基于土壤養分和微生物群落變化的稻田沼灌均勻性探討

李美霖，王青霞，喬宇穎,3，喻曼*，陳喜靖，沈阿林*

(1.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310016；3.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌 712100)

沼液中含有豐富的有機物質和N、P、K等營養元素及各種氨基酸、有機酸等生物活性物質[1]。施用沼液能夠增加土壤有機質含量，改善土壤理化性狀，為作物生長提供養分和良好的土壤生長環境[2]。沼液在水稻生產中應用十分廣泛，是目前處理畜禽養殖廢水最經濟有效的一種利用方式，但也存在土壤污染、退化的風險。稻田土壤微生物是維持土壤生物活性的重要組分，調節土壤生物化學循環和土壤結構的形成等過程。土壤的生態條件決定著土壤微生物的組成、數量、分布及活性，反過來，土壤微生物反映土壤環境變化[3]。隨著沼液的大規模利用，其配套管道設施也在不斷完善。但如果單口灌施中存在灌溉不均勻的問題，則可能造成入水口處消納沼液過量，從而導致水稻倒伏減產[4-5]。在本研究檢索范圍內，利用土壤微生物來評價沼液在稻田利用中均勻性的研究還鮮有報道。為此，本文測定稻田中距離沼灌入口不同位置的土壤養分及微生物群落變化，以期為稻田沼液灌施管理提供一定的理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

采樣點位于浙江省金華市婺城區蔣堂鎮黃碧壟村(119°4′E，29°03′N)，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫17.7 ℃，年日照時數1 528.8～1 808.9 h。采樣點所在地區為雙季稻區，兩季秸稈還田，還田時間10 a。沼液通過鋪設的管道灌施，每個田塊一個灌施口，每年3月份左右開始灌施，連續灌施3 a。取樣時間為2017年3月，系沼液灌施后土壤。

1.2 采樣方法

選取地勢平坦、整齊的田塊，田塊面積3 335 m2。選擇入水口(沼灌口近端)L1、田塊中央(距沼灌口中端)L2、出水口(距沼灌口遠端)L3三條平行線進行采樣，每條線5個點。一部分樣品保存于-20 ℃冰箱，用于分析微生物群落變化；另一部分風干，用于土壤理化特性分析。

1.3 項目測定與分析

土壤理化特性的測定均采用常規方法[6]。土壤微生物用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)方法進行分析，根據Bossio等[7]的方法進行。磷脂脂肪酸根據姚曉東等[8]的研究進行分類。

采用Excel 2010進行數據整理，采用SPSS 21.0進行方差分析，采用Sigma plot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤理化特性

各取樣點的土壤理化特性如圖1所示：入水口(L1)土壤中有機質、全氮、有效磷、速效鉀和有效氮的含量均最高，且顯著高于其他采樣點，除速效鉀外，L2和L3的土壤各理化特性無顯著差別。這說明沼灌條件下，隨沼灌口距離的增加，土壤養分累積存在顯著差異。不同樣品間的pH值差異不顯著，表明沼液灌施對整個田塊土壤的pH值尚無顯著影響。

2.2 基于PLFA的土壤微生物群落變化

各樣點土壤中總的單體PLFA數量及含量排名前10的PLFA類型如表1所示，不同距離的土壤微生物單體PLFA數量、類型大體一致，排序有差異。在離沼灌口近距離位置一些含量較高的PLFA在遠距離位置處失去了優勢，而原本含量較低的一些PLFA逐漸顯現出優勢。這說明沼灌口不同距離土壤樣品中優勢菌群存在差異，優勢菌群隨著沼灌口距離的增加而變化。

不同柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。圖1 不同取樣點的土壤理化特性

序號單體PLFA數PLFA類型(按含量從高到低取前10排序)L124cy17∶0,i15∶0,18∶1ω9,10Me16∶0,16∶1ω7,18∶2ω6,a15∶0,18∶1ω7,i17∶1,i16:0L226cy17∶0,18∶1ω9,18∶2ω6,i15∶0,10Me16∶0,16∶1ω7,i17∶0,18∶1ω7,i16∶0,a15:0L32618∶1ω9,i15∶0,10Me16∶0,16∶1ω7,18∶2ω6,a15∶0,18∶1ω7,a15∶0,i17∶0,cy19:0

各土壤樣品的總PLFA含量及微生物群落如圖2所示，各樣品中總PLFA含量表現為L3>L2>L1，說明土壤微生物量隨距離沼灌位置變遠而升高。沼灌口土壤中較高的沼液濃度可能對土壤微生物活性產生一定的抑制作用。但是各處理樣品間細菌、放線菌和真菌的相對豐度差異不大，說明在同一田塊下，沼液澆灌位置對微生物群落結構的影響不大。

圖2 PLFA表征的各處理組土壤樣品微生物數量及群落結構差異

3 小結與討論

長期施灌沼液可以提升土壤N、P、K和有機質含量。灌施沼液能顯著提高土壤速效氮磷含量，在短期內能迅速補充土壤養分供應量。沼液偏堿性，在淹灌初期土壤pH會隨著沼液灌溉強度的升高而上升，但隨著淹灌時間延長，土壤pH逐漸回落。本研究中，取樣點土壤為紅壤，偏酸性，對偏堿性沼液的承載力較大，有較強的緩沖能力。另外，沼液中有機質在嫌氣和厭氣微生物的共同作用下發酵產生各種有機酸和無機酸，也能中和沼液的堿性[9-10]。因此，各取樣點的pH值差異不明顯。

在酸性土壤中，由于游離氧化鐵的存在，很大一部分磷酸鐵被氧化鐵包裹成閉蓄態磷，磷的有效性會大大降低。施灌沼液除了補充磷素外，沼液本身呈堿性，對改良酸性土壤，提高磷素有效性也有幫助。以往研究表明，隨著沼液用量升高土壤磷含量表現出上升趨勢，不同用量施灌沼液處理之間土壤有效磷含量呈顯著差異，說明有效磷對沼液的響應較敏感。本研究中土壤有效磷、有效氮濃度隨距沼灌口距離增大而下降，說明沼灌距離對土壤中有效磷、有效氮分布有影響，沼灌在田塊中存在不均勻性。

PLFA圖譜發生變化主要源于樣品中微生物組成和生物量的變化。由于沼液中存在一些有害成分，被高濃度沼液淹灌后的土壤微生物極易處于脅迫狀態，導致土壤微生物生物量下降。環境壓力會導致磷脂雙分子層流動性增加，進而形成磷脂非雙分子層相，影響細胞膜的滲透性。為了消除環境壓力帶來的雙分子層流動性PLFA加大的變化，細胞膜改變自身磷脂脂肪酸的結構而發生適應性改變，這是生物體消除類似外在影響的機制之一[10]。沼灌口的土壤微生物量明顯低于出水口處，說明沼灌口附近土壤中沼液濃度偏高，微生物量指征沼液在田塊中分布不均勻。

沼液灌施后不僅導致土壤微生物的生境發生變化，同時也帶來外源微生物的入侵。外源微生物與稻田土著微生物構成競爭關系，導致淹灌后土壤微生物種群發生變化。微生物之間對食物、溶解氧、空間，以及其他共需物質相互競爭的勝負取決于各自的生理特性和對環境的適應能力。研究表明，土壤優勢微生物種群對不同淹灌量沼液有類似響應。本研究中，短期沼液灌施不均勻已導致田塊中土壤微生物群落結構產生差異，但差異不顯著。長期灌施不均勻對土壤微生物群落結構的影響還不得而知。

綜上，今后在稻田中長期利用沼液時，必須充分考慮應用灌施管道設施后沼液在田塊中的均勻度，及其對土壤理化性質、土壤承載潛力和稻田生態健康的影響。