长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响.pdf

李琳 向丹 武亚芬 等 长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响 应用生态学报 长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分 和微生物群落结构的影响 李 琳 向 丹 武亚芬 黄玉丹 李 欢 张小梅 梁 斌 青岛农业大学资源与环境学院 山东青岛 摘 要 为了阐明长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响 以山东寿光 年 番茄定位施肥试验土壤为对象 采用磷脂脂肪酸 分析方法 研究了传统施氮 传统施氮 秸秆 优化施氮 优化施氮 秸秆 有机肥 秸秆 种施肥方式对土壤主要理化性质和微 生物群落结构的影响 以不施肥处理 为对照 结果表明 与 相比 所有施肥处理均显著提高了土壤 有机质 速效磷和速效钾含量 但各施肥处理间无显著差异 传统氮肥施用量的 处理土壤 值显 著降低 而减氮施肥的 和 处理对土壤 值没有显著影响 与 相比 不添加秸秆的处理 和 对土壤碱解氮含量没有显著影响 但施氮的同时添加秸秆的 和 处理显著提高了 土壤碱解氮含量 其中 的碱解氮含量最高 与 和不添加秸秆的处理 相比 所有添加秸秆的 处理 均能显著改变土壤微生物群落结构 增加土壤中细菌 真菌 放线菌 菌根真菌含量和 总量 其中 处理的土壤微生物多样性 土壤细菌 真菌 放线菌和 总量均达到最大值 真菌 细菌和单不饱和脂肪酸 饱和脂肪酸 两个表征土壤生态系统稳定性的指标在 中最高 而 表征土壤养分胁迫的异构脂肪酸 反异构脂肪酸 和革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 在 中最 低 冗余分析和相关分析表明 土壤有机质是影响土壤微生物群落最主要的环境因子 有机质与放线菌和革 兰氏阳性菌呈显著正相关 秸秆还田优化施氮 添加麦秸秆 减氮 可显著提升土壤养 分状况 增加土壤微生物生物量 改善微生物群落结构和土壤生态环境 是一种有效的减肥增效施肥措施 关键词 长期秸秆还田 优化施氮 土壤养分 土壤微生物 本文由山东省重大科技创新工程项目 资助 收稿 接受 通讯作者 应用生态学报 年 月 第 卷 第 期 山东省寿光市是我国重要的设施蔬菜生产基 地 其设施栽培的集约化程度高且农民盲目追求产 量和效益等因素 导致设施蔬菜生产中过量施肥现 象极为严重 据调查 寿光设施菜地氮肥的当季 利用率不到 不合理的氮肥投入导致肥料利用 率低 氮淋溶损失加剧 水体硝酸盐污染 土壤质量 退化以及蔬菜产量和品质下降等一系列问题 因此 如何改变当地传统的高施氮模式 科学合理施 用氮肥 促进设施蔬菜高质量生产和可持续发展是 目前我国设施蔬菜发展中亟待解决的问题 秸秆还田是目前一项重要的培肥地力的措施 能有效改良土壤结构 增加土壤有机质含量 提高土 壤蓄水保肥能力 提高水肥利用效率 增加土壤微生 物活性和生物量 从而提高土壤稳定性 研究表 明 在秸秆还田的同时施用氮肥能够有效调节土壤 碳氮比 提高氮肥利用效率 降低氮淋溶损失 并 能显著改善土壤养分状态 提高作物产量 目 前 关于长期秸秆还田配施氮肥效应的研究主要集 中在大田作物上 在设施菜地上的研究少见报 道 并且以往的研究主要集中在作物产量 土壤养 分 土壤酶活性等方面 对微生物的研究相对较 少 在土壤生态系统中土壤微生物是极其重要和活 跃的部分 土壤微生物在土壤养分持续供应 肥料有 效利用 有害生物综合防治及土壤可持续生产中占 据主导地位 控制着土壤生态系统功能的关键过 程 是评价土壤质量和土壤生态系统功能的一项 重要指标 探讨土壤微生物对长期减氮增碳施 肥措施的响应特征 对评价土壤肥力的变化和制定 科学合理的施肥方案具有重要的参考意义 本研究采用磷脂脂肪酸 方法 以山东省 寿光市 年长期定位试验的番茄根际土壤为研究 对象 分析不同施肥方式对土壤养分和微生物生物 量及群落结构的影响 旨在探究根际土壤微生物对 长期施肥的响应及其可能机制 为制定科学合理的 施肥方案 促进农田生态系统可持续发展提供理论 依据 材料与方法 试验材料 于 年 月在山东省寿光市 开始进行长期不同施肥处理的定位试 验 供试温室修建于 年 一年两季种植番茄 试验开始前已连续种植 年 在 年试验开始前 土壤的基本理化性质 为 土壤 有机质 速效磷 速效钾 碱解氮 年冬春季各施肥处理番茄产量无 显著差异 供试土样采集于 年番茄成熟采摘 后的 月 试验设计 试验设置 个空白对照和 个施肥处理 分别 为 不施肥 传统施氮 碳氮比为 冬春季和秋冬季施 风干鸡粪 追 施氮肥 优化施氮 碳氮比为 冬春季和秋冬季施 风干鸡粪 追 施氮肥 有机肥 秸秆 碳氮比 为 有机肥主要是风干鸡粪 冬春季和秋冬 季施 风干鸡粪 小麦秸秆 不 追施化学氮肥 传统施氮 秸秆 碳氮比为 在传统施氮的基础上增施小麦秸秆 优化施氮 秸秆 碳氮比为 在优化施氮的基础上增施小麦秸秆 各处理碳氮比基于鸡粪的碳氮比为 小麦 秸秆的碳氮比为 进行计算 即施用风干鸡粪 折合 施用小麦秸秆 折合 应 用 生 态 学 报 卷 施用时将风干鸡粪与粉碎成 的小麦秸秆均匀撒施后翻耕 氮肥品种为尿 素 含 施肥时将其融入水中冲施 各处理 磷 钾肥施用量相同 分别为 和 肥料品种分别为过磷酸钙 含 和硫酸钾 含 每处理 个重复 随机区组排列 按 五点采 样法 于番茄成熟采摘后采集植株根际土样 混匀 一份鲜土样过 筛于 冰箱内保存 用于 磷脂脂肪酸 测定 一份风干 研磨后过筛 用 于土壤基本理化性质的测定 测定项目与方法 碳氮比计算方法 碳氮比 含 总 量 含 总量 碳源物质中 氮源物质中 碳 源物质中 氮源物质中 土壤理化性质的测定 土壤 值采用 计测定 有机质含量采用重铬酸钾 硫酸外加热法测 定 速效钾采用醋酸铵提取 火焰光度法测定 速效 磷采用碳酸氢钠浸提 钼锑抗比色法测定 碱解氮采 用碱解扩散法测定 土壤微生物生物量的测定 土壤微生物生物 量的测定采用磷脂脂肪酸 法 的提取 与分析参考文献 的方法进行 以甲酯 做 内标 土样脂肪酸的提取和检测主要分为 步 提 取 分离 酯化 分析 土壤 的测定 在中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点 中心实验室分析测试中心进行 生物标记物的分类 脂肪酸命名采用 等 的方法 土壤中 的组成可以表示土壤中微生物的生物量和群 落结构 本研究根据现有的研究结果 对供试土壤 中各脂肪酸代表的微生物进行了总结 表 微生物多样性指数计算 本研究通过计算 多样性指数 优势度指数 和 物种丰富度 指数 对微生物丰度和多样性进行分析 式中 为处理 的特征磷脂脂肪酸个数 为总特征磷脂脂肪酸个数 为同一样品中检测 出的脂肪酸甲酯的种数 表 微生物磷脂脂肪酸标记 微生物 磷脂脂肪酸标记 文献 通用脂肪酸 菌根真菌 真菌 放线菌 革兰氏阳性菌 芽孢杆菌 乳酸菌 好氧细菌 革兰氏阴性菌 假单胞菌 数据处理 采用 对数据进行处理 对数据进行 差异显著性分析 利用 软件作图 利用 做主坐标分析和冗余分析 利用 软件 程序包做相似性分析 图表 中数据为平均值 标准差 结果与分析 长期不同施肥方式对土壤理化性状的影响 长期不同施肥方式对土壤 值和养分含量均 产生了较大影响 表 与不施肥对照 相比 传统氮肥施用量的 处理土壤 值显著降 低 而减氮施肥的 和 处理土壤 值 与 无显著差异 所有施肥处理均显著提高了土 壤有机质 速效钾和速效磷含量 但各施肥处理间无 显著差异 和 处理均显著提高了土壤碱解 氮含量 而其他施肥处理对土壤碱解氮的影响不显 著 此外 在同一施氮水平下 添加秸秆处理的碱解 氮含量显著高于不添加秸秆的处理 如 处理的 碱解氮含量显著高于 处理 而 处理显著高 于 处理 长期不同施肥方式对土壤磷脂脂肪酸含量的 影响 磷脂脂肪酸是构成细胞膜的重要组成成分 仅 存在于活细胞中 土壤磷脂脂肪酸的总量可以代表 土壤中微生物的总量 由图 可知 各处理间真 菌 细菌 放线菌 菌根真菌和 总量都表现为 与 相比 所有添 加秸秆的处理 均能显著增加土壤 中细菌 真菌 放线菌 菌根真菌和 总量 而不 期 李 琳等 长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响 表 秸秆还田和氮肥配施对土壤理化性质的影响 处理 有机质 速效磷 速效钾 碱解氮 对照 传统施氮 优化施氮 有机肥 秸秆 传统施氮 秸秆 优化施氮 秸秆 不同字母表示处理间差异显著 下同 30 25 20 15 10 5 0 CK CN SN MNS CNS SNS UNI5904 UNI7406 Treatment P L F A P L F A c o n t e n t n m o l g UNI542b UNI91cf 1 d c d d cd bc cd cd cd bc bcd ab abc bcd ab ab abc bc ab a a a a a UNI771fUNI83cc UNI7ec6UNI83cc UNI653eUNI7ebfUNI83cc UNI603bUNI91cf Fungi Bacteria Actinomycetes PLFA Total amount of PLFA 图 秸秆还田和氮肥配施对土壤微生物 含量的影响 对照 传统施氮 优化施氮 有机肥 秸秆 传统施氮 秸秆 优化施氮 秸秆 不同小写字母表示处理间差异 显著 添加秸秆的处理 与 之间差异不显著 在相同秸秆还田处理下 优化施氮与传统施氮处理 间无显著差异 如 与 无显著差异 与 无显著差异 说明不同处理间土壤磷脂脂肪酸 的差异主要与是否添加秸秆有关 相关分析表明 表 土壤各类微生物 生物量与土壤有机质 速效磷 速效钾和碱解氮含量 均呈正相关关系 而真菌 放线菌 革兰氏阳性菌和 微生物总量与 值呈负相关关系 有机质显著影 响放线菌和革兰氏阳性菌生物量 速效钾含量与放 线菌生物量呈显著正相关关系 长期不同施肥方式对土壤微生物多样性的 影响 由表 可知 各施肥处理的 物种丰富 度指数与 相比均无显著差异 而 多样 性指数和 优势度指数均显著高于 其 中 优化施肥并添加秸秆的 处理两指数最高 同一施氮水平下 处理的 多样性指数 和 优势度指数显著高于不添加秸秆的 处理 但 与 处理之间无显著差异 同一秸 秆添加水平下 不同氮肥施用处理的土壤微生物多 样性差异不显著 长期不同施肥方式对土壤微生物特征 比值的影响 由表 可知 与 相比 不添加秸秆的各氮肥 处理 如 和 处理的革兰氏阳性细菌 革 表 土壤微生物生物量与土壤养分的相关系数 微生物生物量 有机质 速效磷 速效钾 碱解氮 通用脂肪酸 菌根真菌 真菌 放线菌 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 微生物总量 应 用 生 态 学 报 卷 表 秸秆还田和氮肥配施对土壤微生物群落多样性指数 的影响 处理 优势度指数 多样性指数 丰富度指数 兰氏阴性细菌 含量以及 真菌 细菌 异 构 反异构 单不饱和 饱和脂肪酸和环丙烷 前体脂肪酸等特征 比值均没有显著变化 而 在施肥的同时添加秸秆后 以上各指数发生显著变 化且变化规律不一致 具体来看 添加秸秆后真菌 细菌以及 和 含量都显著增加 其中 处理 的增值最大 与 和不添加秸秆处理 之 间差异均达到了显著水平 与之相反 和 在添加秸秆后明显降低 其中 处理的值最低 显著低于 和未添加秸秆处理 长期不同施肥方式对土壤微生物群落结构的 影响 本研究共检测出 种 主坐标分析结果 表明 第 主坐标轴可以解释 的变异 揭示了 各处理微生物群落的主要差异 第 主坐标轴可以 解释 的变异 累计达到 的变异 图 与不施肥的对照相比 添加秸秆 和未添加秸秆 的处理间土壤微生物群落 结构均发生显著变化 由图 可知 组间相对于其 他每个分组秩较高时 表明组间差异大于组内差异 值与 值则表明组间差异达到了显著水平 可 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 1 0 0 5 0 0 5 1 0 UNI8f741 Axis 1 87 3 UNI8f74 2 A x i s 2 4 6 CK 2 CK 1 CK 3 SN 2 CN 3 CN 2 SN 3 SN 1 CN 1 CNS 2 MNS 3 CNS 1 SNS 3 MNS 2 SNS 1 MNS 1 SNS 2 CNS 3 图 土壤微生物群落 主坐标分析 重复 下同 175 150 125 100 75 50 25 0 Be CK CN CNS MNS SN SNS UNI5904 UNI7406 Treatment UNI8ddd UNI79bb D i s t a n c e R P 0 554 0 001 图 不同施肥处理土壤微生物群落结构的相似性分析 组间 见 中添加秸秆处理与未添加秸秆处理具有 显著差异 表 秸秆还田和氮肥配施对土壤特征 含量及比值的影响 处理 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 真菌 细菌 环丙烷 前体脂肪酸 单不饱和 饱和脂肪酸 异构 反异构 期 李 琳等 长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 1 0 0 5 0 0 5 1 0 UNI8f741 Axis 1 38 5 UNI8f74 2 A x i s 2 5 3 1 CK 2 CK 1 CK 3 SN 2 CN 3 CN 2 SN 3 SN 1 CN 1 CNS 2 MNS 3 CNS 1 SNS 3 MNS 2 SNS 1 MNS 1 SNS 2 CNS 3 SOM 图 不同施肥处理土壤微生物群落与土壤理化性质的冗 余分析 为了明确土壤理化性质对微生物群落的影响 对不同施肥处理土壤 进行冗余 分析 结果表明 轴 和轴 的贡献率分别为 图 对各环境因子进行蒙特卡罗检验发 现 土壤有机质 对土壤微生物群落结构具有 显著贡献 土壤有机质是影响 微生物群落结构的主导环境因子 此外 土壤有机 质含量与测得的土壤磷脂脂肪酸含量呈正相关 讨 论 合理的秸秆还田和氮肥减量措施可以有效缓解 因氮肥滥用而对农田土壤造成的一系列问题 对改 善土壤品质 提高作物产量具有积极意义 本研究 表明 在设施番茄长期施肥的农田土壤中 在传统施 肥 的基础上添加秸秆并优化施氮 添加 麦秸秆 减氮 后 土壤理化性状明 显提升 其中 土壤碱解氮含量增幅最明显 从 处理的 增加到 处理的 增幅 这与前人的研究结果一 致 徐云连等 研究表明 长期减量施肥配施秸秆 还田能够增加水稻土壤碱解氮含量 吴立鹏等 研究表明 连续两年秸秆还田和优化施氮显著增加 了水稻土壤硝态氮和铵态氮含量 究其原因 可能 是由于一方面秸秆还田为土壤提供了大量的活性碳 和氮 促进土壤团粒结构的形成 有效提高了土壤保 肥能力 从而减少了氮素的淋溶损失 另一方 面 秸秆还田配施氮肥 能够给土壤微生物提供合适 的碳氮养分 从而维持和增加微生物活性和数量 加 速对有机物质的分解和矿质养分的转化 进而提高 土壤有效氮含量 土壤微生物是土壤的重要组成部分 能够促进 土壤中养分的转化 对维持土壤生态系统平衡起 着不可替代的作用 秸秆还田能够提高土壤微 生物丰度和多样性 继而影响土壤养分循环及生 态系统稳定性 在本试验条件下 与不添加秸秆的 处理和对照相比 所有添加秸秆的处理 均能够显著增加土壤微生物数量 其中秸秆还 田及优化施氮 处理下的土壤细菌 真菌 放线 菌和 总量均达到最大值 微生物多样性系数 也最大 但是 在相同的秸秆添加水平下 不同施氮 处理之间土壤各类群微生物生物量与多样性系数均 没有显著差异 如 与 无显著差异 与 也无显著差异 此外 主坐标分析和相似性 分析表明 微生物群落结构按照添加秸秆的处理 未 添加秸秆的处理和 的规律聚集成三簇 并且三 者之间差异显著 由此说明 不同处理间土壤微生 物生物量 多样性和群落结构的差异主要与是否添 加秸秆有关 而与氮肥的施用量之间相关性不明显 张焕军等 在长期定位试验的主成分分析表明 添 加秸秆处理 未添加秸秆处理和 的微生物群落 结构能够显著区分开 这与本研究结果相似 此外 邬奇峰等 研究表明 长期平衡施用氮磷钾肥对土 壤微生物生物量和群落结构无显著差异 而长期秸 秆还田可显著提高土壤微生物生物量并改变其群落 结构 这可能是由于秸秆还田可以增加土壤有机质 的矿化率 而有机质矿化过程正是为微生物提供能 量的过程 以往研究表明 长期过量氮肥投入会 改变土壤理化性状 抑制土壤微生物的生命活动 同 时由于外源有机碳源补充不足 过低导致氮素 过剩 没有足够的能源满足微生物的生长发育 进而 显著降低了土壤微生物生物量 施氮的同时 秸秆还田能够明显补充碳源的不足 增加土壤有机 质含量 有效调节土壤碳氮比 从而增加土壤微生物 数量 提高微生物活性 在本研究中 碳氮比为 时的 处理更有利于增加设施番茄土壤微生 物生物量和多样性 从而保持土壤生态系统稳定 土壤微生物与土壤养分的相关性分析表明 土 壤中放线菌 革兰氏阳性菌与有机质含量呈显著正 相关性关系 冗余分析表明 土壤有机质是影响土壤 微生物群落结构的最大环境因子 这与前人的研究 结果一致 即土壤有机质作为土壤中绝大多数微生 物的主要能量来源 其含量是决定土壤微生物多样 应 用 生 态 学 报 卷 性和群落结构的首要因素 真菌 细菌表征土壤生态系统的稳定性 该比例 越高则生态系统越稳定 本研究中 与未添加秸 秆的处理相比 施用秸秆的 处理能够显著增加 真菌 细菌 并且 处理的真菌 细菌最高 说明 秸秆配施氮肥调节碳氮比为 时改善了微生物 的生存环境 增加了生态系统的稳定性 和 可以同时反映土壤的营养状况 比值越高表 示营养胁迫程度越大 本研究中 处理的 和 在所有处理中最低 且显著低于 表 明长期秸秆还田及优化施氮 能有效改善土壤 的营养状况 从而提高土壤中微生物生物量 综上 长期秸秆还田及优化施氮 能够有 效缓解土壤 值的下降 合理改善土壤养分状态 显著提高土壤微生物生物量并改善其群落结构 提 高土壤生态系统的稳定性 此外 与传统施肥 处理间产量无显著差异 即在农民传统高氮施 肥的条件下 氮肥减量施用配施长期秸秆还田 添加麦秸秆 减氮 能够在保 持稳定生产的情况下 有效改善土壤生态环境 促进 农业可持续发展 是一种有效的减肥增效施肥措施 参考文献 祝海燕 过量施肥对设施果菜类蔬菜的影响 以山东 省寿光市为例 中国瓜菜 姜慧敏 张建峰 杨俊诚 等 施氮模式对番茄氮素 吸收利用及土壤硝态氮累积的影响 农业环境科学 学报 姜慧敏 张建峰 杨俊诚 等 不同氮肥用量对设施 番茄产量 品质和土壤硝态氮累积的影响 农业环境 科学学报 朱金霞 孔德杰 尹志荣 农作物秸秆主要化学组成 及还田后对土壤质量提升影响的研究进展 北方园 艺 杨荣全 曹飞 李迎春 等 不同施肥处理对华北露 天菜地氮素淋溶的影响 中国土壤与肥料 吴立鹏 张士荣 娄金华 等 秸秆还田与优化施氮 对稻田土壤碳氮含量及产量的影响 华北农学报 向晓玲 陈松鹤 高仁才 等 麦 玉轮作玉米秸秆还 田与施氮对后茬玉米产量和养分吸收的影响 华北 农学报 高洪军 彭畅 窦森 等 秸秆还田配施氮肥对春玉 米氮素利用及土壤氮素平衡的影响 玉米科学 李春喜 李斯斯 邵云 等 减氮条件下有机物料还 田对麦田酶活性及其土壤碳氮含量的影响 作物杂 志 徐永刚 宇万太 马强 等 不同施肥制度对土壤微 生物生态影响的评价 土壤通报 梁文举 董元华 李英滨 等 土壤健康的生物学表 征与调控 应用生态学报 郑林用 刘本洪 食用菌培养料碳氮比 的计算 方法 四川农业科技 鲁如坤 土壤农业化学分析方法 北京 中国农业科 技出版社 陈佳勃 赵瑞辰 王艳杰 等 基于大型底栖动物群 落生物指数的清河水环境模糊综合评价 农业环境 科学学报 孙海新 刘训理 茶树根际微生物研究 生态学报 左易灵 贺雪礼 王少杰 等 磷脂脂肪酸 法检测蒙古沙冬青根围土壤微生物群落结构 环境 科学 徐云连 马友华 吴蔚君 等 长期减量化施肥对水 稻产量和土壤肥力的影响 水土保持学报 期 李 琳等 长期不同施肥方式对日光温室番茄土壤养分和微生物群落结构的影响 蔡晓布 钱成 张永青 等 秸秆还田对西藏中部退 化土壤环境的影响 植物营养与肥料学报 田路园 邹雨坤 李广义 等 秸秆还田氮肥不同配 施比例在土壤中的淋失研究 热带作物学报 张焕军 郁红艳 丁维新 长期施用有机无机肥对潮 土微生物群落的影响 生态学报 邬奇峰 陆扣萍 毛霞丽 等 长期不同施肥对农田 土壤养分与微生物群落结构的影响 中国农学通报 刘长庆 不同氮肥用量对保护地番茄产量 品质及土 壤微生物的影响 山东农业科学 李美霖 陈宇眺 洪晓富 等 不同氮肥管理方式对 稻田土壤微生物群落结构的影响 浙江农业学报 韩新忠 朱利群 杨敏芳 等 不同小麦秸秆还田量 对水稻生长 土壤微生物生物量及酶活性的影响 农 业环境科学学报 陈一民 隋跃宇 刘晓冰 等 两种施肥处理下不同 有机质含量农田黑土微生物群落结构 分析 土 壤与作物 作者简介 李 琳 女 年生 硕士研究生 主要从事 蔬菜栽培与土壤微生态研究 责任编委 魏 珉 责任编辑 张凤丽 应 用 生 态 学 报 卷