有機肥和化肥配施對小麥甘薯輪作土壤腐殖質結合形態及微生物群落結構的影響

張偉彬

(商丘職業技術學院，河南商丘 476000)

腐殖質一般占土壤有機質的70%～90%，大部分與土壤礦物質顆粒結合形成復合體，能夠通過改善土壤物理、化學及生物學特性而提高土壤的自我修復與吸附能力，在土壤養分供應以及土壤結構構建方面發揮重要作用。按照與礦物質顆粒的結合方式和緊密程度不同，腐殖質劃分為聯結態、緊結態、穩結態、松結態4種結合形態，腐殖質結合形態比例的不同會影響土壤養分供應以及結構特征。

農田土壤生態系統腐殖質組分的變化受自然因素和人為管理活動的影響較大。研究土壤腐殖質結合形態及組分比例的變化是揭示不同施肥措施對土壤碳循環轉化影響的重要途徑。有研究表明，人為管理活動對土壤腐殖質結合形態及組分含量變化均有一定的影響。長期過量單施化肥會造成土壤有機碳、腐殖質含量減少，加重土壤酸化，而化肥配施有機肥不僅有利于土壤有機碳與腐殖質含量的積累，還能促進土壤腐殖化，改善土壤微生態環境。目前，有關有機物料還田對土壤腐殖質結合形態及組分含量影響的研究報道有很多。但土壤有機碳及腐殖質結合形態受土壤類型、氣候等因素的影響較大，還與外源有機物的投入密切相關，且不同植物根系分泌物及殘留物均有所不同，對土壤微生物群落代謝活動、腐殖質結合形態的影響也不盡相同。本研究設置不施肥、單施化肥、單施生物有機肥、化肥配施有機肥、單施牛糞、化肥配施牛糞6個處理，研究化肥與不同有機肥配施條件下土壤腐殖質結合形態及土壤微生物群落結構的變化并探討其關聯性，旨在找到適宜的施肥模式，為麥薯田合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年10月至2021年6月在商丘職業技術學院試驗示范基地附近(116°15′E，39°28′N)進行。試驗所在地年降水量650 mm，年平均氣溫14.2 ℃，全年積溫(≥0 ℃)為4 500～5 500 ℃·d，無霜期210 d，年日照時長2 200 h。供試土壤為黃潮土，質地為沙壤，基礎土壤養分含量為：全氮 0.75 g/kg、全磷 0.62 g/kg、有機質8.92 g/kg、堿解氮58.31 mg/kg、速效磷46.82 mg/kg、速效鉀128.22 mg/kg，pH值8.11。試驗地常年輪作種植小麥、甘薯。

1.2 供試材料

小麥品種：周麥18(周口市農業科學院)；甘薯品種：商薯19(商丘市農林科學院)；牛糞，由牛糞與小麥秸稈等腐熟而成，含有機質36.5%，含N 2.35%、PO1.26%、KO 0.75%，購于農戶；生物有機肥，含有機質32.2%，含N 3.85%、PO2.12%、KO 1.15%，有效活菌數≥0.2億 CFU/g，河北中創豐農生物有效公司；化肥，含N 46.3%、PO24.2%、KO≥50%，市售。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，于2018年小麥季開始，設不施肥(CK)、單施化肥(T1)、單施生物有機肥(T2)、50%化肥與50%生物有機肥配施(T3)、單施牛糞(T4)、50%化肥與50%牛糞配施(T5)6個處理，重復3次，小區面積40 m。小麥生育期為10月15日至次年6月8日，播種量為 300 kg/hm；甘薯生育期為6月15日至10月10日，種植密度為52 500株/hm，株行距 27 cm×80 cm。單施化肥用量為純N 210 kg/hm、PO150 kg/hm、KO 150 kg/hm；單施牛糞用量為 22 500 kg/hm；單施生物有機肥用量為 1 800 kg/hm；小麥季與甘薯季施肥量相同，其中小麥季磷肥、鉀肥、牛糞、生物有機肥作為基肥在旋地前施入，70%氮肥作為基肥，30%氮肥作為追肥在小麥拔節期至抽穗期施入，甘薯季均作為基肥一次性施入。其他田間管理措施均同當地種植習慣一致。試驗設計見表1。

表1 試驗處理及肥料用量 kg/hm2

1.4 土壤取樣與分析方法

于2021年6月1日利用5點取樣法采集耕作層(0～20 cm)土壤樣品，然后通過低溫儲存盒帶回實驗室，揀出根系、碎石等雜物，過2 mm 網篩后，分為2個部分。一部分保存在-40 ℃冰箱，用來測定土壤微生物結構；另一部分自然陰干，用來測定土壤腐殖質組成。

腐殖質測定采用結合態腐殖質分組法，具體操作步驟參照李建明等的方法；微生物結構采用磷脂脂肪酸法，按照Bardgett等的提取方法，將提取的樣品通過氣相色譜儀利用脂肪酸鑒定系統來分析。

1.5 數據分析

利用 Microsoft Office WPS軟件進行數據處理與計算，利用SPSS 17.0進行不同處理間多重比較(法)，利用Canoco 5.0作圖。

2 結果與分析

2.2 不同施肥措施對土壤腐殖質結合形態的影響

由表2可知，不同施肥措施條件下，各處理土壤腐殖質結合形態發生較大的變化。與CK處理相比，不同施肥處理的腐殖質含量均有不同程度的提高，其中除T1處理腐殖質結合形態含量與CK處理相比均無顯著差異外，其他處理均顯著提高。與CK處理相比，配施有機肥處理的松結態含量顯著提高0.62～1.33倍，其中T3處理含量最高，且顯著高于T2處理；配施有機肥處理的聯結態含量顯著提高0.68～1.25倍，其中T3處理含量顯著高于T2、T4、T5處理；配施有機肥處理的穩結態含量顯著提高1.06～2.06倍，其中T3處理含量顯著高于T2、T5處理；配施有機肥處理的緊結態含量顯著提高0.03～0.19倍，其中T3處理含量顯著高于T2、T5處理。

表2 不同處理土壤腐殖質結合形態含量

2.2 不同施肥措施對土壤松結態腐殖質組成的影響

由表3可知，不同施肥措施條件下土壤松結態腐殖質的胡敏酸、富里酸含量以及胡富比(H/F)表現出不同的變化。與CK處理相比，不同施肥處理土壤松結態腐殖質的胡敏酸、富里酸含量以及胡富比均有不同程度的提高，其中胡敏酸含量分別提高20.83%～175.00%，富里酸含量分別提高7.14%～96.43%， 除T1處理不顯著外，其他處理胡敏酸、富里酸含量均顯著提高。而配施有機肥處理的胡敏酸、富里酸含量也存在較大的差異，其中T3處理胡敏酸含量較T2、T5處理分別顯著提高53.49%、43.48%，T3處理富里酸含量較T2、T5處理分別顯著提高34.15%、25.00%，與T4處理均無顯著差異。H/F比值總體表現為T3處理>T4處理>T2處理>T5處理>T1處理>CK處理，T3處理顯著高于除T4處理外的其他處理。

表3 不同處理土壤松結態腐殖質組成

2.3 不同施肥措施對土壤聯結態腐殖質組成的影響

由表4可知，不同施肥處理聯結態的胡敏酸、富里酸含量較CK處理分別提高25.93%～174.07%、45.45%～84.85%，T1處理的胡敏酸、富里酸含量與CK處理相比均無顯著差異，T2、T3、T4、T5處理均顯著提高。而在所有配施有機肥處理中，T3處理的胡敏酸含量較T2、T4、T5處理分別顯著提高42.31%、19.35%、37.04%，T2、T4、T5處理之間均無顯著差異；T3處理的富里酸含量較T2、T4、T5處理分別提高27.08%、15.09%、21.57%，顯著高于T2、T5處理，T2、T4、T5處理之間均無顯著差異。H/F比值總體表現為T3處理>T4處理>T2處理=T5處理>T1處理>CK處理，T3處理顯著高于T1、CK處理，T2、T4、T5處理也顯著高于CK處理，但與T1處理均無顯著差異。

表4 不同處理土壤聯結態腐殖質組成

2.4 不同施肥措施對土壤穩結態腐殖質組成的影響

由表5可知，不同施肥處理穩結態的胡敏酸、富里酸含量及H/F比值差異顯著。胡敏酸含量總體表現為 T3>T4>T5>T2>T1>CK，其中T3處理較其他處理顯著提高18.18%～271.43%，CK、T1處理顯著最低，T4處理顯著高于T2、T5處理；富里酸含量總體表現為T3>T4>T5>T2>T1>CK，其中T3處理較其他處理顯著提高13.51%～162.50%，CK、T1處理最低，T2、T4、T5處理之間均無顯著差異；H/F比值總體表現為T3>T4>T2>T5>T1>CK，其中T3較其他處理顯著提高0.81%～42.53%，T3、T4處理顯著高于CK處理，其他處理間均無顯著差異。

表5 不同處理土壤穩結態腐殖質組成

2.5 不同施肥措施對土壤腐殖質胡敏酸E4/E6的影響

由圖1可知，不同施肥措施條件下土壤腐殖質胡敏酸E4/E6的光密度比值差異較大。與CK處理相比，不同施肥處理的E4/E6比值表現出不同的變化，其中T1處理E4/E6比值提高，較CK處理提高0.49%，其他施肥處理的E4/E6比值均降低，T3處理E4/E6比值最低，較CK處理降低4.16%，但均無顯著差異。而所有配施有機肥處理的土壤腐殖質E4/E6比值較T1處理均有不同程度的降低，但均無顯著差異。胡敏酸E4/E6比值總體表現為T1>CK>T5>T2>T4>T3。

2.6 不同施肥措施對土壤微生物群落磷脂脂肪酸的影響

由表6可知，不同施肥措施條件下以磷脂脂肪酸含量為表征的土壤微生物主要類群結構發生較大的變化。與CK處理相比，T2、T3、T4、T5處理的細菌、放線菌、總菌落生物量均有不同程度的提高，真菌生物量下降，其中細菌、放線菌、總菌落生物量較CK處理分別提高13.50%～35.71%、18.91%～46.00%、10.35%～22.53%。除T2處理總菌落數無顯著差異外，其他處理指標均顯著提高，真菌生物量分別下降5.63%～22.14%，但均無顯著差異。T1處理的細菌、真菌、放線菌、總菌落生物量與CK處理相比均無顯著差異。而在所有配施有機肥處理中，T3處理的細菌、放線菌、總菌落生物量以及革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值、細菌/真菌比值均最高，真菌生物量最低，其中細菌、總菌落生物量、革蘭氏陽性菌/陰性菌比值較T2處理顯著提高17.50%、11.03%、25.00%，放線菌生物量和細菌/真菌比值較T2、T5處理分別顯著提高22.78%、14.88%和38.69%、33.98%，其他處理指標均無顯著差異，真菌生物量也無顯著差異。

表6 不同處理土壤微生物磷脂脂肪酸含量

2.7 土壤微生物群落結構與土壤腐殖質結合形態、組成間的多元分析

土壤微生物群落結構與土壤腐殖質結合形態RDA分析結果表明，第1、第2排序軸能夠在累積變量74.19%上解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落結構與腐殖質結合形態之間的關系(圖2-A)。各處理空間位置比較分散，說明不同施肥措施條件下土壤微生物群落結構的變化對腐殖質結合形態產生不同的響應。其中土壤細菌、放線菌、總菌落與腐殖質不同結合形態均呈正相關，土壤真菌正好相反，與腐殖質不同結合形態均呈負相關，其中穩結態腐殖質(65.4%)為主要驅動因子。說明土壤外源穩結態腐殖質的攝入有利于提高土壤細菌、放線菌、總菌落生物量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌、細菌/真菌比值，能夠較明顯地降低真菌生物量。

土壤微生物群落結構與土壤腐殖質組成間的RDA分析結果表明，第1、第2排序軸能夠在累積變量72.16%上解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落結構與腐殖質組成間的關系(圖2-B)。其中土壤細菌、放線菌、總菌落、革蘭氏陽性菌/陰性菌、細菌/真菌比值與土壤腐殖質胡敏酸、富里酸以及胡敏酸/富里酸比值呈正相關關系，與胡敏酸E4/E6比值呈負相關關系，土壤真菌與土壤腐殖質胡敏酸E4/E6比值呈正相關關系，與胡敏酸、富里酸以及胡敏酸/富里酸比值呈負相關關系，其中胡敏酸(56.34%)為主要驅動因子，說明土壤腐殖質胡敏酸含量的提高有利于提高土壤細菌、放線菌、總菌落生物量以及革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值、細菌/真菌比值，降低真菌生物量。由此可知，不同施肥措施能夠改變土壤腐殖質的結合形態及組成，而土壤穩結態腐殖質和胡敏酸含量與土壤微生物群落的變化有緊密相關的聯系。因此，合理的化肥與有機肥配施比例能夠有效改善土壤腐殖質結合形態及組分，從而提高土壤生態系統的穩定性。

3 討論

土壤腐殖質不同結合形態對土壤肥力供應及土壤結構構建有較大的影響，其中松結合腐殖質易被土壤微生物分解與轉化，能夠影響土壤養分的供給，緊結態腐殖質不易被土壤微生物分解與轉化，對土壤養分保持與土壤結構改善具有重要的影響。有研究表明，農田中配施的有機物料大部分能夠被土壤微生物分解，未分解部分會通過腐殖化進程轉化為腐殖質，長期化肥配施有機肥措施能夠提高土壤松結態和穩結態腐殖質的比例。本研究結果顯示，與CK處理相比，不同施肥處理的松結態、聯結態、穩結態、緊結態腐殖質含量均有不同程度的提高，其中50%化肥與50%生物有機肥配施處理腐殖質不同結合形態含量均最高，明顯高于單施化肥或生物有機肥處理，而50%化肥與50%牛糞配施處理與單施牛糞處理的不同結合態腐殖質含量無顯著差異。同種結合態腐殖質含量在不同施肥處理間差異較大，有可能是生物有機肥及腐解產物分子結構對土壤有機無機復合體的形成有顯著作用，進而影響土壤不同結合形態腐殖質的形成，而牛糞與化肥結合配施有可能抑制有機無機復合體的形成，從而使得該處理的腐殖質含量低于單施化肥處理。

胡敏酸、富里酸是土壤腐殖質活躍的化學物質，不同結合形態腐殖質的胡敏酸/富里酸比值與土壤結構構成及供肥能力密切相關。有研究表明，E4/E6比值越大，表示不同結合形態腐殖胡敏酸分子量越小，分子復雜程度及縮合度越高。本研究結果顯示，與CK處理相比，各施肥處理的腐殖質胡敏酸、富里酸含量以及胡敏酸/富里酸比值均不同程度地升高，E4/E6比值均下降，其中50%化肥與50%生物有機肥配施處理胡敏酸、富里酸含量以及胡敏酸/富里酸比值均最高，顯著高于單施化肥或生物有機肥處理，E4/E6比值最低，顯著低于單施化肥或生物有機肥處理。而50%化肥與50%牛糞配施配施處理與單施牛糞處理的不同結合態腐殖質胡敏酸、富里酸含量以及胡敏酸/富里酸比值較單施牛糞處理均不同程度地下降、E4/E6比值上升。造成上述差異的原因有可能是不同有機肥與化肥結合的差異造成的，也可能是有機肥適應土壤類型不同、分解時間的差異等因素造成的。由此說明，化肥與生物有機肥配施有利于不同結合態腐殖質含量的積累。

土壤有機碳、腐殖質是影響土壤微生物群落組成的重要環境因素，長期添加有機物可以有效提高土壤微生物活性，改善土壤微生物群落組成。本試驗結果表明，與單施化肥或不施肥處理相比，配施有機肥處理能夠提高土壤細菌、放線菌、總菌落生物量和革蘭氏陽性菌/陰性菌、細菌/真菌比值，降低土壤真菌生物量，其中50%化肥與50%生物有機肥配施處理表現更加顯著。分析認為，不同處理外源有機物的攝入，能夠為土壤微生物活動提供不同種類的碳源，增強土壤微生物碳源代謝利用能力。而化肥與有機肥配施處理與單施化肥或有機肥處理間的差異較大，分析認為化肥與有機肥配施，既能夠滿足作物前期對養分的需求，又能保證后期養分的供應，增加養分的利用效率以及土壤微生物活性，提高土壤中有機質與腐殖質的分解與轉化速率，加速有機肥的腐殖化進程。RDA分析表明，土壤微生物群落結構的改變受土壤腐殖質結合形態及組分間的影響較大，其中穩結態腐殖質(65.4%)及胡敏酸(56.34%)為主要驅動因子。可見，麥薯田不同施肥措施不僅能夠顯著改變土壤腐殖質結合形態及組分含量，也能夠明顯影響土壤微生物群落結構的組成變化。

4 結論

麥薯田不同施肥措施能夠較大程度地影響土壤腐殖質組成、含量以及土壤微生物群落結構的變化。與單施化肥或不施肥相比，化肥配施有機肥或單施有機肥均能顯著提高土壤不同結合態腐殖質含量及胡敏酸、富里酸含量，降低胡敏酸/富里酸比值，且能明顯改善土壤微生物群落構成，其中50%化肥與50%生物有機肥配施處理表現更加突出。RDA分析表明，土壤微生物群落結構的變化與土壤不同結合態腐殖質及組分含量密切相關。