施肥對黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

劉強 王瑞 梁艷 何亞蘭 南嶺 王曉琨 徐德華

關(guān)鍵詞：施肥；土壤微生物：黃土丘陵區(qū)；土壤養(yǎng)分；磷脂脂肪酸；群落結(jié)構(gòu)

土壤是連接地球系統(tǒng)中水圈、大氣圈、生物圈及巖石圈間相互作用的紐帶，是人類賴以生存和生活的載體，也是保障國家糧食經(jīng)濟發(fā)展的生產(chǎn)基礎(chǔ)。微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅種類繁多、數(shù)量龐大，且對生存環(huán)境較為敏感，能夠?qū)ν寥拉h(huán)境變化做出迅速反應(yīng)，驅(qū)動土壤養(yǎng)分循環(huán)，改變土壤結(jié)構(gòu)組成，從而影響土壤的發(fā)育過程，因此土壤微生物也是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。土壤微生物群落通過自身的生長代謝參與土壤養(yǎng)分的分解與轉(zhuǎn)化，為土壤的能量流動和養(yǎng)分循環(huán)提供有效的動力和保障，讓土壤成為“活的生命體”。相關(guān)研究表明，土壤微生物的多樣性是生態(tài)農(nóng)業(yè)的標(biāo)志，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)維護的基礎(chǔ)，而土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化很大程度上是由土壤養(yǎng)分含量差異造成的，因此，土壤養(yǎng)分含量被認為是土壤微生物動力學(xué)的決定因素。

施肥會改變土壤的理化性質(zhì)，影響土壤微生物群落的多樣性、組成與結(jié)構(gòu)，進而對其生長繁殖及功能代謝產(chǎn)生相應(yīng)的影響。黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量低，施肥就成為重要生產(chǎn)措施。施肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分含量，改變土壤養(yǎng)分的有效性。但黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中缺乏充足科學(xué)的施肥依據(jù)，主要表現(xiàn)在有機肥在總肥料中的比重較低，施用氮、磷、鉀化肥比例失調(diào)，施氮量過高卻很少關(guān)注施用氮肥后的銨化、硝化和反硝化等過程及不同施用方法下養(yǎng)分利用率的差異，忽視旱區(qū)農(nóng)田水分管理對肥料利用率及肥效的影響，再加上人們長期不合理的生產(chǎn)活動，導(dǎo)致農(nóng)田水土流失嚴(yán)重，土壤結(jié)構(gòu)性差。當(dāng)施肥量超過作物養(yǎng)分需求量時，造成肥料浪費，土壤質(zhì)量下降，農(nóng)田糧食生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻。

目前對施肥處理下土壤養(yǎng)分及土壤微生物群落的研究較為廣泛，并取得一定成果，但主要集中于濕潤地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，對旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，且多集中于東北、華北、長江中下游等地區(qū)，關(guān)于黃土丘陵區(qū)施肥措施對土壤養(yǎng)分和土壤微生物群落的影響尚不明晰?；诖?，本試驗應(yīng)用磷脂脂肪酸（PLFA）法研究了不同施肥處理對黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，并分析了土壤養(yǎng)分與土壤微生物群落之間的相互關(guān)系，以期為進一步探索兩者間的作用機理，改善黃土丘陵區(qū)土壤質(zhì)量以及培肥土壤提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在陜西省延安市中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗站進行。安塞區(qū)位于黃土高原中部，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢呈西北向東南傾斜，海拔1068～1309m。中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年均氣溫8.8℃，年均降水量約500mm。自然植被類型處于森林與草原交錯區(qū)，土壤類型處在黃綿土與沙黃土交錯區(qū)。試驗前土壤含有機碳8.05g/kg、速效鉀81.1mg/kg、有效磷9.72mg/kg、全磷0.59g/kg、全鉀15.8g/kg、全氮0.38g/kg，pH值8.46。

1.2試驗設(shè)計

將長方形試驗地劃分為20個試驗小區(qū)，每個小區(qū)為8.57mx3.50m，每5個小區(qū)為一組。設(shè)置5個不同施肥處理：種植作物不施肥（CK）、單施有機肥（M）、氮磷肥配施（NP）、氮磷鉀肥配施（NPK）、有機肥配施氮磷肥（MNP），每個處理重復(fù)4次。作物種植前將鉀肥、有機肥、磷肥、20%氮肥作為基肥一次性施入，剩余80%氮肥于作物拔節(jié)期追施。施用的有機肥為羊糞，其養(yǎng)分含量為全氮11.24g/kg、全磷17.43g/kg、有機碳24.36g/kg，施用量為7500kg/hm2;磷肥為磷酸鈣（P20544%），施用量為170kg/hm2；氮肥為尿素（N46%），施用量為212kg/hm2;鉀肥為硫酸鉀（K20 50%），施用量為120kg/hm2。

1.3試驗方法

2022年10月作物收獲后，以每個小區(qū)為單元，去除表面雜物，采用“S”形隨機采取0～20cm土層土壤樣品，混勻后裝袋密封，記錄各樣品信息。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用PLFA法測定，參照Bligh-Dyer修正方法，采用Agilent 6890氣相色譜分析磷脂脂肪酸種類，并對特定PLFA進行標(biāo)記，對土壤微生物群落類群進行表征。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

運用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理：用Canoc0 4.5進行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）；利用SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響

不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響（表1）。與CK相比，除NP處理的土壤全氮、有效鉀含量和土壤含水率以及NPK處理的土壤含水率外．4個施肥處理顯著提高了土壤各養(yǎng)分含量（P<0.05），其中MNP處理下土壤全氮、全磷、有效氮、有效磷、微生物碳和微生物氮含量最高，較CK分別增加97.30%、56.36%、194.98%、1336.99%、113.05%、50.89%，較M處理分別增加2.82%、40.98%、14.94%、279.78%、26.56%、2.52%，較NP處理分別增加58.70%、17.81%、83.07%、36.39%、51.41%、6.68%。M處理下土壤有機碳、有效鉀含量及土壤含水率最高，較CK分別增加133.52%、123.77%和27.40%（P<0.05）。

2.2不同施肥處理對土壤微生物PLFA含量的影響

不同施肥處理下土壤微生物數(shù)量發(fā)生了顯著性改變（表2）。特別是MNP處理下細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌PLFA含量及微生物總PLFA含量均最高，較CK分別增加90.69%、110.47%、67.50%、76.47%、54.13% （P<0.05），與M處理相比分別增加60.16%、45.97%、41. 17%、37.47%和33.02%（P<0.05），與NP處理相比分別增加84.09%、61.61%、97.51%、177.17%和53.12%（P<0.05）。真菌PLFA含量在M處理下最高，較CK增加26.09%（P<0.05），真菌／細菌值在NPK處理下最高，較CK增加14.28%（P>0.05）。

2.3不同施肥處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主成分分析

主成分分析結(jié)果（圖1）表明，PC1對土壤微生物PLFA產(chǎn)生變異的貢獻率為71.44%，PC2的貢獻率為20.94%，兩者貢獻率之和為92.38%，可用于反映系統(tǒng)的變異信息。不同施肥處理的圖形明顯分離，表明施肥方式的不同促進了土壤微生物群落的分化。其中，NP處理與CK的主成分分析結(jié)果更為接近，說明這兩種施肥處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似度更高：NPK處理與M處理的主成分分析結(jié)果更為接近，表明這兩種施肥處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似度更高：而MNP處理下的土壤微生物群落與其他施肥處理有明顯區(qū)分。

CK與革蘭氏陽性菌／革蘭氏陰性菌的相關(guān)性強，與其他指標(biāo)相關(guān)性弱；MNP與革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、細菌、放線菌PLFA和微生物總PLFA含量相關(guān)性強，表明MNP處理下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較其他施肥處理發(fā)生了較大變化。

2.4土壤微生物群落組成與土壤養(yǎng)分因子的關(guān)系

將土壤養(yǎng)分因子作為解釋變量，土壤微生物PLFA含量作為響應(yīng)變量進行冗余分析（RDA），結(jié)果（圖2）表明，第一排序軸（RDAI）與第二排序軸（RDA2）分別解釋了78.25%和18.72%的變化量，累計解釋變量96.97%，表明分析結(jié)果可靠。土壤全磷、全氮、碳氮比值、有效鉀、有效氮、有效磷、微生物碳、土壤有機碳、土壤含水率與土壤真菌、革蘭氏陰性菌、放線菌、細菌PLFA含量和總PLFA含量呈正相關(guān)，與革蘭氏陽性菌／革蘭氏陰性菌、真菌／細菌呈負相關(guān)，與革蘭氏陽性菌無顯著相關(guān)性。

3討論與結(jié)論

3.1不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響

本研究結(jié)果顯示，不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。施肥可以增加土壤養(yǎng)分含量，改善土壤肥力狀況，尤其是有機肥本身含有一定的土壤養(yǎng)分，且易于分解、釋放，除少部分礦化供當(dāng)季作物利用外，大部分留在土壤中，使土壤養(yǎng)分得到更新和補償，提高土壤養(yǎng)分供給能力，且具有可持續(xù)性和漸進性。郝曉暉等發(fā)現(xiàn)，施肥可為作物和土壤微生物提供養(yǎng)分來源，促進作物生長，提高土壤微生物量及碳、氮含量，增加根系分泌物和有機殘體數(shù)量，使土壤微生物和作物根系產(chǎn)生較大分子的多糖和分泌物，并與礦物顆粒膠結(jié)形成團聚體，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，阻止土壤養(yǎng)分的迅速礦化分解。石玉龍等發(fā)現(xiàn)土壤中施人有機肥，就會有外源性有機物的輸入，其中含有豐富的養(yǎng)分物質(zhì)，可增加土壤微生物生物量，形成有機無機復(fù)合體和土壤團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性和土壤水分利用效率，調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱的輸入和輸出，增加作物產(chǎn)量，作物收獲后又使作物根茬、枯落物增加，擴大養(yǎng)分物質(zhì)來源，使土壤養(yǎng)分含量增幅較施用化肥效果明顯，且這種差異變化會隨時間變化越來越顯著。張禮軍等發(fā)現(xiàn)施肥作為重要農(nóng)田生產(chǎn)措施，可改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性、水分利用效率和養(yǎng)分有效性，加速土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

3.2不同施肥處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

本研究結(jié)果顯示，不同施肥處理對土壤微生物PLFA含量均有不同程度的影響。M和MNP處理下的土壤微生物總PLFA含量較CK均顯著增加，這與其他研究結(jié)果一致，其原因是施肥會給土壤微生物生長和代謝提供有機碳、氮、磷等礦物質(zhì)養(yǎng)分和能量來源，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物群落對土壤養(yǎng)分的利用能力。NP和NPK處理對微生物群落結(jié)構(gòu)具有正效應(yīng)，其原因是化肥的施人為土壤微生物和地上植物生長快速地提供了養(yǎng)分，隨著地上作物的生長，作物根部生物量和根系分泌物形成的有機物輸送進土壤，有利于土壤微生物的繁衍。M和MNP處理較施用化肥處理對微生物群落結(jié)構(gòu)具有正效應(yīng)，其原因可能是施用有機肥不僅可以促進作物根部形成的有機物和根系分泌物輸送進土壤，有利于土壤微生物的繁衍，還可使土壤養(yǎng)分的輸入和礦化之間逐漸建立新的平衡關(guān)系，促使土壤養(yǎng)分逐步累積，為土壤微生物提供豐富的可利用底物，促進其生長，從而改善土壤微生物之間的關(guān)系，增加土壤細菌、真菌、放線菌生物量和微生物PLFA含量。鄒湘等研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥與化肥配施顯著提高了土壤微生物總PLFA含量，其原因是施人有機肥有利于碳、氮循環(huán)過程的鐵氨氧化反應(yīng)的發(fā)生，促進細菌的生長。薛曉敏等研究發(fā)現(xiàn)，有機肥與化肥配施為土壤微生物提供了大量的碳源，促進了土壤微生物對氮素的固持，調(diào)節(jié)了土壤碳氮比，進而影響到土壤微生物群落的組成。費裕猻等研究發(fā)現(xiàn)，有機肥與化肥配施可顯著提高土壤養(yǎng)分含量，增加土壤微生物的豐富度和活性。而較高的土壤養(yǎng)分含量與土壤微生物群落組成是一致的。

3.3土壤微生物群落組成與土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性

本研究結(jié)果表明，土壤微生物群落分布與土壤養(yǎng)分因子之間有較強的相關(guān)性，而土壤微生物群落的變化源于土壤養(yǎng)分含量的不同。土壤養(yǎng)分是影響土壤微生物群落及其多樣性的重要因子，施肥通過改變土壤養(yǎng)分含量引起土壤微生物在豐度上的響應(yīng)。土壤養(yǎng)分是土壤微生物生命活動必不可少的營養(yǎng)元素，施入有機肥能夠顯著改變土壤養(yǎng)分含量，提高土壤微生物群落對土壤養(yǎng)分的利用能力，使土壤養(yǎng)分輸入和礦化之間新的平衡關(guān)系逐漸建立，不僅提高了土壤微生物生物量，還提高了土壤微生物功能活性。土壤養(yǎng)分會為土壤微生物生長繁殖提供更多可利用底物，尤其是有機肥與化肥配施提供了相對平衡的營養(yǎng)環(huán)境，直接影響土壤微生物的生存和繁殖．增加碳、氮、磷等土壤養(yǎng)分，刺激土壤微生物生長和活動，更易于真菌、放線菌、細菌的繁殖，這一研究結(jié)果與許多學(xué)者的研究結(jié)果相符。

真菌／細菌（ F/B）值表征土壤養(yǎng)分的分解狀況。本研究結(jié)果顯示，MNP處理的F/B值為0.04，顯著低于其他處理，表明該處理下土壤微生物分解由細菌分解型轉(zhuǎn)換為真菌分解型，碳周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分循環(huán)速度減緩，土壤微生物對土壤養(yǎng)分的利用以土壤中較難利用養(yǎng)分為主。革蘭氏陽性／陰性菌（G+/G-）值表征微生物群落對土壤養(yǎng)分的傾向性和生長策略。CK、NP、NPK、MNP、M處理下G+/G-值分別為1.53、2.81、1.52、1.61、1.66，NP處理顯著高于其他處理，表明微生物對土壤養(yǎng)分的分解利用不僅依賴于外源有機肥的輸入，還有其他決定因素。

本研究通過對黃土丘陵區(qū)不同施肥土壤的微生物群落研究表明，土壤養(yǎng)分含量及其對微生物群落的影響因施人肥料種類的不同而存在差異。CK和化肥處理下土壤養(yǎng)分含量（除全磷和有效磷外）低于M或MNP處理。MNP處理下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較施用化肥處理和CK均發(fā)生了顯著改變，增加了微生物總生物量，降低G+/G-、F/B值，提高微生物養(yǎng)分利用能力以及群落的多樣性。綜合研究結(jié)果來看，有機肥配施化肥有利于土壤養(yǎng)分積累，增加土壤微生物生物量，提高土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改良效果，可作為黃土丘陵區(qū)培肥土壤以及生態(tài)管理模式的施肥方案。