藍(lán)興福,王曉彤,許旭萍,*,陳曉旋,陳優(yōu)陽(yáng),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(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007

土壤碳庫(kù)是陸地系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),全球表層土壤中碳儲(chǔ)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(chǔ)量的2/3—3/4[1]。土壤碳庫(kù)對(duì)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(jī)碳組分是土壤有機(jī)碳的重要組成,其直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程,對(duì)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(kù)組分發(fā)生改變[2-3]。土壤pH、容重、全氮等環(huán)境因子對(duì)土壤碳庫(kù)組分的影響尤為明顯[4]。由于活性有機(jī)碳組分具有較高的動(dòng)態(tài)性和活性,與土壤有機(jī)碳總量比較,活性有機(jī)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(jī)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(guò)提高自身的活性,加快有機(jī)質(zhì)的分解利用,從而積累有機(jī)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(kù)組分,還是環(huán)境因子影響土壤碳庫(kù)組分,或是兩者共同作用,目前尚不清楚,需要進(jìn)一步研究。

近年來(lái),研究人員已經(jīng)探索出許多策略來(lái)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(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的吸附能力等特性,有利于固碳[9]。爐渣來(lái)源于鋼鐵工業(yè)的廢棄物,含有豐富的三價(jià)鐵,可以通過(guò)氧化鐵對(duì)土壤有機(jī)碳的保護(hù)作用提高土壤有機(jī)碳庫(kù)。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(duì)稻田土壤碳庫(kù)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(duì)稻田土壤碳庫(kù)與微生物數(shù)量長(zhǎng)時(shí)間尺度的影響效應(yīng)更是鮮見(jiàn)報(bào)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(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)的主要調(diào)控者,土壤有機(jī)碳主要受細(xì)菌、真菌的影響,那么土壤中細(xì)菌、真菌的數(shù)量以及它們的比值是否會(huì)對(duì)土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性造成一定影響,這值得我們進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。基于此,本文以福州平原紅壤稻田為研究對(duì)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(duì)水稻拔節(jié)期和成熟期碳庫(kù)組分及其相關(guān)微生物的長(zhǎng)期影響,并分析微生物與土壤碳庫(kù)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(kù)的微生物學(xué)機(jī)制提供理論依據(jù),對(duì)稻田的可持續(xù)生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)在福建省農(nóng)科院吳鳳村水稻研究所內(nèi)進(jìn)行(26.1°N,119.3°E),該實(shí)驗(yàn)基地共有水稻田7 hm2[11],該實(shí)驗(yàn)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(rùn),年均降水量為1392 mm,年均氣溫為19.6℃。實(shí)驗(yàn)田一般采用早稻-晚稻-蔬菜的輪種模式,早稻生長(zhǎng)期在4—7月,晚稻生長(zhǎng)期7—11月[12]。

1.2 施加物

爐渣來(lái)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(lái)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?jǐn)?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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

爐渣和生物炭使用前均過(guò)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(jìn)行充分混勻。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共12個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積10 m2隨機(jī)區(qū)組排列。各小區(qū)之間用0.5 cm厚、30 cm高的PVC板隔開(kāi),防止各個(gè)小區(qū)之間進(jìn)行水和營(yíng)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(jì))、40 kg/hm2(以P2O5計(jì))和40 kg/hm2(以K2O計(jì)),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(jì))、20 kg/hm2(以P2O5計(jì))和20 kg/hm2(以K2O計(jì)),穗肥在大約8周后施加,施加量分別為18 kg/hm2(以N計(jì))、10 kg/hm2(以P2O5計(jì))和10 kg/hm2(以K2O計(jì))[13]。實(shí)驗(yàn)前對(duì)翻耕后的土地進(jìn)行人工整平,以保持土壤的均一性。本實(shí)驗(yàn)分別于2015年早稻和晚稻種植前進(jìn)行生物炭、爐渣的施加處理,其中4個(gè)處理分別為：對(duì)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(gè)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(jìn)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(cè)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(gè)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(shí)驗(yàn)室,挑去石塊,植物根系等雜物。一部分土放實(shí)驗(yàn)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(cè)定。土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)測(cè)定采用土壤碳氮元素分析儀(Elementar Vario MAX CN, Germany);溶解性有機(jī)碳(DOC)采用去離子水浸提,用TOC-VCPH分析儀測(cè)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(jī)碳濃度用TOC-VCPH分析儀測(cè)定,并根據(jù)MBC=EC/0.38(EC為熏蒸與未熏蒸土壤有機(jī)碳含量差值)公式計(jì)算[15];易氧化碳(EOC)含量采用333 mmol/L KMnO4氧化比色法測(cè)定[16]。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,含水量采用烘干法測(cè)定[17]。電導(dǎo)率、土溫采用便攜式電導(dǎo)計(jì)(2265FS,USA)測(cè)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(jì)(PHS-3C,中國(guó))測(cè)定。真菌數(shù)量采用馬鈴薯-葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基,細(xì)菌數(shù)量采用LB瓊脂培養(yǎng)基,進(jìn)行平板菌落計(jì)數(shù)[18],測(cè)定每克干土含菌量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel 2013、Origin 8.0、SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,采用Excel 2013計(jì)算原始數(shù)據(jù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差,用Origin 8.0軟件進(jìn)行作圖,采用SPSS 20.0中的單因素方差分析對(duì)土壤中碳組分、真菌數(shù)量、細(xì)菌數(shù)量、理化因子進(jìn)行差異顯著性分析。環(huán)境因子、土壤碳組分、真菌、細(xì)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(duì)稻田土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)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(cè)定土壤中的有機(jī)碳(SOC)及溶解性有機(jī)碳(DOC)、易氧化碳(EOC)、微生物生物量碳(MBC)等活性有機(jī)碳的含量,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 爐渣與生物炭施加處理對(duì)稻田土壤有機(jī)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(xiě)字母表示同一時(shí)期不同施加處理間差異顯著(P<0.05),不同小寫(xiě)字母表示同一處理不同時(shí)期間差異顯著(P<0.05)

土壤有機(jī)碳(SOC)含量如圖1所示,對(duì)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(lái)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(duì)不同水稻生長(zhǎng)時(shí)期SOC含量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,與對(duì)照相比,爐渣和混施處理分別增加了4.28%和4.32%,達(dá)到顯著差異(P<0.05)。在早稻成熟期,與對(duì)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(duì)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(jī)碳(DOC)含量如圖1所示,對(duì)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(duì)照相比,爐渣、生物炭均無(wú)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(duì)不同水稻生長(zhǎng)時(shí)期DOC含量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,與對(duì)照相比爐渣、混施處理分別減少了32.36%、41.33%,達(dá)到差異顯著(P<0.05)。在早稻成熟期,與對(duì)照相比爐渣處理降低比例達(dá)28.44%(P<0.05)。在晚稻拔節(jié)期,與對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照相比,爐渣、生物炭、混合施加均未達(dá)到差異顯著(P>0.05)。但是,施加處理對(duì)水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期稻田土壤EOC含量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,與對(duì)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(duì)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(duì)照相比混合施加增加了34.30%(P<0.05)。在晚稻成熟期,與對(duì)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(duì)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(duì)照相比,爐渣、生物炭、混合施加均未達(dá)到差異顯著(P>0.05)。在晚稻成熟期,與對(duì)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(duì)照有顯著增加,而DOC含量則較對(duì)照有顯著降低(P<0.05),說(shuō)明混合施加處理可提高土壤碳庫(kù)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(duì)水稻土微生物數(shù)量的影響

于2017年早、晚稻生長(zhǎng)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(cè)定細(xì)菌數(shù)量和真菌數(shù)量,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 爐渣與生物炭施加處理對(duì)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(xiě)字母表示同一時(shí)期不同施加處理間差異顯著(P<0.05),不同小寫(xiě)字母表示同一處理不同時(shí)期間差異顯著(P<0.05)

土壤細(xì)菌數(shù)量如圖2所示：對(duì)照組細(xì)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(xì)菌數(shù)量的均值來(lái)看,爐渣、生物炭、混施處理都增加了細(xì)菌數(shù)量。但是,施加處理對(duì)不同水稻生長(zhǎng)時(shí)期土壤細(xì)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(xì)菌數(shù)量分別增加了33.31%、30.28%、20.11%,但與對(duì)照之間差異不顯著(P>0.05)。在早稻成熟期,對(duì)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(xì)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(xì)菌數(shù)量顯著高于對(duì)照(P<0.05),增加比例為36.85%。在晚稻成熟期,與對(duì)照相比,生物炭和混施處理增加了細(xì)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(duì)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(lái)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(duì)水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期真菌數(shù)量的影響不同。在早稻拔節(jié)期,對(duì)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(dá)到差異顯著(P>0.05),增加比例分別達(dá)到28.09%、9.10%、7.00%。

土壤真菌/細(xì)菌比值如圖2所示：對(duì)照處理真菌/細(xì)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(duì)照相比,3種處理差異均不顯著(P>0.05)。在早稻成熟期,與對(duì)照相比,3種處理的真菌/細(xì)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(duì)照相比,3種處理的真菌/細(xì)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(duì)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(jī)碳含量及微生物的相關(guān)性

爐渣與生物炭施加處理?xiàng)l件下土壤理化因子與活性有機(jī)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(fù)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(fù)相關(guān)(P<0.01)。MBC含量與電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。EOC含量與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。細(xì)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(fù)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(fù)相關(guān)(P<0.01)。真菌/細(xì)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(fù)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(jī)碳、細(xì)菌和真菌的Pearson相關(guān)性

*P<0.05,**P<0.01;SOC：土壤有機(jī)碳,soil organic carbon; DOC：溶解性有機(jī)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(jī)碳含量與微生物的相關(guān)性

稻田土壤有機(jī)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(xì)菌數(shù)量與DOC含量呈極顯著負(fù)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(fù)相關(guān)(P<0.05)。真菌數(shù)量與真菌/細(xì)菌比值呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。真菌/細(xì)菌比值與DOC含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表2 有機(jī)碳與土壤微生物的Pearson相關(guān)性

*P<0.05,**P<0.01; SOC：土壤有機(jī)碳,soil organic carbon; DOC：溶解性有機(jī)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(duì)稻田土壤有機(jī)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(cè)土壤中各有機(jī)碳的含量,結(jié)果顯示施加處理組的SOC含量仍然高于對(duì)照組,DOC含量較對(duì)照組低,與對(duì)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(duì)照組高。說(shuō)明爐渣與生物炭具有較為長(zhǎng)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(duì)土壤SOC含量進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)各施加處理組土壤中SOC含量保持相對(duì)穩(wěn)定,這是因?yàn)樯锾康V化速率很低[20]。與對(duì)照相比處理組SOC的含量有顯著提高,其作用機(jī)制初步認(rèn)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(jìn)土壤碳的固持;其次在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中,爐渣和生物炭的施加可以增加土壤中氮的輸入,促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng),根系的生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)分泌出大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),微生物可以直接利用這一部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),減少對(duì)土壤中碳源的利用,從而進(jìn)一步影響SOC[21]。本研究進(jìn)一步顯示土壤SOC與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān),這與鄧艷林等[22]的研究相似,主要是由于容重通過(guò)影響土壤通透性進(jìn)一步影響植物生長(zhǎng),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?bào)w分解較快,可以向土壤中輸入更多的碳。DOC主要來(lái)源于表層有機(jī)質(zhì)的淋洗、溶解,同時(shí)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(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)會(huì)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?yàn)闇囟雀哂欣谟袡C(jī)質(zhì)的分解從而促進(jìn)土壤可溶性有機(jī)碳含量的增加。EOC是土壤有機(jī)碳中最容易被氧化的活性有機(jī)碳,其含量與SOC含量密切相關(guān)。土壤中SOC含量高的時(shí)期,其EOC的含量也相對(duì)較高。圖1顯示在早稻生長(zhǎng)期爐渣、生物炭、混施處理EOC的含量都比對(duì)照低,主要因?yàn)闋t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(lèi)群,從而進(jìn)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(qiáng)土壤有機(jī)碳保護(hù)機(jī)制的形成,如團(tuán)聚體物理保護(hù)、鐵鋁化學(xué)保護(hù)以及微生物作用的影響,進(jìn)而逐步使得活性碳向惰性碳轉(zhuǎn)化。MBC主要是真菌、細(xì)菌等土壤微生物體內(nèi)結(jié)合的有機(jī)碳,是土壤中最活躍的有機(jī)碳,與土壤有機(jī)碳之間的轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。與對(duì)照組比,施加處理增加了MBC含量,主要是因?yàn)闋t渣與生物炭施加后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的遷移、轉(zhuǎn)化,可以進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu),形成一種適合于微生物生長(zhǎng)的環(huán)境,從而促進(jìn)了微生物生物量在施加兩年后進(jìn)一步提高。本研究發(fā)現(xiàn)在早稻生長(zhǎng)期對(duì)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?bào)w分解為微生物提供了大量可利用的碳源,促進(jìn)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(guò)早稻生長(zhǎng)期,土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被大量利用,導(dǎo)致微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少,從而導(dǎo)致MBC的含量也相對(duì)較少[28]。

3.2 爐渣與生物炭施加對(duì)稻田土壤微生物的影響

微生物是土壤有機(jī)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(huì)使微生物的代謝發(fā)生變化,從而進(jìn)一步影響土壤中碳的儲(chǔ)量[29]。圖2顯示爐渣、生物炭、混合施加對(duì)土壤微生物的數(shù)量都有較大影響。拔節(jié)期真菌、細(xì)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(zhǎng)旺盛,根系分泌出大量的營(yíng)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(zhǎng)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(xì)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(bǔ)充土壤中的微量元素,從而提高細(xì)菌數(shù)量。早稻生長(zhǎng)期和晚稻生長(zhǎng)期相比,早稻的細(xì)菌數(shù)量明顯多于晚稻,其原因是經(jīng)過(guò)一兩個(gè)月的土地休整期,土壤中的細(xì)菌數(shù)量恢復(fù)到較高水平;其二是植物殘?bào)w腐爛為土壤提供了大量腐殖質(zhì),微生物利用這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行大量繁殖,這與宗慶姝等[32]研究一致。在2015年?duì)t渣和生物炭施加當(dāng)年,本課題組曾對(duì)真菌數(shù)量、細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行過(guò)測(cè)定,結(jié)果顯示爐渣和生物炭施加會(huì)降低細(xì)菌和真菌的數(shù)量。初步認(rèn)為爐渣中富含豐富的礦物質(zhì),缺乏有機(jī)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(zhǎng)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(jìn)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(cè)結(jié)果顯示,早、晚稻生長(zhǎng)期各處理組的細(xì)菌數(shù)量都高于對(duì)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(jī)碳含量、微生物及其與環(huán)境因子的關(guān)系

細(xì)菌數(shù)量對(duì)有機(jī)碳和環(huán)境變化敏感,其中MBC含量與細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān),其原因是細(xì)菌是土壤中重要的微生物種類(lèi),也是MBC的主要貢獻(xiàn)者,因此,細(xì)菌數(shù)量越高,MBC含量也高。EOC和DOC分別與細(xì)菌數(shù)量呈顯著和極顯著負(fù)相關(guān),其原因可能是因?yàn)榧?xì)菌數(shù)量增多時(shí)，土壤中的EOC和DOC被細(xì)菌大量利用,從而導(dǎo)致在土壤中的含量相對(duì)較少。土壤溫度與細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān),土壤溫度升高,酶的活性加強(qiáng),從而導(dǎo)致微生物的生命活動(dòng)加強(qiáng)[36]。土壤中的木質(zhì)素和纖維素主要是通過(guò)真菌分解的,因此施加處理對(duì)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(méi)有完全降解,真菌可以直接利用這些秸稈作為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。此外,本研究發(fā)現(xiàn)低SOC的土壤中細(xì)菌、真菌的數(shù)量也相對(duì)較少,這些研究結(jié)果與近年來(lái)相關(guān)的研究結(jié)果基本一致[38]。真菌/細(xì)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(xì)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(xì)菌比值都比成熟期高,說(shuō)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(duì)照組仍有顯著提高;DOC、EOC、MBC含量與對(duì)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(duì)照組對(duì)比,施加處理組真菌數(shù)量、細(xì)菌數(shù)量增加并不顯著。單純比較細(xì)菌、真菌數(shù)量及其比值對(duì)土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性的指示作用不強(qiáng)。

(3)真菌、細(xì)菌并未對(duì)土壤SOC產(chǎn)生明顯影響。細(xì)菌數(shù)量和DOC及EOC呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明細(xì)菌數(shù)量的升高不利于土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定。

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