劉高遠(yuǎn),和愛玲,杜君,楊占平,潘秀燕,許紀(jì)東,鄭念,張玉亭*
(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,鄭州 450002;2.遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站,河南 駐馬店 463100)
土壤生物學(xué)特性是評(píng)價(jià)土壤肥力的敏感性指標(biāo)。其中,土壤酶和微生物是土壤生物學(xué)特性的重要組成部分,二者共同參與多種重要的生物化學(xué)過程,在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)、有機(jī)質(zhì)分解、污染物降解等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。秸稈中含有豐富的有機(jī)碳及營養(yǎng)元素,秸稈還田能夠激發(fā)土壤酶及微生物活性,進(jìn)而促進(jìn)秸稈降解及養(yǎng)分釋放[2]。因此,明確秸稈還田條件下土壤酶及微生物變化特征對(duì)構(gòu)建良好的土壤微生態(tài)環(huán)境具有重要意義。
秸稈還田量是影響土壤酶及微生物活性的重要因素。WU 等[2]和ZHAO 等[3]的研究已證實(shí),適宜的秸稈還田量能夠提高土壤酶活性、微生物生物量及微生物群落豐度。但受氣候、土壤類型的制約,不同生態(tài)區(qū)適宜秸稈還田量存在明顯的差異[4-7]。秸稈還田量不合理不僅直接影響土壤理化性質(zhì),而且也影響土壤酶及微生物活性水平。ZHAO 等[8]發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田量為4 500 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2時(shí),顯著提高了土壤酶(β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶等)活性、革蘭氏陰性細(xì)菌豐度及真菌豐度,但兩個(gè)還田量處理土壤酶活性及微生物群落豐度無顯著差異。高日平等[4]發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田量3 000~12 000 kg·hm-2條件下,6 000 kg·hm-2處理顯著提高了土壤微生物(細(xì)菌、真菌及放線菌)數(shù)量及土壤酶(蔗糖酶、脲酶及過氧化氫酶)活性。此外,秸稈還田量過高還會(huì)造成下茬作物出苗率降低、病蟲害加重[9]、溫室氣體排放量增加[10]等生產(chǎn)及環(huán)境問題。
砂姜黑土是黃淮海平原重要的農(nóng)耕土壤,具有肥力水平低、透水透氣性差等特性,屬于典型的中低產(chǎn)土壤類型。秸稈還田仍是該土壤類型區(qū)小麥-玉米輪作制度下最重要的土壤培肥措施之一。然而,在該土壤類型區(qū),關(guān)于秸稈還田的研究多集中在土壤理化性質(zhì)方面[7,11],缺乏土壤生物學(xué)特性方面的研究,尤其是土壤養(yǎng)分、酶活性等環(huán)境因子與微生物之間的互作關(guān)系仍需要進(jìn)一步研究。因此,本研究以黃淮海平原砂姜黑土區(qū)小麥-玉米輪作為例,研究不同玉米秸稈還田量對(duì)土壤酶活性、微生物生物量及細(xì)菌群落的影響,結(jié)合土壤養(yǎng)分狀況,分析土壤細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的關(guān)系,從生物學(xué)角度探討土壤適宜的玉米秸稈承載力,為該土壤類型區(qū)秸稈資源合理利用提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2019—2021 年在河南省駐馬店市遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站(113°97′E,33°15′N)開展。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫14.9 ℃,年均降雨量972 mm,年均蒸發(fā)量1 574 mm,無霜期220 d。土壤類型為石灰性砂姜黑土,0~50 cm 土質(zhì)為黏壤土及壤質(zhì)黏土,耕層質(zhì)地黏重,適耕期較短。試驗(yàn)前,0~20 cm 土層基本性質(zhì):容重1.44 g·cm-3,有機(jī)碳7.8 g·kg-1,全氮0.11 g·kg-1,有效磷7.9 mg·kg-1,速效鉀134.2 mg·kg-1,pH 6.7。
試驗(yàn)設(shè)置0、1∕3、2∕3 和100%玉米秸稈還田量(CK、S3、S6 和S9),4 個(gè)處理,3 次重復(fù),共12 個(gè)小區(qū),小區(qū)面積40 m(28 m×5 m),完全隨機(jī)排列。CK、S3、S6 和S9 處理還田量分別為0、3 000、6 000 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2。秸稈自然風(fēng)干,粉碎至5 cm 左右,于小麥播種前按小區(qū)需求量旋耕翻入0~20 cm 土層。秸稈氮、磷和鉀含量分別為2.12%、0.24%和2.43%。小麥品種為遂麥139(遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站選育),播種量180 kg·hm-2,當(dāng)年10 月下旬播種,翌年6 月上旬收獲。肥料品種與施肥量:肥料品種為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%),N、P2O5和K2O用量分別為180、100、60 kg·hm-2,其中磷、鉀肥和70%氮肥于小麥播種前基施,30%氮肥于拔節(jié)期追施。小麥?zhǔn)斋@后,秸稈全量(7 500 kg·hm-2左右)覆蓋還田,接茬玉米輪作。玉米品種為鄭單1002(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所),播種與施肥方式為貼茬種肥同播,密度67 500 株·hm-2;肥料選用常規(guī)復(fù)合肥(N-P2O5-K2O 為30-5-5),施用量750 kg·hm-2,基施、無追肥。整地、病蟲草害防治等田間管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶保持一致。
1.3.1 樣品采集
于2021 年小麥?zhǔn)斋@期,采用五點(diǎn)取樣法,用5 cm直徑的土鉆分別采集各小區(qū)0~20 cm 土樣,混勻,每個(gè)土樣為各小區(qū)5 個(gè)采樣點(diǎn)的混合樣,剔除可見動(dòng)、植物殘?bào)w和石塊等過2.00 mm 篩備用。將采集的土樣分成三部分:一部分自然風(fēng)干過0.25 mm 篩,用于測定土壤養(yǎng)分含量;另一部分4 ℃保存,7日內(nèi)測定酶活性及微生物生物量;其余部分-80 ℃保存,3日內(nèi)分析土壤細(xì)菌群落特征。
1.3.2 土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物生物量分析
有機(jī)碳的測定采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法;堿解氮的測定采用堿解擴(kuò)散法;有效磷的測定采用鉬藍(lán)比色法;速效鉀的測定采用火焰光度法。土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定方法均參考《土壤農(nóng)化分析》[12]。微生物生物量碳、生物量氮的測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]。脲酶、纖維素酶、木聚糖酶和漆酶活性的測定采用酶聯(lián)免疫分析(ELISA)雙抗體夾心法,步驟參考ELISA 試劑盒(上海雙贏生物科技有限公司)使用說明書。
1.3.3 微生物DNA提取及高通量測序
稱取0.5 g 冷凍土樣,使用FastDNA?SPIN Kit(MP Biomedicals,法國)提取微生物DNA,采用Nano-Drop2000 分光光度計(jì)(Thermo Scientific,美國)檢測DNA 濃度和純度,采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量,檢測合格后,用于構(gòu)建文庫。采用細(xì)菌通用引物對(duì)16S rRNA基因V3~V4區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,使用2%瓊脂糖凝膠回收擴(kuò)增產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences,美國)純化,并用QuantiFluorTM-ST(Promega,美國)檢測定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(tái)(Illumina,美國)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程,利用純化后擴(kuò)增片段構(gòu)建PE 2×300 文庫,采用Illumina Miseq技術(shù)測序。
測序完成后,對(duì)有效序列進(jìn)行質(zhì)控、拼接和去雜等處理,12 個(gè)樣品共得到723 735(46 573~73 118)條高質(zhì)量序列,平均長度415 bp,用于分析細(xì)菌群落特征。基于97%的相似水平,利用UPARSE軟件對(duì)操作分類單元(OTU)進(jìn)行聚類,并使用UCHIME 鑒定及去除嵌合序列。根據(jù)Silva數(shù)據(jù)庫,對(duì)每個(gè)OTU物種注釋與分類。利用Mothur軟件計(jì)算Shannon、Simpson多樣性指數(shù)及Chao1、ACE豐富度指數(shù),用于評(píng)價(jià)細(xì)菌α-多樣性[14];基于Bray-Curtis 距離矩陣進(jìn)行非度量多維尺度分析(NMDS),用于評(píng)價(jià)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征。
利用SPSS 21.0 軟件中單因素方差分析法(Oneway ANOVA)比較處理間各指標(biāo)的差異,采用最小顯著性差異法(LSD,P=0.05)比較處理間各指標(biāo)結(jié)果的平均值。采用R 3.60 軟件中Vegan 包進(jìn)行細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的NMDS 分析及細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的冗余分析(RDA),并采用Ggplot2 包繪圖。采用Origin-Pro 2021b繪制柱狀圖。
圖1 為不同玉米秸稈還田量處理下土壤有機(jī)碳、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。結(jié)果表明,與CK處理相比,S6 和S9 處理顯著提高了土壤有機(jī)碳(12.9%和14.4%)、堿解氮(21.4%和25.6%)、有效磷(17.9%和20.5%)和速效鉀(25.9%和29.8%)含量,而S3 處理土壤養(yǎng)分含量與CK處理無顯著差異。在秸稈還田處理中,S6 和S9 處理較S3 處理土壤速效鉀含量分別顯著提高了12.8%和16.2%,而S6和S9處理各土壤養(yǎng)分含量均無顯著差異。
圖1 不同處理下土壤養(yǎng)分含量Figure 1 Soil nutrient contents under different treatments
表1 為不同玉米秸稈還田量處理下土壤酶活性。結(jié)果表明,與CK處理相比,秸稈還田處理顯著提高了土壤脲酶和纖維素酶活性,增幅分別為22.5%~44.6%和23.9%~52.1%;同時(shí),S6 和S9 處理較CK 處理顯著提高了土壤木聚糖酶活性,增幅分別為32.7%和21.2%;不同處理土壤漆酶活性之間差異不顯著。在秸稈還田處理中,S6 和S9 處理較S3 處理土壤纖維素酶活性分別顯著提高了22.8%和14.5%,木聚糖酶活性分別顯著提高了23.2%和12.5%,而S6和S9處理之間土壤酶活性無顯著差異。
表1 不同處理下土壤酶活性(U·g-1)Table 1 Soil enzyme activities under different treatments(U·g-1)
圖2 為不同玉米秸稈還田量處理下土壤微生物生物量碳、生物量氮含量。結(jié)果表明,與CK 處理相比,秸稈還田處理顯著提高了土壤微生物生物量碳,增幅為16.6%~46.7%,S6 處理增幅最高;同時(shí),S6 和S9 處理較CK 處理顯著提高了土壤微生物生物量氮,增幅分別為53.5%和54.4%。在秸稈還田處理中,S6和S9處理較S3處理土壤微生物生物量碳分別顯著提高了25.9%和23.6%,而S6和S9處理土壤微生物生物量碳、生物量氮之間均無顯著差異。
圖2 不同處理下土壤微生物生物量碳、生物量氮含量Figure 2 Contents of soil microbial biomass C and N under different treatments
不同玉米秸稈還田量處理下土壤細(xì)菌α-多樣性特征(表2)表明,與CK 處理相比,秸稈還田處理土壤細(xì)菌群落豐富度指數(shù)(Chao1 指數(shù)和ACE 指數(shù))無顯著變化,即秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌群落豐富度的影響較小。然而,對(duì)于土壤細(xì)菌群落多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)和Simpson 指數(shù))來說,與CK 處理相比,S6 和S9 處理Shannon 指數(shù)顯著升高、Simpson 指數(shù)顯著下降,即2∕3 和100%玉米秸稈還田量均顯著提高了土壤細(xì)菌群落多樣性。由此可見,秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌群落豐富度影響較小,而增加秸稈還田量一定程度上能夠提高土壤細(xì)菌群落多樣性。
表2 不同處理下土壤細(xì)菌α-多樣性Table 2 Soil bacterial α-diversity under different treatments
對(duì)土壤細(xì)菌群落在門水平上進(jìn)行分類,4 個(gè)處理共含有30 個(gè)門,相對(duì)豐度≥1%的門有9 個(gè)(圖3),其中放線菌門、變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和厚壁菌門為優(yōu)勢門,相對(duì)豐度占87.2%~89.4%。與CK 處理相比,秸稈還田處理下酸桿菌門相對(duì)豐度顯著降低了2.6~4.7 個(gè)百分點(diǎn),S6 和S9 處理下變形菌門相對(duì)豐度分別顯著增加了3.8、4.9 個(gè)百分點(diǎn),不同處理下其他細(xì)菌門之間相對(duì)豐度差異均不顯著。進(jìn)一步對(duì)比分析,4 個(gè)處理共含有637 個(gè)屬,其中熱酸菌屬、布氏桿菌屬和芽孢桿菌屬為優(yōu)勢屬(圖4)。與CK 處理相比,秸稈還田處理下芽孢桿菌屬相對(duì)豐度顯著提高了1.2~2.9 個(gè)百分點(diǎn),S6 和S9 處理下布氏桿菌屬相對(duì)豐度分別顯著降低了1.4和1.8個(gè)百分點(diǎn),不同處理下熱酸菌屬相對(duì)豐度差異不顯著。
圖3 不同處理下土壤細(xì)菌群落在門水平上的相對(duì)豐度Figure 3 Soil bacterial community abundance at phylum level under different treatments
圖4 不同處理下土壤優(yōu)勢細(xì)菌屬的相對(duì)豐度Figure 4 The abundance of soil predominant bacterial genera under different treatments
不同玉米秸稈還田量處理下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在OTU 水平上的非度量多維尺度分析(NMDS)結(jié)果(圖5)表明,與CK 處理相比,秸稈還田處理明顯影響了土壤細(xì)菌群落組成,并形成了不同的群落空間結(jié)構(gòu)。其中,S6 和S9 處理土壤細(xì)菌群落空間結(jié)構(gòu)變化趨勢較為一致,且與CK處理差異較大。
圖5 不同處理下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在OTU水平上的非度量多維尺度分析(NMDS)Figure 5 The NMDS of soil bacterial community structure at OTU level under different treatments
圖6 為不同玉米秸稈還田量處理下土壤細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的RDA 結(jié)果,兩個(gè)排序軸共解釋了81.8%土壤細(xì)菌群落組成的差異。其中,第一排序軸貢獻(xiàn)率為69.2%且顯著(F=13.93,P<0.05)影響了土壤細(xì)菌群落組成,主要反映了土壤細(xì)菌群落組成受有機(jī)碳(F=6.42,P<0.05)、微生物生物量碳(F=5.51,P<0.05)和脲酶(F=4.85,P<0.05)的影響,其解釋率依次為59.8%、50.1%和43.4%;第二排序軸貢獻(xiàn)率僅為12.6%,主要反映了堿解氮和有效磷對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響。由此可見,土壤有機(jī)碳、微生物生物量碳和脲酶是影響土壤細(xì)菌群落組成的關(guān)鍵因子。
圖6 不同處理下土壤細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的冗余分析Figure 6 The RDA of soil bacterial community composition and environmental factors under different treatments
秸稈還田是改善土壤養(yǎng)分狀況的有效措施[15]。本研究發(fā)現(xiàn),與CK 處理相比,S6 和S9 處理顯著提高了土壤有機(jī)碳、堿解氮、有效磷及速效鉀含量,而S3處理土壤養(yǎng)分含量無顯著變化,這與ZHANG 等[16]的研究結(jié)果一致,其原因歸結(jié)于高量或中量秸稈還田條件下大量秸稈發(fā)生腐解,使養(yǎng)分釋放量增加。然而,當(dāng)秸稈還田量超出一定范圍后,秸稈腐解率會(huì)隨著投入量的增加而降低,土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)下降趨勢[17]。在本研究中,S6 與S9 處理之間土壤養(yǎng)分含量均無顯著差異,說明100%秸稈還田量(9 000 kg·hm-2)未對(duì)土壤養(yǎng)分造成不良影響。
土壤酶活性是表征土壤養(yǎng)分循環(huán)及微生物代謝活性的關(guān)鍵指標(biāo)[18]。其中,脲酶和纖維素酶是參與土壤碳、氮循環(huán)的主要酶系,其活性與纖維素降解密切相關(guān)[19]。程曼等[20]研究發(fā)現(xiàn),長期秸稈還田顯著提高了土壤脲酶和纖維素酶活性。WEI等[21]也發(fā)現(xiàn),秸稈還田條件下土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶等活性顯著增加,并指出土壤酶活性與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。在本研究中,秸稈還田處理顯著提高了土壤脲酶和纖維素酶活性,這可能與大量碳源投入引起的土壤有機(jī)質(zhì)增加、微生物生長與活性增強(qiáng)及微生物群落變化有關(guān)[22-23]。木聚糖酶是降解半纖維素的主要酶系,其活性與微生物降解半纖維素能力相關(guān)。賀美等[24]研究發(fā)現(xiàn),與不還田和1∕3 秸稈還田量(3 000 kg·hm-2)相比,1∕2(4 500 kg·hm-2)和100%秸稈還田量(9 000 kg·hm-2)均顯著提高了土壤木聚糖酶活性,本研究也得到了相似的結(jié)論(表1)。漆酶是降解木質(zhì)素的關(guān)鍵酶系,其活性與微生物降解木質(zhì)素能力相關(guān)。在本研究中,秸稈還田處理土壤漆酶活性無顯著變化,這一方面可能與秸稈木質(zhì)素結(jié)構(gòu)復(fù)雜、降解慢等特性有關(guān);另一方面可能與該土壤類型下產(chǎn)漆酶微生物(白腐菌、褐腐菌等)較少有關(guān)[25]。此外,有研究表明,適宜秸稈還田量能夠顯著提高土壤酶(脲酶、轉(zhuǎn)化酶等)活性,而秸稈還田量過高造成了土壤酶活性大幅下降[4]。本研究發(fā)現(xiàn),S6 和S9 處理4 種土壤酶活性之間均無顯著差異,說明100%秸稈還田量(9 000 kg·hm-2)未對(duì)土壤酶活性造成不良影響。
土壤微生物生物量是土壤活性養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫,反映了參與調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物數(shù)量[26]。有報(bào)道指出,有機(jī)物料的投入為土壤微生物提供了大量碳源,刺激了土壤微生物生長繁殖及作物生長,提高了土壤微生物生物量[27],這與本研究中S6 和S9 處理土壤微生物生物量碳、生物量氮含量均顯著高于CK 處理的結(jié)果基本一致,可能是由于S6 和S9 處理下土壤有機(jī)碳及其他養(yǎng)分含量較高(圖1)。相比之下,S3 處理秸稈還田量相對(duì)較低,導(dǎo)致土壤微生物生物量的變化相對(duì)較小。
土壤微生物是評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)[28]。張鑫等[29]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田能夠維持和提高土壤細(xì)菌群落多樣性水平,本研究也得到了相似的結(jié)果(表2)。在本研究中,酸桿菌門相對(duì)豐度在秸稈還田處理下顯著降低,變形菌門相對(duì)豐度在S6 和S9 處理下均顯著增加,這可能是由于酸桿菌門屬于貧營養(yǎng)型菌,生長速率緩慢,易富集在養(yǎng)分含量較低環(huán)境中,能夠降解復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)[30];然而,變形菌門屬于富營養(yǎng)型菌,能夠在土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素較高環(huán)境條件下迅速生長[31]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),芽孢桿菌屬相對(duì)豐度在秸稈還田處理中顯著提高,布氏桿菌屬相對(duì)豐度在S6 和S9 處理下均顯著降低,這主要是由于芽孢桿菌屬是厚壁菌門下主要化能異養(yǎng)細(xì)菌類群,參與木質(zhì)纖維素降解、難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等過程,其豐度與土壤有機(jī)碳及速效養(yǎng)分含量呈極顯著正相關(guān)[32];然而,布氏桿菌屬是酸桿菌門下主要異養(yǎng)細(xì)菌類群,其生長特性及規(guī)律與酸桿菌門細(xì)菌相似[33]。本研究NMDS結(jié)果表明,與CK 處理相比,S6 和S9 處理下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生了明顯的變化,其根本原因在于處理間土壤養(yǎng)分含量、酶活性及微生物生物量的差異影響了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分布。由此可見,與不還田相比,2∕3(6 000 kg·hm-2)和100%秸稈還田量(9 000 kg·hm-2)在改善土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性方面均具有積極作用。
有研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)、微生物生物量碳、脲酶活性與微生物碳利用率呈顯著正相關(guān)[34]。本研究RDA 結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳、微生物生物量碳及脲酶是影響土壤細(xì)菌群落組成的關(guān)鍵因子。該結(jié)果說明土壤有機(jī)碳含量、微生物生物量碳含量及脲酶活性越高越有利于細(xì)菌生長,進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳并改善土壤生物學(xué)特性。
與玉米秸稈不還田相比,2∕3(6 000 kg·hm-2)和100%玉米秸稈還田量(9 000 kg·hm-2)均能夠提高砂姜黑土土壤養(yǎng)分含量,增強(qiáng)土壤脲酶、纖維素酶和木聚糖酶活性,提高土壤微生物生物量碳、生物量氮含量,改善土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu);相比之下,1∕3 玉米秸稈還田量(3 000 kg·hm-2)的作用效果相對(duì)較弱。
因此,在砂姜黑土區(qū),2∕3(6 000 kg·hm-2)和100%玉米秸稈還田量(9 000 kg·hm-2)均能夠改善土壤養(yǎng)分狀況及生物學(xué)特性,可根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r選擇適宜用量。
農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)2022年5期