沼液配施化肥对大葱产量和土壤养分、微生物及酶活性的影响*

温云杰 ,张纪涛 ,李 琳,3 ,王 琦 ,刁风伟 ,高 敏 ,王秀红,史向远**

(1.山西农业大学山西有机旱作农业研究院/农业农村部有机旱作农业重点实验室/有机旱作农业山西省重点实验室 太原 030031;2.山西农业大学果树研究所 太原 030031;3.山西农业大学资源环境学院 晋中 030801)

近些年我国规模化畜禽养殖业的迅速发展产生了大量的畜禽粪污,尤其是畜禽粪便发酵过程产生的沼液急剧增加,年产量已超过16 亿 t[1],因此沼液资源化利用是当前养殖业亟需解决的问题。沼液是优质的有机肥源,富含氮、磷、钾、钙、铁、锌等多种植物生长所必需的营养元素,还含有各类氨基酸、维生素、生长素、糖类等物质,可以替代或部分替代化肥使用,能够改善土壤环境,快速促进作物生长,提高农作物品质[2]。然而,沼液的过量施用不仅会对土壤、水体环境造成污染,而且会干扰种子和根系的发育,抑制作物的生长[3-4]。因此,明确沼液肥的适宜施用量以及安全阈值仍是亟待解决的难题。沼液配施化肥是提高沼液资源化利用效率的有效方法,大量研究表明,合适的沼液化肥配施可显著提高土壤有机碳含量,改善土壤物理性质,提高土壤养分库容,增加土壤微生物活性,有效提高作物各生育期生物量,并促进植株对氮、磷等养分的吸收积累,提升作物的肥料农学效率和产量[5-6]。因此,明确沼液与化学肥料的适宜配施比例仍是目前研究的热点之一。

土壤微生物的丰度和群落结构及其代谢产生的酶活性是评估土壤质量高低的重要生物指标,沼液还田后可以显著改善土壤微生物群落组成和分布特征,并提高土壤碳、氮、磷循环相关酶的活性[7-8]。有研究发现,施用沼液后土壤微生物群落结构变化明显,细菌、真菌、放线菌含量显著增加[9-10],并且沼液自身含有的微生物会导致土壤细菌群落结构组成更加复杂。杨子峰等[11]研究发现,施用沼液显著增加作物种植前土壤细菌和放线菌数量,并提高作物收获后土壤脲酶和蔗糖酶的活性。Yu 等[12]研究表明沼液可以提高作物根际土壤中真菌群落的丰度和多样性,对细菌并无显著影响。但是,相关研究发现,随沼液施用量的增加,沼液对土壤微生物总量和土壤酶活性表现为促进-抑制作用,说明沼液施用过量不适宜微生物的生长繁殖[1,13]。朱金山等[14]通过研究沼液施用年限对稻田土壤微生物群落结构的影响发现,沼液的连续多年施用会降低稻田土壤微生物群落的物种丰富度和多样性。可见,沼液的施用量和施用时间对土壤微生物和酶活性的影响具有较大差异,合理的沼液化肥配施可为土壤微生物繁殖提供合适的碳/氮比,改善微生物群落的营养供应,提高其代谢能力[15]。

目前,有关沼液施用量对农田生态系统的影响仍不明确,尤其是沼液与化肥配合施用下,土壤养分和生物性质的变化对作物产量的影响仍需进一步深入研究。因此,本文采用磷脂脂肪酸技术、微孔板荧光分析法分析沼液替代不同比例化肥下土壤微生物群落结构和土壤酶活性的变化,并探讨土壤养分和生物学性质对作物产量的影响过程,从而为畜禽废弃物资源化利用提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

沼液肥效试验始于2021 年,在山西省晋中市榆次区东阳镇(112°68′E,37°54′N)山西农业大学东阳试验示范基地进行。该地区为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温9.8 ℃,雨热同期,年降雨量418～483 mm,年日照时数2662 h,无霜期158 d。该试验地土壤类型为褐土,供试作物为大葱(Alliumfistulosum),试验前土壤耕层基础肥力为: 土壤pH 8.07,有机质含量10.37 g·kg−1,全氮含量0.87 g·kg−1,有效磷含量33.79 mg·kg−1,速效钾含量152.7 mg·kg−1。

沼液来源于牛粪发酵产物,基本性质: pH 7.13,EC 9.3 mS·cm−1,总有机碳3.6 g·L−1,全氮295.6 mg·L−1,全磷60.3 mg·L−1,全钾119.4 mg·L−1,氨基酸25.2 mg·L−1,铅0.08 mg·L−1,砷0.04 mg·L−1,钠621 mg·L−1,氯798 mg·L−1。

1.2 试验设计与样品采集

试验设置不施肥(CK)、常规化肥(CF)、沼液替代25%化肥氮(25BS)、沼液替代50%化肥氮(50BS)、沼液替代75%化肥氮(75BS)和沼液替代100%化肥氮(100BS),共6 个处理,每个处理3 次重复,共计18个试验小区,试验小区随机排列,面积为12 m2(长4 m,宽3 m)。统一施肥量和灌溉量,常规化肥为基肥,沼液采用追肥方式分4 次施用,施用间隔1 个月。于2022 年10 月大葱收获后,利用五点取样法,用土钻采集各小区0～20 cm 的土层土壤,并混合均匀,去除土样中的植物残体和砂砾等杂物,一部分存储在−80 ℃冰箱用于土壤微生物和酶活性的测定,一部分风干过2 mm 筛用于土壤理化性质的测定。

各处理总施肥量N、P2O5、K2O 分别为160 kg·hm−2、80 kg·hm−2、100 kg·hm−2(表1),常规化肥处理施用氮肥为尿素(含N 量46%)、磷肥为钙镁磷肥(P2O512%)、钾肥为氯化钾(K2O 60%)。

表1 各试验处理施肥量Table 1 Amounts of fertilizers for each fertilization treatment kg·hm−2

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性质测定

土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定;全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法测定;铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3−)采 用1 mol·L−1KCl浸提,流动注射分析仪(iFIA7,吉天,中国)测定;速效磷(AP)采用0.5 mol·L−1NaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾(AK)采用1 mol·L−1NH4OAc 浸提,火焰光度法测定。

1.3.2 土壤微生物及酶活性的测定

采用磷脂脂肪酸技术(phospholipid fatty acid,PLFA)分析土壤微生物的丰度和群落结构[16]。i14:0、i15:0、i16:0、i17:0、a15:0、a17:0、10Me 16:0、10Me 17:0 和10Me 18:0 表征革兰氏阳性细菌(G+),16:1w7c、16:1w9c、17:1w8c、18:1w5c、18:1w7c、cy17:0 和cy19:0 表征革兰氏阴性细菌(G−),G−、G+以及15:0、16:0 和18:0 表征细菌,16:1w5c、18:1w9c、18:2w6c 和18:3w6c 表征真菌,10Me 16:0、10Me 17:0和10Me 18:0 表征放线菌。磷脂脂肪酸含量单位为nmol·g−1。

采用96 孔微孔板荧光分析法[17]对涉及土壤碳、氮、磷循环相关的α-葡糖苷酶(AG)、β-葡糖苷酶(BG)、β-纤维二糖苷酶(CB)、β-木糖苷酶(XYL)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、丙氨酸氨基肽酶(APP)和酸性磷酸酶(PHOS)活性进行测定,并将酶活性结果进行归一化。

1.4 统计方法

采用SPSS 24.0 软件单因素方差分析(One-way ANOVA)对不同施肥处理之间的土壤养分、PLFA、酶活性以及产量等指标进行差异显著性比较(Duncan,P<0.05);运用Canoco 5 软件对土壤PLFA 和酶活性同土壤养分间的关系进行冗余分析;运用R (version 4.2.1)中的“pls”包分析土壤微生物对土壤酶活性的影响;运用R 中的“plspm”包,探索土壤养分、土壤生物指标与产量之间的因果关系;采用Origin 2018 软件对土壤酶活性进行聚类分析,绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理大葱产量和土壤理化性质

由图1 可知,与不施肥处理(CK)相比,常规化肥处理(CF)和各沼液处理(25BS、50BS、75BS 和100BS)均能显著提高大葱产量(P<0.05),分别提高37.2%、75.9%、118.9%、99.8%和59.3%。大葱产量随沼液替代化肥比例的增加呈先增加后降低的趋势,且25BS、50BS 和75BS 沼液处理的大葱产量显著高于CF 处理(P<0.05),其中50BS 处理的大葱产量最高,达59.9 t·hm−2。

图1 不同施肥处理对大葱产量的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on Allium fistulosum yields

施用沼液可显著影响土壤养分状况(P<0.05)(表2)。与CK 相比,各沼液处理显著提高土壤有机碳(19.5%～65.8%)、全氮(40.5%～69.6%)、铵态氮(26.8%～77.4%)、硝态氮(30.1%～41.9%)、有效磷(10.5%～40.6%)、速效钾(5.4%～8.5%)含量。施用沼液的50BS、75BS 和100BS 处理下的EC 值较CK 处理分别显著提高50.0%、129.5%和227.3%。与CK相比,各沼液处理对pH 的影响并不显著。相较于CK 处理,CF 处理仅显著提高了全氮(32.9%)、有效磷(13.4%)和速效钾(6.7%)含量。

表2 不同施肥处理对土壤养分含量的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient contents

2.2 不同施肥处理土壤磷脂脂肪酸分布

由图2 可知,相较于CK 处理,CF 处理仅显著提高革兰氏阴性细菌的含量,而施用沼液可以显著提高各类土壤微生物含量(P<0.05),并且随着沼液替代化肥比例的增加,土壤总磷脂脂肪酸、革兰氏阳性细菌、细菌和真菌含量均呈先增加后降低的趋势(P<0.05),其中50BS 处理最高,分别可达43.2 nmol·g−1、13.8 nmol·g−1、29.1 nmol·g−1和3.0 nmol·g−1,而各沼液处理间的革兰氏阴性细菌和放线菌含量无显著差异。与CK 相比,施用沼液显著降低了革兰氏阳性细菌与阴性细菌的比值,并且高量沼液处理(75BS 和100BS)显著低于50BS 处理(P<0.05)。100BS 处理的真菌与细菌的比值最低,为0.89,显著低于CF、25BS 和50BS 处理(P<0.05)。

将土壤养分与土壤PLFAs 含量进行冗余分析(图3),解释变量可解释模型的62.2%,其中RDA1 和RDA2 对土壤微生物群落结构的解释度分别为59.5%和2.7%,其中土壤有机碳和全氮是影响土壤微生物群落组成的最重要环境因子,解释度分别为26.4%和22.7%;其次为硝态氮(5.5%)和EC (5.0%)。

图3 土壤微生物群落结构与土壤理化性质的冗余分析Fig.3 Redundancy analyses (RDA) between soil microbial community composition and soil properties

2.3 不同施肥处理土壤酶活性变化

随着沼液替代化肥比例的增加,土壤碳相关循环酶[ α-葡糖苷酶(AG)、β-葡糖苷酶(BG)、β-纤维二糖苷酶(CB)和β-木糖苷酶(XYL) ]、氮相关循环酶[亮氨酸氨基肽酶(LAP)和丙氨酸氨基肽酶(APP) ]和磷相关循环酶[酸性磷酸酶(PHOS)]的活性均呈先升高后降低的趋势(图4),均为50BS 处理最高。乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性则在100BS 处理最高,且显著高于50BS、25BS、CF 和CK 处理。根据聚类分析,各施肥处理对土壤酶活性的影响可划分为4 组,分别为CK+CF、25BS+75BS、100BS 和50BS,表明常规化学肥料对土壤酶活性的影响并不显著,而适量施用沼液肥可显著提高各土壤酶的活性。

图4 聚类热图分析不同施肥处理对土壤酶活性的影响Fig.4 Effect of different fertilization treatments on soil enzymes activities analyzed by cluster heat map

将土壤酶活性与土壤理化性质进行冗余分析(图5),解释变量可解释模型的83.5%,其中RDA1 和RDA2 对土壤酶活性的解释度分别为81.4%和2.1%。土壤全氮含量(N)是影响酶活性的最显著的因子,其解释度为37.8%,其次为土壤有机碳含量(14.9%)、EC(14.3%)、pH (5.2%)、速效磷含量(4.3%)、速效钾含量(3.5%)和铵态氮含量(3.8%)。

图5 土壤酶活性与土壤理化性质的冗余分析Fig.5 Redundancy analyses (RDA) between soil enzymes activities and soil properties

通过偏最小二乘回归分析微生物对酶活性的影响(图6),不同类群土壤微生物含量与土壤酶活性密切相关,β-葡糖苷酶(BG)、β-纤维二糖苷酶(CB)、β-木糖苷酶(XYL)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(PHOS)的活性受革兰氏阴性细菌和总细菌含量的影响,亮氨酸氨基肽酶(LAP)和丙氨酸氨基肽酶(APP)的活性受革兰氏阳性细菌和总细菌含量的影响。

图6 基于偏最小二乘回归法的土壤微生物对土壤酶活性影响的分析Fig.6 Influence of soil microbial groups on different soil enzymes activities based on the partial least squares regression

2.4 土壤生物学与理化性质对大葱产量的影响

采用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)探究土壤生物学与理化性质对大葱产量的影响(图7),因子载荷分析表明土壤SOC (0.95)、TN (0.92)、NH4+(0.94)是沼液影响土壤肥力的重要因子(图7a),通过施用沼液可显著改善土壤养分状况,进而提高大葱的产量(0.83)、土壤微生物含量(0.90)、土壤碳(0.36)和氮(0.47)循环相关酶活性(图7c)。并且,土壤微生物(0.46)以及土壤氮(0.32)相关循环酶活性对大葱产量的提升有较大贡献(图7c)。但是,土壤EC 值与土壤微生物(−0.66)和大葱产量(−0.68)呈负相关关系。

图7 偏最小二乘路径模型分析土壤生物化学性质对大葱产量的直接和间接影响Fig.7 Direct and indirect effects of soil biological and chemical properties on Allium fistulosum yield based on the partial least squares path modeling (PLS-PM)

3 讨论

3.1 沼液对土壤理化性质和生物性状的影响

本试验中,虽然是等养分条件下配施沼液和化肥,但是随着沼液替代化肥比例的增加土壤养分含量呈逐渐增加趋势(表2)。这是因为沼液中不仅含有大量的有机碳、磷、钾元素,而且含有丰富的氨基酸,可促进土壤微生物的活性,活化土壤养分,提高土壤养分的有效性[12,18]。相关研究表明土壤有机质、全氮、全磷含量的提升程度与沼液施用量呈正相关关系[19-20],沼液配施化肥可显著提高土壤有机氮含量和氮矿化势,增加了土壤有机氮对作物的有效性[21-22],可缓解土壤磷素的亏损,有效改善土壤的供氮、供磷能力[23]。当然,沼液含有大量的Na+和Cl−,过量施用会引起土壤盐分过量累积,导致土壤EC 值明显升高(表2)。

土壤微生物对维持土壤生态系统的稳定发挥着重要作用,其丰度和活性可以反映土壤肥力的变化。我们发现G+/G−、真菌/细菌比值随着沼液替代比例的增加呈逐渐降低的趋势(图2)。可见,沼液肥能使土壤由高致病真菌型向低致病细菌型转化。李瑞等[22]研究同样表明随着沼液替代化肥比例的升高,放线菌门(Actinomycetes)与绿弯菌门(Chloroflexi)等革兰氏阴性细菌的相对丰度显著上升。这主要是因为沼液肥更易促进细菌尤其是革兰氏阴性细菌的生长,相比真菌分解结构更复杂的有机碳,细菌优先分解利用结构简单的有机碳,革兰氏阴性细菌则更易分解利用小分子有机碳[24],多次施用沼液肥能够为细菌以及革兰氏阴性细菌的生长繁殖过程提供充足的水溶性有机碳源。随着沼液替代比例的升高,土壤微生物总量、细菌、真菌以及革兰氏阳性细菌含量呈先增加后降低的趋势(图2),并且通过冗余分析发现,土壤有机碳和氮素是影响土壤微生物群落组成最显著的因子(图3)。这主要是因为沼液进入土壤后,带入大量的外源有机碳会改变微生物的生存环境,增加了微生物生长所需的碳源和能源,特别是沼液中NH4+更利于土壤微生物繁殖[12,18]。但是,当沼液单一且过量施用时,又易引起土壤养分失衡[13],破坏微生物的生长环境。本研究发现,沼液施用量的增加会导致土壤盐分的累积,并对土壤微生物的生长产生抑制作用(图7c)。这是由于土壤盐分产生的渗透胁迫及离子毒害会抑制和降低土壤微生物种群数量[25-26]。可见,沼液与化肥的合理配比可显著提高土壤微生物含量,改变微生物群落结构,有效改善土壤养分状况。

土壤酶活性间接反映土壤养分的周转速度,是表征土壤生态系统功能和肥力水平的重要指标,施用外源有机肥可有效提高土壤酶的活性。本试验中沼液可显著提高碳氮磷循环相关酶的活性(图4)。冯丹妮等[13]研究发现追施沼液能有效提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性。这主要是因为一方面沼液肥中本身带有外源酶,有利于土壤酶活性的提高;另一方面沼液肥中丰富的养分元素给外源功能微生物生长繁殖提供足够的能源物质,显著提高涉及碳氮磷循环的关键微生物菌群的多样性和功能基因的丰度[5,27]。且土壤氮素是影响土壤酶活性的主要因子(图5),这可能是由于各处理沼液肥替代化肥的比例不同,导致土壤有机氮与无机氮的比例产生较大差异,进而调控微生物对氮源的利用效率,最终影响土壤酶的活性。但是,随着沼液替代比例的增加,碳氮磷循环相关酶的活性呈先升高后降低的趋势(图4)。黄继川等[7]研究同样发现,适量施用沼液可显著提高土壤酶活性,但是沼液过量施用会明显抑制土壤蔗糖、磷酸酶和脲酶的活性。在本研究中,其主要原因是由于全量沼液处理的土壤中积累了大量的盐分,抑制微生物的生长繁殖,进而抑制酶的活性(图7c)。我们通过偏最小二乘回归分析发现,土壤碳和磷循环相关酶的活性(BG、XYL、CB、PHOS)与革兰氏阴性细菌和细菌呈显著的正相关关系,土壤氮循环相关酶的活性(LAP 和APP)则与革兰氏阳性细菌和细菌呈显著的正相关关系(图6)。充分说明沼液通过影响部分特定的功能微生物,进而调控土壤酶的活性。

3.2 沼液对大葱产量的影响

与对照(CK)和常规化肥(CF)处理相比,等氮量条件下沼液替代25%～75%的化肥(25BS、50BS 和75BS 处理)能够显著提高大葱产量(图1)。这主要是因为沼液富含氮磷钾等作物所需的大量元素,可全面提升有机质和土壤速效养分含量(表2),能快速提供植物生长发育所需的营养,显著提高大葱产量(图7)。PLS-PM 分析表明,土壤微生物含量和氮循环相关酶活性是影响大葱产量的重要因子(图7),主要是因为合适比例的沼液和化肥配施可为微生物提供生长所需的营养物质,促进微生物的生长繁殖,进而提高土壤碳氮循环相关酶活性,提高养分有效性,为大葱高产创造有利条件[28-29]。但是,大葱产量随着沼液替代比例的提高呈先增加后降低趋势,总体表现为50BS=75B>25BS>100BS>CF>CK。刘敏等[19]同样研究发现随沼液配施化肥比例的增加,玉米(Zea mays)产量呈先升高后降低趋势。当沼液过量施用时,一方面会导致土壤富营养化,作物营养过剩,后期贪青晚熟,并且会导致植株碳氮养分平衡失调,从而影响作物的生长[30];另一方面沼液中的Na+和Cl−会在土壤中累积,造成土壤中盐基离子数目大量增加,EC 值增加,土壤渗透压升高,造成植物根系吸力减弱,进而制约植物的生长发育[31-32]。范佳雪等[33]研究发现当沼液灌溉量较高时,会造成油葵(Helianthus annuus)根系对Na+吸收量增大,K+吸收明显减弱,根系的离子稳态受到破坏,对油葵生长产生显著的抑制作用。本研究同样发现,随着沼液替代比例的增加,土壤EC 值呈逐渐增加的趋势(表2),并对土壤微生物活性和大葱生长产生明显的抑制效果(图7c)。可见,单一过量施用沼液并不利于作物的生长,而沼液与化肥合理配施能够显著提高作物产量,具有常规化肥和单施沼液无法比拟的优势。本研究虽然初步探明了短期施用沼液肥对作物产量以及土壤理化和生物性质的影响,但是缺乏长期施用沼液肥对土壤培肥效果影响的研究,以及沼液肥施用的安全阈值,因此未来将集中研究沼液肥长期施用后土壤理化、生物性质的变化,着重评估沼液对土壤、水环境的影响,建立沼液长期可持续性施用的施肥制度。

4 结论

1)施用沼液可显著提高土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量,增加土壤微生物含量,降低革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌比例和真菌与细菌比例,有效改善土壤微生物群落结构,提高土壤碳氮磷循环相关酶活性。

2)等氮量条件下沼液替代50%的化肥对大葱产量、土壤养分含量、微生物和酶活性的提升效果最优,并且土壤有机碳、全氮、铵态氮、速效磷含量和土壤氮循环相关酶活性是影响大葱产量的关键因素。过量施用沼液易造成盐分在土壤中大量累积,并对大葱产量、土壤微生物和酶活性产生抑制作用。