施肥对旱作盐碱地线虫群落与燕麦产量的影响*

乔月静 ,霍瑞轩 ,赵璐明 ,李青山 ,范雅琦 ,高 铎 ,张礼静,郭来春

(1.山西农业大学农学院 晋中 030801;2.白城市农业科学院 白城 137000)

我国北方干旱半干旱地区多盐碱瘠薄的低产田,而旱农地区也是我国粮食生产的重要区域,尤其在晋西北地区是多种小杂粮的主要产区,如高粱(Sorghum bicolor)、谷 子 (Setaria italica)、荞 麦(Fagopyrum esculentum)、燕麦(Avena sativa)、芸豆(Phaseolus vulgaris)、绿豆(Vigna radiata)等。晋西北生态较脆弱,土壤普遍存在养分失衡、沙化盐碱化、有机质含量低、生物多样性低等问题,加之传统的耕作方式破坏了土壤结构,加剧了水蚀、风蚀,因此通过合理施肥改良低产田具有重要意义。

燕麦为禾本科(Poaceae)一年生草本植物,具有较强的抗旱、抗寒、耐瘠薄性,在干旱半干旱、盐碱地、坡耕地等中低产田广泛种植[1]。盐碱地上施用有机肥、化肥、菌肥等肥料能不同程度提高燕麦产量、品质和耐盐碱性,并改善土壤性状[2-3]。同时,燕麦施肥投入少、养分分配比例不合理等施肥问题日益突出[4],适合盐碱地燕麦栽培的新型肥料有待开发。醋糟是制醋时排放的有机废弃物,酸性较强,生物降解周期长,处理不当易造成污染,其富含氮、磷、钾及钙氨酸、赖氨酸、蛋氨酸等多种营养物质,与盐碱地适配度较高[5];粉煤灰是火力发电厂排出的一种细灰,具有良好的通气性、透水性和保水性,能有效改良土壤物理特性[6]。研究表明,施用醋糟、粉煤灰等工业废弃物可以有效地改善土壤次生盐渍化,降低土壤pH、容重,提高高粱、青稞(Hordeum vulgarevar.coeleste)的产量[7-9]。合理利用这些工业废弃物,可变废为宝,获得良好的经济效益和生态效益。

土壤线虫是土壤动物中数量最多、功能最丰富的一类,占据土壤多个营养级,与微生物等其他土壤生物存在网络级联效应,对土壤食物网及作物根系健康均有重要反馈[10]。线虫参与土壤有机质分解、碳固持、营养转化与循环等土壤生态过程。农田生态系统中,线虫群落极易受人为干扰因素影响,如耕作、轮作、放牧、施肥等,线虫群落的变化可以反映土壤食物网的结构、状态、分解途径及调节功能等,在研究土壤生态系统的变化、对外界干扰的响应等方面应用较广[11-14]。土壤线虫作为指示生物在燕麦间作和低产田改良研究中发挥了重要作用[1,15]。施肥措施往往能提高土壤线虫的数量[16],长期单施化肥会引起植食性线虫增加,减施氮肥可以提高土壤线虫群落的多样性,使土壤食物网向复杂稳定方向发展[17]。相比于化肥,配施有机肥或单施有机肥能显著地增加土壤线虫数量[18],促进食细菌线虫和食真菌线虫生长繁殖,提高土壤线虫多样性,并且能够优化土壤线虫微食物网,增加其抵抗外界干扰的能力[19]。但土壤线虫群落对盐碱地燕麦的土壤生态指示作用,以及醋糟和粉煤灰等工业废弃物在盐碱地燕麦上的应用鲜有报道。本文通过长期定位施肥试验,研究盐碱地燕麦土壤线虫群落结构的变化,分析土壤线虫群落、土壤理化性质和燕麦产量的关系,探讨醋糟、粉煤灰、有机肥、化肥等不同类型肥料对燕麦土壤微生态环境的影响,评价不同施肥措施对盐碱地土壤质量的改良状况,为完善盐碱地肥料施用技术和土地可持续利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验是始于2017 年的多年定位试验,在山西省朔州市山阴县前张堡村(39°31′N,112°86′E)进行,海拔1040 m,无霜期130 d 左右,年平均气温7 ℃,年降雨量410 mm,属温带大陆性季风气候。试验田土壤为中轻度盐碱土壤,试验前耕层土壤基础性状为pH 9.07、电导率268.09 μS·cm−1、含盐量0.3 g·kg−1、容重1.49 g·cm−3、有效磷含量8.48 mg·kg−1、速效钾含量99.92 mg·kg−1、有机质含量6.13 g·kg−1、硝态氮含量25.78 mg·kg−1、铵态氮含量10.38 mg·kg−1。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计,设置7 个处理: 单施醋糟(VR)、有机肥(OM)、菌肥(BM)、化肥(CF),醋糟/粉煤灰配施(VRF)、有机肥/化肥配施(OCF),以不施肥(CK)为对照。各处理施肥量如下: VR 处理施醋糟8000 kg·hm−2,OM 处理施有机肥6000 kg·hm−2,BM 处理施菌肥75 kg·hm−2,CF 处理施化肥428 kg·hm−2,VRF 处理施醋糟8000 kg·hm−2、粉煤灰4000 kg·hm−2,OCF 处理施有机肥3000 kg·hm−2、化肥214 kg·hm−2。每个处理重复3 次,共计21 个小区,每个小区30 m2,小区间设1 m 隔离带。

试验所用醋糟来自朔州醋业有限公司,pH 3.8,容 重0.18 g·cm−3,碱解氮702.55 mg·kg−1,有效磷311.22 mg·kg−1,速效钾387.04 mg·kg−1,有机质420 g·kg−1;粉煤灰来自朔州电厂,pH 7.8,容重2.5 g·cm−3,碱解氮17.67 mg·kg−1,有效磷20.12 mg·kg−1,速效钾60.63 mg·kg−1;有机肥为商品羊粪肥(有机质≥450 g·kg−1,N+P2O5+K2O≥5%),化肥为复合肥(N-P2O5-K2O=28-5-7),菌肥为商品生物菌肥[枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) ≥3×108cfu·kg−1,有机质≥300 g·kg−1]。

每年5 月中上旬雨后趁墒播种,9 月下旬收获。采用人工开沟播种,燕麦品种为‘坝莜1 号’,播种量为120 kg·hm−2,行距为25 cm。肥料全部在播前一次施入,生育期间无灌水无追肥,人工除草。

1.3 样品采集

2021 年分别在燕麦苗期(5 月20 日)、抽穗期(8月5 日)和成熟期(9 月23 日)用土钻采集耕层土壤(10～30 cm)样品,各小区随机选取5 个点采集土样,混合作为一次重复。土壤过2 mm 筛,一份放入4 ℃冰箱保存,用于土壤线虫和微生物检测;另一份置于室外风干,用于土壤理化性状的测定。土壤容重用环刀法采集。

1.4 样品分析

1.4.1 土壤线虫分离鉴定及生态指数计算

土壤线虫采用改良贝尔曼漏斗法(modified Baermann funnel method)分离,显微镜下计数,采用形态学法鉴定至属,鉴定方法参照《中国土壤动物检索图鉴》[20]。根据线虫的形态学特征,将其划分为4 大营养类群: 食细菌类线虫(bacterivores)、食真菌类线虫(fungivores)、植物寄生类线虫(herbivores)和杂食/捕食类线虫(omnivores-predators)[21]。根据线虫的生活史策略(r对策或k对策),将线虫划分为5 个cp(colonizer-persister)类群(cp 1、cp 2、cp 3、cp 4、cp 5)。cp 1: 世代周期很短,卵量巨大,在食物充足条件下种群爆发,代谢快,极耐污染和环境压力;cp 2: 世代周期短,卵量大,较耐环境压力;cp 3: 世代周期较长,对环境压力较敏感;cp 4: 世代周期长,对环境变化敏感;cp 5: 世代周期很长,产卵量小,对环境压力极为敏感。在此基础上,对土壤线虫群落的丰富度(SR)、香农多样性指数(H')、均匀度(J)、瓦斯乐斯卡指数(WI)、自由生活线虫成熟度指数(MI)、富集指数(EI)和结构指数(SI)进行计算[22-24]。

1.4.2 土壤样品理化性状测定

pH、EC 和含盐量采用pH-电导仪测定,土壤容重采用环刀法测定,有效磷采用钼锑抗比色法测定,速效钾采用火焰光度法测定,有机质采用重铬酸钾容量法测定,硝态氮和铵态氮采用KCl 浸提-连续流动分析仪(FIAstar 5000 Analyzer,Denmark)测定。

1.4.3 土壤微生物测定

土壤微生物数量测定采用平板计数法,细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基;放线菌采用改良高氏I 号培养基,每300 mL 培养基中加入3%虎红钠盐1 mL,以抑制细菌和霉菌生长;真菌采用马丁氏培养基,每1000 mL 培养基中加入1%孟加拉红水溶液3.3 mL、1%链霉素3 mL。

1.4.4 燕麦产量测定

在燕麦收获期每个小区随机选取2 m2测定实际产量,挑选长势均匀的10 株燕麦,测定穗长、穗粒数、穗粒重及千粒重等指标。

1.5 数据处理

采用Excel 2021 进行数据整理和柱状图绘制,SPSS 26.0 软件进行单因素方差分析比较肥料对土壤性状、燕麦产量、土壤中线虫数量和生态指数的影响,二因素方差分析方法比较不同肥料处理和不同时期之间的交互作用。采用Origin 2022 进行土壤线虫区系分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 燕麦耕层土壤性状

从表1 可以看出,连续5 年定位施肥后,除BM处理外,各处理土壤物理性状较CK 均有显著改善(P<0.05)。部分施肥处理的土壤养分含量有所提升:各处理的土壤有机质和硝态氮含量均较CK 显著提升(P<0.05);CF 和OM 的土壤有效磷含量显著高于CK (P<0.05),OM 的土壤速效钾含量显著高于其他处理(P<0.05);VR 的土壤铵态氮含量最高,较CK 提高31.6% (P<0.05)。肥料的施用均显著提高了燕麦耕层土壤微生物数量(P<0.05),其中土壤细菌数量在OM处理下有显著优势,较其他各施肥处理提升25.7%～44.0% (P<0.05)。土壤真菌在VRF、OM 和OCF 处理下表现出显著优势。且VRF 施用后的土壤放线菌数量也最高,较其他各施肥处理显著提升15.7%～55.3% (P<0.05)。

表1 试验后不同施肥处理的土壤性状Table 1 Soil physical-chemical properties under different fertilization treatments after the experiment

2.2 燕麦耕层土壤线虫数量

由图1 可知,不同施肥处理下燕麦耕层土壤线虫数量差异显著(P<0.05)。苗期线虫数量总体低于抽穗期和收获期,其中OM 处理显著高于其他处理(P<0.05),且较CK 增长339.4%。抽穗期各施肥处理线虫数量均显著高于CK (P<0.05),其中OM 的数量仍是最高,VR、OCF 和CF 处理差异不显著。收获期VR 的线虫数量显著最高(P<0.05)。通过二因素方差分析发现施肥处理、燕麦生育时期及二者的相互作用均对土壤线虫数量有显著影响(P<0.05)。

图1 长期不同施肥处理对燕麦不同生育时期土壤线虫总数的影响Fig.1 Effects of long-term different fertilization treatments on the total number of soil nematodes at different growth stages of oat

2.3 燕麦耕层土壤线虫群落组成

本研究于燕麦苗期、抽穗期和收获期土壤中共分离鉴定出线虫11 307 条,归34 属,其中,食细菌线虫14 属,食真菌线虫5 属,植食性线虫10 属,杂食/捕食类线虫5 属(图2)。线虫相对丰度>10%为优势属,在1%～10%之间为常见属,<1%为稀有属。苗期分离出土壤线虫23 属共2155 条,优势属为丝尾垫刃属(Filenchus)、小杆属(Rhabditis)、绕线属(Plectus)等。抽穗期分离出土壤线虫34 属共5103 条,优势属为绕线属和滑刃属(Aphelenchoides)。收获期分离土壤线虫33 属共4049 条,优势属为丝尾垫刃属、真滑刃属(Aphelenchus)和绕线属等。VRF 和VR 的植物寄生线虫数量于3 个时期逐步减少,逐渐集中于食微线虫类群,OCF 施用后优势属由植食性线虫逐渐变为食细菌线虫,CF 的优势属则转为食真菌线虫。CK 中分离出的线虫属相对较少,到收获期只有具脊垫刃属(Coslenchus)为常见属,其余均为优势属。VRF、VR 和OCF 始终保持较高的食微线虫丰度(72.3%～76.7%),OM 的优势属在3 个时期中均为植物寄生性线虫类群,VRF 处理下植物寄生线虫类群占比最低(9.2%)。

图2 长期不同施肥处理下燕麦不同生育时期土壤线虫群落组成及其相对丰度热图Fig.2 Heat map of soil nematodes community composition and relative abundance at different growth stages of oat under long-term different fertilization treatments

2.4 燕麦土壤线虫生态指数

土壤线虫生态指数被用来评价土壤健康状况,分析食物网的结构和功能。从表2 可以看出,各处理线虫的丰富度(SR)在3 个时期均显著高于CK(P<0.05),且总体随燕麦生育期推进而增长。抽穗期VRF、VR、OM 和OCF 处理的均匀度(J)指数显著高于CK (P<0.05)。苗期各施肥处理多样性指数(H')均显著低于CK,抽穗期和收获期除VR 外,其他施肥处理均高于CF。瓦斯乐斯卡指数(WI)在VR处理下始终显著高于CK (P<0.05)。不同处理中,只有VRF 的自由生活线虫成熟度指数(MI)始终显著高于其他处理(P<0.05)。土壤线虫的生态指数均伴随燕麦的生育时期产生显著变化,而肥料的施用主要影响了土壤线虫的SR、WI 和MI 指数,其中线虫的SR 和WI 指数受施肥和燕麦生育时期的交互作用影响。

表2 长期不同施肥处理下燕麦不同生育时期土壤线虫生态指数Table 2 Soil nematodes ecological indices at different oats growth periods under long-term different fertilization treatments

2.5 燕麦土壤线虫区系分析

如图3,苗期各处理均处于D 象限,此时线虫结构指数(SI)和富集指数(EI)均<50,土壤养分富集状况较差,且低cp 值线虫较多(图2),土壤食物网受环境压力大,或处于退化状态。抽穗期只有CK 的样点表现出由D 向C 过渡的趋势,线虫群落趋于结构化发展。收获期OM 和CK 均处于C 象限,此时结构指数(SI)>50,富集指数(EI)<50,土壤线虫群落受环境干扰小,线虫群落达到结构化状态。

图3 长期不同肥料处理下土壤线虫区系分析图Fig.3 Soil food web based on the nematode faunal analysis under long-term different fertilization treatments

2.6 燕麦产量

不同肥料施用对燕麦产量影响显著(P<0.05)。除BM 外,各处理燕麦产量均显著高于CK,其中OM 和CF 的燕麦产量显著高于其他处理(P<0.05),OM、CF、VRF、VR、OCF 较CK 分别增产92.3%、87.1%、57.7%、50.5%、44.5%,而BM 较CK 减 产20.1%。VR 的燕麦穗长显著高于其他处理(P<0.05),较CK 增长40.0%;VR 和OM 的穗粒数显著高于其他处理(P<0.05),较CK 分别增长49.3%和43.3%;OM 处理的穗粒重显著高于其他处理(P<0.05),较CK 增长70.2%;OM 处理的千粒重也显著高于其他处理(P<0.05),较CK 增长47.9%;CF 则显著提高燕麦籽粒的β-葡聚糖含量,较CK 增长14.9% (表3)。

表3 长期不同肥料处理对燕麦产量及构成和β-葡聚糖含量的影响Table 3 Effect of long-term different fertilization treatments on yield,yield components and β-glucan content of oats

2.7 燕麦产量和土壤理化生性状的相关性

图4 为燕麦产量与土壤理化生性状的皮尔逊相关性分析结果,红色代表两个指标间呈正相关,蓝色代表负相关。土壤有机质与线虫总数(P<0.001)、食真菌线虫数量(P<0.01)、植物寄生线虫数量(P<0.01)、真菌数量(P<0.01)和细菌数量(P<0.001)均呈极显著正相关,土壤有效磷与食细菌线虫数量(P<0.05)、食真菌线虫数量(P<0.001)、线虫总数(P<0.01)和真菌数量(P<0.05)显著正相关。而土壤pH 和EC 与食细菌线虫数量(P<0.01)、食真菌线虫数量(P<0.05)、线虫总数(P<0.05 和P<0.01)、真菌数量(P<0.01 和P<0.001)和细菌数量(P<0.05 和P<0.001)均显著负相关。此外,燕麦产量与土壤有效磷(P<0.01)、细菌和真菌数量(P<0.05)呈显著正相关,与pH (P<0.001)、EC (P<0.01)和容重(P<0.05)呈显著负相关,β-葡聚糖含量与植物寄生线虫数量呈显著负相关(P<0.05)。

图4 土壤线虫群落特征与土壤性状、燕麦产量及构成因素的关系Fig.4 Correlation among soil nematodes community characteristics,soil properties,oat yield and yield components

3 讨论

3.1 不同肥料施用对燕麦土壤线虫群落的影响

有机肥料可以缓冲土壤胁迫,维持土壤食物网功能,从而增加线虫群落的多样性[25],增加土壤食细菌线虫、食真菌线虫和杂食/捕食类线虫数量[18],但不一定降低植物寄生性线虫的数量[26-27]。本试验中单施有机肥后燕麦线虫的数量和丰富度显著增长,但植食性线虫占比较大,这可能是因为有机肥为作物和土壤提供了有利的物质供给,因此作物在茂盛生长的同时也为植食性线虫提供了丰富的食物。单施化肥会降低线虫群落的数量和多样性[28]。本试验单施化肥处理燕麦土壤线虫多样性也有所降低,线虫属间均匀度较差,优势属(如滑刃属和真滑刃属)突出,导致线虫群落结构的稳定性较差,可能是因为化肥的养分固定单一,土壤食物网的发育也会因此受限[29-30]。有机肥/化肥配施可以相对平衡养分供应,利于杂食/捕食类线虫的生存,对植食性线虫有一定抑制作用[31-32]。同时有机肥/化肥配施较单施化肥更能提高燕麦土壤线虫的丰富度和多样性,且更有利于高cp 值线虫[如垫咽属(Tylencholaimus)]数量的提高。线虫群落也受到作物生育时期的影响[33],多数处理中燕麦土壤线虫数量在抽穗期达到峰值,线虫群落的多样性(H')和均匀度(J)总体随生育期的推进呈下降趋势,而有机肥/化肥配施则呈上升趋势,这有利于避免优势线虫泛滥,有机肥的加入可平衡不同食性线虫的占比,尤其利于高cp 值的杂食/捕食类线虫生长,因而线虫群落的稳定性增强[30]。

醋糟作为有机物料,酸性强且富含多种营养成分,与碱性土壤适配度较高,长期定位施用后,单施醋糟或配施粉煤灰均极大地提升了燕麦土壤食微线虫占比。瓦斯乐斯卡指数(WI)用来评价土壤中线虫群落矿化有机碳的途径,WI 在有醋糟施用的处理中总体高于其他处理,说明其矿化以食微线虫参与为主;而OM 的WI 最低,是以植物寄生线虫为主。自由生活线虫成熟度指数(MI)反映土壤生态系统稳定性及其受干扰程度,醋糟/粉煤灰配施的MI 值始终显著最高,说明其对土壤线虫群落的干扰最小,食物网较成熟稳定,有利于燕麦土壤健康。醋糟做肥料有较好的病虫害防治作用,作用效果不差于普通沼肥[34]。

肥料的施用在改善土壤性质的同时,也会给土壤线虫群落带来一定干扰,燕麦收获期只有CK 和单施有机肥的线虫群落达到结构化状态(SI>50),说明无肥料干扰和有机肥干扰后的土壤食物网恢复较快较稳定,而所有处理富集指数(EI)<50,是因为试验地土壤条件较贫瘠[24]。

3.2 不同肥料施用对土壤性状的改良效果

本试验中,施用有机肥的土壤养分显著增加,土壤物理性状显著改善,大部分指标优于单施化肥处理。有机肥/化肥配施对土壤EC 的降低效果最为显著,且弥补了单施化肥后土壤有机质和硝态氮含量偏低的不足。粉煤灰主要通过改良土壤结构(如增加土壤孔隙度,降低容重,调节土壤三相比等)来影响土壤生态[35]。本试验中单施醋糟及醋糟/粉煤灰配施的土壤容重比CK 处理显著大幅提高,验证了这一结果。本试验中,醋糟作为有机肥料,单施也显著提高了土壤养分含量,其中土壤有机质、硝态氮和铵态氮积累效果突出。但单施菌肥对盐碱地物理性质的改良效果相对较差。不同肥料的施用均提高了燕麦土壤微生物数量。相比于化肥,有机肥对微生物数量的提升效果更显著,尤其是细菌和真菌。施用醋糟、粉煤灰能够极大地增加土壤微生物数量,增加土壤中氮素营养和碳含量,可有效改善生态环境[9]。本试验中单施醋糟和醋糟/粉煤灰配施后的微生物数量较对照也有显著增长。

3.3 土壤性状对燕麦线虫群落结构及燕麦产量的影响

在农田生态系统中,施肥是影响土壤线虫群落的主要因素之一[36]。本试验发现肥料的施用主要影响了燕麦土壤线虫群落的丰富度、多样性、稳定性、不同类群线虫占比及有机质分解途径。土壤的pH、EC、容重与土壤线虫数量呈负相关关系,说明试验地的盐碱土壤会抑制燕麦土壤线虫群落发展。在农田生态系统中,土壤质地是线虫多样性的一大决定性因素[37]。土壤有机质及有效磷含量对线虫群落影响较高,同样是燕麦土壤线虫数量的决定性因素。燕麦土壤中线虫和微生物之间存在相互作用,二者共同影响着土壤食物网的结构与功能[38],如土壤线虫可以通过直接取食细菌和真菌影响微生物群落[37],而部分真菌和细菌又可防治线虫病害[39]。各种肥料中只有单施菌肥对燕麦未起到增产作用,可能是因为单施菌肥对土壤物理性状无显著改良作用。

4 结论

施肥及燕麦生育时期均对燕麦土壤线虫群落有显著影响,肥料的施用主要影响了线虫群落的数量、丰富度及食微线虫类群落。线虫群落的多样性、均匀度及植食性线虫类群则主要随燕麦不同生育时期发生变化。长期定位试验发现,除单施菌肥外,其他肥料均显著提高了燕麦产量。不同肥料施用后,土壤物理性状普遍有所改善,土壤养分得到积累,其中有效磷、有机质和微生物数量是引起线虫群落变化的主要原因,土壤EC、pH、容重是燕麦增产的主要限制因素。