粉垄耕作和间作绿肥还田对甘蔗不同生长时期土壤微生物群落功能多样性的影响

2023-03-13周灵芝黄渝岚申章佑李艳英李素平劳承英韦本辉

西南农业学报 2023年12期

周灵芝,黄渝岚,周佳,申章佑,李艳英,王锋,李素平,张宪,劳承英,韦本辉

(1.广西农业科学院经济作物研究所,南宁 530007;2.广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室,南宁 530007)

【研究意义】土壤中的微生物可以敏感地反映土壤质量变化,被认为是土壤肥力变化最敏感的指标[1],也是土壤肥力评价的重要指标[2]。微生物参与了约90%的土壤反应[3],是土壤中不可或缺的一个重要角色[4-5]。甘蔗是一种重要的糖料作物,蔗糖是国家重要战略物资。近30年来,广西一直是中国糖料蔗种植面积最大的省份,甘蔗种植业是广西重要的经济支柱产业之一。但广西蔗区因长期不合理的耕作和施肥方式等,存在土壤板结、透气性变差,土壤中水分和营养物质供应失衡,土壤微生物含量及多样性降低等问题[6]。因此,探索耕作栽培方式对甘蔗土壤微生物的影响,对甘蔗种植业的健康可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】粉垄耕作是广西农业科学院研发的一种深耕深松技术[7],已应用在甘蔗[8]、水稻[9]、木薯[10]等作物上,能改良土壤物理化学性状,增加土壤细菌真菌数量、多样性与活性,提高土地生产力。不同耕作方式会导致土壤含水量、透气性和养分含量等存在差异,进而影响土壤的主要微生物类群数量和结构[11];适当的耕作形式能改善土壤的物理、化学和生物性质,从而保证耕地能高质量绿色发展[12]。绿肥作物在改善土壤微生物环境[13-14]和培肥土壤[15-16]等方面发挥着重要作用,已成为优良的间混作、覆盖还田目标作物。种植绿肥还田可增加土壤微生物数量,提高其活性,并提高玉米产量[17];深耕结合绿肥翻压处理可以提高植烟土壤微生物功能多样性和酶活性[18];深翻秸秆还田增加了玉米吐丝期细菌、真菌和放线菌的数量及玉米根际土壤酶活性[19];深耕配合秸秆还田可有效增加土壤微生物数量并提高其碳源代谢能力[20]。Biolog微平板分析法操作简单、快速,可以准确获得土壤微生物对碳源代谢情况的相关信息,可应用于评价土壤微生物群落的功能多样性[21],已被广泛应用于甘蔗[22]、香蕉[23]、小麦[24]、植被[25]和森林[26-27]等领域的研究,明确了不同处理中土壤微生物代谢活性和根际土壤微生物群落功能多样性,为生产实践提供了丰富的参考依据。【本研究切入点】当前,粉垄耕作对土壤微生物的研究多集中在土壤微生物数量及结构等方面,针对粉垄耕作结合绿肥还田对土壤微生物功能多样性的影响鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用Biolog微平板法研究粉垄耕作和间作绿肥还田对甘蔗不同生长时期土壤微生物功能多样性的影响,旨在揭示粉垄结合绿肥还田对甘蔗土壤微生物碳代谢的影响,为广西甘蔗种植业和蔗糖业的健康发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2022年3月至2023年1月在广西隆安县那桐镇新安村(107°52′E, 22°58′N)进行试验。试验所在地为南亚热带湿润季风气候,年平均气温21.8℃,该地区年平均降水量1301 mm,2022年总降雨量1106 mm(其中9月1日至12月31日总降雨量为161 mm)。试验地前作为木薯,其土壤基本理化性质:pH 5.00,碱解氮92.60 mg/kg,速效钾394.70 mg/kg,速效磷101.10 mg/kg,有机质31.43 g/kg。

1.2 试验设计

试验设置4个处理,常规单作(CT):用传统拖拉机旋耕(深度20 cm);粉垄单作(FL):采用广西五丰粉垄深耕深松机械(型号:1FSGL-230),耕作深度40 cm;常规间作绿肥还田(CTJ):耕作方法如CT,在甘蔗行间间作绿豆;粉垄间作绿肥还田(FLJ):耕作方法如FL,在甘蔗行间间作绿豆。各处理采用120 cm等行距开沟种植双芽段甘蔗,密度为90 000芽/hm2;间作处理在2行甘蔗之间播种2行绿豆,绿豆行距30 cm、株距15 cm,双粒种植。

供试甘蔗品种为桂糖55,绿豆品种为当地农家品种。2022年3月25日种植甘蔗和绿豆,绿豆整个生育期不施肥。还田方法:在绿豆结荚初期(2022年6月2日)将每个小区绿豆整株拔起,均匀覆盖在甘蔗根部,绿豆秸秆还田量为9000 kg/hm2,结合追肥进行甘蔗大培土,盖土10 cm。甘蔗施放基肥复合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]375 kg/hm2,绿豆还田时结合大培土施放尿素300 kg/hm2(总N≥46.4%)、氯化钾300 kg/hm2(K2O≥60%)、复合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15]750 kg/hm2。小区长10.0 m、宽6.0 m,面积60.0 m2;进行3次重复,随机排列,田间各项管理措施一致。

1.3 样品采集

分别在甘蔗分蘖期(2022年6月2日,绿肥还田前)、甘蔗伸长期(2022年9月24日)、甘蔗成熟期(2023年1月8日)3个阶段,利用有刻度土钻5点取样法,每个小区分0～20和20～40 cm两层采集土壤样品,去除各种杂物后用四分法取适量土样,过2 mm土筛。取部分土样装入水分盒以测定水分含量,其余土样装入密封袋,放入取样箱带回实验室放置于4 ℃冰箱,次日进行Biolog分析。

1.4 土壤微生物功能多样性分析

称取折算后为10 g烘干土的新鲜土样,加入到装有90 mL灭菌生理盐水(0.85%)的250 mL三角瓶中,摇床振荡30 min(转速210 r/min)后静置20 min。然后吸取土壤悬浮上清液1 mL加入到9 mL灭菌生理盐水(0.85%)中稀释,重复1次,最终稀释至1000倍;之后用8通道加样器吸取150 μL稀释液至ECO板中,最后在27 ℃恒温生化培养箱中黑暗培养,每隔24 h用酶标仪BioTek Epoch 2 (BioTek,美国) 测量590和750 nm 波长下的数值,持续测定7 d 。

1.5 数据处理与分析

用平均颜色变化率(AWCD)表示土壤微生物代谢各类碳源的能力,用培养96 h的数据进行微生物多样性指数计算和主成分分析;土壤微生物功能多样性各项指数参照Classen等[28]的方法计算:用Shannon-wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(D)和Mclntosh丰富度指数(U)表示土壤微生物群落碳源代谢多样性。

AWCD=∑(Ci-R)/n

H=-∑PilnPi

D=1-∑(Pi)2

U=SQRT(∑Ni2)

式中,Ci为每个有培养基孔的吸光度值,其数值为各培养基孔在590与750 nm的吸光值之差值;R为空白对照孔的吸光度值;Ci-R为负数的记为0;n为ECO平板上培养基孔数,试验中取值为31;Pi为第i孔吸光值与空白对照孔吸光值之差与所有反应孔吸光值之差总和的比值,即Pi=(Ci-R)/Σ(Ci-R);Ni为第i孔的相对吸光值。

数据采用 Excel 2010进行整理,使用SPSS 22.0对数据进行单因素方差分析和主成分分析,多重比较采用Duncan’s新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 粉垄耕作和间作绿肥还田对土壤微生物群落AWCD值的影响

AWCD表示土壤各种微生物对碳源代谢利用的总体情况,AWCD值越大表明微生物活性越高。对甘蔗分蘖期、伸长期和成熟期土壤微生物培养168 h的AWCD值进行分析,如图1所示。24 h后随着培养时间的增长,3个时期的土壤微生物对各种碳源的代谢总和也随着增加。培养到168 h时,0～20 cm土层中3个时期各处理的AWCD值总体上为分蘖期>伸长期>成熟期;3个时期中所有处理在0～20 cm土层的AWCD值均高于20～40 cm土层。分蘖期和伸长期各处理AWCD值变化规律相似,在0～20和20～40 cm土层中,总体上均表现为FLJ>CTJ>FL>CT。成熟期稍有变动,在2个土层中各处理的AWCD值排序均为FLJ>FL>CTJ>CT。在分蘖期0～20 cm土层中,FLJ处理的AWCD值分别比FL、CTJ和CT处理增加34.4%、24.6%和55.2%;在伸长期0～20 cm土层中,FLJ处理的AWCD值分别比FL、CTJ和CT处理增加163.6%、114.8%和205.3%;在成熟期0～20 cm土层中,FLJ处理的AWCD值分别比FL、CTJ和CT处理增加25.9%、47.8%和47.8%。对各时期各处理在相同培养时间的AWCD值差异性进行分析(图1),分蘖期与伸长期各处理间AWCD值在24 h时差异不显著(P>0.05下同),其余培养时间各处理间AWCD值差异显著(P<0.05,下同);成熟期土壤微生物培养24、48和120 h时各处理间AWCD值差异不显著,其余培养时间各处理间AWCD值差异显著。可见,随着甘蔗不同的生育进程,各处理的土壤微生物AWCD值也在不断发生变化,与常规单作相比,粉垄单作和间作绿肥还田可显著提高土壤微生物代谢活性。

ns 表示同一时间点不同处理间差异不显著(P>0.05),*表示同一时间点不同处理间差异显著(P<0.05)。ns means no significant difference among different treatments at the same time(P>0.05),and * means significant difference among different treatments at the same time(P<0.05).

2.2 粉垄耕作和间作绿肥还田对土壤微生物群落功能多样性指数的影响

多样性指数可以反映土壤微生物群落功能多样性及整个土壤微生物群落的变化情况。从表1可以看出,在3个时期0～20 cm土层中,FLJ处理的H、D和U指数最大(成熟期U除外);在20～40 cm土层中分蘖期和伸长期亦是同样的趋势(伸长期20～40 cm土层中U除外)。在分蘖期,0～20 cm土层中各处理间H和D指数无显著差异,CT处理U指数显著低于其他处理;20～40 cm土层中FLJ处理的3个指数与CTJ处理间无显著差异,但与CT处理间差异显著。在伸长期,0～20 cm土层中FLJ处理的3个指数显著高于其他处理;20～40 cm土层中各处理间U指数无显著差异;20～40 cm土层中FLJ与CTJ处理间的3个指数无显著差异。在成熟期,0～20 cm土层中各处理间3个指数无显著差异;20～40 cm土层中除CTJ处理的D指数与FL、CT处理差异显著外,其他差异均不显著。整个生育期的FLJ与CTJ处理相比较,除在伸长期0～20 cm土层中3个指数差异显著外,其他差异不显著;整个生育期的FL与CT处理相比较,除在分蘖期0～20 cm土层中U指数和20～40 cm土层中的D和U指数差异显著外,其他的差异不显著。可见,粉垄单作和间作绿肥还田可在一定程度上提高土壤微生物群落的功能多样性,但与常规单作和常规间作绿肥还田之间的差异总体不显著。

表1 土壤微生物群落功能多样性指数

2.3 粉垄耕作和间作绿肥还田对土壤微生物利用六类碳源化合物的影响

Biolog微孔板中包含31种碳源,根据特异性官能团分为碳水类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类、胺类、酚酸类六大类。本研究利用培养96 h的吸光值大小表示各处理土壤微生物对六大碳源利用程度的强弱。

由图2可知,在甘蔗不同生长时期,所有处理中土壤微生物对碳水类、氨基酸类、羧酸类和聚合物类碳源的利用强度均高于胺类和酚酸类;总体上各处理在0～20 cm土层中对碳源利用强度大于20～40 cm土层。在分蘖期,除20～40 cm土层中CTJ处理对胺类的利用强度低于FL外,0～20和20～40 cm土层中FLJ和CTJ处理对6类碳源的利用强度均比FL和CT处理高。其中,在0～20 cm土层中FLJ处理的碳水类利用强度显著高于其他处理。在伸长期,0～20 cm土层中FLJ处理对碳水类和氨基酸类的利用强度显著高于其他处理;0～20 cm土层中FLJ处理对其余4种碳源的利用强度也高于其他处理。在成熟期,0～20 cm土层中FLJ处理对碳水类、羧酸类和聚合物类的利用强度最高。

2.4 粉垄耕作和间作绿肥还田对土壤微生物群落碳源代谢多样性影响的主成分分析

2.4.1 对6类碳源的主成分分析利用培养96 h的吸光值数据,对甘蔗不同生长阶段6类碳源的利用情况进行主成分分析(表2)。分蘖期、伸长期和成熟期主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的方差贡献率分别为89.93%和5.55%、62.39%和20.96%、42.36%和22.97%,累计方差贡献率分别为95.48%、83.35%和65.33%(图3),表明PC1和PC2是引起土壤微生物对碳源利用差异的重要来源,能阐明差异的大部分信息。在分蘖期,土壤微生物对多聚物类和氨基酸类的利用程度最高;伸长期和成熟期均为对碳水类和氨基酸类的利用程度最高。

相同磷源类型图柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters on the column of the same phosphorus source type mean significant difference between different treatments (P<0.05).

主成分分析结果说明,不同处理的土壤微生物群落碳源利用方式在PC轴上存在明显的分布差异,其中,在0～20 cm 土层中,各个时期FLJ处理PC1和PC2的平均值始终位于第一象限(图3、表3)。进一步对主成分得分系数进行方差分析(表3),分蘖期0～20 cm土层中FL与CT处理之间PC1差异显著,2种耕作方式的间作与单作处理之间PC1差异显著;FLJ与CTJ处理之间PC1差异不显著,但与其他处理差异显著;在20～40 cm土层中4个处理之间PC1差异显著。伸长期0～20 cm土层中FLJ处理与其他处理之间PC1差异显著;20～40 cm土层中FL与CT处理之间、2种耕作方式的间作与单作处理之间差异不显著。成熟期0～20、20～40 cm土层2种耕作方式的间作与单作处理之间PC1差异显著;20～40 cm土层中FL和CT处理之间PC1差异显著。分蘖期20～40 cm土层中FLJ处理、伸长期0～20 cm土层中FL处理与成熟期0～20 cm土层中FLJ处理的PC2得分系数显著高于其他处理。

2.4.2 对31种碳源的主成分分析进一步分析31种碳源在 PC1、PC2 上的初始载荷因子,研究土壤微生物对31种单一碳源的利用情况。结果(表4)表明,在分蘖期对PC1贡献大(载荷值>0.700)的碳源有20种,分别为羧酸类7种、氨基酸类6种、碳水类3种、聚合物类2种、胺类和酚酸类各1种,其中对PC1贡献率最大的是聚合物类的吐温40(0.966)和吐温80(0.954)。在伸长期对PC1贡献大(载荷值>0.700)的碳源有16种,分别为碳水类7种、氨基酸类和羧酸类各3种、聚合物类、胺类和酚酸类各1种,其中对PC1贡献率最大的是胺类的苯乙胺(0.995)和碳水类的D-纤维二糖(0.994)。在成熟期对PC1贡献大(载荷值>0.700)的碳源有8种,分别为碳水类3种、羧酸类和胺类各2种、酚酸类1种,其中对PC1贡献率最大的是胺类的腐胺(0.925)和酚酸类的2-羟基苯甲酸(0.889)。由此可见,各处理中土壤微生物对碳水类、羧酸类和氨基酸类利用情况的不同导致了土壤微生物群落代谢的差异性。

表2 土壤微生物对六类碳源利用的主成分矩阵

图3 土壤微生物群落在3个时期对碳源利用情况的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of carbon source utilization by soil microbial communities at three developmental stages

表3 不同处理在3个生长时期的主成分得分系数

表4 31种碳源在PC1和PC2上的初始载荷因子

续表4 Continued table 4

3 讨论

3.1 不同耕作和间作绿肥还田方式对土壤微生物功能多样性的影响

不同的耕作和秸秆还田方式对土壤微生物群落结构和代谢的影响有差异[29]。李纯燕等[30]研究发现,深耕配合秸秆还田能增加土壤微生物数量,提高土壤中微生物的代谢活性和多样性,有利于提高土壤肥力。本研究运用Biolog生态板技术分析粉垄耕作和间作绿肥还田后对土壤微生物代谢活性影响的差异,发现在0～20 cm土层中分蘖期和伸长期各处理AWCD值总体表现为FLJ>CTJ>FL>CT,表明粉垄单作和间作绿肥还田均可提高土壤微生物活性,与孟超然等[31]、郑亚强等[2]和李燕培等[3]的研究结果一致,原因是粉垄耕作后土壤孔隙增大、氧气含量增多、微生物数量增加[34],加上绿肥还田后土壤中有了大量微生物可分解利用的碳源,更促进了微生物的生长繁殖,从而进一步提高了土壤中微生物活性。整个甘蔗生育期粉垄单作处理的AWCD值也高于相应的常规单作,这是因为长期不合理的耕作方式如传统旋耕等,导致犁底层逐年上升,厚实的犁底层阻碍了气热的上下传输和微生物活动;粉垄深耕深松的耕作方式打破了部分犁底层,改善了土壤理化性状,土壤微生物数量和活性增加,陈彦云等[35]的研究结果也证实了这一点。本研究中成熟期所有处理的土壤微生物活性下降,与赵冬雪等[36]和王文鹏等[37]的研究结果一致,这可能是由于土壤微生物的旺盛活动有赖于合适的土壤含水量和温度[38],而本研究中成熟期是在冬季,气温低、土壤含水量低,不利于微生物活动。另外,在成熟期,粉垄单作处理的AWCD值高于常规间作绿肥还田处理,究其原因可能是由于试验期间的2022年9月至甘蔗收获时,试验所在地降雨量比往年大幅下降,整个试验过程没有进行人工灌溉,处于干旱状态。前期研究表明,粉垄耕作可以聚集更多天然降水,土壤的含水量高于常规耕作[39-40],因此,粉垄土壤微生物代谢活性得以保持在较高水平上,与张斌等[41]研究认为干旱胁迫会抑制燕麦根际土壤微生物群落代谢活动的结果一致。

不同耕作方式和间作模式中土壤微生物对碳源的利用存在相似性和差异性[16,42]。本研究发现,各处理土壤微生物的碳源利用强度以碳水类、氨基酸类和羧酸类较高,粉垄单作和间作绿肥还田显著提高了甘蔗土壤微生物对碳水类和氨基酸类等的利用强度,与深翻秸秆还田[29]、甘蔗间作玉米[43]对碳水类、氨基酸类和羧酸类的利用率较高结果一致。对各处理的主成分进行方差分析,表明粉垄单作和间作绿肥还田均可提高对碳源的利用,土壤微生物代谢功能在不同耕作方式和绿肥还田与否处理之间存在差异,这与植烟深耕结合绿肥翻压可提高碳源利用[19]的研究结果一致。

3.2 不同土层深度对土壤微生物功能多样性的影响

本研究中至微生物培养结束时,在3个时期0～20 cm土层中所有处理的AWCD值及对碳源利用强度总体上均高于20～40 cm土层,表明耕作和间作绿肥还田等措施对浅层土壤的影响更大,其对土壤微生物功能多样性的影响主要表现在0～20 cm土层中;与前人研究认为免耕秸秆还田仅能增加0～5 cm土层土壤微生物数量、常规耕作和常规耕作秸秆还田时0～15 cm土层中土壤微生物碳源代谢利用能力明显高于15～35 cm土层的结果相似[16,43]。

3.3 不同生长时期对土壤微生物功能多样性指数的影响

对不同耕作方式下土壤微生物碳源代谢的多样性指数进行分析,可以发现土壤微生物群落功能多样性的变化趋势[44]。高晶晶等[29]认为,连续5年不同耕作处理对土壤微生物功能多样性指数影响不大;邱琛等[45]研究表明,连续9年玉米秸秆还田后土壤中微生物的Shannon指数与Simpson指数无明显变化、McIntosh指数显著提高。与此类似,本研究中FL与CT处理之间、FLJ与CTJ处理之间的多样性指数总体上差异不显著;FLJ处理的3个指数在分蘖期和伸长期高于成熟期,与赵冬雪等[36]套种绿肥后植烟团棵期各处理的多样性指数均高于成熟期的结论一致。表明土壤微生物是一个复杂的系统,会受到不同耕作方式、土壤、气候、作物生长阶段、间作作物等各种因素的影响,其结构与数量一直处于动态变化中。