施肥對復(fù)墾土壤微生物代謝功能與苗期玉米生長的影響

張變?nèi)A,靳東升,張 強(qiáng),郜春花,李建華,盧晉晶,籍晟煜

(1.忻州師范學(xué)院,山西 忻州 034000；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所,山西 太原 030031)

土壤微生物是土壤中的活性有機(jī)體，是表征土壤肥力高低的指標(biāo)，其功能多樣性能反映土壤微生物的生態(tài)特征，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展有重要的影響。施肥是影響土壤質(zhì)量和土壤可持續(xù)發(fā)展的措施之一[1]，與土壤微生物種群特性的變化有密切的關(guān)系[2-3]。研究表明，施肥制度的變化可能會導(dǎo)致土壤微生物多樣性產(chǎn)生較大差異。如孫鳳霞等[4]發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可以提高紅壤中土壤微生物碳源利用能力，保持作物高產(chǎn)；鄧文悅[5]發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)配施處理下江西稻田土壤微生物群落豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、碳源利用豐富度指數(shù)都高于其他處理；Li等[6]發(fā)現(xiàn)施肥顯著提高了水稻土的微生物功能多樣性，而過量的肥料使菜地土壤微生物多樣性顯著降低。

植物根系與環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)和能量交換[7]，既是植物體吸收水分、養(yǎng)分、礦質(zhì)元素的主要器官，又是合成和分泌植物激素、有機(jī)酸等部分物質(zhì)的重要場所[8,9]。根系分布狀況直接影響其擁有營養(yǎng)空間的大小和對土壤養(yǎng)分的利用能力[10-11]， 進(jìn)而影響地上部的生長發(fā)育及產(chǎn)量[12-13]，同時會影響到植物的改土效果[14]。崔佩佩等[15]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)分不同配比下高粱根系形態(tài)不同，姜琳琳等[16]、武永軍等[17]發(fā)現(xiàn)土壤中缺氮時玉米的總根長和總根表面積顯著增加。

綜上可見，施肥對一般土壤微生物群落代謝功能及作物生長狀況的研究[18]較多，但在煤矸石復(fù)墾區(qū)開展類似的研究卻相對較少，因此，本研究以山西省古交屯蘭煤矸石復(fù)墾區(qū)定位施肥試驗(yàn)為研究對象，通過分析不同施肥處理對復(fù)墾土壤微生物功能多樣性、苗期玉米生長特征的影響，為礦區(qū)土壤復(fù)墾和生態(tài)重建工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省古交市屯蘭礦煤矸石排放區(qū)(北緯37°53′15″，東經(jīng)112°6′42″)， 2012年煤礦排矸結(jié)束后，就近取土覆蓋，自然恢復(fù)2 a，2014年復(fù)墾為農(nóng)田，土壤類型為新成土，母質(zhì)為黃土，根層土壤質(zhì)地為粉砂壤土，本區(qū)年均氣溫約9.5℃，年均降水量約460 mm。本試驗(yàn)設(shè)置4個施肥處理，分別為對照處理(CK)、復(fù)合肥處理(F)、有機(jī)肥處理(O)、有機(jī)無機(jī)肥配施處理(OF)。CK處理施肥量為0，其他處理按照等氮量施肥150 kg·hm-2，復(fù)合肥N∶P2O5∶K2O=18∶12∶10，有機(jī)肥為平遙縣國青同盈禽業(yè)有限公司生產(chǎn)的“傳康”牌商品有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)含量53.48%，含氮2.2%)，OF處理施肥量為50%F+50%O，種植作物為玉米，品種為金蘋618。

1.2 根系與土樣采集

于2018年6月10日在玉米苗期，按照對角線法采集不同施肥處理下0～20 cm的土壤樣品，每個處理3次重復(fù)，將采集的土樣混合均勻，放入滅菌袋，密封后(4℃保溫箱)帶回室內(nèi)，未能及時做微生物培養(yǎng)試驗(yàn)的土樣放在-80℃冰箱冷凍保存。

隨機(jī)抽取各施肥處理下5株長勢良好的玉米作為標(biāo)準(zhǔn)株，測其株高、葉綠素、莖粗、地上部生物量；利用挖掘法采集玉米根系，測定根系形態(tài)和根系生物量。

1.3 測定方法

(1)將玉米根系經(jīng)純水清洗干凈，采用WinRHIZO型根系掃描儀及其數(shù)據(jù)分析軟件，結(jié)合Epson Expression 10000XL圖像掃描系統(tǒng)對根系平均直徑、體積、總根長和分形維數(shù)進(jìn)行分析。掃描完后，用濾紙包好，在65℃下干燥至恒質(zhì)量，用電子天平(±0.0001g)稱量。葉綠素利用葉綠素測試儀進(jìn)行測量，莖粗、株高用游標(biāo)卡尺、直尺進(jìn)行測量。

(2)Biolog-ECO：稱取10 g礦區(qū)土壤，放入已滅菌的裝有90 mL濃度為0.85% NaCl的帶玻璃珠的三角瓶中，在旋轉(zhuǎn)式搖床上以250 r·min-1充分震蕩30 min，連續(xù)2次10倍稀釋后，在Biolog-ECO板的96個孔中加入150 μL土壤接種液，放入28℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，每隔24 h利用Biolog分析儀讀取各孔的吸光值，連續(xù)測定7 d。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根密度(g·cm-3)=根系生物量(g)/根系總體積(cm3)。施肥效應(yīng)=(施肥處理/CK)-1。Biolog-ECO平板每孔的平均顏色變化率(average well color development，簡寫AWCD)表示土壤微生物碳源利用率，利用香農(nóng)維納指數(shù)(Shannon-wiener)、優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson)、均一度(Eveness)描述微生物群落多樣性指數(shù)，計(jì)算方法參照楊永華等[19]的計(jì)算方法。

采用SPSS 23軟件對玉米根系形態(tài)、生物性狀等數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Duncan 多重檢驗(yàn)法對進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下礦區(qū)玉米根形態(tài)特征

從表1可以看出，不同施肥處理下玉米根密度差異不顯著，但是OF處理下玉米根系分形維數(shù)、根體積、總根長均與CK處理差異顯著，且均值最高，施肥效應(yīng)最好。說明有機(jī)無機(jī)肥配施利于玉米根系生長及向周圍土壤獲取營養(yǎng)成分，進(jìn)而促進(jìn)其生物量增加。

2.2 不同施肥處理下礦區(qū)玉米生長特性

從表2可以看出，施肥處理下苗期玉米莖粗、株高、葉綠素含量、地下生物量與地上生物量均顯著高于CK處理(P<0.05)，且OF處理下均值最大，施肥效應(yīng)相對于F、O處理顯著提高。說明有機(jī)無機(jī)肥配施處理對于提高玉米生物量效果顯著高于單施有機(jī)肥或無機(jī)肥。

表1 不同施肥處理下苗期玉米根形態(tài)特征及施肥效應(yīng)

注: 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at 0.05 level. The same below.

表2 不同施肥處理下苗期玉米生長特性及施肥效應(yīng)

2.3 不同施肥處理下礦區(qū)復(fù)墾土壤的碳源利用率

從圖1可以看出，不同施肥處理下礦區(qū)復(fù)墾土壤利用碳源率隨著時間呈動態(tài)變化，0～24 h內(nèi)，不同處理間差異不大，24～48 h內(nèi)，土壤微生物AWCD值均為F> OF>O>CK，48 h后，處理間差異變率增大，72～168 h后，AWCD值呈現(xiàn)OF> O> F>CK，說明OF處理下礦區(qū)土壤微生物活性較大，對碳源利用能力較強(qiáng)。

圖1 不同施肥處理下礦區(qū)復(fù)墾土壤碳源利用率的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of carbon source utilization rate under different fertilizer treatments

2.4 不同施肥處理下復(fù)墾土壤的微生物多樣性

利用96 h不同施肥處理下土壤微生物的AWCD值，計(jì)算礦區(qū)土壤微生物的香濃-維納指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)及均一度指數(shù)。從表3可以看出，施肥處理與CK相比，明顯增加了工礦復(fù)墾區(qū)土壤微生物的香濃-維納和優(yōu)勢度指數(shù)，而降低了均一度指數(shù)，且OF處理下香濃-維納指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)最高，均一度指數(shù)最低。

2.5 不同施肥處理下復(fù)墾土壤的微生物碳源利用類型

從圖2可以看出，土壤微生物對6類碳源類型利用程度不同，不同施肥處理下土壤微生物對糖類、胺類、酯類的利用較高，酸類的利用最差。OF處理下土壤微生物對糖類、氨基酸、醇類、酸類的利用能力最強(qiáng)，而O處理下土壤微生物對酯類、胺類的利用能力最強(qiáng)，CK處理下土壤微生物對各類碳源的利用能力均為最低。

2.6 不同施肥處理下工礦復(fù)墾區(qū)土壤微生物碳源利用特征

利用96 h的AWCD值，對不同施肥處理下土壤微生物的31種碳源利用特征進(jìn)行主成分分析，31種碳源中，特征值大于1的共有7個成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)92.9%。其中第一主成分的特征根為10.55，方差貢獻(xiàn)率為34.05%，第二主成分的特征根為5.97，方差貢獻(xiàn)率為19.27% 。選取PC1和PC2分析不同施肥處理下礦區(qū)土壤微生物碳源利用情況， 從圖3可以看出，土壤微生物多樣性的31種碳源中對第一主成分貢獻(xiàn)率大于50%的主要包括氨基酸(L-精氨酸、L-天冬酰胺酸、L-苯基丙氨酸、L-絲氨酸、L-蘇氨酸)5種、酯類(D-半乳糖酸γ內(nèi)酯、丙酮酸甲酯、吐溫40、吐溫80)4種、胺類(腐胺)1種、酸類(D-半乳糖醛酸、2-羥苯甲酸)2種、糖類(?-甲基D-葡萄糖苷、葡萄糖-1-磷酸鹽)2種、醇類(I-赤藻糖醇、D,L-a-甘油)2種；對第二主成分貢獻(xiàn)率大于50%的碳源包括糖類(a-環(huán)狀糊精)1種、醇類( D-甘露醇) 1種、酸類(4-羥基苯甲酸、r-羥基丁酸、D-蘋果酸) 3種、氨基酸類(甘氨酰-L-谷氨酸)1種。

表3 不同施肥處理下礦區(qū)復(fù)墾土壤微生物多樣性指數(shù)

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note：Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖2 不同施肥處理下復(fù)墾土壤碳源利用分類特征Fig.2 Classification characteristics of carbon source utilization in reclaimed soil under different fertilization treatments

注：圖中31種碳源分別為：B1(丙酮酸甲酯)；C1(吐溫40)；D1(吐溫80)；E1(a-環(huán)狀糊精)；F1(肝糖)；G1(D-纖維二糖)；H1(a-D-乳糖)； A2(?-甲基D-葡萄糖苷)；B2(D-木糖)；C2(I-赤藻糖醇)；D2(D-甘露醇)；E2(N-乙?；?D-葡萄胺)；F2 (D-氨基葡萄糖酸)；G2(葡萄糖-1-磷酸鹽)；H2(D,L-a-甘油)；A3(D-半乳糖酸γ內(nèi)酯)；B3(D-半乳糖醛酸)；C3(2-羥苯甲酸)；D3(4-羥基苯甲酸)；E3(r-羥基丁酸)；F3(衣康酸)；G3(a-丁酮酸)；H3(D-蘋果酸)；A4(L-精氨酸)；B4(L-天冬酰胺酸)；C4(L-苯基丙氨酸)；D4(L-絲氨酸)；E4(L-蘇氨酸)；F4(甘氨酰-L-谷氨酸)；G4(苯乙基胺)；H4(腐胺)。Note：31 kinds of carbon source are respectively in the figure：B1(Methyl pyruvate)；C1(Twain 40)；D1(Twain 80)；E1(A-cyclodextrin)；F1(Glycogen)；G1(D-cellobiose)；H1(a-D-lactose)； A2(?-Methyl-D-glucoside)；B2(D-xylose)；C2(I-gibberellin)；D2(D-mannitol)；E2(N-acetyl-D-grapevine)；F2 (D-glucosaminic acid)；G2(Glucose-1-phosphate)；H2(D, L-a-glycerol)；A3(D-galactose gamma lactone)；B3(D-galacturonic acid)；C3(2-hydroxybenzoic acid)；D3(4-hydroxybenzoic acid)；E3(r-hydroxybutyric acid)；F3(Itaconic acid)；G3(a- butanone acid)；H3(D-Malic Acid)；A4(L- arginine)；B4(L-asparaginic acid)；C4(L-Phenylalanine)；D4(L-serine)；E4(L-threonine)；F4(Glycyl-L-glutamic acid)；G4(Phenethyl amine)；H4(Putrescine).圖3 不同施肥處理下礦區(qū)復(fù)墾土壤碳源利用主成分分析Fig.3 Principal component analysis of carbon source utilization in reclaimed soil under different fertilization treatments

從圖3中的因子得分圖可以看出，不同處理間綜合利用碳源能力差異顯著。OF處理位于第一象限，F(xiàn)與O處理分別位于第二、四象限，CK處理位于第三象限。說明OF處理與第一二主成分均呈正相關(guān)性，而 CK處理與第一、二主成分均呈負(fù)相關(guān)。

3 討 論

土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)與能量傳輸中有重要作用，施肥制度會影響土壤微生物群落多樣性，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)中的碳氮含量。AWCD吸光值可以反映土壤中微生物對碳源的利用能力和代謝活性強(qiáng)度。本研究利用AWCD結(jié)果，對6類碳源、31種碳源綜合利用能力分析的結(jié)果表明，有機(jī)無機(jī)肥配施處理下煤矸石復(fù)墾土壤微生物的代謝活性最強(qiáng)，碳源利用綜合能力也最強(qiáng)，CK處理下碳源利用能力最差。說明有機(jī)肥配施無機(jī)肥可以顯著增加土壤微生物種類，增強(qiáng)微生物活性，提高微生物群落的多樣性。這與劉恩科等[20]、顧美英等[21]的研究結(jié)果一致。表明單施有機(jī)肥或單施無機(jī)肥可能導(dǎo)致礦區(qū)復(fù)墾土壤某些元素缺乏，對土壤微生物群落的多樣性產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。但是施肥處理下土壤微生物均一度指數(shù)均顯著低于CK處理，說明施肥可能導(dǎo)致土壤中微生物個體分布不均勻，也可能促進(jìn)某種微生物的生長而抑制了其他種類的微生物代謝，這與張恩平等[22]對沈陽番茄根際土壤微生物的研究結(jié)果一致。

根系的分形維反映根系在土體空間中的發(fā)育程度及占據(jù)土體空間的能力[23]，表征植物利用土壤水肥的能力強(qiáng)弱[24]。植物根系分形維數(shù)高，說明根系的發(fā)育程度好，根系分支多[23]，利用水肥能力越強(qiáng)。本研究表明OF處理下玉米根系的分形維數(shù)顯著高于CK處理，根體積、根長也增加顯著，表明OF處理對玉米吸收養(yǎng)分、水分效果最好，促進(jìn)生物量增加。根據(jù)本研究試驗(yàn)結(jié)果，確實(shí)OF處理相對于其他處理而言，對于玉米生長性狀，如株高、莖粗等施肥效應(yīng)最高。

4 結(jié) 論

本研究探討了不同施肥處理下煤矸石復(fù)墾區(qū)土壤微生物群落功能多樣性及玉米生長特征，結(jié)果表明有機(jī)無機(jī)配施處理下土壤微生物綜合利用碳源能力最強(qiáng)，施肥效應(yīng)最高，最有利于復(fù)墾土壤微生物活性的提高，群落代謝功能多樣性的增加，從而有利于玉米根系分形維數(shù)增加，吸取土壤中水肥能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高玉米生物量。