基于土壤养分和微生物群落变化的稻田沼灌均匀性探讨

李美霖，王青霞，乔宇颖,3，喻曼*，陈喜靖，沈阿林*

(1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310016；3.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

沼液中含有丰富的有机物质和N、P、K等营养元素及各种氨基酸、有机酸等生物活性物质[1]。施用沼液能够增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状，为作物生长提供养分和良好的土壤生长环境[2]。沼液在水稻生产中应用十分广泛，是目前处理畜禽养殖废水最经济有效的一种利用方式，但也存在土壤污染、退化的风险。稻田土壤微生物是维持土壤生物活性的重要组分，调节土壤生物化学循环和土壤结构的形成等过程。土壤的生态条件决定着土壤微生物的组成、数量、分布及活性，反过来，土壤微生物反映土壤环境变化[3]。随着沼液的大规模利用，其配套管道设施也在不断完善。但如果单口灌施中存在灌溉不均匀的问题，则可能造成入水口处消纳沼液过量，从而导致水稻倒伏减产[4-5]。在本研究检索范围内，利用土壤微生物来评价沼液在稻田利用中均匀性的研究还鲜有报道。为此，本文测定稻田中距离沼灌入口不同位置的土壤养分及微生物群落变化，以期为稻田沼液灌施管理提供一定的理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

采样点位于浙江省金华市婺城区蒋堂镇黄碧垄村(119°4′E，29°03′N)，属亚热带季风气候，四季分明，年平均气温17.7 ℃，年日照时数1 528.8～1 808.9 h。采样点所在地区为双季稻区，两季秸秆还田，还田时间10 a。沼液通过铺设的管道灌施，每个田块一个灌施口，每年3月份左右开始灌施，连续灌施3 a。取样时间为2017年3月，系沼液灌施后土壤。

1.2 采样方法

选取地势平坦、整齐的田块，田块面积3 335 m2。选择入水口(沼灌口近端)L1、田块中央(距沼灌口中端)L2、出水口(距沼灌口远端)L3三条平行线进行采样，每条线5个点。一部分样品保存于-20 ℃冰箱，用于分析微生物群落变化；另一部分风干，用于土壤理化特性分析。

1.3 项目测定与分析

土壤理化特性的测定均采用常规方法[6]。土壤微生物用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)方法进行分析，根据Bossio等[7]的方法进行。磷脂脂肪酸根据姚晓东等[8]的研究进行分类。

采用Excel 2010进行数据整理，采用SPSS 21.0进行方差分析，采用Sigma plot 12.5绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤理化特性

各取样点的土壤理化特性如图1所示：入水口(L1)土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾和有效氮的含量均最高，且显著高于其他采样点，除速效钾外，L2和L3的土壤各理化特性无显著差别。这说明沼灌条件下，随沼灌口距离的增加，土壤养分累积存在显著差异。不同样品间的pH值差异不显著，表明沼液灌施对整个田块土壤的pH值尚无显著影响。

2.2 基于PLFA的土壤微生物群落变化

各样点土壤中总的单体PLFA数量及含量排名前10的PLFA类型如表1所示，不同距离的土壤微生物单体PLFA数量、类型大体一致，排序有差异。在离沼灌口近距离位置一些含量较高的PLFA在远距离位置处失去了优势，而原本含量较低的一些PLFA逐渐显现出优势。这说明沼灌口不同距离土壤样品中优势菌群存在差异，优势菌群随着沼灌口距离的增加而变化。

不同柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。图1 不同取样点的土壤理化特性

序号单体PLFA数PLFA类型(按含量从高到低取前10排序)L124cy17∶0,i15∶0,18∶1ω9,10Me16∶0,16∶1ω7,18∶2ω6,a15∶0,18∶1ω7,i17∶1,i16:0L226cy17∶0,18∶1ω9,18∶2ω6,i15∶0,10Me16∶0,16∶1ω7,i17∶0,18∶1ω7,i16∶0,a15:0L32618∶1ω9,i15∶0,10Me16∶0,16∶1ω7,18∶2ω6,a15∶0,18∶1ω7,a15∶0,i17∶0,cy19:0

各土壤样品的总PLFA含量及微生物群落如图2所示，各样品中总PLFA含量表现为L3>L2>L1，说明土壤微生物量随距离沼灌位置变远而升高。沼灌口土壤中较高的沼液浓度可能对土壤微生物活性产生一定的抑制作用。但是各处理样品间细菌、放线菌和真菌的相对丰度差异不大，说明在同一田块下，沼液浇灌位置对微生物群落结构的影响不大。

图2 PLFA表征的各处理组土壤样品微生物数量及群落结构差异

3 小结与讨论

长期施灌沼液可以提升土壤N、P、K和有机质含量。灌施沼液能显著提高土壤速效氮磷含量，在短期内能迅速补充土壤养分供应量。沼液偏碱性，在淹灌初期土壤pH会随着沼液灌溉强度的升高而上升，但随着淹灌时间延长，土壤pH逐渐回落。本研究中，取样点土壤为红壤，偏酸性，对偏碱性沼液的承载力较大，有较强的缓冲能力。另外，沼液中有机质在嫌气和厌气微生物的共同作用下发酵产生各种有机酸和无机酸，也能中和沼液的碱性[9-10]。因此，各取样点的pH值差异不明显。

在酸性土壤中，由于游离氧化铁的存在，很大一部分磷酸铁被氧化铁包裹成闭蓄态磷，磷的有效性会大大降低。施灌沼液除了补充磷素外，沼液本身呈碱性，对改良酸性土壤，提高磷素有效性也有帮助。以往研究表明，随着沼液用量升高土壤磷含量表现出上升趋势，不同用量施灌沼液处理之间土壤有效磷含量呈显著差异，说明有效磷对沼液的响应较敏感。本研究中土壤有效磷、有效氮浓度随距沼灌口距离增大而下降，说明沼灌距离对土壤中有效磷、有效氮分布有影响，沼灌在田块中存在不均匀性。

PLFA图谱发生变化主要源于样品中微生物组成和生物量的变化。由于沼液中存在一些有害成分，被高浓度沼液淹灌后的土壤微生物极易处于胁迫状态，导致土壤微生物生物量下降。环境压力会导致磷脂双分子层流动性增加，进而形成磷脂非双分子层相，影响细胞膜的渗透性。为了消除环境压力带来的双分子层流动性PLFA加大的变化，细胞膜改变自身磷脂脂肪酸的结构而发生适应性改变，这是生物体消除类似外在影响的机制之一[10]。沼灌口的土壤微生物量明显低于出水口处，说明沼灌口附近土壤中沼液浓度偏高，微生物量指征沼液在田块中分布不均匀。

沼液灌施后不仅导致土壤微生物的生境发生变化，同时也带来外源微生物的入侵。外源微生物与稻田土著微生物构成竞争关系，导致淹灌后土壤微生物种群发生变化。微生物之间对食物、溶解氧、空间，以及其他共需物质相互竞争的胜负取决于各自的生理特性和对环境的适应能力。研究表明，土壤优势微生物种群对不同淹灌量沼液有类似响应。本研究中，短期沼液灌施不均匀已导致田块中土壤微生物群落结构产生差异，但差异不显著。长期灌施不均匀对土壤微生物群落结构的影响还不得而知。

综上，今后在稻田中长期利用沼液时，必须充分考虑应用灌施管道设施后沼液在田块中的均匀度，及其对土壤理化性质、土壤承载潜力和稻田生态健康的影响。