有機無機緩釋復合肥對土壤微生物量碳、氮和群落結構的影響

王　菲，袁　婷，谷守寬，王正銀

西南大學資源環境學院, 重慶　400716

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有機無機緩釋復合肥對土壤微生物量碳、氮和群落結構的影響

王菲，袁婷，谷守寬，王正銀*

西南大學資源環境學院, 重慶400716

摘要:研究緩釋復合肥不同用量對土壤微生物量碳、氮和群落結構多樣性的影響，在農業生產上廣泛應用緩釋復合肥有著重要意義。試驗采用室內長期恒溫培養和磷脂脂肪酸法，以化肥和普通復合肥適量施用養分量為對比，研究緩釋復合肥適量、高量和超高量施肥水平對土壤微生物PLFA含量的影響規律。結果表明，SRF1、SRF2、SRF3(緩釋復合肥適量、高量和超高量)較CK(不施肥)和CF1(化肥適量)顯著增加土壤微生物量碳，且較CK、CF1和CCF1(普通復合肥適量)顯著增加土壤微生物量氮。土壤微生物量碳、氮隨著緩釋復合肥施肥水平的增加而增加，但沒有隨著施肥水平的倍量增加而倍量增加，且SRF2和SRF3無顯著差異。緩釋復合肥(SRF1、SRF2和SRF3)較CK、CF1和CCF1增加土壤PLFA的種類和含量，且總PLFA含量增加7.4%—26.7%、17.6%—38.7%和12.8%—33.0%，3個施肥水平以SRF2作用效果最好，總PLFA含量最高，分別較SRF1和較SRF3高16.4%和17.9%。土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌PLFA含量以SRF1和SRF2顯著高于CF1和CCF1。主成分分析和聚類分析顯示施肥處理分布較多PLFA的優勢種群，SRF3與SRF1和SRF2的PLFA結構差別較大。綜上認為，適量施肥水平以緩釋復合肥較化肥和普通復合肥對土壤微生物的作用顯著，其中緩釋復合肥3個施肥水平以高量施肥水平作用最好。

關鍵詞：緩釋復合肥；磷脂脂肪酸；土壤微生物群落結構

土壤微生物是土壤有機質和養分轉化、循環的動力，是維持土壤質量的重要因素，自然條件下土壤內部的變化是一個復雜而密切聯系的過程，而微生物學指標能敏感地反映土壤質量的變化，是土壤質量評價體系中不可缺少的組成部分[1]。但在農業生產中，施肥措施不僅直接影響作物的生長狀況和產量，同時也明顯影響土壤理化性質，并由此導致土壤微生物數量、活性和群落結構發生改變[2- 3]。近年來，研究長期施肥措施[4]和有機無機肥料配施[5]等施肥制度對土壤微生物的影響尚有報道，主要涉及土壤微生物群落多樣性的研究。土壤微生物多樣性反映群落總體的動態變化，研究方法較多，而不同方法反映土壤微生物多樣性的情況不同，其中磷脂脂肪酸法可以分析土壤微生物群落結構的多樣性。因為不同種類微生物體內磷脂類化合物中的脂肪酸組成及含量存在極大的差異，可以區分出土壤革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、細菌、真菌、放線菌、原生動物和藻類等。緩控釋肥料作為一類新型肥料已成為近年來的研究熱點，然而迄今的研究集中在養分釋放、作物和環境效應等方面[6- 8]，缺少對這類肥料的土壤肥力質量綜合效應評價，特別是當前大量施肥現象嚴重，肥料種類和施用量對土壤微生物的影響較大，而有關緩控釋肥料對土壤微生物群落多樣性影響規律的研究較薄弱，以致在農田推廣應用緩控釋肥料尚缺乏強有力的理論支撐。有鑒于此，在前期對緩釋復合肥料不同形態氮素養分釋放和生物效應研究的基礎上[9]，本文采用室內恒溫培養試驗和磷脂脂肪酸法(Phospholipid Fatty Acid, PLFA)，研究該緩釋復合肥不同施用水平對菜園土壤微生物生物量和群落結構多樣性的影響，旨在進一步揭示緩控釋肥料提高氮素利用效率和改善土壤肥力質量的實質，為農業生產上一次性簡化施肥和應用該肥料提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤采自重慶市璧山縣七塘鎮蔬菜(茄子)基地，其基本理化性質為pH值 6.8，有機質13.8 g/kg，堿解氮99.7 mg/kg，有效磷22.6 mg/kg，速效鉀134 mg/kg。供試肥料：化肥有尿素(N 46%)，磷酸二氫銨(N 11%; P2O544%)，硫酸鉀(K2O 50%)；普通復合肥由尿素、磷酸二氫銨和硫酸鉀按氮磷鉀質量分數為14%、8%和8%復合造粒而成；緩釋復合肥系西南大學研制的一種以快速有效化處理的優質有機肥為基礎，與經緩釋技術處理的化學肥料復合而制得的養分結構型非包膜緩復合肥，該肥料氮磷鉀質量分數為14%、8%和8%，有機質為15.7%[10]。

1.2試驗設計

土壤恒溫培養試驗設置6個處理，3次重復；各處理施肥量見表1。在適量施肥的基礎上，設計緩釋復合肥高量(增加1倍量)和超高量(增加3倍量)處理，目的在于探討緩釋復合肥高量施用條件下土壤微生物群落的適應性，為生長期長的覆膜栽培茄果類蔬菜以及果樹等木本農作物一次性簡化施肥奠定基礎。

CK：對照Control；CF1：普通化肥適量施肥水平A moderate level of chemical fertilizer；CCF1：普通復合肥適量施肥水平A moderate level of common compound fertilizer；SRF1：緩釋復合肥適量施肥水平A moderate level of slow- release compound fertilizer；SRF2：緩釋復合肥高量施肥水平A high level of slow- release compound fertilizer；SRF3：緩釋復合肥超高量施肥水平A overhigh level of slow- release compound fertilizer

試驗時稱取過1 mm篩的風干土壤100 g和相應用量的肥料，逐次加入去離子水，使土壤和肥料充分混勻，將土壤裝入玻璃培養管(長度150 mm，直徑35 mm)內，然后用滴管加入剩余水量使之達到土壤田間持水量的80%左右，最后用保鮮膜封住管口，并在保鮮膜上均勻扎20個0.1 mm的小孔保證其通氣條件，于恒溫箱中25 ℃培養90 d，為保證整個培養過程中作用條件(水分、通氣等)的一致性，每隔4 d采用重量法加水。到達預定培養時間后，每處理取3次重復的培養管，將其土壤全部取出充分混勻。一部分土壤用于土壤微生物量碳氮的分析；另一部分用無菌塑料袋裝入，冷凍干燥后-70 ℃保存，用于PLFA分析。

1.3測定項目及方法

土壤微生物量碳和氮采用氯仿熏蒸一硫酸鉀浸提法測定[11]。土壤微生物PLFA按照Bligh-Dyer[12]方法提取后，用Agilent 6850氣相色譜儀分析PLFA的成分。色譜條件為：HP-5柱(25.0 m×200 μm×0.33 μm)，進樣量1 μL，分流比10∶1，載氣H2，尾吹氣高純N2，助燃氣是空氣，流速0.8 mL/min。汽化室溫度250 ℃，檢測器溫度300 ℃，柱前壓10.0 psi。升高柱溫：170 ℃起始，5 ℃/min升到260 ℃，而后40 ℃/min升至310 ℃，保持1.5 min。各成分脂肪酸通過美國MIDI Sherlock微生物鑒定系統(Version 6.1, MIDI, Inc., Newark, DE)進行，標準品購于美國MIDI公司的C9—C20的脂肪酸甲酯，PLFA用C19:0做內標，換算PLFA的絕對含量。

細菌標記性脂肪酸有12:0，13:0，14:0，i14:0，15:0，i15:0，a15:0，16:0，i16:0，16:1 2OH，16:1w5c，i17:0，a17:0，cy17:0，18:0，cy19:0w8c等，其中i14:0，i15:0，a15:0，i16:0，i17:0，a17:0等代表革蘭氏陽性細菌，16:1w5c，cy17:0，cy19:0w8c等代表革蘭氏陰性細菌；真菌標記性脂肪酸有18:1w9c；放線菌標記性脂肪酸有10Me17:0和10Me18:0。一般飽和脂肪酸以12:0，13:0，14:0，16:0，18:0等之和計；單烯不飽和脂肪酸以16:1 2OH，16:1w5c，cy17:0等之和計。異構磷脂脂肪酸以i14:0，i15:0，i16:0，i17:0等之和計；反異構磷脂脂肪酸以a15:0，a17:0等之和計[13- 16]。

1.4數據處理和統計分析

試驗數據用Microsoft Excel 2003整理，SPSS 13.0(Statistical Product and Service Solutions)軟件進行方差分析(P<0.05)、主成分分析和聚類分析，其中多重比較采用Duncan 法計算檢驗差異顯著性(3次重復)，不同處理差異顯著性用One- way ANOVA(單因素方差分析)檢驗。

2結果

2.1緩釋復合肥對土壤微生物量碳和氮的影響

土壤微生物量碳和氮是評價土壤養分有效性和土壤微生物狀況隨環境變化的敏感指標[17]。施用緩釋復合肥、化肥和普通復合肥提高了土壤微生物量碳0.5%—36.9%(表2)，緩釋復合肥土壤微生物量碳較CF1(化肥適量)顯著增加8.2%—36.2%(表2)，較CCF1(普通復合肥適量)提高了1.1%—27.3%(表2)，緩釋復合肥3個處理以SRF2和SRF3土壤微生物量碳最高，且顯著高于其它處理。緩釋復合肥處理較CK、CF1和CCF1顯著增加土壤微生物量氮，施緩釋復合肥3個處理土壤微生物量氮隨著施肥水平增加而增加。土壤微生物量碳氮比可反映微生物群落結構信息，一般情況下細菌碳氮比在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右[18]。各處理土壤微生物碳氮比在5—7左右，緩釋復合肥3個處理土壤微生物量碳氮比在5∶1左右，低于CK和CCF1。綜上可知，緩釋復合肥增加了土壤微生物量碳和氮，其中適量施肥水平以緩釋復合肥高于化肥和普通復合肥。

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2緩釋復合肥對土壤微生物PLFA含量及組成的影響

表3可知，室內恒溫培養土壤分別檢出18種PLFA，包括代表細菌的15種11—19碳PLFA，代表放線菌的10Me17:0和10Me18:0，代表真菌的18:1w9c。施肥增加了土壤PLFA種類，CK和CCF1檢測出15種PLFA，CF1和SRF3有16種，SRF1有17種，SRF2有18種，緩釋復合肥處理中以SRF1和SRF2最多。可見同一施肥量水平的3種肥料以SRF1的PLFA種類最多，而緩釋復合肥施肥量大量增加(倍量增加)減少了微生物種類，可能是施肥量過高易對土壤微生物產生毒害作用。在所有PLFA中含量最低的是i14:0，變化范圍為0.0520—0.129 nmol/g，緩釋復合肥處理較CK顯著增加，CF1和CCF1沒有檢測到。含量較高的PLFA是16:0，含量變化是1.04—1.54 nmol/g，緩釋復合肥處理顯著大于CK、CF1和CCF1。適量施肥水平SRF1土壤微生物總PLFA含量顯著高于CF1和CCF1，增幅分別為19.1%和14.3%，且緩釋復合肥處理較CK、CF1和CCF1顯著增加土壤微生物總PLFA含量7.4%—26.7%、17.6%—38.7%和12.8%—33.0%。緩釋復合肥提高了土壤微生物PLFA種類，且總PLFA含量最高，緩釋復合肥3個處理以適量和高量表現最好。

2.3緩釋復合肥對土壤微生物群落及相對豐度的影響

土壤中的細菌、放線菌和真菌等微生物在土壤中占有極其重要的地位，對土壤中有機化合物的分解及腐殖質合成等起著重要作用[19]。緩釋復合肥較CF1和CCF1顯著增加土壤細菌PLFA含量14.9%—36.1%和77.6%—27.5%(表4)。對土壤放線菌的PLFA含量，SRF1和SRF2較CK、CF1和CCF1顯著增加，SRF3顯著降低，表明施肥量過高不利于放線菌的生存。土壤革蘭氏陽性菌的PLFA含量以SRF2最高，施肥量一致的化肥和緩釋復合肥對土壤革蘭氏陰性菌的PLFA含量影響無顯著差異。緩釋復合肥3個處理以SRF2對提高土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的作用最好。

同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05);nd: 沒有檢測到

細菌/真菌和革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌的比值常用來表征土壤中各菌群生物量的變化和兩個種群的相對豐富程度及土壤生態系統的穩定性[20]。表4可知，緩釋復合肥處理較CK、CF1和CCF1顯著降低細菌/真菌值；與CF1和CCF1處理相比，緩釋復合肥處理中SRF1和SRF2顯著增加革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌值。一般飽和脂肪酸/單烯不飽和脂肪酸和異構磷脂脂肪酸/反異構磷脂脂肪酸被用作反映環境脅迫或營養限制[21]。緩釋復合肥處理較CF1和CCF1增加一般飽和脂肪酸/單烯不飽和脂肪酸值，而在低碳源和氧濃度、低pH和高溫情況下，異構磷脂脂肪酸/反異構磷脂脂肪酸比率會增大[21]，較CF1和CCF1，緩釋復合肥處理異構磷脂脂肪酸/反異構磷脂脂肪酸比率較低。

2.4土壤微生物PLFA主成分分析

通過對18種PLFA進行主成分分析(圖1)，前兩個主成分可以解釋總變異的83.9%。絕大多數細菌和放線菌PLFA在載荷圖的上部，其中a11:0，i15:0，i16:0，a17:0，10Me18:0和cy19:0w8c在主成分二上有較高的載荷值。從施肥處理的主成分分析結果看(圖1)，緩釋復合肥、化肥和普通復合肥較不施肥有明顯的種群優勢。SRF1和SRF2與主成分一和二均表現出極度正相關關系，兩處理PLFA的結構差別較小，優勢種群有a11:0，a17:0，i16:0；SRF3與主成分一表現出負相關，與主成分二顯現出正相關關系。結合PLFA主成分和施肥處理主成分綜合分析可知，大部分PLFA分布在施肥區，緩釋復合肥超高量施肥水平與適量和高量施肥水平對土壤PLFA影響差距大。

2.5土壤微生物PLFA聚類分析

圖2是以歐式距離為尺度，用最小距離法對土壤微生物PLFA含量進行的聚類分析。不同施肥處理可分為5類，第1類包括CF1和CCF1，CK、SRF1、SRF2和SRF3各為一類。可見緩釋復合肥不同用量對土壤微生物的影響不同。

3討論

土壤是微生物生活的場所，土壤營養狀況、酸堿性、質地、溫度、水分和通氣性等將會影響微生物的種類、數量和動態分布[22]。其中肥料進入土壤后對土壤微生物的數量、組成與活性可產生顯著影響，進而導致土壤微生物群落結構發生改變等。有研究認為施肥(有機質和氮肥等)有利于土壤微生物的豐富度和均勻度，尤其是對真菌[23]。長期大量施用化肥雖然可以增加土壤養分，但降低了土壤酸堿度即pH值，破壞了土壤結構，使土壤微生物的生命活動減弱，不利于微生物生存[24]。而氮肥用量不同對土壤微生物的影響不同，合理的氮肥用量不僅不會影響微生物量碳和細菌多樣性，而且還會增強微生物的功能，氮肥用量過高會減少微生物量碳[25]。在等氮量下，土壤微生物量碳和氮以有機無機肥配施顯著高于氮磷鉀配合施用，并且明顯增加玉米整個生育期的微生物總生物量[26]。而另有研究指出用有機肥料取代部分無機肥料對土壤微生物群落結構和功能產生短期效應，相對于無機肥，綜合的施肥制度能刺激微生物生長，改變土壤微生物群落結構以及增加酶活性[27]。

本研究的試驗結果顯示，緩釋復合肥處理較化肥和普通復合肥提高了土壤微生物量碳、氮以及土壤微生物PLFA種類和含量，對土壤中細菌、放線菌等各類群有明顯的增加作用。因為一般在不施有機肥的條件下，長期不施肥或養分不平衡供應會使土壤微生物多樣性下降等[28]，而本試驗中的緩釋復合肥攜帶的有機肥帶入了大量可被微生物分解利用的碳源和氮源，為微生物的繁殖提供了物質基礎，對微生物數量的增加作用明顯；此外，緩釋復合肥中的有機肥成分本身也帶有大量活的微生物，在某種程度上起到了“接種”作用，增加了土壤中微生物的活動[29- 30]。

主成分分析是一種數學降維的方法，可以將多個變量通過變換以選出較少個數重要變量;而聚類分析能夠按照各變量取值上的總體差異程度在沒有事先指定的分類標準的情況下進行自動分類，兩者均可以分析解釋不同處理對土壤微生物群落結構的影響是否存在差異。從土壤微生物主成分和聚類分析可知，施肥處理土壤微生物較多，這是因為其提供了土壤微生物生存的營養物質。且不同施肥處理對土壤微生物群落結構的影響差距大，這主要是因為施肥改變了土壤的pH值導致了微生物群落結構的變化[18]；另一方面，由于緩釋復合肥施肥水平差距較大，致使緩釋復合肥3個處理對土壤微生物群落結構的影響不同，尤其是施肥水平達到3倍量時不利于土壤微生物的生存。

4結論

施用緩釋復合肥、化肥和普通復合肥可提高土壤微生物量碳和氮，其中以緩釋復合肥處理最高，適量施肥水平的3種肥料以緩釋復合肥較化肥和普通復合肥提高土壤微生物量碳8.2%和1.1%，以及顯著提高土壤微生物量氮8.3%和28.2%。緩釋復合肥較化肥和普通復合肥增加土壤微生物PLFA種類，且顯著增加總PLFA含量17.6%—38.7%和12.8%—33.0%。土壤細菌、放線菌和真菌等各類群的PLFA均以緩釋復合肥處理較高，其中以緩釋復合肥高量處理表現最好。緩釋復合肥緩慢釋放養分的特性較化肥對土壤微生物生態系統的脅迫較小，為土壤微生物提供了更適宜生存的微環境。主成分分析和聚類分析顯示施肥處理分布較多的PLFA，且緩釋復合肥不同用量對土壤微生物群落結構的影響不同。緩釋復合肥適量和高量施肥水平較化肥和普通復合肥改善土壤微生物群落結構，當緩釋復合肥施肥水平達到3倍量時對土壤微生物有毒害作用。

致謝：西南大學資源環境學院李振輪教授在PLFA測定方面提供技術和理論指導，特此致謝。

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Effects of organic and inorganic slow-release compound fertilizers on microbial biomass carbon and nitrogen, and microbial community structure in soil

WANG Fei, YUAN Ting, GU Shoukuan, WANG Zhengyin*

CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China

Key Words:slow-release compound fertilizer; phospholipid fatty acid; soil microbial community structure

Abstract：Community structure and edaphon quantity play important roles in soil quality changes and nutrition cycling. There have been many studies on the relationships between soil microbial properties and fertilizer application. However, to our knowledge, there is no information concerning the soil microbial properties affected by organic and inorganic slow-release compound fertilizers, which are widely used in agricultural production. To reveal the influence of slow-release compound fertilizer on soil microorganisms, six treatments, consisting of soil mixed with different fertilizers, were placed in an incubator at 25 ℃ and 80% field capacity. These were a control (CK, without fertilization), moderate doses of chemical fertilizer (CF1), common compound fertilizer (CCF1), slow-release compound fertilizer (SRF1), and slow-release compound fertilizer at high and excessive levels (SRF2 and SRF3, respectively), and each treatment was repeated three times. Soil microbial properties, such as contents and compositions of microbial PLFA (Phospholipid fatty acid), the microbial community, the ratios of different microorganisms etc. were investigated, and principal components analysis and cluster analysis of soil microbes were also undertaken.The results showed that the soil microbial properties were significantly improved by slow-release compound fertilizers. The soil microbial biomass carbon in the SRF1, SRF2, and SRF3 treatments increased significantly compared to CK and CF1, and SRF1, SRF2, and SRF3 soil microbial biomass nitrogen increased significantly compared to CK, CF1 and CCF1. The soil microbial biomass carbon and nitrogen levels increased as the application rate of the slow-release compound fertilizer rose, but it was not in a direct ratio, and there were significant differences between SRF1 and SRF2. Phospholipid fatty acid (PLFA) content was highest in SRF2, and the total PLFA content in SRF1, SRF2 and SRF3 increased by 7.4%—26.7% more than in CK, 17.6%—38.7% more than in CF1, and 12.8%—33.0% more than in CCF1. There were 18 microbial types marked by phospholipid fatty acid in SRF2, one type more than in SRF1, two types more than in CF1 and SRF3, and three types more than in CK and CCF1. At the same time, SRF2 was the best treatment among the three slow-release compound fertilizer levels, and the SRF2 total PLFA content was 16.4% more than SRF1 and 17.9% more than SRF3. The PLFA quantities for soil bacteria, actinomycetes, gram positive bacteria, and gram negative bacteria were significantly higher in SRF1 and SRF2 than in CF1 and CCF1. The ratios of soil microbial communities could be a sensitive indicator for predicting changes in soil ecosystems, and the slow-release compound fertilizer treatments were able to improve the stability of the ecosystem. Principal components analysis and cluster analysis showed that many of the dominant PLFAs were found in the fertilizer treatments, and SRF3 was different from SRF1 and SRF2 according to their distributions in the principal components analysis. In summary, slow-release compound fertilizerssignificantly improved soil microbial community structure compared to chemical fertilizer and common compound fertilizer at an appropriate level of fertilization, and SRF2 was the best among the three levels of slow-release compound fertilizer treatments.

基金項目:科技部農業科技成果轉化資金項目(2007GB2CF100266); 國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2012ZX07104-003)

收稿日期:2014- 09- 20; 網絡出版日期:2015- 08- 05

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wang_zhengyin@163.com

DOI:10.5846/stxb201409201865

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Wang F, Yuan T, Gu S K, Wang Z Y.Effects of organic and inorganic slow-release compound fertilizers on microbial biomass carbon and nitrogen, and microbial community structure in soil.Acta Ecologica Sinica,2016,36(7):2044- 2051.