不同培肥措施对土壤团聚体中微生物特性的影响

2018-01-29白文娟徐华勤章家恩

生态环境学报 2018年1期

白文娟，徐华勤，章家恩

1. 华南农业大学热带亚热带生态研究所，广东广州 510642；2. 广州民航职业技术学院，广东广州 510403；3. 湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128

土壤微生物生物量既是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力，又可作为土壤中植物有效养分的储备库，其对土壤环境因子的变化极为敏感，土壤的微小变化均会引起其活性变化（刘恩科等，2008）。因此，土壤微生物生物量常被作为土壤质量评价的指示性指标。土壤团聚体是土壤中物质和能量循环的主要场所，其数量和质量直接决定土壤质量（文倩等，2004）。土壤团聚体主要由无机和有机物质胶结而成，其中微生物起着非常重要的作用，许多细菌细胞核、真菌菌丝直接参与了土壤颗粒的团聚（Gupa et al.，1988）。由于不同团聚体中有机质的组成及转化速率不同，不同粒级团聚体的碳库、氮库和磷库以及微生物生物量碳、氮、磷差异很大（刘毅等，2006），由此导致不同粒级团聚体的物质和能量循环转化速度也存在显著差异（陈利军等，1999）。不同粒级的团聚体在土壤肥力保持、稳定及提高等方面所起的作用不同（Steenwerth et al.，2002）。

施肥是影响土壤质量演化及可持续利用最为深刻的农业措施之一。近年来，关于施肥对土壤微生物生物量的影响已有大量研究。研究结果普遍表明，与单施化肥相比，施用有机肥或有机肥与化肥配施可明显提高土壤微生物生物量碳、氮的含量（曹志平等，2006；李娟等，2008；刘恩科等，2008；高嵩涓等，2015）。也有研究认为，施化肥会抑制土壤微生物的活性，降低土壤微生物生物量（曹志平等，2006）。前人的研究大多集中在施肥对土壤微生物学特性的影响方面。探讨不同培肥措施对土壤团聚体中微生物特性的影响，对合理培肥和改善土壤性状具有重要的实际意义。而不同培肥措施对团聚体中土壤微生物特性的影响如何，目前知之甚少。为此，本研究选取华南地区围垦地果园，对比不同施肥处理对土壤团聚体微生物学特性的影响，旨在为果园土壤生态培肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2008年3月—2011年8月在江门市新会区银湖湾围垦地（22°N，113°～113.8°E）进行。试验地处于广东省珠江三角洲的西南部，属南亚热带海洋性季风气候，月平均气温为 21.8 ℃，无霜期长达 339 d，全年有效积温达7693 ℃，年平均降雨量为 1763 mm，年平均太阳总辐射量为 110 kcal∙cm-2。

试验地土壤基本理化性状为：pH值 6.72，碱解氮 40.92 mg∙kg-1，速效磷 42.80 mg∙kg-1，速效钾126.42 mg∙kg-1，全氮 0.31 gkg-1，全磷 0.52 g∙kg-1，全钾 12.29 g∙kg-1，有机质 9.26 g∙kg-1。

1.2 试验材料

供试木瓜品种：夏威夷水果木瓜（Chaenomeles sinensis）

供试蚯蚓品种：大平二号赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）

1.3 试验设计

1.3.1 小区设置

本试验采用大田随机小区试验，试验设对照（no fertilizer，以下简称CK）、施蚯蚓粪（wormcast，以下简称WC）、田间套养蚯蚓（earthworm breeding，以下简称 EB）、施用牛粪堆肥（cattle manure，以下简称CM）和施化肥（chemical fertilizer，以下简称FL）5个处理，每个处理3个重复。各小区面积为65m2，每个小区7株木瓜。

1.3.2 田间栽培管理

于2008年3月15日犁田整地，3月31日移栽木瓜，株间距为长3.1 m，宽2.7 m。

各小区施肥情况为：FL处理按常规施肥量施肥，WC、CM处理每株木瓜施用10 kg有机肥（合21.5 t∙hm-2），各小区施肥量见表 1。

表1 各小区每株木瓜肥料施用量Table 1 Fertilizer application of each papaya in each plot

田间具体的施肥情况为：4月28日各处理每株木瓜施尿素5 g，作为壮苗肥；5月24日FL处理每株木瓜施复合肥100 g，WC处理每株木瓜施蚓粪1 kg，CM处理每株木瓜施牛粪1 kg；6月12日施肥量同5月24日；7月04日FL处理每株木瓜施40 g尿素和100 g磷肥，WC和CM处理每株木瓜施有机肥2 kg；8月25日FL处理每株木瓜施复合肥200 g，WC和CM处理每株木瓜施有机肥3 kg，同时各处理每株木瓜均施用微量元素肥料50 g；9月12日FL处理每株木瓜施复合肥200 g，WC和CM处理每株木瓜施有机肥3 kg。有机肥料基本性质见表2。

表2 供试有机肥料基本性质Table 2 Basic properties of tested organic fertilizer

4月27日，于EB各小区内放入啤酒渣，同时放置长×宽×高为16.5 m×42 cm×18 cm的饲料床；5月23日接种蚯蚓，每小区投入蚯蚓约1万条，重约500 g；7月20日收蚯蚓并投入新的蚯蚓，同时除去旧料，添加新料。

施用化肥情况为：（1）复合肥，总养分≥45%，N-P-K 为 15%-15%-15%；（2）尿素，粒度（0.83～2.80）≥93%，含氮量≥46.4%；（3）磷肥，过磷酸钾肥料，P2O5≥12.0%；（4）微量元素水溶肥料，购于硼锌铁镁肥从安徽天竺化工有限公司。

1.4 取样时间和测定内容

于2011年6月（木瓜成熟期）采集土壤样品，在与木瓜滴水线互相垂直的4个方向上按照S形取样法取0～20 cm土层土壤样品，5点混合为1个样品，每个处理取3个混合样品。一部分样品风干、过筛后用于土壤化学性质的测定，另外一部分用于土壤团聚体分级分析。

1.5 测定方法

土壤团聚体分析采用干筛法（中国科学院南京土壤研究所，1978），分离出＞2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm、＜0.25 mm四级团聚体。将土壤湿度调节至田间持水量的50%，25 ℃下预培养7～10 d后，迅速测定土壤团聚体中微生物生物量碳、氮、磷，或低温（4 ℃）保存（文倩等，2004；2005a；2005b）。土壤微生物生物量碳测定采用熏蒸浸提-重铬酸钾容量法；土壤微生物生物量氮测定采用熏蒸浸提-全氮测定法；土壤微生物生物量磷测定采用熏蒸浸提-Pi测定-外加 Pi校正法（Vance et al.，1987）。土壤微生物碳源利用多样性采用 BIOLOG生态测试板（Eco Microplate，美国 MatrixTechnologies Corporation生产）测定。Biolog-ECO微平板的总体颜色变化用平均孔颜色变化率（Average Well Color Development，AWCD）表示，其计算公式为（Garland et al.，1991）：

式中，Ci为所测得的除对照孔外的 93个反应孔的吸光度值；R为对照孔的吸光度；n为ECO板碳源底物的种类，n=31。

利用培养 96 h后的吸光值数据计算土壤微生物群落功能多样性指数，包括多样性、优势度和均匀度指数，计算方法参照Magurran（1988）。

1.6 数据处理

数据经Excel 2007处理后，采用SPSS 18.0软件进行方差分析，不同处理间的多重比较采用最小显著差异方法（LSD）。绘图于SigmaPlot 10.0软件中完成。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体中微生物生物量碳变化

微生物生物量碳在土壤团聚体中的分布如图 1所示。供试土壤团聚体微生物生物量碳含量的变化范围为 63.35～175.69 mg∙kg-1，占土壤有机碳的1.02%～1.87%。与 CK相比，各培肥措施均显著提高了各级团聚体土壤微生物生物碳含量。各处理间团聚体微生物生物量碳随团聚体的大小而变化的趋势基本相同，整体上表现为大团聚体的微生物生物量碳含量显著高于微团聚体。

在同一粒级的土壤团聚体中，施蚯蚓粪处理（WC）、套养蚯蚓（EB）、施牛粪处理（CM）的＞2 mm粒径团聚体中的微生物生物量碳基本上无显著差异，但它们均显著高于化肥处理（FL）和对照（CK）。而施蚯蚓粪处理＜0.25 mm粒径团聚体中的微生物生物量碳显著高于其他处理，且其他处理之间无显著差异。其他粒级团聚体微生物生物量碳变化规律不明显。

图1 不同处理对土壤团聚体中微生物生物量碳的影响Fig. 1 Effect of different treatments on microbial biomass-C of aggregates

2.2 土壤团聚体中微生物生物量氮变化

微生物生物量氮在土壤团聚体中的分布如图 2所示。供试土壤团聚体中微生物生物量氮含量的变化范围为 7.45～31.23 mg∙kg-1，占土壤全氮的0.71%～3.54%。微生物生物量氮在各处理土壤团聚体中的分布情况相同，各粒径团聚体微生物生物量氮分布不均匀。方差分析表明，在相同处理中，大粒级团聚体微生物量氮均高于小粒级团聚体，且微生物生物量氮含量基本随土壤团聚体粒径的增大而增大。

图2 不同处理对土壤团聚体中微生物生物量氮的影响Fig. 2 Effect of different treatments on microbial biomass-N of aggregates

同一粒级团聚体中，施蚯蚓粪处理（WC）＞2 mm粒径团聚体土壤微生物生物量氮显著高于其他处理（P＜0.05）。各培肥处理2～1 mm和1～0.25 mm粒径团聚体微生物生物量氮基本上无显著差异。＜0.25 mm 粒径团聚体微生物生物量氮以牛粪处理（CM）最高。可见，施蚯蚓粪处理增加的土壤微生物生物量氮主要向＞2 mm粒径团聚体富集，而施牛粪处理则主要向土壤微团聚体富集。与CK相比，各培肥处理均显著提高了各粒级团聚体土壤微生物生物量氮含量。

2.3 对土壤团聚体中微生物生物量磷的影响

微生物生物量磷在土壤团聚体中的分布如图 3所示，由图可知，供试土壤团聚体微生物生物量磷含量的变化范围为29.45～79.45 mg∙kg-1，占土壤全磷的 5.59%～13.83%。微生物生物量磷在各处理土壤团聚体中的分布情况相同，各粒径团聚体微生物生物量磷分布不均匀。

图3 不同处理对土壤团聚体中微生物生物量磷的影响Fig. 3 Effect of different treatments on microbial biomass P of aggregates

同一粒级团聚体中，施蚯蚓粪处理（WC）各粒径团聚体土壤微生物生物量磷均显著高于其他处理（P＜0.05）。与CK相比，各培肥措施均显著提高了各级团聚体土壤微生物生物量磷含量。施蚯蚓粪处理（WC）各粒径团聚体（＞2 mm，2～1 mm，1～0.25 mm，＜0.25 mm）微生物生物量磷分别比CK增加了56.9%、48.1%、34.5%和50.5%。综上可知，各培肥措施均可增加土壤各级团聚体微生物生物量磷的含量，以施蚯蚓粪效果最好。

2.4 土壤团聚体微生物群落功能多样性

2.4.1 AWCD值变化

图4反映了BIOLOG ECO平板中不同处理土壤样品的 AWCD随培养时间变化的情况，由图可知，12 h之内各处理AWCD值均很小，且差异也很小，表明 12 h之内各碳源未被利用或很少被利用。12 h之后AWCD开始升高，说明此时碳源开始被微生物大幅度利用。AWCD随培养时间的延长而增大，说明微生物碳源利用能力增加。在整个培养期内，与CK相比，不同培肥处理AWCD值的变化速度和最终峰值均有不同程度增加，并高于对照处理，其大小顺序为：WC＞CM＞EB＞FL＞CK。可见，不同培肥处理均提高了土壤微生物活性，以施蚯蚓粪的效果最好。Garland et al.（1991）认为土壤微生物群落的酶联反应速度和最终能达到的程度与群落能利用单一碳底物的微生物数量和种类有关。由此说明，不同培肥处理导致了土壤团聚体微生物群落组成和数量上的差异。方差分析表明，WC、CM处理和CK间存在显著差异（P＜0.05），其他处理间差异不显著。由此可知，蚯蚓粪处理（WC）和牛粪处理（CM）为土壤提供了丰富的有机碳源，大大增加了土壤微生物数量和整体活性。

图4 各处理土壤团聚体AWCD值随时间的变化Fig. 4 AWCD changes with incubation time for different treatments

2.4.2 土壤团聚体微生物多样性分析

由表3可知，与CK相比，施蚯蚓粪（WC）、套养蚯蚓（EB）和施牛粪（CM）处理均可以显著提高土壤微生物 Shannon多样性指数，而施化肥（FL）处理与 CK无显著差异。可见，施蚯蚓粪（WC）、套养蚯蚓（EB）和施牛粪（CM）均可以显著提高微生物群落丰富度，而施化肥则未提高微生物群落丰富度。与 CK相比，各培肥措施（FL处理除外）对 Simpson优势度指数的影响均未达到显著性差异（P＞0.05）。与CK相比，各培肥措施对均匀度指数的影响也未达到显著差异（P＞0.05）。

表3 不同培肥措施微生物群落的多样性指数Table 3 Richness, dominance and evenness indices of soil microbial communities for different treatments

3 讨论

3.1 不同培肥措施改变团聚体微生物量碳、氮和磷特征

土壤微生物生物量对土壤环境因子的变化极为敏感，其变化能够非常灵敏地反映土地利用和管理上的差异，常被作为不同施肥措施对土壤微生物学性质影响的指标（周卫军等，2007；樊晓刚等，2010）。土壤微生物生物量是土壤有机质的活性部分，也是最易发生变化的部分，一般是指土壤中体积小于 5×103μm3的活的微生物总量（鲁如坤，1999），虽然只占土壤有机质总量的3%左右，但它既是土壤有机质和养分转化与循环的动力，又是土壤养分（C、N、P、S）和植物有效养分的储备库，其对土壤环境因子的变化极为敏感，土壤的微小变化均会引起其活性变化（高云超等，1993；刘恩科等，2008）。土壤微生物生物量碳是土壤有机碳最为活跃的成分，一般只占土壤有机碳总量的1%～3%，是土壤养分转化的活性库或源，是碳素循环和周转的媒介（文倩等，2004；胡锋等，2005）。微生物生物量碳主要取决于输入有机物质的数量和质量，在一定条件下，有机物质输入越多，土壤微生物生物量碳就越高。土壤微生物生物量氮是活的微生物体内所含有的氮，是土壤氮素的一个重要储备库，在土壤氮素循环与转化过程中起着重要的调节作用（Macarty et al.，1995）。不同土壤类型及生态环境条件下的土壤微生物生物量氮含量变异很大。土壤微生物生物量磷是指土壤中所有活体微生物所含有的磷，其含量虽仅占微生物干物质量的1.4%～4.7%，却是有机磷中最活跃的部分（Brookes et al.，1984；文倩等，2005b），对土壤磷素循环转化和植物磷素营养起着重要的作用（张林等，2009）。

关于不同培肥措施对土壤微生物生物量碳、氮、磷的研究较多，且研究结果基本一致，即施肥尤其是化肥和有机肥长期配施能明显提高土壤有机质和氮磷钾养分含量，促进微生物的代谢和繁育，提高土壤微生物的数量和微生物生物量碳氮含量（孙瑞莲等，2004；周卫军等，2007；刘恩科等，2008；李娟等，2009）。然而，目前关于不同培肥措施对土壤团聚体微生物生物量碳、氮、磷的研究相对较少。本研究表明，与CK相比，各培肥措施基本上均不同程度提高了各级团聚体微生物生物量碳、氮、磷含量，但不同培肥措施间存在一定差异，且基本表现为施蚯蚓粪的培肥效果较好。这主要是由于蚯蚓粪作为蚯蚓作用后的特殊结构体，在物理、化学和生物学性质上明显区别于周围土壤（Albanell et al.，1988；Materechra，2002）。蚯蚓粪是一种黑色、均一且有自然泥土味的细碎类物质，具有很好的孔性、通气性、保肥性、排水性和持水性，同时具有较大的比表面积，使得许多有益微生物得以生存并具有良好的吸收和保持营养物质的能力（金亚波等，2009）。另外，蚯蚓粪中含有植物生长所必需的一些营养元素及微量元素，如可溶性P，NO3--N和交换性K、Ca、Mg等，而且含量较高，是植物易于吸收的形式（金亚波等，2009）。蚯蚓粪还含有腐殖酸类物质，这是土壤中植物营养的重要来源，也是形成土壤水稳性结构的重要物质（沈其荣等，1994），这使得蚓粪中含有大量的水稳性大团聚体和微团聚体，这些水稳性团聚体的含量是评价蚓粪稳定性的一个重要指标（Bossuyt et al.，2004，2006）。同时，因其对土壤有机碳具有保护作用而受到越来越多研究者的重视（Michael et al.，2001；Bossuyt et al.，2005）。有研究表明，蚓粪的不同粒级水稳性团聚体含量和蚓粪的生物学性质之间存在良好的相关性（朱玲等，2007）。另外，蚯蚓粪所含养分比一般的禽畜粪（如牛粪）高得多（斐庆海，2005）。本研究中，正是蚯蚓粪特殊的物理、化学和生物学性质使得蚯蚓粪培肥处理下各粒径土壤团聚体养分含量和微生物生物量基本高于其他培肥处理。

3.2 不同培肥措施能够改变土壤微生物群落功能多样性

微生物群落在土壤中处于一个动态平衡过程，影响土壤理化性质的因子都会干扰土壤微生物群落的变化，从而影响土壤微生物的活性、生态功能，以及土壤肥力、土壤环境质量及健康（李娟等，2008）。关于施肥对土壤微生物群落功能多样性的影响研究结果不完全一致。张志明等（2012）对黑土农田微生物功能多样性的研究表明，施用有机肥提高了土壤微生物物种的丰富度、优势物种的优势度和物种的均匀度。罗希茜等（2009）研究表明，化肥和有机肥配施能显著提高微生物物种丰富度、优势度及群落均匀度。李娟等（2008）研究表明，与对照相比，长期化肥与有机肥配施处理不同的微生物多样性指数均有所提高，但未达到显著水平。徐华勤等（2007）对茶园土壤微生物群落功能多样性的研究表明，各处理（稻草覆盖+100%有机肥、稻草覆盖+50%有机肥、100% NPK肥）对土壤常见微生物种类影响并不明显，施用有机肥使微生物群落均匀度有所降低。本研究表明，各有机肥培肥措施（施化肥除外）均可以显著提高微生物群落丰富度，但对各培肥措施对优势度和均匀度没有显著影响，且均匀度均有所降低。可见，不同施肥措施对土壤微生物群落功能多样性的影响比较复杂，还有待进一步深入研究。

4 结论

不同有机培肥措施均可显著提高各级团聚体的微生物生物量碳、氮、磷含量，且以施蚯蚓粪效果最好。不同培肥措施均提高了土壤团聚体中微生物的活性，也以施蚯蚓粪处理的效果最好。总之，施蚯蚓粪可明显改善华南地区瘠薄地果园土壤微生物特性，是提升土壤肥力的有效措施。

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