紅色消失。同時(shí)做空白對照，每個(gè)處理重復(fù)3次，連續(xù)培養(yǎng)12天[14]。

1.3.3 土壤微生物群落功能多樣性的測定 土壤微生物碳源利用多樣性應(yīng)用BIOLOG生態(tài)測試板(ECO MicroPlate，美國Matrix Technologies Corporation 生產(chǎn))測定。稱取相當(dāng)于5 g烘干土重的新鮮土樣加入內(nèi)有45 mL無菌水的三角瓶中，加無菌濾膜封口，在200 r/min下振蕩30 min，然后按逐步稀釋法，依次稀釋為10-2、10-3梯度液。用10-3稀釋液接種生態(tài)測試板，接種量為150μL，每樣1板(3次重復(fù))，將接種好的測試板加蓋在28℃下培養(yǎng)10 d，每隔24 h用BIOLOG自動(dòng)讀數(shù)裝置在590 nm下讀數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

張翼等從青島海水和武漢南湖水中篩選分離出11株小球藻和1株膠網(wǎng)藻[12]，黃秋婷等從吉林工學(xué)院荷花池中篩選分離出4株柵藻和1株小球藻[13]。本研究從華南理工大學(xué)校內(nèi)東湖中篩選分離到6株綠藻，18S rDNA鑒定結(jié)合采樣點(diǎn)篩選分離結(jié)果表明這6株微藻分別屬于小球藻屬與株柵藻，其中 DH1、DH6和DH3分別篩自采樣點(diǎn)1表層水樣和底層水養(yǎng)，DH4和DH2、DH5分別篩自采樣點(diǎn)2表層和底層水養(yǎng)，不同取樣點(diǎn)的篩選結(jié)果差異可能與不同藻株的生長習(xí)性有關(guān)。

(1)

(2)

S= 被利用碳源的總數(shù)

(3)

E=H/lnS

(4)

(5)

式中：Ci為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的吸光值；R0為對照孔的吸光值；n為培養(yǎng)基孔數(shù)； ECO板n值為31；Pi為第i孔的相對吸光值與所有反應(yīng)孔相對吸光值總和的比值，即，采用Excel 2003對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用SPSS 18.0進(jìn)行方差分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同土地利用方式對土壤微生物量的影響

土壤微生物量碳氮比(SMBC/SMBN)可反映微生物群落結(jié)構(gòu)信息，其顯著變化喻示著微生物群落結(jié)構(gòu)變化可能是微生物量較高的首要原因[22]。NPK處理的SMBC/SMBN值最高，而CK和FL處理最低，兩組間差異顯著，而其他處理之間均無顯著差異。說明與休閑和不施肥處理相比，長期農(nóng)田施肥使土壤微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。

表1 長期不同土地利用方式對土壤微生物量碳、氮的影響

注(Note): SMBC—土壤微生物量碳 Soil microbial biomass carbon; SMBN—土壤微生物量氮 Soil microbial biomass nitrogen; qMB—微生物商 The ratio of soil microbial biomass carbon to soil organic carbon. 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Different lowercase letters in the same column mean significant difference among treatments (P<0.05).

土壤呼吸是表征土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)，反映了土壤生物活性和土壤物質(zhì)代謝強(qiáng)度[23]。土壤微生物呼吸的表述有兩種方式，一種是土壤呼吸強(qiáng)度，即單位土壤培養(yǎng)過程中每天產(chǎn)生的CO2量，常用CO2-C mg/(100g·d)或者CO2-C mg/(kg·d)表示。另一種是土壤累積呼吸量，即單位土壤培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的CO2隨培養(yǎng)時(shí)間的累積量，常用CO2-C mg/100 g或者CO2-C mg/kg表示[24]。不同土地利用方式土壤呼吸強(qiáng)度和土壤累積呼吸量見圖1。

由圖1A可見，不同處理的土壤呼吸強(qiáng)度隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長呈降低的趨勢。培養(yǎng)第1 d的呼吸強(qiáng)度為土壤基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度，其變化趨勢是AL>FL>NPK>CK，各處理間差異顯著。土壤累積呼吸量(圖1B)在前3 d表現(xiàn)出和土壤基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度相同的趨勢，而在第4 d之后，各處理累積呼吸量的趨勢為AL>NPK>FL>CK，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)各處理間累積呼吸量有顯著差異。

2.3 長期不同土地利用方式對土壤微生物功能多樣性的影響

2.3.1 土壤微生物群落平均顏色變化率 Biolog分析的平均顏色變化率(AWCD)表征微生物群落碳源利用率，是土壤微生物群落利用單一碳源能力的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了土壤微生物活性、微生物群落生理功能多樣性[25]。連續(xù)培育10 d，每隔24 h測得的AWCD值變化見圖2。AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而提高，不同處理在開始的24 h變化不大，說明在24 h之內(nèi)碳源基本未被利用。除FL處理外，其余處理均在24 h后快速升高，F(xiàn)L處理則是在72 h之后快速升高。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，農(nóng)田施肥(NPK)、撂荒(AL)處理的AWCD均顯著高于其它處理；而休閑(FL)處理則低于不施肥(CK)處理。

圖1 不同土地利用方式土壤呼吸強(qiáng)度和累積呼吸量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.1 Changes of soil respiration rate and cumulative respiration with incubation time under different land use patterns[注(Note): 不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).]

圖2 不同土地利用方式土壤AWCD值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化Fig.2 Change of soil AWCD with incubation time under different land use patterns

2.3.2 土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析 為了進(jìn)一步確定土地利用方式對土壤微生物多樣性的影響，利用96 h的AWCD值計(jì)算了Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)H、碳源利用豐富度指數(shù)S、Shannon-Wiener均勻度指數(shù)E、Simpson指數(shù)Ds(表2)，它們分別反映了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的種群豐富度、均勻度及某些最常見種的優(yōu)勢度。由表2可見，在培養(yǎng)96 h時(shí)，各處理的AWCD值順序?yàn)镹PK>AL>CK>FL，其中NPK和AL處理的AWCD顯著高于FL處理，而CK處理與AL、FL處理差異不顯著。NPK和AL處理的Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)H、碳源利用豐富度指數(shù)S和Simpson指數(shù)Ds均最高且兩者間沒有顯著差異，CK處理其次，F(xiàn)L處理最低。各處理的Shannon-Wiener均勻度指數(shù)E沒有明顯差異。

單一碳源對PC1和PC2貢獻(xiàn)的特征向量反映主成分與碳源利用的相關(guān)系數(shù)，特征向量越高，表示該碳源對主成分的影響越大。圖4顯示與PC1有較高相關(guān)性(≥0.7)的碳源有19種，糖類占7種，羧酸類占5種，氨基酸類和多聚物類各占3種，多胺類1種；而與PC2具有較高相關(guān)性(≥0.5)的碳源有4種，包括氨基酸類和羧酸類各2種。糖類碳源在PC1的權(quán)重最大，其次是羧酸類；而與PC2相關(guān)性較大的碳源是羧酸類和氨基酸類。可見，對PC1和PC2起分異作用的主要碳源是糖類、羧酸類和氨基酸類物質(zhì)，因此，這三類碳源是區(qū)分各處理的主要碳源。

表2 長期不同土地利用方式下土壤微生物群落的AWCD及功能多樣性指數(shù)(96 h)

注(Note): 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters in a column mean significant difference at 0.05 level among treatments.

圖3 不同土地利用方式土壤微生物碳源利用類型的主成分分析Fig.3 Principal component analysis on carbon source utilization by soil microbial communities under different land use patterns

圖4 碳源對前兩個(gè)主成分貢獻(xiàn)的特征向量Fig.4 Eigenvector of C sources with loadings for PC1 and PC2[注(Note): A2-H4—ECO板的31種碳源 Mean 31 kinds of C sources.]

3 討論

不同土地利用方式對土壤微生物量的影響不同。本研究中，與農(nóng)田不施肥(CK)相比，農(nóng)田施肥(NPK)和撂荒(AL)處理顯著增加了土壤微生物碳、氮，而休閑(FL)處理對SMBC、SMBN無顯著的影響，這與劉恩科等[11]、畢明麗等[27]的研究結(jié)果相一致。這可能是由于長期撂荒土壤不擾動(dòng)土層，根系多集中在土壤表層，且每年隨地上部生物量和根系歸還土壤的有機(jī)物料較多，有利于土壤微生物的繁衍，從而導(dǎo)致土壤微生物量高；農(nóng)田施肥直接增加根系生物量及分泌物，促進(jìn)了微生物的生長。劉恩科等[11]的研究還發(fā)現(xiàn)，長期撂荒土壤的SMBC、SMBN顯著高于農(nóng)田土壤；而本研究中，NPK處理和AL處理間的SMBC沒有顯著差異，可能是因?yàn)镹PK處理作物產(chǎn)量較高，作物收獲后有較多的根茬殘留在土壤中，這也可能是AL處理土壤微生物商、SMBC/SMBN和 NPK處理沒有差異的原因。

土壤微生物呼吸能有效地指示土壤微生物的活性，在土壤質(zhì)量健康評價(jià)中占有重要地位[28]。土地利用方式的不同，土壤微生物呼吸也表現(xiàn)出明顯的不同，以撂荒土壤的微生物活性最高，其次是農(nóng)田施肥土壤，再者是休閑處理，農(nóng)田不施肥土壤的微生物活性最低。Bazzaz和Williams[29]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中的有機(jī)質(zhì)含量增加時(shí)，其土壤呼吸速度就會顯著增加。至采樣年份，本研究中各處理土壤有機(jī)碳含量為AL(11.59 g/kg) >NPK(10.29 g/kg)>FL(8.76 g/kg)>CK(7.45 g/kg)，且各處理間均達(dá)到顯著差異，這與土壤累積呼吸量的變化趨勢一致，可見土壤累積呼吸量隨土壤有機(jī)碳的增加而增加，利用土壤累積呼吸量能直觀地反映不同土地利用方式間微生物活性的差異。本研究中，撂荒處理土壤的呼吸作用最強(qiáng)，原因是撂荒處理每年輸入到土壤中的新鮮有機(jī)物料較多，其中包含的易分解有機(jī)物料也必然多于其它處理，其呼吸作用顯然會增強(qiáng)[30]。長期休閑處理的土壤呼吸卻顯著高于CK，而SMBC和SMBN的結(jié)果兩者差異不顯著，可能是因?yàn)樵撎幚淼挠袡C(jī)碳分解速率較CK處理低，具體原因有待進(jìn)一步分析。

不同土地利用方式明顯改變了土壤微生物群落功能多樣性。農(nóng)田施肥及撂荒處理的AWCD顯著高于農(nóng)田不施肥處理(圖2)，表明這些處理提高了土壤微生物的碳源利用能力，這與SMBC和SMBN的結(jié)果相一致(表1)；而休閑處理的AWCD低于農(nóng)田不施肥處理，表明該處理對碳源的利用能力相對較低，這可能是因?yàn)殚L期無物質(zhì)投入，養(yǎng)分含量尤其是速效養(yǎng)分含量較低所致。時(shí)鵬等[15]研究發(fā)現(xiàn)撂荒處理土壤的AWCD值高于耕作處理，而本研究中，撂荒處理與農(nóng)田施肥處理的碳源利用能力無明顯差異，這可能是因?yàn)闀r(shí)鵬等研究的土壤是草甸黑土，相對于關(guān)中土的養(yǎng)分含量較高，且種植制度也有所不同。

Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)H、碳源利用豐富度指數(shù)S、 Simpson指數(shù)Ds的分析結(jié)果表明，不同土地利用方式對土壤微生物群落多樣性的影響有所不同，即各處理土壤微生物種群的數(shù)量、優(yōu)勢度有顯著差異。長期農(nóng)田施肥和撂荒均有利于提高土壤微生物群落的物種豐富度和優(yōu)勢度，可能是由于NPK處理的長期施肥和作物根茬為微生物提供了較多的養(yǎng)分和能源，而撂荒處理輸入到土壤中的有機(jī)物料較多，促進(jìn)了微生物的繁殖和新陳代謝，這與羅希茜等[31]和時(shí)鵬等[15]的研究結(jié)果一致。Shannon-Wiener均勻度指數(shù)E的結(jié)果表明，各處理間的均勻度沒有顯著差異。撂荒能增加土壤微生物物種數(shù)量及優(yōu)勢度，但物種的均勻度卻和CK沒有差異，這與時(shí)鵬等[15]的研究結(jié)果有類似之處。相對于CK處理，NPK處理和AL處理土壤微生物的物種均勻度沒有顯著提高，很可能是由NPK處理和AL處理的稀疏微生物種群數(shù)量相對較多引起的，NPK處理和AL處理的碳源利用數(shù)比CK處理要多13種也可能說明了這點(diǎn)(表2)。相對CK處理，F(xiàn)L處理土壤微生物物種數(shù)量和優(yōu)勢度均有所下降，這應(yīng)與該處理長期只耕不種不施肥的管理措施有關(guān)。

在主成分分析中，共提取了5個(gè)主成分，但本文只對前2個(gè)主成分進(jìn)行分析，這樣雖會損失一部分關(guān)于碳源利用的數(shù)據(jù)，但前2個(gè)主成分已經(jīng)提供了足夠的信息。通過主成分分析表明不同土地利用方式土壤微生物的碳源利用能力出現(xiàn)顯著差異，土壤微生物群落代謝特征發(fā)生改變，土地利用方式對土壤微生物群落功能多樣性產(chǎn)生了較大影響。樣本在主成分軸上分布和微生物對碳源底物的利用能力相關(guān)，PC1 和PC2解釋了大部分的變異，AL和NPK處理分布于第1 主成分正方向，CK和FL處理在第1 主成分負(fù)方向上；FL、NPK和AL處理分布在PC2軸的負(fù)方向，CK處理分布在正方向(圖3)，這與上述的Shannon-Wiener物種豐富度指數(shù)H、碳源利用豐富度指數(shù)S和Simpson指數(shù)Ds的結(jié)果相一致。整體來看不同處理間分異較大，表現(xiàn)出土壤微生物群落功能多樣性的顯著差異。上述分析表明，與撂荒相比，農(nóng)田利用并不一定造成土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能的退化，相反合理施肥對于農(nóng)田土壤微生物多樣性具有一定的保護(hù)作用，而長期的絕對休閑則不利于土壤微生物功能多樣性的維持。

主成分分析的結(jié)果還表明，糖類、羧酸類和氨基酸類是本試驗(yàn)各處理土壤微生物利用的主要碳源(圖4)，可作為區(qū)分不同土地利用方式下土壤微生物碳源利用類型的依據(jù)。Biolog分析方法檢測的主要是土壤中快速生長或富營養(yǎng)的微生物[32]，因而不能全面地反映土壤微生物群落的多樣性。因此，結(jié)合其他一些免培養(yǎng)的方法(磷脂脂肪酸分析法、核酸分析法)，能夠更全面地認(rèn)識土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，從而為黃土區(qū)土地利用方式的選擇和實(shí)現(xiàn)土的可持續(xù)利用提供更有力的依據(jù)。

4 結(jié)論

長期農(nóng)田施肥和撂荒處理顯著增加了土壤微生物量碳、氮的含量，而休閑處理對土壤微生物量碳、氮無顯著影響。長期撂荒、農(nóng)田施肥和休閑處理的土壤微生物呼吸強(qiáng)度和累積呼吸量均顯著增加，其中以撂荒土壤的呼吸強(qiáng)度和累積呼吸量最高。累積呼吸量能直接反映不同土地利用方式間土壤微生物活性的差異。Biolog分析結(jié)果顯示，長期農(nóng)田施肥和撂荒處理使土壤微生物的碳源利用率明顯升高，而休閑處理卻對土壤微生物利用碳源的能力有不利的影響。農(nóng)田施肥處理和撂荒處理有利于提高土壤微生物物種豐富度和優(yōu)勢度，絕對休閑處理則不利于維持土壤微生物群落功能多樣性。不同土地利用方式下土壤微生物主要利用糖類、羧酸類和氨基酸類碳源。與撂荒相比，農(nóng)田并不一定造成土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能的退化，相反合理施肥對于農(nóng)田土壤微生物多樣性具有一定的保護(hù)作用，而長期的絕對休閑則不利于土壤微生物功能多樣性的維持。

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Changes of soil microbial characteristics under long-term different land use patterns on an anthropogenic loess soil

SUN Rui1， SUN Ben-hua1*， GAO Ming-xia2， YANG Xue-yun1， ZHANG Shu-lan1

(1KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina，MinistryofAgriculture/CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100，China;2CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China)

【Objectives】 As an important part of soil ecosystem, soil microbes could be influenced profoundly by different long-term land use patterns. 【Methods】 This research was based on the long-term trial of “National Monitoring Base of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Loess Soil” in Yangling City, Shaanxi Province. Four treatments were chosen: farmland without fertilization(CK), farmland with N, P and K chemical fertilizer(NPK), abandoned land(AL) and fallow land(FL). The effects of long-term different land use patterns on soil microbial characteristics were studied by Biolog and routine analyses for the choice of rational land use patterns and soil sustainable utilization in loess area, such as soil microbial biomass, soil respiration and soil microbial community functional diversity. 【Results】 The soil microbial biomass carbon(SMBC) and soil microbial biomass nitrogen(SMBN) in NPK and AL were higher than those in CK and FL significantly; There was no significant difference between NPK and AL in SMBC and SMBN, neither between the CK and FL. The highest ratio of SMBC to SMBN(SMBC/SMBN) was in NPK, and the lowest both in CK and FL; That was middle in AL, but no significant lower than NPK, neither not significant higher than CK and FL. The soil base respiration rate was in order of AL>FL>NPK>CK, and the cumulative respiration was in order of AL>NPK>FL>CK, which indicated that the soil microbial activity was the highest in AL, secondly in NPK, then in FL, and the lowest in CK. The results of Biolog analysis showed that the average well color development(AWCD) did no change significantly in AL, NPK and CK at the beginning of 24 h, then went up rapidly, while that in FL went up rapidly after 72 h. AWCD was the greatest in NPK and AL, then in CK, and the lowest in FL at the end of incubation. Shannon-Wiener richness index(H), carbon source utilization richness index(S) and Simpson index(Ds) were all the highest in NPK and AL, then in CK, and the lowest in FL. There was no difference in Shannon-Wiener evenness index(E) between treatments. Compared with CK, NPK and AL could significantly improve soil microbial structural and functional diversity, while FL had a negative impact on it. Five principal components were extracted from the principal component analysis, and their cumulative contribution of variance accounted for 87.7%, in which the variance contribution rates of the first principal component(PC1) and the second principal component(PC2) were 52.0% and 11.6%, respectively. NPK and AL were similar in carbon source utilization character by soil microbial communities, but significantly different with CK and FL, which means there was a significant differentiation on soil microbial community structure and function under different land use patterns. The carbon sources mostly used by soil microbes were carbohydrates, carboxylic acids and amino acids, which were the main carbon sources to distinguish different treatments. 【Conclusions】 Both abandoned land and farmland with rational fertilization could improve soil microbial biomass, soil respiration and soil microbial structural and functional diversity, while long-term absolute fallow land(No fertilizer, same tillage with farmland, weed control, and almost no vegetation) had a negative impact on soil microbial structural and functional diversity. Farmland with rational fertilization didn’t cause the decline of soil microbial biomass and the deterioration of soil microbial structural and functional diversity. On the contrary, it had a positive effect to maintain soil microbial biomass and soil microbial structural and functional diversity.

land use patterns; soil microbial biomass carbon and nitrogen; soil respiration; microbial diversity; Biolog

2014-01-06 接受日期： 2014-06-05 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-02-12

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203030)；中央高?；究蒲袆?chuàng)新項(xiàng)目(QN2012038) 資助。

孫瑞(1989—)，女，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事土壤化學(xué)和土壤生態(tài)研究。E-mail: sunrui_0818@163.com * 通信作者 E-mail: sunbenhua@126.com

S154.34

A

1008-505X(2015)03-0655-09