长期添加外源有机物料对华北平原不同粒级土壤氮素和氨基糖的影响*

2019-04-13李俊娣张玉铭赵宝华胡春胜何红波董文旭王玉英李晓欣

中国生态农业学报(中英文) 2019年4期

李俊娣, 张玉铭, 赵宝华, 胡春胜, 何红波, 董文旭, 王玉英, 李晓欣

李俊娣1,2, 张玉铭2**, 赵宝华1**, 胡春胜2, 何红波3, 董文旭2, 王玉英2, 李晓欣2

(1. 河北师范大学生命科学学院石家庄 050024; 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室石家庄 050022; 3. 中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳 110016)

华北平原是我国主要的粮食生产基地之一, 农民为了追求高产, 过量施用化肥的弊端日益凸显。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站有机养分循环再利用长期定位试验, 开展不同外源有机物料对土壤氮素和氨基糖在不同粒级土壤库中分布的影响研究, 为阐释不同农业管理措施下土壤氮素的物理保护机制和生物保护机制提供依据。定位试验设6个处理: 无肥无秸秆处理(对照, CK)、单施猪圈肥(M)、单施化肥(NPK)、单施秸秆(SCK)、化肥配施猪圈肥(MNPK)和化肥配施秸秆(SNPK)。通过超声波分散-离心分离得到3种粒径土壤——砂粒级(2 000~53 μm)、粉粒级(53~2 μm)和黏粒级(<2 μm), 分析全土及各粒级土壤中全氮和3种土壤氨基糖(氨基葡萄糖、胞壁酸和氨基半乳糖)的含量及变化; 基于这3种土壤氨基糖的稳定性和异源性, 以氨基糖作为微生物残留物标识物, 了解真菌和细菌残留物的积累和转化, 阐释真菌和细菌在养分转化中的作用。结果表明: 添加有机物料(秸秆、猪圈肥)明显提升了土壤全氮和氨基糖含量, 粒级间土壤氮素和氨基糖含量顺序均为黏粒级>砂粒级>粉粒级。添加有机物料对砂粒级土壤氮素影响最大, 长期化肥配施猪圈肥中氮素主要在砂粒级中富集, 长期化肥配施秸秆的氮素主要在黏粒级中富集。添加秸秆主要提高了真菌来源的氨基葡萄糖的含量, 而添加猪圈肥主要提高了土壤中细菌来源的胞壁酸含量, 表明添加不同有机物料可影响土壤微生物的群落结构。从各粒级中氨基葡萄糖/胞壁酸的比值来看, 添加不同类型外源有机物料对砂粒级土壤微生物群落结构影响最为明显。由此可见, 在长期秸秆还田措施下实施有机粪肥部分替代化肥不仅可以减少化肥用量, 还可提升土壤养分含量和微生物多样性, 改善土壤质量。

有机物料; 土壤粒级; 氮; 氨基糖;土壤微生物

华北平原是我国重要的粮食主产区之一, 耕地面积占全国耕地总面积的1/4, 主要种植模式是小麦()-玉米()轮作, 全国76%的小麦和29%的玉米产自该区域。农民为了追求高产, “大水大肥”现象普遍存在, 粮食生产过度依赖化肥的问题日益凸显, 由此引发了资源浪费、利用效率低下、环境风险提升、土壤环境退化[1-2]。土壤培肥是实现化肥减施控失、养分高效的基础。研究表明, 有机肥中有机质含量高, 肥效长, 有效改善土壤结构, 能快速培肥土壤[3-5]。充分发挥有机粪肥和作物秸秆的培肥作用, 揭示添加不同外源有机物料情况下土壤养分转化与固持机制, 挖掘有机养分的增产潜力是减少化肥用量、遏制环境污染、持续提升粮食产量和资源效率的关键。

在土壤有机质累积、转化和养分循环过程中, 微生物发挥着重要的调节作用[6]。外源有机物料的添加会影响土壤中原有的物质转化和能量循环, 伴随这一过程, 微生物快速繁殖的同时也产生了大量的微生物残体, 氨基糖是土壤微生物细胞壁的组成成分, 由于其稳定性和异源性, 可作为微生物残留物标识物[7-9], 用来研究土壤养分转化和积累过程中不同微生物群落的相对贡献。目前, 有4种土壤氨基糖可以被定量化: 氨基葡萄糖(glucosamine)、胞壁酸(muramic acid)、氨基半乳糖(galactosamine)和氨基甘露糖(epichitosamine)[10-12]。其中, 氨基葡萄糖是真菌几丁质(chitin)的唯一成分和脱酰基几丁质(chitosan)的主要成分, 真菌是其主要来源; 胞壁酸则是细菌中脂多糖(lipopolysaccharides)和细胞壁中肽聚糖(peptidoglycan)的成分, 细菌是其唯一来源; 氨基半乳糖常被认为主要由细菌合成; 氨基甘露糖的来源不明确, 且含量极低, 研究较少[13-15]。通过研究不同农业管理措施对土壤氨基糖的影响, 可以从微观角度阐明微生物对土壤有机质转化与截获的贡献, 为揭示农田土壤有机质积累与转化的微生物学机制提供依据。

土壤中有机质与土壤矿物间通过化学或物理化学的键联作用形成黏粒级、粉粒级和砂粒级土壤有机-矿物复合体, 使有机质免于被微生物降解, 提高其稳定性, 对养分有一定的保护作用[16-20]。有机质和土壤颗粒的相互作用可分为物理吸附、化学吸附和交换吸附[21], 不同粒径的土壤由于矿质组成的不同, 在土壤养分转化与保护机制中扮演着不同的角色[16,22-23]。粒径越小的土壤颗粒, 其比表面积越大, 具有更强的吸附保护土壤养分的能力, 在土壤保肥方面发挥重要作用; 粒径相对较大的土壤颗粒, 比表面积较小, 对养分的吸持能力较弱, 该粒级中的养分变化对农业管理措施的响应与反馈较快, 对养分的吸持与供应具有快速调控功能, 保持在该粒级中的养分较易于被作物吸收利用, 在土壤供肥能力提升方面发挥重要作用[16]。研究不同农业管理措施下养分在不同粒级土壤中的分布特征可为揭示农田养分的物理保护机制提供依据。

国际上广泛采用超声波分散-离心分离的湿分离方法进行土壤颗粒分级, 研究土壤中C、N、P、S在不同粒级库中的迁移与累积[17,24-27]; 土壤微生物群落变化多采用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)法和Biolog法, 由于研究方法及分析指标的代表性对土壤条件有严格要求, 难以对湿分离法进行颗粒分级后的土壤微生物群落变化进行研究[28-30]。而基于氨基糖作为标识物的微生物群落分析法则不受土壤条件限制, 为研究不同粒级土壤库中氨基糖分布特征、解析不同微生物群落在土壤粒级库养分转化积累过程中的相对贡献提供了技术方法[31-32]。目前, 在黑土地区利用土壤粒级分级和土壤氨基糖分析相结合的方法研究黑土养分转化与积累的微生物学机制的报道较多[31-34], 而在华北地区, 基于该方法针对潮褐土开展该方面的研究还少见报道。本研究基于该方法并依托中国科学院栾城农业生态系统试验站有机养分循环再利用长期定位试验, 研究了长期秸秆还田与施用有机粪肥对土壤氮素和氨基糖在土壤中的转化以及在不同粒级土壤库中的分布特征, 揭示华北太行山前平原高产农区小麦-玉米轮作农田土壤氮素的微生物转化与物理保护机制, 为制定地力培育、化肥减施技术措施提供依据, 对本区域农业绿色可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验土壤采自中国科学院栾城农业生态系统试验站(114°40′E, 37°50′N, 平均海拔50.1 m)。该站位于华北太行山前平原中部, 属中国东部暖温带半湿润季风气候, 年平均气温12.2 ℃, 降雨主要集中在7、8、9月, 雨热同期, 无霜期200 d左右。供试土壤类型为潮褐土。种植制度为冬小麦-夏玉米轮作制。

1.2 试验设计

本试验依托自2001年开始的有机养分循环再利用长期定位试验, 试验根据我国农业发展不同时期肥料管理模式设置了6个处理, 每处理设3次重复。每个小区面积120 m2。1)不施肥无秸秆还田(CK), 代表移耕农业模式, 为对照处理; 2)单施猪圈肥(M): 不施化肥, 每年80%的收获产品经喂饲—堆腐, 收获农产品过腹后通过圈肥返还农田, 代表传统有机农业模式, 施用量为风干猪圈肥245 kg∙hm-2; 3)单施化肥(NPK): 每年施用N 300 kg∙hm-2、P2O5120 kg∙hm-2、K2O 75 kg∙hm-2, 作物秸秆全部移出, 代表石油农业模式; 4)化肥配施猪圈肥(MNPK): 在每年施用N 300 kg∙hm-2、P2O5120 kg∙hm-2、K2O 75 kg∙hm-2基础上, 80%的收获农产品饲喂猪过腹还田, 折算施用308 kg∙hm-2风干猪圈肥, 代表较完善的有机无机农业模式; 5)化肥配施秸秆(SNPK): 在每年施用N 300 kg∙hm-2、P2O5120 kg∙hm-2、K2O 75 kg∙hm-2基础上, 将收获的秸秆全量还田, 代表现代农业经营模式; 6)单施秸秆(SCK): 不施用任何肥料, 每年收获秸秆全量粉碎还田, 本处理是为监测长期单独秸秆还田的培肥作用而设置。于2016年10月在各处理每个小区内, 用土钻随机多点取0~20 cm土壤混匀。

1.3 样品测定

1.3.1 土壤颗粒分级

利用SONICS超声波发生器和SORVALL Legend RT离心机, 通过超声波分散-离心分离法将土壤样品分成砂粒级(2 000~53 μm)、粉粒级(53~2 μm)和黏粒级(<2 μm)3种粒径的土壤[24]。表1为各处理土壤粒级分布情况。

1.3.2 土壤全氮

采用元素分析仪(vario MACRO cube; Elementar, Germany)测定土壤全土和不同粒级土壤中的全氮含量。

1.3.3 氨基糖测定

土壤样品经水解、纯化、衍生后利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS, Finnigan Trace, Thermo Electron Finnigan Co. Ltd., USA)测定氨基糖含量[10]。

待测样的制备: 称取含0.4 mg N的分级后土壤样品, 用6 mol∙L-1HCl在105 ℃下水解8 h, 加入肌醇(内标1), 过滤。调节滤出液pH至6.6~6.8后离心, 以去除金属离子。使用冷冻干燥机将离心后上清液冻干并用无水甲醇溶解其中氨基糖, 之后用氮气吹扫去除无水甲醇, 利用衍生试剂和乙酸酐对纯化后的氨基糖进行衍生, 利用二氯甲烷、HCl和蒸馏水进行萃取, 二次氮气吹扫, 最后用乙酸乙酯-正己烷混合溶剂(体积比为1∶1)将氮吹残留物溶解转移至气相色谱瓶中待测。

表1 长期不同肥料管理模式下0~20 cm土壤不同粒级颗粒分布

Table 1 Distribution of particle-size fractions in 0-20 cm bulk soil under different fertilization treatments

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。数据为3次重复的平均值加减标准误。同列不同字母表示0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Values are means ± S.E (=3). Different letters within a column indicate significant differences at0.05.

氨基糖测定: 利用气相色谱(GC-6890, Agilent, USA HP-5毛细管柱: 30 m×0.25 mm×0.25 μm)测定氨基糖衍生物, 以高纯度氦气(He)作为载气, 流速保持0.8 mL∙min-1, 进样口温度250 ℃, 分流比10∶1, 进样量为1 μL, 以氢火焰离子化检测器(Flame Ionization Detector, FID)检测, 以峰面积内标法定量。

1.3.4 相关指标计算

富集因子: 用以描述不同粒级某一组分的富集程度的指标。具体计算公式为:E=Y/bulk, 其中E为土壤第粒级组分对该组分的富集因子(enrichment factor),Y为第粒级组分中该组分的含量,bulk指与之相对应全土中该组分的含量。E>1, 则表明该组分在该粒级中富集;E<1, 表明该组分在该粒级中有损失[16]。

1.4 数据统计分析方法

采用Microsoft Excel 2013软件处理数据及绘图, 采用SPSS 17.0进行不同处理间差异的显著性分析(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 添加外源有机物料对土壤氮素的影响

2.1.1 对全土全氮含量的影响

全氮是土壤肥力的重要指标之一, 在促进作物生长、保障粮食高产方面具有重要作用。不同农业管理措施直接影响土壤氮素含量的消长。由图1可以看出, 经过15年的不同施肥处理, 土壤全氮含量由高到低的顺序依次为MNPK>SNPK>M>NPK>SCK>CK。MNPK处理的土壤全氮含量最高, 达1.22 g∙kg-1, 除与SNPK处理差异不显著外, 显著高于其他处理, 比全氮含量最低的对照(CK)高42.3%。比较NPK、MNPK和SNPK的土壤全氮含量不难看出, 在施用化肥基础上实施养分过腹还田和秸秆粉碎直接还田均能显著提高土壤氮素含量, MNPK处理全氮含量增加高于SNPK处理。同样, 在不施用化肥基础上, 施用猪圈肥(M)土壤全氮含量增加显著高于秸秆还田(SCK)。这说明以80%农产品饲喂猪后过腹还田实施养分循环再利用对于促进土壤氮素的提升能力显著高于秸秆直接还田。

2.1.2 对各粒级土壤颗粒全氮含量的影响

土壤粒级分布直接影响土壤保肥供肥能力。15年的不同施肥处理并未显著影响砂粒级土壤全氮含量, 与其他处理相比, 长期不施肥下秸秆还田降低了粉粒级颗粒含量而显著提高了黏粒级颗粒含量(表1)。不同粒级土壤颗粒的矿质组成和理化性质有很大差异, 对养分的固持作用也不同, 影响着土壤氮素的分布[35-36]。如图1所示, 无论哪种施肥处理, 不同粒级土壤氮素含量由高到低的顺序均为: 黏粒级>砂粒级>粉粒级。

不同外源有机物料对各粒级土壤的影响程度不同[16]。由图1可见, 各粒级土壤全氮含量的变化范围为: 砂粒级0.70~2.19 g∙kg-1, 粉粒级0.70~0.93 g∙kg-1, 黏粒级2.99~3.58 g∙kg-1。不同处理间砂粒级土壤全氮含量变幅最大, 表明添加外源有机物料对砂粒级土壤氮素影响最大。MNPK处理下土壤砂粒级全氮含量显著高于其他处理; NPK与SNPK处理全氮含量无显著差异, 但二者显著高于M、SCK和CK, 分别比CK增加129.4%和132.7%, 比SCK和M增加25.7%~45.3%。外源有机物料添加对土壤粉粒级和黏粒级全氮含量影响较小。粉粒级全氮含量除MNPK处理显著高于SCK处理外, 其他处理间无显著差异; 黏粒级全氮含量除SNPK与CK达显著性差异外, 其他处理间无显著差异。

2.1.3 对各粒级土壤全氮富集因子的影响

富集因子反映了氮素在各粒级的积累与转移情况, 可以用于解析不同粒级氮库在土壤氮库动态转化过程中发挥的作用[16]。由表2可见, 所有处理的不同粒级土壤全氮富集因子均为黏粒级>砂粒级>粉粒级。在砂粒级中, MNPK的全氮富集因子显著高于其他处理, CK和M显著低于其他处理。所有处理中, 只有CK的全氮富集因子<1, 说明长期添加外源物质促进了氮素在砂粒级土壤中的富集, 而长期不施肥导致砂粒级土壤中的氮素向外迁移。而在粉粒级中, 各处理富集因子均<1, 各处理间无显著差异, 说明该粒级土壤中氮素是损失的, 施肥对此粒级土壤中氮素无显著影响。黏粒级中, 各处理富集因子均>1, 其中MNPK处理的全氮富集因子最低, CK最高。

图1 不同施肥处理下全土和各粒级土壤中的全氮含量

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。不同字母表示0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

2.2 添加外源有机物料对土壤氨基糖的影响

2.2.1 对全土氨基糖含量的影响

当外源有机物料施入土壤后, 可通过分析氨基糖含量变化来了解真菌和细菌残留物的积累和转化, 阐释真菌和细菌在养分转化中的作用[37]。从图2可以看出, SNPK处理的总氨基糖含量显著高于其他处理, 其他处理之间差异不显著。这表明施用化肥下秸秆还田更有利于土壤微生物生长。氨基葡萄糖是真菌标识物, 其含量可表征土壤真菌数量; 胞壁酸是细菌的唯一来源, 氨基半乳糖也主要来源于细菌, 其含量的高低可以反映土壤中细菌数量的多寡。SNPK处理的氨基葡萄糖和氨基半乳糖含量最高, 其他处理之间差异不显著; 其中, 氨基葡萄糖含量显著高于其他处理, 氨基半乳糖只显著高于CK处理。胞壁酸含量以MNPK处理最高, 显著高于NPK、SCK和CK处理, 与其他处理间差异不显著。这表明当前本区域农业生产中普遍采用的施用化肥下秸秆还田更有利于促进真菌的生长繁殖, 在施用化肥下配施猪圈肥更有利于促进细菌的生长繁殖。

表2 不同施肥处理下各粒级土壤的全氮富集因子

Table 2 Enrichment factors of total nitrogen in different particle-size fractions of soil under different long-term fertilization treatments

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。数据为3次重复的平均值加减标准误。同行不同字母表示0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Values are means ± S.E (=3). Different letters within a column indicate significant differences at0.05.

氨基葡萄糖(Glu)和胞壁酸(Mur)的比值可以衡量微生物群落中真菌和细菌在养分转化中作用的相对贡献, Glu/Mur较大说明真菌相对贡献占优势, 反之则说明细菌相对贡献占优势[38]。从图3可以看出, MNPK处理的Glu/Mur比值最低, 显著低于M、NPK和SNPK处理。说明在本研究中, 长期化肥配施猪圈肥, 土壤中细菌在养分转化中的相对贡献更大。其他处理中则为真菌更占优势。

图2 不同施肥处理下全土的各种氨基糖含量

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。不同字母表示同一粒级不同处理下0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments at0.05.

图3 不同施肥处理下土壤氨基葡萄糖与胞壁酸的比值

2.2.2 对各粒级土壤氨基糖含量的影响

如图4所示, 所有处理各氨基糖含量顺序均为: 黏粒级>砂粒级>粉粒级。在总氨基糖方面(图4a), 各粒级土壤中均以SNPK处理最高。砂粒级中, 除与MNPK处理无显著差异外, SNPK处理显著高于其他处理, 且其他处理间差异不显著; 粉粒级中, SNPK处理除与NPK处理无显著差异外, 均显著高于其他处理; 黏粒级中, SNPK、MNPK和NPK处理的总氨基糖含量显著高于CK和SCK。总体来看, 在外源有机物料相同情况下, 各粒级土壤总氨基糖含量基本表现为不施化肥处理显著低于施用化肥处理。在施用化肥情况下, 施用秸秆比施用猪圈肥更有利于总氨基糖含量的提高; 而在长期不施用化肥情况下, 施用猪圈肥更有利于总氨基糖的提升。这表明, 施用化肥对提升土壤微生物量有一定促进作用; 在土壤肥力中等或中等偏上农田, 秸秆还田较施用猪圈肥更有利于提升微生物数量; 在瘠薄的土壤上施用猪圈肥较秸秆还田更有利于促进微生物生长繁殖。

在氨基葡萄糖方面(图4b), 3种粒级土壤均表现为SNPK处理含量最高, CK处理最低。砂粒级中, SNPK处理显著高于其他处理, 其他处理间差异不显著; 粉粒级中, SNPK处理显著高于除NPK外的其他处理, MNPK显著高于CK和SCK处理, 与其他处理无显著差异; 黏粒级中, SNPK和MNPK处理显著高于CK和SCK处理, 与其他处理间无显著性差异。

在氨基半乳糖方面(图4c), 砂粒级中, SNPK处理显著高于除MNPK外的其他处理, 其他各处理间差异不显著; 粉粒级和黏粒级中, 基本表现为3个施用化肥处理间(SNPK、NPK、MNPK)无显著差异, 但显著高于3个不施化肥处理(M、SCK、CK)。

在胞壁酸方面(图4d), 砂粒级中, MNPK处理含量最高, SCK和CK处理较低, SCK和CK显著低于其他处理, 其他4个处理间差异不显著; 粉粒级中, SNPK处理显著高于除MNPK处理之外的其他处理, CK显著低于其他处理, M、NPK、MNPK、SCK之间无显著差异; 黏粒级中, SNPK处理最高, 显著高于其他处理, SCK最低, 显著低于3个施用化肥的处理(SNPK、NPK、MNPK), 与M、CK两处理间无显著差异。

对总氨基糖和各氨基单糖在土壤中变异性的分析表明, 在砂粒级和粉粒级中各处理间的变异系数为16.7%~27.7%; 黏粒级中, 只有胞壁酸的变异系数达到19.5%, 其他氨基糖的变异系数为6.0%~9.9%, 属于弱变异强度。这表明较粗颗粒土壤中微生物群落结构及其数量变化对农业措施改变的反应较敏感, 而细粒级土壤中微生物组成与数量不易受到农业措施改变的影响。

2.2.3 对各粒级土壤的氨基葡萄糖和胞壁酸比值的影响

图5给出了不同处理不同粒级氨基葡萄糖和胞壁酸的比值(Glu/Mur)。从同一处理不同粒级差异来看, MNPK和M处理中3个粒级土壤的Glu/Mur差异均不显著, 说明猪圈肥的施入有利于提高各粒级细菌的相对贡献; SNPK和SCK处理砂粒级的Glu/Mur均为最高, 说明秸秆的添加有利于提高砂粒级中真菌的相对贡献。从同一粒级不同处理间差异来看, 砂粒级中SCK处理的Glu/Mur显著高于除CK外的其他处理, NPK处理显著低于SCK和CK处理; 粉粒级中, CK、M和NPK处理显著高于MNPK和SCK处理, SNPK处理与其他处理之间差异不显著; 在黏粒级中, SNPK处理的Glu/Mur显著低于其他处理, 而SCK最高。总体来看, 在长期不施肥或只是秸秆还田情况下, Glu/Mur比值相对较高, 表明瘠薄土壤中由于活性养分较低, 难降解底物比例相对较高, 导致真菌群体成为相对优势群体; 而施用化肥或猪圈粪肥, Glu/Mur比值相对较低, 表明相对比较肥沃的土壤中, 由于活性养分较多, 细菌在养分的分解转化中占优势, 特别是在砂粒级土壤中这一趋势尤为明显。

图4 不同施肥处理下各粒级土壤中各氨基糖的含量

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。不同字母表示同一粒级不同处理在0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

2.2.4 对各粒级土壤氨基糖富集因子的影响

不同处理中不同粒级土壤对各氨基糖的富集系数均为黏粒级>砂粒级>粉粒级。从总氨基糖富集因子(图6a)来看, 砂粒级中, 各处理之间差异不显著; 粉粒级中, MNPK处理显著高于M、CK和SCK处理; 在黏粒级中, MNPK处理最高, SNPK处理最低, 说明施用化肥的前提下, 添加猪圈肥比添加秸秆更有利于氨基糖在黏粒级中的富集。从氨基单糖层面来看, 氨基葡萄糖和氨基半乳糖的各粒级富集因子变化情况与总氨基糖大体相同(图6b, c)。从胞壁酸富集因子来看(图6d), 砂粒级中NPK处理显著高于SCK处理, 粉粒级中SNPK处理显著高于CK, 在黏粒级中MNPK处理显著低于SNPK处理。总体来看, 氨基糖富集因子在黏粒级和砂粒级土壤库中均大于1, 表明氨基糖呈富集状态; 在粉粒级土壤库中富集因子小于1, 表明在该粒级库中氨基糖发生了损失或向其他粒级库的迁移。

图5 不同施肥处理下不同粒级土壤氨基葡萄糖与胞壁酸的比值

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。不同小写字母表示同一处理不同粒级间0.05水平下差异显著; 不同大写字母表示同一粒级不同处理间0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different lowercase letters indicate significant differences among different soil particle-size fractions under the same fertilization treatment at0.05. Different capital letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

3 讨论

经过长达15年的处理, 添加外源有机物料明显提高了土壤氮素水平, 其中化肥配施猪圈肥处理效果最明显, 王岩等[36]的研究也得出了相同的结论。本研究结果发现, 添加有机肥和秸秆明显提高了砂粒级中氮素含量, 这一点与申小冉等[39]的研究结果相同。结合富集因子可以看出, 土壤氮素在砂粒级和黏粒级中易于富集, 粉粒级对于全氮的吸持能力较弱, 该粒级的土壤全氮易于转移至其他粒级[16,40]。但是化肥配施猪圈肥处理黏粒级的全氮富集因子与其他处理相比显著偏低。有文献[41]报道, 与细粒级土壤颗粒结合的土壤有机质存在“阈值”, 全土中的有机碳的增加会增加细粒级土壤有机质, 当有机碳含量接近饱和[42], 土壤中的碳会在砂粒级中储存, 从而使砂粒级的有机碳富集因子提高[40]。同理, 由于土壤中碳氮耦合, 土壤细粒级氮库或许也存在一个极限值, 经过长期的化肥配施猪圈肥处理, 细粒级土壤氮库接近饱和, 多余土壤氮素易于向粗粒级富集。所以化肥配施猪圈肥处理下砂粒级的全氮富集因子显著高于其他处理。

在氮素的生物固持方面, 化肥配施猪圈肥处理土壤总氨基糖和氨基葡萄糖含量显著低于化肥配施秸秆处理, 而作为细菌指示物的胞壁酸含量略高于化肥配施秸秆, 这说明该处理对土壤微生物的刺激弱于添加秸秆处理, 但对细菌的生长繁殖影响较大。这是由于猪圈肥为土壤提供了分解更彻底的养分, 适宜碳氮比较低的细菌生存(细菌C/N为3~5∶1), 形成了较多的微生物残体, 这一点从该处理的Glu/Mur比值明显低于其他处理也有体现, 尤其在较粗粒级中。因为化肥施入土壤后, 无机氮素先被细粒级吸持, 待作物和微生物吸收利用后以生物或生物残体以及植物残体的形式存在于粗粒级中, 而猪圈肥中的氮伴随土壤微生物的分解, 一部分矿化进入到小粒级当中, 未分解彻底的部分在较粗的粒级中残留[5,36,39], 所以在较粗的粒级中细菌的相对贡献占优势, 从而降低了Glu/Mur。

化肥配施秸秆处理对于土壤全氮的提升程度不及化肥配施猪圈肥, 且二者对于氮素提高的侧重不同, 根据不同粒级的氮素分布以及富集因子可以看出, 化肥配施秸秆处理的氮素主要富集在黏粒级中, 而后者则富集在砂粒级中。在氨基糖方面, 化肥配施秸秆处理的总氨基糖显著高于其他处理, 因为高碳氮比的秸秆施入土壤后, 为微生物的繁殖提供大量碳源和分解底物, 刺激了土壤微生物的生长繁殖, 活跃度提高, 产生大量微生物残体, 同时施用有机肥也向土壤内带入大量微生物, 促进了微生物的数量和活性[43]。有研究利用DNA-SIP技术证明添加秸秆后, 土壤中以有机碳为主要底物的微生物群落大量繁殖[44], 佐证了这一点。化肥配施秸秆处理的Glu/Mur高于化肥配施猪圈肥处理, 因为在秸秆初始降解时, 微生物群落中细菌占主导, 随着降解程度加深, 残留秸秆多为较难分解的纤维素木质素等物质, 此时可以利用菌丝从低有效性的底物内获得养分以及利用分泌胞外酶分解难以被细菌利用的物质来获得养分的真菌逐渐占据主导地位[37,43,45]。此外由于秸秆的添加促进了K生存策略的微生物增殖, 而K生存策略的微生物主要是同样碳氮比较高的真菌(真菌C/N为10~15∶1), 所以留下的真菌残留物最多[37,45]。

对比单施有机物料处理发现, 添加猪圈肥对土壤氮素的提升能力显著高于添加秸秆, 这与二者配施化肥处理的结果相似, 但由于缺少了化肥的养分补充, 使得两种有机物料在提升土壤氮素的效果上差异显著。在氨基糖方面, 单施秸秆处理的各种氨基糖含量均低于化肥配施秸秆处理, 尤其是在真菌残留物方面, 且同时略低于单施猪圈肥处理。这是因为虽然秸秆的施入为土壤微生物提供了大量碳源, 但由于氮源缺乏, 微生物生长受限, 氨基糖合成减弱[41]。而该处理砂粒级的Glu/Mur比值极高, 这正是由于碳氮比抑制, 细菌生长更受限所致。因此, 适宜的有机无机肥料配施是极其必要的。

图6 不同施肥处理下不同粒级土壤总氨基糖(a)、氨基葡萄糖(b)、氨基半乳糖(c)和胞壁酸(d)的富集因子

CK: 不施肥无有机物料还田; M: 单施猪圈肥; NPK: 单施化肥; MNPK: 化肥配施猪圈肥; SNPK: 化肥配施秸秆; SCK: 单施秸秆。不同字母表示同一粒级不同处理间0.05水平下差异显著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

在长期无肥处理中, 土壤全氮主要集中在黏粒级中, 这符合黏粒级在土壤中作为氮素“汇”的角色功能。申小冉等[39]认为: 无肥处理的黏粒级氮库分配比例显著高于其他处理, 说明外源有机物料的输入首先补充了粗粒级土壤氮库, 降低了黏粒级氮库在土壤氮库中的比例。另外由于长期缺乏肥料输入, 土壤中原本的碳氮等养分在多次作物生长周期后已经“弹尽粮绝”, 土壤微生物可利用的碳和氮有限,活性较弱[46], 相比之下真菌占据主导地位, 所以Glu/Mur值升高。

4 结论

在华北平原, 经过15年的不同肥料管理模式后, 添加外源有机物料(秸秆、猪圈肥)对土壤全氮含量均有所提升, 其中在添加化肥的基础上配施猪圈肥的管理模式对土壤氮素的提升效果最明显, 较对照处理提高了42.3%。另外, 在不同粒级的土壤之间, 外源有机物料的添加首先影响到砂粒级土壤的氮素分布水平, 粒级间土壤氮素含量顺序为黏粒级>砂粒级>粉粒级。在不同的农业管理措施之间, 化肥配施猪圈肥处理提高土壤氮素效果要优于化肥配施秸秆处理, 且前者对砂粒级土壤影响最大, 而后者对黏粒级土壤影响最大。

在对于土壤微生物的影响方面, 通过检测经过长期不同施肥处理后土壤氨基糖的变化, 我们发现添加秸秆到土壤中主要提高了真菌来源的氨基葡萄糖含量, 而添加猪圈肥主要提高了土壤中细菌来源的胞壁酸含量, 说明添加有机物料的类型确实影响土壤微生物的群落结构。土壤氨基糖的粒级含量顺序规律与全氮相同, 并主要向黏粒级土壤和砂粒级土壤富集, 而在粉粒级土壤中发生了损失或向其他粒级库的迁移的现象。综上所述, 在农业生产过程中, 长期秸秆还田措施下实施有机粪肥部分替代化肥不仅可以减少化肥用量, 还可提升土壤养分含量和微生物多样性, 改善土壤质量。

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Effect of long-term addition of organic substances on soil nitrogen and amino sugars in particle-size fractions in the North China Plain*

LI Jundi1,2, ZHANG Yuming2**, ZHAO Baohua1**, HU Chunsheng2, HE Hongbo3, DONG Wenxu2, WANG Yuying2, LI Xiaoxin2

(1. College of Life Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China; 2. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory ofAgricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology, Shijiazhuang 050022, China; 3. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The North China Plain (NCP) is one of the main grain production bases in China. In pursuance of high yield, excessive application of chemical fertilizers has been becoming increasingly common and problematic, especially in terms of soil quality degradation. A long-term experiment on soil organic nutrient recycling was conducted at Luancheng Agroecosystem Experimental Station, Chinese Academy of Sciences in this study. The aim was to evaluate the effects of different exogenous organic materials application on the distribution of nitrogen and amino sugar in different soil particle-size fractions and to provide the basis for explaining the soil physical and biological protection mechanisms of nitrogen under different management practices. The experiment had six treatments in triplicates — no chemical fertilizer without organic materials (CK), single application of pig manure (M), application of chemical fertilizers (NPK), combined application of chemical fertilizers and pig manure (MNPK), combined application of chemical fertilizers and straw (SNPK) and single application of straws (SCK). Three particle-size fractions (sand: 2 000–53 μm, silt: 53–2 μm and clay: < 2 μm) were separated through ultrasonic dispersion and centrifugal separation. Total nitrogen and amino sugars (glucosamine, muramic acid and amino galactose) were analyzed within these fractions and in the bulk soil. Based on the stability and heterogeneity of three soil amino sugars, we used amino sugar as index for fungal/bacterial residue accumulation and transformation to explain the role of fungi/bacteria in nutrient conversion. The results indicated that the addition of organic materials (straw and pig manure) significantly increased contents of total nitrogen and amino sugars in bulk soil and different particle-size fractions with order of clay fraction > sand fraction > silt fraction. The effect of adding exogenous organic substances on soil nitrogen content was most obvious in sand fraction. Soil nitrogen in MNPK treatment was enriched mainly in sand fraction, and nitrogen in SNPK was most enriched in clay fraction. Straw addition increased soil content of glucosamine from fungal residue, pig manure application increased content of muramic acid from bacteria residue, indicating obvious effect of exogenous organic substances on community structure of soil microorganisms. The ratios of glucosamine/muramic of soil particle-size fractions showed that bacteria dominated under pig manure application, and fungi dominated under CK or straw addition in nutrient decomposition and transformation, which was most obvious in sand fraction. In summary, partial replacement of chemical fertilizers with organic manure not only reduced chemical fertilizer use, but also increased soil nutrient content, improved microbial community structure and soil quality.

Organic fertilizers; Particle-size soil; Nitrogen; Amino sugar; Soil microorganisms

ZHANG Yuming, E-mail:ymzhang@sjziam.ac.cn; ZHAO Baohua, E-mail: zhaobaohua@hebtu.edu.cn

Jan. 30, 2019;

Feb. 25, 2019

10.13930/j.cnki.cjea.190084

S153; S154.36

2096-6237(2019)04-0507-12

张玉铭, 主要研究方向为农田生态系统养分循环与平衡及其环境效应, E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn; 赵宝华, 主要从事微生物技术及应用研究, E-mail: zhaobaohua@hebtu.edu.cn

李俊娣, 主要研究方向为农田生态系统氮素物理保护机制及生物保护机制。E-mail: jundili@163.com

2019-01-30

2019-02-25

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0200307, 2016YFD0300808) and the National Natural Science Foundation of China (41571291).

* 国家重点研发计划项目(2016YFD0200307, 2016YFD0300808)和国家自然科学基金项目(41571291)资助

李俊娣, 张玉铭, 赵宝华, 胡春胜, 何红波, 董文旭, 王玉英, 李晓欣. 长期添加外源有机物料对华北平原不同粒级土壤氮素和氨基糖的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(4): 507-518

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