張 燕, 李亮生, 陳帥偉, 李 軍, 陳享燈, 宋文靜

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站,山東青島 266101; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京 100081;3.福建省煙草公司龍巖市公司,福建龍巖 364000; 4.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南 250014)

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年秸稈產(chǎn)量9億t,可加工為副產(chǎn)物的達(dá)5.8億t,其中2.3億t的副產(chǎn)物可以被利用,剩下的3.5億t副產(chǎn)物會(huì)被丟棄。近年來(lái)我國(guó)工業(yè)化發(fā)展迅速,對(duì)于秸稈的需求越來(lái)越少,如何處理和合理利用這些廢棄的秸稈資源已成為當(dāng)前亟待解決的問題。作為一種重要的生物有機(jī)資源,秸稈中含有豐富的有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素,包括氮、磷、鉀、鈣、鎂等[1],秸稈腐解后產(chǎn)生的活性有機(jī)碳,可以為微生物提供充足的碳源,能夠有效增加土壤微生物數(shù)量和微生物多樣性[2]。秸稈還田后直接增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,使得土壤微生物活性增強(qiáng),從而提高了土壤酶活性,促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[3]。

生物炭是由有機(jī)材料(如秸稈、木材、植物殘?jiān)图S肥)在厭氧的條件下熱解(300～1 000 ℃溫度范圍)生成[4]。生物炭具有孔隙度大、高抗生化分解等特性,常被用作土壤調(diào)節(jié)劑改善土壤理化性狀,提升土壤肥力等[5-7]。在山東煙區(qū),植煙土壤由于長(zhǎng)期連作、有機(jī)物料不足等不合理的農(nóng)業(yè)管理措施,土壤理化性狀較差、微生物活性降低等土壤質(zhì)量問題已成為制約山東煙區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸?？茖W(xué)、合理地利用當(dāng)?shù)氐男←溄斩捹Y源改善煙田土壤可能是實(shí)現(xiàn)山東煙區(qū)煙田土壤質(zhì)量提升的重要途徑。目前,關(guān)于秸稈及秸稈生物炭對(duì)山東煙區(qū)煙田氨氧化土壤微生物與土壤養(yǎng)分及相關(guān)酶活關(guān)聯(lián)度分析的研究報(bào)道較少,本研究通過(guò)比較不同秸稈處理方式下植煙土壤的理化性狀、養(yǎng)分狀況、土壤酶活性以及土壤氨氧化菌的群落組成等的差異,為秸稈資源的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山東濰坊煙草有限公司諸城分公司洛莊煙站(36°1′N,119°6′E),試驗(yàn)區(qū)年日照時(shí)數(shù)在 2 500 h 以上,年平均氣溫12 ℃以上,年平均降水量750 mm左右,年平均無(wú)霜期230 d左右。土壤基礎(chǔ)理化性狀如表1所示。

表1 土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理:(1)CK,常規(guī)施肥;(2)WS,CK+施用小麥秸稈,還田量6.75 t/hm2;(3)BC,CK+施用小麥秸稈生物炭,還田量2.25 t/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)小區(qū)面積為 48 m2。小麥秸稈及其生物炭的理化性狀詳見表2。

表2 小麥秸稈及其生物炭的理化性狀

在2021年3月20日煙田起壟前,撒施小麥秸稈或生物炭,施肥種類及用量情況:復(fù)合肥(含N、P2O5、K2O分別為10%、10%、20%)施用量為 600.0 kg/hm2,硫酸鉀(含K2O 50%)施用量為 105.0 kg/hm2,磷酸二銨(含N、P2O5分別為16.5%、44.5%)施用量為60.0 kg/hm2。

供試烤煙品種為NC55,移栽時(shí)間為2021年5月8日,烤煙的株行距為1.2 m×0.5 m。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 土壤的采集及土壤養(yǎng)分的檢測(cè) 2021年7月20日,于煙葉采烤結(jié)束后,按照5S法,用土鉆在不同小區(qū)于煙壟壟體正中收集耕層土樣。土樣過(guò) 2 mm 篩,用于測(cè)定土壤酶活性;其余土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后,測(cè)定土壤化學(xué)指標(biāo);新鮮土樣用于檢測(cè)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性?？傆袡C(jī)碳(TOC)、土壤全氮(TN)、堿解氮(AN)、土壤有效磷(AP)、土壤有效鉀(AK)含量,土壤pH值均依照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[8]測(cè)定。

1.3.2 土壤酶活性的檢測(cè) 土壤酶活性[9]測(cè)定:土壤蔗糖酶活性選用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;土壤脲酶活性選用靛酚比色法測(cè)定;過(guò)氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測(cè)定;中性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。

1.3.3 土壤微生物提取及高通量測(cè)序 采用Fast DNA SPIN Kit for Soil 土壤 DNA 提取試劑盒按步驟提取。利用 Illumina 公司的 MiSeq PE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用QIIME軟件處理高通量測(cè)序結(jié)果;利用Mothur軟件包以97%為閾值對(duì)細(xì)菌基因序列劃分分類單元,并計(jì)算細(xì)菌多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù);應(yīng)用SPSS進(jìn)行土壤細(xì)菌群落組成和相對(duì)豐度分析,采用Origin 2021處理數(shù)據(jù)和制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈及秸稈生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分和pH值的影響

由圖1所示,與CK相比,WS處理顯著提高了土壤堿解氮和有效磷含量,增幅分別為78.11%和100.81%,而BC處理養(yǎng)分含量變化較小。各處理間土壤速效鉀含量和pH值無(wú)顯著差異。

2.2 秸稈及秸稈生物炭對(duì)土壤全效養(yǎng)分的影響

如圖2所示,WS處理土壤全氮含量較CK顯著提高了27.65%。與CK處理相比,WS和BC處理均顯著提高了土壤總有機(jī)碳含量,增幅分別為20.71%、74.93%。 BC處理較CK處理土壤全鉀含量顯著提高了21.93%,而WS處理土壤全鉀含量變化較小。

2.3 秸稈及秸稈生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

如圖3所示,與CK相比,WS處理顯著提升了蔗糖酶活性,增幅為112.54%,BC處理與CK處理差異不顯著。各處理間土壤脲酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著差異。

2.4 秸稈及秸稈生物炭對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響

2.4.1 微生物多樣性 由表3可知,WS處理中16S基因型細(xì)菌Shannon 指數(shù)、ACE指數(shù)均高于CK處理和BC處理,但差異并不顯著,Chao1指數(shù)顯著高于CK處理和BC處理,與CK相比,增幅為14.19%。各處理nosZ基因型反硝化細(xì)菌、AOA和AOB的群落多樣性和豐富度指數(shù)差異均不顯著。

表3 秸稈及秸稈生物炭對(duì)土壤微生物和細(xì)菌種類豐富度和多樣性指標(biāo)的影響

2.4.2 土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)分析 對(duì)不同處理優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門水平的分析表明(圖4),3種處理中nosZ基因型反硝化細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門(Proteobacteria),AOA群落的優(yōu)勢(shì)菌門為泉古菌門(Crenarchaeota),16S基因型細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌門為放線菌門(Actinobacteria),AOB群落的優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門。

對(duì)不同處理優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬水平的分析表明,3種處理中nosZ基因型反硝化細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)菌屬為unclassified_k_norank_d_Bacteria,16S基因型細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌屬為norank_c_Soil_Crenarchaeotic_Group_SCG,AOA群落的優(yōu)勢(shì)菌屬為norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota,AOB群落的優(yōu)勢(shì)菌屬為norank_f_environmental_samples。秸稈及秸稈生物炭還田后的土壤優(yōu)勢(shì)菌群組成與常規(guī)施肥一致,但優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群分類組成比例存在差異。

2.4.3 土壤細(xì)菌的群落組成分析 由圖5可知,第1主成分 PC1 對(duì)16S基因型細(xì)菌群落組成差異的解釋度為27.50%,第2主成分 PC2 對(duì)16S基因型細(xì)菌群落組成差異的解釋度為20.86%,PC1和PC2可累積解釋48.36%的變異度。秸稈及秸稈生物炭還田使植煙土壤中16S基因型細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,但對(duì)nosZ基因型反硝化細(xì)菌(PC1=30.16%,PC2=20.50%)、amoA-AOA(PC1=60.78%,PC2=23.32%)、amoA-AOB(PC1=37.89%,PC2=33.60%)的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)改變不顯著。

2.5 影響植煙土壤細(xì)菌群落的因子分析

冗余分析結(jié)果顯示(圖6),在不同的處理中,總有機(jī)碳含量是引起nosZ基因型反硝化細(xì)菌群落變化(r2=0.733,P<0.05)的主控因子,也是引起16S 基因型細(xì)菌群落變化(r2=0.627,P<0.05)的主要環(huán)境因子,有效磷(r2=0.424,P<0.05)是影響AOB群落變化的主要環(huán)境因子。

3 討論

3.1 秸稈及秸稈生物炭還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

本研究結(jié)果表明,秸稈還田顯著提升了植煙土壤堿解氮、有效磷含量,這與鄒清祺等的研究結(jié)果[10-13]一致。秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量的提升作用與秸稈礦化分解后向土壤中釋放了大量養(yǎng)分元素有關(guān)[14]。此外,秸稈腐解形成的腐殖質(zhì)具有溶磷和解鉀的雙重作用,也能夠通過(guò)活化土壤中的磷、鉀元素來(lái)提升土壤中的速效養(yǎng)分含量[13]。

研究表明,土壤添加生物炭后有利于改善土壤養(yǎng)分狀況,增加土壤孔隙度,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,構(gòu)建良好的土壤結(jié)構(gòu)[15]。本研究中,秸稈生物炭處理顯著提升了土壤中的總有機(jī)碳含量,這與Liu等利用商業(yè)木炭殘留物制備的生物炭改良玉米田沙性土的研究結(jié)果[16]一致。添加生物炭短期內(nèi)即能提高土壤中的TOC含量的主要原因在于生物炭的芳環(huán)結(jié)構(gòu)使其具有高度的穩(wěn)定性和抗分解特性[17],這使其在土壤中難以為土壤微生物所分解利用。

3.2 秸稈及秸稈生物炭還田對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性在土壤碳氮代謝和養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要作用,能夠表征土壤養(yǎng)分代謝強(qiáng)度[18]。靳玉婷等在巢湖地區(qū)利用秸稈還田改良稻-油輪作農(nóng)田土壤發(fā)現(xiàn),秸稈還田使水稻季和油菜季土壤磷酸酶和脲酶活性明顯提升,且油菜季增幅高于水稻季[19]。程曼等在山西省對(duì)黃土旱塬區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),秸稈直接還田對(duì)玉米田脲酶和磷酸酶活性影響較小[20]。在本研究中,小麥秸稈還田提高了土壤蔗糖酶活性,主要是由于:一是秸稈還田豐富了微生物提供可利用碳源的種類和數(shù)量[21-22],刺激了微生物代謝;二是秸稈還田改善了土壤理化特性,優(yōu)化了微生物生活環(huán)境,提供了土壤酶載體;三是秸稈還田與化肥配施還能夠加速土壤自身有機(jī)碳的礦化分解來(lái)提升土壤酶活性[23]。

生物炭對(duì)土壤酶活性影響因材料來(lái)源、制備工藝、土壤類型等的不同而存在較大差異[24-26]。杜倩等在四川涼山的研究發(fā)現(xiàn),玉米生物炭和油菜生物炭明顯提升了不同烤煙生育期土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶活性[26]。張?zhí)蚁愕韧ㄟ^(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),低溫條件(300 ℃)較高溫條件(600 ℃)下制備的生物炭更有利于南方茶林紅壤土脲酶、酸性磷酸酶等酶活性的提高[27]。在本研究中,與秸稈還田對(duì)土壤蔗糖酶的提升不同,秸稈生成的生物炭處理對(duì)蔗糖酶活性影響較小。這一研究結(jié)論與 Mierzwa-Hersztek等的研究結(jié)論[28]一致。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因在于秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭后有機(jī)碳的存在形態(tài)發(fā)生改變,致使其對(duì)土壤微生物活性的影響與秸稈直接還田處理存在較大差異[29]。此外,生物炭表面的官能團(tuán)對(duì)活性底物和土壤酶的吸附也會(huì)限制土壤酶活性的提升[30]。

3.3 秸稈及秸稈生物炭還田對(duì)細(xì)菌群落的影響

土壤微生物多樣性被公認(rèn)為是維持土壤健康的關(guān)鍵因素。本研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田使16S基因型細(xì)菌群落多樣性指數(shù)中的Shannon指數(shù)、ACE指數(shù)和Chao 1指數(shù)顯著提升。這表明,秸稈還田有助于提升土壤16S基因型細(xì)菌群落豐富度和多樣性。胡蓉等通過(guò)對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)農(nóng)田土壤的研究也發(fā)現(xiàn),秸稈還田后,水稻根際細(xì)菌群落Chao 1豐富度指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)均明顯增加[31]。土壤細(xì)菌群落門水平的相對(duì)豐度比較發(fā)現(xiàn),變形菌門為nosZ基因型反硝化細(xì)菌群落、16S基因型細(xì)菌群落和AOA細(xì)菌群落共同的優(yōu)勢(shì)菌門。

主成分分析發(fā)現(xiàn),秸稈還田和秸稈生物炭處理均改變了16S基因型細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)。趙鳳艷等的研究也發(fā)現(xiàn),添加不同有機(jī)物料后,設(shè)施番茄長(zhǎng)期連作土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變[32]。微生物也會(huì)反作用于生存的環(huán)境,微生物多樣性的任何損失也可能會(huì)減少多功能性,從而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)產(chǎn)生負(fù)面影響[33]。在本研究中,秸稈和生物炭處理改變了土壤總有機(jī)碳含量,冗余分析進(jìn)一步指出總有機(jī)碳是引起16S 基因型細(xì)菌群落發(fā)生變化的主要環(huán)境因子。

4 結(jié)論

秸稈還田提高了植煙土壤總有機(jī)碳、堿解氮、有效磷和全氮含量,增加了植煙土壤蔗糖酶活性,提升了16S基因型細(xì)菌的豐富度和多樣性;添加生物炭顯著提高了土壤總有機(jī)碳和全鉀含量;秸稈還田及其生物炭處理使土壤 16S基因型細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,總有機(jī)碳是引起16S 基因型細(xì)菌群落變化的主控環(huán)境因子。