常規氮肥及不同施加量秸稈對冬小麥田土壤理化性質和微生物的影響

摘要：為研究秸稈配施氮肥對冬小麥農田土壤真菌和土壤理化性質的影響，檢測土壤理化性質，分析土壤有機碳、全氮、速效鉀、硝態氮、銨態氮、有效磷、水溶性有機碳含量等土壤檢測指標，利用高通量測序技術分析少量秸稈施用（S1）、大量秸稈施用（S2）、氮肥施用（NS0）、氮肥及少量秸稈施用（NS1）、氮肥及大量秸稈施用（NS2）與對照（S0）處理下冬小麥農田土壤真菌群落結構。結果表明，大量秸稈還田配施氮肥對土壤pH值影響顯著（Plt;0.05），同時促進了土壤中有效磷、銨態氮、硝態氮的積累；在秸稈還田土壤中額外施加氮肥減少了土壤中可溶性有機碳的積累；大量秸稈還田配施氮肥降低了子囊菌門（Ascomycota）、糞殼菌綱（Sordariomycetes）菌群相對豐度；各處理真菌群落α多樣性中的Chao1指數存在邊緣顯著差異（0.05lt;Plt;0.1），真菌群落β多樣性存在顯著差異，大量秸稈還田配施氮肥顯著增加了真菌Bray-Curtis距離。綜上，大量秸稈配施氮肥顯著增加了土壤中有效磷、銨態氮積累量，并增加了土壤真菌群落Chao1指數、Bray-Curtis距離，同時降低了子囊菌門菌群和糞殼菌綱菌群相對豐度。

關鍵詞：秸稈還田；氮肥；土壤微生物；真菌；土壤理化性質；α多樣性

中圖分類號：S512.1₊10.6" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）19-0232-07

收稿日期：2023-10-11

基金項目：國家自然科學基金（編號：41775151）。

作者簡介：李曉雨（1999—），女，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向為農田生態和土壤微生物。E-mail：13634223927@163.com。

通信作者：陳書濤，博士，副教授，主要從事生態系統碳氮循環與氣候變化研究。E-mail：chenstyf@aliyun.com。

秸稈施加顯著提高了農業生態系統中有機碳的積累，可實現農業的可持續生產^［1］。秸稈還田具有多重效益，包括改良土壤理化性質、保水控鹽、培肥增產等作用，有助于減緩耕層土壤水分的散失，降低無效蒸騰，同時增加土壤水分的有效供應^［2-3］。研究發現，秸稈還田能夠增加土壤CO₂排放、水溶性有機碳含量和有機質含量，提高麥玉輪作體系淺層土壤含水率、水分利用效率、氮肥偏生產力和氮肥農學利用率^［4-5］。進一步研究發現，秸稈還田對微生物群落結構和功能有顯著影響，并增強了土壤微生物活性，改善土壤理化性質，促進根系的生長與發育，從而增加了土壤CO₂的排放^［6-7］。而氮肥施加可以加強土壤通氣性、持水性等，改善土壤理化性質，促進植物生長^［8］。有機肥的施用對微生物群落存在影響，顯著增加了微生物群落的多樣性，也略微改變了微生物群落的組成^［9］。少量研究表明，氮肥施加也對土壤細菌群落的活動和組成有明顯的影響^［10］。

不同秸稈利用和施肥方式對土壤性質和微生物群落有顯著影響^［11-12］。進一步的土壤微生物研究顯示，秸稈還田搭配微生物菌劑和平衡施肥可以促進酶活性的提高，進而增加土壤微生物群落的物種多樣性和個體數目^［13］。秸稈與生物炭、化肥、氨化處理聯合使用，能夠進一步提高土壤理化性質的改良效果。而秸稈還田與氮肥運籌對土壤水、碳、氮量及作物產量存在顯著影響，短期秸稈還田配合適度氮肥投入可提高土壤有機質含量和微生物活性，有助于提高土壤肥力^［14］。土壤生物群和微生物群是土壤資本的關鍵部分，其對有機碳的加工是陸地碳循環的關鍵過程，由于微生物群落結構多樣性存在區域性變化，因此在不同土地利用類型中，其變化也不同^［15-16］。已有多數學者對有機無機配施處理下土壤理化性質及土壤微生物的變化做出研究^［17］，但就秸稈配施氮肥處理對土壤環境影響的研究還較少。同時，大多數關于土壤環境微生物的研究都關注在土壤細菌群落方面，對土壤真菌群落的研究仍不足。本研究將通過對土壤真菌群落的分析，深入研究氮肥和秸稈施用對土壤環境的影響，為更好地平衡農業生產與環境保護之間的關系，為農業可持續性發展做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

田間試驗在南京信息工程大學農業氣象試驗站進行，試驗地點坐標為32°12′N、118°42′E，海拔高度為18 m。該地區多年平均溫度為15.5 ℃，降水量達到1 062 mm，多年平均日照時數為1 902.5 h，無霜期長達237 d。土壤類型為黃棕壤，質地為壤質粘土。在耕層（0～20 cm）土壤中，pH值為6.30，容重1.54 g/cm₃，田間持水量為21.91%，土壤有機質含量為15.36 g/kg，全氮含量為0.81 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗采用區組設計，共設置6個處理，每個處理包含4個重復，共涉及24個小區。每個小區的面積為16 m₂（4 m×4 m），相鄰地塊之間設置了1 m寬的緩沖隔離區。研究對象主要為冬小麥，選用鎮麥12號（冬小麥）作為試驗材料。冬小麥的播種始于2022年11月，收獲則在2023年5月進行。在冬小麥播種前1周，提前進行大豆秸稈的填埋操作。大豆秸稈在粉碎后進行人工翻埋。對于S1和NS1處理小區，每個小區施加3.75 kg大豆秸稈；而S2和NS2處理小區則各施加7 kg大豆秸稈。1周后，各小區施加0.2 kg磷酸二氫鉀。對于NS0、NS1和NS2處理小區，額外施加1.005 kg尿素，并于同一天進行冬小麥的播種。田間管理措施遵循當地的常規做法。

1.3 土壤采樣及分析

1.3.1 采樣

于2023年4月，對24個小區進行土壤采樣。選擇在各個小區的中心進行樣品采集，采用螺旋土鉆，深入到土壤表層以下10 cm的位置，獲取土壤樣品。對這些樣品進行多項土壤檢測指標的分析，包括有機碳、全氮、速效鉀、硝態氮、銨態氮、有效磷、水溶性有機碳含量以及土壤微生物等。采用環刀法，對土壤容重和土壤孔隙度等指標進行測定。采集微生物高通量測序樣品，使用土鉆深入到20 cm土層，采集過程中需戴好塑膠手套，避免土壤樣品與汗液接觸，各小區分別采集75 g土壤，裝入無菌袋中。同時進行土壤理化性質檢測的土壤采集，各小區分別采集200 g土壤樣品，同樣轉入無菌袋中。土壤性質測定：采用玻璃電極法測定土壤pH值，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機碳含量，采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量，采用氟化銨-鹽酸溶液和碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量，采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀含量，采用氯化鉀浸提-紫外分光光度法測定銨態氮和硝態氮含量，采用去離子水浸提-碳氮分析儀法測定土壤可溶性有機碳含量^［18-19］。

1.3.2 高通量測序分析

對土壤樣品進行基因組DNA抽提后，采用1%瓊脂糖凝膠電泳對提取的基因組DNA進行檢測。接著，根據指定的測序區域，合成帶有barcode的特異引物。每個樣本進行4次PCR重復，隨后將同一樣本的PCR產物混合，并使用2%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測。使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒進行切膠回收PCR產物，并通過Tris-HCl洗脫，然后再次使用2%瓊脂糖電泳進行檢測。PCR反應采用TransStart Fastpfu DNA Polymerase，反應體系為20 μL。完成真菌基因的PCR擴增后，根據電泳初步定量結果，使用QuantiFluor^TM-ST藍色熒光定量系統進行檢測和定量。隨后，按照一定比例混合PCR產物。最終，采用匯總的DNA產物構建Illumina PE250文庫，并進行Illumina PE250測序。

1.4 數據處理

利用Excel 2016、R Studio和Canoco 5軟件，進行圖表的繪制，并借助SPSS 26.0軟件進行數據分析。對6個不同處理在門水平上排名前8位的土壤真菌類群以及在綱、目水平上相對豐度排名前16位的土壤真菌類群進行了平均值分析。通過R Studio，創建真菌群落相對豐度的堆積柱狀圖。使用SPSS 19.0軟件進行單因素和雙因素方差分析，以解釋不同處理下土壤理化性質及優勢真菌門、綱、目之間的顯著性差異。同時，通過箱線圖分析土壤在不同處理下的真菌α多樣性，包括物種數、Shannon指數、Simpson指數、Chao1指數、PD指數和Pielou J指數等。使用箱線圖和基于主坐標（PCoA）的分析展示不同處理下真菌群落的β多樣性^［20］。應用冗余度分析（RDA）來描述真菌群落與土壤理化性質之間的相關性^［21］。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

2.1.1 土壤物理性質

各處理之間的土壤容重、總孔度、毛管孔度、田間持水量存在顯著差異（Plt;0.05，下同）（表2）。雙因素方差分析表明，秸稈還田及秸稈還田配施氮肥顯著影響土壤容重和土壤總孔度，施加氮肥顯著影響了土壤毛管孔度（表3）。與S0樣本相比，NS1土壤容重顯著降低16.89%，NS1總孔度顯著增加18.22%。S2與NS2處理毛管孔度存在顯著差異，S1與NS1處理毛管孔度存在邊緣顯著差異（0.05lt;Plt;0.10，下同）。說明施加氮肥有效降低了秸稈還田土壤毛管孔度，少量秸稈還田配施氮肥有效降低土壤容重、土壤總孔度。

2.1.2 土壤化學性質

秸稈施加與氮肥施加這2個因素的雙因素方差分析結果表明，施加氮肥顯著影響了土壤pH值、全氮含量、銨態氮含量、硝態氮含量（表3）。由表2可知，S1和NS1及S2和NS2的pH值存在顯著差異。與S0相比，有效磷含量在NS1、NS2樣本中顯著增多，銨態氮、硝態氮含量在NS0、NS1、NS2樣本中顯著增加，且NS0和NS2樣本的銨態氮、硝態氮含量存在邊緣顯著差異。各處理樣品的可溶性有機碳含量單因素方差分析結果表明，S1和S2及S2和NS2之間存在邊緣顯著差異。表明相較于單施秸稈、氮肥處理，秸稈還田配施氮肥對土壤pH值的影響顯著，同時促進了土壤中有效磷、銨態氮、硝態氮的積累，其中大量秸稈還田配施氮肥的影響效果最顯著；與低秸稈還田量土壤相比，高秸稈還田量土壤含有更多的可溶性有機碳，在秸稈還田土壤中額外施加氮肥減少了土壤中可溶性有機碳的積累。

2.2 土壤真菌群落

2.2.1 土壤真菌群落組成

冬小麥農田土壤相對豐度最高的前3種真菌門為子囊菌門（Ascomycota）、毛霉門（Mucoromycot）、擔子菌門（Basidiomycota），占土壤真菌門水平群落豐度55.78%（圖1-a）。6個處理門水平的最優勢菌群均為子囊菌門，各處理相對豐度分別為S0（65.66%）、S1（74.02%）、S2（69.03%）、NS0（63.06%）、NS1（70.02%）、NS2（61.45%）。與S0相比，子囊菌門菌群在S1、S2、NS1中的相對豐度增加，而在NS0、NS2中的相對豐度降低。相對豐度最高的前3種真菌綱為糞殼菌綱（Sordariomycetes）、被孢霉綱（Mortierellomycetes）、座囊菌綱（Dothideomycetes），占土壤真菌綱水平群落豐度77.81%（圖1-b）。6個處理下綱水平的最優勢菌群均為糞殼菌綱，各處理相對豐度分別為S0（49.82%）、S1（51.76%）、S2（48.77%）、NS0（44.61%）、NS1（46.10%）、NS2（37.25%）。與S0相比，S2、NS0、NS1、NS2相對豐度降低。相對豐度最高的前3種真菌目為被孢霉目（Mortierellales）、肉座菌目（Hypocreales）、糞殼菌目（Sordariales），占土壤真菌目水平群落豐度55.78%（圖1-c）。肉座菌目為S0、S1、S2處理目水平的最優勢菌群，糞殼菌目為NS0處理目水平的最優勢菌群，被孢霉目為NS1、NS2處理目水平的最優勢菌群。表明秸稈填埋增加了土壤真菌門水平子囊菌門菌群在土壤中的相對豐度，而氮肥施加及大量秸稈還田配施氮肥降低了土壤真菌門水平子囊菌門及綱水平糞殼菌綱菌群在土壤中的相對豐度。

2.2.2 土壤真菌群落α多樣性

由圖2可知，與S0相比，S1、S2、NS0的物種數增多，NS1、NS2的物種數降低；與S0相比，除NS1樣本，其余處理樣本Chao1指數均有所增加，增加幅度為S2（13.42%）gt;S1（6.72%）gt;NS0（1.55%）gt;NS2（1.13%）；與S0相比，各處理Shannon指數、Pielou J、PD指數均有所增加，Simpson指數變化不顯著。真菌α多樣性中，Chao1指數處理S0和S1之間存在邊緣顯著差異。整體而言，秸稈還田配施氮肥一定程度上降低了土壤真菌群落物種數，同時增加了Chao1指數、Shanon指數、Simpson指數、Pielou J指數、PD指數，表明秸稈還田配施氮肥一定程度上增加了真菌群落α多樣性。

2.2.3 土壤真菌群落β多樣性

各處理真菌群落β多樣性存在顯著差異。與S0樣本相比，NS2樣本的真菌Bray-Curtis距離顯著降低，且S0和S1、NS1存在邊緣顯著差異性，S1、NS2和NS1存在邊緣顯著差異性。表明秸稈還田配施氮肥對真菌Bray-Curtis距離具有顯著影響，大量秸稈還田配施氮肥顯著增加了土壤真菌Bray-Curtis距離（圖3）。真菌基于Bray-Curtis距離的PCoA表明，真菌的群落結構在PC1的解釋度為18%，PC2的解釋度為14%，累計貢獻率達到32%。從圖4中各樣點的分布情況可以明顯看出，6種處理的樣點分布呈現較大的分散性，這表明秸稈還田、氮肥施加以及秸稈還田配施氮肥顯著地改變了土壤微生物群落的結構。

2.3 土壤真菌群落組成與土壤理化性質的關系

真菌群落組成與土壤理化性質的RDA分析結果（圖5）顯示，第1軸的解釋率為93.53%，第2軸的解釋率為5.34%，該結果表明前2軸足以反映不同處理土壤真菌群落與理化性質之間的關系 并主要由第1軸決定。真菌優勢目RDA結果中的物種被孢霉目、肉座菌目、糞殼菌目、格孢腔菌目（Pleosporales）、白冬孢酵母目（Leucosporidiales）、小叢殼目（Glomerellales）、刺盾炱目（Chaetothyriales）、柔膜菌目（Helotiales）與土壤理化性質之間存在相關關系，貢獻值較大的土壤理化性質的解釋率從大到小排序分別為田間持水量（39.3%）gt;pH值（36.2%）gt;有機質含量（12.4%）gt;全氮含量（9.6%）gt;有效磷含量（2.5%）。表明土壤田間持水量、pH值、有機質、全氮、有效磷含量對土壤真菌群落組成的影響最大。

3 討論

3.1 氮肥及不同施加量秸稈對土壤理化性質的影響

秸稈還田配施氮肥顯著降低了土壤容重，這與Luo等的研究結果^［22］相一致。此外，本研究發現與大量秸稈還田配施氮肥處理相比，少量秸稈配施氮肥處理對土壤容重影響更顯著，這可能是由于該處理下土壤結構性更好；與單施秸稈處理相比，秸稈還田配施氮肥降低了土壤毛管孔度。在秸稈還田條件下，增施氮肥有助于改善土壤理化性質^［23-24］。常規氮肥施加以及秸稈還田配施氮肥均顯著降低了土壤pH值，其中大量秸稈還田配施氮肥處理對土壤pH值影響效果更強，這與以往研究結果一致。Zhou等的研究表明，施加氮肥處理土壤pH值呈下降趨勢^［25］；王菲等研究也表明，普通復合肥降低了土壤的pH值^［26］。與單施氮肥相比，秸稈還田配施氮肥對提高土壤中有效磷、銨態氮、硝態氮、可溶性有機碳等的含量效果更顯著，這與Zhao等指出的氮肥加秸稈改良對土壤理化性質的影響大于單獨氮添加的結果^［27］一致。本研究發現大量秸稈還田配施氮肥處理對促進土壤有效磷、銨態氮、硝態氮積累最顯著，這可能是由于大量秸稈還田能夠提供更豐富的有機質和營養物質，從而刺激土壤微生物的活動，加速微生物對秸稈和氮肥的分解，進而促進土壤速效磷、銨態氮、硝態氮的積累。

3.2 氮肥及不同施加量秸稈對土壤真菌群落的影響

本研究發現，施加氮肥有效降低了門水平最優勢菌群子囊菌門、綱水平最優勢菌群糞殼菌綱在土壤中的相對豐度，同時增施秸稈增加了最優勢菌群群落豐度降低幅度，這與邢亞薇等的研究結果^［28］一致。氮肥施加條件下，土壤真菌門、綱水平最優勢菌群相對豐度與秸稈還田量呈正相關。這可能是由于氮肥為真菌提供氮源，秸稈還田提供豐富的有機質，改善土壤理化性質和生物活性，為子囊菌門、糞殼菌綱菌群繁殖提供更適宜的生長環境。

氮肥施加條件下，大量秸稈還田對土壤真菌群落物種數的降低效果顯著。這可能是由于高秸稈還田率會增加土壤有機質含量和碳氮比，可能導致真菌之間資源的競爭加劇，同時秸稈配施氮肥可能改變土壤環境條件，不利于部分對環境變化敏感的菌群生長。本研究發現，秸稈還田配施氮肥增加了土壤群落α多樣性中的Chao1指數、Shanon指數、Pielou J指數、PD指數，其中大量秸稈還田配施氮肥對Chao1指數影響顯著。秸稈還田配施氮肥對真菌群落β多樣性的影響顯著，這與武曉森等的研究結果^［29-30］一致。此外，本研究發現，施加等量常規氮肥條件下，大量秸稈還田配施氮肥處理對土壤真菌Bray-Curtis距離的影響最顯著，這可能是由于大量秸稈還田能夠提供更豐富的碳源，同時改變土壤碳氮比，進而影響真菌群落組成和多樣性。

4 結論

秸稈還田配施氮肥對土壤理化性質存在顯著影響，少量秸稈配施氮肥可顯著降低土壤容重和總孔度，大量秸稈還田配施氮肥顯著降低土壤pH值。秸稈還田模式下增施氮肥可顯著促進土壤中速效磷、銨態氮、硝態氮的積累，同時影響土壤真菌群落組成。大量秸稈配施氮肥施用降低了土壤真菌門、綱水平優勢種的相對豐度和物種數，增加了真菌群落多樣性，顯著影響Chao1指數以及Bray-Curtis距離。

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