藍興福,王曉彤,許旭萍,*,陳曉旋,陳優(yōu)陽,王維奇,3

1 福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福州 350108 2 福建師范大學(xué)地理研究所,福州 350007 3 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室,福州 350007

土壤碳庫是陸地系統(tǒng)中最大的碳庫,全球表層土壤中碳儲量大約在7.00×1017—29.46×1017g之間,占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的2/3—3/4[1]。土壤碳庫對維持全球碳平衡與減緩溫室效應(yīng)意義重大。土壤中活性有機碳組分是土壤有機碳的重要組成,其直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程,對外界環(huán)境變化的響應(yīng)較為敏感,外界環(huán)境的微小變化都能導(dǎo)致土壤碳庫組分發(fā)生改變[2-3]。土壤pH、容重、全氮等環(huán)境因子對土壤碳庫組分的影響尤為明顯[4]。由于活性有機碳組分具有較高的動態(tài)性和活性,與土壤有機碳總量比較,活性有機碳組分更能夠表征土壤質(zhì)量的變化[5],在維持生態(tài)功能和養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著更為關(guān)鍵的作用。土壤微生物在物質(zhì)交換與生物化學(xué)轉(zhuǎn)換中具有重要作用,土壤微生物的固碳機制主要包括兩種：其一,生物體死亡后,形成難以降解的物質(zhì)如木質(zhì)素、幾丁質(zhì)等碳源物質(zhì);其二,通過提高自身的活性,加快有機質(zhì)的分解利用,從而積累有機碳[6]。生物學(xué)固碳作用不僅受到微生物生物量及群落組成結(jié)構(gòu)等方面的直接影響,而且還受到土壤理化因子的間接影響[7]。但是,究竟是微生物自身影響土壤碳庫組分,還是環(huán)境因子影響土壤碳庫組分,或是兩者共同作用,目前尚不清楚,需要進一步研究。

近年來,研究人員已經(jīng)探索出許多策略來提高土壤固碳能力。例如,Wang等人研究發(fā)現(xiàn)在稻田中施加生物炭和爐渣等特殊材料可以提高糧食產(chǎn)量和減少溫室氣體的排放[8]。生物炭是由農(nóng)林廢棄物在厭氧條件下熱裂解產(chǎn)生的含碳豐富的固態(tài)穩(wěn)定物質(zhì),具有巨大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和很強的吸附能力等特性,有利于固碳[9]。爐渣來源于鋼鐵工業(yè)的廢棄物,含有豐富的三價鐵,可以通過氧化鐵對土壤有機碳的保護作用提高土壤有機碳庫。當(dāng)前,爐渣和生物炭已經(jīng)被廣泛用于土壤改良劑[10],但是關(guān)于生物炭與爐渣混合施加對稻田土壤碳庫組成及其穩(wěn)定性的影響研究較少,探討生物炭與爐渣施加處理對稻田土壤碳庫與微生物數(shù)量長時間尺度的影響效應(yīng)更是鮮見報道。

土壤是微生物的主要生存環(huán)境,土壤微生物是養(yǎng)分和土壤有機質(zhì)動態(tài)的主要調(diào)控者,土壤有機碳主要受細菌、真菌的影響,那么土壤中細菌、真菌的數(shù)量以及它們的比值是否會對土壤碳庫穩(wěn)定性造成一定影響,這值得我們進行深入系統(tǒng)的研究?；诖?本文以福州平原紅壤稻田為研究對象,選擇生物炭和爐渣為施加物質(zhì),探討爐渣和生物炭單一施加和混合施加處理對水稻拔節(jié)期和成熟期碳庫組分及其相關(guān)微生物的長期影響,并分析微生物與土壤碳庫穩(wěn)定性之間的相關(guān)性,為明確爐渣和生物炭影響稻田土壤碳庫的微生物學(xué)機制提供理論依據(jù),對稻田的可持續(xù)生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

田間實驗在福建省農(nóng)科院吳鳳村水稻研究所內(nèi)進行(26.1°N,119.3°E),該實驗基地共有水稻田7 hm2[11],該實驗區(qū)位于閩江河口福州平原的南分支,地處烏龍江的北岸,海拔一般為3—5m,典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,氣溫適宜,溫暖濕潤,年均降水量為1392 mm,年均氣溫為19.6℃。實驗田一般采用早稻-晚稻-蔬菜的輪種模式,早稻生長期在4—7月,晚稻生長期7—11月[12]。

1.2 施加物

爐渣來源于福建金星鋼鐵公司,主要含有CaO(35.7%)、SiO2(27.7%)、Fe2O3(6.2%)、MgO(4.3%)、K2O(2.7%)、SO3(1.3%)、P2O5(0.1%)。生物炭的制備材料為水稻秸稈,來源于江蘇省南京市勤豐秸稈科技有限公司,采用炭化爐和亞高溫缺氧干餾技術(shù)制備,制備溫度為600℃,90 min。主要含有C(56.6%,質(zhì)量分數(shù),下同)、N(1.4%)、P(1.0%)、K(1.8%)、Mg(1.0%)、S(0.6%)、Ca(0.5%)和Fe(0.2%)。爐渣和生物炭都是堿性物質(zhì),pH分別為(11.97±0.01)和(10.34±0.02)。

1.3 實驗設(shè)計

爐渣和生物炭使用前均過2 mm篩處理[8]。在水稻移栽之前一次性施加到(0—15 cm)犁耕層土壤中,并進行充分混勻。每個處理設(shè)置3個重復(fù),共12個小區(qū),每個小區(qū)面積10 m2隨機區(qū)組排列。各小區(qū)之間用0.5 cm厚、30 cm高的PVC板隔開,防止各個小區(qū)之間進行水和營養(yǎng)物質(zhì)的交換。本研究中的主要施加肥料為復(fù)合肥(N-P2O5-K2O,16∶16∶16)和尿素(46%),底肥在移栽前一天施加,施加量分別為42 kg/hm2(以N計)、40 kg/hm2(以P2O5計)和40 kg/hm2(以K2O計),分蘗肥在移栽大約1周后施加,施加量分別為35 kg/hm2(以N計)、20 kg/hm2(以P2O5計)和20 kg/hm2(以K2O計),穗肥在大約8周后施加,施加量分別為18 kg/hm2(以N計)、10 kg/hm2(以P2O5計)和10 kg/hm2(以K2O計)[13]。實驗前對翻耕后的土地進行人工整平,以保持土壤的均一性。本實驗分別于2015年早稻和晚稻種植前進行生物炭、爐渣的施加處理,其中4個處理分別為：對照組(0 t/hm2爐渣+0 t/hm2生物炭)、爐渣(8 t/hm2爐渣)、生物炭(8 t/hm2生物炭)、混施(8 t/hm2爐渣+8 t/hm2生物炭)。各個處理之間均施加相同質(zhì)量的復(fù)合肥和尿素。2016年和2017年不進行生物炭、爐渣的施加處理,各處理之間只施加相同質(zhì)量的復(fù)合肥和尿素。

1.4 樣品采集與測定

分別于2017年的早稻拔節(jié)期、早稻成熟期、晚稻拔節(jié)期、晚稻成熟期,在每個樣地分別用采樣器采集犁耕層(0—15 cm)的土壤,用自封袋裝好,帶回實驗室,挑去石塊,植物根系等雜物。一部分土放實驗室自然風(fēng)干,用于理化分析,另一部分放入-20℃的冰箱保存用于后續(xù)微生物數(shù)量測定。土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)測定采用土壤碳氮元素分析儀(Elementar Vario MAX CN, Germany);溶解性有機碳(DOC)采用去離子水浸提,用TOC-VCPH分析儀測定[14];微生物生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸0.5 mol/L硫酸鉀浸提法,浸提液中有機碳濃度用TOC-VCPH分析儀測定,并根據(jù)MBC=EC/0.38(EC為熏蒸與未熏蒸土壤有機碳含量差值)公式計算[15];易氧化碳(EOC)含量采用333 mmol/L KMnO4氧化比色法測定[16]。土壤容重采用環(huán)刀法測定,含水量采用烘干法測定[17]。電導(dǎo)率、土溫采用便攜式電導(dǎo)計(2265FS,USA)測定。土壤pH值采用水土質(zhì)量比為5∶1,搖床振蕩30 min,靜置后用便攜式pH計(PHS-3C,中國)測定。真菌數(shù)量采用馬鈴薯-葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基,細菌數(shù)量采用LB瓊脂培養(yǎng)基,進行平板菌落計數(shù)[18],測定每克干土含菌量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Excel 2013、Origin 8.0、SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析,采用Excel 2013計算原始數(shù)據(jù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差,用Origin 8.0軟件進行作圖,采用SPSS 20.0中的單因素方差分析對土壤中碳組分、真菌數(shù)量、細菌數(shù)量、理化因子進行差異顯著性分析。環(huán)境因子、土壤碳組分、真菌、細菌數(shù)量的相關(guān)性分析采用SPSS 20.0的Pearson相關(guān)性分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 爐渣與生物炭施加對稻田土壤有機碳和活性有機碳的影響

分別于2017年早、晚稻拔節(jié)期和成熟期(即爐渣與生物炭施加處理2年后),采集土壤樣品,測定土壤中的有機碳(SOC)及溶解性有機碳(DOC)、易氧化碳(EOC)、微生物生物量碳(MBC)等活性有機碳的含量,結(jié)果見圖1。

圖1 爐渣與生物炭施加處理對稻田土壤有機碳含量的影響Fig.1 Effects of slag and biochar treatments on soil organic carbon content in paddy soil 圖中不同大寫字母表示同一時期不同施加處理間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一處理不同時期間差異顯著(P<0.05)

土壤有機碳(SOC)含量如圖1所示,對照組SOC含量的平均值為(15.36±0.07) g/kg,爐渣施加處理為(15.96±0.30) g/kg,生物炭施加處理為(16.80±0.07) g/kg,混施處理為(16.25±0.03) g/kg。從早晚稻SOC含量的平均值來看,3種施加處理都能增加稻田土壤SOC含量。但是,施加處理對不同水稻生長時期SOC含量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,與對照相比,爐渣和混施處理分別增加了4.28%和4.32%,達到顯著差異(P<0.05)。在早稻成熟期,與對照相比生物炭處理SOC含量增加了13.43%(P<0.05)。在晚稻拔節(jié)期,生物炭處理SOC含量增加了17.08%(P<0.05)。在晚稻成熟期,與對照相比,爐渣、生物炭、混施處理SOC含量分別增加了7.10%、6.28%、14.15%(P<0.05)。

溶解性有機碳(DOC)含量如圖1所示,對照組DOC含量的平均值為(37.16±3.40) mg/kg,爐渣施加處理為(27.42±2.53) mg/kg,生物炭施加處理為(36.92±3.23) mg/kg,混施處理為(22.75±2.99) mg/kg。與對照相比,爐渣、生物炭均無顯著差異(P>0.05),而混施處理顯著降低了稻田土壤DOC的含量,降低比例為38.79%(P<0.05)。但是,施加處理對不同水稻生長時期DOC含量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,與對照相比爐渣、混施處理分別減少了32.36%、41.33%,達到差異顯著(P<0.05)。在早稻成熟期,與對照相比爐渣處理降低比例達28.44%(P<0.05)。在晚稻拔節(jié)期,與對照相比混施處理降低比例為46.39%(P<0.05)。在晚稻成熟期,與對照相比混施處理降低比例為40.22%(P<0.05)。

易氧化碳(EOC)含量如圖1所示,對照組EOC含量的平均值為(4.82±0.40) g/kg,爐渣施加處理為(4.86±0.53) g/kg,生物炭施加處理為(4.76±0.32) g/kg,混施處理為(4.40±0.24) g/kg。與對照相比,爐渣、生物炭、混合施加均未達到差異顯著(P>0.05)。但是,施加處理對水稻不同生長時期稻田土壤EOC含量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,與對照相比爐渣與混施分別降低了19.77%,19.79%(P<0.05)。在早稻成熟期,與對照相比,爐渣、生物炭、混施分別降低了28.19%,32.27%,55.00%(P<0.05)。在晚稻拔節(jié)期,與對照相比混合施加增加了34.30%(P<0.05)。在晚稻成熟期,與對照相比爐渣處理增加了41.89%(P<0.05)。

微生物生物量碳(MBC)含量如圖1所示,對照組MBC含量的平均值為(297.81±29.21) mg/kg,爐渣施加處理為(327.66±47.26) mg/kg,生物炭施加處理為(289.04±46.89) mg/kg,混施處理為(301.32±40.50) mg/kg。與對照相比,爐渣、生物炭、混合施加均未達到差異顯著(P>0.05)。在晚稻成熟期,與對照相比爐渣處理增加了32.52%(P<0.05)。

以上結(jié)果顯示,混施處理2年后,仍可使稻田土壤的SOC含量較對照有顯著增加,而DOC含量則較對照有顯著降低(P<0.05),說明混合施加處理可提高土壤碳庫的穩(wěn)定性,并且具有持續(xù)效應(yīng)。

2.2 爐渣與生物炭施加對水稻土微生物數(shù)量的影響

于2017年早、晚稻生長的拔節(jié)期和成熟期(施加處理2年后)采集土壤樣品,分別測定細菌數(shù)量和真菌數(shù)量,結(jié)果見圖2。

圖2 爐渣與生物炭施加處理對土壤微生物數(shù)量及比值的影響Fig.2 Effect of slag and biochar application on the amount and ratio of soil microorganisms 圖中不同大寫字母表示同一時期不同施加處理間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一處理不同時期間差異顯著(P<0.05)

土壤細菌數(shù)量如圖2所示：對照組細菌數(shù)量平均值為(1.54×107±0.11×107) CFU/g,爐渣施加處理為(2.09×107±0.14×107) CFU/g,生物炭施加處理為(2.06×107±0.10×107) CFU/g,混施處理為(2.12×107±0.18×107) CFU/g。從早、晚稻拔節(jié)期和成熟期細菌數(shù)量的均值來看,爐渣、生物炭、混施處理都增加了細菌數(shù)量。但是,施加處理對不同水稻生長時期土壤細菌數(shù)量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,爐渣、生物炭、混合施加處理使土壤細菌數(shù)量分別增加了33.31%、30.28%、20.11%,但與對照之間差異不顯著(P>0.05)。在早稻成熟期,對照與爐渣、生物炭、混合施加處理之間差異顯著,3種施加處理都顯著增加了土壤細菌數(shù)量(P<0.05),增加比例分別為53.44%、44.51%、47.34%。在晚稻拔節(jié)期,爐渣處理土壤細菌數(shù)量顯著高于對照(P<0.05),增加比例為36.85%。在晚稻成熟期,與對照相比,生物炭和混施處理增加了細菌數(shù)量(P<0.05),增加比例分別為45.31%、71.89%。

土壤真菌數(shù)量如圖2所示：對照組真菌數(shù)量平均值為(8.77×104±0.51×104) CFU/g,爐渣施加處理為(9.83×104±0.71×104) CFU/g,生物炭施加處理為(8.29×104±0.69×104) CFU/g,混施處理為(8.24×104±0.71×104) CFU/g。從總體看來只有爐渣施加處理增加了真菌數(shù)量,生物炭、混施處理真菌數(shù)量略有下降。但是施加處理對水稻不同生長時期真菌數(shù)量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,對照與爐渣、生物炭、混合施加處理之間差異不顯著(P>0.05)增加比例分別為3.29%、11.26%、13.88%。在早稻成熟期,爐渣處理顯著增加了土壤真菌數(shù)量(P<0.05),增加比例為17.11%。在晚稻拔節(jié)期,爐渣與混施處理顯著降低了土壤真菌數(shù)量(P<0.05),減少比例分別為24.74%、32.89%。在晚稻成熟期,爐渣、生物炭、混合施加處理都增加了土壤真菌的數(shù)量均未達到差異顯著(P>0.05),增加比例分別達到28.09%、9.10%、7.00%。

土壤真菌/細菌比值如圖2所示：對照處理真菌/細菌比值的平均值為5.76×10-3±0.53×10-3,爐渣處理為4.90×10-3±0.57×10-3,生物炭處理為4.12×10-3±0.25×10-3,混施處理為4.10×10-3±0.49×10-3。在早稻拔節(jié)期與對照相比,3種處理差異均不顯著(P>0.05)。在早稻成熟期,與對照相比,3種處理的真菌/細菌比值均顯著降低(P<0.05),分別降低了25.21%、33.90%、41.68%。在晚稻拔節(jié)期,與對照相比,3種處理的真菌/細菌比值均顯著降低(P<0.05),分別降低了21.06%、31.47%、42.82%。在晚稻成熟期,對照與各施加處理之間差異不顯著(P>0.05)。

2.3 環(huán)境因子與稻田土壤有機碳含量及微生物的相關(guān)性

爐渣與生物炭施加處理條件下土壤理化因子與活性有機碳含量及微生物之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示。由表1可知,SOC含量與碳/氮比值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與總氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與容重呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。DOC含量與土溫、含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與容重、pH呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。MBC含量與電導(dǎo)率呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。EOC含量與pH呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。細菌數(shù)量與pH呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土溫呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。真菌數(shù)量與含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤容重呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。真菌/細菌比值與含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤容重呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與土溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表1 環(huán)境因子與土壤有機碳、細菌和真菌的Pearson相關(guān)性

*P<0.05,**P<0.01;SOC：土壤有機碳,soil organic carbon; DOC：溶解性有機碳,dissolved organic carbon;EOC：易氧化碳,easily oxidized carbon;MBC：微生物生物量碳,microbial biomass carbon

2.4 稻田土壤有機碳含量與微生物的相關(guān)性

稻田土壤有機碳含量與微生物的相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示。由表2可知,細菌數(shù)量與DOC含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與MBC含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與EOC含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。真菌數(shù)量與真菌/細菌比值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。真菌/細菌比值與DOC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表2 有機碳與土壤微生物的Pearson相關(guān)性

*P<0.05,**P<0.01; SOC：土壤有機碳,soil organic carbon; DOC：溶解性有機碳,dissolved organic carbon;EOC：易氧化碳,easily oxidized carbon;MBC：微生物生物量碳,microbial biomass carbon

3 討論

3.1 爐渣與生物炭施加對稻田土壤有機碳的后續(xù)效應(yīng)影響

Wang等人[19]在施加當(dāng)年分析了稻田土壤中各種碳組分的含量,發(fā)現(xiàn)生物炭、爐渣單一施加和混合施加處理,均可提高早、晚稻土壤SOC、DOC、MBC的含量,但降低了EOC的含量。本研究在施加處理2年后(2017年),再次檢測土壤中各有機碳的含量,結(jié)果顯示施加處理組的SOC含量仍然高于對照組,DOC含量較對照組低,與對照組相比,施加處理提高了早稻土壤EOC含量,但降低晚稻土壤EOC含量。各施加處理組晚稻MBC含量較對照組高。說明爐渣與生物炭具有較為長期尺度上的碳固定與穩(wěn)定作用。

稻田施加爐渣與生物炭2年后,于2017年對土壤SOC含量進行檢測,發(fā)現(xiàn)各施加處理組土壤中SOC含量保持相對穩(wěn)定,這是因為生物炭礦化速率很低[20]。與對照相比處理組SOC的含量有顯著提高,其作用機制初步認為是由于爐渣中鐵離子、鈣離子與碳結(jié)合形成鐵結(jié)合態(tài)碳和鈣結(jié)合態(tài)碳,在一定程度上增加了SOC穩(wěn)定性,從而促進土壤碳的固持;其次在水稻生長過程中,爐渣和生物炭的施加可以增加土壤中氮的輸入,促進植物根系的生長,根系的生長過程中會分泌出大量營養(yǎng)物質(zhì),微生物可以直接利用這一部分營養(yǎng)物質(zhì),減少對土壤中碳源的利用,從而進一步影響SOC[21]。本研究進一步顯示土壤SOC與土壤容重呈顯著負相關(guān),這與鄧艷林等[22]的研究相似,主要是由于容重通過影響土壤通透性進一步影響植物生長,從而增加植物向土壤中的碳輸入。另外在通氣性較好的條件下,植物殘體分解較快,可以向土壤中輸入更多的碳。DOC主要來源于表層有機質(zhì)的淋洗、溶解,同時也是微生物可以直接利用的碳源。本研究發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期的DOC含量比成熟期的高,一方面在拔節(jié)期土壤長期處于淹水狀態(tài)會使土壤孔隙中豐富的DOC釋放到水中,造成土壤中DOC的流失[23]，另一方面土壤DOC含量同樣也受人為耕作條件、微生物活性等一系列因素控制[24]。表1顯示土壤DOC與土溫呈極顯著正相關(guān),這與Toosi等[25]的研究結(jié)果一致,主要是因為溫度高有利于有機質(zhì)的分解從而促進土壤可溶性有機碳含量的增加。EOC是土壤有機碳中最容易被氧化的活性有機碳,其含量與SOC含量密切相關(guān)。土壤中SOC含量高的時期,其EOC的含量也相對較高。圖1顯示在早稻生長期爐渣、生物炭、混施處理EOC的含量都比對照低,主要因為爐渣和生物炭的施加使土壤的pH升高,pH值可以影響土壤微生物的活性和類群,從而進一步影響EOC的循環(huán)[26]。另外外源物質(zhì)施加之后,作為重要的膠結(jié)物質(zhì)可以增強土壤有機碳保護機制的形成,如團聚體物理保護、鐵鋁化學(xué)保護以及微生物作用的影響,進而逐步使得活性碳向惰性碳轉(zhuǎn)化。MBC主要是真菌、細菌等土壤微生物體內(nèi)結(jié)合的有機碳,是土壤中最活躍的有機碳,與土壤有機碳之間的轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。與對照組比,施加處理增加了MBC含量,主要是因為爐渣與生物炭施加后經(jīng)過一定時間的遷移、轉(zhuǎn)化,可以進一步改善土壤結(jié)構(gòu),形成一種適合于微生物生長的環(huán)境,從而促進了微生物生物量在施加兩年后進一步提高。本研究發(fā)現(xiàn)在早稻生長期對照組及各施加處理組MBC的含量都比晚稻的高,其原因可能是在上一年植物殘體分解為微生物提供了大量可利用的碳源,促進了微生物的繁殖,所以早稻的MBC含量高于晚稻的MBC[27]。另一方面,經(jīng)過早稻生長期,土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)被大量利用,導(dǎo)致微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)減少,從而導(dǎo)致MBC的含量也相對較少[28]。

3.2 爐渣與生物炭施加對稻田土壤微生物的影響

微生物是土壤有機質(zhì)的主要分解者,微生物的數(shù)量、活性及群落結(jié)構(gòu)變化會使微生物的代謝發(fā)生變化,從而進一步影響土壤中碳的儲量[29]。圖2顯示爐渣、生物炭、混合施加對土壤微生物的數(shù)量都有較大影響。拔節(jié)期真菌、細菌數(shù)量高于成熟期,這與王妙瑩等[13]的研究結(jié)果一致。水稻在拔節(jié)期生長旺盛,根系分泌出大量的營養(yǎng)物質(zhì)可供微生物利用，其次在拔節(jié)期土壤容重低,土壤通透性好,更有利于微生物的生長繁殖[30]。生物炭、爐渣呈堿性,施加生物炭、爐渣后可以提高土壤pH,在一定的程度上增加了細菌數(shù)量[31],爐渣中還含有大量的微量元素和礦物質(zhì),爐渣的施加可以補充土壤中的微量元素,從而提高細菌數(shù)量。早稻生長期和晚稻生長期相比,早稻的細菌數(shù)量明顯多于晚稻,其原因是經(jīng)過一兩個月的土地休整期,土壤中的細菌數(shù)量恢復(fù)到較高水平;其二是植物殘體腐爛為土壤提供了大量腐殖質(zhì),微生物利用這些營養(yǎng)物質(zhì)進行大量繁殖,這與宗慶姝等[32]研究一致。在2015年爐渣和生物炭施加當(dāng)年,本課題組曾對真菌數(shù)量、細菌數(shù)量進行過測定,結(jié)果顯示爐渣和生物炭施加會降低細菌和真菌的數(shù)量。初步認為爐渣中富含豐富的礦物質(zhì),缺乏有機質(zhì),施加后使土壤中微生物可利用的碳源減少,從而抑制微生物的生長繁殖[33]。而且施加的生物炭大多以穩(wěn)定芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積存在,表現(xiàn)出高度的微生物和化學(xué)惰性,施進土壤后難以被土壤微生物利用[34]。但是,施加處理2年后(2017年)的檢測結(jié)果顯示,早、晚稻生長期各處理組的細菌數(shù)量都高于對照組?？赡茉蚴菭t渣和生物炭施加后,土壤微生物逐漸適應(yīng)改變后的環(huán)境,加上生物炭富含微孔,可以使水分和養(yǎng)料保存在微孔中,可為微生物提供良好的生存環(huán)境,避免被其他生物捕食[35]。

3.3 稻田土壤有機碳含量、微生物及其與環(huán)境因子的關(guān)系

細菌數(shù)量對有機碳和環(huán)境變化敏感,其中MBC含量與細菌數(shù)量呈顯著正相關(guān),其原因是細菌是土壤中重要的微生物種類,也是MBC的主要貢獻者,因此,細菌數(shù)量越高,MBC含量也高。EOC和DOC分別與細菌數(shù)量呈顯著和極顯著負相關(guān),其原因可能是因為細菌數(shù)量增多時，土壤中的EOC和DOC被細菌大量利用,從而導(dǎo)致在土壤中的含量相對較少。土壤溫度與細菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān),土壤溫度升高,酶的活性加強,從而導(dǎo)致微生物的生命活動加強[36]。土壤中的木質(zhì)素和纖維素主要是通過真菌分解的,因此施加處理對真菌數(shù)量的影響較小。從圖2可以看出拔節(jié)期的真菌數(shù)量比成熟期的真菌數(shù)量都要多,其原因可能是在拔節(jié)期水稻田處于淹水狀態(tài)，而土壤濕度和通氣量可能是影響真菌最大的影響因素[37],其次在拔節(jié)期水稻的秸稈沒有完全降解,真菌可以直接利用這些秸稈作為碳源進行生長繁殖。此外,本研究發(fā)現(xiàn)低SOC的土壤中細菌、真菌的數(shù)量也相對較少,這些研究結(jié)果與近年來相關(guān)的研究結(jié)果基本一致[38]。真菌/細菌比值可作為土壤微生物群落變化的指標(biāo)。有研究表明,真菌/細菌的比值越高,土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康程度越高[39],本研究發(fā)現(xiàn)在水稻的拔節(jié)期真菌/細菌比值都比成熟期高,說明在拔節(jié)期土壤生態(tài)系統(tǒng)要比成熟期的好。

4 結(jié)論

(1)爐渣和生物炭單一施加和混合施加2年后,施加處理組土壤SOC含量較對照組仍有顯著提高;DOC、EOC、MBC含量與對照組差異不顯著。

(2)爐渣和生物炭單一施加和混合施加2年后,與對照組對比,施加處理組真菌數(shù)量、細菌數(shù)量增加并不顯著。單純比較細菌、真菌數(shù)量及其比值對土壤碳庫穩(wěn)定性的指示作用不強。

(3)真菌、細菌并未對土壤SOC產(chǎn)生明顯影響。細菌數(shù)量和DOC及EOC呈負相關(guān),說明細菌數(shù)量的升高不利于土壤碳庫的穩(wěn)定。

致謝：本研究在野外采樣與室內(nèi)分析過程中得到福建師范大學(xué)楊柳明老師,以及劉旭陽,金強同學(xué)的幫助,特此致謝。