不同有機肥處理對紫色土油茶林土壤微生物碳源利用的影響

費裕翀，劉 麗，陳 鋼，張元明，陳世品，蘭思仁，王 迪，曹光球*

（1．福建農(nóng)林大學林學院，福建 福州 350002；2．福建省寧化縣林業(yè)局，福建 寧化 365400）

紫色土是以中生代紫色巖層為母巖母質(zhì)發(fā)育形成的一類土壤，主要分布于我國四川、云南、廣西、廣東、福建等南方省區(qū)，面積約有2 000 萬hm2［1］。紫色土具有礦質(zhì)養(yǎng)分豐富、風化成土快、自然肥力高等特點，是我國所特有的一類具有重要農(nóng)業(yè)潛力的土壤資源［2］。然而紫色土風化作用弱，土質(zhì)普遍偏輕，加之地形、降水等自然環(huán)境因素綜合影響，紫色土區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗逆性相對較弱，具有明顯的脆弱性。近年來紫色土丘陵區(qū)植被遭到大量破壞，土地利用強度不斷加強，導致紫色土退化現(xiàn)象普遍發(fā)生，土壤質(zhì)量下降，嚴重制約了紫色土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展［3-5］。因此加強紫色土土壤防護與改良的研究對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。

目前紫色土區(qū)主要采用改土培肥、保護性耕作和多元化種植等土壤管理技術，其中施肥作為提高土壤質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展能力的重要管理措施，通過提高土壤肥力，增強了紫色土對于環(huán)境變化和人為干擾的抗逆性，使其不易產(chǎn)生退化現(xiàn)象［2］，是防治紫色土退化的關鍵技術之一。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，直接參與土壤結構的形成、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動，對于土壤正常功能的維持具有重要意義［6］。由于土壤微生物對于自然或人為擾動所引起的土壤質(zhì)量變化較為敏感，長期以來微生物學指標被廣泛運用于土壤質(zhì)量的評價［7-8］，施肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)，不同施肥措施所造成的土壤理化性質(zhì)差異勢必對紫色土區(qū)土壤微生物產(chǎn)生重要影響。當前研究表明，不同的施肥措施對于土壤微生物數(shù)量、群落結構影響差異顯著，長期施用氮肥降低了土壤的微生物活性，對于甲烷氧化菌有著抑制作用［9-10］，施用有機肥使得土壤中微生物群落碳源利用率明顯增強，有益于提升土壤肥力和微生物區(qū)系的穩(wěn)定［11-12］，但土壤中的微生物數(shù)量也并非隨著有機肥施用量的增加而無限增長［13］。可見，施肥處理對土壤微生物量、微生物群落結構和代謝功能多樣性的影響較為復雜，研究結果不盡一致，因此為防治紫色土土壤退化，提高土地生產(chǎn)力，保障我國南方紫色丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，制定合理的施肥制度顯得十分必要。

油茶（Camellia oleifera）是中國特有的一種天然高級油料，世界四大木本油料之一，廣泛種植于中國南方亞熱帶地區(qū)的高山及丘陵地帶。目前已有較多關于施肥對土壤微生物碳源利用能力影響的研究報道，但此類研究對象主要為農(nóng)田土壤［14-16］，而關于施肥對紫色土丘陵區(qū)土壤的影響，特別是關于土壤微生物碳源利用能力的研究鮮見報道。因此，本試驗以福建省寧化縣紫色土區(qū)油茶人工林為研究對象，運用Biolog 技術，通過研究不同有機肥施入前后，不同坡位油茶人工林土壤微生物碳源利用能力的影響，揭示不同施肥處理對于紫色土的改良效果，從而為維護和提升紫色土質(zhì)量，防治紫色土退化提供理論依據(jù)。

1． 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于福建省三明市寧化縣淮土鎮(zhèn)（116°25′42″～116°25′45″E，26°14′28″～26°14′33″N），屬于中亞熱帶氣候，平均氣溫17.5℃，極端最高溫度為38.3℃，最低氣溫-8.3℃，年日照總數(shù)為1 900 h，平均年降水量為1 633.6 mm，年均陸面蒸發(fā)量710 ～750 mm，水面蒸發(fā)890 mm，相對濕度81%，無霜期214 ～218 d?；赐伶?zhèn)地形地貌屬丘陵地帶，海拔300 ～400 m。試驗樣地坡向東南，坡度25 ～30°，土壤為酸性紫色頁巖土。樣地林分為25 年生油茶林，平均樹高為2.39 m，平均地徑為7.72 cm，林分密度為1 475 n·hm-2。灌木層伴生種主要有滿山紅（Rhododen-dron mariesii）、檵木（Loropetalum chinense）、菝葜（Smilax china）等，草本層伴生種主要有芒萁（Dicranopteris dichotoma）和五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）等。

1.2 試驗設計

試驗設置3 個施有機肥處理和1 個對照不施肥處理，有機肥處理分別為天然有機物料有機肥（記為T1，5 kg·株-1，有機質(zhì)占60%，氮磷鉀含量共占6%）、有機無機復合肥（記為T2，2.5 kg·株-1，有機質(zhì)占45%，氮磷鉀含量共占5%）、禽畜糞便有機肥（記為T3，5 kg·株-1，有機質(zhì)占20%，氮含量占12%，磷含量占3%，鉀含量占3%）以及不施肥對照（記為CK），每個處理設3 個重復。于2017 年9 月，在寧化縣國有生態(tài)林場油茶人工林中，采用隨機區(qū)組法設置12 塊20 m×20 m 立地條件及林分生長基本一致的方形小區(qū)作為試驗區(qū)，每個小區(qū)之間間隔10 m。施肥方式采用環(huán)施法，沿樹冠正投影外緣挖取深度30 cm 左右，寬30 cm 的弧形施肥溝或圓形溝后施入相對應量的肥料。

據(jù)試驗地地形條件，將1 個坡面分為上坡位、中坡位和下坡位，坡位之間海拔相差約10 m。分別于施肥前和施肥后1 年（2018 年9 月）進行土壤樣品采集，采用隨機取樣法在每個樣地的每個坡位隨機挖取3 個土壤剖面，采用環(huán)刀取土層深度0 ～10 cm 的原狀土壤用于測定土壤物理特性，同時采集約2 kg 土壤。將每個處理不同樣地同一坡位土壤樣品充分混合后成1 個待測土樣，剔除石礫和植物殘根等雜物后將每個處理不同樣地的同一坡位土壤混合制樣并分為2 份，1 份裝入無菌袋帶回實驗室，-80℃冰箱保存，1 份用于測定土壤理化性質(zhì)。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 測定方法

1.3.1 土壤微生物群落碳源代謝利用測定

采用Biolog-Eco 微平板法。在超凈工作臺上稱取10 g 土樣，放入100 mL 已滅菌的0.9%生理鹽水中，200 r·min-1震蕩40 min，稀釋1 000 倍，制成初始土壤菌懸液備用。靜置10 min 后取150 μL 菌懸液接種到Biolog-Eco 板（ECO Micro Plate，美國）中，放入28℃的恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)7 d，每隔24 h 讀取590 nm 波長處的吸光值，每個土樣重復3 次。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤pH 值測定水土比為2.5∶1；土壤全碳和全氮含量采用土壤全碳全氮分析儀（Vario Max，德國）；全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量采用堿熔-火焰光度法測定，以上方法參考文獻［17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

微平板孔中溶液吸光值平均顏色變化率（AWCD）用于描述土壤微生物代謝活性，以評價微生物群落對碳源的利用程度，計算公式如下［18］:

式中，i 表示微孔中的第i 個碳源，Ci為第i 孔培養(yǎng)基孔的吸光值，Ri為對照孔的吸光值，n=31，為Biolog -Eco 板的碳源種類數(shù)目。采用Simpson、Shannon 和McIntosh 3 個指數(shù)表征土壤微生物群落碳代謝功能多樣性，其中Shannon 指數(shù)H 反映用于評估物種的豐富度，利用公式（1）計算；Simpson指數(shù)D 用于評估某些最常見種的優(yōu)勢度，利用公式（2）計算；McIntosh 指數(shù)U 反映土壤中微生物群落均勻度，利用公式（3）計算。根據(jù)相關文獻提供的方法，公式如下［19-21］:

客觀原因主要包括：由于溫度變化而引起變形、地基地質(zhì)構造存在較大差別、地下水位上升或降低導致高速公路地基被侵蝕、土壤物理性質(zhì)存在較大差異，以上各項客觀因素都會對造成軟土地基發(fā)生沉降，從而會對高速公路最終質(zhì)量造成較為嚴重的影響，影響高速公路施工，以及工程竣工后的應用。

式中，Pi為第i 孔的相對吸光度與整個平板相對吸光值總和的比率；ni為第i 孔的相對吸光值。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003 進行數(shù)據(jù)處理和制圖，使用SPSS 23.0 進行方差分析、相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物群落顏色變化率

平均顏色變化率（AWCD）反映著土壤中微生物群落代謝活性，是評價土壤微生物群落碳源利用能力的重要指標。圖1、2 分別代表了施肥前和不同施肥處理后，不同坡位土壤AWCD 值隨時間的變化。由圖1、2 可知，施肥前和不同施肥處理后，不同處理下不同坡位的AWCD 值始終呈現(xiàn)下坡＞中坡＞上坡。

從圖2 中可以看出，T1、T2 和T3 處理下AWCD值變化基本一致，均表現(xiàn)出在開始的24 h 或48 h 內(nèi)快速升高，隨后經(jīng)過持續(xù)24 h 的緩慢升高階段后快速升高直到試驗結束。在微生物培養(yǎng)120 h 時，T1、T2 和T3 處理后不同坡位土壤AWCD值相比于施肥前都有所增加，而CK 處理的土壤AWCD 值無顯著變化。其中，施肥后T2 處理下的土壤AWCD 值相比施肥前增長值最高，上坡、中坡和下坡施肥后相比于施肥前分別增加了8.12%、5.50%和10.60%；T1 處理下的上坡、中坡和下坡土壤AWCD 值施肥后相比施肥前分別增加了7.28%、9.10%和6.34%；T3 處理下的上坡、中坡和下坡土壤AWCD 值施肥后相比施肥前分別增加了1.28%、1.69%和1.98%。施肥后，不同處理土壤AWCD 值提高的大小順序為T2＞T1＞T3＞CK。

圖1 施肥前4 種處理下不同坡位土壤AWCD 值隨時間的變化

圖2 施肥后4 種處理下不同坡位土壤AWCD 值隨時間的變化

2.2 微生物碳代謝功能多樣性指數(shù)

表2 列出了采用培養(yǎng)120 h 時的數(shù)據(jù)所計算的土壤微生物Shannon 指數(shù)、Simpson 指數(shù)與McIntosh 指數(shù)。Shannon 多樣性指數(shù)能夠體現(xiàn)微生物群落中物種的變化度，是目前應用最為廣泛的群落多樣性指數(shù)之一。Shannon 指數(shù)越高，代表土壤微生物群落碳代謝功能多樣性就越高，相反，則土壤微生物群落碳代謝功能多樣性也較低。如表2 所示，不同施肥處理后土壤微生物群落Shannon 多樣性指數(shù)在上坡位土壤的大小順序表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK；在中坡位土壤表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK；在下坡位土壤表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK?？芍┓屎骉2 處理下的土壤微生物群落物種較其它3 種處理類型豐富，且經(jīng)多重比較分析表明，不同施肥處理下3 個坡位的土壤的Shannon 指數(shù)均具有顯著差異。

表2 不同施肥處理下不同坡位紫色土油茶林土壤微生物群落功能的多樣性指數(shù)

Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)可以用來反映最常見物種的優(yōu)勢度。不同施肥處理后土壤微生物群落Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)在上坡位土壤的大小順序表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK；在中坡位土壤表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK；在下坡位土壤表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK?？芍┓屎骉2 處理下的土壤微生物群落優(yōu)勢度指數(shù)最高。經(jīng)多重比較分析表明，4 種處理上坡位土壤的Simpson 指數(shù)之間差異不顯著；中坡位土壤T2 處理與CK 處理下土壤Simpson 指數(shù)差異不顯著，T1 處理、T3 處理與T2 處理、CK 處理之間差異顯著；下坡位T1 處理與T2 處理之間的Simpson 指數(shù)差異顯著，T3 處理、CK 處理與T1 處理、T2 處理之間的差異均不顯著。

McIntosh 指數(shù)可以用來反映碳源利用種類數(shù)的不同，并能區(qū)分不同利用程度。不同施肥處理后土壤微生物群落McIntosh 均勻度指數(shù)在上坡位土壤的大小順序表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK；中坡位土壤表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK；在下坡位土壤表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK。表明T2 處理下土壤微生物種類較為豐富，碳源利用程度也較高。相同處理下不同坡位土壤微生物Shannon 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)以及McIntosh 均勻度指數(shù)大小順序總體呈現(xiàn)出下坡＞中坡＞上坡的趨勢。

2.3 微生物碳源利用變化

生態(tài)板的31 類碳源由多聚物、碳水化合物、酚酸類、氨基酸類、胺類、羧酸類6 大類組成。從圖3 可以看出，不同處理土壤微生物對不同碳源具有不同的利用率:施肥前T1 處理下土壤微生物對碳源的利用情況表現(xiàn)為:羧酸類＞胺類＞酚酸類＞氨基酸類＞碳水化合物＞多聚物；T2 處理下土壤微生物對碳源的利用情況表現(xiàn)為:氨基酸類＞胺類＞酚酸類＞碳水化合物＞多聚物＞羧酸類；T3 處理下土壤微生物對碳源的利用情況表現(xiàn)為:氨基酸類＞羧酸類＞多聚物＞胺類＞酚酸類＞碳水化合物，但施肥前不同處理的土壤微生物碳源利用率之間基本不具有顯著差異。從圖4 可以看出，施肥后T1 處理下土壤微生物對碳源的利用情況表現(xiàn)為:氨基酸類＞羧酸類＞多聚物＞胺類＞酚酸類＞碳水化合物；T2 處理下土壤微生物對碳源的利用情況表現(xiàn)為:氨基酸類＞胺類＞羧酸類＞多聚物＞酚酸類＞碳水化合物；T3 處理下土壤微生物對碳源的利用情況表現(xiàn)為:氨基酸類＞胺類＞羧酸類＞多聚物＞酚酸類＞碳水化合物。氨基酸類碳源是各處理下土壤微生物利用的主要碳源。施肥處理后多聚物、碳水化合物、酚酸、羧酸類碳源利用率的大小趨勢表現(xiàn)為:T2＞T1＞T3＞CK；氨基酸類碳源利用率的大小趨勢表現(xiàn)為:T3＞T2＞T1＞CK；胺類碳源利用率的大小趨勢表現(xiàn)為:T2＞T3＞T1＞CK。相較于施肥前，施肥后3 種施肥處理土壤微生物對于碳源利用能力明顯增強，除T1 和T3 處理土壤微生物對于碳水化合物類碳源利用率與對照組相比差異未達到顯著水平，其他類型碳源利用均顯著高于對照。

圖3 施肥前不同施肥處理對紫色土土壤6 類碳源利用變化

圖4 施肥后不同施肥處理對紫色土土壤6 類碳源利用變化

2.4 主成分分析

圖5 不同施肥處理后土壤微生物碳源利用類型的主成分分析

2.5 土壤微生物碳代謝功能多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關性分析

由表3 可以看出，相關性分析表明土壤微生物群落碳代謝功能多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關性表現(xiàn)為:Shannon 指數(shù)與土壤容重顯著負相關，與自然含水率呈極顯著負相關，與pH 值呈顯著正相關，與全碳和全氮含量呈極顯著正相關；土壤理化性質(zhì)與Simpson 指數(shù)的相關性均未達到顯著水平；McIntosh指數(shù)與土壤容重、自然含水率、pH 值和全碳含量呈極顯著正相關，與土壤全氮含量呈顯著正相關。

表3 不同處理下土壤微生物碳功能多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關性分析

3 結論與討論

土壤微生物群落活性及多樣性均受氣候條件［23］、土壤特征狀況［24］、地下植被［25］以及人為活動［26］的影響，是評價土壤生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和健康水平的重要指標之一，人為施肥必然導致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，進而引起土壤微生物碳源利用能力的變化。本研究結果顯示，天然有機物料有機肥、有機無機復合肥、禽畜糞便有機肥3 種有機肥施肥處理均可提高土壤微生物活性，AWCD 值、Shannon 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)以及McIntosh 優(yōu)勢度指數(shù)大小順序均表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK。大量研究表明，廄肥、綠肥等有機肥施入有利于提升土壤微生物的多樣性及活性［27-28］，與本文研究結果基本一致。由于有機肥的施入大量增加了土壤中有機質(zhì)的含量，改善了土壤性狀，為土壤微生物提供了有利的生境條件，使其數(shù)量和群落多樣性均有所上升。此外有機肥使得土壤中可利用的碳源種類趨于多元，微生物所利用的碳源種類越多，其新陳代謝水平越強。

有機肥施入對于土壤微生物多樣性和活性影響的研究普遍表現(xiàn)為正向效益，而有機無機復合肥的施入效果在許多研究中結論不一，邢鵬飛等［29］關于黃河沖積平原玉米-小麥輪作土壤施肥的研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落多樣性在有機無機復合肥施入后并未產(chǎn)生顯著提升，而Luo 等［30］對牧場土壤施肥的研究則發(fā)現(xiàn)，有機肥和無機肥的配合施入對于提升土壤養(yǎng)分狀況和維持土壤微生物活性效果最佳，結合以上研究的土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，推測本試驗研究區(qū)域為紫色土丘陵區(qū)，氮、磷等土壤養(yǎng)分含量處于較低水平，而無機肥的施入能夠快速提升土壤養(yǎng)分含量，從而促進土壤微生物大量增殖，這可能是導致本研究中有機無機復合肥在3 種有機肥施肥處理中效果最佳的原因。不同坡位之間的微生物群落碳源利用能力差異同樣與土壤養(yǎng)分密切相關。由于紫色土區(qū)油茶林生長不良，林下植被發(fā)育較差，導致水流失較嚴重，降雨沖刷使得坡面土壤養(yǎng)分再分配，坡頂養(yǎng)分隨地表徑流在坡底富集，從而導致下坡位土壤肥沃，土壤養(yǎng)分優(yōu)于上坡位和中坡位，因而不同坡位土壤的AWCD 值、Shannon 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)以及McIntosh 優(yōu)勢度指數(shù)大小順序均表現(xiàn)為下坡＞中坡＞上坡。

通過土壤微生物群落碳代謝功能多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)相關性分析表明，土壤容重、自然含水率、pH 值、全碳和全氮含量是影響土壤微生物多樣性指數(shù)的重要因素。pH 值對土壤微生物利用碳源能力具有重要影響，Staddon 等［31］的研究發(fā)現(xiàn)pH值是影響土壤微生物群落碳代謝功能多樣性指數(shù)的重要環(huán)境因子，多樣性指數(shù)隨pH 值增加而降低。本試驗研究區(qū)域土壤為酸性土壤，土壤多樣性指數(shù)與pH 值均呈正相關，可見本研究區(qū)土壤酸化現(xiàn)象的減弱可為更多類群土壤微生物提供適宜的生境。紫色土氮含量普遍較為缺乏，土壤有機碳和全碳含量以及C/N 均是影響土壤微生物群落碳代謝功能多樣性指數(shù)的重要環(huán)境因子。徐華勤等［32］對長期施肥下茶園土壤微生物群落功能多樣性的研究表明，有機物與無機肥配合施入提高了土壤有機碳含量，調(diào)節(jié)了土壤C/N，微生物活性較高，與本文研究相一致。對于不同施肥處理下碳源利用差異而言，主成分分析表明T1、T2、T3 處理下土壤微生物對6 類碳源利用能力相比于對照有著較大提升，其中天然物料有機作物肥和禽畜糞有機肥對于6 類碳源的利用具有相似性，而有機無機復合肥與兩者處理之間對于6 類碳源利用差異主要在于對于碳水化合物的利用。侯曉杰等［33］對黃土性母質(zhì)的玉米連作土壤施肥研究發(fā)現(xiàn)，糖類和氨基酸類碳源是土壤微生物利用的主要碳源，并且是不同施肥之間的主要區(qū)分碳源，宋賢沖等［34］研究則表明在我國亞熱帶地區(qū)闊葉林中，碳水化合物類和胺類是土壤微生物的主要碳源。可見不同地區(qū)由于土壤生境的差異，土壤微生物群落組成同樣也有所差異，不同的微生物類群對于土壤碳源種類具有不同的偏好，但就本研究結果表明，有機無機復合肥處理下各類碳源的利用能力均較高。

綜上，有機無機復合肥的施入更有利于紫色丘陵區(qū)油茶人工林土壤微生物活性的提高。但本試驗所采用的Biolog 技術由于只能培養(yǎng)快速生長型或嗜營養(yǎng)型的微生物類群，難以真實全面地反映研究區(qū)土壤微生物群落結構，且測試板碳源的選擇也具有人為傾向，具有一定的局限性［35］。今后的研究需要結合現(xiàn)代分子生物技術，加強對紫色土丘陵區(qū)土壤微生物進行研究，為紫色土丘陵區(qū)的生態(tài)治理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供進一步參考。