生物肥对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤生态系统中极其重要和最活跃的部分,在土壤养分转化、生态系统稳定性和土壤可持续生产力中占据重要地位,参与土壤生态系统的物质循环和能量流动。土壤微生物群落组成及活性变化是衡量土壤质量和维持土壤肥力的一个重要指标[1],因此,对土壤微生物群落结构和功能的研究一直是土壤生态学上研究的热点。近年来Biolog方法可以比较全面地了解各种条件下土壤微生物群落结构的变化情况,应用微生物群落生理代谢指纹来研究土壤微生物群落组成特征,可进一步了解土壤微生物群落代谢功能的变化,促进微生物生态学的发展[23]。肥料的施用不仅调节土壤养分的储存和转化,也影响土壤肥力和土壤微生物区系[4],不同施肥制度对土壤微生物数量、群落结构的影响差异显著[56],一些研究也表明向土壤中添加有机肥可提高土壤生态肥力、改善土壤微生态环境和土壤微生物群落结构[79]。因此,施用集微生物独特的生理调节功能、无机肥的高效性和有机肥的长效性于一体的生物复混肥,对调控和改善土壤微生物群落结构和土壤生态系统稳定性具有重要意义。目前,国内有关生物复混肥对土壤微生物的研究主要集中在对土壤酶和土壤微生物数量的研究,且大多采用传统的方法,缺乏对土壤微生物群落功能多样性的深入探讨。本试验通过盆栽试验,利用Biolog微平板技术和土壤微生物量测定方法,研究生物复混肥、有机无机复混肥和无机肥的施用对土壤微生物生态环境的影响,以期为生物复混肥的推广使用提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

1.1.1供试土壤

供试土壤采自西北农林科技大学试验田,土壤塿类型为土,土壤肥力中等,其主要理化性质为:pH8.32,有机质13.20g•kg1,全氮、全磷、全钾含量分别为0.79g•kg1、0.61g•kg1和11.14g•kg1,碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为61.03mg•kg1、16.67mg•kg1和154.40mg•kg1。土样风干、混合均匀后过筛备用。

1.1.2供试肥料

供试肥料包括尿素、磷酸二氢铵、硫酸钾、有机无机复混肥、生物复混肥。有机肥为将猪粪、小麦秸秆等调节到合适的C/N、pH和含水量后经高温堆制发酵腐熟制作而成,其主要养分含量为N18.6g•kg1、P2O59.0g•kg1、K2O12.2g•kg1。生物复混肥是在有机肥的基础上加入少量的无机肥,无机肥配比为N4%、P2O52%、K2O3%[10],然后将液体芽孢杆菌复合菌剂(固氮菌Azotobacterchroococcum、解磷菌Bacillusmegaterium、解钾菌Bacillusmucilaginous由西北农林科技大学资源环境学院微生物实验室提供,已鉴定各菌株间无拮抗)与蛭石按1∶2混合吸附,均匀掺入上述有机无机复混肥中。有机无机复混肥是添加等量灭菌的蛭石,其中的有机肥、无机肥及其配比均与生物复混肥完全相同。肥料均为自制,配制完成后保存1个月再施用。生物复混肥和有机无机复混肥中氮磷钾含量均为N55.5g•kg1,P2O518.7g•kg1,K2O36.9g•kg1,有机质360.8g•kg1,功能芽孢杆菌总量为0.21×108cfu•g1。

1.1.3供试作物

供试作物为“郑单518”玉米,由西北农林科技大学种子公司提供。

1.2试验设计

试验采用盆栽的方式,于2011年6月在西北农林科技大学资源环境学院玻璃网室中进行。试验设置对照(CK,不施肥)、无机肥(T1)、有机无机复混肥(T2)、生物复混肥(T3)4个处理,4次重复。生物复混肥按0.20g(N)•kg1(土)施入,其他肥料均按生物复混肥中氮磷钾的量等量施用。将肥料与12.5kg土样充分混匀后装盆,浇透水至土壤含水量为田间最大持水量的60%。玉米催芽后直接播种,出齐苗后间苗,每盆保留3棵,并于定苗1d、15d、30d、45d、60d时采集土壤样品,在各个处理4次重复内随机取0~20cm的土壤各100g并置于4℃冰箱,用于分析土壤微生物学特性;取玉米生长60d时的土样在48h内进行土壤微生物群落功能多样性分析。试验设置保护行,试验期间根据实际情况定量浇水,并经常更换盆的位置,不同处理的盆栽管理措施均一致。

1.3测定项目和方法

土壤微生物群落功能多样性分析采用BIOLOGECO测试板进行测定[11]。土壤微生物量碳、氮、磷用氯仿熏蒸提取法测定[1112],采用重铬酸钾外加热法测定提取液中的可溶性碳,采用过硫酸钾氧化法测定提取液中的总氮,采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定提取液中的总磷,土壤微生物量碳、氮、磷的换算系数分别为0.38、0.54、0.40。

1.4数据处理

采用微平板培养96h的数据进行数据统计分析,采用AWCD、Shannon指数和丰富度指数来表征土壤微生物群落代谢功能多样性[8,13]。数据经Excel2003处理后,采用SPSS16.0软件进行方差分析和主成分分析,主成分分析采用协方差矩阵为因子提取依据,其他参数选取系统默认值。

2结果与分析

2.1生物复混肥对土壤微生物群落功能多样性的影响

2.1.1土壤微生物群落多样性指数分析

土壤微生物群落功能多样性是土壤微生物群落状态与功能的指标,反映了土壤微生物的生态特征。表1为玉米生长60d时各施肥处理的土壤微生物群落功能多样性指数,从表1可以看出,BIOLOG微平板培养96h时,T3处理AWCD与其他处理间差异显著;微生物群落Shannon指数大小顺序为T3>T1>T2>CK,T3处理与其他处理间差异显著;T3处理土壤微生物群落的丰富度指数高于其他处理。以上结果表明,生物复混肥处理(T3)可以提高土壤微生物群落的功能多样性和种群丰富度,有利于提高土壤生态系统的稳定性。

2.1.2土壤微生物对6类碳源的利用

土壤微生物对不同碳源的利用情况反映了土壤微生物的代谢功能类群。从表2可以看出,玉米生长60d时,T1、T2、T3处理土壤微生物群落利用碳源的显著类型为糖类、羧酸类和氨基酸类,可能是因为这3类碳源是土壤微生物代谢最基本的物质,能够被大多数土壤微生物代谢利用。而对于多聚物类、多酚化合物类和多胺类这3类碳源,T3处理与其他处理间差异显著,表明T3处理的土壤微生物碳代谢群落结构与其他处理有所不同,该处理土壤微生物群落对多酚化合物类的利用明显高于其他处理,可能是土壤中施入的有机肥在微生物作用下,腐殖化过程中多酚类物质有一定积累,进而激活了能够利用多酚类物质的微生物的活性,从而提高了土壤微生物对多酚化合物类物质的代谢与利用。土壤中微生物对多酚类物质的利用显著提高的现象在其他研究中也有出现[14],具体原因还需要进一步研究。

2.1.3土壤微生物群落功能多样性主成分分析

为清晰地了解不同施肥处理对土壤微生物群落代谢能力的影响,利用培养96h后测定的AWCD数据进行主成分分析(PCA)。从表3可以看出,对PC1(第1主成分)贡献大的碳源(特征向量≥0.50)有17种,其中糖类占35%,羧酸类占24%,影响PC1的主要碳源为糖类,其次为羧酸类和氨基酸类;对PC2(第2主成分)贡献最大的碳源糖类占50%,其次为羧酸类(25%),因此,对PC1和PC2起分异作用的主要碳源是糖类和羧酸类。与PC1正相关程度较高的碳源有α-D-乳糖和L-精氨酸,负相关的碳源有D,L-α磷酸甘油和吐温40,不同施肥处理土壤微生物在碳源的利用上既有共同点又有差异,差异可能是由于不同处理土壤微生物群落有所差异,也可能是因为某些碳源是微生物生理代谢途径中的重要物质[15]。从不同施肥处理土壤微生物群落功能多样性的主成分分析可以了解各种处理土壤微生物群落功能的相似状况,结果如图1所示,PC1方差贡献率为27.640%,PC2为19.089%。不同处理土壤微生物群落在碳源的利用能力上存在明显差异,表现在它们在第1、2主成分上得分系数差异明显。CK、T1和T2处理的土壤微生物在PC1上的得分值分布一致,与T3处理区分明显,T3处理土壤微生物在PC1上的得分值均为正值,CK、T1和T2处理土壤微生物在PC1上的得分值基本为负值;T2处理土壤微生物在PC2上的得分值为正值,而CK和T1处理土壤微生物在PC2上的得分值基本上为负值,较难分开。这表明生物复混肥处理的土壤微生物群落代谢结构与其他处理具有明显差异,而无机肥和CK处理土壤微生物群落功能相似。施用生物复混肥能提高土壤微生物对不同碳源的代谢能力,提高土壤微生物群落功能多样性,为土壤提供一个良好的生态环境。

2.2生物复混肥对土壤微生物量碳、氮、磷的影响

土壤微生物生物量是土壤有机库中的活性部分，是存在于土壤微生物体内或残体细胞中可供利用的养分的贮备库,是土壤养分转化的动力和中转站,与土壤中的C、N、P等养分转化和循环过程密切相关,反映土壤微生物活动的强弱和养分转化速率的快慢,从宏观上反映土壤微生物活性的总体状况,是土壤生物质量、土壤肥力变化的灵敏指标。研究表明,不同施肥制度对土壤微生物生物量也有显著影响[1618]。从图2可以看出,土壤微生物量碳、氮、磷的变化规律大体一致,土壤微生物量在玉米整个生长期中大致呈先升高后逐渐平稳的变化趋势,与王艳霞等[19]研究结果相似;且土壤微生物量碳、氮、磷的含量均以生物复混肥处理最高,最高值分别为333.21mg•kg1、53.02mg•kg1和22.20mg•kg1。在土壤微生物量碳变化规律中,生物复混肥处理在玉米生长第30d、45d时较高,并且显著高于其他处理。生物复混肥处理显著提高土壤微生物量碳的主要原因可能是生物复混肥中所添加的功能性微生物菌群施入到土壤中,能够使有益微生物在土壤中形成优势种群,很好地在植物根际成功定殖,发挥其生态功能;另一方面,生物复混肥本身带入的活性有机碳源促进了土壤微生物的繁殖,提高了土壤微生物活性。各处理土壤微生物量氮含量在定苗前期没有明显差异,在玉米生长第30d时显著升高,生物复混肥处理的微生物量氮含量与其他处理相比差异显著。反映出玉米快速生长期时由于根际活动等促进土壤微生物大量繁殖,生物复混肥处理提高了土壤微生物活性,氮素固定同化到微生物体内引起土壤微生物量氮含量升高。土壤微生物量磷的变化规律与土壤微生物量碳、氮不同,玉米生长前期各处理间差异不明显,在玉米生长第15d后生物复混肥处理的土壤微生物量磷显著升高,说明玉米快速生长期间,土壤微生物对土壤中有机态和无机态磷的同化作用加大,以微生物量磷的形式存在,土壤中微生物解磷与固磷作用也与土壤中可降解有机物的数量有关,有机或无机肥料中的磷素对土壤微生物量磷的增加有明显的贡献作用[2022]。本试验土壤微生物量磷的升高趋势比较稳定,与赵兰凤等[23]研究结果相似。

3讨论

不同施肥措施会导致土壤微生物功能多样性的系统变化,形成各自特定的土壤微生物种群,长期施用有机肥可明显增加土壤微生物种群的变异程度[24]。罗希茜等[25]研究稻田土壤微生物群落发现,施用化肥或配施有机肥可使黄泥土土壤微生物的碳源利用率显著高于对照,有利于维持土壤微生物的碳源利用能力。Wei等[26]研究长期不同施肥处理对黑土细菌群落结构和功能的影响,结果表明无机肥处理与有机无机复混肥处理土壤微生物在单一碳源利用率方面没有显著性差异,但在土壤微生物群落结构组成、功能稳定性上有差异,施用化学肥料会降低土壤微生物群落的稳定性,本研究结果与上述研究结果类似。徐华勤等[27]对茶园土壤微生物群落功能多样性的主成分分析表明,糖类和羧酸类物质是区分各处理的主要碳源。本研究主成分分析结果也表明,不同施肥处理土壤微生物功能多样性差异明显,起分异作用的主要碳源是糖类和羧酸类。Garland等[28]研究表明,样本在主成分轴上的分布与微生物对碳源底物的利用能力有关,PC1解释了大部分的变异,生物复混肥处理分布在PC1的正方向,结合生物复混肥处理对6类碳源的利用,进一步证实生物复混肥处理可提高土壤微生物的代谢能力。土壤微生物功能多样性变化不仅受施肥影响,还与土壤养分密切相关,但是这方面的研究还较少。孔维栋等[29]和区余瑞等[30]的研究表明,土壤有机质和全氮含量与土壤微生物功能多样性呈正相关。因此,为了全面表征土壤肥力的微生物指标体系,本研究将从土壤微生物多样性与养分的关系方面进一步探讨生物复混肥的施用效果。土壤微生物量能够快速反映土壤养分含量变化及植物根际活动带来的土壤微生物活性的变化。Masto等[17]认为微生物熵更能够反映出土壤微生物活性和土壤有机碳的动态变化。土壤微生物群落结构的变化可能是导致土壤微生物量变化的首要原因[31]。在本研究中,生物复混肥处理能够提高土壤微生物群落功能多样性,其土壤微生物群落结构也比较稳定,因此,在玉米快速生长期间生物复混肥处理的土壤微生物量显著高于其他处理,具有较大的N、P、K中转代谢库,能够为植株提供更多的有效养分。

4结论

施肥可提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落丰富度和功能多样性,生物复混肥处理的土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)、土壤微生物群落丰富度指数和Shannon指数均最高。生物复混肥处理的土壤微生物碳代谢群落结构与其他处理不同,其土壤微生物群落对多酚化合物类的利用明显高于其他处理。土壤微生物群落的主成分分析表明,不同施肥处理土壤微生物群落代谢能力有明显差异,生物复混肥处理分布在PC1的正方向,CK、无机肥和有机无机复混肥处理分布在PC1的负方向;但不同处理土壤微生物碳源利用特征不同,对PC1和PC2起分异作用的主要碳源是糖类和羧酸类。不同处理土壤微生物量在整个玉米生长期大致呈先升高后逐渐平稳的趋势,生物复混肥的施用能显著增加玉米快速生长期土壤微生物量碳、氮、磷含量,并能够形成良好的土壤微生态环境。