沼液還田對(duì)旱地紅壤微生物群落代謝與多樣性的影響

鄭學(xué)博,樊劍波,崔 鍵,徐 磊,祝振球,周 靜,3,4,*,何園球

1 中國科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 210008 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站, 鷹潭 335211 4 江西省科學(xué)院生物資源研究所, 南昌 330029

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沼液還田對(duì)旱地紅壤微生物群落代謝與多樣性的影響

鄭學(xué)博1,2,樊劍波1,崔 鍵1,徐 磊1,2,祝振球1,2,周 靜1,2,3,4,*,何園球1,2

1 中國科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 210008 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,中國科學(xué)院紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站, 鷹潭 335211 4 江西省科學(xué)院生物資源研究所, 南昌 330029

通過沼液還田定位實(shí)驗(yàn),按照不同沼液全氮還田比例設(shè)6個(gè)等氮量(N-P2O5-K2O量均為120-90-135 kg /hm2(對(duì)照除外))處理：對(duì)照(不施肥,CK)、100%化學(xué)氮(NPK)、15%沼液氮+85%化學(xué)氮(BS15)、30%沼液氮+70%化學(xué)氮(BS30)、45%沼液氮+55%化學(xué)氮(BS45)和100%沼液氮(BS100),運(yùn)用Biolog-ECO技術(shù)分析0—20cm花生收獲期土壤微生物群落代謝功能多樣性,闡明微生物群落代謝與沼液還田量的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：①BS45、BS30處理土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度(AWCD)顯著高于CK和NPK處理；而BS15、BS100處理土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度(AWCD)與CK和NPK處理則無顯著差異；②土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度(AWCD)、豐富度指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均表現(xiàn)為BS45>BS30> NPK > CK >BS100>BS15；③結(jié)合主成分分析和聚類分析,表明各處理土壤微生物群落功能多樣性分為4組：BS45、BS30處理為一組,微生物群落代謝活性最強(qiáng),特別是碳水化合物、氨基酸、聚合物和胺類等碳源的代謝能力；NPK、CK、BS100處理為一組,微生物群落代謝活性次之；BS15處理為一組,微生物群落代謝能力最低,其碳水化合物、羧酸、氨基酸、聚合物、酚類和胺類等碳源的代謝能力均為最低。結(jié)合主成分分析綜合得分,土壤微生物群落代謝和多樣性的順序?yàn)锽S45>BS30> NPK > CK >BS100>BS15?？梢?沼液還田顯著影響旱地紅壤微生物群落的代謝活性和多樣性,沼液不能完全替代化肥,當(dāng)沼液全氮還田比例在30%—45%時(shí),微生物群落代謝活性最強(qiáng),有利于土壤質(zhì)量提高,適于在我國旱地紅壤地區(qū)推廣。

沼液；旱地紅壤；Biolog-ECO；微生物代謝特征；群落多樣性

土壤生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心,而土壤微生物是土壤生物的重要組成部分,在土壤結(jié)構(gòu)形成、有機(jī)物質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化、營養(yǎng)元素循環(huán)與利用、作物生長和生態(tài)環(huán)境改善、植物病害抑制或拮抗、溫室氣體排放等方面起著重要的作用[1-4],是土壤肥力的重要調(diào)控因子和土壤地力的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子之一[5]?？擅舾蟹从惩寥蕾|(zhì)量變化、表征土壤有機(jī)質(zhì)代謝旺盛程度,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。而其功能多樣性信息對(duì)于明確不同環(huán)境中微生物群落的作用具有重要意義[6]。

Biolog法是描述微生物群落功能變化的重要指標(biāo),其應(yīng)用始于Garland 和 Mills[7]。以ECO板碳源利用為基礎(chǔ),是描述微生物群落功能多樣性的一種簡(jiǎn)單、快速的方法[8-9],其反應(yīng)特征能代表實(shí)際土壤微生物群落對(duì)ECO板底物碳源利用的動(dòng)力學(xué)特征[10-11]。廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)不同土壤的微生物群落功能多樣性：不同退耕年限[5]；不同灌溉水礦化度和施氮量[1]；不同有機(jī)氯農(nóng)藥污染[12]；不同肥料類型[13]等；可以發(fā)現(xiàn)肥料類型、土壤類型等因素不同,微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性不同。

沼液是畜禽糞便、作物秸稈、工業(yè)垃圾、城市垃圾、能源植物植物等厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的終端產(chǎn)物之一,含有大量環(huán)境有害元素(CODCr,BOD5等),無序排放可導(dǎo)致水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化,正在成為危害性和危險(xiǎn)性不斷增大的一種污染源,因此其如何處理已經(jīng)成為當(dāng)前水環(huán)境保護(hù)中的關(guān)鍵問題[14]。另一方面,沼液中有機(jī)質(zhì)、大量元素(N、P、K)、微量元素(B、Mn等)等含量豐富[15],且存在形式多為易被植物吸收利用的速效養(yǎng)分,是一種緩速兼?zhèn)涞囊后w有機(jī)肥[14]。因此,沼液被認(rèn)為是一種良好的土壤改良劑或有機(jī)肥料[16]。前人關(guān)于沼液還田的研究主要集中在作物產(chǎn)量、肥料利用效率、土壤C, N礦化、微生物數(shù)量等,而且主要以單施沼液為主。Galvez A 等研究發(fā)現(xiàn)合理的沼液農(nóng)用可以改善土壤質(zhì)量,平衡土壤中各營養(yǎng)元素[17]；Abubaker J 等研究發(fā)現(xiàn)沼液農(nóng)用提高了小麥產(chǎn)量、土壤有機(jī)氮礦化和氨氮氧化潛力[18]；同時(shí),沼液農(nóng)用提高了土壤微生物活性[19]；溫曉霞等的研究表明沼液還田可以提高蔬菜、水果產(chǎn)量[20]；馮偉等發(fā)現(xiàn)沼液還田可以提高小麥根際土壤微生物數(shù)量和酶活性[21]。但關(guān)于沼液還田,尤其是沼液化肥配施對(duì)土壤微生物群落功能多樣性影響的研究卻鮮見報(bào)道。

因此,本文采用Biolog技術(shù)研究不同沼液還田量下0—20 cm土壤微生物群落功能多樣性變化,旨在探討土壤微生物功能多樣性對(duì)不同沼液還田量的響應(yīng)、定量沼液還田對(duì)土壤微生物指標(biāo)和土壤質(zhì)量的影響,從而為旱地紅壤質(zhì)量改善、畜禽廢棄物資源化利用及土壤資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江西省余江縣劉家站魯王村(116°5′E, 28°12′N)。區(qū)內(nèi)年平均降雨量1750 mm,80%的降雨集中在3—6月,年蒸發(fā)量1350 mm,年平均氣溫18℃,無霜期267 d左右,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。

試驗(yàn)田為旱平地,試驗(yàn)時(shí)間2013年4月—2014年8月,前茬作物為花生。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),各小區(qū)面積12.4 m×4.8 m=60 m2,小區(qū)間田埂寬50 cm,高25 cm,保護(hù)行20 cm。供試土壤為第四紀(jì)紅粘土發(fā)育的典型紅壤。0—20cm土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 0—20cm土壤養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

各處理N-P2O5-K2O量均為120-90-135 kg/hm2(CK除外)。具體為：Ⅰ對(duì)照(不施肥,CK)；Ⅱ單施化學(xué)氮磷鉀肥(NPK)；Ⅲ 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 15%,BS15)；Ⅳ化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 30%,BS30)；Ⅴ化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 45%,BS45)；Ⅵ 單施沼液(BS100)。具體施肥量見表2。

表2 各試驗(yàn)處理施肥量

a：N-P2O5-K2O 分別來自沼液/化肥；CK: 不施肥 No fertilizer; NPK: 單施化學(xué)氮磷鉀肥 Chemical fertilizers only；BS15: 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 15%) 85% chemical fertilizer total nitrogen plus 15% biogas slurry total nitrogen; BS30: 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 30%) 70% chemical fertilizer total nitrogen plus 30% biogas slurry total nitrogen; BS45: 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 45%) 55% chemical fertilizer total nitrogen plus 45% biogas slurry total nitrogen; BS100: 單施沼液 Biogas slurry only

氮肥為尿素(N 46%),磷肥為鈣鎂磷肥(P2O512%),鉀肥為氯化鉀(K2O 60%),沼液發(fā)酵原材料主要是豬糞尿等,發(fā)酵3個(gè)月以上,細(xì)膩均勻,透明無明顯糞臭味,pH 7.67,具體養(yǎng)分含量見表3。

表3 供試沼液養(yǎng)分含量

所有肥料全部基施,沼液還田處理中不足的P2O5、K2O量用化肥補(bǔ)足(表2)。2013年播種前整地規(guī)劃小區(qū)、翻耕,播種前2d澆灌沼液,尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀播種前1d二次翻耕翻入。種植制度為單季花生/a,每年4月中旬播種,8月中旬收獲。試種品種贛花1號(hào),密度14 萬株/hm2,作物生長期間不再進(jìn)行追肥。

1.3 土壤樣品采集

取樣時(shí)間為2014年8月中旬花生收獲前2d。

取樣方法采用S形取樣,各小區(qū)選取5個(gè)樣點(diǎn),用土鉆(直徑5.0cm)采集0—20 cm土層土樣,先混勻然后去除其中的雜物、砂礫及作物細(xì)根等。過2mm篩后用于測(cè)定土壤微生物功能多樣性(4℃保存)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 土壤微生物功能多樣性分析

采用Biolog-ECO微平板法對(duì)不同沼液還田量處理土壤微生物群落的功能多樣性進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)ECO板含31種碳源,分碳水化合物(10種)、羧酸(7種)、氨基酸(6種)、聚合物(4種)、酚類(2種)、胺類(2種)6種類型[22]。試驗(yàn)步驟：稱取1g鮮土,加入到盛有9mL 0.85% NaCl無菌溶液的18mL試管中,封口后在微型振動(dòng)儀震蕩5min,按10倍稀釋法用0.85% NaCl無菌溶液將其稀釋到原來的10-4用于接種。將加樣液傾倒在無菌加樣槽中,用8通道加樣器將每孔加樣150uL,每樣1板,3次重復(fù),將接種好的ECO板(EcoPlatesTM,美國Matrix Technologies Corporation 生產(chǎn))置于25℃暗箱連續(xù)培養(yǎng),期間每隔24h用Biolog自動(dòng)鑒定系統(tǒng)(MicroStationTMSystem,美國Biolog公司)在590nm下讀數(shù),直到光密度值穩(wěn)定為止,總共培養(yǎng)時(shí)間240h。

1.4.2 計(jì)算方法

土壤微生物利用碳源的整體能力用平均吸光度值(AWCD)表示：

(1)

式中,Ci為第i孔的吸光度值；R為對(duì)照孔的吸光度值；Ci-R<0時(shí)記為0。

土壤微生物利用ECO板中六類碳源的能力用各自的平均吸光度值(AWCD′)[23]表示：

(2)

式中,Ci為i孔的吸光度值；R為對(duì)照孔的吸光度值；n為所選擇碳源類型的個(gè)數(shù)；Ci-R<0時(shí)記為0。

土壤微生物群落功能多樣性分析：本研究采用培養(yǎng)120h的AWCD和AWCD′值進(jìn)行多樣性指數(shù)計(jì)算、主成分分析和聚類分析。土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)包括Shannon指數(shù)(H)、豐富度指數(shù)(S)、Shannon均勻度指數(shù)(E)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)。具體計(jì)算公式如下[24-25]：

Shannon指數(shù)

(3)

豐富度指數(shù)S：被利用碳源的總數(shù)目(判斷標(biāo)準(zhǔn)為Ci-R>0.25)；

Shannon均勻度指數(shù)

E=H/lnS

(4)

Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

(5)

式中,Ci為第i孔的吸光度值；R為對(duì)照孔的吸光度值；n為ECO板碳源數(shù)量,n=31；Pi為第i孔的相對(duì)吸光度值與整個(gè)ECO板相對(duì)吸光度值總和的比率；S為顏色變化的碳源的數(shù)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理、繪制圖表,SPSS 13.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)、相關(guān)性分析(大小采用pearson指數(shù))、主成分分析和聚類分析,差異顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差方法,顯著性水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物利用碳源動(dòng)力學(xué)分析

2.1.1 不同沼液還田量下土壤微生物群落整體代謝活性變化(AWCD)

平均吸光值A(chǔ)WCD反映了土壤微生物群落利用碳源的整體能力,是反映微生物代謝活性的有效指標(biāo)[7,26]。圖1所示,不同沼液還田量處理土壤微生物群落代謝AWCD值的變化趨勢(shì)均為隨著時(shí)間的延長而升高。0—48h：各處理AWCD值均較低,說明土壤微生物群落代謝活性較低,碳源基本未被利用；48—168h：各處理AWCD值迅速升高,微生物呈指數(shù)增長,說明土壤微生物從48h后開始大量利用碳源,土壤微生物代謝活性顯著升高。168h后：各處理AWCD值基本趨于平緩,此時(shí)土壤微生物活性達(dá)到穩(wěn)定?？傮w上,不同沼液還田處理下土壤微生物利用31種碳源的綜合能力(AWCD)為：BS30>BS45> NPK > CK >BS100> BS15。BS30和BS45處理120h 的微生物活性顯著高于BS15處理。

圖1 土壤微生物群落平均吸光值的變化Fig.1 Changes of AWCD of soil edaphon against incubation time under biogas slurry application CK: 不施肥 No fertilizer; NPK: 單施化學(xué)氮磷鉀肥 Chemical fertilizers only；BS15: 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 15%) 85% chemical fertilizer total nitrogen plus 15% biogas slurry total nitrogen; BS30: 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 30%) 70% chemical fertilizer total nitrogen plus 30% biogas slurry total nitrogen; BS45: 化學(xué)氮磷鉀肥+沼液(沼液全N占總N 45%) 55% chemical fertilizer total nitrogen plus 45% biogas slurry total nitrogen; BS100: 單施沼液Biogas slurry only

2.1.2 不同沼液還田量下土壤微生物群落各類型碳源利用特征

按照化學(xué)基團(tuán)性質(zhì),31種碳源分碳水化合物(10種)、羧酸(7種)、氨基酸(6種)、聚合物(4種)、酚類(2種)、胺類(2種)等共六大類碳源。分析各類碳源的AWCD值可判斷各處理土壤微生物群落對(duì)特定類型碳源的利用能力。本文選取120h時(shí)的AWCD值繪制不同沼液還田量下土壤微生物碳源利用能力圖(圖2)。各處理之間土壤微生物群落代謝碳水化合物、羧酸、聚合物的能力存在顯著差異(P<0.05),代謝氨基酸、酚類、胺類的能力無顯著差異(P<0.05)。其中,碳水化合物類：BS45>BS30> NPK≈CK >BS100>BS15；羧酸類：BS30> NPK >BS100>BS45> CK >BS15；氨基酸類：BS45>BS30> CK > NPK >BS100>BS15；聚合物類：BS45>BS30 ≈ NPK >BS100> CK >BS15；酚類：BS45>BS30> CK > NPK ≈ BS100>BS15；胺類：BS45>BS30> CK >BS15> NPK >BS100?？梢园l(fā)現(xiàn),土壤微生物碳水化合物、氨基酸、酚類AWCD值與上述31種碳源總體利用情況類似。BS30處理土壤微生物對(duì)6類碳源的代謝能力高于除BS45處理以外的各處理,而BS45處理較其它處理則提高了土壤微生物對(duì)除羧酸類以外的五類碳源的代謝能力。

圖2 不同沼液還田量下120h時(shí)土壤微生物不同碳源AWCDFig.2 AWCD of soil edaphonat 120h of different carbon sources under biogas slurry application

2.2 不同沼液還田量下土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)和豐富度

Shannon 物種指數(shù)、Shannon 均勻度指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和碳源利用豐富度指數(shù)可以反映土壤微生物群落的功能多樣性。不同的多樣性指數(shù)反映土壤微生物群落功能多樣性的不同方面,Shannon指數(shù)反映群落物種及其個(gè)體數(shù)；Shannon均勻度指數(shù)反映群落個(gè)體分布的均勻制度；Simpon優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映群落中最常見物種的優(yōu)勢(shì)度[27]。各處理ECO板培養(yǎng)120h后的土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)見表2。豐富度指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)方面均為BS45處理最高,BS30處理次之,BS15處理最低。而Shannon 均勻度指數(shù)方面則為BS15處理最高,顯著高于其它處理,而剩余處理間無顯著差異?？梢?BS30和BS45處理增加了土壤中微生物的種類和優(yōu)勢(shì)種群的數(shù)量,但并沒有提高微生物種類的平均分布；而BS15處理抑制了土壤中微生物的種類和優(yōu)勢(shì)種群的數(shù)量,但提高了土壤中存在的微生物種類的均勻分布。

表4 沼液還田對(duì)土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)的影響

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同沼液還田量下土壤微生物群落功能主成分分析(PCA)

土壤微生物群落功能多樣性反映了群落總體的變化,但未能反映微生物群落代謝的詳細(xì)信息,研究土壤微生物對(duì)不同碳源利用能力的差異,利于更全面地研究微生物群落代謝功能的特性。以培養(yǎng)120h不同處理微生物群落對(duì)ECO板31種碳源利用情況做主成分分析(PCA),31個(gè)成分因子中前8個(gè)主成分(累積方差貢獻(xiàn)率>85%,特征根>1)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到92.70%。從中提取可以聚集單一碳源變量的數(shù)據(jù)變異的第1主成分(PC1,方差貢獻(xiàn)率32.34%,特征根10.02)和第2主成分(PC2,方差貢獻(xiàn)率15.36%,特征根4.76)來分析土壤微生物群落功能多樣性。第3至第8主成分的方差貢獻(xiàn)率較小,分別為12.76%、10.85%、7.93%、5.88%、4.16%、3.43%。

不同沼液還田量下土壤微生物群落碳源利用的PCA排序圖如下(圖3)。由圖3可知,前兩個(gè)主成分共解釋了總變異的47.70%。結(jié)合方差分析結(jié)果表明,各處理在PC1上存在明顯的空間分異,6種處理的土壤微生物群落可明顯分為4簇：BS30、BS45處理聚為一簇,CK、NPK處理聚為一簇、BS100處理為一簇、BS15處理為一簇。而在PC2上則沒有顯著的空間差異。PC1方差分析表明,來自(BS30、BS45)和BS15處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異。同時(shí),在PC1上,各處理土壤微生物群落碳源利用主成分分析得分為BS30>BS45> NPK > CK >BS100>BS15。這與Shannon指數(shù)、豐富度指數(shù)、Simpson指數(shù)的研究結(jié)果一致。

圖3 不同沼液還田量下土壤微生物群落功能主成分分析Fig.3 The principal component analysis for soil microbial community function under biogas slurry application

原始變量與各主成分的相關(guān)系數(shù)可用載荷值表征,載荷值越大,表明該原始變量是該主成分的主要影響因子,對(duì)該主成分的貢獻(xiàn)越大[28]。表5為31種碳源(原始變量)在前2個(gè)主成分上的載荷值。從表中可以看到,對(duì)PC1貢獻(xiàn)大的碳源(載荷值≥0.50或≤-0.50)有16種,決定了主成分1的變異,其中碳水化合物4種(β-甲基-D-葡萄糖苷,D-甘露醇,葡萄糖-1-磷酸鹽,D, L-a-甘油),羧酸2種(D-葡萄胺酸,衣康酸),氨基酸4種(L-精氨酸,L-天冬酰胺酸,L-苯基丙氨酸,L-蘇氨酸),聚合物3種(吐溫 40,吐溫80,肝糖),酚類2種(2-羥基苯甲酸,4-羥基苯甲酸),胺類1種(腐胺)；對(duì)PC2貢獻(xiàn)大的碳源(載荷值≥0.50或≤-0.50)有8種,決定了主成分2的變異,其中碳水化合物2種(D-木糖,N-乙?；?D-葡萄胺,),羧酸4種(D-葡萄胺酸,D-半乳糖醛酸,y-羥基丁酸,D-蘋果酸),氨基酸1種(甘氨酰-L-谷氨酸),聚合物1種(a環(huán)式糊精)。結(jié)合圖3,發(fā)現(xiàn)較其他處理,BS30和BS45顯著提高了碳水化合物(4種)、羧酸(2種)、氨基酸(4種)、聚合物(3種)、酚類(2種)、胺類(1種)等共16種碳源的代謝能力。

表5 ECO板上31種碳源在第1、2、3主成分上的載荷值

圖4 不同沼液還田量處理碳源類型主成分得分 Fig.4 Pricipal component scores of carbon sources under biogas slurryapplication

對(duì)所提取的8個(gè)主成分分別計(jì)算各處理6類碳源的主成分得分 (Pricipal component scores, F ),結(jié)果如圖4。F值的相對(duì)大小可以表征不同處理土壤微生物群落對(duì)同一類碳源的代謝能力和同一處理土壤微生物對(duì)不同類型碳源代謝能力的高低。對(duì)F值進(jìn)行橫向比較發(fā)現(xiàn),不同處理土壤微生物對(duì)不同碳源的利用能力不同。CK：代謝碳水化合物能力最強(qiáng)；NPK：代謝碳水化合物、羧酸、聚合物能力最強(qiáng)；BS30、BS45、BS100：代謝碳水化合物、羧酸、氨基酸、聚合物能力較強(qiáng)；BS15：代謝碳水化合物和羧酸能力較強(qiáng)；各處理土壤微生物群落均為代謝酚類和胺類能力較弱。對(duì)F值進(jìn)行縱向比較可知,代謝碳水化合物、羧酸、氨基酸、聚合物、酚類和胺類能力最弱的都是來自BS15處理的土壤微生物,代謝以上物質(zhì)最強(qiáng)的都是來自BS30和BS45處理的土壤微生物。

同時(shí)對(duì)所提取的8個(gè)主成分分別計(jì)算各處理6類碳源的主成分綜合得分 ( Pricipal component composite scores, ZF ) (圖5)。ZF值的相對(duì)大小可以反映不同處理土壤微生物對(duì)ECO板31種碳源綜合代謝能力的高低。圖5顯示,6種處理土壤微生物對(duì)ECO板中31種單一碳源的綜合代謝能力排序?yàn)椋築S45>BS30> NPK >CK >BS100>BS15。

2.4 土壤微生物群落功能多樣性聚類分析

以各處理的前2個(gè)主成分得分代替原指標(biāo)作為評(píng)價(jià)土壤微生物代謝能力的新指標(biāo),以歐式距離作為衡量各處理土壤微生物代謝能力的差異,采用最短距離法將各處理按土壤微生物代謝能力的親疏相似程度進(jìn)行系統(tǒng)聚類。由聚類樹形圖(圖6)可直觀地看出各處理土壤微生物代謝能力的歸類情況(以歐式距離10為分異點(diǎn))：BS30,BS45> CK,NPK >BS100>BS30,即各處理微生物群落代謝能力分為4個(gè)等級(jí)：一等為BS30,BS45,屬強(qiáng)土壤微生物群落代謝能力等級(jí)；二等為CK,NPK,屬較強(qiáng)土壤微生物群落代謝能力等級(jí)；三等為BS100,土壤微生物群落代謝能力低；四等為BS15,土壤微生物群落代謝能力最低。這與主成分分析結(jié)果一致。

圖5 不同沼液還田量處理碳源類型主成分綜合得分 Fig.5 Pricipal component composite scores of carbon sources underbiogas slurryapplication

圖6 聚類樹形圖Fig.6 Arborescence of cluster analysis

3 討論

研究表明,微生物群落碳源代謝強(qiáng)度和代謝類型的變化能較早預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分的變化趨勢(shì),被認(rèn)為是預(yù)測(cè)土壤質(zhì)量變化最有潛力的敏感性生物指標(biāo)[29-30]。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最重要和最活躍的部分,是驅(qū)動(dòng)土壤有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的主要?jiǎng)恿?其活性和多樣性變化在很大程度上反映了土壤有機(jī)碳庫的轉(zhuǎn)化情況[31]。而其數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)及活性受外源有機(jī)物投入種類、存在狀態(tài)和數(shù)量的影響[32]。有機(jī)物料作為外源有機(jī)碳源進(jìn)入土壤,改變了土壤微生物的生存環(huán)境和微生物所需能源物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量[33],從而對(duì)土壤自身有機(jī)碳庫的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。劉定輝等[34]發(fā)現(xiàn)秸稈還田循環(huán)利用顯著增加了土壤微生物數(shù)量和生物量。劉國順等[35]、李正等[36]發(fā)現(xiàn)化肥與綠肥配施還田后土壤微生物活性顯著提高,利于有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和土壤質(zhì)量的提高。AWCD從功能代謝水平上揭示土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性,是反映土壤微生物活性,描述土壤微生物群落功能多樣性的重要指標(biāo)[30]。本文研究表明,較不施肥處理,單施化肥和單施沼液處理土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度無顯著變化,這與程存剛等[32]的研究結(jié)果一致；而沼液化肥配施處理提高了土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度,特別是沼液全N配施45%和30%處理土壤微生物群落碳源代謝強(qiáng)度顯著提高,碳水化合物4種(β-甲基-D-葡萄糖苷,D-甘露醇,葡萄糖-1-磷酸鹽,D, L-a-甘油),羧酸2種(D-葡萄胺酸,衣康酸),氨基酸4種(L-精氨酸,L-天冬酰胺酸,L-苯基丙氨酸,L-蘇氨酸),聚合物3種(吐溫 40,吐溫80,肝糖),酚類2種(2-羥基苯甲酸,4-羥基苯甲酸),胺類1種(腐胺)等16種碳源代謝能力增幅最大。說明一定比例沼液與化肥配施可以改善土壤微生物群落的營養(yǎng)供應(yīng),進(jìn)而提高微生物群落代謝能力。原因可能是該比例沼液化肥配施為土壤微生物生長提供所需碳源和能源的同時(shí),使微生物C/N適宜,土壤速效養(yǎng)分含量多,促進(jìn)了花生植株的吸收和根系生長,從而增加了根系分泌物,促進(jìn)了土壤中微生物數(shù)量的增長和活性的提高。另一方面,單施化肥會(huì)導(dǎo)致紅壤進(jìn)一步酸化[23],而土壤中絕大多數(shù)微生物適宜在中性環(huán)境中生存繁殖,沼液的強(qiáng)pH(表2)抑制了這種酸化趨勢(shì)。不同沼液還田量下,土壤微域環(huán)境發(fā)生了改變,這使得多種微生物的適宜性受到影響,從而影響了土壤微生物對(duì)碳源的選擇性利用。

不同的多樣性指數(shù)反映土壤微生物群落功能多樣性的不同方面。豐富度指數(shù)S、Shannon 均勻度指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分別從微生物群落物種豐富度、均一性及常見物種優(yōu)勢(shì)度等方面反映土壤微生物群落多樣性[27]。本研究發(fā)現(xiàn)BS45處理Shannon指數(shù)、豐富度指數(shù)S、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)較其它處理分別提高2.07%—37%,2.94%—61.76%和1.08%—4.26%。說明該處理在增加土壤微生物種群物種種類和數(shù)量的基礎(chǔ)上提高了優(yōu)勢(shì)微生物種群的數(shù)量,提高了土壤微生物群落的多樣性。

對(duì)各試驗(yàn)處理AWCD值進(jìn)行進(jìn)一步主成分和聚類分析(圖6),結(jié)果表明各試驗(yàn)處理土壤微生物群落多樣性分為4組,BS30、BS45處理微生物群落多樣性相似,為一組；不施肥、單施化肥處理為一組；BS100處理為一組；BS15處理為一組。具體為BS45,BS30> CK,NPK >BS100>BS15。這說明沼液還田量顯著影響土壤微生物群落多樣性,而對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響則需要通過PCR-DGGE方法進(jìn)一步分析。本試驗(yàn)僅針對(duì)連續(xù)施沼液兩年后的土壤微生物群落活性及多樣性進(jìn)行研究,而關(guān)于長期沼液農(nóng)用對(duì)土壤微生物群落活性和多樣性的影響以及是否對(duì)土壤質(zhì)量帶來負(fù)面影響等方面有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)與不施肥、單施化肥處理相比,單施沼液處理對(duì)土壤微生物群落代謝活性影響較小,而沼液化肥配施處理顯著影響土壤微生物群落代謝活性。沼液全N配施比例在30%—45%時(shí),土壤微生物群落整體活性最高,而且碳源利用類型以碳水化合物(4種)、羧酸(2種)、氨基酸(4種)、聚合物(3種)、酚類(2種)和胺類(1種)等共16種碳源為主；

(2)BS45處理Shannon物種指數(shù)、豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)較其它處理分別提高2.07%—37%,2.94%—61.76%和1.08%—4.26%,該處理在增加土壤微生物種群物種種類和數(shù)量的基礎(chǔ)上提高了優(yōu)勢(shì)微生物的數(shù)量,同時(shí)提高了土壤微生物群落功能多樣性。

(3)結(jié)合主成分分析(PCA)和聚類分析得出：微生物群落多樣性分為4個(gè)等級(jí)：一等為BS30,BS45處理,屬強(qiáng)土壤微生物群落代謝能力等級(jí)；二等為CK,NPK處理,屬較強(qiáng)土壤微生物群落代謝能力等級(jí)；三等為BS100處理,土壤微生物群落代謝能力低；四等為BS15處理,土壤微生物群落代謝能力最低。

綜上,對(duì)于旱地紅壤而言,沼液并不能完全取代化肥單獨(dú)施用,必須與一定比例的化肥配合施用。該研究中,沼液化肥氮配比為30%—45%是最佳配施比例,利于土壤質(zhì)量的保持和提高。

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Analysis on metabolic characteristics and functional diversity of soil edaphon communities in upland red soil under biogas slurry application

ZHENG Xuebo1,2, FAN Jianbo1, CUI Jian1, XU Lei1,2, ZHU Zhenqiu1,2, ZHOU Jing1,2,3,4,*, HE Yuanqiu1,2

1 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China 2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3NationalEngineeringResearchandTechnologyCenterforRedSoilImprovement,RedSoilEcologicalExperimentStation,ChineseAcademyofSciences,Yingtan335211,China4InstituteofBiologyResource,JiangxiAcademyofSciences,Nanchang330029,China

In order to provide a theoretical basis for soil edaphon community improvement and a fertilization system establishment for arid areas in south China, a field experiment was conducted to determine the effects of biogas slurry returning systems on the metabolic characteristics and functional diversity of soil edaphon communities in upland red soil.The experiment contained six treatments: nofertilizer (CK), chemical fertilizer (NPK),15% biogas slurry N+85% chemical fertilizer N (BS15), 30% biogas slurry N+70% chemical fertilizer N (BS30), 45% biogas slurry N+55% chemical fertilizer N (BS45), and 100% biogas slurry N (BS100). Each treatment included the same amounts of N-P2O5-K2O=120-90-135 kg/hm2(except for CK).Average well color development (AWCD), indexes of microbial functional diversity (Shannon index, Simpson index, richness index) were determined, and principal component analysis (PCA) and clustering analysis were conducted. The results showed that the AWCD value of treatments BS45 and BS30 was significantly higher than that of CK and NPK treatments, respectively. Treatments BS15 and BS100 showed no significant difference to CK and NPK treatments, respectively. The order of AWCD value, Richness index, Shannon index, and Simpson index wereall the same as follow: BS45>BS30> NPK > CK >BS100>BS15. The results of PCA and clustering analysis showed that the functional diversity of soil edaphoncan develop into 4 groups: First were treatments BS45 and BS30 with the highest microbial activity, which promoted microbial activity to metabolize the carbon sources of carbohydrates, amino acids, polymers and amines; Second were treatments NPK and CK with second highest microbial activity; Thirdwas treatment BS100 with the third highest microbial activity, and fourth was treatment BS15 with the lowest microbial activity. Combined with the PCA score, the order of functional diversity of edaphon communities was BS45>BS30> NPK > CK >BS100>BS15. Overall, we conclude that the microbial activity and functional diversity of upland red soil was significantly affected by biogas slurry application, and that the chemical fertilizer was not completely replaced by biogas slurry. The soil microbial activity reached the highest level when the total nitrogen input ratio of biogas slurry to chemical fertilizer rangedfrom 30% to 45%, which could be expanded inupland red soil of south China.

biogas slurry; upland red soil; Biolog-ECO; metabolic characteristic; microbial diversity

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203050)；國家自然基金青年項(xiàng)目(31201690)；贛鄱英才555工程；國家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAD05B01, 2012BAD05B04)

2015-03-23;

日期:2015-12-29

10.5846/stxb201503230555

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhoujing@issas.ac.cn

鄭學(xué)博,樊劍波,崔鍵,徐磊,祝振球,周靜,何園球.沼液還田對(duì)旱地紅壤微生物群落代謝與多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(18):5865-5875.

Zheng X B, Fan J B, Cui J, Xu L, Zhu Z Q, Zhou J, He Y Q.Analysis on metabolic characteristics and functional diversity of soil edaphon communities in upland red soil under biogas slurry application.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5865-5875.