基于土壤養(yǎng)分和微生物群落變化的稻田沼灌均勻性探討

李美霖，王青霞，喬宇穎,3，喻曼*，陳喜靖，沈阿林*

(1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310016；3.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

沼液中含有豐富的有機物質(zhì)和N、P、K等營養(yǎng)元素及各種氨基酸、有機酸等生物活性物質(zhì)[1]。施用沼液能夠增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性狀，為作物生長提供養(yǎng)分和良好的土壤生長環(huán)境[2]。沼液在水稻生產(chǎn)中應用十分廣泛，是目前處理畜禽養(yǎng)殖廢水最經(jīng)濟有效的一種利用方式，但也存在土壤污染、退化的風險。稻田土壤微生物是維持土壤生物活性的重要組分，調(diào)節(jié)土壤生物化學循環(huán)和土壤結構的形成等過程。土壤的生態(tài)條件決定著土壤微生物的組成、數(shù)量、分布及活性，反過來，土壤微生物反映土壤環(huán)境變化[3]。隨著沼液的大規(guī)模利用，其配套管道設施也在不斷完善。但如果單口灌施中存在灌溉不均勻的問題，則可能造成入水口處消納沼液過量，從而導致水稻倒伏減產(chǎn)[4-5]。在本研究檢索范圍內(nèi)，利用土壤微生物來評價沼液在稻田利用中均勻性的研究還鮮有報道。為此，本文測定稻田中距離沼灌入口不同位置的土壤養(yǎng)分及微生物群落變化，以期為稻田沼液灌施管理提供一定的理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

采樣點位于浙江省金華市婺城區(qū)蔣堂鎮(zhèn)黃碧壟村(119°4′E，29°03′N)，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫17.7 ℃，年日照時數(shù)1 528.8～1 808.9 h。采樣點所在地區(qū)為雙季稻區(qū)，兩季秸稈還田，還田時間10 a。沼液通過鋪設的管道灌施，每個田塊一個灌施口，每年3月份左右開始灌施，連續(xù)灌施3 a。取樣時間為2017年3月，系沼液灌施后土壤。

1.2 采樣方法

選取地勢平坦、整齊的田塊，田塊面積3 335 m2。選擇入水口(沼灌口近端)L1、田塊中央(距沼灌口中端)L2、出水口(距沼灌口遠端)L3三條平行線進行采樣，每條線5個點。一部分樣品保存于-20 ℃冰箱，用于分析微生物群落變化；另一部分風干，用于土壤理化特性分析。

1.3 項目測定與分析

土壤理化特性的測定均采用常規(guī)方法[6]。土壤微生物用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)方法進行分析，根據(jù)Bossio等[7]的方法進行。磷脂脂肪酸根據(jù)姚曉東等[8]的研究進行分類。

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 21.0進行方差分析，采用Sigma plot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤理化特性

各取樣點的土壤理化特性如圖1所示：入水口(L1)土壤中有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和有效氮的含量均最高，且顯著高于其他采樣點，除速效鉀外，L2和L3的土壤各理化特性無顯著差別。這說明沼灌條件下，隨沼灌口距離的增加，土壤養(yǎng)分累積存在顯著差異。不同樣品間的pH值差異不顯著，表明沼液灌施對整個田塊土壤的pH值尚無顯著影響。

2.2 基于PLFA的土壤微生物群落變化

各樣點土壤中總的單體PLFA數(shù)量及含量排名前10的PLFA類型如表1所示，不同距離的土壤微生物單體PLFA數(shù)量、類型大體一致，排序有差異。在離沼灌口近距離位置一些含量較高的PLFA在遠距離位置處失去了優(yōu)勢，而原本含量較低的一些PLFA逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢。這說明沼灌口不同距離土壤樣品中優(yōu)勢菌群存在差異，優(yōu)勢菌群隨著沼灌口距離的增加而變化。

不同柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。圖1 不同取樣點的土壤理化特性

序號單體PLFA數(shù)PLFA類型(按含量從高到低取前10排序)L124cy17∶0,i15∶0,18∶1ω9,10Me16∶0,16∶1ω7,18∶2ω6,a15∶0,18∶1ω7,i17∶1,i16:0L226cy17∶0,18∶1ω9,18∶2ω6,i15∶0,10Me16∶0,16∶1ω7,i17∶0,18∶1ω7,i16∶0,a15:0L32618∶1ω9,i15∶0,10Me16∶0,16∶1ω7,18∶2ω6,a15∶0,18∶1ω7,a15∶0,i17∶0,cy19:0

各土壤樣品的總PLFA含量及微生物群落如圖2所示，各樣品中總PLFA含量表現(xiàn)為L3>L2>L1，說明土壤微生物量隨距離沼灌位置變遠而升高。沼灌口土壤中較高的沼液濃度可能對土壤微生物活性產(chǎn)生一定的抑制作用。但是各處理樣品間細菌、放線菌和真菌的相對豐度差異不大，說明在同一田塊下，沼液澆灌位置對微生物群落結構的影響不大。

圖2 PLFA表征的各處理組土壤樣品微生物數(shù)量及群落結構差異

3 小結與討論

長期施灌沼液可以提升土壤N、P、K和有機質(zhì)含量。灌施沼液能顯著提高土壤速效氮磷含量，在短期內(nèi)能迅速補充土壤養(yǎng)分供應量。沼液偏堿性，在淹灌初期土壤pH會隨著沼液灌溉強度的升高而上升，但隨著淹灌時間延長，土壤pH逐漸回落。本研究中，取樣點土壤為紅壤，偏酸性，對偏堿性沼液的承載力較大，有較強的緩沖能力。另外，沼液中有機質(zhì)在嫌氣和厭氣微生物的共同作用下發(fā)酵產(chǎn)生各種有機酸和無機酸，也能中和沼液的堿性[9-10]。因此，各取樣點的pH值差異不明顯。

在酸性土壤中，由于游離氧化鐵的存在，很大一部分磷酸鐵被氧化鐵包裹成閉蓄態(tài)磷，磷的有效性會大大降低。施灌沼液除了補充磷素外，沼液本身呈堿性，對改良酸性土壤，提高磷素有效性也有幫助。以往研究表明，隨著沼液用量升高土壤磷含量表現(xiàn)出上升趨勢，不同用量施灌沼液處理之間土壤有效磷含量呈顯著差異，說明有效磷對沼液的響應較敏感。本研究中土壤有效磷、有效氮濃度隨距沼灌口距離增大而下降，說明沼灌距離對土壤中有效磷、有效氮分布有影響，沼灌在田塊中存在不均勻性。

PLFA圖譜發(fā)生變化主要源于樣品中微生物組成和生物量的變化。由于沼液中存在一些有害成分，被高濃度沼液淹灌后的土壤微生物極易處于脅迫狀態(tài)，導致土壤微生物生物量下降。環(huán)境壓力會導致磷脂雙分子層流動性增加，進而形成磷脂非雙分子層相，影響細胞膜的滲透性。為了消除環(huán)境壓力帶來的雙分子層流動性PLFA加大的變化，細胞膜改變自身磷脂脂肪酸的結構而發(fā)生適應性改變，這是生物體消除類似外在影響的機制之一[10]。沼灌口的土壤微生物量明顯低于出水口處，說明沼灌口附近土壤中沼液濃度偏高，微生物量指征沼液在田塊中分布不均勻。

沼液灌施后不僅導致土壤微生物的生境發(fā)生變化，同時也帶來外源微生物的入侵。外源微生物與稻田土著微生物構成競爭關系，導致淹灌后土壤微生物種群發(fā)生變化。微生物之間對食物、溶解氧、空間，以及其他共需物質(zhì)相互競爭的勝負取決于各自的生理特性和對環(huán)境的適應能力。研究表明，土壤優(yōu)勢微生物種群對不同淹灌量沼液有類似響應。本研究中，短期沼液灌施不均勻已導致田塊中土壤微生物群落結構產(chǎn)生差異，但差異不顯著。長期灌施不均勻?qū)ν寥牢⑸锶郝浣Y構的影響還不得而知。

綜上，今后在稻田中長期利用沼液時，必須充分考慮應用灌施管道設施后沼液在田塊中的均勻度，及其對土壤理化性質(zhì)、土壤承載潛力和稻田生態(tài)健康的影響。