耕作深度對植煙土壤理化特征及氨氧化微生物的影響

楊如意,陳 濤,廖 睿,況 帥,徐艷麗,宋文靜,張 波

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站,山東 青島 266101;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京 100081;3. 貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,貴陽 550001)

【研究意義】隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展,農(nóng)戶開始大量使用農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行種前的翻耕、旋耕松土,但往往農(nóng)業(yè)機(jī)械的耕作深度只能達(dá)到表層耕層[1]。耕層較淺、土壤質(zhì)地粘是目前我國煙區(qū)土壤存在的重要問題,尤其是云南產(chǎn)區(qū)[2]。保山市位于云南西部,處于紅壤地區(qū),云南紅壤含有大量的次生無機(jī)鐵、鋁礦物質(zhì),透水、透氣、不易板結(jié),非常適合煙草種植[3]。但由于農(nóng)戶耕作方式不合理,導(dǎo)致有效耕層變淺、土壤板結(jié)[4-5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】長期旋耕會導(dǎo)致耕層變淺,土壤容重增大,保肥保水性減弱等[6-8]。深耕通過打破犁底層,疏松土壤,使土壤孔隙增大、容重降低[2,9],從而促進(jìn)水分和空氣進(jìn)入,加速土壤微生物的生命活動和有機(jī)物的氧化分解,提高土壤肥力[6,10]。田慎重等[11-12]研究表明,旋耕轉(zhuǎn)變?yōu)樯罡苡行岣哂袡C(jī)質(zhì)的累積、增加土壤團(tuán)聚體碳庫等。氮循環(huán)主要包括生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成、硝化作用、反硝化作用、氨化作用、固氮作用。土壤微生物是驅(qū)動氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié),其在土壤中的生命活動將會對土壤肥力等產(chǎn)生較大影響。硝化作用作為氮循環(huán)的核心環(huán)節(jié),能夠有效減少氮素?fù)p失,促進(jìn)植物對氮素的吸收利用。氨氧化是氨氧化成硝酸鹽的主要步驟[13],是硝化作用的限速步驟,氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化細(xì)菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是氨氧化過程中的主要功能菌群[14],影響氨氧化速率。土壤pH、溫度、有機(jī)質(zhì)等會對AOA和AOB的種群結(jié)構(gòu)和豐度產(chǎn)生影響[15-18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對深耕方面的研究主要集中在不同耕深下煙草的產(chǎn)量、質(zhì)量[2,10,19],根系生長及土壤的物理性狀[9],不同耕深下土壤理化性質(zhì)和功能菌群的對比研究鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】AOA和AOB作為氨氧化反應(yīng)的主要驅(qū)動者,其群落結(jié)構(gòu)受土壤環(huán)境因子影響,耕作措施則通過改變土壤環(huán)境因子從而影響土壤氨氧化過程。因此,本研究采用耕深10 cm、耕深20 cm、耕深30 cm 3種不同的耕作深度,探究不同耕深對植煙土壤理化特征及功能菌群的影響,對土壤氨氧化過程和機(jī)制及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

在云南省保山市隆陽區(qū)西邑鄉(xiāng)(99°30′E, 24°93′N)開展試驗(yàn),試驗(yàn)地形為丘陵山區(qū),年均氣溫16.20 ℃,年均降水量1082.70 mm,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,種植制度為煙草-油菜輪作。供試土壤為紅壤、砂壤土(砂粒61.05%、粉粒29.90%、粘粒9.05%),土壤基本理化性質(zhì)和肥料的基本養(yǎng)分特征如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2020年2月,設(shè)耕深10 cm(CK)、耕深20 cm(S1)和耕深30 cm(S2)3個(gè)處理,3次重復(fù),采用隨機(jī)區(qū)組排列。植煙前采用2遍旋耕機(jī)械作業(yè)和1遍深耕機(jī)械作業(yè),旋耕采用手扶旋耕機(jī),濰坊魯科機(jī)械有限公司生產(chǎn),型號:LK14,功率:6.3 kW,深耕采用輪式拖拉機(jī),雷沃重工股份有限公司生產(chǎn),型號:M954-D,功率:69.8 kW?？緹熎贩N為K326,2月中旬開始育苗,5月7日采用復(fù)合肥(N 7%,P2O516%,K2O 26%)750 kg/hm2、氮鉀肥(N 16%,K2O 30%)300 kg/hm2、商品有機(jī)肥(N 2.77%,P2O51.48%,K2O 1.15%)1200 kg/hm2進(jìn)行基肥條施并起壟,5月8日進(jìn)行健康壯苗移栽,其中行距為1.20 m,株距為0.50 m,種植密度為16 500株/hm2,每個(gè)小區(qū)種植240株煙,面積144 m2(長×寬:20.0 m×7.2 m)。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集 樣品采集于2020年8月(烤煙采收期)。①土壤物理指標(biāo)樣品采樣方式:每個(gè)小區(qū)按照對角線法選取3～5個(gè)采樣點(diǎn)[20],用環(huán)刀分別采集各處理0～20、20～40 cm土層根圍土壤樣品用于測定土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)。②土壤養(yǎng)分指標(biāo)樣品采樣方式:每個(gè)小區(qū)內(nèi)按“S”形隨機(jī)取樣8～10個(gè)點(diǎn),用直徑為5 cm土鉆分別采集0～20、20～40 cm土層根圍土壤樣品充分混勻后四分法留取1.5 kg土壤備用,重復(fù)3次,詳見魯如坤[21]的方法,1份風(fēng)干后研磨過篩,用于測定土壤養(yǎng)分指標(biāo)及土壤相關(guān)酶活性;1份置于4 ℃冰箱中,用于測定土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量;1份置于-80 ℃冰箱,用于測定土壤生物學(xué)指標(biāo)。

1.3.2 測定方法 (1)土壤物理指標(biāo)的測定:采用環(huán)刀法測定土壤容重[22]、總孔隙度[23]。

(2)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定:有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,全氮采用半微量凱氏定氮法測定,銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用1 mol/L KCl溶液浸提,用SEALAA3連動流動分析儀測定;有效磷采用鉬銻抗比色法,速效鉀采用火焰光度計(jì)法,具體參照魯如坤[21]的方法。

(3)土壤相關(guān)酶活性的測定:蔗糖酶、纖維素酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法[24],土壤脲酶采用靛酚藍(lán)比色法(以NH3-N計(jì))[25]。

(4)土壤微生物16S rRNA的測序:根據(jù) Illumina Miseq 平臺 (Illumina,SanDiego,USA)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程將純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建 PE 2×250 的文庫。利用 Illumina 公司的 Miseq PE250 平臺進(jìn)行測序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019處理數(shù)據(jù)和制作圖表。交互作用及主成分分析采用SPSS 20軟件進(jìn)行雙因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作深度對植煙土壤物理性狀的影響

由圖1可見,在0～20 cm土層,與CK相比,S1和S2處理的土壤容重均顯著下降,在20～40 cm土層,CK、S1和S2處理間土壤容重均差異不顯著;不同處理間不同土層的土壤總孔隙度均差異不顯著。表明深耕能有效降低土壤容重。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different small letters mean significant difference between treatments at 0.05 level, respectively.The same as below.圖1 土壤物理性狀Fig.1 Physical properties of soil

2.2 耕作深度對植煙土壤養(yǎng)分的影響

由圖2可見,在0～20和20～40 cm土層,與CK相比, S2處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著增加,增幅分別為10.68%、11.45%,而S1處理差異不顯著;在0～20 cm土層,與CK相比,S1處理全氮顯著降低,降幅為16.06%,與CK相比,S2處理顯著增加20～40 cm土層的全氮含量,增幅為32.67%;在0～20 cm土層,不同處理間的土壤銨態(tài)氮含量差異不顯著,在20～40 cm土層,與CK相比,S2處理銨態(tài)氮顯著增加,增幅為28.19%; 在0～20 cm土層,與CK相比,S1、S2處理土壤硝態(tài)氮均顯著增加,增幅分別為106.42%、103.26%,在20～40 cm土層,與CK相比,S2處理硝態(tài)氮顯著增加,增幅為159.74%;不同耕深處理下不同土層的有效磷含量均差異不顯著;在0～20 cm土層,與CK相比,S1、S2處理的土壤速效鉀含量均顯著增加,增幅分別為98.05%、90.59%;在20～40 cm土層,與CK相比, S2處理速效鉀顯著增加,增幅為103.52%。說明,深耕30 cm有效提高20～40 cm土層的有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀等土壤養(yǎng)分。

圖2 土壤化學(xué)性狀Fig.2 Soil chemical properties

2.3 耕作深度對耕層土壤生物學(xué)特征的影響

2.3.1 土壤微生物碳、土壤微生物氮和土壤酶活 由表2可知,與CK相比,S2處理的耕層土壤(0～20 cm)微生物碳含量顯著降低,降幅為27.77%,不同耕作深度的土壤微生物氮含量差異不顯著;與CK相比,S2處理的脲酶含量顯著降低,降幅為36.84%,土壤不同耕深處理間的纖維素酶活性差異不顯著。

表2 土壤微生物碳、土壤微生物氮和土壤酶活Table 2 Soil microbial carbon, soil microbial nitrogen and soil enzyme activity

2.3.2 土壤氨氧化微生物多樣性 由圖3可知,不同耕深處理下AOA群落在門和屬水平相對豐度大于0.10%的均有3個(gè)菌群,與CK相比,門水平下,S1處理提高unclassified_k__norank_d__Archaea的相對豐度,S2處理提高泉古菌門(Crenarchaeota)的相對豐度;屬水平下,S1處理提高unclassified_k__norank_d__Archaea的相對豐度,S2處理提高norank_c__environmental_samples_p__Crenarchaeota的相對豐度。不同耕深處理下AOB群落在門水平相對豐度大于0.10%均有2個(gè)菌群,與CK相比,S1、S2處理均提高變形菌門(Proteobacteria)的相對豐度;AOB群落在屬水平相對豐度大于0.10%均有5個(gè)菌群,與CK相比,S1處理提高亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)的相對豐度,S1、S2處理均提高亞硝化弧菌屬(Nitrosovibrio)的相對豐度,均降低亞硝化單胞菌目(unclassified_o__Nitrosomonadales)的相對豐度。說明,不同耕深處理下,土壤氨氧化微生物多樣性沒有顯著差異,相對豐度存在差異。

圖3 不同耕深土壤微生物群落在門、屬水平上的組成和相對豐度Fig.3 Composition and relative abundance of microbial communities at phylum and genus level in soils with different tillage depths

2.3.3 土壤氨氧化微生物群落組成 由圖3可知,不同耕深處理下AOA群落在門水平的優(yōu)勢種群為unclassified_k__norank_d__Archaea、泉古菌門(Crenarchaeota)、奇古菌門(Thaumarchaeota);AOA群落在屬水平的優(yōu)勢種群為unclassified_k__norank_d__Archaea、norank_c__environmental_samples_p__Crenarchaeota、norank_c__environmental_samples_p__Thaumarchaeota。不同耕深處理下AOB群落在門水平下的優(yōu)勢種群為變形菌門(Proteobacteria)、unclassified_k__norank_d__Bacteria; AOB群落在屬水平的優(yōu)勢種群為亞硝化單胞菌目(unclassified_o__Nitrosomonadales)、norank_f__environmental_samples、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化弧菌屬(Nitrosovibrio)、unclassified_k__norank_d__Bacteria。表明,不同耕深處理下的菌群組成相同,但是各菌群所占比例發(fā)生了改變。

圖4 不同耕深土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of bacterial community structure and soil nutrients at different tillage depths

3 討 論

3.1 耕作深度對植煙土壤理化特征的影響

煙草根系生長直接影響煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[26],根系生長與土壤的理化性狀密切相關(guān)[27]。土壤容重和總孔隙度作為土壤的物理性狀,發(fā)現(xiàn)在同一耕作深度處理下,深層土壤較表層土壤更緊實(shí)、孔隙更少,通過深耕打破犁底層能夠較好地改善這一問題,在深耕30 cm處理下,土壤容重降低,總孔隙度增大。深耕在一定程度上顯著降低土壤容重,使土壤疏松多孔[28-29],與本研究相符。有機(jī)質(zhì)反映土壤的肥力,是為微生物提供生命活動必需的營養(yǎng)物質(zhì)[30]。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀作為營養(yǎng)元素的無機(jī)態(tài),是微生物活動的產(chǎn)物[31]。深耕后土壤有機(jī)質(zhì)含量提高,深層土壤的全氮顯著增加,與0～20 cm土層相比,20～40 cm土層的全氮含量增加。可能是由于深耕對土壤的破壞性較大,翻動土壤中的秸稈殘茬,將表層土壤中的秸稈殘茬帶入深層土壤,激發(fā)土壤微生物的活性[32-33],從而影響20～40 cm土層的全氮含量。深耕下銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀在深層土壤中的含量有效提高,可能是因?yàn)樯罡龠M(jìn)了氧氣和水分進(jìn)入富含有機(jī)質(zhì)的深層土壤,加速微生物活動,從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的腐殖化作用及礦化作用[34],與何京等[35]的研究結(jié)果一致。

3.2 耕作深度對植煙土壤生物學(xué)特征的影響

4 結(jié) 論