化肥配施微生物菌肥及改良基質對土壤團聚體有機碳及微生物菌群結構的影響

決 超, 楊囡君, 王盛榮

(1.商丘職業技術學院,河南商丘 476000; 2.河南省農村社會事業發展服務中心,河南鄭州 450003)

近年來,隨著農業高度集約化生產,作物長期連作種植以及化肥施用不合理造成土壤結構破壞、養分供應不均、微生物結構失調、產量及品質下降等問題,嚴重影響了我國農業可持續生產[1-2]。有研究表明,改變種植制度或施肥方式是解決目前困境的有效途徑[3-5]。其中,通過調整種植制度來改善土壤質量往往需要年限較長,不能滿足產業發展需求。因此,通過改變施肥方式提高土壤質量,改善土壤結構對農業可持續發展具有更重要的意義。長期單一施用化肥會破壞土壤結構,造成土壤養分供應不均,生物學活性降低[6-7]。而有研究表明,有機無機肥配施能夠改善土壤質量,提高土壤微生物活性[8-9]。賴金平等的研究表明,增施有機肥能夠促進土壤大粒徑團聚體形成,提高團聚體穩定性以及大粒徑團聚體有機碳含量[10]。張勇等的研究表明,化肥配施有機肥可以改變土壤團聚體結構組成,提高團聚體穩定性,增加土壤有機碳含量[11]。孟慶英等的研究表明,化肥配施微生物菌肥能夠提高大粒徑團聚體含量,改變土壤真菌群落多樣性[12]?？梢?增施有機肥能夠對土壤團聚體及有機碳含量變化產生較大的影響。

土壤團聚體是由土粒徑生物及非生物與環境因子相互作用形成,是土壤結構的基礎物質[13-15]。土壤團聚體是土壤中物質轉化和能量循環的重要場所,其數量和質量直接或間接地影響土壤碳氮等元素循環與利用,是決定土壤肥力水平的重要因素[16-17]。土壤有機碳是土壤養分供應和能量循環的核心物質,能夠調節土壤養分供應能力,改善土壤微生態環境,其含量高低是評價農田土壤質量的重要指標[18-19]。有研究發現,土壤團聚體通過對有機碳的包被作用將其與外界隔離,降低碳裸露,可以有效減緩有機碳分解[20]。土壤微生物參與土壤有機碳形成、分解與轉化的大多數過程,同時土壤有機碳也是微生物生命活動所需物質和能量的主要來源[21]。因此,探究施肥方式對土壤團聚體有機碳及微生物菌群結構的影響有助于了解農田土壤肥力的變化規律。

微生物菌肥具有活化有機質、培肥地力,增加土壤生物學活性,減少環境污染等優勢[22-23]。土壤改良基質具有提高土壤透氣性、提升土壤蓄水保肥能力、增加土壤生物學活性等特點[24]。目前,無機有機肥配施對土壤團聚體有機碳影響的研究有很多,而關于化肥與微生物菌肥及土壤改良基質配施對土壤團聚體有機碳及微生物菌系結構影響的研究很少,且不同區域土壤類型、氣候因素不盡相同[25-26]。因此,本研究通過多年田間試驗,探究化肥與不同比例微生物菌肥及改良基質配施對土壤團聚體及團聚體有機碳、微生物菌群結構的影響,揭示不同施肥條件下土壤團聚體有機碳及微生物菌群結構的變化規律,以期為豫東地區黃潮土微生物菌肥及土壤改良基質的合理應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020—2022年在河南省商丘職業技術學院試驗示范基地附近農戶(116°15′E,39°28′N)進行。該區域位于河南省東部,平均海拔53 m,屬暖溫帶半濕潤季風氣候。年均氣溫14.2 ℃,年均日照時長2 200 h,無霜期為212 d。多年平均降水量 650～700 mm,年內降雨分布不均,主要集中在6—9月。供試土壤為黃潮土二合土質,播種前0～20 cm土壤理化性狀：堿解氮含量為32.65 mg/kg、速效磷含量為43.21 mg/kg、有機質含量為9.94 g/kg、速效鉀含量為134.56 mg/kg、有機碳含量為10.12 g/kg、pH值8.12;團聚體質量分數：<0.053粒徑為12.55%、0.053～0.250 mm粒徑為15.85%、>0.250～2.000 mm 粒徑為21.72%、>2.000 mm粒徑為49.88%。試驗地前茬為多年馬鈴薯—玉米輪作種植。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯：中薯5號脫毒種薯(中國農業科學院蔬菜花卉所);供試玉米：鄭單958(河南省農業科學院糧食作物研究所);供試肥料：馬鈴薯復合肥(N、P2O5、K2O含量分別為16%、5%、21%,中農舜天生態肥業公司);玉米復合肥(N、P2O5、K2O含量分別為10%、5%、15%,河南民豐肥業有限公司);微生物菌肥(有效活菌數≥2.0 億CFU/g,含N 5.32%、P2O53.18%、K2O 4.16%、有機質 45.32%,棗陽美島生物科技有限公司);土壤改良基質(由牛糞、蘑菇料和秸稈腐熟而成,含N 4.19%、P2O52.24%、K2O 1.85%、有機質 29.19%)。

1.3 試驗設計

試驗設6個處理,分別為不施肥(CK),單施化肥(T1),50%化肥+50%微生物菌肥(T2),50%化肥+50%微生物菌肥+土壤改良基質(T3),70%化肥+30%微生物菌肥(T4),70%化肥+30%微生物菌肥+土壤改良基質(T5)。3次重復,共計18個小區,隨機區組排列。試驗田種植制度為馬鈴薯—玉米輪作種植;耕作制度均為0～20 cm旋耕。其中馬鈴薯株行距35 cm×45 cm,玉米株行距30 cm×50 cm,小區面積48 m2,走道0.6 m,保護行3 m。馬鈴薯季施肥量：單施化肥600 kg/hm2;單施微生物菌肥1 200 kg/hm2;土壤改良基質15 000 kg/hm2;玉米季施肥不做特殊處理,均為復合肥(N、P2O5、K2O含量分別為10%、5%、15%)750 kg/hm2;馬鈴薯季在整地前均作為基肥一次性施入,生育期內不進行追肥;玉米季復合肥70%作為基肥施入,30%在大喇叭口期進行追肥。馬鈴生育期：4月1日至6月10日;玉米生育期：6月15日至10月8日。馬鈴薯季、玉米季田間管理措施均不做特殊處理,按照當地種植習慣進行。

1.4 樣品采集與試驗方法

于2022年馬鈴薯收獲期進行土壤樣品采集。利用5點取樣法采集0～20 cm土層樣品,混勻后通過冰盒帶回實驗室。撿出較大根系、石礫等雜物后,將土壤樣品分成2份,一份自然風干,用于土壤團聚體組成、團聚體有機碳含量測定;另一份保存在-40 ℃冰箱,用于土壤微生物菌群結構測定。并于2021年、2022年采集土樣測定土壤有機碳含量。

采用重鉻酸鉀容量-外加熱法[27]進行土壤有機碳及團聚體有機碳含量測定。采用磷脂脂肪酸法[28]進行土壤微生物菌群結構測定。采用干篩法進行團聚體粒徑測定,稱取風干土樣100 g,放入從上到下裝有2.000、0.250、0.053 mm 的振蕩套篩上,利用振蕩式篩分儀在 200次/min 頻率下振蕩 10 min 后,分別稱取 <0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒徑土壤質量,計算不同粒徑質量分數。其中,平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、>0.250 mm粒徑團聚體(R0.25)含量和分形維數(D)計算公式如下[16]：

團聚體有機碳相對貢獻率=某粒級團聚體有機碳含量×該粒級團聚體含量/土壤有機碳含量×100%。

1.5 數據處理

采用WPS Excel進行原始數據計算、分析與作圖;采用SPSS 17.0進行處理間差異顯著性檢驗與相關性分析;采用canoco 5.0進行冗余(RDA)分析。

2 結果與分析

2.1 化肥配施菌肥及改良基質對土壤團聚體組成的影響

不同施肥處理土壤團聚體組成差異明顯(表1)。各處理土壤團聚體以>2.000 mm粒徑為主,占比為49.21%～56.89%;其次是>0.250～2.000 mm粒徑,占比為25.17%～27.61%;0.053～0.250 mm粒徑與<0.053 mm粒徑所占比值較小,分別為11.33%～15.15%、6.61%～8.03%。與CK處理相比,不同施肥處理均可提高>2.000 mm粒徑團聚體含量,降低 <0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000 mm粒徑團聚體含量。其中,T5處理>2.000 mm粒徑團聚體含量最高,較CK處理顯著提高15.61%(P<0.05),較其他施肥處理提高11.00%～4.91%,顯著高于除T3處理外的其他施肥處理(P<0.05)。T5處理<0.053、0.053～0.250、>0.250～2.000 mm粒徑團聚體含量均最低,較CK處理分別顯著降低17.68%、25.21%、8.84%(P<0.05);<0.053、0.053～0.250 mm粒徑團聚體含量較其他處理分別顯著降低7.42%～13.82%、7.66%～20.66%(P<0.05);>0.250～2.000 mm粒徑團聚體含量較T1、T2處理分別顯著降低7.60%、5.34%(P<0.05),與T3、T4處理相比均無顯著性差異。

表1 不同處理土壤團聚體質量分數變化

2.2 化肥配施菌肥及改良基質對土壤團聚體穩定性的影響

不同施肥處理土壤團聚體平均質量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、>0.250 mm粒徑團聚體(R0.25)含量以及分形維數(D)變化較大(表2)。與CK處理相比,不同施肥處理均可提高MWD值、GMD 值、R0.25值,降低D值。其中,T5處理MWD值、GMD值、R0.25值均最高,較CK處理分別顯著提高9.71%、12.71%、6.82%(P<0.05);MWD值、GMD值較T1處理分別顯著提高5.49%、6.40%(P<0.05);MWD值、GMD值、R0.25值較T2處理分別顯著提高6.08%、8.13%、5.42%(P<0.05),與T3、T4處理相比均無顯著性差異。T5處理D值最低,較CK處理顯著降低4.92%(P<0.05),與其他處理相比均無顯著性差異。T3處理MWD值、GMD值、R0.25值、D值與T4處理相比均無顯著性差異。

表2 不同處理土壤團聚體穩定性變化

2.3 化肥配施菌肥及改良基質對土壤有機碳含量的影響

不同施肥年限下各處理土壤有機碳含量變化如圖1所示。施肥第1年(2020年)時,與CK處理相比,不同施肥處理土壤有機碳含量均不同程度地提高,但各處理間均無顯著性差異。施肥第2年(2021年)時,與CK處理相比,T3、T4、T5處理土壤有機碳含量分別顯著提高5.81%、5.15%、8.66%(P<0.05),T1、T2處理無顯著性變化;T5處理土壤有機碳含量較T1處理顯著提高7.60%(P<0.05),與T2、T3、T4處理相比均無顯著性差異。施肥第3年(2022年)時,與CK處理相比,T2、T3、T4、T5處理土壤有機碳含量分別顯著提高5.64%、9.28%、7.51%、13.37%(P<0.05),T1處理無顯著性變化;T5處理土壤有機碳含量最高,較T1、T2、T4處理分別顯著提高10.80%、7.32%、5.45%(P<0.05),與T3處理相比均無顯著性差異。T3、T4處理土壤有機碳含量均顯著高于T1處理(P<0.05),而與T2處理相比均無顯著性差異。

2.4 化肥配施菌肥及改良基質對土壤團聚體有機碳含量的影響

不同施肥處理土壤團聚體有機碳含量變化如表3所示。與CK處理相比,不同施肥處理均可提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒徑土壤團聚體有機碳含量,降低<0.053 mm粒徑團聚體有機碳含量。其中,T3處理0.053～0.250 mm粒徑團聚體有機碳含量最高,較CK處理顯著提高9.59%(P<0.05),較其他施肥處理提高1.78%～8.04%,顯著高于T1處理(P<0.05)。T5處理>0.250～2.000、>2.000 mm粒徑團聚體有機碳含量均最高,較CK處理分別顯著提高12.55%、10.95%(P<0.05),較其他施肥處理分別提高3.73%～9.93%、4.01%～8.44%,其中>0.250～2.000 mm粒徑團聚體有機碳顯著高于T1、T2處理(P<0.05),>2.000 mm粒徑團聚體有機碳含量顯著高于T1、T2、T4處理(P<0.05)。T5處理<0.053 mm 粒徑團聚體有機碳含量,較CK、T1處理分別顯著降低6.48%、5.24%(P<0.05),與T2、T3、T4處理相比均無顯著性差異。

表3 不同處理土壤團聚體有機碳含量的變化

2.5 化肥配施菌肥及改良基質對土壤團聚體有機碳相對貢獻率的影響

不同施肥處理土壤團聚體有機碳相對貢獻率如圖2所示。各處理土壤團聚體有機碳相對貢獻率以>2.000 mm粒徑為主,有機碳相對貢獻率可達53.95%～61.92%;其次是>0.250～2.000 mm粒徑,有機碳相對貢獻率在23.86%～25.98%;0.053～0.250、<0.053 mm粒徑有機碳相對貢獻率較低,分別在8.98%～12.33%、5.33%～7.74%。與CK處理相比,不同施肥處理能夠提高>2.000 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率,降低0.053～0.250、<0.053、>0.250～2.000 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率。其中T5處理以>2.000 mm粒徑有機碳相對貢獻率最高,較CK處理顯著提高14.77%(P<0.05),較其他施肥處理顯著提高5.40%～10.79%(P<0.05)。不同施肥處理<0.053、0.053～0.250 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率較CK處理分別降低8.27%～31.14%、3.76%～27.90%,除T2處理0.053～0.250 mm粒徑有機碳相對貢獻率與CK處理無顯著性差異外,其他施肥處理 <0.053、0.053～0.250 mm粒徑有機碳相對貢獻率均顯著降低(P<0.05)。其中,T5處理<0.053、0.053～0.250 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率顯著最低。各處理>0.250～2.000 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率均無顯著性差異。

2.6 化肥配施菌肥及改良基質對土壤微生物菌群結構的影響

不同施肥處理土壤微生物菌群結構變化如表4所示。與CK處理相比,不同施肥處理均可提高土壤細菌、放線菌、總菌量、革蘭氏陰性菌生物量以及細菌/真菌比值,降低真菌生物量。其中T5處理細菌、放線菌生物量以及細菌/真菌比值均最高,較CK處理分別顯著(P<0.05)提高6.81%、12.42%、15.79%,較其他施肥處理分別提高1.62%～4.39%、4.88%～9.55%、3.94%～9.09%,放線菌生物量顯著高于T1、T2、T3處理(P<0.05),細菌/真菌比值顯著高于T1、T2處理(P<0.05)。T3、T5處理革蘭氏陽性菌均最高值,較CK處理顯著提高12.55%(P<0.05),較T1、T2、T4處理分別顯著提高9.35%、14.96%、7.60%(P<0.05)。T3處理 G+/G-比值較CK處理顯著提高11.86%(P<0.05),較T1、T2、T4處理分別顯著提高13.79%、20.00%、11.86%(P<0.05),與T5處理相比無顯著性差異。T5處理真菌生物量最低,較CK處理顯著降低7.61%(P<0.05),與其他施肥處理相比無顯著性差異。各處理總菌量、革蘭氏陰性菌生物量均無顯著性差異。

表4 不同處理土壤微生物菌群生物量變化

2.7 不同施肥措施條件下土壤團聚體有機碳相對貢獻率與土壤團聚體穩定性指標的相關性分析

由表5可知,不同粒徑團聚體有機碳相對貢獻率與土壤團聚體穩定性存在一定的相關關系。其中>2 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率與土壤團聚體MWD值、GMD值、R0.25值呈極顯著正相關關系(P<0.01),與D值呈極顯著負相關關系(P<0.01);<0.053 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率與土壤團聚體MWD值、GMD值、R0.25值呈顯著負相關關系(P<0.05),與D值呈顯著正相關關系(P<0.05);0.053～0.25、>0.25～2 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率與土壤團聚體MWD值、GMD值、R0.25值、D值均呈無顯著性相關關系。由此可見,合理施肥不僅能夠明顯促進大團聚體形成,提高土壤團聚體MWD值、GMD值、R0.25值,降低D值,提升土壤團聚體穩定性,還有利于提高大團聚體有機碳的相對貢獻率。

表5 土壤團聚體有機碳相對貢獻率與團聚體穩定性的相關性分析

2.8 土壤微生物區系與土壤團聚體穩定性的冗余分析

為進一步分析土壤微生物群落結構與土壤團聚體之間的相關關系,利用土壤微生物群落菌群結構與土壤團聚體穩定性指標進行冗余分析(RDA)。結果表明,圖3能夠在排序軸1、軸2累積變量55.26%水平上解釋不同施肥措施條件下土壤團聚體穩定性變化對土壤微生物菌群結構變化的影響。圖中各空間處理點較為分散,表明不同施肥處理土壤團聚體穩定性變化對土壤微生物菌群結構的影響不同。從表征各指標的空心箭夾角關系可知,土壤細菌、放線菌、總菌量、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌與MWD值、GMD值、R0.25值呈正相關關系,與D值呈負相關關系;土壤真菌和革蘭氏陰性菌與D值呈正相關關系,與MWD值、GMD值、R0.25值呈負相關關系。而從表6可知,R0.25值的結解釋度為43.2%,貢獻度為76.4%,遠高于其他穩定性指標。說明不同施肥措施條件下大粒徑團聚體的變化是引起土壤微生物菌群結構變化的主要因素,且影響是極顯著的(P=0.002)。由此說明,土壤微生物菌群結構與土壤團聚體變化密切相關。

表6 冗余分析中的正向選擇結果

3 討論

不同粒徑土壤團聚體對土壤養分供應、生物活性具有不同的作用,且不同粒徑團聚體比例對土壤孔隙度有較大的影響[1]。土壤團聚體MWD、GMD、R0.25值、D值是表征土壤團聚體穩定性的重要指標,其中MWD、GMD、R0.25值越大,大粒徑團聚體含量越高,團聚體穩定性越強,而D值越小,土壤團聚體結構越穩定[29]。本研究中,不同施肥處理均可提高 >2.000 mm 粒徑團聚體含量以及團聚體MWD值、GMD值、R0.25值,降低D值,其中,70%化肥配施30%微生物菌肥及改良基質處理表現突出。這是因為外源有機物進入土壤后,一方面可以直接吸附較小團聚體形成較大粒徑團聚體;另一方面微生物菌肥及改良基質的攝入,能夠改良土壤透氣狀況,提高土壤生物學活性,促進土壤有機碳轉化與形成,進而促使有機碳吸附較小顆粒形成較大團聚體,進而提高土壤團聚體穩定性。而50%化肥配施50%微生物菌肥處理土壤團聚體組成及穩定性與單施化肥處理相比差異不明顯。這可能是化肥減量過多,氮素含量較少,從而加速土壤有機碳降解,抵消外源有機物帶來的促進作用,所以未表現出明顯差異[2]。

土壤有機碳是土壤團聚體形成的基礎物質,也是土壤微生物生命活動所需碳源和能量的主要來源[30-31]。團聚體是土壤微生物活動的主要場所,其生命代謝活動主要發生在團聚體內[32-33]。本研究中,施肥能夠提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm 粒徑土壤團聚體有機碳含量,降低 <0.053 mm 粒徑團聚體有機碳含量。其中,70%化肥配施30%微生物菌肥及土壤改良基質處理土壤有機碳含量明顯高于其他施肥處理。結合團聚體組成及穩定性分析可知,微生物菌肥及改良基質能夠促進大粒徑團聚體形成,而大粒徑團聚體通常是由小粒徑團聚體通過碳量高的非穩性膠結劑膠結而成。因此,大粒徑團聚體比小粒徑團聚體含有更多的有機碳,進而提高大粒徑團聚體有機碳的相對貢獻率[34]。

本研究中,與對照處理相比,化肥減量配施微生物菌肥處理均可提高土壤細菌、放線菌、總菌量、革蘭氏陰性菌生物量以及細菌/真菌比值,降低真菌生物量。其中,70%化肥配施30%微生物菌肥及土壤改良基質處理表現突出。這是因為外源有機物的攝入能補充土壤碳源,使得以某類碳源為主的微生物代謝活動加強。而土壤改良基質進入土壤后,利用自身疏松特點,能夠提高土壤透氣性,改善土壤微生態環境,提高微生物代謝活性。土壤微生物活性的提高可以促進大粒徑團聚體的形成,進而提升有機碳轉化與固定速率,增加有機碳累積。相關性分析表明,大粒徑團聚體有機碳相對貢獻率與土壤團聚體穩定性有極顯著的相關關系。而冗余分析表明,大粒徑團聚體的變化是引起土壤微生物菌群結構變化的主要因素。由此可知,合理施肥不僅能夠明顯促進大粒徑團聚體形成,提高土壤團聚體穩定性,還能夠提高土壤團聚體有機碳含量,改善土壤菌群結構。

4 結論

化肥減量配施微生物菌肥及土壤改良基質能夠促進土壤大粒徑團聚體形成,提高MWD值、GMD 值、R0.25值,降低D值;能夠提高0.053～0.250、>0.250～2.000、>2.000 mm粒徑團聚體有機碳含量及>2.000 mm粒徑團聚體有機碳相對貢獻率;能夠改善土壤微生物菌群結構,降低有害真菌比例。相關分析表明,土壤團聚體有機碳貢獻率及微生物菌群結構變化與土壤團聚體穩定性具有緊密的關系。在本試驗條件下,70%化肥配施30%微生物菌肥及土壤改良基質處理表現最優。