施肥对复垦土壤微生物代谢功能与苗期玉米生长的影响

张变华,靳东升,张 强,郜春花,李建华,卢晋晶,籍晟煜

(1.忻州师范学院,山西 忻州 034000；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所,山西 太原 030031)

土壤微生物是土壤中的活性有机体，是表征土壤肥力高低的指标，其功能多样性能反映土壤微生物的生态特征，对土壤生态系统的健康可持续发展有重要的影响。施肥是影响土壤质量和土壤可持续发展的措施之一[1]，与土壤微生物种群特性的变化有密切的关系[2-3]。研究表明，施肥制度的变化可能会导致土壤微生物多样性产生较大差异。如孙凤霞等[4]发现施用有机肥可以提高红壤中土壤微生物碳源利用能力，保持作物高产；邓文悦[5]发现有机无机配施处理下江西稻田土壤微生物群落丰富度指数、均匀度指数、碳源利用丰富度指数都高于其他处理；Li等[6]发现施肥显著提高了水稻土的微生物功能多样性，而过量的肥料使菜地土壤微生物多样性显著降低。

植物根系与环境进行着物质和能量交换[7]，既是植物体吸收水分、养分、矿质元素的主要器官，又是合成和分泌植物激素、有机酸等部分物质的重要场所[8,9]。根系分布状况直接影响其拥有营养空间的大小和对土壤养分的利用能力[10-11]， 进而影响地上部的生长发育及产量[12-13]，同时会影响到植物的改土效果[14]。崔佩佩等[15]发现养分不同配比下高粱根系形态不同，姜琳琳等[16]、武永军等[17]发现土壤中缺氮时玉米的总根长和总根表面积显著增加。

综上可见，施肥对一般土壤微生物群落代谢功能及作物生长状况的研究[18]较多，但在煤矸石复垦区开展类似的研究却相对较少，因此，本研究以山西省古交屯兰煤矸石复垦区定位施肥试验为研究对象，通过分析不同施肥处理对复垦土壤微生物功能多样性、苗期玉米生长特征的影响，为矿区土壤复垦和生态重建工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省古交市屯兰矿煤矸石排放区(北纬37°53′15″，东经112°6′42″)， 2012年煤矿排矸结束后，就近取土覆盖，自然恢复2 a，2014年复垦为农田，土壤类型为新成土，母质为黄土，根层土壤质地为粉砂壤土，本区年均气温约9.5℃，年均降水量约460 mm。本试验设置4个施肥处理，分别为对照处理(CK)、复合肥处理(F)、有机肥处理(O)、有机无机肥配施处理(OF)。CK处理施肥量为0，其他处理按照等氮量施肥150 kg·hm-2，复合肥N∶P2O5∶K2O=18∶12∶10，有机肥为平遥县国青同盈禽业有限公司生产的“传康”牌商品有机肥(有机质含量53.48%，含氮2.2%)，OF处理施肥量为50%F+50%O，种植作物为玉米，品种为金苹618。

1.2 根系与土样采集

于2018年6月10日在玉米苗期，按照对角线法采集不同施肥处理下0～20 cm的土壤样品，每个处理3次重复，将采集的土样混合均匀，放入灭菌袋，密封后(4℃保温箱)带回室内，未能及时做微生物培养试验的土样放在-80℃冰箱冷冻保存。

随机抽取各施肥处理下5株长势良好的玉米作为标准株，测其株高、叶绿素、茎粗、地上部生物量；利用挖掘法采集玉米根系，测定根系形态和根系生物量。

1.3 测定方法

(1)将玉米根系经纯水清洗干净，采用WinRHIZO型根系扫描仪及其数据分析软件，结合Epson Expression 10000XL图像扫描系统对根系平均直径、体积、总根长和分形维数进行分析。扫描完后，用滤纸包好，在65℃下干燥至恒质量，用电子天平(±0.0001g)称量。叶绿素利用叶绿素测试仪进行测量，茎粗、株高用游标卡尺、直尺进行测量。

(2)Biolog-ECO：称取10 g矿区土壤，放入已灭菌的装有90 mL浓度为0.85% NaCl的带玻璃珠的三角瓶中，在旋转式摇床上以250 r·min-1充分震荡30 min，连续2次10倍稀释后，在Biolog-ECO板的96个孔中加入150 μL土壤接种液，放入28℃培养箱中进行培养，每隔24 h利用Biolog分析仪读取各孔的吸光值，连续测定7 d。

1.4 数据处理

根密度(g·cm-3)=根系生物量(g)/根系总体积(cm3)。施肥效应=(施肥处理/CK)-1。Biolog-ECO平板每孔的平均颜色变化率(average well color development，简写AWCD)表示土壤微生物碳源利用率，利用香农维纳指数(Shannon-wiener)、优势度指数(Simpson)、均一度(Eveness)描述微生物群落多样性指数，计算方法参照杨永华等[19]的计算方法。

采用SPSS 23软件对玉米根系形态、生物性状等数据进行方差分析，采用Duncan 多重检验法对进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下矿区玉米根形态特征

从表1可以看出，不同施肥处理下玉米根密度差异不显著，但是OF处理下玉米根系分形维数、根体积、总根长均与CK处理差异显著，且均值最高，施肥效应最好。说明有机无机肥配施利于玉米根系生长及向周围土壤获取营养成分，进而促进其生物量增加。

2.2 不同施肥处理下矿区玉米生长特性

从表2可以看出，施肥处理下苗期玉米茎粗、株高、叶绿素含量、地下生物量与地上生物量均显著高于CK处理(P<0.05)，且OF处理下均值最大，施肥效应相对于F、O处理显著提高。说明有机无机肥配施处理对于提高玉米生物量效果显著高于单施有机肥或无机肥。

表1 不同施肥处理下苗期玉米根形态特征及施肥效应

注: 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at 0.05 level. The same below.

表2 不同施肥处理下苗期玉米生长特性及施肥效应

2.3 不同施肥处理下矿区复垦土壤的碳源利用率

从图1可以看出，不同施肥处理下矿区复垦土壤利用碳源率随着时间呈动态变化，0～24 h内，不同处理间差异不大，24～48 h内，土壤微生物AWCD值均为F> OF>O>CK，48 h后，处理间差异变率增大，72～168 h后，AWCD值呈现OF> O> F>CK，说明OF处理下矿区土壤微生物活性较大，对碳源利用能力较强。

图1 不同施肥处理下矿区复垦土壤碳源利用率的动态变化Fig.1 Dynamic changes of carbon source utilization rate under different fertilizer treatments

2.4 不同施肥处理下复垦土壤的微生物多样性

利用96 h不同施肥处理下土壤微生物的AWCD值，计算矿区土壤微生物的香浓-维纳指数、优势度指数及均一度指数。从表3可以看出，施肥处理与CK相比，明显增加了工矿复垦区土壤微生物的香浓-维纳和优势度指数，而降低了均一度指数，且OF处理下香浓-维纳指数和优势度指数最高，均一度指数最低。

2.5 不同施肥处理下复垦土壤的微生物碳源利用类型

从图2可以看出，土壤微生物对6类碳源类型利用程度不同，不同施肥处理下土壤微生物对糖类、胺类、酯类的利用较高，酸类的利用最差。OF处理下土壤微生物对糖类、氨基酸、醇类、酸类的利用能力最强，而O处理下土壤微生物对酯类、胺类的利用能力最强，CK处理下土壤微生物对各类碳源的利用能力均为最低。

2.6 不同施肥处理下工矿复垦区土壤微生物碳源利用特征

利用96 h的AWCD值，对不同施肥处理下土壤微生物的31种碳源利用特征进行主成分分析，31种碳源中，特征值大于1的共有7个成分，累计方差贡献率达92.9%。其中第一主成分的特征根为10.55，方差贡献率为34.05%，第二主成分的特征根为5.97，方差贡献率为19.27% 。选取PC1和PC2分析不同施肥处理下矿区土壤微生物碳源利用情况， 从图3可以看出，土壤微生物多样性的31种碳源中对第一主成分贡献率大于50%的主要包括氨基酸(L-精氨酸、L-天冬酰胺酸、L-苯基丙氨酸、L-丝氨酸、L-苏氨酸)5种、酯类(D-半乳糖酸γ内酯、丙酮酸甲酯、吐温40、吐温80)4种、胺类(腐胺)1种、酸类(D-半乳糖醛酸、2-羟苯甲酸)2种、糖类(ß-甲基D-葡萄糖苷、葡萄糖-1-磷酸盐)2种、醇类(I-赤藻糖醇、D,L-a-甘油)2种；对第二主成分贡献率大于50%的碳源包括糖类(a-环状糊精)1种、醇类( D-甘露醇) 1种、酸类(4-羟基苯甲酸、r-羟基丁酸、D-苹果酸) 3种、氨基酸类(甘氨酰-L-谷氨酸)1种。

表3 不同施肥处理下矿区复垦土壤微生物多样性指数

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note：Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图2 不同施肥处理下复垦土壤碳源利用分类特征Fig.2 Classification characteristics of carbon source utilization in reclaimed soil under different fertilization treatments

注：图中31种碳源分别为：B1(丙酮酸甲酯)；C1(吐温40)；D1(吐温80)；E1(a-环状糊精)；F1(肝糖)；G1(D-纤维二糖)；H1(a-D-乳糖)； A2(ß-甲基D-葡萄糖苷)；B2(D-木糖)；C2(I-赤藻糖醇)；D2(D-甘露醇)；E2(N-乙酰基-D-葡萄胺)；F2 (D-氨基葡萄糖酸)；G2(葡萄糖-1-磷酸盐)；H2(D,L-a-甘油)；A3(D-半乳糖酸γ内酯)；B3(D-半乳糖醛酸)；C3(2-羟苯甲酸)；D3(4-羟基苯甲酸)；E3(r-羟基丁酸)；F3(衣康酸)；G3(a-丁酮酸)；H3(D-苹果酸)；A4(L-精氨酸)；B4(L-天冬酰胺酸)；C4(L-苯基丙氨酸)；D4(L-丝氨酸)；E4(L-苏氨酸)；F4(甘氨酰-L-谷氨酸)；G4(苯乙基胺)；H4(腐胺)。Note：31 kinds of carbon source are respectively in the figure：B1(Methyl pyruvate)；C1(Twain 40)；D1(Twain 80)；E1(A-cyclodextrin)；F1(Glycogen)；G1(D-cellobiose)；H1(a-D-lactose)； A2(ß-Methyl-D-glucoside)；B2(D-xylose)；C2(I-gibberellin)；D2(D-mannitol)；E2(N-acetyl-D-grapevine)；F2 (D-glucosaminic acid)；G2(Glucose-1-phosphate)；H2(D, L-a-glycerol)；A3(D-galactose gamma lactone)；B3(D-galacturonic acid)；C3(2-hydroxybenzoic acid)；D3(4-hydroxybenzoic acid)；E3(r-hydroxybutyric acid)；F3(Itaconic acid)；G3(a- butanone acid)；H3(D-Malic Acid)；A4(L- arginine)；B4(L-asparaginic acid)；C4(L-Phenylalanine)；D4(L-serine)；E4(L-threonine)；F4(Glycyl-L-glutamic acid)；G4(Phenethyl amine)；H4(Putrescine).图3 不同施肥处理下矿区复垦土壤碳源利用主成分分析Fig.3 Principal component analysis of carbon source utilization in reclaimed soil under different fertilization treatments

从图3中的因子得分图可以看出，不同处理间综合利用碳源能力差异显著。OF处理位于第一象限，F与O处理分别位于第二、四象限，CK处理位于第三象限。说明OF处理与第一二主成分均呈正相关性，而 CK处理与第一、二主成分均呈负相关。

3 讨 论

土壤微生物在土壤养分循环与能量传输中有重要作用，施肥制度会影响土壤微生物群落多样性，进而影响土壤有机质中的碳氮含量。AWCD吸光值可以反映土壤中微生物对碳源的利用能力和代谢活性强度。本研究利用AWCD结果，对6类碳源、31种碳源综合利用能力分析的结果表明，有机无机肥配施处理下煤矸石复垦土壤微生物的代谢活性最强，碳源利用综合能力也最强，CK处理下碳源利用能力最差。说明有机肥配施无机肥可以显著增加土壤微生物种类，增强微生物活性，提高微生物群落的多样性。这与刘恩科等[20]、顾美英等[21]的研究结果一致。表明单施有机肥或单施无机肥可能导致矿区复垦土壤某些元素缺乏，对土壤微生物群落的多样性产生负效应。但是施肥处理下土壤微生物均一度指数均显著低于CK处理，说明施肥可能导致土壤中微生物个体分布不均匀，也可能促进某种微生物的生长而抑制了其他种类的微生物代谢，这与张恩平等[22]对沈阳番茄根际土壤微生物的研究结果一致。

根系的分形维反映根系在土体空间中的发育程度及占据土体空间的能力[23]，表征植物利用土壤水肥的能力强弱[24]。植物根系分形维数高，说明根系的发育程度好，根系分支多[23]，利用水肥能力越强。本研究表明OF处理下玉米根系的分形维数显著高于CK处理，根体积、根长也增加显著，表明OF处理对玉米吸收养分、水分效果最好，促进生物量增加。根据本研究试验结果，确实OF处理相对于其他处理而言，对于玉米生长性状，如株高、茎粗等施肥效应最高。

4 结 论

本研究探讨了不同施肥处理下煤矸石复垦区土壤微生物群落功能多样性及玉米生长特征，结果表明有机无机配施处理下土壤微生物综合利用碳源能力最强，施肥效应最高，最有利于复垦土壤微生物活性的提高，群落代谢功能多样性的增加，从而有利于玉米根系分形维数增加，吸取土壤中水肥能力增强，进而提高玉米生物量。