氮肥减量配施有机肥对豫中地区冬小麦-夏玉米轮作生产力和土壤性质的影响*

叶盛嘉,郑晨萌,张 影,刘 星

(河南科技学院资源与环境学院/河南省生物药肥研发与协同应用工程研究中心 新乡 453003)

施肥是提高作物生产力的基本手段。作物最佳养分管理要求实现经济产出、养分资源利用效率和生态环境保护相协调。然而,目前我国粮食作物生产中化学肥料特别是氮肥的过量施用已成为普遍现象。氮肥过量投入不仅降低养分利用效率,破坏土壤(肥力)质量,也导致生态环境严重破坏。在确保稳产、增产的同时,减少粮食生产系统化学氮肥投入,建立高效的作物养分管理策略是农学工作者面临的重要课题,也是农业绿色发展的必然要求。

大量研究业已证明,化肥或有机肥的单一施用并非集约化条件下维持作物长期可持续性生产的最佳措施。综合作物养分管理要求有机无机肥料配合施用,这不仅能够增加作物生产的稳定性和可持续性,同时也能够显著改善土壤质量。更重要的是,有机(类)肥料含有丰富的有机质和养分资源,增加有机肥投入能够实现对化学肥料的部分替代,降低农业生产对化肥的依赖性,这对于减少农田生态系统化学肥料投入具有重要意义。近来对多个作物生产体系的研究也表明,在满足作物养分需求的前提下,减少一定比例的化肥投入并配施有机肥依然能够维持作物高产甚至显著增产,同时提高土壤肥力,改善养分利用效率,减少施肥的环境代价。然而,受限于不同地域间在气候条件、种植结构、施肥方法和土壤性质上的巨大差异,进行区域化的、有针对性的作物养分管理推荐对于改善粮食生产、确保国家粮食安全更具现实意义。

微生物(组)是土壤生态系统的重要组成部分,其具有高度的遗传和功能多样性,并在土壤培肥、养分循环、污染物降解、作物抗病(防病)和植物促生等方面发挥着基础性作用。同时,土壤微生物在增强作物逆境胁迫抗性方面也扮演着重要角色。作为土壤质量的生物指征和土壤培肥的重要参与者,土壤微生物群落多样性和结构组成受施肥量和肥料类型强烈调控,阐明化肥减量配施有机肥对土壤微生物群落的影响有助于从土壤生态学角度探索最佳的作物养分管理策略。然而,目前有关化肥减量及其配施有机肥对土壤微生物群落影响的报道依然较少。

豫中地区地处黄淮海平原,是我国粮食主产区之一,冬小麦(L.)-夏玉米(L.)轮作是区内主要的农业生产模式,但常年存在着氮肥过量投入和忽视有机肥施用等严重问题。本文以豫中地区冬小麦-夏玉米轮作系统为研究对象,基于田间试验,探讨了化学氮肥不同比例减量并配施有机肥对作物生产力、土壤理化和生化性质的影响。同时,采用高通量扩增子测序的方法,进一步研究了化学氮肥减量配施有机肥对土壤细菌群落多样性和结构组成的影响。本研究旨在为区内冬小麦-夏玉米轮作生产系统的合理施肥提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

田间定位试验于2016年10月至2019年10年在河南省漯河市临颍县台陈镇裴墩村(33.78°N,113.96°E,海拔约60 m)进行,冬小麦和夏玉米各种植3 季。该区属温带季风气候,四季分明;降水受季风影响较明显,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。年平均气温约14.5 ℃,全年无霜期226 d 左右,光照时长2600 h 左右。年平均降水量约720 mm,受季风影响,全年降水极不均匀,雨量多集中在6月、7月和8月。供试土壤为壤质潮土,土壤基础理化性质为: 有机质26.63 g·kg,全氮1.68 g·kg,pH 为7.97 (水土比5∶1),碱解氮36.52 mg·kg,速效磷18.20 mg·kg,速效钾175.40 mg·kg。

1.2 田间试验设计

选择地势平坦、整齐且肥力均匀的地块进行田间定位试验,播前采集混合土样测定耕层土壤基本理化性质。田间试验设计10 个处理,如表1所示。CK 为完全不施肥对照。100%CNF 为当地农户常规施肥对照,呈典型的高氮投入且无有机肥施用。在100%CNF 的基础上,逐渐减少20%的化学氮肥投入,同时减量的化学氮肥分别与6000 kg·hm有机肥配施,有机肥在小麦和玉米季各施用一半(3000 kg·hm)。每个处理3 次重复,完全随机区组排列,小区面积54 m(6.0 m×9.0 m),小区间保留1 m 过道,试验地四周留保护行。化肥用含N 46%的尿素、含PO12%的过磷酸钙和含KO 51%的硫酸钾。鉴于当地有机肥源缺乏,施用商品有机肥,购自河南省鹤壁市人元生物技术发展有限公司。商品有机肥生产以牛粪为主料、秸秆和蘑菇菌包为辅料进行好氧堆肥,而后肥堆添加枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌等有益菌液进行二次固体发酵,肥料成品含有机质40%、N 2.0%、PO1.5%、KO 1.5%,有效活菌数≥0.5×10cfu·g。有机肥在播种前通过旋耕机翻入0～15 cm 深度土壤,化肥随种子进行种肥同播。有机肥、磷肥、钾肥和50%氮肥在播种时作基肥施用,剩余50%氮肥作追肥(小麦返青期追施,玉米拔节期追施)。供试小麦品种为‘泛麦8 号’,玉米品种为‘吉祥1 号’。小麦播种量为225 kg·hm,玉米种植密度为6.75×10株·hm。小麦和玉米行距分别为23 cm 和70 cm。根据需要定期进行除草和灌溉等管理措施,其余田间管理措施同常规大田。小麦和玉米收获后,地上部秸秆通过机械全量还田。

表1 田间试验各处理施肥量Table 1 Fertilization rates in different treatments employed in the present study kg·hm-2

1.3 样品采集与分析

每年6月和10月作物收获时测产。每个试验小区内,小麦随机采集3 个1 m 双行样方、玉米随机采集1 个5 m 双行样方,将地上部植株样品全部收获,挂牌区分,带回实验室风干、脱粒、称重,按采样面积折算籽粒产量和地上部生物量。土壤样品在2019年10月玉米收获时采集,每个小区按5 点取样法用土钻采集耕层(0～20 cm)土样,剔除石砾和植物残根等杂物,混合均匀后装入自封袋,密封带回实验室。新鲜土样分成3 部分: 一部分置于室外风干,而后研磨过1 mm 和0.25 mm 筛,分别装瓶保存用于土壤理化指标测定;一部分过1 mm 筛,立即进行土壤矿质氮含量和酶活性测定;另一部分过1 mm 筛后储存于-80 ℃冰箱内,用于土壤微生物分析。

土壤pH 采用pH 电位计测定(水土比5∶1),全氮含量采用浓硫酸混合加速剂-半微量凯氏定氮法测定,有效磷含量采用0.5 mol·LNaHCO浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用1.0 mol·L醋酸铵浸提-火焰光度法测定,有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定,铵态氮和硝态氮含量采用2 mol·LKCl 浸提-流动注射分析仪测定。土壤易氧化有机碳含量测定参照Zhang 等的方法。土壤酶包括脲酶、蔗糖酶、脱氢酶、碱性磷酸酶、芳基硫酸酯酶和β-葡萄糖苷酶活性测定方法参考实验工具书。

称取约0.5 g 新鲜土壤样品,根据产品说明书上的步骤,使用PowerSoil DNA 试剂盒提取土壤微生物总DNA。DNA 的提取质量和纯度采用1%琼脂糖凝胶电泳检测。提取的微生物总DNA 溶解在50 μL洗脱缓冲液中并保存于-20 ℃冰箱备用。采用高通量扩增子测序评估不同施肥处理间土壤细菌群落多样性和结构组成差异(Illumina NovaSeq PE250 平台)。以土壤微生物总DNA 为模板进行PCR 扩增,扩增细菌16S rRNA 基因V3-V4 区片段,扩增引物对为338F/806R。PCR 扩增条件为: 98 ℃预变性2 min,98 ℃变性15 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,30 个循环,72 ℃再延伸5 min,10 ℃保温。PCR 扩增体系(25 μL):5 μL reaction buffer (5×),5 μL GC buffer (5×),2 μL dNTPs (2.5 mmol·L),引物各1 μL (10 μmol·L),2 μL DNA模 板,8.75 μL ddHO,0.25 μL Q5 DNA Polymerase。PCR 扩增产物经琼脂糖凝胶电泳检测后采用Agarose Gel DNA 纯化试剂盒进行纯化,分光光度计测定浓度,最后将PCR 产物等量混合,送上海派森诺生物科技有限公司进行高通量测序。对高通量测序下机原始数据进行质控过滤(Trimmomatic 软件)和双端拼接(FLASH 软件),参照官方教程,菌群多样性采用QIIME 2.0 软件分析(https://docs.qiime2.org/2019.4/tutorials/)。采用RDP classifier 贝叶斯算法以99%相似性阈值进行ASV(amplicon sequence variants)聚类,各ASV 物种分类信息比对以Greengenes 13_8 为参考数据库,分类置信度阈值70%。对所得到的高质量序列,按最小样本序列数抽平(每个土壤样本68 071 条序列),进行α 和β 多样性分析。应用MOTHUR 软件计算菌群α 多样性指数。采用基于Bray-Curtis 距离算法的主坐标分析(PCoA)比较不同处理土壤细菌群落结构差异(即β 多样性),利用相似度分析(ANOSIM)检验处理间细菌群落结构的差异显著性。通过CANOCO 5.0 软件对土壤理化性质和细菌群落结构的关系进行冗余分析(RDA),各土壤理化因子的显著性采用Monte Carlo 检验。采用共发生网络分析评估细菌群落成员之间互作强度及复杂性,共发生网络的拓扑学性质通过Gephi 软件计算。

1.4 数据处理

试验数据计算和图表绘制在Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot 12.0 软件上 进行,使 用SPSS 21.0软件进行处理间差异的显著性检验(one-way Duncan’s test,＜0.05)。图表中试验结果采用平均值±标准差来表示(=3)。不同数据间的相关性分析采用常见的一元回归模型进行。土壤理化性质和酶活性结果均采用土壤干基表示。

2 结果与分析

2.1 氮肥减量配施有机肥对籽粒产量和地上部生物量的影响

各试验年份下小麦和玉米籽粒产量及地上部生物量均以CK 和OF 处理最低(表2),表明不施肥或者单施有机肥极大地削弱了作物生产力。在不施用有机肥情况下,80%CNF 处理获得了最高的小麦产量,且在2017年该处理较100%CNF 显著增产约9.67% (＜0.05)。80%CNF 和60%CNF 处理间小麦产量无显著差异,表明即使单独减少40%的化学氮肥施用依然能够维持相对较高的小麦产量。然而,在配施有机肥条件下,80%CNF+OF、60%CNF+OF和 40%CNF+OF 处理小麦产量与80%CNF 均无显著差异,说明配施有机肥能够进一步减少化学氮肥用量。小麦地上部生物量在各年份下均以80%CNF+OF 处理最高,80%CNF 次之,二者都显著高于100%CNF 处理(＜0.05),但二者之间无显著差异。除2017年外,60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理小麦地上部生物量较80%CNF 均无显著差异。

表2 2017—2019年各施肥处理下小麦、玉米的籽粒产量和地上部生物量Table 2 Grain yields and aboveground biomasses of wheat and maize under different fertilization treatments from 2017 to 2019 t·hm-2

在不施用有机肥情况下,80%CNF 处理获得了最高的玉米籽粒产量。连续3 个试验年份下80%CNF处理玉米产量较100%CNF 分别显著增加32.39%、28.06%和51.42% (＜0.05),且在2017年60%CNF 处理玉米产量较100%CNF 显著增加20.00% (＜0.05),说明当地农户玉米种植过程中存在严重的氮肥过量施用,减施化学氮肥能够显著改善玉米生产力。2017年和2018年80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理玉米产量与80%CNF 均无显著差异;2019年80%CNF+OF 和60%CNF+OF 处理玉米产量较80%CNF 无显著差异,但40%CNF+OF 处理产量显著降低15.52% (＜0.05)。玉米地上部生物量在3 个试验年份均以80%CNF 处理最高,显著高于100%CNF 处理(＜0.05),但与80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理无显著差异。

2.2 氮肥减量配施有机肥对土壤理化性质的影响

不同处理间有机质、易氧化有机碳和全氮含量及pH 均无显著差异(表3)。40%CNF+OF 处理铵态氮含量较CK 和100%CNF 分别显著增加56.25%和54.32% (＜0.05),其余处理无显著变化。与100%CNF 相比,减施氮肥能够显著降低土壤硝态氮含量(＜0.05),且随着减氮比例增加,硝态氮含量整体呈递减趋势。与100%CNF 相比,减施氮肥及其与有机肥配施并不能显著改变土壤速效磷含量。80%CNF处理土壤速效钾含量较100%CNF 显著增加37.36%(＜0.05),但其余处理无显著变化。

表3 2019年玉米收获时各施肥处理下土壤理化性质Table 3 Soil physicochemical properties under different fertilization treatments at maize harvest in 2019

2.3 氮肥减量配施有机肥对土壤酶活性的影响

脲酶活性以40%CNF+OF 处理最高,较100%CNF、80%CNF、60%CNF 和40%CNF 处理分别显著增加36.08%、38.71%、35.96%和36.78% (＜0.05),但与100%CNF+OF、80%CNF+OF 和60%CNF+OF处理无显著变化(表4)。与100%CNF 相比,仅100%CNF+OF 处理蔗糖酶活性显著增加28.09% (＜0.05)。减施氮肥及其与有机肥配施较100%CNF 并不能显著改变碱性磷酸酶和脱氢酶活性。60%CNF+OF 处理芳基硫酸酯酶活性最高,较100%CNF、80%CNF、60%CNF、40%CNF 和40%CNF+OF 处理分别显著增加72.73%、88.98%、76.96%、89.70%和67.42%(＜0.05),但与100%CNF+OF 和80%CNF+OF 处理无显著变化。除60%CNF+OF 处理外,其余减氮处理β-葡萄糖苷酶活性与100%CNF 无显著变化。

表4 2019年玉米收获时各施肥处理下土壤酶活性的比较Table 4 Soil enzymes activities under different fertilization treatments at maize harvest in 2019

2.4 氮肥减量配施有机肥对土壤细菌群落的影响

不同处理间土壤细菌群落物种数、丰富度和谱系多样性指数均无显著差异(表5)。香农指数、辛普森指数和均匀度指数均以CK 最高,且显著高于100%CNF 处理(＜0.05),表明农户常规施肥降低了细菌群落α 多样性。与100%CNF 相比,减施氮肥及其与有机肥配施处理香农指数无显著改变,但辛普森和均匀度指数改变明显。60%CNF、60%CNF+OF和40%CNF+OF 处理辛普森指数较100%CNF 显著增加;60%CNF、80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理均匀度指数较100%CNF 也有显著增加(＜0.05)。这些结果表明,减施适量氮肥或其与有机肥配施能够改善土壤细菌群落α 多样性。农户常规施肥对土壤细菌群落α 多样性的不利影响能够通过减氮施肥或其与有机肥配施得到一定程度的修复。

表5 2019年玉米收获时各施肥处理下土壤细菌群落α 多样性的比较Table 5 The α diversity of soil bacterial community under different fertilization treatments at maize harvest in 2019

PCoA 分析和ANOSIM 检验证明不同处理间土壤细菌群落β 多样性存在显著差异(＜0.05) (图1A)。有机肥施用并不能对细菌群落β 多样性产生显著影响(图1B),但化肥施用强烈改变了细菌群落β 多样性(＜0.05) (图1C 和1D)。考虑到CK 和OF 处理完全不施用任何化肥,在排除CK 和OF 土壤样本后发现,不施用有机肥条件下减施化学氮肥依然显著改变了细菌群落β 多样性(＜0.05) (图1E),但这种改变会因配施有机肥而抵消(图1F)。总的来看,减施氮肥而非有机肥施用显著影响了土壤细菌群落β 多样性。

图1 2019年玉米收获时各施肥处理下土壤细菌群落β 多样性的比较Fig.1 The β diversity of soil bacterial community under different fertilization treatments at maize harvest in 2019

土壤细菌群落中有8 个门的平均相对丰度超过1%,这些细菌门共占约94%的总回收序列(表6)。变形菌门、放线菌门和酸杆菌门是细菌群落的优势成员,其平均相对丰度均超过10%。与100%CNF 相比,减施氮肥及其与有机肥配施并不能显著影响变形菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、髌骨细菌门和芽单胞菌门平均相对丰度。疣微菌门平均相对丰度在不同处理间无显著差异。60%CNF、80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理放线菌门平均相对丰度较100%CNF 分别显著降低10.92%、13.04%、14.39%和13.68% (＜0.05),但其余减氮处理无显著变化。

表6 2019年玉米收获时各施肥处理下土壤主要细菌门平均相对丰度的比较Table 6 Average relative abundances of soil major bacterial phyla under different fertilization treatments at maize harvest in 2019 %

细菌群落中最丰富的50 个属共占总回收序列50%左右(图2)。与100%CNF 相比,9 个细菌属平均相对丰度在减氮配施有机肥处理下发生了显著改变(＜0.05),分别是unclassified Gp6 (未分类酸杆菌Gp6)、(鞘氨醇单胞菌属)、(类诺卡氏菌属)、(韩国生工属)、(列契瓦尼而氏菌属)、(原小单孢菌属)、(马赛菌属)、(罗布泊糖霉菌属)和(东菌属)。其中,除、和外,其余6 个细菌属平均相对丰度均≥1%,显示减氮配施有机肥显著改变了细菌群落优势属丰度。减氮配施有机肥处理增加了unclassified Gp6 和的平均相对丰度,60%CNF+OF 处理这2 个属的平均相对丰度较100%CNF 分别显著增加31.23%和40.74% (＜0.05)。相反,剩余7个细菌属平均相对丰度因减氮配施有机肥而出现下降(＜0.05)。具体来看,与100%CNF 相比,80%CNF+OF 处理平均相对丰度降低20.00%;80%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理平均相对丰度分别降低32.44%和36.51%;80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理平均相对丰度分别降低33.88%、32.35%和31.19%;40%CNF+OF 处理平均相对丰度降低45.88%;80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理平均相对丰度分别降低28.60%、46.30%和42.77%;80%CNF+OF、60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理平均相对丰度分别降低47.24%、44.13%和55.81%;40%CNF+OF 处理平均相对丰度降低23.78%。

图2 2019年玉米收获时土壤细菌群落中最丰富的50 个属在不同施肥处理下的平均相对丰度变化Fig.2 Average relative abundances of top 50 abundant genera in soil bacterial community under different fertilization treatments at maize harvest in 2019

RDA 分析表明,速效钾和硝态氮含量是影响土壤细菌群落结构最重要的2 个土壤理化因子(图3A),二者分别解释了15.60%和9.40%的处理间群落结构差异,且解释程度均达到显著水平(＜0.05) (图3B)。

图3 土壤理化性质与细菌群落结构的关系Fig.3 Relationship of soil physicochemical properties and bacterial community structure

将相同减氮量的施肥处理归为一类(=6),绘制共发生网络探讨了细菌群落成员之间的互作强度及复杂性。不同减氮条件下(即100%CNF、80%CNF、60%CNF 和40%CNF)细菌共发生网络的拓扑学性质如表7所示。减施化学氮肥增加了土壤细菌共发生网络的复杂性。首先,减施氮肥增强了群落成员间的互作强度,与100%CNF 相比,60%CNF 和40%CNF处理网络边数分别增加42.06%和46.11%,图形密度也分别增加42.86%和48.98%;其次,尽管各网络节点数相似,但60%CNF 和40%CNF 处理细菌群落较100%CNF 和80%CNF 相比具有更模块化的组织结构,各节点更加聚集成簇(模块),即更少的模块数和更高的平均聚类系数;第三,减施氮肥增强了细菌共发生网络的连通性,60%CNF 和40%CNF 处理网络平均路径长度较100%CNF 分别降低8.78%和8.81%,平均度较100%CNF 分别增加42.04%和47.36%。

表7 2019年玉米收获时土壤不同减氮处理下细菌共发生网络的拓扑学性质比较Table 7 Topological properties of bacterial co-occurrence networks under reduced N fertilization conditions at maize harvest in 2019

3 讨论

3.1 氮肥减量配施有机肥的产量效应

通过3年的田间定位试验,本研究证明试验区内冬小麦-夏玉米轮作系统存在着严重的氮肥过度投入现象,粮食生产减氮潜力较大,特别是在玉米季,减少氮肥用量,籽粒产量出现大幅度增加,这表明在长期过度施氮地块上降低后续氮肥投入能够形成积极的产量反馈(表2)。不施用有机肥条件下,80%CNF处理小麦和玉米产量均达最高,说明该处理下施氮量(小麦季180 kg·hm、玉米季216 kg·hm)为一个相对合适的水平(求解施氮量和籽粒产量的一元二次拟合方程显示小麦最佳施氮量约165 kg·hm,相当于73.33%CNF;玉米最佳施氮量约193 kg·hm,相当于71.48%CNF),因此在80%CNF 基础上继续探索减氮潜力更具重要意义。本研究表明,施用有机肥能够进一步扩展氮肥减量空间,具体来看,3年田间试验过程中80%CNF 处理所获得的小麦产量与60%CNF+OF 和40%CNF+OF 处理无统计学差异,玉米产量与60%CNF+OF 处理无统计学差异,这意味着单从减氮角度而言,小麦和玉米季各减少60%和40%的化学氮肥投入同时配施有机肥能够维持相对较高的产量水平。有机肥本身含有一部分氮素能够供作物所需是其可以降低氮肥用量的直接原因。同时,有机肥中氮素缓效释放,使土壤具有更为持久的供氮能力,且有机肥施用能够提高土壤微生物数量和活性,使得更多的无机氮被微生物快速固定,减少作物生育前期土壤氮素损失,这些都有助于扩展减氮空间。不仅如此,有机肥还含有磷、钾及其他中微量元素养分,这些养分在有机替代试验中常常未加考虑,而它们对促进作物生长和养分吸收也非常重要。需要强调的是,不同于此前一些有机肥替代部分化学氮肥田间研究,本试验中减氮配施有机肥处理与常规施肥对照之间并非等氮量设计,而是在逐级减少化学氮肥用量基础上配施固定量的商品有机肥(表1),这种田间试验设计更多的是考虑农户在农事操作上的简便性。试验区域周边缺乏有机肥肥源,商品有机肥价格远高于化肥,尽可能少施用有机肥也有助于最大限度地降低农户施肥成本。

3.2 氮肥减量配施有机肥的土壤效应

过量氮肥施用不仅影响作物生理生态特性,减少产量,带来面源污染,同时也大幅降低土壤肥力。大量研究已证实,集约化生产条件下长期过度施氮消极调节了土壤生化和微生物性质,如降低酶活性,抑制微生物活性和生物量,减少微生物群落多样性和丰富度,这些都会对土壤生态系统健康产生不利影响。降低粮食生产系统化学氮肥用量,维护粮食生产用地土壤质量迫在眉睫。本试验中减氮配施有机肥处理并未显著改变土壤有机质含量,这是因为土壤总有机碳库的改善需要一个长期积累的过程。尽管易氧化有机碳常常被认为是土壤有机碳库中的活性组分,但处理间并无显著差异,这可能与试验区域长期秸秆还田和供试土壤本底值较高有关。减氮处理大幅降低了耕层土壤硝态氮含量(表3),意味着更少的氮肥盈余,潜在硝态氮淋洗损失也将随之降低。土壤酶活性分析表明(表4),减少化学氮肥用量或其与有机肥配施能够显著改变土壤碳、氮、磷、硫循环相关酶的活性,但这些变化就处理来看并无一致规律,显示土壤酶活性并不适宜作为在本研究区域内评价减氮施肥土壤效应的先锋指标。相较于土壤理化性质和酶活性,土壤微生物群落对减氮配施有机肥处理快速响应(表5和图1)。减氮配施有机肥显著增加了细菌群落α 多样性,这与早前

研究一致。但CK 和OF 处理间细菌群落α 多样性指数无显著差别,说明减氮施肥的影响占据主导。不施用有机肥情况下,土壤细菌群落辛普森和均匀度指数随减氮量的增加呈先增后降的趋势(表5),且峰值均出现在60%CNF 处理,表明细菌群落α 多样性受施氮量强烈驱动,优化氮肥用量可以改善细菌群落α 多样性,相似的研究结果也被Xu 等报道。然而,需要指出的 是,40%CNF+OF 处理细菌群落辛普森和均匀度指数较40%CNF 处理均有显著增加,说明供氮不足对细菌群落α 多样性的消极影响能够通过施用有机肥进行弥补。

细菌群落β 多样性同样受施肥显著影响(图1)。不同分组土壤样品PCoA 分析和ANOSIM 检验证明细菌群落β 多样性的改变更多是由氮肥减量而非有机肥施用所导致。Zhang 等进行为期3年的有机替代田间试验结果显示,无论小麦-玉米轮作还是双季稻生产,氮肥施用比有机肥都更强烈地改变了土壤细菌群落结构,这也支持了本研究的发现。然而,许多长期田间定位试验结果均显示有机肥施用深刻改变了土壤微生物群落多样性和结构组成。这些研究结果差异表明有机肥对土壤微生物群落的影响是一个长期性的过程。有机肥的施用可能更多通过改善土壤有机碳库来调节微生物相关性状。就具体的群落成员而言,在门水平上,减氮配施有机肥处理较常规施肥相比均显著降低了放线菌门平均相对丰度(表6)。早前研究表明,许多来自放线菌门的细菌都属于富营养生理型,偏好高氮环境,减施氮肥可能会抑制放线菌门相关成员生长。而在属水平上,减氮配施有机肥处理同样显著改变了一些优势属的丰度(图2),特别是unclassified Gp6 和平均相对丰度在60%CNF+OF 处理下出现显著增加。Acidobacteria Gp6 和均属于土壤有益菌,已被报道与作物土传病害抑制积极相关,同时也被发现在植物促生、固氮和多环芳烃类污染物降解方面发挥积极作用。这些结果显示减氮配施有机肥能够增加土壤中一些特定的有益细菌的丰度。

土壤环境变化是土壤微生物多样性和群落结构组成改变的重要驱动力。不同群落成员偏好不同的生态位,会对土壤理化因子变化快速响应。施肥常常通过影响土壤理化环境来改变微生物生物量、活性和数量,塑造特异的微生物群落结构。本研究表明,在所有测试的土壤理化因子中,速效钾和硝态氮含量是驱动细菌群落结构变化的关键因子(图3),这也与早前报道一致。施肥制度强烈影响着土壤微生物共发生网络结构,减氮施肥导致土壤细菌共发生网络明显改变(表7),说明施氮量是调控土壤微生物网络结构的重要因子,这与Liu 等的报道一致。与100%CNF 相比,60%CNF 和40%CNF 处理细菌共发生网络具有更高的复杂性和连通性。Yao 等指出,高氮负载(氮富集)常常导致微生物多样性降低和群落结构改变,这是微生物互作网络弱化的重要原因。本研究确实发现减氮条件下细菌群落α 多样性要高于农户常规施肥对照,特别是60%CNF 处理(表5)。此外,在长期过量施氮地块,减施氮肥缓解了微生物氮抑制,调节碳氮比,增加土壤碳的有效性,使得生态位的数量和宽度增加,这也有利于更多的微生物群落成员之间发生互作关系。高连通性的互作网络意味着群落成员间存在更多的功能联系(互补),资源利用效率和能量转换也更为高效。同时,高复杂性和连通性网络具有更多功能冗余,能够带来更高的群落稳定性,即对外界生物或非生物胁迫的抗性更强。

4 结论

豫中地区冬小麦-夏玉米轮作系统存在严重的氮肥过量投入问题,粮食生产减氮潜力较大。施用有机肥是区内粮食生产实现氮肥减量最大化的重要手段。减氮配施有机肥能够改善土壤微生物多样性和群落结构,化学氮肥减量施用对微生物群落的影响更大。减少化学氮肥过度投入能够增加土壤细菌群落成员间的互作强度,形成更具复杂性和连通性的共发生网络。需要指出的是,减氮效果常常受土壤肥力、作物品种、有机肥种类等因素影响,因此在更大范围内探索豫中地区麦-玉轮作系统的减氮潜力及其土壤效应十分必要,这将能够为形成区域化的减氮施肥推荐和作物营养管理方案优化提供依据。