熱帶典型有機物料對磚紅壤理化性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

宋書會　焦靜　李普旺　王超　何祖宇　周闖　劉運浩　張宇晗　李云娜　楊子明

關鍵詞：熱帶；有機物料；磚紅壤；理化性質(zhì)；微生物群落

中圖分類號：S154.36 文獻標識碼：A

磚紅壤廣泛分布于我國南方熱帶、亞熱帶地區(qū)，由于風化和淋溶強烈導致其鐵鋁氧化物含量高，土壤粘重，pH 低。雖然近年來肥料施用量不斷提高，但磚紅壤的肥力低、結(jié)構(gòu)性差仍是限制熱區(qū)作物產(chǎn)量的主要因素。不同的土地利用方式和管理措施影響土壤物理結(jié)構(gòu)及化學性質(zhì)，特別是有機物料的投入，能夠顯著提高土壤有機質(zhì)和孔隙度，改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)和數(shù)量，提高土壤保水保肥性能，使投入有機物料成為改良土壤最主要和最常見的措施[1-5]。

我國有機物料種類較多，主要包括作物秸稈、動物糞便、廄肥以及經(jīng)過高溫堆漚或者普通堆漚制得的有機肥等[6-7]。有機物料投入土壤后不斷礦化，向土壤中釋放多種營養(yǎng)元素，提高土壤養(yǎng)分的有效性，可實現(xiàn)化肥的部分替代。不同的作物秸稈組成成分不同，還田替代化肥以及對土壤理化性質(zhì)改良的潛力也不同[8]。而不同的有機物料其堿度和減緩土壤酸化的能力也有差異，其大小順序為：高溫堆肥以及廄肥的作用效果最好，其次為普通堆肥、新鮮糞便、綠肥、豆科秸稈，而谷物秸稈組成成分相對簡單，限制了其對土壤酸化的減緩效果[8]。前期關于有機物料對土壤改良效果的研究主要集中于小麥、玉米、水稻等常規(guī)作物秸稈及動物腐熟糞便有機肥等[6， 8-11]。如，李騰等[6]研究發(fā)現(xiàn)，豆稈能夠有效增加土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)，其作用效果優(yōu)于雞糞、豬糞，玉米秸稈能夠顯著提高土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)，其次為糞肥單施、秸稈與糞肥混施。王超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，單施雞糞對增加團聚體機械穩(wěn)定性效果最好，雞糞與稻稈生物炭混施對團聚體水穩(wěn)定性提升效果最好。施用不同的有機物料分別產(chǎn)生了不同的真菌群落組成和相關酶活性，進而改變土壤不同活性有機碳的含量[9]。可見，施用有機物料能夠提高土壤速效養(yǎng)分含量、改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)和微生物群落組成，混施不同種類的有機物料對土壤產(chǎn)生不同的改良效果[6， 12]。

熱帶地區(qū)水熱資源充足，動、植物資源豐富，是我國農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖的重要區(qū)域。動、植物類農(nóng)業(yè)廢棄物種類豐富，量大難以消納，而不合理使用也會對周邊生態(tài)環(huán)境帶來潛在的污染風險，“取之于田，用之于田”是農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用的重要途徑之一[12]。菠蘿莖葉、椰糠、香蕉莖葉等有機物料屬于熱帶亞熱帶地區(qū)典型的農(nóng)業(yè)廢棄物。菠蘿莖葉中含有大量的葉綠素、蛋白質(zhì)、淀粉、葡萄糖以及多達20 種的酚類化合物[13]；香蕉莖稈營養(yǎng)物質(zhì)豐富，干物質(zhì)中蛋白質(zhì)含量可達10%以上，并含有粗纖維、脂肪，富含胡蘿卜素、尼克酸等多種維生素等[14]。在我國菠蘿主要種植區(qū)域，大部分的菠蘿莖葉還田利用，而香蕉莖葉因為其含水量高、體積大、收集利用勞動強度高，主要采用直接還田或者堆漚還田的利用方式[14]。但是，目前這些熱帶特有的有機物料投入土壤后，對土壤理化性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響尚不清楚。本研究選取3 種熱帶典型有機物料，采用田間埋袋試驗培養(yǎng)90 d，研究熱帶典型有機物料腐解后對土壤pH、有效磷、團聚體結(jié)構(gòu)、微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性的影響，為紅壤培肥、改良及熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)廢棄物的高效資源化利用提供基礎支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗區(qū)概況試驗地點設在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所試驗基地，位于廣東省湛江市，該區(qū)域年平均氣溫為22.7～23.5 ℃，屬于熱帶北緣季風氣候。年平均降雨量為1395.5～1723.1 mm，年平均日照時數(shù)為1714.8～2038.2 h。

試驗期間試驗田土壤最低溫度為17.6 ℃，最高溫度為25.7 ℃，平均溫度為20.7 ℃。前茬種植玉米，試驗當年除試驗區(qū)域外，周邊均種植玉米。

1.1.2 供試材料供試土壤為磚紅壤，前茬玉米收獲后，取0～20 cm 耕層土壤，風干，磨碎，過2 mm篩，備用。供試土壤基本理化性質(zhì)為：pH 為5.74，電導率40.30 μs/cm，速效磷14.32 mg/kg，速效鉀73.63 mg/kg ， 堿解氮88.54 mg/kg ， 交換性鈣443.08 mg/kg，交換性鎂75.09 mg/kg，有效態(tài)猛33.92 mg/kg ， 有效態(tài)鐵15.00 mg/kg ， 有效銅1.50 mg/kg，有效鋅0.87 mg/kg，碳含量1.41%，氮含量0.12%，δ¹³C 值–20.79，δ¹⁵N 值6.98。

3種熱帶典型的有機物料：菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠為供試材料，常規(guī)有機肥為對照。菠蘿莖葉（卡因品種地上部）和香蕉莖葉（花期的粉蕉植株地上部）分別取自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所試驗基地，自來水沖洗，鍘刀切碎，曬干，粉碎機二次粉碎，過2 mm 篩，備用；椰糠為海南免泡散裝純椰糠；有機肥為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所研制的通用型產(chǎn)品（熱農(nóng)豐）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 采用田間埋袋方法開展相關研究。將菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠、有機肥4 種材料，與土壤2%的量（物料碳與土壤質(zhì)量）混合后裝入200 目尼龍網(wǎng)袋，每袋裝土250 g，以不投入有機物料的純土為空白對照。用硫酸銨調(diào)節(jié)C/N 比為23∶1 以滿足微生物的最適生長需求，有機物料性質(zhì)、用量及硫酸銨用量見表1。試驗共設5 個處理，每處理設置4 次重復，共20 袋。埋袋試驗小區(qū)面積4 m²，長×寬=2.0 m×2.0 m。埋袋時挖出0～20 cm 土壤，修平小區(qū)四周與底部，扎緊尼龍網(wǎng)袋口以10 cm 間距平鋪于底部，然后將挖出的土回填，壓實。菠蘿莖葉以PAL 表示，香蕉莖葉以BAS 表示，椰糠以CCH 表示，有機肥以OF 表示。

1.2.2 樣品采集與分析培養(yǎng) 90 d 后破壞性取樣，將整個小區(qū)挖開，小心取出全部尼龍網(wǎng)袋，用刷子刷去尼龍網(wǎng)袋表面附著的泥土。取150 g尼龍網(wǎng)袋中培養(yǎng)的土壤，風干磨碎，分別過2 mm和100 目篩，供土壤理化分析測試用。另取100 g尼龍網(wǎng)袋中培養(yǎng)的土壤，置于–20 ℃冰箱保存，用于分析土壤微生物群落和酶活性。

1.2.3 指標評價（1）有機物料組成測定。中性洗滌纖維：稱取生物質(zhì)樣品2.00 g，加入100 mL中性洗滌劑，數(shù)滴乙二醇乙醚和0.5 g 無水亞硫酸鈉。加熱至微沸，保持1 h。砂芯漏斗抽濾，沸水沖洗，再用20 mL 丙酮沖洗。所得固體殘渣于105 ℃烘干至恒重，記錄重量W1，此時的固體殘渣主要為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、硅酸鹽。

酸性洗滌纖維：向固體殘渣中加入100 mL 酸性洗滌劑，數(shù)滴乙二醇乙醚和0.5 g 無水亞硫酸鈉。加熱至微沸，保持1 h。砂芯漏斗抽濾，沸水沖洗，再用20 mL 丙酮沖洗。所得固體殘渣于105 ℃烘干至恒重，記錄重量W2，此時的固體殘渣主要為纖維素、木質(zhì)素、硅酸鹽。

酸性洗滌木質(zhì)素：向固體殘渣中加入72%硫酸，20 ℃消化3 h，抽濾上述溶液，熱水洗滌至流出液體為中性。然后將固體置于105 ℃烘干至恒重，記錄重量W3，此時的殘渣主要為木質(zhì)素、硅酸鹽。

灰分：固體殘渣移入坩堝中（坩堝重W0），放入馬弗爐中于550 ℃焙燒3 h，稱重記錄重量W4。此時的殘渣主要為硅酸鹽。試劑配制、測試過程及含量計算均參照范式法[15]。

（2）土壤pH 和有效磷測定。按照土水比（m/V）1∶2.5 搖勻，采用酸度計測定pH；采用氟化銨-鹽酸浸提法[16]測定有效磷。

（3）土壤團聚體分級。采用濕篩法測定，稱取50.0 g 風干土壤置于土篩中，25 ℃水中浸泡5 min，開啟團聚體篩分儀，在2 min 內(nèi)上下擺動50 次，擺幅3 cm。使土壤依次通過0.250、0.053 mm篩，分別獲得粒徑>0.25 mm 的水穩(wěn)定性大團聚體，粒徑為0.250～0.053 mm 的水穩(wěn)定性微團聚體和粒徑<0.053 mm 的粉-黏團聚體。各粒級團聚體于60 ℃烘干，稱重[17]。

（4）土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成。采用磷脂脂肪酸法測定。①總脂提取：取3 g 土壤樣品置于離心管中，加入20.00 mL 單相提取試劑（氯仿∶甲醇∶檸檬酸=1∶2∶0.8），混勻，離心，取上清液于玻璃試管，然后依次加入4.19 mL 檸檬酸溶液、5.13 mL 氯仿，靜置過夜；用吸管吸取下層氯仿相于新玻璃試管中，氮氣吹干，4 ℃保存。②磷脂分離：用5 mL 氯仿活化硅膠小柱；取200 μL 氯仿加入含有樣品總脂的玻璃試管中，充分溶解后，用長嘴玻璃吸管移至已活化的硅膠小柱上；依次用10 mL 氯仿和10 mL 丙酮分別洗去中性脂和糖脂；用10 mL 甲醇淋洗并用玻璃試管收集磷脂，氮氣吹干。③磷脂甲酯化：在含有磷脂的試管中加入1.00 mL 甲苯甲醇混合液（甲苯∶甲醇=1∶1）和1 mL 的0.2 mol/L KOH 甲醇溶液（用甲醇配制），37 ℃水浴15 min；加入2 mL ddH2O，0.3 mL 冰醋酸，混勻；然后加入2 mL正己烷漩渦混勻30 s，靜置，取上層正己烷相于2 mL 色譜進樣瓶；吹氮濃縮干燥，4 ℃下保存。④采用美國MIDI Sherlock 微生物鑒定系統(tǒng)平臺進行PLFA 分析鑒定，所有測試均采用標準品進行校正[18]。

（5）土壤酶活性測定[19-20]。纖維素酶和木糖苷酶活性采用PNP 法測定，亮氨酸氨基肽酶和多酚氧化酶活性采用分光光度法測定。

纖維素酶和木糖苷酶活性：用乙酸鹽緩沖液（pH 為5.5）分別配制纖維素酶和木糖苷酶底物。稱取0.2 g 凍干土置于2 mL 離心管中，加入0.8 mL乙酸鹽緩沖液（pH 為5.5）和0.2 mL 底物，對照組不加底物，混勻；37 ℃恒溫培養(yǎng)3 h；反應完成后加0.2 mL 0.5 mol/L CaCl2 和0.8 mL 0.5 mol/LNaOH 溶液，離心，測定410 nm 波長吸光度，計算土壤酶活性。

亮氨酸氨基肽酶活性：配制50 mmlo/L pH 為7.8 的磷酸緩沖液和10 mmol/L L-亮氨酸-硝基苯胺溶液。取0.2 g 凍干土置于2 mL 試管中，加入5 μL 甲苯，混勻，靜置15 min。每個樣品3 個重復，1 個對照；各加入1800 μL 緩沖液，在實驗組加入60 μL 的L-亮氨酸-硝基苯胺溶液，混勻，30 ℃水浴培養(yǎng)1 h，培養(yǎng)結(jié)束后煮沸5 min，冷卻，離心，測定405 nm 波長吸光度，計算土壤酶活性。

土壤多酚氧化酶活性：用乙酸緩沖液（pH 為5.5）配制5 mmol/L 左旋多巴（L-DOPA）作為酶反應底物。稱取0.1 g 凍干土置于離心管中，加入0.6 mL 乙酸鹽緩沖液（pH 為5.5）、0.6 mL 0.3%H2O2 和0.6 mL 的5 mmol/L 左旋多巴溶液。對照組不加左旋多巴溶液?；靹颍糜?7 ℃恒溫培養(yǎng)1 h，離心。測定反應體系上清液在460 nm 波長的吸光度，計算土壤酶活性。

試驗所用無機試劑均為分析純級，有機試劑均為色譜純級。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和作圖，采用SPSS 24.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析，運用單因素方差分析（One-way ANO-VA）比較差異，利用鄧肯（Duncans）法檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物料組成成分

由表2 可知，不同材料的組成成分差異較大，有機肥是秸稈、糞肥等農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過腐熟發(fā)酵、微生物分解等的產(chǎn)物，糖脂類組分占60.00%以上；菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠3 種有機物料間的糖脂類物質(zhì)含量無顯著性差異，平均含量為41.10%。香蕉莖葉和菠蘿莖葉中的半纖維素含量占30.00%以上，均顯著高于椰糠和有機肥。椰糠中木質(zhì)素含量達25.00%以上，香蕉莖葉和有機肥中的木質(zhì)素含量較低，平均含量僅為1.75%。菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠中的糖脂類組分與半纖維素+纖維素+木質(zhì)素三者總和的比例分別為1∶1.1、1∶1.4、1∶1.4，平均為1∶1.3，而有機肥中的比例為1∶0.4，有機肥組分顯著區(qū)別于菠蘿莖葉、香蕉莖稈和椰糠。菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠3 種材料中半纖維素與纖維素+木質(zhì)素二者總和的比例分別為1.4∶1、1.6∶1 和0.2∶1，可見，椰糠在該組分上與菠蘿莖葉和香蕉莖稈顯著不同。椰糠和有機肥中的灰分含量較高，是菠蘿莖葉、香蕉莖稈中灰分的2.6～3.6 倍（表2）。

2.2 熱帶典型有機物料對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分是衡量土壤肥力的重要指標，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到重要作用，特別是南方廣泛分布的紅壤、磚紅壤，土壤鐵鋁氧化物含量較高，大多呈酸性，且有效磷含量較低。研究表明，各有機物料腐解對土壤有效磷和pH 的影響存在較大差異（圖1）。有機肥對提高土壤有效磷和pH 的作用效果最顯著。與不投入有機物料的對照土壤相比，有機肥、香蕉莖葉和椰糠處理的土壤有效磷含量分別提高了18.9 倍、3.4 倍、1.9 倍，菠蘿莖葉對土壤有效磷含量無明顯影響。椰糠和菠蘿莖葉處理明顯降低了土壤pH，有機肥和香蕉莖葉處理的土壤pH 分別提高了45.3%和4.0%。

2.3 熱帶典型有機物料對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

粒徑>0.250 mm 的團聚體（大團聚體）是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎，其含量的高低通常是衡量土壤結(jié)構(gòu)的重要指標，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由表3 可知，菠蘿莖葉和香蕉莖葉均能顯著提高粒徑>0.250 mm 的團聚體數(shù)量，其中菠蘿莖葉的作用效果優(yōu)于香蕉莖葉，椰糠和有機肥對粒徑>0.250 mm 的團聚體數(shù)量無顯著影響。而不同有機物料對粒徑為0.250～0.053 mm 的團聚體的作用效果，與對粒徑>0.250 mm 團聚體作用效果相反，而投入菠蘿莖葉后土壤粒徑<0.053 mm 的團聚體數(shù)量最低，說明投入有機物料特別是菠蘿莖葉和香蕉莖葉能明顯促進微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化。

2.4 熱帶典型有機物料對土壤酶活性的影響

有機物料能夠顯著增加土壤木糖苷酶和纖維素酶的活性（P<0.05），其中，菠蘿莖葉、香蕉莖稈、有機肥的作用效果顯著高于椰糠，且三者對纖維素酶活性提高的強度表現(xiàn)為：菠蘿莖葉>香蕉莖葉>有機肥，各處理間差異均達顯著水平，椰糠對土壤纖維素酶的活性無顯著影響；此外，菠蘿莖葉、香蕉莖葉顯著提高土壤亮氨酸氨基肽酶的活性，椰糠和有機肥對亮氨酸氨基肽酶的作用效果不顯著；菠蘿莖葉、香蕉莖葉和椰糠能顯著提高土壤多酚氧化酶的活性，但有機肥對多酚氧化酶活性的增加效果不顯著（圖2）。

2.5 熱帶典型有機物料對土壤微生物群落的影響

細菌群落受土壤利用方式、土壤理化性質(zhì)等因素的影響，能夠在土壤環(huán)境改變時快速作出反應。由圖3 可知，與不施用有機物料的CK 相比，香蕉莖葉、菠蘿莖葉、有機肥均能明顯增加土壤微生物總量，其中香蕉莖葉、菠蘿莖葉和有機肥處理的微生物量增加量分別為115.4%、92.9%和69.7%，但香蕉莖葉培養(yǎng)的土壤微生物總量顯著高于有機肥培養(yǎng)的土壤。椰糠培養(yǎng)條件下土壤微生物總量無明顯變化。說明香蕉莖葉對激活土壤微生物具有較好的作用效果。

由表4 可知，菠蘿莖葉和香蕉莖葉處理均明顯增加革蘭氏陽性（G⁺）菌的數(shù)量，其作用效果顯著優(yōu)于椰糠和有機肥。有機肥對革蘭氏陰性（G^–）菌的增加量與菠蘿莖葉和香蕉莖葉處理之間差異不顯著，但三者均顯著高于椰糠和對照處理。說明施用菠蘿莖葉、香蕉莖葉和有機肥對增加G⁺菌和G^–菌均具有較好的作用效果，椰糠對G⁺菌和G^–菌均無顯著影響。但與對照相比，施用有機物料均明顯提高G^–/G⁺，其中菠蘿莖葉和香蕉莖葉之間差異不顯著，說明不同種類有機物料的施用均打破了原有的微生物群落結(jié)構(gòu)。進一步分析土壤中真菌和叢枝菌根（arbuscular mcorrhizae， AM）的數(shù)量，結(jié)果顯示，施用有機物料均顯著增加土壤真菌數(shù)量，香蕉莖葉的作用效果最好，其次為菠蘿莖葉。有機肥中AM 真菌的數(shù)量顯著高于其他各處理，香蕉莖葉和菠蘿莖葉之間差異不顯著，但顯著高于椰糠和對照處理；說明微生物菌群對投入有機物料的種類具有不同的響應。與對照相比，有機肥處理明顯增加土壤放線菌數(shù)量，菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠對土壤放線菌數(shù)量無顯著性影響，椰糠處理的土壤放線菌數(shù)量較低，且顯著低于有機肥處理。施用香蕉莖葉、菠蘿莖葉、有機肥均顯著增加土壤真核生物數(shù)量，與對照相比，分別增加381.9%、337.2%和164.9%。椰糠處理的土壤真核生物數(shù)量與對照之間無顯著差異。

各處理中未識別的微生物數(shù)量占28.7%，其次為G–菌和G+菌，分別為27.3%和25.1%。放線菌和真菌分別占8.7%和5.3%，真核生物和AM真菌的占比均在5%以下。施用有機物料處理均明顯增加土壤中G+菌的占比，其中香蕉莖葉和菠蘿莖葉培養(yǎng)的土壤中G⁺菌占比顯著高于其他處理，且菠蘿莖葉和香蕉莖葉之間的差異不顯著，二者平均占比為27.8%，椰糠培養(yǎng)的土壤中G⁺菌數(shù)量顯著高于有機肥處理， 二者分別占25.4% 和23.2%，對照中G⁺菌僅占21.4%（圖4）。

施用有機物料處理均明顯降低G^–菌占比，對照中的G^–菌占33.2%，顯著高于其他有機物料處理，有機肥中G^–菌占30.5%，顯著高于椰糠、菠蘿莖葉和香蕉莖葉處理，其中菠蘿莖葉和香蕉莖葉處理間差異不顯著，平均為23.7%，顯著低于椰糠處理土壤中G^–菌的占比。各處理中放線菌與G^–菌的變化趨勢相似，即施用有機物料處理均明顯降低放線菌數(shù)量，其中菠蘿莖葉和香蕉莖葉的降低趨勢更明顯，對照中放線菌占12.3%，菠蘿莖葉和香蕉莖葉處理的放線菌平均占6.8%，與對照相比，降低約44.6%，椰糠和有機肥之間差異不顯著，平均為8.7%。各處理的真菌占比均呈顯著性差異，其中，香蕉莖葉、菠蘿莖葉、椰糠、有機肥中真菌占比分別增加300.2%、232.1%，165.0%和51.9%。施用有機肥處理明顯增加AM真菌的比例，椰糠處理則明顯降低土壤AM 真菌比例，菠蘿莖葉和香蕉莖葉處理土壤中真核生物比例增加（圖4）。說明土壤中的微生物類群對投入有機物料的種類具有不同的響應。

微生物是驅(qū)動土壤有機物質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的主要動力，有機物料能提供微生物生長所需的能量，進而改變微生物群落的結(jié)構(gòu)和數(shù)量。主成分分析結(jié)果顯示，菠蘿莖葉、香蕉莖葉處理的土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)聚為一類（圖5A），椰糠、對照與菠蘿莖葉、香蕉莖稈處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在第1 主成分（PCA1）上顯著分離，而菠蘿莖葉、香蕉莖稈、椰糠3 種材料處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在第2 主成分（PCA2）上與有機肥和對照處理分離。由此可見，投入的有機物料種類調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。進一步冗余分析發(fā)現(xiàn)，微生物群落結(jié)構(gòu)的變化主要與投入有機物料的半纖維素含量和土壤pH 密切相關，分別解釋了70.8%和8.5%的群落結(jié)構(gòu)變異（圖5B）。

3 討論

3.1 不同成分有機物料對土壤肥力和團聚體結(jié)構(gòu)的影響

有機物料種類眾多，其成分也存在較大差異。胡佳丹[21]采用生物法分析香蕉莖葉組成成分，發(fā)現(xiàn)纖維素、半纖維素含量在30%左右，木質(zhì)素含量約為11%。熊曾恒[22]首先從菠蘿莖葉中提取菠蘿莖葉纖維，再參考苧麻化學成分定量分析方法對其纖維素、半纖維素等成分進行分析，發(fā)現(xiàn)提取的菠蘿莖葉纖維中纖維素含量（約61%）、半纖維素含量（約21%）、木質(zhì)素含量（約7%）三者之間呈9∶3∶1 的規(guī)律，與本研究結(jié)果存在一定差異，可能是原材料不同導致的結(jié)果差異。椰糠中木質(zhì)素含量最高，其次為半纖維素，纖維素含量最低[23]。張艷艷等[24]研究了4 種豬糞、4 種牛糞、2 種雞糞、5 種秸稈類材料的主要化學組成，其組分主要劃分為總糖、粗脂肪、有機質(zhì)、活性有機質(zhì)等，結(jié)果顯示不同原料來源和儲存方式均影響其組分構(gòu)成，導致后期依此為原料生產(chǎn)的有機肥具有較強的地域性。受投入有機物料的種類、投入量及土壤性質(zhì)的影響，不同有機物料還田對土壤肥力的影響可能不一致。

有機物料分解產(chǎn)生的有機酸可以降低土壤礦物對磷素的吸附作用，提高土壤磷素的有效性，秸稈有機酸的分解量高于腐熟的有機物料，有機物料的投入能夠顯著提高土壤全磷、速效磷、全氮含量，顯著改善土壤理化性質(zhì)[25-27]。本研究中有機肥對土壤有效磷的作用效果顯著，主要是由于有機肥中本身含有較多的活性磷，有機肥的投入給土壤直接帶入一部分有效磷、速效鉀[28]。本研究所選粉蕉蕉稈中磷含量一般為0.14%～0.25%，而在菠蘿生長后期，菠蘿莖葉中的磷大量向果實轉(zhuǎn)移，使葉片中磷含量較低，除有機物料含磷量外，有機物料的投入量以及腐解速率均會影響有機物料對土壤有效磷的作用效果[29-30]。不同的有機物料其堿度和減緩土壤酸化的范圍各不相同，施用堿度較高的有機肥能夠有效控制農(nóng)田土壤酸化，而谷物秸稈緩解土壤酸化的能力較弱[7]。本研究結(jié)果也顯示，施用有機肥明顯提高了土壤有效磷含量和土壤pH，其次為香蕉莖葉，而菠蘿莖葉和椰糠在一定程度上加劇土壤酸化。這可能是菠蘿莖葉在腐解過程中釋放較多有機酸類物質(zhì)，也可能是與椰糠、香蕉莖葉相比，菠蘿莖葉中總氮含量較高，菠蘿莖葉腐解過程伴隨有機氮向無機氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）的轉(zhuǎn)化，進而導致土壤酸度降低。

諸多試驗顯示，有機物料秸稈、豬糞、生物炭顯著增加有機質(zhì)和紅壤性水稻土壤團聚體（粒徑>0.25 mm），其中，水稻秸稈明顯增加粒徑為0.25～2.00 mm 的團聚體，而廄肥顯著增加粒徑>1 mm 的團聚體含量，小麥秸稈增加粒徑>2 mm的大團聚體和粒徑為0.053～0.25 mm 的中微團聚體含量[5-6， 31]。大豆秸稈、玉米秸稈、雞糞等有機物料混施對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的改良效果優(yōu)于各有機物料單施[1， 6]。木質(zhì)素可直接作為大團聚體的內(nèi)核吸附微小顆粒形成大團聚體[32]。本研究結(jié)果顯示，3 種熱帶典型有機物料及有機肥中，菠蘿莖葉對紅壤團聚體的改良效果最好，香蕉莖葉次之，椰糠和有機肥的作用效果無明顯差異，均低于香蕉莖葉，說明腐殖化程度較低的有機物料投入土壤中，分解形成更多的有機質(zhì)和多糖等膠結(jié)物質(zhì)，更有利于土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成[33]。而有機肥等經(jīng)過腐熟發(fā)酵的有機物料對土壤養(yǎng)分具有明顯的改良效果，但短期內(nèi)不利于土壤物理結(jié)構(gòu)的改善。

3.2 不同成分有機物料對土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤酶僅占土壤極微小的一部分，參與物質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)、能量流動等生物化學過程，對土壤具有重要的功能和作用。不同的施肥措施和有機物料組成對土壤酶活性產(chǎn)生不同的影響，土壤酶活性總體表現(xiàn)為施用有機物料高于不施有機物料或單施化肥。秸稈和糞肥可以大幅度提高脲酶活性，玉米秸稈可以增加土壤纖維素酶活性，而堆肥處理可提升蔗糖酶和磷酸酶活性[10]。本研究中，菠蘿莖葉、香蕉莖葉和有機肥均顯著提高纖維素酶活性。而3 種有機物料中香蕉莖葉中的纖維素含量最高，說明有機物料的纖維素含量對纖維素酶活性之間無直接的相關性。而菠蘿莖葉和香蕉莖葉對土壤木糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和多酚氧化酶均具有較好的作用效果。土壤酶活性的提高可能與分解有機物料的微生物類群有關。

微生物是驅(qū)動土壤有機物質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的主要動力，有機物料能夠提供微生物生長所需要的能量，進而改變微生物群落的結(jié)構(gòu)和數(shù)量。土壤中的微生物活性是衡量土壤各項理化性質(zhì)、酶促反應及能量轉(zhuǎn)化的指標之一，微生物的生存與繁殖均需要適宜的C/N 比，且不同的微生物類群對投入有機物料的組成具有選擇性。邢月華等[34]研究表明，施用有機肥能夠顯著提高耕層土壤中放線菌和細菌的數(shù)量。菠蘿莖葉、香蕉莖葉處理的土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)聚為一類，主要是因為二者在材料組成上較接近，對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的貢獻相似。本研究中，椰糠、對照與菠蘿莖葉、香蕉莖稈處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在第1 主成分（PCA1）上顯著分離，這是由于菠蘿莖葉和香蕉莖稈在半纖維素和纖維素+木質(zhì)素總和的比例上存在較大差異，有機物料投入土壤后微生物對其作出不同的反應。菠蘿莖葉、香蕉莖葉、椰糠3 種處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在第2 主成分（PCA2）上與有機肥和對照處理分離，主要是因為這3 種材料在糖脂類和半纖維素+纖維素+木質(zhì)素總和的比例上存在顯著差異。由此可見，投入有機物料的組分調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。本研究中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化主要與投入有機物料的半纖維素含量和土壤pH 密切相關，分別解釋了70.8%和8.5%的群落結(jié)構(gòu)變異。主要是因為半纖維素較容易被微生物分解利用，能夠為微生物提供充足的碳源，半纖維素含量高的材料在土壤中分解較快，內(nèi)含物釋放于土壤進一步改變土壤pH，共同決定了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。

本研究中，施用有機肥明顯提高AM 真菌的比例，而菠蘿莖葉和香蕉桿有助于提高土壤中的真核生物數(shù)量；與對照相比，香蕉莖葉、菠蘿莖葉、椰糠、有機肥中的真菌比例分別增加300.2%、232.1%、165.0%、51.9%。前期研究結(jié)果顯示，微生物能夠利用的營養(yǎng)底物活性碳和銨態(tài)氮的變化與土壤真菌密切相關[30-31]。香蕉莖葉和菠蘿莖葉的G⁺菌平均占比為27.8%，對照和有機肥中的G⁺菌占比僅為22.3%；而對照和有機肥中的G^–菌占比較高，分別為33.1%和29.9%，這主要是由于G⁺菌更傾向于利用腐殖化程度較低的有機物料，而G^–菌更傾向于利用腐殖化程度較高的有機物料[35]。有機物料的投入引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化大多是由于可利用性碳源的變化引起的，半纖維素等微生物可利用性較高的碳底物能夠為微生物提供足夠的養(yǎng)分來源，進而促進微生物的生長，改變微生物的組成[9， 36]。微生物的菌絲又能增加對土壤的纏繞作用，促使微粘粒向大團聚體轉(zhuǎn)化，從而改變土壤團聚體的結(jié)構(gòu)[33]。

4 結(jié)論

香蕉莖葉和有機肥能夠提高土壤pH 和有效磷含量，菠蘿莖葉短期內(nèi)加劇了土壤酸化。菠蘿莖葉和香蕉桿均有助于促進粒徑＞0.25 mm 團聚體的形成。菠蘿莖葉、香蕉莖稈、有機肥可提高土壤木糖苷酶、纖維素酶和亮氨酸氨基肽酶活性。投入有機物料的組分尤其是半纖維素決定著土壤中的微生物類群；菠蘿莖葉、香蕉桿和有機肥可增加土壤G⁺菌、G^–菌、真核生物、真菌的數(shù)量。施用有機肥能明顯提高AM 真菌的比例，而菠蘿莖葉和香蕉桿有助于增加土壤中真核生物的數(shù)量。AM 真菌是對土壤pH 和有效磷反應較為敏感的菌群，較好的團聚體組成有利于G^–菌、真核生物和真菌的生長。因此，在等碳量投入的條件下，香蕉莖葉和菠蘿莖葉的短期還田效果優(yōu)于椰糠，但在生產(chǎn)上開展菠蘿莖葉還田利用需要配合使用一些堿性材料中和菠蘿莖葉的酸化作用。