施肥對復墾土壤微生物代謝功能與苗期玉米生長的影響

張變華,靳東升,張 強,郜春花,李建華,盧晉晶,籍晟煜

(1.忻州師范學院,山西 忻州 034000；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所,山西 太原 030031)

土壤微生物是土壤中的活性有機體，是表征土壤肥力高低的指標，其功能多樣性能反映土壤微生物的生態特征，對土壤生態系統的健康可持續發展有重要的影響。施肥是影響土壤質量和土壤可持續發展的措施之一[1]，與土壤微生物種群特性的變化有密切的關系[2-3]。研究表明，施肥制度的變化可能會導致土壤微生物多樣性產生較大差異。如孫鳳霞等[4]發現施用有機肥可以提高紅壤中土壤微生物碳源利用能力，保持作物高產；鄧文悅[5]發現有機無機配施處理下江西稻田土壤微生物群落豐富度指數、均勻度指數、碳源利用豐富度指數都高于其他處理；Li等[6]發現施肥顯著提高了水稻土的微生物功能多樣性，而過量的肥料使菜地土壤微生物多樣性顯著降低。

植物根系與環境進行著物質和能量交換[7]，既是植物體吸收水分、養分、礦質元素的主要器官，又是合成和分泌植物激素、有機酸等部分物質的重要場所[8,9]。根系分布狀況直接影響其擁有營養空間的大小和對土壤養分的利用能力[10-11]， 進而影響地上部的生長發育及產量[12-13]，同時會影響到植物的改土效果[14]。崔佩佩等[15]發現養分不同配比下高粱根系形態不同，姜琳琳等[16]、武永軍等[17]發現土壤中缺氮時玉米的總根長和總根表面積顯著增加。

綜上可見，施肥對一般土壤微生物群落代謝功能及作物生長狀況的研究[18]較多，但在煤矸石復墾區開展類似的研究卻相對較少，因此，本研究以山西省古交屯蘭煤矸石復墾區定位施肥試驗為研究對象，通過分析不同施肥處理對復墾土壤微生物功能多樣性、苗期玉米生長特征的影響，為礦區土壤復墾和生態重建工作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于山西省古交市屯蘭礦煤矸石排放區(北緯37°53′15″，東經112°6′42″)， 2012年煤礦排矸結束后，就近取土覆蓋，自然恢復2 a，2014年復墾為農田，土壤類型為新成土，母質為黃土，根層土壤質地為粉砂壤土，本區年均氣溫約9.5℃，年均降水量約460 mm。本試驗設置4個施肥處理，分別為對照處理(CK)、復合肥處理(F)、有機肥處理(O)、有機無機肥配施處理(OF)。CK處理施肥量為0，其他處理按照等氮量施肥150 kg·hm-2，復合肥N∶P2O5∶K2O=18∶12∶10，有機肥為平遙縣國青同盈禽業有限公司生產的“傳康”牌商品有機肥(有機質含量53.48%，含氮2.2%)，OF處理施肥量為50%F+50%O，種植作物為玉米，品種為金蘋618。

1.2 根系與土樣采集

于2018年6月10日在玉米苗期，按照對角線法采集不同施肥處理下0～20 cm的土壤樣品，每個處理3次重復，將采集的土樣混合均勻，放入滅菌袋，密封后(4℃保溫箱)帶回室內，未能及時做微生物培養試驗的土樣放在-80℃冰箱冷凍保存。

隨機抽取各施肥處理下5株長勢良好的玉米作為標準株，測其株高、葉綠素、莖粗、地上部生物量；利用挖掘法采集玉米根系，測定根系形態和根系生物量。

1.3 測定方法

(1)將玉米根系經純水清洗干凈，采用WinRHIZO型根系掃描儀及其數據分析軟件，結合Epson Expression 10000XL圖像掃描系統對根系平均直徑、體積、總根長和分形維數進行分析。掃描完后，用濾紙包好，在65℃下干燥至恒質量，用電子天平(±0.0001g)稱量。葉綠素利用葉綠素測試儀進行測量，莖粗、株高用游標卡尺、直尺進行測量。

(2)Biolog-ECO：稱取10 g礦區土壤，放入已滅菌的裝有90 mL濃度為0.85% NaCl的帶玻璃珠的三角瓶中，在旋轉式搖床上以250 r·min-1充分震蕩30 min，連續2次10倍稀釋后，在Biolog-ECO板的96個孔中加入150 μL土壤接種液，放入28℃培養箱中進行培養，每隔24 h利用Biolog分析儀讀取各孔的吸光值，連續測定7 d。

1.4 數據處理

根密度(g·cm-3)=根系生物量(g)/根系總體積(cm3)。施肥效應=(施肥處理/CK)-1。Biolog-ECO平板每孔的平均顏色變化率(average well color development，簡寫AWCD)表示土壤微生物碳源利用率，利用香農維納指數(Shannon-wiener)、優勢度指數(Simpson)、均一度(Eveness)描述微生物群落多樣性指數，計算方法參照楊永華等[19]的計算方法。

采用SPSS 23軟件對玉米根系形態、生物性狀等數據進行方差分析，采用Duncan 多重檢驗法對進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下礦區玉米根形態特征

從表1可以看出，不同施肥處理下玉米根密度差異不顯著，但是OF處理下玉米根系分形維數、根體積、總根長均與CK處理差異顯著，且均值最高，施肥效應最好。說明有機無機肥配施利于玉米根系生長及向周圍土壤獲取營養成分，進而促進其生物量增加。

2.2 不同施肥處理下礦區玉米生長特性

從表2可以看出，施肥處理下苗期玉米莖粗、株高、葉綠素含量、地下生物量與地上生物量均顯著高于CK處理(P<0.05)，且OF處理下均值最大，施肥效應相對于F、O處理顯著提高。說明有機無機肥配施處理對于提高玉米生物量效果顯著高于單施有機肥或無機肥。

表1 不同施肥處理下苗期玉米根形態特征及施肥效應

注: 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments at 0.05 level. The same below.

表2 不同施肥處理下苗期玉米生長特性及施肥效應

2.3 不同施肥處理下礦區復墾土壤的碳源利用率

從圖1可以看出，不同施肥處理下礦區復墾土壤利用碳源率隨著時間呈動態變化，0～24 h內，不同處理間差異不大，24～48 h內，土壤微生物AWCD值均為F> OF>O>CK，48 h后，處理間差異變率增大，72～168 h后，AWCD值呈現OF> O> F>CK，說明OF處理下礦區土壤微生物活性較大，對碳源利用能力較強。

圖1 不同施肥處理下礦區復墾土壤碳源利用率的動態變化Fig.1 Dynamic changes of carbon source utilization rate under different fertilizer treatments

2.4 不同施肥處理下復墾土壤的微生物多樣性

利用96 h不同施肥處理下土壤微生物的AWCD值，計算礦區土壤微生物的香濃-維納指數、優勢度指數及均一度指數。從表3可以看出，施肥處理與CK相比，明顯增加了工礦復墾區土壤微生物的香濃-維納和優勢度指數，而降低了均一度指數，且OF處理下香濃-維納指數和優勢度指數最高，均一度指數最低。

2.5 不同施肥處理下復墾土壤的微生物碳源利用類型

從圖2可以看出，土壤微生物對6類碳源類型利用程度不同，不同施肥處理下土壤微生物對糖類、胺類、酯類的利用較高，酸類的利用最差。OF處理下土壤微生物對糖類、氨基酸、醇類、酸類的利用能力最強，而O處理下土壤微生物對酯類、胺類的利用能力最強，CK處理下土壤微生物對各類碳源的利用能力均為最低。

2.6 不同施肥處理下工礦復墾區土壤微生物碳源利用特征

利用96 h的AWCD值，對不同施肥處理下土壤微生物的31種碳源利用特征進行主成分分析，31種碳源中，特征值大于1的共有7個成分，累計方差貢獻率達92.9%。其中第一主成分的特征根為10.55，方差貢獻率為34.05%，第二主成分的特征根為5.97，方差貢獻率為19.27% 。選取PC1和PC2分析不同施肥處理下礦區土壤微生物碳源利用情況， 從圖3可以看出，土壤微生物多樣性的31種碳源中對第一主成分貢獻率大于50%的主要包括氨基酸(L-精氨酸、L-天冬酰胺酸、L-苯基丙氨酸、L-絲氨酸、L-蘇氨酸)5種、酯類(D-半乳糖酸γ內酯、丙酮酸甲酯、吐溫40、吐溫80)4種、胺類(腐胺)1種、酸類(D-半乳糖醛酸、2-羥苯甲酸)2種、糖類(?-甲基D-葡萄糖苷、葡萄糖-1-磷酸鹽)2種、醇類(I-赤藻糖醇、D,L-a-甘油)2種；對第二主成分貢獻率大于50%的碳源包括糖類(a-環狀糊精)1種、醇類( D-甘露醇) 1種、酸類(4-羥基苯甲酸、r-羥基丁酸、D-蘋果酸) 3種、氨基酸類(甘氨酰-L-谷氨酸)1種。

表3 不同施肥處理下礦區復墾土壤微生物多樣性指數

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note：Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different treatments (P<0.05).圖2 不同施肥處理下復墾土壤碳源利用分類特征Fig.2 Classification characteristics of carbon source utilization in reclaimed soil under different fertilization treatments

注：圖中31種碳源分別為：B1(丙酮酸甲酯)；C1(吐溫40)；D1(吐溫80)；E1(a-環狀糊精)；F1(肝糖)；G1(D-纖維二糖)；H1(a-D-乳糖)； A2(?-甲基D-葡萄糖苷)；B2(D-木糖)；C2(I-赤藻糖醇)；D2(D-甘露醇)；E2(N-乙酰基-D-葡萄胺)；F2 (D-氨基葡萄糖酸)；G2(葡萄糖-1-磷酸鹽)；H2(D,L-a-甘油)；A3(D-半乳糖酸γ內酯)；B3(D-半乳糖醛酸)；C3(2-羥苯甲酸)；D3(4-羥基苯甲酸)；E3(r-羥基丁酸)；F3(衣康酸)；G3(a-丁酮酸)；H3(D-蘋果酸)；A4(L-精氨酸)；B4(L-天冬酰胺酸)；C4(L-苯基丙氨酸)；D4(L-絲氨酸)；E4(L-蘇氨酸)；F4(甘氨酰-L-谷氨酸)；G4(苯乙基胺)；H4(腐胺)。Note：31 kinds of carbon source are respectively in the figure：B1(Methyl pyruvate)；C1(Twain 40)；D1(Twain 80)；E1(A-cyclodextrin)；F1(Glycogen)；G1(D-cellobiose)；H1(a-D-lactose)； A2(?-Methyl-D-glucoside)；B2(D-xylose)；C2(I-gibberellin)；D2(D-mannitol)；E2(N-acetyl-D-grapevine)；F2 (D-glucosaminic acid)；G2(Glucose-1-phosphate)；H2(D, L-a-glycerol)；A3(D-galactose gamma lactone)；B3(D-galacturonic acid)；C3(2-hydroxybenzoic acid)；D3(4-hydroxybenzoic acid)；E3(r-hydroxybutyric acid)；F3(Itaconic acid)；G3(a- butanone acid)；H3(D-Malic Acid)；A4(L- arginine)；B4(L-asparaginic acid)；C4(L-Phenylalanine)；D4(L-serine)；E4(L-threonine)；F4(Glycyl-L-glutamic acid)；G4(Phenethyl amine)；H4(Putrescine).圖3 不同施肥處理下礦區復墾土壤碳源利用主成分分析Fig.3 Principal component analysis of carbon source utilization in reclaimed soil under different fertilization treatments

從圖3中的因子得分圖可以看出，不同處理間綜合利用碳源能力差異顯著。OF處理位于第一象限，F與O處理分別位于第二、四象限，CK處理位于第三象限。說明OF處理與第一二主成分均呈正相關性，而 CK處理與第一、二主成分均呈負相關。

3 討 論

土壤微生物在土壤養分循環與能量傳輸中有重要作用，施肥制度會影響土壤微生物群落多樣性，進而影響土壤有機質中的碳氮含量。AWCD吸光值可以反映土壤中微生物對碳源的利用能力和代謝活性強度。本研究利用AWCD結果，對6類碳源、31種碳源綜合利用能力分析的結果表明，有機無機肥配施處理下煤矸石復墾土壤微生物的代謝活性最強，碳源利用綜合能力也最強，CK處理下碳源利用能力最差。說明有機肥配施無機肥可以顯著增加土壤微生物種類，增強微生物活性，提高微生物群落的多樣性。這與劉恩科等[20]、顧美英等[21]的研究結果一致。表明單施有機肥或單施無機肥可能導致礦區復墾土壤某些元素缺乏，對土壤微生物群落的多樣性產生負效應。但是施肥處理下土壤微生物均一度指數均顯著低于CK處理，說明施肥可能導致土壤中微生物個體分布不均勻，也可能促進某種微生物的生長而抑制了其他種類的微生物代謝，這與張恩平等[22]對沈陽番茄根際土壤微生物的研究結果一致。

根系的分形維反映根系在土體空間中的發育程度及占據土體空間的能力[23]，表征植物利用土壤水肥的能力強弱[24]。植物根系分形維數高，說明根系的發育程度好，根系分支多[23]，利用水肥能力越強。本研究表明OF處理下玉米根系的分形維數顯著高于CK處理，根體積、根長也增加顯著，表明OF處理對玉米吸收養分、水分效果最好，促進生物量增加。根據本研究試驗結果，確實OF處理相對于其他處理而言，對于玉米生長性狀，如株高、莖粗等施肥效應最高。

4 結 論

本研究探討了不同施肥處理下煤矸石復墾區土壤微生物群落功能多樣性及玉米生長特征，結果表明有機無機配施處理下土壤微生物綜合利用碳源能力最強，施肥效應最高，最有利于復墾土壤微生物活性的提高，群落代謝功能多樣性的增加，從而有利于玉米根系分形維數增加，吸取土壤中水肥能力增強，進而提高玉米生物量。