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有机肥/秸秆替代化肥模式对设施菜田土壤团聚体微生物特性的影响

荣勤雷  
【摘要】:设施蔬菜栽培作为一种高强度、集约化的生产方式,具有高肥料投入、高复种植指数和高温高湿环境等的特点。土壤微生物在有机质的分解、养分循环等土壤过程中发挥着关键作用,而特殊的设施栽培制度影响参与调控养分循环的土壤微生物活性和多样性。土壤团聚体是土壤结构的基本单位,直接导致土壤中微生物栖息地的空间隔离,从而影响土壤中发生的生物化学过程。但是目前对设施菜田不同比例有机肥/秸秆替代化肥模式下土壤团聚体中微生物群落结构、活性变化等还缺乏较为全面的了解。因此,深入了解设施菜田土壤微生物活性和群落组成及其对设施蔬菜养分管理措施的响应十分必要。本文利用河北省石家庄基地6年日光温室蔬菜有机肥/秸秆替代化肥模式定位试验,研究有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤微生物量碳氮、酶活性和微生物群落结构及产量的影响。定位试验设5个处理,分别为全部施用化肥氮(4/4CN),3/4化肥氮+1/4猪粪氮(3/4CN+1/4MN),2/4化肥氮+2/4猪粪氮(2/4CN+2/4MN),2/4化肥氮+1/4猪粪氮+1/4秸秆氮(2/4CN+1/4MN+1/4SN),2/4化肥氮+2/4秸秆氮(2/4CN+2/4SN),所有处理等氮等磷等钾。研究取得的主要进展如下:1.有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜产量影响。从较长时间来看,有机肥/秸秆替代化肥模式提高设施蔬菜产量,其中以配施秸秆模式产量最佳。新建日光温室前三茬蔬菜全部施用化肥模式(4/4CN)产量相对较高,而从第四茬起,两种配施秸秆模式(2/4CN+1/4MN+1/4SN、2/4CN+2/4SN)产量最佳。第四茬-第九茬蔬菜配施秸秆模式产量较4/4CN模式增加在2.2%-15.6%之间,平均增加7.5%;与配施猪粪模式(3/4CN+1/4MN、2/4CN+2/4MN)比较,配施秸秆模式蔬菜产量增加在1.1%-9.6%之间,平均增加5.8%。2.有机肥/秸秆替代化肥模式对土体土壤微生物量碳氮、酶活性和微生物群落结构的影响。不同有机肥/秸秆替代化肥模式,特别是配施秸秆模式,显著提高设施菜田土体土壤微生物量碳、氮含量,参与C、N和P循环的土壤酶活性,以及微生物磷脂脂肪酸总量(PLFA)与各菌群含量。设施菜田土体土壤微生物量碳氮、酶活性、微生物群落结构组成与蔬菜产量之间总体上呈显著或极显著正相关。土壤微生物量碳分别可以解释土体土壤酶活性和土体微生物群落结构总变异的89.5%和52.3%,是影响土体土壤酶活性和微生物群落的主要因素。3.有机肥/秸秆替代化肥模式对土壤团聚体分布以及土壤团聚体中养分和微生物量碳氮含量影响。设施菜田土壤团聚体优势粒级为250-1000μm团聚体和2000μm团聚体,含量分别平均为32.0%和38.4%。较4/4CN模式,有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤大团聚体比例,其中配施秸秆模式对土壤团聚体不同粒径分布影响相对较大,并显著提高土壤团聚体稳定性,平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)分别平均提高6.1%和11.2%。250-1000μm团聚体和2000μm团聚体中有机碳、全氮储量是土壤有机碳氮的主要来源,平均分别贡献土壤有机碳储量的34.1%和35.2%与全氮储量的34.0%和36.4%。土壤硝态氮在250-1000μm团聚体与1000-2000μm团聚体中含量较高,土壤速效钾、微生物量碳氮含量表现为随土壤团聚体粒径的增大而提高,而速效磷则随土壤团聚体粒径的增大而降低。4.有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤团聚体中胞外酶活性的影响。有机肥/秸秆替代化肥模式提高碳转化相关β-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡糖苷酶活性,且主要分布在250-1000μm团聚体和2000μm团聚体中;氮转化相关酶中,脲酶活性随团聚体粒径的减小而增大,而乙酰氨基葡糖苷酶、亮氨酸氨肽酶在2000μm团聚体中活性较高;参与磷转化相关的磷酸酶活性随土壤团聚体粒径的减小而降低。不同施肥模式是影响土壤团聚体胞外酶活性的主要因素,其次为团聚体粒径和交互作用的影响,不同施肥模式、团聚体粒径和交互作用分别可以解释土壤胞外酶活性变化的61.4%、19.3%和7.1%。Mantel检验表明受施肥影响的土壤有机碳、微生物量碳氮是影响土壤团聚体胞外酶活性变化的主要指标。5.有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤团聚体中微生物群落结构的影响。土壤不同粒径团聚体中微生物群落结构组成存在明显差异,PLFA总量和细菌摩尔百分比均以1000-2000μm团聚体中含量最高,其次为250μm团聚体和250-1000μm团聚体;真菌摩尔百分比大都随土壤团聚体粒径减小而呈现出增加的趋势;放线菌和革兰氏阳性菌摩尔百分比以250-1000μm团聚体和1000-2000μm团聚体中含量相对较高;而革兰氏阴性菌摩尔百分比在2000μm团聚体中含量最高。Mantel检验表明受施肥影响的土壤有机碳、土壤全氮是影响2000μm团聚体中微生物群落结构变化的主要指标;在2000μm团聚体中,土壤微生物群落结构组成受土壤有机碳、微生物量碳氮和速效钾多个因素的影响。6.有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤团聚体中细菌菌群变化的影响。较全部施用化肥模式,2/4CN+2/4MN模式模式细菌α多样性丰富度指数和多样性指数提高4.4%-7.9%,而配施秸秆模式大都没有明显变化。有机肥/秸秆替代化肥模式降低细菌优势门中的厚壁菌门、硝化螺旋菌门和蓝藻门相对丰度,提高绿弯菌门、Saccharibacteria菌门和浮霉菌门相对丰度。随土壤团聚体粒径增加,降低放线菌门相对丰度,而增加硝化螺旋菌门相对丰度;2000μm团聚体中厚壁菌门相对丰度显著高于其它粒径,250μm团聚体中芽单胞菌门相对丰度显著降低。PERMANOVA分析显示不同施肥模式之间土壤细菌群落结构均呈显著差异,不同团聚体之间仅2000μm团聚体和250μm团聚体之间、1000-2000μm团聚体和250μm团聚体之间土壤细菌群落结构差异显著。冗余分析表明有机碳是改变土壤细菌群落结构的主要环境因子,可以解释19.2%的细菌群落变化。总之,不同有机肥/秸秆替代化肥模式能够提高土壤团聚体中有机碳、全氮、微生物量碳氮含量。由有机肥/秸秆替代化肥模式导致的土壤有机碳、全氮、微生物量碳氮含量变化改变了土壤胞外酶活性和微生物群落结构组成,并影响了蔬菜产量。综合考虑不同有机肥/秸秆替代化肥模式对改善土壤微生物特性和提高蔬菜产量的作用以及实际可行性,秸秆、猪粪与化肥三者配施模式(2/4CN+1/4MN+1/4SN)是设施蔬菜持续高产施肥模式。


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