唐海明，肖小平，李微艷，孫耿，程凱凱

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125

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長(zhǎng)期施肥對(duì)雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響

唐海明*，肖小平，李微艷，孫耿，程凱凱

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125

摘要：微生物群落功能多樣性是表征土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)，施肥措施可對(duì)土壤微生物群落功能多樣性產(chǎn)生明顯的影響。以位于雙季稻主產(chǎn)區(qū)湖南省寧鄉(xiāng)縣國(guó)家級(jí)稻田肥力長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田為研究對(duì)象，應(yīng)用Biolog技術(shù)分析了不同施肥處理（化肥、秸稈還田+化肥、30%有機(jī)肥、60%有機(jī)肥、無(wú)肥對(duì)照）對(duì)雙季稻田根際土壤微生物功能多樣性的影響，從根際土壤微生物功能多樣性的角度評(píng)價(jià)施肥對(duì)土壤質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，有機(jī)肥與化肥配施以及單施化肥處理水稻根際土壤微生物對(duì)碳源的利用程度均顯著高于其他處理，而秸稈還田處理水稻根際土壤微生物對(duì)碳源的利用程度低于無(wú)肥處理。在早稻和晚稻成熟期，McIntosh指數(shù)均以60%有機(jī)肥和30%有機(jī)肥處理為最高，其次為施用化肥和無(wú)肥處理，秸稈還田處理最低；Richness和Shannon指數(shù)大小順序均表現(xiàn)為60%有機(jī)肥>30%有機(jī)肥>秸稈還田>無(wú)肥>化肥。土壤微生物碳源利用的主成分分析表明，各施肥處理水稻根際土壤微生物群落利用的主要碳源為氨基酸類和糖類，但不同施肥處理間碳源利用類型存在較大差異?？偟膩?lái)說，不同的施肥處理對(duì)水稻根際土壤微生物功能多樣性產(chǎn)生了不同影響，長(zhǎng)期有機(jī)肥配施化肥有利于維持稻田根際土壤微生物群落多樣性。

關(guān)鍵詞：雙季稻；長(zhǎng)期施肥；根際土壤；群落功能多樣性

引用格式：唐海明， 肖小平， 李微艷， 孫耿， 程凱凱. 長(zhǎng)期施肥對(duì)雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（3）: 402-408.

TANG Haiming， XIAO Xiaoping， LI Weiyan， SUN Geng， CHENG Kaikai. Effects of Long-term Different Fertilization Regimes on the Rhizospheric Microbial Community Functional Diversity in Paddy Field ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（3）: 402-408.

微生物是土壤生物中最重要的組成部分，在土壤營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、土壤肥力形成和保持、生態(tài)環(huán)境改善等方面起著重要作用。土壤微生物對(duì)環(huán)境變化十分敏感，是土壤環(huán)境質(zhì)量重要的指標(biāo)（Insam et al.，1996）。根際土壤微生物具有繁殖快、數(shù)量多、代謝能力強(qiáng)的特點(diǎn)，它對(duì)根際土壤有機(jī)質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化、氮的固定以及對(duì)植株養(yǎng)分吸收、植株生長(zhǎng)發(fā)育均具有明顯的影響（Zak et al.，1994）1101-1108。土壤微生物群落功能多樣性是土壤微生物群落狀態(tài)與功能的指標(biāo)，反映了土壤中微生物的生態(tài)特征。因此，微生物群落功能為評(píng)價(jià)微生物多樣性提供了一個(gè)可行的、生態(tài)相關(guān)的測(cè)量方法（Zak et al.，1994）1101-1108。目前測(cè)定土壤微生物多樣性的方法很多，從最常規(guī)的稀釋平板法到微生物量測(cè)定、磷脂脂肪酸分析法、Biolog微平板分析法到分子生物技術(shù)方法等。Biolog微平板分析法是測(cè)定土壤微生物對(duì)不同碳源利用能力及其代謝差異，進(jìn)而用以表征土壤微生物功能多樣性的一種最具代表性的方法（Garland et al.，1991）2351-2359。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要的措施之一，對(duì)土壤質(zhì)量和可持續(xù)利用具有深遠(yuǎn)影響，長(zhǎng)期施肥可改變土壤理化性質(zhì)和生物活性，影響作物產(chǎn)量（Zhong et al.，2010）。施肥使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，譚周進(jìn)等（2007）430-435認(rèn)為，大量有機(jī)肥的施用并不會(huì)提高土壤微生物數(shù)量，但會(huì)顯著增強(qiáng)土壤微生物活性。長(zhǎng)期平衡施肥使土壤微生物量碳、氮和微生物功能活性增強(qiáng)（Hu et al.，2011），如侯曉杰等（2007）655-661研究表明，肥料合理配施可以增強(qiáng)微生物對(duì)碳源的利用程度（AWCD），顯著增加微生物功能多樣性（Shannon指數(shù)）。徐萬(wàn)里等（2015）認(rèn)為，NPK及NPK配施有機(jī)肥可提高土壤微生物多樣性。但也有研究表明，長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)氮肥可降低土壤微生物活性（Lovell et al.，1995）。因此，長(zhǎng)期定位施肥，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和功能發(fā)生了顯著變化，研究不同施肥措施對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)的影響以及施肥與環(huán)境關(guān)系等對(duì)土地可持續(xù)發(fā)展具有重要價(jià)值。

湖南是我國(guó)重要的雙季稻區(qū)，對(duì)我國(guó)的糧食安全具有重要的意義，保持該區(qū)域稻田土壤肥力的穩(wěn)定和持續(xù)是水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在雙季稻區(qū)主要開展了不同施肥措施（制度）對(duì)水稻某一時(shí)期稻田土壤微生物群落功能多樣性等方面影響的研究（譚周進(jìn)等，2007430-435；羅希茜等，2009740-748），在大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下，不同施肥措施對(duì)早、晚稻成熟期雙季稻田周年根際土壤微生物群落功能多樣性影響的研究還有待進(jìn)一步開展。因此，本文以湖南寧鄉(xiāng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái)，利用Biolog技術(shù)，探索29 a不同施肥管理模式下雙季稻田水稻根際土壤微生物功能的響應(yīng)，以了解雙季稻田土壤的長(zhǎng)期培肥效應(yīng)，為提高稻田土地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

不同施肥模式定位試驗(yàn)始于1986年，在湖南省寧鄉(xiāng)縣農(nóng)技中心內(nèi)進(jìn)行（112°18′E，28°07′N），為典型的雙季稻主產(chǎn)區(qū)，海拔36.1 m，年均氣溫16.8 ℃，年平均降雨量1553.70 mm，年蒸發(fā)量1353.9 mm，無(wú)霜期274 d。試驗(yàn)地土壤為水稻土，河沙泥土種，種植制度為大麥-雙季稻，肥力中等，排灌條件良好。1986年試驗(yàn)前耕層土壤（0～20 cm）基礎(chǔ)肥力：有機(jī)質(zhì)29.39 g·kg-1、全氮2.01 g·kg-1、全磷0.59 g·kg-1、全鉀20.6 g·kg-1、堿解氮144.1 mg·kg-1、有效磷12.87 mg·kg-1、速效鉀33.0 mg·kg-1和pH 6.85。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)施肥處理：（1）化肥處理：施氮、磷、鉀化肥，不施任何有機(jī)肥（MF：mineral fertilizer alone）；（2）秸稈還田+化肥處理：施用晚稻秸稈與化肥處理（RF：rice residues plus mineral fertilizer）；（3）30%有機(jī)肥處理：有機(jī)肥的氮含量占總施氮量的30%，其余70%的氮為化肥氮（OM1：30% organic matter plus 70% mineral fertilizer）；（4）60%有機(jī)肥處理：有機(jī)肥的氮含量占總施氮量的60%，其余40%的氮為化肥氮（OM2：60% organic matter plus 40% mineral fertilizer）；（5）無(wú)肥對(duì)照：不施任何肥料（CK：without fertilizer）。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)10.00 m，寬6.67 m，面積66.7 m2，小區(qū)間用水泥埂隔開，埋深100 cm，高出田面35 cm。保證各小區(qū)不竄灌、竄排。該試驗(yàn)田開始于20多年以前，受當(dāng)時(shí)條件的限制沒有設(shè)置重復(fù)。2014年，早稻供試品種為湘早秈45號(hào)，4月1日播種育苗，5月2日進(jìn)行大田耕地和施基肥，5月3日移栽，7月24日收獲獲；晚稻供試品種為五優(yōu)308，6月25日播種育苗，7月25日進(jìn)行大田耕地和施基肥，7月26日移栽，10 月17日收獲。早稻和晚稻均采用人工移栽，移栽行株距均為25.0 cm×25.0 cm，均為二本栽插。早稻各施肥處理總施N 142.5 kg·hm-2、P2O554.0 kg·hm-2和K2O 63.0 kg·hm-2；晚稻各施肥處理總施N 157.5 kg·hm-2、P2O543.2 kg·hm-2和K2O 81.0 kg·hm-2；早稻季秸稈還田量為2775.0 kg·hm-2（秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.65%、0.13%和0.89%），晚稻季秸稈還田量為3600.0 kg·hm-2（秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.68%、0.15%和0.91%）；施用有機(jī)肥的處理，早稻和晚稻有機(jī)肥均為腐熟雞糞，早稻季30%有機(jī)肥和60%有機(jī)肥處理有機(jī)肥的施用量分別為2625.0、5250.0 kg·hm-2，晚稻季30%有機(jī)肥和60%有機(jī)肥處理有機(jī)肥的施用量分別為2670.0、5340.0 kg·hm-2（有機(jī)肥養(yǎng)分含量均為N 1.77%、P2O50.80%和K2O 1.12%），各處理以等氮量為基準(zhǔn)，不足的氮、磷、鉀肥用化肥補(bǔ)足；早稻和晚稻各施肥處理秸稈和有機(jī)肥均于稻田耕地時(shí)作基肥一次性施入；N和K2O作基肥和追肥2次施入，基肥在耕地時(shí)施入，追肥在移栽后7 d施用，基追肥比例均按7∶3施用；P2O5均在耕地時(shí)作基肥一次性施入。早稻和晚稻田間管理為均在移栽后保持淺水條件，結(jié)合施用分蘗肥進(jìn)行雜草防除，分蘗期進(jìn)行曬田，曬田后復(fù)水，后期進(jìn)行干濕交替灌溉，水稻完熟后落干曬田、收獲。其他管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

試驗(yàn)于2014年分別于早稻和晚稻的成熟期，進(jìn)行土壤樣品的采集，每個(gè)小區(qū)采取多點(diǎn)取樣采集根際土壤組成1個(gè)樣品，重復(fù)3次。根際土壤取樣方法采用“抖根法”，即先將植株根系從土壤中挖出，抖掉與根系松散結(jié)合的土體，然后將與根系緊密結(jié)合在0～4 mm范圍的土壤用刷子刷下來(lái)作為根際土壤。土壤剔除石礫及植物殘茬等雜物后，迅速裝入塑料袋并置于冰盒中，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，4 ℃冰箱保存，Biolog分析在取樣后48 h內(nèi)進(jìn)行。同時(shí)，在晚稻成熟期，采用5點(diǎn)法采集各小區(qū)0～20 cm新鮮土壤樣品，風(fēng)干過篩，用于測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

試驗(yàn)使用Biolog ECO微平板法進(jìn)行測(cè)定。反應(yīng)平板的第1個(gè)孔為不含任何C源的對(duì)照，其余每孔中含有1種C源和氧化還原染料四氮唑藍(lán)。微生物利用碳源進(jìn)行呼吸使氧化還原電勢(shì)發(fā)生變化，并將四唑類（TV）從無(wú)色還原成紫色（程池等，2006）。通過測(cè)定反應(yīng)平板各孔的吸光值及其變化來(lái)反映微生物群落代謝功能的多樣性。具體實(shí)驗(yàn)步驟是，取經(jīng)預(yù)培養(yǎng)的新鮮土樣10 g，加95 mL無(wú)菌的0.145 mol·L-1NaCl溶液在搖床上振蕩15 min，然后用無(wú)菌水分步稀釋至10-3，取上清液（125 μL）接種到反應(yīng)平板的每個(gè)孔中，將接種好的反應(yīng)平板放至25 ℃下培養(yǎng)，每隔12 h在波長(zhǎng)為590 nm的Biolog讀數(shù)器上讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)12 d。

土壤pH值采用土：水=1∶2.5法、有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法、全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法、土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法以及速效鉀含量采用NH4Ac浸提-火焰光度法（鮑士旦，2000）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)公式（1）計(jì)算反應(yīng)平板孔中溶液吸光值平均變化率（average well color development，AWCD）；根據(jù)公式（2）計(jì)算Shannon指數(shù)H（用于評(píng)估物種的豐富度）；根據(jù)公式（3）計(jì)算McIntosh指數(shù)U（用于評(píng)估群落物種均勻度）（Garland et al.，19912351-2359；Jeffrey et al.，1997）。

式中，C為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的吸光值，R為對(duì)照孔的吸光值，n為培養(yǎng)基孔數(shù)，GN板n值為95。Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與所有反應(yīng)孔相對(duì)吸光值總和的比值，即：Pi=（C-R）/Σ（C-R）。

數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析采用Excel 2003軟件進(jìn)行，方差分析、主成分分析和多重比較采用DPS 3.11 （Data Processing System for Practical Statistics）軟件進(jìn)行，多重比較采用LSD法（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

圖1 早稻和晚稻成熟期不同施肥處理根水稻際土壤微生物吸光值A(chǔ)WCDFig. 1 AWCD changes with incubation progress at early and late rice maturity stage with different fertilizer treatments

2.1 板孔平均顏色變化率

平均顏色變化率（AWCD）表征微生物群落碳源利用率，是土壤微生物群落利用單一碳源能力的重要指標(biāo)，反映了土壤微生物活性、微生物群落生理功能多樣性（Garland et al.，1991）2351-2359。早稻和晚稻成熟期，各施肥處理根際土壤AWCD變化如圖1中所示，AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，不同施肥處理均表現(xiàn)為在開始的24 h變化不大，在第24～108小時(shí)內(nèi)快速升高，隨后持續(xù)緩慢地升高直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。其中，化肥、30%有機(jī)肥和60%有機(jī)肥處理的快速增加過程一直持續(xù)到第108小時(shí)以后，而秸稈還田和無(wú)肥處理基本上在第108小時(shí)就結(jié)束了。

與無(wú)肥處理相比，不同施肥處理對(duì)AWCD有較大影響。在早稻和晚稻成熟期土壤培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，有機(jī)肥與化肥配施以及施用化肥處理的AWCD顯著高于其他處理；秸稈還田處理的AWCD低于無(wú)肥處理。

2.2 土壤微生物群落代謝多樣性變化

表1 水稻成熟期不同施肥處理根際土壤微生物群落的多樣性指數(shù)值Table 1 Genetic diversity indices of rhizospheric soil microbial communities for different fertilizer treatments at early and late rice maturity stage

利用Richness、Shannon和McIntosh指數(shù)，分別反映早稻和晚稻成熟期土壤微生物群落物種的豐富度和均勻度。如表1中所示，早稻和晚稻成熟期，60%有機(jī)肥處理Richness指數(shù)均顯著高于化肥處理，其大小順序?yàn)?0%有機(jī)肥>30%有機(jī)肥>秸稈還田>無(wú)肥>化肥。早稻和晚稻成熟期，60%有機(jī)肥和30%有機(jī)肥處理Shannon指數(shù)均顯著高于其他處理，其大小順序?yàn)?0%有機(jī)肥>30%有機(jī)肥>秸稈還田>無(wú)肥>化肥。Shannon指數(shù)的結(jié)果表明，有機(jī)肥與化肥配施以及秸稈還田配施化肥處理的群落豐富度均高于化肥和無(wú)肥處理，單施化肥處理最低。McIntosh指數(shù)的結(jié)果表明有機(jī)肥與化肥配施處理（60%有機(jī)肥和30%有機(jī)肥處理）的物種均勻度最高，其次為化肥和無(wú)肥處理，而秸稈還田處理最低，表明其均勻度與群落豐富度之間有著不一致的表現(xiàn)。

2.3 水稻根際土壤微生物群落代謝功能主成分分析

利用培養(yǎng)72 h后測(cè)定的AWCD數(shù)據(jù)，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，利用相關(guān)文獻(xiàn)提供的方法進(jìn)行了主成分分析（Kela et al.，2007；Grove et al.，2004；Min et al.，2007；Wolfgang et al.，1997）。早稻和晚稻成熟期，根據(jù)提取的主成分個(gè)數(shù)一般要求累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85%的原則（Hao et al.，2003），共提取了9個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)85.73%、86.67%。其中早稻成熟期第1主成分（PC1）的方差貢獻(xiàn)率為35.42%，第2主成分（PC2）為15.26%，第3～9主成分貢獻(xiàn)率均較小，分別為8.42%、6.14%、5.37%、4.17%、4.11%、3.72%和3.12%；晚稻成熟期PC1的方差貢獻(xiàn)率為37.68%，PC2為16.34%，第3～9主成分貢獻(xiàn)率均較小，分別為7.57%、5.56%、5.14%、4.02%、3.79%、3.53%和3.04%，因此本文只對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行分析（圖2）。結(jié)果表明，不同施肥處理在PC軸上出現(xiàn)明顯的分異，在PC1軸上各處理分布分散，秸稈還田處理主要分布在負(fù)方向，而化肥、60%有機(jī)肥和30%有機(jī)肥處理主要分布在PC1軸正方向；PC2軸上秸稈還田處理分布在負(fù)方向，60%有機(jī)肥和30%有機(jī)肥處理分布在正方向，其中化肥處理在PC2正負(fù)軸上均有分布。整體來(lái)看，不同施肥處理間土壤微生物群落存在較大的差異。

對(duì)PC1和PC2具有較高相關(guān)性的19個(gè)碳源的分析結(jié)果表明，對(duì)PC1和PC2差異起作用的主要碳源是氨基酸和糖類物質(zhì)（表2）。氨基酸類碳源在PC1的權(quán)重較大，而與PC2相關(guān)性較大的碳源主要是糖類；氨基酸類、糖類碳源是區(qū)分各施肥處理的主要碳源。

本文對(duì)不同施肥處理具體利用的前5種碳源進(jìn)行了分析（表3）。不同處理的根際土壤微生物雖然利用的主要都是糖類、氨基酸類以及少量其他物質(zhì)，但各處理間所存在的相同之處較少，這表明不同施肥處理對(duì)根際土壤微生物利用碳源情況存在明顯的影響。

2.4 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)變化

圖2 早稻和晚稻成熟期不同施肥處理根際土壤微生物碳源利用類型的主成分分析Fig. 2 Principal components for carbon utilization of rhizospheric soil microbial communities in different fertilizer treatments at early and late rice maturity stage

表2 與PC1和PC2相關(guān)顯著的主要培養(yǎng)基Table 2 Correlation coefficients between main substrates and PC1 or PC2

各處理間土壤pH值無(wú)顯著性差異。與無(wú)肥處理相比，施用有機(jī)肥顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量（表4）。其中，60%有機(jī)肥處理稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均為最高，分別比無(wú)肥處理增加28.0 g·kg-1、1.77 g·kg-1、157.0 mg·kg-1、234.21 mg·kg-1和14.0 mg·kg-1；較化肥、秸稈還田和無(wú)肥處理，30%有機(jī)肥處理提高了土壤的養(yǎng)分含量，但其含量均低于60%有機(jī)肥處理。秸稈還田和化肥處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量均顯著高于無(wú)肥處理，而有效磷與無(wú)肥處理無(wú)顯著性差異。

表3 各處理利用的主要碳源Table 3 Main carbon substrates utilized by rhizospheric soil microbial communities for different fertilizer treatments

3 討論

AWCD的高低可用來(lái)表征微生物對(duì)碳源的利用率高低，可作為土壤微生物活性有效指標(biāo)。本研究在指數(shù)分析時(shí)利用的是培養(yǎng)72 h的吸光值結(jié)果，與侯曉杰等（2007）655-661、張逸飛等（2006）研究中所采用的時(shí)間和方法并不一致。在本研究中，水稻根際土壤微生物經(jīng)過24 h延滯期適應(yīng)Biolog微平板提供的環(huán)境，然后對(duì)數(shù)生長(zhǎng)至72 h，之后生長(zhǎng)減緩步入穩(wěn)定期（圖1），本研究利用72 h培養(yǎng)后的AWCD值進(jìn)行分析是適當(dāng)?shù)摹Ｇ叭搜芯勘砻鳎┯脦视欣诰S持根際土壤微生物的多樣性及活性（朱海平等，2003）140-142。侯曉杰等（2007）655-661報(bào)道單施氮肥、氮肥磷肥配施條件下，微生物對(duì)碳源利用率較低。本研究結(jié)果表明，不同施肥措施對(duì)根際土壤微生物群落碳源利用能力具有明顯的影響。有機(jī)肥與化肥配施以及施用化肥處理土壤AWCD顯著高于無(wú)肥處理，表明這些處理有利于維持根際土壤微生物的碳源利用能力，提高了土壤碳的利用能力，這可能是由于長(zhǎng)期有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配施有較好的土壤培肥效果（表4），能為土壤微生物提供較多的能源和養(yǎng)分，促進(jìn)了土壤微生物的活性和多樣性。施用化肥處理提高了根際土壤微生物對(duì)碳源的利用率，這可能是本研究的土壤質(zhì)地（紅黃泥水稻土）、土壤理化因素、種植制度（大麥-雙季稻）與其他研究有所不同所導(dǎo)致的結(jié)果（侯曉杰等，2007）655-661。而秸稈還田處理土壤AWCD均低于無(wú)肥處理，其原因可能是秸稈還田后無(wú)機(jī)N、P相對(duì)缺乏且C/N比高，養(yǎng)分釋放緩慢，微生物分解慢，從而降低了土壤微生物活性和多樣性（李新愛等，2006）。另外，秸稈還田處理可能改變了根際土壤微生物的優(yōu)勢(shì)種群，引起其對(duì)所測(cè)試碳源的利用率降低。

表4 長(zhǎng)期施肥對(duì)稻田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響（0～20 cm）Table 4 Effects of different long-term fertilizer managements on soil chemical properties （0～20 cm）

Richness、Shannon和McIntosh指數(shù)分析結(jié)果表明，不同施肥處理對(duì)稻田根際土壤微生物群落多樣性有顯著的影響，根際土壤微生物物種的數(shù)量、各個(gè)物種均勻度在不同施肥處理間存在明顯的差異。其中，有機(jī)肥與化肥配合施用（60%和30%有機(jī)肥處理）有利于提高根際土壤微生物群落物種數(shù)量、各物種均勻度，這可能是由于有機(jī)肥的C/N有利于根際土壤微生物的生長(zhǎng)；且有機(jī)肥為微生物提供了較多的能源與養(yǎng)分，促進(jìn)了根際土壤微生物大量繁殖（Tang et al.，2014），加快微生物的新陳代謝。秸稈還田處理雖然能增加微生物物種數(shù)量，但降低了物種均勻度指數(shù)，可能是由于長(zhǎng)期秸稈還田促進(jìn)了某些微生物種群（偏于利用植物殘?bào)w的種群）生長(zhǎng)代謝，而抑制了其他微生物種群的生長(zhǎng)代謝，致使根際土壤群落均勻度下降（羅希茜等，2009）740-748。施用化肥處理降低了根際土壤微生物物種的數(shù)量、各個(gè)物種均勻度，這可能是由于長(zhǎng)期單獨(dú)施用化肥導(dǎo)致土壤所提供的生物有效碳源較少，維護(hù)較低的土壤微生物活性，從而降低了根際土壤微生物群落的多樣性。有機(jī)肥與化肥配施能顯著提高根際土壤微生物活性，使其碳源利用能力大大增強(qiáng)，其群落多樣性也得到提高，土壤中有機(jī)質(zhì)得到充分利用。秸稈還田處理雖然提高了根際微生物群落的物種豐富度，但降低了根際微生物利用碳源的能力以及群落物種均勻度，這可能與其土壤碳、氮利用下降原因有關(guān)。

Garland et al.（1991）2351-2359認(rèn)為各試驗(yàn)樣本在PC空間不同PC軸坐標(biāo)的差異是與對(duì)聚集在該P(yáng)C軸上碳源利用能力相聯(lián)系的。在本試驗(yàn)的主成分分析中，共提取了9個(gè)主成分，但只對(duì)前2個(gè)主成分進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，不同施肥處理根際土壤微生物的碳源利用能力存在顯著差異（圖2），體現(xiàn)了不同施肥處理對(duì)土壤碳庫(kù)具有不同影響。氨基酸類和糖類物質(zhì)是本試驗(yàn)雙季稻田根際土壤微生物主要利用的碳源（表2），但不同施肥處理根際土壤微生物所利用的氨基酸和糖類物質(zhì)存在明顯差異（表3），可作為劃分各處理對(duì)根際土壤微生物影響的依據(jù)（Ekkehard et al.，1997；Gabriela et al.，2006）。本研究結(jié)果表明，與單施化肥處理相比，長(zhǎng)期有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配合施用處理（60%、30%有機(jī)肥和秸稈還田處理）顯著提高了根際土壤氨基酸和單糖的數(shù)量，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用有機(jī)肥和秸稈還田將到時(shí)可被微生物利用的碳源趨于穩(wěn)定，促進(jìn)偏好以氨基酸類和單糖糖類物質(zhì)為碳源的微生物群落的發(fā)育，從而增加了有機(jī)肥處理稻田土壤中以氨基酸類和單糖糖類物質(zhì)為主要碳源的根際土壤微生物群落，這與張繼宏等（1995）研究結(jié)果相一致。

土壤微生物群落功能多樣性變化不僅受施肥影響，還與土壤養(yǎng)分密切相關(guān)，孫瑞蓮等（2004）發(fā)現(xiàn)，化肥與有機(jī)肥長(zhǎng)期配合施用能明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，促進(jìn)微生物代謝和繁育，可為作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造良好的土壤生態(tài)環(huán)境。朱海平等（2003）140-142研究結(jié)果表明，不同培肥管理措施影響土壤養(yǎng)分含量和微生物生態(tài)特征，其中施用豬廄肥影響較大，化肥影響較小。本研究結(jié)果表明，各施肥處理間土壤微生物群落功能多樣性受土壤養(yǎng)分含量影響較大。與單施化肥處理相比，在雙季稻區(qū)稻田長(zhǎng)期進(jìn)行有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配合施用處理（60%、30%有機(jī)肥和秸稈還田處理）可不同程度地增加土壤微生物群落功能多樣性，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)物與化肥長(zhǎng)期配施對(duì)土壤具有較好的培肥效果（表4），能為土壤微生物提供較多的能源和養(yǎng)分，促進(jìn)了土壤微生物大量繁殖，增加土壤微生物群落功能多樣性，這與前人的研究結(jié)果相一致（李娟等，2008）；同時(shí)，所施用的肥料促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，大量留田根茬和秸稈還田提高了微生物的活性，促進(jìn)了土壤微生物的繁殖。而長(zhǎng)期單獨(dú)施用化學(xué)肥料對(duì)土壤微生物群落功能多樣性影響較小，這是因?yàn)樗旧L(zhǎng)消耗大部分養(yǎng)分且植株生長(zhǎng)狀況較差，根系及殘留物均較少，且長(zhǎng)期施用化肥，尤其是無(wú)機(jī)氮肥，使土壤C/N比降低，加速了土壤中原有有機(jī)碳分解，影響了土壤養(yǎng)分含量和微生物活性（徐陽(yáng)春等，2000）。

在本研究中，僅開展了不同施肥處理對(duì)雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響研究，而不同施肥處理對(duì)稻田非根際土壤微生物群落功能多樣性的影響及根際和非根際土壤間的差異還需作進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

有機(jī)肥與化肥配合施用以及施用化肥處理稻田根際土壤微生物對(duì)碳源的利用程度均有所升高，而秸稈還田處理根際土壤微生物對(duì)碳源的利用程度有所下降。所有施肥處理均有利于維持稻田根際土壤微生物群落多樣性，特別是有機(jī)肥與化肥配施能提高根際土壤微生物的物種豐富度和群落均勻度，但秸稈還田降低了根際土壤微生物群落均勻度。各施肥處理土壤微生物群落功能多樣性與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系密切。土壤微生物碳源利用的主成分分析結(jié)果表明，不同施肥處理根際土壤微生物主要利用氨基酸類和糖類碳源，各施肥處理稻田根際土壤微生物群落在碳源利用上存在較大的差異，施肥明顯加劇了各處理間的變異程度，增加了根際土壤微生物群落的變異性。

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Effects of Long-term Different Fertilization Regimes on the Rhizospheric Microbial Community Functional Diversity in Paddy Field

TANG Haiming*， XIAO Xiaoping， LI Weiyan， SUN Geng， CHENG Kaikai
Hunan Soil and Fertilizer Institute， Changsha 410125， China

Abstract:Microbial community functional diversity is a sensitive indicator of soil quality； soil management such as fertilization regimes which can affect the microbial community functional diversity of paddy fields. In this paper， the average well color development （AWCD） in BIOLOG plates indicated the ability of rhizosphere microbial community to utilize carbon. The indices of Richness， Shannon and McIntosh were calculated to show the richness and evenness of the functional diversity， while the principal component analysis （PCA） of substrate reaction reflected the main carbon source utilized by rhizosphere microbial community. Our objective was to explore the rhizosphere microbial community functional diversity of a paddy field at early and late rice mature stages under different long-term fertilization regimes in a double cropping rice system. A long-term experiment was established in 1986 in Ningxiang county of Hunan Province， China， and five different fertilizer treatments were applied: （1） no fertilizer input （CK），（2） mineral fertilizer alone （MF）， （3） rice residue plus mineral fertilizer （RF）， （4） 30% organic matter and 70% mineral fertilizer （OM1）， and （5） 60% organic matter and 40% mineral fertilizer （OM2）. We analyzed the rhizosphere microbial community functional diversity of the fields with the above five treatments using BIOLOG system. The results showed that both applications of organic manure mixed with chemical fertilizer， and chemical fertilizer alone caused high increase of the AWCD while straw incorporation had less effect on the AWCD， which effect was even lower than in the treatment without fertilizer. It was implied that long-term fertilization regime resulted in the variation of the carbon utilization efficiency of rhizosphere soil microbial communities. In addition，the indices of McIntosh under different fertilization regimes were ordered as follows: OM2>OM1>MF>CK>RF at mature stages of early and late rice. And the indices of Richness， Shannon under different fertilization regimes were ordered as follows: OM2>OM1>RF>CK>MF at mature stages of early and late rice. PCA analysis indicated that there were different carbon-substrate-utilization patterns among different fertilizer treatments. Carbohydrates and Amino acids were the main carbon resources utilized by rhizosphere microbes. There were significant differences in carbon-substrate-utilization patterns among different fertilizer treatments. Therefore， the combined application of chemical fertilizer and recycled organic manure could significantly increase the rhizosphere microbial community functional diversity of paddy fields at mature stages of early and late rice.

Key words:double rice； long-term fertilization regime； rhizospheric soil； community functional diversity

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.006

中圖分類號(hào)：S154.36； X17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）03-0402-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31201178；31571591）；湖湘青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：唐海明（1980年生），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)楦魃鷳B(tài)與農(nóng)作制。E-mail: tanghaiming66@163.com

*通信作者

收稿日期：2015-12-04