不同殘膜量對棉田土壤氮素、八大離子含量及微生物的影響

李玉環(huán),何新林,楊麗莉,王禹植,徐 陽

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

雖然前人已對殘膜的危害有了一定的認(rèn)識，然而目前殘膜對土壤養(yǎng)分及微生物的影響研究較少，尤其不同殘膜強(qiáng)度對土壤微生物特征的影響研究鮮有報(bào)道，在殘膜添加量對養(yǎng)分和微生物影響方面的研究結(jié)果并不一致，且不同區(qū)域結(jié)果差異較大，需要針對不同條件具體研究。新疆地處中國西北干旱地區(qū)，為了提高農(nóng)業(yè)收益，很多地區(qū)均采用地膜覆蓋種植，成為全國殘膜污染最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，殘膜污染問題也最具有代表性。本研究擬設(shè)置不同殘膜強(qiáng)度, 分析殘膜對新疆棉田土壤氮素養(yǎng)分、八大離子含量以及土壤微生物的影響, 為殘膜污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于新疆石河子市試驗(yàn)場二連石河子大學(xué)節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。該站中心位置位于東經(jīng)85°59′47″，北緯44°19′28″，海拔412 m，平均地面坡度為6‰。多年平均降雨量為207 mm，平均蒸發(fā)量為1 660 mm。試驗(yàn)田地下水埋深大于5 m，土壤質(zhì)地為中壤土，粘粒含量(粒徑<0.01 mm)大于20%。試驗(yàn)前采集0～40 cm土壤測定土壤理化性質(zhì)，如表1所示。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，在多年連續(xù)覆膜條件下，殘膜量Mf(kg·hm-2)與殘膜年限X(a)之間存在線性關(guān)系：Mf=15.69X+72.54。根據(jù)該研究結(jié)果，設(shè)置 8個(gè)殘膜量梯度，即150 kg·hm-2(T1，覆膜年限為5 a)、230 kg·hm-2(T2, 覆膜年限為10 a)、465 kg·hm-2(T3, 覆膜年限為25 a)、512 kg·hm-2(CK1, 覆膜年限為28 a)、857 kg·hm-2(T4, 覆膜年限為50 a)、1 250 kg·hm-2(T5, 覆膜年限為75 a)、1 640 kg·hm-2(T6, 覆膜年限為100 a)、0 kg·hm-2(CK2, 覆膜年限為0 a)；分析不同殘膜量對棉田土壤氮素養(yǎng)分、八大離子含量及微生物的影響。

每個(gè)處理中設(shè)置3個(gè)微小區(qū)，作為試驗(yàn)的3次重復(fù)，小區(qū)面積為1.45 m×8.1 m。試驗(yàn)所用地膜均為新疆天業(yè)公司生產(chǎn), 厚度0.008 mm，為高分子有機(jī)聚合物材料，其分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在自然條件下很難降解，降解周期為200～400 a，很難與土壤發(fā)生反應(yīng)[16]。經(jīng)過調(diào)查，研究區(qū)殘留地膜主要集中在0～40 cm土層，其中殘膜面積為4 cm2及以下的數(shù)量最多，占總量的80%以上，殘膜單片面積越大，其殘膜數(shù)量越少，0～10 cm、10～30 cm和30～40 cm土層殘膜所占比率分別約為29%、60%和11%[17]。試驗(yàn)前將地里殘留的地膜撿拾干凈，0～10、10～30 cm和30～40 cm土層按3∶6∶1的比例將人工剪碎的殘膜(2 cm×2 cm)均勻混入土壤中。處理之間埋設(shè)50 cm深度的防水帆布，以消除各處理之間水肥及作物根系纏繞的影響。

殘膜量與覆膜年限的線性關(guān)系及殘膜分布特征由課題組于2019年7月—2020年2月在瑪納斯流域取樣測得，該流域棉田歸屬兵團(tuán)下屬團(tuán)場統(tǒng)一管理,連續(xù)覆膜種植棉花，灌水施肥制度相同，農(nóng)藝措施、種植方式和地膜回收情況均一致；人工裁剪的地膜在2020年3月?lián)饺氪筇铮?月播種，并于2020年10月收獲。種植棉花品種為‘東盛1442號’，種植模式如圖1所示(見227頁)。采用膜下滴灌一膜兩管四行的種植模式，膜寬1.6 m，行間60 cm，膜間30 cm。所有處理施肥量與灌水量取同一水平，在生長期間分別追施銨態(tài)氮肥72 kg·hm-2和尿素200 kg·hm-2。每株棉花在花鈴期打頂，其他管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法相同。

圖1 棉花種植模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of cotton planting pattern

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.4 土壤微生物測定 細(xì)菌核糖體編碼基因相應(yīng)區(qū)段的擴(kuò)增及測序由諾禾致源生物信息公司完成。試驗(yàn)流程包括：樣品準(zhǔn)備(采用CTAB法提取DNA)、DNA提取與檢測(使用瓊脂糖凝膠電泳檢測提取出的DNA純度和濃度；隨后取適量DNA于離心管中，并用無菌水稀釋至1 ng·μl-1)、PCR擴(kuò)增(使用帶barcode的特異性引物、New England Biolabs公司的Phusion? High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真酶進(jìn)行PCR)、產(chǎn)物純化(PCR產(chǎn)物用2%濃度的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測，對目的條帶使用Qiagen公司提供的膠回收試劑盒進(jìn)行回收)。文庫制備與庫檢(使用TruSeq? DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建庫試劑盒進(jìn)行文庫構(gòu)建)、NovaSeq上機(jī)測序[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2016處理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Origin 9.0作圖，采用SPSS 26進(jìn)行養(yǎng)分含量差異性分析；使用Mothur軟件將ASVs與數(shù)據(jù)庫比對從而得到每個(gè)ASV的物種信息。使用QIIME2軟件計(jì)算分析樣品的Alpha多樣性，包括Chao1指數(shù)、Observed species指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)及組間群落結(jié)構(gòu)差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同殘膜量對土壤氮素含量的影響

注：圖中不同字母代表處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters in the figure represent differences between treatments (P<0.05).

2.2 不同殘膜量對土壤八大離子含量的影響

圖3 不同殘膜量對0～20 cm土層八大離子含量的影響 Fig.3 Effects of different amounts of residual film on the content of eight major ions in 0～20 cm soil layers

2.3 不同殘膜量對土壤微生物的影響

2.3.1 土壤微生物Alpha多樣性分析 Alpha多樣性指數(shù)是反映微生物豐富度和均勻度的指標(biāo)，各處理Alpha多樣性指數(shù)如表2所示。Chao1表征估計(jì)樣品中包含的物種總數(shù)；Observed species表征直觀觀測到的物種數(shù)目；Shannon表征群落的豐富度和均勻度；Simpson表征群落內(nèi)物種分布的多樣性和均勻度。不同殘膜量處理OTUs數(shù)(根據(jù)不同的相似度水平，對所有序列進(jìn)行OTU劃分，對97%相似水平下的OTU進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析)。

表2 不同殘膜量下0～40 cm土層土壤 微生物Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表2可知，相較于對照組CK2，T1、T2、T3、CK1處理的微生物Chao1指數(shù)和Observed species指數(shù)都有所增大，Shannon指數(shù)在殘膜量為512 kg·hm-2(CK1)以下時(shí)，較CK2處理高，當(dāng)殘膜量大于512 kg·hm-2(CK1)時(shí)，各處理Shannon指數(shù)低于CK2處理，T4、T5、T6處理Shannon指數(shù)比CK2處理分別低6.09%、8.74%、12.54%。Simpson指數(shù)除T1處理比對照組CK2高0.72%以外，其他處理Simpson指數(shù)都比對照組CK2低。

2.3.2 土壤細(xì)菌群落物種組成分析 為探尋各處理之間門(Phylum)水平上優(yōu)勢物種的差異，選取每3個(gè)樣本(組)中平均豐度排名前10的物種，即變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteriota)、不明細(xì)菌門(Unidentified-bacteria)、放線桿菌門(Actinobacteriota)、厚壁菌門(Firmicutes)、類桿菌門(Bacteroidota)、泉古菌門(Crenarchaeota)、藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)、粘球菌門(Myxococcota)、綠彎菌門(Chloroflexi)，繪制三元相圖(圖4)。由圖4可知，0～40 cm土層中變形菌門(Proteobacteria)和不明細(xì)菌門(Unidentified-bacteria)在各處理中數(shù)量最多(50%以上)；CK2處理中厚壁菌門(Firmicutes)、放線桿菌門(Actinobacteriota)和泉古菌門(Crenarchaeota)數(shù)量較多，其余優(yōu)勢菌門則主要分布在T1處理中；CK1處理中厚壁菌門(Firmicutes)和類桿菌門(Bacteroidota)數(shù)量較多，其余優(yōu)勢菌門在T3、T4和CK1處理中分布較均勻；由圖4C可知，各優(yōu)勢菌門主要集中在T4處理(857 kg·hm-2)。

注：各圖中的3個(gè)頂點(diǎn)分別代表3個(gè)不同梯度的殘膜處理；圓圈越大，物種相對豐度越大，反之物種相對豐度越小；圓圈離某個(gè)頂點(diǎn)的距離越接近，則表示該圓圈所代表的物種在這個(gè)處理中含量越高。Note: The three vertices in each figure represent the residual film treatment with three diferent gradients. The larger the circle, the greater the relative abundance of species, and conversely, the smaller the relative abundance of species. The closer the circle is to a vertex, the higher the content of the species represented by the circle in this treatment.

3 討 論

農(nóng)田中高殘膜強(qiáng)度會顯著影響微生物含量，改變其群落結(jié)構(gòu)及均勻性。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的關(guān)鍵組成部分，對土壤中有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化具有重要作用[30]，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[31]。對0～40 cm土層土壤微生物群落分析可知，當(dāng)殘膜量大于512 kg·hm-2,土壤中Chao1和Simpson指數(shù)明顯降低，T4、T5、T6處理中Shannon指數(shù)比CK2處理降低6.09%～12.54%，T5、T6處理的優(yōu)勢物種數(shù)也明顯低于其他處理，張丹等[2]研究結(jié)果同樣表明當(dāng)殘膜量超過450 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物量、土壤纖維素酶、木聚糖酶以及幾丁質(zhì)酶等參與有機(jī)質(zhì)分解的土壤酶活性顯著降低。其原因可能是高殘膜強(qiáng)度通過減小土壤孔隙率和降低土壤含氧量抑制了放線菌門等好氧微生物的活性[32]，阻礙了好氧微生物正常的新陳代謝，同時(shí)阻礙了優(yōu)勢物種酸桿菌門等的物質(zhì)循環(huán)，降低了微生物的豐富度及多樣性；此外，高強(qiáng)度殘膜產(chǎn)生的有機(jī)污染物影響作物的正常生長，對土壤微生物產(chǎn)生較大危害[33]，有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程、氮素的硝化過程和磷素的分解等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程都需要土壤微生物(如優(yōu)勢物種酸桿菌門等)參與,所以高強(qiáng)度殘膜會降低土壤養(yǎng)分含量,導(dǎo)致微生物活力和含量降低[34]。當(dāng)殘膜量低于512 kg·hm-2時(shí)，殘膜通過保水作用提高了土壤微生物和相關(guān)酶(如幾丁質(zhì)酶、脲酶等)的活性[35]，故微生物多樣性及豐富度較大。

4 結(jié) 論

3)在0～40 cm土層中，相較于對照組CK2，T1、T2、T3、CK1處理中微生物Chao1指數(shù)和Observed species指數(shù)均有所增大，T4、T5、T6處理中Shannon指數(shù)低于CK2處理；Simpson指數(shù)除T1處理外，其余處理中均低于對照組CK2；T5和T6處理中優(yōu)勢物種數(shù)明顯低于其他處理。