等氮条件下有机无机配施对烤烟根际土壤微生物功能多样性的影响

李栋宇，靳辉勇，屠乃美，彭阳平，唐圣兵，胡 辉，杨 波

(1.湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128;2.湖南省烟草公司永州市公司，湖南永州 425000;3.江苏省宿迁市宿豫区农业委员会，江苏宿迁 223800;4.湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南吉首 416000)

【研究意义】近年来，随着土地复种指数的提 高，化学肥料的不合理使用，加之轮作运用不普及，导致部分烟区土壤养分失衡、土壤酸化现象严重、微生物种群结构趋劣、烟草病害发生率不断上升，烟叶质量安全岌岌可危［1－3］。而合理施肥能够协调土壤养分，保持土壤均衡供肥，促进作物高产稳产，推动烟叶生产可持续发展［4］。【前人研究进展】许多研究表明，有机肥料是农业生产中的重要肥源，其养分全面，肥效均衡持久，既能改善土壤结构、培肥改土，促进土壤养分的释放，又能供应、改善作物营养，具有化学肥料不可替代的优越性，对发展有机农业、绿色农业和无公害农业有重要意义［5－7］。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Some properties of the study soil

【本研究切入点】目前，已有部分学者研究了植烟土壤施用有机肥的效果，但大多数都是在化肥用量不变的基础上，通过增施有机肥来进行的，且多数研究侧重于探讨有机肥对烟叶产量及品质、土壤养分含量、微生物数量的影响。而在等氮条件下，通过有机肥氮替代部分无机肥氮来探讨有机无机配施对土壤微生物功能多样性的的影响，此类报道甚少。【拟解决的关键问题】因此，本文通过小区试验，研究等氮条件下有机无机配施对烤烟根际土壤微生物功能多样性的影响，以期为改善植烟土壤生态环境提供一定的科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验于2016年在湖南省永州市蓝山县进行，试验田土壤为黄砂壤，前茬作物为水稻，土壤的基本理化性质见表1。

1.2 供试有机物料

饼肥:在烤烟移栽前做穴肥施入，饼肥含氮量2.76%。稻草:晚稻收割后，将干稻草打碎，均匀抛洒于田面，然后撒施秸秆腐熟剂，而后灌水浸泡10～15 d。让溶田的水自然蒸发干后，用耕翻机具将稻草连同根茬一起翻耕入土，翻耕深度15～20 cm。稻草的氮含量0.5%，当季利用率20%。油菜:在烤烟移栽前15 d左右翻压，一般入土深10～20 cm。翻耕后随即进行耙地和镇压，以加速绿肥死亡及腐解过程。油菜的鲜草氮含量0.43%，当季利用率20%。草木灰:用枯枝落叶、山坡草皮和表土一起“半厌氧”烧制，烧制后用塑料薄膜盖严堆沤2～3月，于移栽前和基肥一起穴施，含氮量忽略不计。

1.3 试验设计

本试验共设5个处理，各处理总氮用量保持相同，均为144 kg/hm2，每个处理设3次重复，共15个小区。每个小区为长方形，面积为60 m2，烤烟移栽行株距为1.2 m×0.5 m，每个小区2行，每行50株烟，共100株烟，四周设保护行。具体处理见表2。

表2 试验因素和水平的设置Table 2 Design of test factors and levels

1.4 土壤微生物群落功能多样性的测定

土壤微生物群落功能多样性的测定采用Garland和Mills的Biolog方法［8］，略有改动。在烤烟采收后，称取10 g新鲜根际土样于250 mL灭过菌的三角瓶中，加入90 mL无菌NaCl溶液(0.85%)，封口后在摇床上振荡30 min(250 r·min－1)。然后静置15 min，吸取上清液5 mL于新三角瓶中，加45 mL无菌NaCl溶液，再将所得溶液稀释1000倍。将稀释液接种到 Biolog-ECO培养板上。随后将其置于25℃恒温箱中培养10 d，每隔1 d在Biolog微孔板读数仪上读取数值并记录。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物平均吸光值的动态变化

平均吸光值(AWCD)是评价微生物群落利用单一碳源能力的一个重要指标，用于反映土壤微生物群落代谢活性［9－10］。由图1可知，随着培养时间的延长，AWCD值呈现先不断增加，后趋于稳定的趋势。在前144 h内，AWCD值快速增长，表明碳源被大量利用，微生物代谢活跃;培养144 h后，AWCD值趋于平稳。

各处理AWCD值整体表现为T3＞T2＞T4＞T1＞CK，根据各处理AWCD值的变化特点，选择144 h的AWCD值进行分析，T1、T2、T3、T4处理 AWCD值分别为 0.65、0.77、0.89、0.74，较对照 CK 相比，分别提高了 26.4%、49.8%、72.4%、73.4%，这表明有机无机配施有助于提高微生物对碳源的利用率，增强微生物群落的代谢活性。这主要是因为有机肥中含有大量的有机质，提高了土壤养分含量，改善土壤的结构，进而促进了微生物的代谢。

图1 土壤微生物群落AWCD的动态变化Fig.1 AWCD dynamics over incubation time

2.2 土壤微生物群落功能多样性指数分析

不同的多样性指数可以从不同的方面来描述微生物群落的多样性［11］。其中丰富度指数用来表征生态系统中物种的数目，优势度指数反映各个种群数量的变化情况，均一性指数用来描述物种中的个体所占比例［12－14］。本研究利用144 h的平均吸光值来分析有机无机配施条件下各处理土壤微生物群落物种丰富度指数、优势度指数、均一性指数的差异。

由表3可知，各处理微生物群落功能多样性指数差异显著。其中丰富度指数最大的是对照CK处理，为3.237，T3、T4处理丰富度指数与对照相比均无显著性差异，T1、T2处理则均显著低于对照。有机无机配施对优势度指数无显著性差异。均一性指数大小顺序为T4＞T1＞T2＞T3＞CK，T1、T2、T3、T4分别是对照的 2.4、1.9、1.85、4.1 倍，其中 T2 和 T3处理之间无显著性差异，其余各处理之间均存在显著性差异。

2.3 土壤微生物功能主成分分析

2.3.1 不同碳源在主成分上的载荷值 为了探讨有机无机配施条件下，土壤微生物的群落结构变化，选择144 h测定的平均吸光值进行标准化处理，然后进行主成分分析。结果如表4所示，前3个主成分累计贡献率达84%以上，已经可以解释84%以上的原变量的特征［15］，主成分的重要性也在逐渐降低。因此，对前3个主成分进行重点分析。

碳源载荷值越高，表示其对主成分的影响越大［16］。由表5可知，31种碳源中，对主成分PC1影响较大(绝对值大于0.7)的碳源有21种，其中糖类占28.6%，氨基酸类、脂类和其他类均占23.5%;对PC2贡献较大的碳源有3种，其中其他类有2种，糖类有1种;对PC2贡献较大的碳源有2种，分别是糖类和其他类。说明糖类和其他类是供试土壤微生物利用的主要碳源类型。

2.3.2 不同处理下土壤微生物群落利用碳源的主成分分析 利用培养144 h后测定的平均吸光值，对有机无机配施条件下土壤微生物群落对碳源利用特性进行主成分分析。根据提取的主成分累计方差贡献率一般要求达到85%的原则［16］，共提取4个主成分，累计贡献率达到了91.72%，其中第1主成分方差贡献率为54.55%，第2主成分为16.95%，第3和第4主成分都不足15%，分别为13.2%、7%。选取PC1和PC2两个主成分进行分析，以PC1为x轴，以PC2为y轴作图，以不同处理在2个主成分上的得值为坐标作图，得到了图2。如图所示，PC1轴上，T4处理得分值较高，位于第四象限，表明T4处理对PC1上的主要碳源影响较大;另外，CK、T1、T2、T3处理在PC1上的得分值均为负值，而T4处理得分值为正值，表明火土灰(T4)处理的土壤微生物群落代谢结构与且其他处理具有明显差异。T1处理在PC2轴上得分值较高，位于第二象限，表明T1处理对PC2上的主要碳源影响较大;T3处理在PC2轴上得分值为负值，CK、T1、T2、T4处理得分值均为正值，这表明油菜种植翻压(T3)处理的土壤微生物群落代谢结构与其他处理具有明显差异。PCA结果表明，油菜种植翻压和施用火土灰能够显著影响微生物群落代谢结构，提高土壤微生物对碳源的利用能力，提高微生物功能多样性。

表3 土壤微生物群落多样性指数Table 3 Diversity indices of soil microbial communities

表4 主成分贡献率Table 4 Contribution rate of principal component

表5 31种碳源的主成分载荷值Table 5 Loading values of principal components of 31 sole carbon sources

图2 不同处理下土壤微生物群落利用碳源的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of microbial community under different treatments

3 讨论

不同施肥措施条件下，有机肥与化肥配施，可以有效改变土壤微生物群落结构，提高土壤微生物多样性。赵军等［17］通过研究有机肥替代部分化肥对稻麦轮作系统产量及土壤微生物区系的影响，发现有机无机配施可以增加土壤细菌丰富度、多样性和均匀度指数。本研究表明，与单施无机肥相比，有机无机配施可以显著提高土壤微生物平均吸光值和土壤微生物群落均一性指数，这主要是因为，加入了有机物质，改善了土壤结构，促进了土壤养分的释放，为土壤微生物的生长发育提供了良好的环境，进而促进了微生物的新陈代谢，提高了微生物功能多样性。

有机无机配施使土壤微生物群落对碳源的代谢特征产生了明显的差异。在主成分分析中，共提取了4个主成分，本研究虽只对前3个主成分进行了分析，但已经提供了足够的信息。有研究表明［18］，长期施用农家肥可以促进喜好糖类物质为碳源的微生物群落的生长发育，这与本文研究基本一致，即糖类在前3个主成分中贡献率均较大。

刘勇军等［19］研究表明，稻草还田和油菜绿肥翻压显著提高了烟草生育后期根际微生物群落的代谢。本研究表明，油菜种植翻压和施用草木灰能够显著影响微生物群落代谢结构，提高土壤微生物对碳源的利用能力，提高微生物功能多样性。

4 结论

有机肥和无机肥配施使土壤微生物群落对碳源的代谢特征产生了差异，显著提高了微生物功能多样性均一性指数。实施油菜种植翻压或草木灰替代部分化肥能够显著提高土壤微生物对碳源的利用能力，提高微生物功能多样性。