施肥对黄土丘陵区土壤养分及微生物群落结构的影响

刘强 王瑞 梁艳 何亚兰 南岭 王晓琨 徐德华

关键词：施肥；土壤微生物：黄土丘陵区；土壤养分；磷脂脂肪酸；群落结构

土壤是连接地球系统中水圈、大气圈、生物圈及岩石圈间相互作用的纽带，是人类赖以生存和生活的载体，也是保障国家粮食经济发展的生产基础。微生物作为土壤生态系统的重要组成部分，不仅种类繁多、数量庞大，且对生存环境较为敏感，能够对土壤环境变化做出迅速反应，驱动土壤养分循环，改变土壤结构组成，从而影响土壤的发育过程，因此土壤微生物也是反映土壤質量的重要指标。土壤微生物群落通过自身的生长代谢参与土壤养分的分解与转化，为土壤的能量流动和养分循环提供有效的动力和保障，让土壤成为“活的生命体”。相关研究表明，土壤微生物的多样性是生态农业的标志，是农田生态系统维护的基础，而土壤微生物群落结构和功能的变化很大程度上是由土壤养分含量差异造成的，因此，土壤养分含量被认为是土壤微生物动力学的决定因素。

施肥会改变土壤的理化性质，影响土壤微生物群落的多样性、组成与结构，进而对其生长繁殖及功能代谢产生相应的影响。黄土丘陵区农田土壤养分含量低，施肥就成为重要生产措施。施肥可以改善土壤结构，提高土壤养分含量，改变土壤养分的有效性。但黄土丘陵区农业生产中缺乏充足科学的施肥依据，主要表现在有机肥在总肥料中的比重较低，施用氮、磷、钾化肥比例失调，施氮量过高却很少关注施用氮肥后的铵化、硝化和反硝化等过程及不同施用方法下养分利用率的差异，忽视旱区农田水分管理对肥料利用率及肥效的影响，再加上人们长期不合理的生产活动，导致农田水土流失严重，土壤结构性差。当施肥量超过作物养分需求量时，造成肥料浪费，土壤质量下降，农田粮食生产形势严峻。

目前对施肥处理下土壤养分及土壤微生物群落的研究较为广泛，并取得一定成果，但主要集中于湿润地区农田生态系统，对旱区农田生态系统的研究较少，且多集中于东北、华北、长江中下游等地区，关于黄土丘陵区施肥措施对土壤养分和土壤微生物群落的影响尚不明晰。基于此，本试验应用磷脂脂肪酸（PLFA）法研究了不同施肥处理对黄土丘陵区土壤养分和土壤微生物群落结构的影响，并分析了土壤养分与土壤微生物群落之间的相互关系，以期为进一步探索两者间的作用机理，改善黄土丘陵区土壤质量以及培肥土壤提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验在陕西省延安市中国科学院安塞水土保持综合试验站进行。安塞区位于黄土高原中部，属黄土丘陵沟壑区，地势呈西北向东南倾斜，海拔1068～1309m。中温带大陆性半干旱季风气候，年均气温8.8℃，年均降水量约500mm。自然植被类型处于森林与草原交错区，土壤类型处在黄绵土与沙黄土交错区。试验前土壤含有机碳8.05g/kg、速效钾81.1mg/kg、有效磷9.72mg/kg、全磷0.59g/kg、全钾15.8g/kg、全氮0.38g/kg，pH值8.46。

1.2试验设计

将长方形试验地划分为20个试验小区，每个小区为8.57mx3.50m，每5个小区为一组。设置5个不同施肥处理：种植作物不施肥（CK）、单施有机肥（M）、氮磷肥配施（NP）、氮磷钾肥配施（NPK）、有机肥配施氮磷肥（MNP），每个处理重复4次。作物种植前将钾肥、有机肥、磷肥、20%氮肥作为基肥一次性施入，剩余80%氮肥于作物拔节期追施。施用的有机肥为羊粪，其养分含量为全氮11.24g/kg、全磷17.43g/kg、有机碳24.36g/kg，施用量为7500kg/hm2;磷肥为磷酸钙（P20544%），施用量为170kg/hm2；氮肥为尿素（N46%），施用量为212kg/hm2;钾肥为硫酸钾（K20 50%），施用量为120kg/hm2。

1.3试验方法

2022年10月作物收获后，以每个小区为单元，去除表面杂物，采用“S”形随机采取0～20cm土层土壤样品，混匀后装袋密封，记录各样品信息。土壤微生物群落结构采用PLFA法测定，参照Bligh-Dyer修正方法，采用Agilent 6890气相色谱分析磷脂脂肪酸种类，并对特定PLFA进行标记，对土壤微生物群落类群进行表征。

1.4数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2019进行数据处理：用Canoc0 4.5进行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）；利用SPSS 25.0软件进行数据差异显著性分析。

2结果与分析

2.1不同施肥处理对土壤理化性质的影响

不同施肥处理对土壤理化性质产生了重要影响（表1）。与CK相比，除NP处理的土壤全氮、有效钾含量和土壤含水率以及NPK处理的土壤含水率外．4个施肥处理显著提高了土壤各养分含量（P<0.05），其中MNP处理下土壤全氮、全磷、有效氮、有效磷、微生物碳和微生物氮含量最高，较CK分别增加97.30%、56.36%、194.98%、1336.99%、113.05%、50.89%，较M处理分别增加2.82%、40.98%、14.94%、279.78%、26.56%、2.52%，较NP处理分别增加58.70%、17.81%、83.07%、36.39%、51.41%、6.68%。M处理下土壤有机碳、有效钾含量及土壤含水率最高，较CK分别增加133.52%、123.77%和27.40%（P<0.05）。

2.2不同施肥处理对土壤微生物PLFA含量的影响

不同施肥处理下土壤微生物数量发生了显著性改变（表2）。特别是MNP处理下细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌PLFA含量及微生物总PLFA含量均最高，较CK分别增加90.69%、110.47%、67.50%、76.47%、54.13% （P<0.05），与M处理相比分别增加60.16%、45.97%、41. 17%、37.47%和33.02%（P<0.05），与NP处理相比分别增加84.09%、61.61%、97.51%、177.17%和53.12%（P<0.05）。真菌PLFA含量在M处理下最高，较CK增加26.09%（P<0.05），真菌／细菌值在NPK处理下最高，较CK增加14.28%（P>0.05）。

2.3不同施肥处理下土壤微生物群落结构的主成分分析

主成分分析结果（图1）表明，PC1对土壤微生物PLFA产生变异的贡献率为71.44%，PC2的贡献率为20.94%，两者贡献率之和为92.38%，可用于反映系统的变异信息。不同施肥处理的图形明显分离，表明施肥方式的不同促进了土壤微生物群落的分化。其中，NP处理与CK的主成分分析结果更为接近，说明这两种施肥处理下土壤微生物群落结构相似度更高：NPK处理与M处理的主成分分析结果更为接近，表明这两种施肥处理下土壤微生物群落结构相似度更高：而MNP处理下的土壤微生物群落与其他施肥处理有明显区分。

CK与革兰氏阳性菌／革兰氏阴性菌的相关性强，与其他指标相关性弱；MNP与革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、细菌、放线菌PLFA和微生物总PLFA含量相关性强，表明MNP处理下的土壤微生物群落结构较其他施肥处理发生了较大变化。

2.4土壤微生物群落组成与土壤养分因子的关系

将土壤养分因子作为解释变量，土壤微生物PLFA含量作为响应变量进行冗余分析（RDA），结果（图2）表明，第一排序轴（RDAI）与第二排序轴（RDA2）分别解释了78.25%和18.72%的变化量，累计解释变量96.97%，表明分析结果可靠。土壤全磷、全氮、碳氮比值、有效钾、有效氮、有效磷、微生物碳、土壤有机碳、土壤含水率与土壤真菌、革兰氏阴性菌、放线菌、细菌PLFA含量和总PLFA含量呈正相关，与革兰氏阳性菌／革兰氏阴性菌、真菌／细菌呈负相关，与革兰氏阳性菌无显著相关性。

3讨论与结论

3.1不同施肥处理对土壤理化性质的影响

本研究结果显示，不同施肥处理对土壤理化性质产生了显著影响。施肥可以增加土壤养分含量，改善土壤肥力状况，尤其是有机肥本身含有一定的土壤养分，且易于分解、释放，除少部分矿化供当季作物利用外，大部分留在土壤中，使土壤养分得到更新和补偿，提高土壤养分供给能力，且具有可持续性和渐进性。郝晓晖等发现，施肥可为作物和土壤微生物提供养分来源，促进作物生长，提高土壤微生物量及碳、氮含量，增加根系分泌物和有机残体数量，使土壤微生物和作物根系产生较大分子的多糖和分泌物，并与矿物颗粒胶结形成团聚体，稳定土壤结构，阻止土壤养分的迅速矿化分解。石玉龙等发现土壤中施人有机肥，就会有外源性有机物的输入，其中含有丰富的养分物质，可增加土壤微生物生物量，形成有机无机复合体和土壤团粒结构，提高土壤酶活性和土壤水分利用效率，调节土壤中水、肥、气、热的输入和输出，增加作物产量，作物收获后又使作物根茬、枯落物增加，扩大养分物质来源，使土壤养分含量增幅较施用化肥效果明显，且这种差异变化会随时间变化越来越显著。张礼军等发现施肥作为重要农田生产措施，可改善土壤结构，提高土壤酶活性、水分利用效率和养分有效性，加速土壤中营养物质的积累。

3.2不同施肥处理对土壤微生物群落结构的影响

本研究结果显示，不同施肥处理对土壤微生物PLFA含量均有不同程度的影响。M和MNP处理下的土壤微生物总PLFA含量较CK均显著增加，这与其他研究结果一致，其原因是施肥会给土壤微生物生长和代谢提供有机碳、氮、磷等矿物质养分和能量来源，改善土壤结构，提高土壤微生物群落对土壤养分的利用能力。NP和NPK处理对微生物群落结构具有正效应，其原因是化肥的施人为土壤微生物和地上植物生长快速地提供了养分，随着地上作物的生长，作物根部生物量和根系分泌物形成的有机物输送进土壤，有利于土壤微生物的繁衍。M和MNP处理较施用化肥处理对微生物群落结构具有正效应，其原因可能是施用有机肥不仅可以促进作物根部形成的有机物和根系分泌物输送进土壤，有利于土壤微生物的繁衍，还可使土壤养分的输入和矿化之间逐渐建立新的平衡关系，促使土壤养分逐步累积，为土壤微生物提供丰富的可利用底物，促进其生长，从而改善土壤微生物之间的关系，增加土壤细菌、真菌、放线菌生物量和微生物PLFA含量。邹湘等研究发现，施用有机肥与化肥配施显著提高了土壤微生物总PLFA含量，其原因是施人有机肥有利于碳、氮循环过程的铁氨氧化反应的发生，促进细菌的生长。薛晓敏等研究发现，有机肥与化肥配施为土壤微生物提供了大量的碳源，促进了土壤微生物对氮素的固持，调节了土壤碳氮比，进而影响到土壤微生物群落的组成。费裕狲等研究发现，有机肥与化肥配施可显著提高土壤养分含量，增加土壤微生物的丰富度和活性。而较高的土壤养分含量与土壤微生物群落组成是一致的。

3.3土壤微生物群落组成与土壤养分因子的相关性

本研究结果表明，土壤微生物群落分布与土壤养分因子之间有较强的相关性，而土壤微生物群落的变化源于土壤养分含量的不同。土壤养分是影响土壤微生物群落及其多样性的重要因子，施肥通过改变土壤养分含量引起土壤微生物在丰度上的响应。土壤养分是土壤微生物生命活动必不可少的营养元素，施入有机肥能够显著改变土壤养分含量，提高土壤微生物群落对土壤养分的利用能力，使土壤养分输入和矿化之间新的平衡关系逐渐建立，不仅提高了土壤微生物生物量，还提高了土壤微生物功能活性。土壤养分会为土壤微生物生长繁殖提供更多可利用底物，尤其是有机肥与化肥配施提供了相对平衡的营养环境，直接影响土壤微生物的生存和繁殖．增加碳、氮、磷等土壤养分，刺激土壤微生物生长和活动，更易于真菌、放线菌、细菌的繁殖，这一研究结果与许多学者的研究结果相符。

真菌／细菌（ F/B）值表征土壤养分的分解状况。本研究结果显示，MNP处理的F/B值为0.04，显著低于其他处理，表明该处理下土壤微生物分解由细菌分解型转换为真菌分解型，碳周转和养分循环速度减缓，土壤微生物对土壤养分的利用以土壤中较难利用养分为主。革兰氏阳性／阴性菌（G+/G-）值表征微生物群落对土壤养分的倾向性和生长策略。CK、NP、NPK、MNP、M处理下G+/G-值分别为1.53、2.81、1.52、1.61、1.66，NP处理显著高于其他处理，表明微生物对土壤养分的分解利用不仅依赖于外源有机肥的输入，还有其他决定因素。

本研究通过对黄土丘陵區不同施肥土壤的微生物群落研究表明，土壤养分含量及其对微生物群落的影响因施人肥料种类的不同而存在差异。CK和化肥处理下土壤养分含量（除全磷和有效磷外）低于M或MNP处理。MNP处理下的土壤微生物群落结构较施用化肥处理和CK均发生了显著改变，增加了微生物总生物量，降低G+/G-、F/B值，提高微生物养分利用能力以及群落的多样性。综合研究结果来看，有机肥配施化肥有利于土壤养分积累，增加土壤微生物生物量，提高土壤微生物群落结构改良效果，可作为黄土丘陵区培肥土壤以及生态管理模式的施肥方案。