施肥对麦田土壤中的微生物影响研究
李晓楼
(四川职业技术学院建筑与环境工程系,四川遂宁629000)
摘要[目的]揭示土壤微生物群落与土壤养分的关系。[方法]采用室内恒温培养试验,以长期肥料定位试验(CK、PK、NPK3个处理)的0~20cm土壤为试材,设不施肥(CK)、施化肥(CF)、秸秆和无机肥配施(RS)、厩肥和无机肥配施((PM)4个处理。淹水培养后测定微生物群落结构多样性。[结果]4种不同施肥处理土壤的AWCD值随着培养时间成S型变化。表征细菌的磷脂脂肪酸其相对含量总和表现为RS>PM>CF>CK,与微生物量碳变化规律相同。表征放线菌磷脂脂肪酸其相对含量总和的变化趋势与微生物生物量碳变化规律相反。真菌的特征磷脂脂肪酸相对百分含量总和在施厩肥的处理中最高,在无肥对照中最低。不施肥和单施化肥处理的G+G-值显著高于RS和PM处理。[结论]不同施肥处理使土壤中微生物群落功能多样性明显改变。关键词微生物群落;施肥;土壤
中图分类号S147.2文献标识码A文章编号0517-6611(2008)19-08168-03
ResearchontheInfluenceofFertilizationontheMicrobeinWheatFieldLIXiao-lou(TheDepartmentofArchitectureandEnvironmentEngineering,SichuanVocationalTechnologicalCollege,Suining,Sichuan629000)Abstract[Objective]Thestudywastorevealtherelationshipbetweensoilmicrobialfloraandsoilnutrient.[Method]Withthe0-20cmsoilsfromthelong-termfertilizerlocationexperiment(CK,PK,NPK)astestedmaterials,4treatmentsincludingnoapplicationfertilizer(CK),chemicalfertilizer(CF),stalkandinorganicfertilizer(RS),andanimalmanureandinorganicfertilizer(PM))weredesignedinindoorculturetestatconstanttemperature.Afterfloodingwaterculture,theconstructiondiversityofmicrobialflorawasmeasured.[Result]SoilAWCD(averagewellcolordensity)valueof4treat-mentschangedasSmodelwiththeculturetime.ThesumofrelatedcontentofphospholipidfattyacidincharacteristicbacterialvariedasRS>PM>CF>CKandchangedsimilarlywiththemicrobialbiomasscarbon.Thesumofrelatedcontentofphospholipidfattyacidincharacteristicactinomyceteschangedoppositelywiththemicrobialbiomasscarbon.ThesumofrelatedcontentofphospholipidfattyacidincharacteristicfungiwashighestinPMtreat-mentsandthatinCKwaslowest.TheG+G-valueinthetreatmentofCKandCFwassignificantlyhigherthanthatinRSandPM.[Conclusion]Thefunctiondiversityofmicrobialflorainsoilchangedobviouslyintreatmentswithdifferentfertilizations.KeywordsMicrobiologicalcommunity;Fertilization;Soil
土壤微生物是土壤的重要组成部分,参与C、N、P、S等元素的周转与循环,因此微生物群落的数量、组成以及活性与土壤肥力有密切的联系[1-2]。通过对微生物群落结构的研究,可以揭示土壤中微生物种类和功能的差异,反映生态功能和环境胁迫等方面的影响,土壤微生物群落结构已经被作为评估土壤质量的微生物指标之一。因此,笔者研究了不同施肥处理微生物群落结构的变化,试图揭示土壤微生物群落的生态学特征及其与土壤养分供应状况的关系。1材料与方法
1.1供试土壤供试土壤采自四川省某农场。该农场长期进行肥料定位试验,采用裂区设计,主区为肥料处理,设有CK(不施肥)、PK、NK、NP、NPK五个处理,副区为不同水稻品种。经过8年的施肥处理后各个区土壤的含氮量产生了差异,其中以CK、PK、NPK3个处理差异最为明显,这3个处理的含氮量为CK 作者简介李晓楼(1974-),男,四川遂宁人,讲师,从事微生物应用方面的研究。收稿日期2008-04-23[3-4] 同种类、不同数量的肥料,充分搅拌混匀后,置于塑料烧杯中,保持恒定的水位,在25生化培养箱内淹水培养。1.3土壤基本理化性质测定供试土壤和肥料的基本理化性质采用常规分析方法进行测定。 1.4土壤微生物群落多样性的测定在培养第9周,用特制的注射器多次、多点抽取经过4种肥料处理的CK土样,分别集中在烧杯中,用玻璃棒搅匀,制成混合土样,测定微生物群落结构多样性。 1.4.1土壤微生物群落功能多样性。土壤微生物群落功能多样性的测定主要是采用BIOLOG微平板测试方法,根据反应孔中颜色变化的吸光值来指示微生物对不同碳源的利用模式,从而反映微生物群落的功能代谢能力差异。功能多样性的测定采用基于BIOLOG生态板(BIOLOGECO)的碳素利用法,BIOLOGECO微平板有31种不同碳源。加上1个水对照孔,3个重复共有96个反应孔。具体操作过程如下:将BI-OLOGECO微平板从冰箱内取出,预热到25。用200l自动多头移器取合乎BIOLOGECO系统要求的土壤稀释液(10-3)加到BIOLOGECO微平板孔中,每孔加150l,25培养7d,每隔24h用BIOLOG自动计数装置在590nm下测定其吸光值。以每孔的平均吸光度作为整体活性的有效性指数之一。 1.4.2土壤微生物群落结构多样性。土壤微生物群落结构多样性采用磷酸脂肪酸(PLFA)分析。该文采用修正的方法进行脂类提取和磷酸酯脂肪酸分离。其基本步骤如下:首先,把新鲜土样放在-20下冷冻干燥,然后过100目筛。取2.0g样品于干净的试管内,用氯仿-甲醇-柠檬酸缓冲液(体积比1.02.00.8)振荡提取脂类,通过硅胶柱层析法分离得到磷酸酯脂肪酸,然后经碱性甲醋化后用气相色谱分析各种脂肪酸的含量。特定脂肪酸以碳的数目双键的数目36卷19期李晓楼施肥对麦田土壤中的微生物影响研究8169 和双键距离分子末端的位置(甲基端起)的方式命名。c、t分别表示顺式和反式脂肪酸,a和i分别指反式支链脂肪酸及异式支链脂肪酸,br表示未知结构的支链脂肪酸,cy表示环状脂肪酸,10Me表示第10个碳原子上的甲基(从轻基端起)。其中,1836c作为真菌的特征脂肪酸,选择i150、a150、150、i160、170、cy170和cy190脂肪酸来表征细菌,革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌之比则通过10Me160、10Me170、10Me180、i150、a150、i160、i170及a170脂肪酸之和与ey170和cy190脂肪酸和的比值来估算。 1.5数据处理及统计分析BIOLOG数据以平均吸光值(Av-erageWellColorDevelopmentAWCD)来描述,根据Garland等提供的方法计算每孔溶液吸光值平均变化率(AWCD),并计算丰富度指数S、Shannon指数H、McIntonch指数U。计算表达式为:AWCD=[(Ci-R)]/31,其中Ci是除对照孔外所测得31个反应孔各自平均的吸光值,R是对照孔的吸光值。通常把颜色变化孔数作为土壤微生物群落功能多样性的丰富度S。Shan-non指数(H)计算公式为:H=-iPi(lnPi)其中Pi为第i孔=1溶液相对吸光值与微平板上所有孔的吸光值之比值。McIn-tonch指数(U)计算公式为:U= (n2i),其中ni为第i孔的 相对吸光值。将每孔的吸光值除以相应的AWCD后进行主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)。PLFA数据以mol%数值进行多元统计分析,并将各种脂肪酸的含量用log10mol%转化后进行主成分分析。2结果与分析 2.1不同施肥处理对微生物群落功能多样性的影响 2.1.1不同施肥处理土壤微生物AWCD的动态变化。从图1可以看出,CK土壤4种不同施肥处理的AWCD随着培养时间明显成S型。在48h之内,AWCD值都很小,几乎没有变化,表明在48h之内碳源基本未被利用,此后AWCD值不断增加。对比不同处理,在相同的培养时间点,PM和RS处理的AWCD值要高于CF和CK对照,说明与施无机肥CF和不施肥对照CK相比有机肥处理的土壤的微生物活性强、代谢快,对各类碳源的利用能力相对较高。在72h之内,PM、CF处理的AWCD值增长率要高于RS处理,说明与水稻秸秆粉末相比厩肥猪栏粪和无机肥更容易被土壤中微生物所利用,从而提高活性,加快其代谢水平。72h以后,RS处理的AWCD值快速增长,并在第96h超过PM处理,这可能是因为水稻秸秆粉末中的有机碳高于猪栏粪,从而为微生物提供持久的能源,可以在较长时间内促进微生物的生长的缘故。从图1还可以发现,不施肥对照(CK)处理在培养后期AWCD值增长很快,并在144h超过CF处理。通过比较4种处理的AWCD值,可以看出AWCD值与土壤微生物生物量C的相关性不是很高,这说明在BIOLOG微平板测试中,AWCD值不仅与土壤微生物数量有关,也受微生物活性制约。 2.1.2不同施肥处理土壤微生物群落多样性指数。由于BIOLOGECO盘中制备有1个对照和31种不同性质的碳源,在培养过程中土壤的不同类群微生物对各自的优先利用碳源基质具有选择性,进而使BIOLOGECO盘中反应孔的颜色变化出现不同程度的差异。因而,BIOLOGECO盘中孔的颜色变化数目在一定程度上可以间接反映土壤微生物群落结N 构组成上的差异,有颜色变化孔的数目越多表明土壤微生物群落种类相对越丰富。从表1可知,不施肥对照CK显色孔数最多(20目),CF处理显色孔数最少仅为14目,说明施肥尤其是无机肥在提高微生物生物量的同时,一定程度上减少了微生物群落功能多样性的丰富度,与无机肥相比施用有机肥可以在一定程度上保持微生物群落功能多样性的丰富度。Shannon指数是研究群落物种及其个体数和分布均匀程度的综合指标,是目前应用最为广泛的群落多样性指数之一。与不施肥对照相比,施肥可以显著提高Shannon指数,并且有机肥的效果更加明显。不同施肥处理之间Shannon指数差异达显著水平(P<0.05)。可见肥料尤其是有机肥对于增加土壤微生物群落物种及其个体数、提高群落分布均匀程度有重要意义。McIntonch指数是用于评估群落物种均一性的指标,不同施肥处理对McIntonch指数产生了不等的影响,施肥处理的McIntonch指数要高于不施肥CK对照。不同多样性指数只能反映土壤微生物群落功能多样性的不同侧面,并不能全面反映土壤微生物群落功能多样性相对多度的信息。只有综合分析所有指数,才能全面、准确得到与土壤微生物群落功能多样性相关的信息。 图1不同施肥处理土壤的BIOLOGECO盘平均吸光值(AWCD) 变化 Fig.1Thechangesofaveragewellcolourdeve-lopment(AWCD)in soilunderdifferentfertilizationtreatmentsbyBIOLOGECOdisk表1 不同施肥处理土壤微生物多样性指标变化 Table1Diversityindexchangesofsoilmicroorganismunderdifferentfer-tilizationtreatment 施肥处理FertilizationtreatmentCKCFPMRS S20.0a 14.0b19.0a18.5a H2.46c 2.69b2.82ab2.90a U3.29b 3.48ab3.98a4.00a 2.2不同施肥处理对微生物群落结构多样性的影响磷酸酯脂肪酸(PLFA)存在于除古细菌外的所有活细胞的细胞膜上,是活生物体细胞膜的重要组成成分,不同种类的微生物可以通过不同的生化途径生成不同的磷酸酯脂肪酸,这些磷酸酯脂肪酸在细胞死亡后会被很快分解掉。所以磷脂构成的变化能够表明样品中微生物群落结构的变化,通过此方法可以对微生物群落进行识别和定量描述。用磷酸酯脂肪酸法分析了不同施肥处理CK土壤,以表征土壤微生物群落结构的变化。试验检测出了从C12到C20共30种脂肪酸,各个单体磷酸酯脂肪酸的 8170安徽农业科学2008年 相对含量在不同的施肥处理中有明显的差别。它们的PLFA谱图差别很大,具有多样性。与不施肥对照CK相比,磷酸酯脂肪酸1617c相对百分含量在CF、PM、RS处理中分别增长了4.08%、15.1%和32.3%;1826,9c的相对百分含量分别增长了39.5%、257.6%、74%;而i161的相对百分含量在CF、PM、RS处理中分别降低了17%、21%、21%;有机肥处理PM和RS使170(10Me)的相对百分含量分别下降了16.7%和26.9%。1516c、1703OH这两种脂肪酸仅出现在施有机肥的处理中,可见,施用有机肥为1516c和1703OH表征的微生物提供了适宜的条件,促进了这些微生物的生长。4种施肥处理中能够表征细菌的磷酸酯脂肪酸相对百分含量总和呈现出RS>PM>CF>CK的规律,这与微生物量碳变化规律相同,真菌的特征磷酸酯脂肪酸相对百分含量总和在PM处理中最高,其次是RS和CK处理,在无肥对照CK中最低。放线菌特征磷酸酯脂肪酸相对百分含量总和在无肥对照CK中最高,在RS处理中最低,这与微生物生物量碳变化趋势正好相反(图2)。革兰氏阳性细菌(G+)与革兰氏阴性细菌(G-)的比值在4种处理中也有明显的不同(图3),不施肥对照CK和单施化肥CF处理的G+/G-值显著高于秸秆和猪粪处理(P<0.05),由此可见G+/G-可以从一个方面反映出土壤中微生物群落结构的差异。 右侧,与PCI成正比,表明不同施肥处理的土壤微生物群落结构有一定的差异。这种差异不仅表现在施肥与不施肥处理之间,也表现在施有机肥和不施有机肥(不施肥和施化肥)处理之间。从图中明显看出CK和CF处理之间的距离比较近,说明单施化肥对微生物群落结构影响不大。绝大多数不饱和脂肪酸如1819c、1817c、1617c、1619c、1516c、1826,9c环状脂肪酸cy190以及反异式支链脂肪酸及异式支链脂肪酸如i140、i150、a150基本上都分布在载荷图的左侧;大多数的饱和直链脂肪酸如140、170、180、190、200都分布在主成分载荷图的右侧(图5)。结合图4进一步分析可知,不饱和、环状等脂肪酸在RS和PM处理土壤中含量丰富,而在CK和CF处理土壤中构成微生物细胞膜的磷脂大多数是饱和直链脂肪酸。放线菌特征脂肪酸都出现在主成分载荷图的右侧(图5),说明这些特定的脂肪酸在CK和CF中相对较高,也就是说放线菌的数量在不施肥对照(CK)和施无机肥(CF)的处理中相对较高,这与微生物平板计数得到的数据相一致。这些事实都说明不同的施肥处理对土壤微生物群落结构影响极为明显,施有机肥与单施无机肥和不施肥相比可以促进微生物群落结构的多样性。 图4不同施肥处理磷酸酯脂肪酸图谱主成分 Fig.4Principalcomponentsinphospholipidfattyacidatlasunder differentfertilizationtreatments 图2不同施肥处理微生物PLFAs摩尔百分比 Fig.2MolarpercentageofPLFAsinmicroorganismunderdifferent fertilizationtreatments 图5单个磷酸酯脂肪酸主成分载荷值 Fig.5Singlecomponentloadvalueofphospholipidfattyacid 3结论 图3不同处理G+/G-Fig.3G+/G-underdifferenttreatments 不同的施肥处理对土壤微生物群落结构影响极为明显,各个单体磷酸酯脂肪酸(PLFA)谱图差异很大,其相对含量在不同的施肥处理中有明显的差别,并且发现1516c、1703OH这两种脂肪酸仅出现在施有机肥的处理中,表征细菌的磷酸酯脂肪酸其相对含量总和呈现出RS>PM>CF>CK的规律,与微生物量碳变化规律相同,表征放线菌磷酸酯脂肪酸其相对含量总和在4种处理中的变化趋势与微生物生物量碳变化趋势相反。真菌的特征磷酸酯脂肪酸相对百分含量总和在施厩肥的处理中最高,在无肥对照中最低。不施 (下转第8173页) 为了进一步分析不同施肥处理土壤微生物群落结构的变化,对各个脂肪酸的相对含量进行了主成分分析(PCA)。PCA同样能很好地区分这些土壤微生物的PLFA剖面,第一主成分PCI对总PLFA数据变异的贡献率是39.6%,第二主成分PC3对总PLFA数据变异的贡献率是29.9%。PM和RS处理分布在主成分分析图的左侧,与PCI成反比,并且4种不同施肥处理分别位于图中4个不同的象限(图4),CK和CF处理在图的36卷19期崔志强等长期地膜覆盖与不同施肥处理对棕壤活性有机碳的影响8173 种前期和收获后期含量较低;深层土壤(20~100cm)变化趋于平稳。这是由于湿润季节比干旱季节的微生物C/N小,土壤湿度显著影响土壤微生物量的大小。季节的变化影响作物生长,作物的年龄和发育程度又影响根系分泌物,进而影响活性有机碳的变化。温度升高,生物活性增加,土壤活性有机碳水平增加。深层土壤活性有机碳含量比较低,土壤微生物的数量很少,受季节变化影响较小。 2.2长期地膜覆盖对土壤活性有机碳含量的影响水分与温度对土壤中活性有机碳含量具有重要的影响。地膜覆盖提高了地温和土壤水分含量,增强了微生物的活性,降低了有机物料的残留率,导致原有的有机碳损失。但是同时也由于外界化肥和有机物料的施入,对土壤中活性有机碳进行了补充,另外,土壤水分与温度的升高促进作物生长而使根系残留和光合产物形式直接输送到地表的有机碳量增加,因此覆膜后的土壤中活性有机碳高于裸地土壤(表2)。对覆膜与裸地土壤5个剖面层次活性有机碳进行t检验,Sig.值分别为0.019、0.934、0.557、0.201、0.391,说明覆膜使0~20cm即表层土壤活性有机碳显著增加,而对20~100cm即深层土壤活性有机碳的影响不显著。 2.3不同施肥处理对土壤活性有机碳的影响从表2可以看出,无论是否覆膜,单施有机肥(M)处理的土壤活性有机碳含量最高,单施氮肥(N)处理含量最低,而有机-无机肥料配施(MNP)处理的土壤活性有机碳含量介于单施有机肥和单施氮肥之间。有机-无机配施和单施有机肥能够增加土壤活性有机碳的含量,主要是因为加入的有机质在腐解过程中能够释放大量活性有机碳的缘故;而单施无机肥处理的土壤活性有机碳的含量较低可能与氮肥的施入有关,氮肥施用量的增加,通常会导致土壤中活性有机碳含量的减少。 对不同施肥处理下覆膜与裸地土壤活性有机碳含量进行方差分析,结果见表3。由表3可知,对于裸地土壤表层(0~20cm)来说,对照(CK)与单施有机肥(M)、有机无机配施(MNP),单施氮肥(N)与单施有机肥(M),单施氮肥(N)与有机无机配施(MNP)之间均存在显著差异,对照(CK)与单施氮肥(N)以及单施有机肥(M)与有机无机配施(MNP)之间差异不显著;对于覆膜土壤表层(0~20cm)来说,上述4种处理之间除对照(CK)与单施氮肥(N)之间差异不显著外均存在显著差异。深层土壤(20~80cm)活性有机碳含量与表层含量变化趋势基本一致。 表3不同施肥处理土壤活性有机碳含量的变化 Table3Changesofsoilactiveorganiccarboncontentunderdifferentfertilizationtreatments 处理TreatmentCKNMMNP 0~20cm1.64a1.60a1.92b1.88b 裸地土壤Uncoveredsoil20~40cm1.71a1.63a2.06b2.01c 40~60cm1.09a1.03a1.22b1.17b 60~80cm1.03a1.04a1.26b1.19c 80~100cm0.69a0.67a0.76b0.63c 0~20cm0.64a0.67a0.79b0.66a 0.46a 0.47ac0.57b0.54bc 覆膜土壤Coveredsoil 20~40cm 40~60cm0.44a0.41b0.57c0.56c 60~80cm0.36a0.33a0.45b0.45b 80~100cm0.33a0.34a0.47b0.43b g/kg 注:同列相同小写字母表示差异不显著(n=3,P<0.05);同列不同小写字母表示差异显著(n=3,P>0.05)。 Note:Thesamesmalllettersinthesamecolumnmeannosignificantdifference(n=3,P<0.05);Differentsmalllettersinthesamecolumnmeansignificantdiffer-ence(n=3,P>0.05). 3结论与讨论 (1)土壤活性有机碳的剖面分布有随着土壤深度的增加而下降的趋势,幅度大于土壤有机碳总量随着土壤深度的增加而下降的幅度。 (2)覆膜使表层土壤(0~20cm)活性有机碳含量显著增加,而对深层土壤(20~100cm)活性有机碳含量影响不显著。 (3)无论覆膜与否,不同施肥处理下土壤活性有机碳含量变化趋势为:M>MNP>CK>N;有机肥化肥配施和单施有机肥处理都能显著提高表层土壤(0~20cm)活性有机碳含量,而单施氮肥则对土壤活性有机碳含量影响不显著;深层土壤(20~80cm)活性有机碳含量与表层含量变化趋势基本一致。 (4)土壤活性有机碳随着季节的变化而变化。无论覆膜与否,不同施肥处理表层土壤(0~20cm)活性有机碳含量在(上接第8170页) 肥和单施化肥处理的G+/G-值显著高于(P<0.05)RS和PM处理。主成分分析结果表明,PM和RS处理与PCI成反比,CK和CF处理与PCI呈正比,不饱和、环状等结脂肪酸在RS和PM处理土壤微生物中含量丰富,而在CK和CF处理土壤中构成微生物细胞膜的磷脂大多数是饱和直链脂肪酸。玉米拔节期、长粒期、收获期都较高,而在播种前期和收获后 期含量较低;深层土壤(20~100cm)活性有机碳含量受季节变化影响较小。参考文献 [1]沈宏,曹志宏.土壤活性有机碳的表征及生态效应[J].生态学杂志, 1999,18(3):32-38. 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