趙曉芳 許繼飛# 賀旭德 李 桐 劉建國(guó) 李國(guó)慶

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古環(huán)境污染控制與廢物資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站呼和浩特分站,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

我國(guó)規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,大量奶牛養(yǎng)殖糞水也隨之產(chǎn)生。奶牛養(yǎng)殖糞水主要由尿液、糞便、殘留飼料和牛舍沖洗水混合而成[1]。奶牛養(yǎng)殖糞水產(chǎn)量大,且含有豐富的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),經(jīng)氧化塘無(wú)害化處理后若達(dá)到還田的衛(wèi)生質(zhì)量要求,則具有可資源化利用的潛力[2-3]。土壤微生物是土壤物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分[4],奶牛養(yǎng)殖糞水還可能改善土壤微生物結(jié)構(gòu),從而提高土壤養(yǎng)分含量并改善土壤物理結(jié)構(gòu)[5-6]。

因此,研究經(jīng)氧化塘無(wú)害化處理后的規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖糞水還田對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物群落特征的影響可為我國(guó)養(yǎng)殖糞水資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。本研究探究了不同糞水還田量下土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,同時(shí)觀測(cè)作物的響應(yīng),以揭示養(yǎng)殖糞水還田對(duì)土壤環(huán)境的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

養(yǎng)殖糞水取自內(nèi)蒙古呼和浩特某規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的三級(jí)串聯(lián)氧化塘,化學(xué)需氧量(COD)11 330 mg/L,五日生化需氧量(BOD5)7 080 mg/L,pH 7.2,全鹽量7 700 mg/L,總氮2 050 mg/L,氨氮1 130 mg/L,總磷359 mg/L。堆肥牛糞經(jīng)過(guò)槽式發(fā)酵15～30 d,總氮、總磷、氨氮和有機(jī)質(zhì)分別為546、171、256、97 700 mg/kg。野外大田試驗(yàn)在養(yǎng)殖場(chǎng)周邊進(jìn)行。試驗(yàn)大田的土壤類型為沙壤土,近3年未施用過(guò)畜禽糞肥和其他改良劑,0～20 cm的表層土壤背景理化性質(zhì)為：pH 8.75、全鹽量500 mg/kg、有機(jī)質(zhì)5.68 g/kg、總氮276 mg/kg、總磷450 mg/kg。供試作物品種為玉米(青貯1381)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),各處理小區(qū)面積為5.2 m×5.0 m,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)平行。每個(gè)處理小區(qū)土壤中于2019年4月底翻施牛糞堆肥7 kg/m2,作為基肥,養(yǎng)殖糞水按照當(dāng)?shù)毓艿缆喾绞绞┘?在玉米種植前一周施加糞水還田量均為0.32 t/m2,在大喇叭口期按同樣的施加方式分別施加糞水還田量為0、0.32、0.64、0.96 t/m2,共4個(gè)處理,所有處理同時(shí)灌溉清水以保證養(yǎng)殖糞水和清水總量都為1.28 t/m2。每個(gè)處理小區(qū)播種玉米8行13列,其他田間管理措施同當(dāng)?shù)赜衩邹r(nóng)田,9月底收獲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

玉米收獲時(shí),在玉米植株根部水平距離15 cm處采用對(duì)角線5點(diǎn)法采集各處理小區(qū)0～20 cm表層土壤樣品并混合。一部分經(jīng)自然風(fēng)干過(guò)篩(孔徑<2 mm)后用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定;一部分-80 ℃儲(chǔ)存,用于土壤脫氧核糖核酸(DNA)提取。土壤理化性質(zhì)測(cè)定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。玉米植株收獲每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)的第1、3、5、7行植株,烘干并測(cè)定地上部分生物量。

1.4 DNA提取及高通量測(cè)序

使用土壤基因組DNA試劑盒(MagicPure?Stool and Soil Genomic DNA Kit)從0.250 g經(jīng)真空冷凍干燥過(guò)篩(孔徑<2 mm)后的土壤樣品中提取DNA,然后使用超微量紫外分光光度計(jì)(NanoDrop ND-2000)測(cè)定DNA濃度和純度,最終通過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)合格后送至上海派森諾生物科技公司對(duì)細(xì)菌16S rDNA基因的V3～V4序列和真菌ITS序列進(jìn)行擴(kuò)增和高通量測(cè)序,測(cè)序基于Illumina Novaseq 2000平臺(tái),分別使用引物338F/806R和1743F/2043R,經(jīng)質(zhì)控后得到優(yōu)質(zhì)序列。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),利用Duncan檢驗(yàn)分析不同處理間的指標(biāo)差異顯著性(P<0.05)。用QIIME2軟件根據(jù)SILVA和UNITE數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行物種注釋,分析各處理土壤的細(xì)菌和真菌群落組成并計(jì)算Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù),分別用來(lái)表征豐富度和多樣性。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)殖糞水還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由圖1得知,養(yǎng)殖糞水還田后,土壤理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的變化,表明養(yǎng)殖糞水還田可影響土壤理化性質(zhì)。隨糞水還田量增加,土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有效氮均顯著增加,養(yǎng)殖糞水還田量為0.96 t/m2時(shí)達(dá)到最高,然而此時(shí)全鹽量也達(dá)到最高,可能會(huì)引起土壤鹽漬化,而糞水還田量為0.64 t/m2時(shí)在保證土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有效氮仍然較高的前提下,全鹽量最低,甚至低于養(yǎng)殖糞水還田前,因此適量糞水還田可緩解農(nóng)田鹽漬化,可能是因?yàn)檫m量液體肥料攜帶充足的水分,可將農(nóng)田表層土壤鹽分淋滲到深層土壤中,從而降低表層土壤含鹽量[7]。在糞水還田量為0.64 t/m2時(shí),總氮、總磷和有效磷也均顯著高于養(yǎng)殖糞水還田前,總磷含量甚至還高于養(yǎng)殖糞水還田量分別為0.32、0.96 t/m2時(shí),表明適量的養(yǎng)殖糞水還田量可提高土壤中植物可利用的營(yíng)養(yǎng)元素,而且不會(huì)造成土壤鹽漬化。糞水還田量為0.32、0.64、0.96 t/m2時(shí),玉米植株地上生物量分別為461.6、442.4、431.7 g/株,均高于養(yǎng)殖糞水還田前,主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖糞水可為土壤提供充足的碳源和氮源,從而促進(jìn)作物增產(chǎn)[8]。玉米植株地上生物量在0.64 t/m2時(shí)也處于比較可觀的水平。劉青松等[9]發(fā)現(xiàn)在苜蓿地塊施用化肥聯(lián)合澆灌奶牛養(yǎng)殖糞水,可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量并增加苜蓿產(chǎn)量,與本研究結(jié)論一致。

注：圖上不同小寫字母表示在 P<0.05水平下差異顯著。圖1 土壤理化性質(zhì)分析Fig.1 Physicochemical property analysis

綜上所述,養(yǎng)殖糞水還田可改變土壤理化性質(zhì),適量的養(yǎng)殖糞水還田量可提高土壤中植物可利用的營(yíng)養(yǎng)元素,促進(jìn)作物增產(chǎn)且不會(huì)造成土壤鹽漬化,本研究中比較合適的糞水還田量應(yīng)為0.64 t/m2。

2.2 養(yǎng)殖糞水還田后土壤細(xì)菌和真菌豐富度和多樣性分析

養(yǎng)殖糞水還田后,土壤細(xì)菌的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)大體有所升高(見(jiàn)圖2(a))。當(dāng)糞水還田量為0.32、0.96 t/m2時(shí),土壤細(xì)菌的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)均高于養(yǎng)殖糞水還田前,而當(dāng)養(yǎng)殖糞水還田量為0.64 t/m2時(shí),土壤細(xì)菌的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)與養(yǎng)殖糞水還田前基本一致,對(duì)土壤細(xì)菌的結(jié)構(gòu)影響最小。

圖2 土壤微生物Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)分析Fig.2 Microbial Chao1 Index and Shannon Index analysis

土壤真菌的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)對(duì)養(yǎng)殖糞水還田的響應(yīng)不同于細(xì)菌(見(jiàn)圖2(b))。養(yǎng)殖糞水還田后,土壤真菌的Chao1指數(shù)整體隨養(yǎng)殖糞水還田量增加呈下降趨勢(shì),而Shannon指數(shù)整體呈上升趨勢(shì),表明在養(yǎng)殖糞水還田后,土壤真菌群落的豐富度下降而多樣性升高。這可能是因?yàn)殡S著養(yǎng)殖糞水還田量增加,土壤真菌菌絲網(wǎng)絡(luò)與土壤礦物顆粒形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致真菌菌絲破裂,使部分土壤真菌物種死亡,真菌群落豐富度降低[10]。養(yǎng)殖糞水還田量為0.64 t/m2可以綜合平衡養(yǎng)殖糞水還田對(duì)壤真菌群落豐富度和多樣性的影響。

2.3 土壤細(xì)菌群落組成分析

養(yǎng)殖糞水還田前后土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)在門水平上組成較為相似,優(yōu)勢(shì)菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)等(見(jiàn)圖3),但其相對(duì)豐度發(fā)生變化。隨糞水還田量增加,變形菌門、厚壁菌門、酸桿菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度呈增加趨勢(shì),而放線菌門、綠彎菌門則呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榧S水還田引起土壤養(yǎng)分條件改變,使土壤菌群的共生與寡營(yíng)養(yǎng)策略發(fā)生變化[11]。具體分析不同糞水還田量下土壤細(xì)菌屬水平發(fā)現(xiàn),養(yǎng)殖糞水還田前后,土壤中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬依次為斯克爾曼氏菌屬(Skermanella,相對(duì)豐度為8.83%～20.42%)、節(jié)桿菌屬(Arthrobacter,相對(duì)豐度為5.52%～13.62%)、凱氏桿菌屬(Kaistobacter,相對(duì)豐度為7.16%～12.87%)和芽孢桿菌屬(Bacillus,相對(duì)豐度為2.36%～12.49%)等。斯克爾曼氏菌屬是典型的生物固氮菌,可減少土壤氮素流失[12]。芽孢桿菌屬能分泌纖維素酶,具有纖維素降解功能,有利于土壤中纖維素類的降解[13]。

圖3 土壤細(xì)菌門水平組成Fig.3 Bacterial composition in phylum level in soil

2.4 土壤真菌群落組成分析

養(yǎng)殖糞水還田前后土壤真菌在門水平上主要檢測(cè)到子囊菌門(Ascomycota)和擔(dān)子菌門(Basidiomycota)兩種(見(jiàn)圖4),其中優(yōu)勢(shì)菌門為子囊菌門(相對(duì)豐度為78.15%～93.85%)。大量的子囊菌門有助于植物纖維素和木質(zhì)素的降解,從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)[14-15]。養(yǎng)殖糞水還田后,子囊菌門相對(duì)豐度有所降低,可能是因?yàn)橥寥烙行У黾佣鴮?dǎo)致的[16]。在土壤真菌屬水平上,大量子囊菌門的屬還未被鑒定,需要進(jìn)一步研究。

圖4 土壤真菌門水平組成Fig.4 Fungal composition in phylum level in soil

3 結(jié) 論

(1) 適量養(yǎng)殖糞水還田可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、土壤有效氮等土壤養(yǎng)分含量,促進(jìn)作物增產(chǎn),同時(shí)也不會(huì)造成土壤鹽漬化,本研究中最合適的糞水還田量應(yīng)為0.64 t/m2,此時(shí)對(duì)土壤微生物豐富度和多樣性影響也最小。

(2) 土壤細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)菌屬斯克爾曼氏菌屬可生物固氮,減少土壤氮素流失;芽孢桿菌屬能分泌纖維素酶,有利于土壤中纖維素類的降解。土壤真菌大量存在的是子囊菌門,有助于植物纖維素和木質(zhì)素的降解。