李 磊 ,朱志明,王 旭,吳 霞,樊麗琴 ,紀(jì)立東

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,銀川 750002;2.寧夏農(nóng)技推廣總站,銀川 750001;3.國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境銀川觀測(cè)試驗(yàn)站,銀川 750002)

寧夏引黃灌區(qū)位于黃河上游下段,近年來(lái),土壤鹽漬化與次生鹽漬化問(wèn)題受到廣泛關(guān)注,常年大引大排的灌溉模式導(dǎo)致地下水位抬升,加之施肥模式不健全,化肥過(guò)量投入,造成土壤板結(jié)僵硬,次生鹽漬化加重,土壤微生物數(shù)量少且活性低[1]。鑒于此,寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所鹽堿地改良研究團(tuán)隊(duì)建立多年連續(xù)秸稈還田模式,不但將農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)循環(huán),同時(shí)改善土壤通透性,高效改良鹽堿耕地的同時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)收益。在衡量土壤質(zhì)量的眾多指標(biāo)中,土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的具有生命特征的組成部分,其群落多樣性及群落結(jié)構(gòu)組成在秸稈還田措施下存在明顯差異[2-5]。薩如拉等[6]在通遼典型鹽堿地上建立秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),玉米秸稈還田2 a相比未還田能顯著增加鹽堿地土壤細(xì)菌多樣性和物種豐度;顧美英等[7]研究認(rèn)為,不同秸稈還田方式下風(fēng)沙土土壤微生物群落存在顯著差異,且相比未還田提高土壤微生物活性和豐富度指數(shù);Lee等[8]利用DNA-SIP技術(shù)示蹤發(fā)現(xiàn)秸稈的添加促進(jìn)土壤變形菌門增加;Lukas等[9]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田后稻田土壤微生物量顯著增加。除此之外,秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)也影響較大,不僅改善土壤團(tuán)聚體分布與酶活性,同時(shí)自身的營(yíng)養(yǎng)元素也增加土壤肥力[10-11];孟慶英等[12]在遼寧半干旱地區(qū)秸稈深還田條件下的研究發(fā)現(xiàn),土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體主要集中在<0.25 mm 粒級(jí);王勝楠等[13]發(fā)現(xiàn)秸稈還田有利于土壤亞表層有機(jī)質(zhì)積累,對(duì)作物增產(chǎn)也具有重要促進(jìn)作用。

由此可見(jiàn),秸桿還田對(duì)土壤肥力培育顯得十分重要。目前,秸稈還田措施在寧夏銀北鹽堿地應(yīng)用較少,且對(duì)土壤微生物群落特征的研究環(huán)節(jié)比較薄弱。為探索玉米根際土壤微生物群落變化特征,本文建立不同秸稈還田量試驗(yàn),采集連續(xù) 5 a秸稈還田定位試驗(yàn)土壤樣品,探討土壤微生物群落多樣性變化特征,揭示不同秸稈還田量下土壤細(xì)菌群落與土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系,研究結(jié)果將為鹽堿地改良利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

自2016年在寧夏平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)通潤(rùn)村(106.175 4°E,38.474 3°N)建立連續(xù)多年秸稈還田試驗(yàn)。該地區(qū)屬大陸性氣候,春旱多風(fēng),平均風(fēng)速2 m·s-1,盛行西北風(fēng)或北風(fēng)。年均降水量200 mm,主要集中在6-9月,年均蒸發(fā)量達(dá) 1 800 mm,無(wú)霜期為171 d。2016年10月采集土壤基本理化性質(zhì),結(jié)果顯示該試驗(yàn)區(qū)土壤pH為8.5,顯堿性,全鹽含量為2.62 g·kg-1,屬硫酸鹽-氯化物鹽漬土,有機(jī)質(zhì)為16.02 g·kg-1,處于4級(jí)缺乏水平;速效氮為75.21 mg·kg-1,處于4級(jí)缺乏水平;速效鉀為225.21 mg·kg-1,處于1級(jí)極豐富水平;有效磷為11.12 mg·kg-1,處于3級(jí)豐富水平;土壤機(jī)械組成分析發(fā)現(xiàn),砂粒含量為14.26%,粉粒為62.62%,粘粒為 23.12%,土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土。玉米秸稈取自當(dāng)?shù)胤N植大戶,其全氮含量為0.60%,全磷為 0.58%,全鉀為1.55%,有機(jī)碳為 46.50%。指示作物為玉米‘先玉1225’品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為連續(xù)第5年秸稈還田,采用單因素多水平隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),以未還田(CS0)為對(duì)照,分別設(shè)置1/3全量還田:還田量3 000 kg·hm-2(CS3000),2/3全量還田:還田量6 000 kg·hm-2(CS6000),全量還田:還田量9 000 kg·hm-2(CS9000)。另外增施氮肥調(diào)節(jié)C/N為 25∶1,其中CS0處理施氮量0 kg·hm-2,CS3000處理施氮量75 kg·hm-2,CS6000處理施氮量150 kg·hm-2,CS9000處理施氮量225 kg·hm-2。每個(gè)處理3次重復(fù),共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m),各小區(qū)四周用土疊梗進(jìn)行單排單灌,小區(qū)之間保留0.5 m過(guò)道。秸稈來(lái)自當(dāng)?shù)厣夏曜匀伙L(fēng)干的玉米秸稈,還田措施于11月份完成,翌年操作與上年相一致。施入前進(jìn)行人工粉碎,粉碎機(jī)粉碎至3～5 cm左右小段,機(jī)械深耕25 cm翻壓,按照質(zhì)量比 100∶1配施秸稈腐熟劑,然后冬灌漚田。每年4月中旬播種,寬窄行(70 cm×50 cm)種植,株距20 cm,播前統(tǒng)一施用過(guò)磷酸鈣750 kg·hm-2,氮肥40%基施,剩余的60%分別在玉米拔節(jié)期、抽雄期追施,灌溉水采用黃河水灌溉。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 樣品采集 2016年10月采集土壤基礎(chǔ)背景值,2021年在播種出苗后分別在苗后30 d、60 d、90 d、120 d采用鋁盒采集各處理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤樣品測(cè)定土壤質(zhì)量含水量;9月底收獲后采集玉米田間樣品,其中,團(tuán)聚體樣品采取0～30 cm土層剖面樣,用鐵鏟沿剖面垂直切入,剝?nèi)ソ佑|面變形的土壤,均勻取內(nèi)部土壤1 kg放入鐵盒帶回實(shí)驗(yàn)室。采用“Monilith 3D”空間取樣法,將取出的整株玉米根系置于曬筐中,無(wú)菌條件下采用抖落法采集根際土壤。每個(gè)小區(qū)采取3個(gè)點(diǎn),均勻混成一個(gè)樣品,置于樣品凍存管。采用干冰保存帶回實(shí)驗(yàn)室置于-80 ℃冰箱中保存用于提取DNA。抖落下的土樣用塑封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,一部分測(cè)定土壤質(zhì)量含水量(SWC);一部分保存在4 ℃冰箱中,用于酶活性、微生物量碳、微生物量氮測(cè)定;另一部分風(fēng)干處理后用于土壤pH、全鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮測(cè)定。

1.3.2 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定 采用環(huán)刀法測(cè)定土壤體積質(zhì)量、田間持水量;比重計(jì)法測(cè)定土壤機(jī)械組成;電導(dǎo)法測(cè)定水樣礦化度;土壤pH在水土比例2.5∶1,混勻靜止后直接用pH計(jì)測(cè)定;DDS-11電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率,結(jié)合線性方程法計(jì)算全鹽含量;土壤質(zhì)量含水量采用鋁盒烘干法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測(cè)定;速效氮含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;有效磷含量用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀含量用1 mol·L-1醋酸銨溶液浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[14]。

1.3.3 土壤酶活性測(cè)定 堿性磷酸酶(ALP)的測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法,脲酶的測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法,蔗糖酶的測(cè)定采用 3,5-二硝基水楊酸比色法,過(guò)氧化氫酶的測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法[14]。

1.3.4 微生物量碳與微生物量氮的測(cè)定 采用氯仿熏蒸硫酸鉀浸提-重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤微生物量碳;采用氯仿熏蒸硫酸鉀浸提-凱氏定氮法測(cè)定土壤微生物量氮。具體步驟如下:稱取新鮮土壤樣品20.0 g,放入小燒杯中,將盛有土壤樣品小燒杯置于真空干燥器中;同時(shí)放入兩個(gè)盛有無(wú)乙醇氯仿小燒杯(加入沸石)和1個(gè)用以吸收熏蒸期間釋放出來(lái)CO2的盛有氫氧化鈉溶液的小燒杯,室溫黑暗條件下培養(yǎng)24 h。取出盛放氯仿和氫氧化鈉溶液的小燒杯后,反復(fù)多次抽真空以去除土壤中的氯仿殘留。熏蒸土壤加入80 mL的0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提(土水比 1∶4),浸提液應(yīng)立即測(cè)定或放入-20 ℃冰箱保存。與此同時(shí),另取一份20.0 g 的土壤樣品做未熏蒸對(duì)照試驗(yàn)。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定浸提液中有機(jī)碳含量,凱氏定氮法測(cè)定浸提液中全氮含量。

BC=EC/KEC

BN=EN/KEN

式中,BC表示土壤微生物量碳,EC為熏蒸與不熏蒸土壤浸提液有機(jī)碳的差值,KEC為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值 0.45;其中式中BN表示土壤微生物量氮,EN為熏蒸土與未熏蒸浸提液全氮的差值;KEN為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值 0.54[15]。

1.3.5 細(xì)菌微生物多樣性測(cè)定 PCR擴(kuò)增16S rRNA:選用Mobio公司生產(chǎn)的 PowerSoilTMDNA Isolation Kit 從土壤樣品中提取 DNA,10 g·L-1的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)所提取DNA的質(zhì)量;引物515F(5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTA-3′)和909R(5′-CCCCGYCAATTCMTTTR-AGT-3′)來(lái)擴(kuò)增16S rRNA的V4～V5區(qū),目標(biāo)片段長(zhǎng)度為374 nt,在515F的5′端增加了12 bp的 barcode標(biāo)記。將洗脫出的DNA在NanoDrop2000測(cè)定濃度后,置于-80 ℃保存;將所有樣品按照 100 ng混合之后,采用美國(guó)Illumina公司的HiSeq2500測(cè)序儀進(jìn)行建庫(kù)上機(jī)測(cè)序。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法

1.4.1 團(tuán)聚體指標(biāo)計(jì)算 >0.25 mm團(tuán)聚體百分含量(干篩:DR0.25;濕篩:WR0.25)、土壤團(tuán)聚體破壞率(PAD)、土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(干篩:MWD;濕篩:WMWD)的計(jì)算公式[16]如下:

R0.25=M0.25/MT

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

1.4.2 多樣性指數(shù)計(jì)算 Chao1指數(shù)用于估計(jì)樣本中物種總數(shù),數(shù)值越大代表物種越多;Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)用來(lái)估算樣本中微生物的多樣性指數(shù)之一,Shannon值越大,說(shuō)明群落多樣性越高,Simpson指數(shù)值越大,說(shuō)明群落多樣性越低。

式中,Sobs表示實(shí)際測(cè)量處的OTU數(shù)目;ni表示第i個(gè)OTU含有的序列數(shù)目;N表示所有的序列數(shù);n1表示只含有一條序列的OTU數(shù);n2表示只含有一條序列的OTU數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)以Excel 2003軟件進(jìn)行整理,同時(shí)采用SPSS 17.0軟件描述統(tǒng)計(jì)特征值、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用方差分析(ANOVA)和最小顯著性檢驗(yàn)(LSD)做數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05,n=5),用Origin 9.0軟件繪圖。測(cè)序結(jié)果使用Mothur(versionv.1.30)軟件,對(duì)樣品Alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估,其中Chao1、ACE指數(shù)用來(lái)估計(jì)樣品中所含OTU數(shù)目的指數(shù);Shannon、Simpson指數(shù)用來(lái)估算樣品中微生物的多樣性指數(shù)。利用QIIME軟件生成不同分類水平上的物種豐度表,用SPSS 17.0對(duì)門水平下細(xì)菌群落與環(huán)境因子耦合關(guān)系作皮爾遜相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體評(píng)價(jià)參數(shù)的影響

不同秸稈還田量下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與水穩(wěn)性團(tuán)聚體如圖1所示。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體>2 mm的團(tuán)聚體所占比例最高,約占1/3(均在34%以上),而其他粒級(jí)的團(tuán)聚體均占有不同比例。CS3000處理下>2 mm團(tuán)聚體含量達(dá)到 41.75%,而其他粒級(jí)的團(tuán)聚體含量所占比例相對(duì)均一。CS6000處理明顯提升<0.25 mm團(tuán)聚體含量,降低1～0.5 mm與0.5～ 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量(圖1-a)。整體而言,不同秸稈還田量土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體變異很大,因此通過(guò)濕篩法求得水穩(wěn)性團(tuán)聚體。結(jié)果表明,<0.25 mm的微團(tuán)聚體含量明顯增加,達(dá)到83%以上,各處理相比CS0處理<0.25 mm的微團(tuán)聚體含量有所降低,其中,CS9000處理降低效果最為明顯,相比CS0處理降低了8.63%,CS3000處理與CS6000處理降低效果基本一致。>0.25 mm團(tuán)聚體發(fā)現(xiàn),秸稈還田處理能明顯增加>2 mm與0.5～ 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量,而對(duì)2～1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有所降低(圖1-b)。

圖1 各處理團(tuán)聚體含量比較Fig.1 Comparison of aggregate content among different treatments

表1顯示,各處理對(duì)MWD值影響不大,而明顯增加WMWD值,CS3000、CS6000、CS9000處理相比CS0處理分別顯著增加23.64%、 23.64%、 36.36%。干篩法獲得的>0.25 mm團(tuán)聚體均在 74.00%以上,各處理間無(wú)顯著性差異,其中CS3000處理含量最高,達(dá)到82.65%,其次為CS9000處理。濕篩法獲得的>0.25 mm團(tuán)聚體屬CS9000處理下含量最高,相比CS0處理顯著增加34.95%,PAD在各處理間無(wú)顯著性差異,CS6000處理與CS9000處理下PAD最低,說(shuō)明團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)相比較為穩(wěn)定,為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境。

表1 各處理團(tuán)聚體評(píng)價(jià)參數(shù)比較Table 1 Comparison of aggregate evaluation parameters under different treatments

2.2 秸稈還田對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表2可見(jiàn),相比未還田處理,秸稈還田處理可以有效降低土壤中的全鹽含量,CS3000處理相比CS0處理降低13.14%,而CS6000、CS9000處理分別相比CS0處理分別顯著降低24.04%、 15.06%。CS6000處理下的土壤全鹽量降低效果最為顯著,相比CS3000處理顯著降低12.55%,較CS9000處理降低10.90%。土壤pH與全鹽變化相一致,CS3000、CS6000、CS9000處理分別較CS0處理顯著降低1.23%、2.23%、2.01%,其中CS6000處理效果最為顯著,較CS3000處理顯著降低0.79%,較CS9000降低0.23%。

表2 各處理化學(xué)性質(zhì)及微生物量碳、氮含量的比較Table 2 Comparison of chemical properties and microbial carbon,nitrogen content of each treatment

CS6000和CS9000處理下微生物量碳分別較CS0處理顯著提高14.16%、12.26%,同時(shí)較CS3000處理分別顯著提高14.16%、12.26%,CS3000與CS0之間無(wú)顯著性差異。微生物氮方面各處理表現(xiàn)為CS9000>CS6000>CS3000>CS0處理,各處理之間無(wú)顯著差異。CS6000和CS9000處理下的有機(jī)質(zhì)含量分別較CS0處理顯著提高14.06%、12.77%,同時(shí)較CS3000處理分別提高5.78%、4.59%,CS3000處理較CS0處理提高7.82%。相比CS0處理,CS3000、CS6000、CS9000處理下全氮含量均顯著提高50.82%、40.98%、50.82%,而三者之間無(wú)顯著性差異。

2.3 秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響

由表3可見(jiàn),秸稈還田顯著提高酶活性,相比未還田處理,CS3000、CS6000、CS9000處理下脲酶活性相比CS0處理分別顯著提高 35.48%、 66.13%、49.60%,這可能與秸稈還田過(guò)程中為調(diào)節(jié)碳氮比而施入的氮肥有關(guān);堿性磷酸酶活性相比CS0處理分別顯著提高69.27%、 68.78%、71.22%;蔗糖酶活性相比CS0處理分別顯著提高75.39%、58.80%、64.41%;過(guò)氧化氫酶活性相比CS0處理分別顯著提高33.78%、 38.34%、39.81%。由此可見(jiàn),秸稈還田你對(duì)土壤酶活性提升具有明顯促進(jìn)效果。

表3 各處理酶活性比較Table 3 Comparison of enzyme activities of each treatment

2.4 秸稈還田對(duì)土壤含水量的影響

秸稈還田對(duì)土壤含水量存在一定影響,整體上0～60 cm內(nèi),隨著土壤層次加深,土壤含水量表現(xiàn)為增加趨勢(shì),苗后30 d,秸稈還田降低土壤含水量,其中,CS6000處理降低幅度最大,0～20 cm處,CS6000處理下土壤含水量相比CS0處理顯著減少 1.80%,20～40 cm與40～60 cm處秸稈還田處理均相比未還田處理有所降低,但差異性不顯著(圖2-a);苗后60 d,CS3000處理增加0～20 cm土層含水量,CS0處理增加20～60 m土層含水量,CS9000處理0～20 cm土層含水量相比CS3000處理顯著降低3.5%,20～40 cm土層含水量相比CS0處理顯著降低4.88%(圖2-b);苗后90 d,0～60 cm土層含水量在各處理間無(wú)顯著性差異,整體水平上秸稈還田措施下土壤含水量略有降低,降幅在1.20%～1.71% (圖2-c);苗后120 d,0～20 cm土層處各處理土壤含水量無(wú)顯著性差異,20～40 cm土層處秸稈還田措施處理相比未還田處理土壤含水量均有所降低,降幅在2.10%～2.59%,40～60 cm土層處土壤含水量在各處理間無(wú)顯著性差異(圖2-d)。綜上所述,秸稈還田措施會(huì)導(dǎo)致0～20 cm土壤含水量減少,在苗后30 d、60 d降幅最大,苗后90 d、120 d差異不顯著;秸稈還田措施對(duì)20～40 cm土層含水量影響較大表現(xiàn)在苗后30 d,分析原因可能為該時(shí)期土壤溫度升高,蒸發(fā)增強(qiáng),秸稈還田措施下土壤孔隙變大,土壤水分損耗較大。

圖2 各處理土壤含水量比較Fig.2 Comparison of soil water content among different treatments

2.5 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌微生物OTU數(shù)量的 影響

操作分類單元(Operational Taxonomic Units,OTU)是在系統(tǒng)發(fā)生學(xué)研究或群體遺傳學(xué)研究中,為便于分析而人為設(shè)置的分類單元標(biāo)志。以97%的相似性對(duì)序列進(jìn)行聚類,相似度大于97%的序列將聚為同一個(gè)OTU。通過(guò)分析不同分類水平下的OTU數(shù),結(jié)果如圖3所示,秸稈還田處理下均能增加各分類水平下土壤細(xì)菌微生物OTU數(shù)目,且隨著秸稈還田量的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖3 各處理OTU數(shù)比較Fig.3 Comparison of OTU numbers of each treatment

2.6 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌微生物多樣性指數(shù)的影響

本試驗(yàn)在97%的相性度水平上分析12個(gè)樣品時(shí)得到4 187～5 034種水平分類的細(xì)菌(圖4-a)。CS9000處理下細(xì)菌數(shù)目最大,相比CS0、CS3000、CS6000處理分別顯著增加 13.41%、 14.32%、8.54%;Chao1指數(shù)在各樣本間呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì),差異性顯著,大小依次為CS9000>CS6000>CS0>CS3000(圖4-b),說(shuō)明CS9000處理會(huì)增加物種數(shù),提高菌群豐富度;Shannon與Simpson指數(shù)呈現(xiàn)相反趨勢(shì),Shannon指數(shù)反映出CS9000處理最大,其次為CS6000處理,而CS0處理最小(圖4-c),Simpson指數(shù)在CS0處理下最大(圖4-d),該指數(shù)說(shuō)明,CS9000處理會(huì)提高細(xì)菌群群落多樣性。

圖4 各處理細(xì)菌微生物多樣性指數(shù)比較Fig.4 Comparison of microbial diversity index among different treatments

2.7 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)組成的影響

基于HiSeq高通量測(cè)序,發(fā)現(xiàn)秸稈還田下土壤細(xì)菌主要門有10種,在門水平下,對(duì)不同樣品的細(xì)菌群落組成比較可知(圖5),變形菌門(Proteobacteria)在群落結(jié)構(gòu)中所占比例最大,約占所有細(xì)菌的28.02%～31.16%,屬于優(yōu)勢(shì)菌群;CS9000處理增加變形菌門,其次為CS6000處理。秸稈還田下擬桿菌門(Bacteroidetes)豐富度有所下降,CS3000、CS6000、CS9000處理較CS0處理分別降低22.88%、33.33%、33.86%;此外,CS6000處理降低綠彎菌門(Chloroflexi)相對(duì)豐富度,卻增加酸桿菌門(Acidobacteria)、奇古菌門(Thaumarchaeota)相對(duì)豐富度。

圖5 各處理群落結(jié)構(gòu)(門水平)Fig.5 Community structure of each treatment (phylum)

2.8 相關(guān)性分析

通過(guò)建立環(huán)境因子與微生物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性矩陣發(fā)現(xiàn),變形菌門(Proteobacteria)與MBN、OM間存在顯著正相關(guān);擬桿菌門(Bacteroidetes)與TS、SWC間存在顯著正相關(guān) (P<0.05),與MBN、OM、TN、Sucrase、Catalase、WMWD間存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān);綠彎菌門(Chloroflexi)與MBN間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);浮霉菌門(Planctomycetes)與TS間存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);而芽單胞菌(Gemmatimonadetes)與WMWD間存在顯著正相關(guān);奇古菌門(Thaumarchaeota) 與MBN間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);厚壁菌門(Firmicutes)與硝化螺旋菌(Nitrospirae)均與SWC間存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)。綜合發(fā)現(xiàn),MBN、SWC與細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)組成間存在顯著性差異,而擬桿菌門對(duì)土壤關(guān)鍵環(huán)境因子最為敏感(表4)。

表4 土壤環(huán)境因子與微生物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between environmental factors and microbial community structure

3 討 論

3.1 秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體及含水量的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的物質(zhì)基礎(chǔ),其對(duì)土壤養(yǎng)分、水分的協(xié)調(diào)起著重要作用。曹晶晶等[17]通過(guò)在棉田土壤上建立長(zhǎng)期秸稈還田定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),秸稈還田提高了長(zhǎng)期連作棉田土壤1～0.25 mm水穩(wěn)定團(tuán)聚體及團(tuán)聚體的MWD值;張鵬等[18]在寧南干旱地區(qū)發(fā)現(xiàn),高還田量下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體DR0.25含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體WR0.25含量明顯高于未還田處理,且土壤破壞率明顯降低。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),相比未還田處理,秸稈還田增加團(tuán)聚體MWD與WMWD值,還田量在90 00 kg·hm-2處理下WR0.25含量顯著增加,且降低PAD值,這與前人研究結(jié)果相一致,主要由于秸稈還田后隨著腐殖化過(guò)程加強(qiáng)了土壤顆粒之間的膠結(jié)作用,從而導(dǎo)致土壤中較小團(tuán)聚體向較大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化,增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定性。

土壤水分是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素,秸稈還田對(duì)土壤含水量影響較大。有研究表明,秸稈還田降低土壤水分蒸發(fā),減緩?fù)寥浪植▌?dòng),提高土壤水分利用效率[19-20],而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),秸稈還田措施會(huì)降低土壤含水量,相比未還田在苗后 30 d、60 d顯著降低0～20 cm土壤含水量,且在苗后30 d對(duì)20～40 cm土層含水量也明顯降低;苗后90 d、120 d秸稈還田措施下土壤含水量均有不同水平減少,但差異性不顯著。這與前人研究結(jié)果不一致,分析原因可能為該區(qū)域?qū)儆诟珊祬^(qū),降雨量少,秸稈還田后腐解礦化較慢,無(wú)法形成有效保水層,加之土壤偏砂,蒸發(fā)量本身較大,無(wú)法形成“土壤水庫(kù)”容量,還田量越大,土壤孔隙越多,土壤含水量損失也隨之增加。

3.2 秸稈還田對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

諸多研究表明,秸稈還田能夠提高土壤肥力,促進(jìn)作物生長(zhǎng)[21-24]。張永春等[25]研究表明,秸稈連續(xù)還田3 a后土壤的有機(jī)質(zhì)含量較試驗(yàn)前增加了1.4倍;劉世平等[26]試驗(yàn)結(jié)果也表明秸稈還田3 a后土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷及速效鉀含量相比未還田均有所提升;慕平等[27]、李慧琴等[28]研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)北方的鹽堿土壤也有一定的改良作用,能積極取得抑鹽克堿效果。本試驗(yàn)研究表明,相比未還田處理,秸稈還田顯著降低土壤pH與全鹽含量,而顯著增加全氮、有機(jī)質(zhì)含量,其中還田量為6 000 kg·hm-2處理相比未還田處理土壤pH降低2.23%,全鹽降低24.04%;還田量為9 000 kg·hm-2處理相比未還田處理有機(jī)質(zhì)增加14.06%,全氮增加50.82%;這與慕平等[27]、王月寧等[29]的研究結(jié)果基本一致,分析原因可能為秸稈還田下土壤有機(jī)質(zhì)增加與秸稈有機(jī)碳投入有關(guān),全氮含量增加與調(diào)節(jié)土壤碳氮比而增施氮肥有關(guān)。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)秸稈還田增加微生物量碳、微生物量氮含量,其中,微生物量碳在各處理下差異性不顯著,而微生物量氮在還田量為6 000 kg·hm-2處理與9 000 kg·hm-2處理下顯著增加,這與郭成藏等[30]、李秀等[31]研究結(jié)果相一致。主要因?yàn)榻斩掃€田后,在腐解過(guò)程中為土壤微生物活動(dòng)補(bǔ)充了大量碳源,活化微生物數(shù)量,加快微生物同化有機(jī)碳,高量秸稈還田下碳源充足,同時(shí),加之調(diào)節(jié)碳氮比而補(bǔ)充氮素能被土壤微生物吸收轉(zhuǎn)化,進(jìn)而提高了土壤微生物量碳與微生物量氮含量。

3.3 秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性是表征土壤養(yǎng)分循環(huán)及微生物代謝活性的關(guān)鍵指標(biāo)[32]。矯麗娜等[33]在黑土上原位秸稈培養(yǎng)4 a發(fā)現(xiàn),秸稈還田相比未還田顯著增加脲酶、蔗糖酶及過(guò)氧化氫酶活性;路怡青等[34]研究表明,免耕+秸稈還田處理顯著增加脲酶和堿性磷酸酶活性。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,還田處理相比未還田處理顯著增加酶活性,但各還田量間無(wú)顯著性差異,這與前人研究結(jié)果基本一致,分析原因可能為秸稈還田帶入外源碳增加了土壤全氮與有機(jī)質(zhì)含量,為微生物的繁殖創(chuàng)造良好空間,進(jìn)而提高包括土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量,酶活性隨之增強(qiáng)。

3.4 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌OTU數(shù)及多樣性指數(shù)的影響

土壤微生物是評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)[35]。王伏偉等[36]在砂姜黑土建立秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),秸稈還田相比還田處理能明顯增加土壤細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù),其中細(xì)菌群落組成中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門為變形菌門相對(duì)豐度最大,為 38.5%～43.2%;張?chǎng)蔚萚37]在石灰性潮土研究表明,秸稈還田能夠提高土壤細(xì)菌群落多樣性水平;閆寧等[38]利用煙草秸稈在水稻田還田發(fā)現(xiàn),煙草秸稈還田會(huì)增加土壤細(xì)菌微生物OTU數(shù)及多樣性,本試驗(yàn)研究表明,秸稈還田措施下能增加不同分類水平下土壤細(xì)菌微生物OTU數(shù),且隨著秸稈還田量的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。多樣性指數(shù)分析發(fā)現(xiàn),秸稈還田相比未還田顯著增加Chao1豐富度指數(shù),同時(shí)也提高了Shannon多樣性指數(shù),但差異性不顯著。

3.5 秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變形菌門屬于優(yōu)勢(shì)菌群,且秸稈還田能增加變形菌門相對(duì)豐度,卻降低了擬桿菌門相對(duì)豐度,分析可能原因?yàn)樽冃尉T屬于富營(yíng)養(yǎng)型菌,能夠在土壤有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素較高環(huán)境條件下迅速生長(zhǎng),而擬桿菌門屬于專性厭氧桿菌,適宜生長(zhǎng)在無(wú)氧土壤環(huán)境,其能量代謝以無(wú)氧發(fā)酵的方式進(jìn)行[37]。秸稈還田改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了微團(tuán)聚體含量,為土壤呼吸提供充足的氧氣,從而抑制擬桿菌門繁殖。細(xì)菌群落組成與關(guān)鍵土壤環(huán)境因子相關(guān)性分析,微生物量氮、土壤含水量與細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)組成間存在顯著性差異,該結(jié)果說(shuō)明土壤微生物生物量氮與土壤含水量與細(xì)菌群落生長(zhǎng)密切相關(guān)。

4 結(jié) 論

在銀北中低產(chǎn)田上連續(xù)秸稈還田5 a能明顯改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤養(yǎng)分,提高土壤酶活性。其中,全量還田(9 000 kg·hm-2)處理顯著增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑,降低土壤破壞率,同時(shí),該處理下土壤全鹽含量相比未還田處理降低了15.06%,有機(jī)質(zhì)增加14.06%,全氮增加50.82%,微生物氮也增加71.75%。此外,秸稈還田可提高土壤細(xì)菌微生物Shannon多樣性指數(shù)及Chao1豐富度指數(shù),全量還田處理下提升效果最為突出。此外,本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)上只考慮秸稈資源原位消納,缺乏過(guò)量還田效應(yīng)分析,在下一步工作中可通過(guò)增加過(guò)量還田來(lái)探討提高銀北中低產(chǎn)田產(chǎn)能最大的還田量。