长期施肥旱地红壤团聚体腐殖质组碳及其与微生物群落结构和功能的关系

【摘要】：我国红壤地区旱地农田土壤肥力较低,主要表现在土壤有机质水平很低。土壤腐殖质是土壤有机质的重要组成部分,对土壤肥力具有调节功能。土壤微生物直接参与土壤腐殖质的形成,同时也作用于土壤腐殖质释放出养分,土壤腐殖质与土壤微生物之间密切联系,并对土壤有机质以及土壤肥力产生重要影响。但是,红壤团聚体腐殖质组各组分与微生物的群落组成和功能关系尚不明确,腐殖质组分对微生物群落的影响机制仍待研究。本文选取“中国红壤农业博览园”江西进贤红壤站长期定位施肥土壤样品(不施肥对照CK、单施化肥处理NPK、单施2倍化肥处理2NPK、单施猪粪有机肥处理OM和施加猪粪有机肥配施化肥处理OM+NPK),通过湿筛法获得4种粒径团聚体(2000μm、250-2000μm、53-250μm、53μm),采用腐殖质组学(Humeomics)分步提取法提取各腐殖质组组分并测定其有机碳含量,采用Illumina Hiseq高通量测序技术分析团聚体微生物群落组成与多样性,并针对有机质分解相关酶活性进行测定,同时采用Biolog法测定团聚体微生物碳源利用活性,通过相关性分析、主坐标分析、冗余分析等手段研究施肥对旱地红壤团聚体腐殖质组以及微生物群落组成与功能活性的影响,以及团聚体腐殖质组与微生物群落之间的关系。主要研究结果如下:(1)长期施肥,尤其施加猪粪有机肥配施化肥(OM+NPK)显著提升了土壤和团聚体总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)含量,提升幅度分别达到了59.02%和118.71%。施加有机肥处理(OM、OM+NPK)团聚体TOC含量随团聚体粒径的减小先提升后降低;单施化肥处理(NPK、2NPK)团聚体TOC含量随团聚体粒径的增大而上升。长期施加有机肥(OM、OM+NPK)显著提升了大团聚体比例,加速了旱地红壤团聚化进程。长期施肥均显著提升了旱地红壤团聚体各腐殖质组组分有机碳含量,其中OM+NPK团聚体的含量显著高于其他处理,其总腐殖质组碳在TOC占比达到48.3%;相同施肥处理不同粒径团聚体间腐殖质组碳含量无显著差异。腐殖质组组分RESOM与ORG1有机碳含量在各处理团聚体腐殖质组中占比最高。RESOM有机碳含量为显著影响红壤团聚体TOC含量的主要影响因子。(2)长期施肥显著影响红壤团聚体细菌、真菌群落多样性,长期单施2倍化肥(2NPK)显著降低了红壤团聚体细菌群落多样性,长期施加有机肥(OM、OM+NPK)显著降低了红壤团聚体真菌群落多样性。有机肥处理(OM、OM+NPK)大团聚体(250μm)细菌群落多样性显著高于小团聚体(250μm),而大小团聚体真菌群落多样性则相反。长期施肥显著影响红壤团聚体细菌、真菌群落组成,NPK和OM+NPK处理显著提高Bacteroidetes(拟杆菌门)和Firmicutes(厚壁菌门)相对丰度,显著降低Chloroflexi(绿弯菌门)相对丰度;2NPK和OM处理显著提升Actinobacteria(放线菌门)相对丰度,显著降低Verrucomicrobia(疣微菌门)相对丰度。长期施加有机肥(OM、OM+NPK)显著提升Ascomycota(子囊菌门)相对丰度,长期施加化肥(NPK、2NPK)显著提高Zygomycota(接合菌门)相对丰度。施肥与团聚体粒径对红壤团聚体细菌、真菌群落组成均有显著影响。土壤腐殖质组组分RESOM有机碳含量为影响红壤团聚体细菌群落组成的主要环境因子,与Sphingomonas(鞘氨醇单胞菌属)相对丰度呈显著正相关关系;ORG1为影响红壤团聚体真菌群落的主要环境因子,与Acremonium(支顶孢属)相对丰度呈显著正相关关系。(3)长期施肥,尤其是施加猪粪有机肥配施化肥(OM+NPK)显著提高了红壤团聚体有机质分解相关酶的活性,包括蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、漆酶。团聚体腐殖质组组分RESOM、ORG1、ORG2、ORG3有机碳含量与酶活性均存在极显著正相关关系。长期施加有机肥(OM、OM+NPK)显著提升了红壤团聚体微生物的碳源利用活性,而长期单施化肥无显著提升效应。团聚体微生物对碳水化合物类和氨基酸类碳源的利用活性是影响团聚体细菌群落组成的主要影响因子,与细菌群落中Sphingomonas(鞘氨醇单胞菌属)以及团聚体腐殖质组组分RESOM间存在显著相关关系;团聚体微生物的碳源平均吸光度(AWCD)为显著影响红壤团聚体真菌群落组成的影响因子,与真菌群落中Acremonium(支顶孢属)以及腐殖质组组分ORG1间存在显著相关关系。本文通过研究长期施肥对旱地红壤团聚体腐殖质碳组分和团聚体微生物的影响,阐明了土壤腐殖质对有机质提升的影响机制,揭示了土壤腐殖质组对微生物群落组成与功能活性的相互联系,为施肥在提升旱地红壤有机质水平中的高效应用提供理论依据。