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秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响

张鑫 周卫 艾超 黄绍敏 梁国庆

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秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响

    作者简介: 张鑫 E-mail:zxbedo@163.com;
    通讯作者: 周卫, E-mail:wzhou@caas.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2016YFD0200109);国家自然科学基金项目(31772392)。

Effects of nitrogen management on soil enzyme activities and bacterial community structure in summer maize growing stages under straw incorporation

    Corresponding author: ZHOU Wei, E-mail:wzhou@caas.ac.cn ;
  • 摘要:   【目的】  通过研究秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同生育期土壤酶活性和细菌群落结构的影响,揭示土壤细菌群落对不同施肥措施的响应规律,为调节土壤养分,提高作物产量,改善土壤生物功能提供科学依据。  【方法】  基于河南农业科学院原阳试验基地5年连续定位试验,选取不施肥 (CK)、单施化肥 (氮肥基追比1∶1,N)和秸秆全量还田下氮肥基追比1∶1 (SN1)、1∶1.5 (SN2) 和1∶2 (SN3) 共5个处理,于2016年夏玉米抽丝期和收获期采集0—20 cm土壤样品,采用常规方法测定土壤基础理化性质,采用荧光微型板酶检测技术测定土壤酶活性,采用Illumina Miseq高通量测序方法测定土壤细菌群落结构。  【结果】  秸秆还田下氮肥基追比对玉米产量及氮肥利用率产生明显影响,相比于N处理,SN1处理显著增产9.98%;SN1和SN2处理氮肥利用率分别提高9.83、5.10个百分点。在夏玉米抽丝期和收获期,相比于N处理,秸秆还田下各氮肥运筹处理不同程度地提高了土壤pH、有机碳、全氮和速效钾含量,其中均以SN1处理增幅最为明显。在玉米抽丝期,除土壤磷酸酶外,SN1处理土壤酶活性均为最高;SN1处理对收获期土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖甘酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性的促进最明显。细菌群落除抽丝期SN1与CK处理Shanno指数显著高于N处理而Simpson指数显著低于N处理外,其余处理间差异不显著。各施肥处理下门水平和纲水平的主要优势种群均为变形菌门、放线菌门和α-变形菌纲和放线菌纲。线性判别效应分析 (LEfSe) 显示,不同生育期比较,抽丝期最大LDA(linear discriminant analysis) 值为酸杆菌纲,收获期为芽单胞菌纲;而同一生育期各处理间比较,抽丝期各处理最大LDA值均为变形菌门的α-变形菌纲,收获期均为γ-变形菌纲。典范对应分析表明,抽丝期土壤pH (P = 0.002)、有机质含量 (P = 0.004) 和收获期土壤pH (P = 0.03)、硝态氮 (P = 0.036)、速效钾 (P = 0.044) 含量对细菌群落结构产生显著影响。  【结论】  土壤pH、有机碳、硝态氮和速效钾含量是影响细菌群落结构变化的主要因素。秸秆还田条件下,氮肥运筹显著影响土壤酶活性和细菌群落结构,氮肥基追比为1∶1时可显著提升土壤养分含量和酶活性,提高δ-变形菌纲、绿弯菌纲和TK10 (未分类) 相对丰度,从而更有效地促进秸秆分解和转化,发挥有机质调节土壤养分释放、减少养分损失的作用,最终提高玉米产量和氮肥利用率。
  • 图 1  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米产量及氮肥利用率

    Figure 1.  Maize yields and nitrogen use efficiency under different nitrogen management with straw incorporation

    图 2  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米不同生育期土壤细菌群落门水平 (A) 和纲水平 (B) 的相对丰度

    Figure 2.  Soil bacterial community structure at phylum (A) and class (B) level of different maize growth stages under different nitrogen management with straw incorporation

    图 3  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米抽丝期 (A) 和收获期 (B) 土壤细菌群落与土壤理化性质的典范对应分析 (CCA)

    Figure 3.  Canonical correspondence analysis (CCA) of soil bacterial communities and soil chemical properties in silking stage (A) and harvesting stage (B) under different nitrogen management with straw incorporation

    图 4  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米抽丝期 (A)和收获期 (B) 土壤细菌纲水平关键菌群和影响群落差异的主要菌群 (C) 的线性判别效应分析 (LEfSe)

    Figure 4.  Key phylotypes of soil bacteria microbiota at silking (A) and harvesting (B) stage and the main bacteria microbiota causing the difference (C) under different nitrogen management with straw incorporation using linear discriminant analysis effect size (LEfSe) at class level

    表 1  秸秆还田和不同氮肥管理下土壤pH及养分含量

    Table 1.  pH and nutrient contents of soil under different nitrogen management with straw incorporation

    处理
    Treatment
    pH (H2O)有机碳SOC (g/kg)全氮Total N (g/kg)NO3-N (mg/kg)
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    CK8.46 ± 0.05 a8.25 ± 0.02 a 8.66 ± 0.44 b 7.69 ± 0.67 b0.60 ± 0.03 c 0.55 ± 0.04 c 1.53 ± 0.45 b5.99 ± 0.88 c
    N7.99 ± 0.07 d7.80 ± 0.04 c 8.68 ± 0.33 b 8.66 ± 0.31 b0.71 ± 0.01 b 0.67 ± 0.05 b 17.88 ± 1.17 a22.31 ± 2.70 b
    SN18.11 ± 0.04 c7.95 ± 0.05 b11.24 ± 0.77 a10.72 ± 0.41 a0.79 ± 0.07 a 0.75 ± 0.03 a 26.79 ± 2.82 a32.02 ± 1.75 a
    SN2 8.17 ± 0.03 bc7.95 ± 0.06 b11.23 ± 0.46 a10.47 ± 0.70 a0.74 ± 0.02 ab0.74 ± 0.03 ab26.11 ± 3.04 a30.17 ± 2.42 ab
    SN38.22 ± 0.06 b7.98 ± 0.03 b10.47 ± 0.46 a10.26 ± 0.32 a0.73 ± 0.06 ab0.74 ± 0.03 ab21.69 ± 1.63 a30.60 ± 2.19 ab
    处理
    Treatment
    NH4+-N (mg/kg)有效磷Available P (mg/kg)速效钾Available K (mg/kg)
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    CK2.16 ± 0.18 b1.86 ± 0.18 b 7.54 ± 0.80 b 7.78 ± 1.24 b 98.42 ± 3.65 c 88.58 ± 2.92 c
    N2.96 ± 0.18 a 2.68 ± 0.07 ab16.98 ± 0.74 a18.89 ± 0.60 a148.75 ± 4.46 b135.92 ± 2.44 b
    SN13.50 ± 0.16 a3.21 ± 0.19 a19.36 ± 1.15 a20.34 ± 1.02 a166.82 ± 4.34 a154.85 ± 6.36 a
    SN23.30 ± 0.16 a3.03 ± 0.16 a18.67 ± 1.50 a20.33 ± 1.12 a162.92 ± 5.63 a 145.32 ± 4.27 ab
    SN32.99 ± 0.17 a3.03 ± 0.09 a18.27 ± 1.75 a19.02 ± 1.36 a159.65 ± 4.76 a149.65 ± 4.59 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments (P < 0.05).
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    表 2  秸秆还田下不同氮肥管理的土壤酶活性

    Table 2.  Soil enzyme activities under different nitrogen management with straw incorporation

    处理
    Treatment
    Pho [nmol/(g·h)]βG [nmol/(g·h)]CBH [nmol/(g·h)]βX [nmol/(g·h)]
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    CK297.16 ± 28.45 c430.27 ± 33.25 b110.50 ± 5.12 e232.97 ± 17.24 c23.13 ± 4.16 c51.59 ± 6.64 d34.64 ± 6.85 c35.39 ± 4.08 d
    N844.49 ± 38.85 b950.64 ± 65.14 a209.49 ± 10.84 d329.80 ± 19.43 d39.37 ± 4.70 b64.73 ± 2.32 c42.39 ± 6.00 c51.97 ± 6.16 c
    SN1805.93 ± 46.20 b896.62 ± 59.59 a437.15 ± 8.69 a511.57 ± 26.15 a86.91 ± 6.78 a95.61 ± 5.68 a98.99 ± 6.23 a96.89 ± 4.24 a
    SN2858.41 ± 18.66 b954.88 ± 45.04 a404.15 ± 13.36 b467.62 ± 24.78 b85.43 ± 4.47 a78.62 ± 4.79 b79.76 ± 7.29 b89.37 ± 6.94 ab
    SN3936.17 ± 47.08 a884.43 ± 53.94 a345.47 ± 4.84 c489.84 ± 18.12 ab80.61 ± 5.93 a80.02 ± 5.65 b90.44 ± 5.85 ab85.63 ± 7.03 b
    处理
    Treatment
    αG [nmol/(g·h)]NAG [nmol/(g·h)]PhOx [nmol/(g·h)]Perox [nmol/(g·h)]
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    CK30.88 ± 7.43 c38.01 ± 4.10 c204.65 ± 16.73 b223.67 ± 17.32 b1.00 ± 0.16 c1.54 ± 0.11 c0.88 ± 0.14 b1.55 ± 0.14 b
    N51.61 ± 7.18 b49.31 ± 7.20 b288.18 ± 11.86 a346.42 ± 11.78 a1.45 ± 0.11 c1.71 ± 0.16 bc1.25 ± 0.09 a1.97 ± 0.17 a
    SN199.39 ± 3.02 a106.19 ± 7.99 a312.95 ± 6.83 a362.25 ± 19.25 a2.57 ± 0.08 a2.69 ± 0.15 a1.55 ± 0.14 a2.12 ± 0.12 a
    SN292.30 ± 6.35 a100.37 ± 5.08 a305.93 ± 10.87 a365.83 ± 19.77 a2.42 ± 0.16 ab2.35 ± 0.19 ab1.34 ± 0.17 a2.09 ± 0.18 a
    SN399.10 ± 8.78 a96.73 ± 5.41 a309.32 ± 16.02 a353.66 ± 14.16 a2.04 ± 0.05 b2.43 ± 0.12 a1.28 ± 0.17 a2.08 ± 0.19 a
    注(Note):Pho—磷酸酯酶 Phosphatase;βG—β-葡萄糖苷酶 β-Glucosidase;CBH—纤维二糖苷酶 Glycosylase;βX—β-木糖苷酶 β-Xylosidase;αG—α-葡萄糖苷酶 α-Xylosidase;NAG—氨肽基酶 Aminopeptidases;PhOx—酚氧化酶 Phenol oxidase;Perox—过氧化物酶 Peroxidase;同列数值后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments (P < 0.05).
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    表 3  秸秆还田和不同氮肥管理下土壤细菌群落Alpha多样性指数

    Table 3.  Alpha diversity index of soil bacterial community affected by different nitrogen management with straw incorporation

    处理
    Treatment
    16S序列测序覆盖度Coverage丰富度指数Chao1香农多样性指数Shanno辛普森多样性指数Simpson
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    抽丝期
    Silking
    收获期
    Harvesting
    CK 0.9931 a0.9906 a2278 a2214 a6.702 a6.581 a0.0030 b0.0046 a
    N 0.9893 a0.9938 a2288 a2232 a6.448 b6.607 a0.0071 a 0.0043 ab
    SN10.9933 a0.9943 a2325 a2299 a6.736 a6.696 a0.0030 b0.0028 b
    SN20.9907 a0.9915 a2302 a2266 a 6.655 ab6.649 a 0.0034 ab 0.0032 ab
    SN30.9942 a0.9947 a2325 a2274 a 6.642 ab6.689 a 0.0035 ab 0.0030 ab
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-22
  • 网络出版日期:  2020-03-27
  • 刊出日期:  2020-02-01

秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响

    作者简介:张鑫 E-mail:zxbedo@163.com
    通讯作者: 周卫, wzhou@caas.ac.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 2. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所,郑州 450002
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2016YFD0200109);国家自然科学基金项目(31772392)。
  • 摘要:   【目的】  通过研究秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同生育期土壤酶活性和细菌群落结构的影响,揭示土壤细菌群落对不同施肥措施的响应规律,为调节土壤养分,提高作物产量,改善土壤生物功能提供科学依据。  【方法】  基于河南农业科学院原阳试验基地5年连续定位试验,选取不施肥 (CK)、单施化肥 (氮肥基追比1∶1,N)和秸秆全量还田下氮肥基追比1∶1 (SN1)、1∶1.5 (SN2) 和1∶2 (SN3) 共5个处理,于2016年夏玉米抽丝期和收获期采集0—20 cm土壤样品,采用常规方法测定土壤基础理化性质,采用荧光微型板酶检测技术测定土壤酶活性,采用Illumina Miseq高通量测序方法测定土壤细菌群落结构。  【结果】  秸秆还田下氮肥基追比对玉米产量及氮肥利用率产生明显影响,相比于N处理,SN1处理显著增产9.98%;SN1和SN2处理氮肥利用率分别提高9.83、5.10个百分点。在夏玉米抽丝期和收获期,相比于N处理,秸秆还田下各氮肥运筹处理不同程度地提高了土壤pH、有机碳、全氮和速效钾含量,其中均以SN1处理增幅最为明显。在玉米抽丝期,除土壤磷酸酶外,SN1处理土壤酶活性均为最高;SN1处理对收获期土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖甘酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性的促进最明显。细菌群落除抽丝期SN1与CK处理Shanno指数显著高于N处理而Simpson指数显著低于N处理外,其余处理间差异不显著。各施肥处理下门水平和纲水平的主要优势种群均为变形菌门、放线菌门和α-变形菌纲和放线菌纲。线性判别效应分析 (LEfSe) 显示,不同生育期比较,抽丝期最大LDA(linear discriminant analysis) 值为酸杆菌纲,收获期为芽单胞菌纲;而同一生育期各处理间比较,抽丝期各处理最大LDA值均为变形菌门的α-变形菌纲,收获期均为γ-变形菌纲。典范对应分析表明,抽丝期土壤pH (P = 0.002)、有机质含量 (P = 0.004) 和收获期土壤pH (P = 0.03)、硝态氮 (P = 0.036)、速效钾 (P = 0.044) 含量对细菌群落结构产生显著影响。  【结论】  土壤pH、有机碳、硝态氮和速效钾含量是影响细菌群落结构变化的主要因素。秸秆还田条件下,氮肥运筹显著影响土壤酶活性和细菌群落结构,氮肥基追比为1∶1时可显著提升土壤养分含量和酶活性,提高δ-变形菌纲、绿弯菌纲和TK10 (未分类) 相对丰度,从而更有效地促进秸秆分解和转化,发挥有机质调节土壤养分释放、减少养分损失的作用,最终提高玉米产量和氮肥利用率。

    English Abstract

    • 农作物秸秆作为一种重要的可再生资源,不仅含有丰富的碳、氮、磷、钾和微量元素,同时包含大量的木质素和纤维素等有机物[1]。我国是农业大国,2011年我国秸秆总产量已达到8.63亿t,约占世界秸秆总产量的30%,秸秆年产量位居世界第一[2]。秸秆还田不仅能够为作物生长提供必需的营养元素,还能够调节土壤物理结构和改善土壤生物功能,达到培肥地力的目的[1, 3]

      氮素是影响秸秆分解的关键因子。秸秆包含大量的纤维素、半纤维素、木质素等含碳物质,C/N值一般高于微生物,致使微生物在秸秆分解过程中与作物争氮,影响作物生长和产量[4]。在江西水稻土上的研究表明,水稻秸秆还田量为6000 kg/hm2时的最佳施氮量为180 kg/hm2;在山东旱地土壤上,玉米秸秆全量还田条件下的最佳施氮量为225 kg/hm2,该施肥处理作物产量最高,并提高了氮肥偏生产力、氮素利用效率、氮素收获指数,显著降低了0—60 cm 土层的硝态氮积累量[5-6]。最近的研究表明,秸秆还田不仅提高水稻产量,还能提高稻米的蛋白质含量,降低垩白粒率和垩白度,对改善稻米的外观和品质有一定作用[7]。一般认为,秸秆还田条件下应当提高氮肥施入的基肥比例,确保作物生长前期有充足的氮素供给[8-9]。然而,土壤氮素动态变化可能是最复杂的生物地球化学循环之一[10],氮肥运筹对秸秆分解、转化和养分释放的影响机制目前还没有得到充分认识。

      土壤酶和微生物参与整个地球生物化学循环过程,在秸秆分解过程中发挥着不可替代的作用[11-12]。Guo等[5]研究发现,水稻秸秆养分的释放高峰期为0~14天,秸秆中一些易分解的碳水化合物以及胺类在此阶段被富营养型细菌分解利用,同时几丁质酶和亮氨酸氨基肽酶活性在此阶段更高;而真菌和放线菌在秸秆分解后期发挥重要作用。秸秆还田也会对土壤土著微生物群落产生重要影响。Zhao等[13]研究发现,秸秆还田使得土壤细菌群落结构发生明显变化,同时土壤细菌和真菌的丰富度和多样性与土壤硝态氮呈显著正相关。Sun等[14]的结果表明,秸秆还田配施化肥可以提高所有与氮素循环相关的功能基因丰度。6年的定位试验结果表明,秸秆还田配施化肥相比于单施秸秆显著提升了土壤肥力,增加了土壤酶活性,改变了细菌群落结构[15]。Sun等[16]研究发现,相比于单施化肥处理,秸秆还田配施化肥可以提高相似细菌群落结构的丰度。由此可见,施用氮肥对秸秆分解相关的微生物学过程产生重要影响。

      本研究通过分析秸秆还田下不同氮肥基追比例对夏玉米不同生育期土壤酶活性和细菌群落结构影响,揭示土壤细菌群落对不同施肥措施的响应规律,为调节土壤养分,提高作物产量,改善土壤生物功能提供科学依据。

      • 本试验于2012至2016年在河南省农业科学院现代农业科技示范基地 (N34°47′、E113°40′) 进行,试验地地处暖温带,年均气温14.4℃,年积温约5169℃,年均降雨量640.9 mm,无霜期约225天,年日照时数2400 h,当地主要种植制度为小麦–玉米轮作。试验区土壤为石灰性潮土,土壤基本理化性质为:pH 8.3、有机质 9.65 g/kg、全氮 0.87 g/kg、有效磷 21.43 mg/kg、速效钾 115.43 mg/kg。

      • 试验小区完全随机排列,小麦季试验处理:不施肥 (CK);单施化肥 (氮肥基追比5∶5,N);秸秆全量还田下配施氮肥 (氮肥基追比3∶7,SN1;氮肥基追比5∶5,SN2;氮肥基追比7∶3,SN3),共5个处理。秸秆还田处理的玉米秸秆粉碎后翻埋入耕层,秸秆不还田处理的玉米秸秆全部移除小区。每个处理设置3个重复,推荐施氮量为210 kg/hm2,氮肥的基肥及追肥分别在小麦季的苗期和拔节期施用。除处理CK外,剩余各处理磷肥和钾肥用量一致,分别为120和90 kg/hm2,均作基肥一次性施用。玉米季试验处理包括:不施肥 (CK);单施化肥 (氮肥基追比1∶1,N);秸秆全量还田下配施氮肥 (氮肥基追比1∶1,SN1;氮肥基追比1∶1.5,SN2;氮肥基追比1∶2,SN3),共5个处理。秸秆还田处理的小麦秸秆粉碎后翻埋入耕层,秸秆不还田处理的小麦秸秆全部移除小区。每个处理设置3个重复,推荐施氮量为210 kg/hm2,氮肥的基肥及追肥分别在玉米季的苗期和大喇叭口期施用。除处理CK外,剩余各处理磷肥和钾肥用量一致,分别为75 kg/hm2和90 kg/hm2,均作基肥一次性施用。供试氮、磷、钾肥分别为尿素 (含N 46%),过磷酸钙 (含P2O5 12%) 和氯化钾 (含K2O 60%)。冬小麦于每年10月播种,次年6月收获;夏玉米于每年6月播种,当年10月收获。2015年冬小麦于10月9日播种,2016年6月3日收获;夏玉米于2016年6月10日播种,当年10月5日收获。

      • 于2016年8月23日夏玉米抽丝期和10月9日收获期,按五点采样法分别采集0—20 cm耕层土壤样品,混匀后装于放有冰袋的保温箱中立即带回实验室。将一部分土壤样品风干研磨,分别过0.85和0.15 mm筛测定土壤养分含量;一部分土壤样品作为鲜土测定土壤硝态氮和铵态氮含量,测定土壤酶活性;一部分土壤样品保存于–80℃,用于土壤微生物分析。玉米收获时用多点法测取植株养分含量,同时按小区计产。

        土壤基本理化性质依据《土壤农化分析》[17]测定。土壤硝态氮 (NO3-N) 和铵态氮 (NH4+-N) 采用0.01 mol/L CaCl2浸提—流动分析仪法测定;土壤有机碳 (SOC) 采用K2Cr2O7氧化 (外加热油浴) 法,0.2 mol/L FeSO4溶液滴定法测定;土壤全氮、植株和籽粒全氮采用凯氏法消煮半微量滴定法测定;土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用1 mol/L CH3COONH4浸提—原子吸收分光光度计法测定;土壤pH采用酸度计法测定 (水土比2.5∶1)。

        土壤胞外酶种类包括:土壤磷酸酶 (Pho)、β-葡萄糖苷酶 (βG)、纤维二糖苷酶 (CBH)、β-木糖苷酶 (βX)、α-葡萄糖苷酶 (αG)、氨肽基酶 (NAG)、酚氧化酶 (PhOx) 和过氧化物酶 (Perox),测定方法为荧光微型板酶检测技术[18-20]。称取相当于1.0 g干土的新鲜土样,加入50 mmol/L的醋酸盐缓冲液100 mL混匀,然后用磁力搅拌器维持土壤悬浊液的均匀度。缓冲液、土壤样品悬浊液、10 μmol/L标准品和200 μmol/L相应底物严格按照一定体积和顺序加入到黑色的96孔酶标板中,使用多功能酶标仪 (Scientific Fluoroskan Ascent FL, Thermo) 在激发波长为365 nm、发射波长为450 nm的条件下测定荧光。

        土壤微生物DNA采用FastDNA® SPIN Kit for soil (MP Biomedicals, Illkirch, France) 试剂盒对15个土壤样品的DNA进行提取,提取的DNA用1%的琼脂糖电泳检验其完整性,存放于–80℃。细菌16S rRNA扩增引物为338F (5′–ACTCCTACGGGAGGCAGCAG–3′)和806R (5′–GACTACHVGGGTWTCTAAT–3′),扩增区域为16S rRNA的V3–V4高变区,前引物端添加Barcode接头。PCR扩增体系 (25 μL) 为:12.5 μL Super Mix (Bio-Rad,USA),前后引物各1 μL (终浓度为0.2 μmol/L),10.3 μL无菌水,0.2 μL稀释10倍的DNA模板。扩增程序为:95℃预变性5 min,95℃变性30 s,55℃退火30 s,共25个循环,最后72℃延伸10 min。使用Illumina Miseq PE300 (Illumina,Inc.,CA,USA) 测序平台完成测序。所有序列已提交到NCBI的SRA (Sequence Read Archive) 数据库 (SRP191342)。

      • 测序结果首先使用QIIME (Quantitative Insights Into Microbial Ecology) (v1.2.1) 对原始数据进行拼接,过滤,并去除嵌合体。不满足以下条件的低质量序列被删除:1) Barcode和引物序列无错误碱基;2)序列长度大于200 bp;3)平均质量得分Q ≥ 25。所有处理随机抽取20000条高质量序列用于下流分析。分类操作单元 (OTU) 采用USEARCH软件在97%的阈值下进行划分。利用Silva数据库对OTU代表序列进行比对和分类。LEfSe分析在Galaxy平台进行 (http://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/)。采用Canoco 5.0进行典范对应分析 (CCA)。以OTU相对丰度构建Bray-Curtis矩阵,应用多元方差分析 (PERMANOVA) 评价不同施肥处理下土壤微生物群落结构变化的显著性 (permutation = 999)。其他试验数据采用Excel 2016对试验数据进行整理。方差分析和相关分析采用SAS 9.1软件进行,多重比较采用LSD最小极差法 (P = 0.05)。

        氮肥利用率 (%) = (施氮区地上部分吸氮量 – 不施氮区地上部分吸氮量)/施氮量 × 100。

      • 秸秆还田下氮肥不同基追比例对玉米产量及氮肥利用率产生明显影响。相比于单施化肥处理,秸秆还田下SN1 处理显著增产 9.98%,SN2、SN3与N处理差异不显著 (图1A)。不同施肥方式对氮肥利用率的影响与产量结果相似。SN1和SN2处理氮肥利用率分别比单施化肥处理分别显著提高了9.83和5.10个百分点,SN3处理提高不明显 (图1B)。

        图  1  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米产量及氮肥利用率

        Figure 1.  Maize yields and nitrogen use efficiency under different nitrogen management with straw incorporation

        表1可知,经过5年的试验,在玉米抽丝期和收获期,与单施化肥相比,秸秆还田配施化肥处理均不同幅度的提高了土壤pH、有机质、全氮、硝态氮和速效钾含量。其中,pH在玉米抽丝期和收获期分别提高了1.5%~2.9%和1.5%~2.3% (P < 0.05);有机碳含量分别提高了2.0%~2.9%和1.8%~2.4% (P < 0.05);全氮含量分别增加了0.7%~11.2%和7.4%~11.9%,且均以SN1处理最高,与N处理相比差异达到显著水平;硝态氮含量分别升高了21.3%~49.8%和1.0%~18.2%,以SN1处理效果最为明显;速效钾含量分别提高了7.3%~12.2%和6.9%~13.9%,以SN1处理增幅最为明显,与N处理相比差异达显著水平。而秸秆还田下氮肥不同基追比例处理之间在有机质和养分含量的差异均未达到显著水平。

        表 1  秸秆还田和不同氮肥管理下土壤pH及养分含量

        Table 1.  pH and nutrient contents of soil under different nitrogen management with straw incorporation

        处理
        Treatment
        pH (H2O)有机碳SOC (g/kg)全氮Total N (g/kg)NO3-N (mg/kg)
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        CK8.46 ± 0.05 a8.25 ± 0.02 a 8.66 ± 0.44 b 7.69 ± 0.67 b0.60 ± 0.03 c 0.55 ± 0.04 c 1.53 ± 0.45 b5.99 ± 0.88 c
        N7.99 ± 0.07 d7.80 ± 0.04 c 8.68 ± 0.33 b 8.66 ± 0.31 b0.71 ± 0.01 b 0.67 ± 0.05 b 17.88 ± 1.17 a22.31 ± 2.70 b
        SN18.11 ± 0.04 c7.95 ± 0.05 b11.24 ± 0.77 a10.72 ± 0.41 a0.79 ± 0.07 a 0.75 ± 0.03 a 26.79 ± 2.82 a32.02 ± 1.75 a
        SN2 8.17 ± 0.03 bc7.95 ± 0.06 b11.23 ± 0.46 a10.47 ± 0.70 a0.74 ± 0.02 ab0.74 ± 0.03 ab26.11 ± 3.04 a30.17 ± 2.42 ab
        SN38.22 ± 0.06 b7.98 ± 0.03 b10.47 ± 0.46 a10.26 ± 0.32 a0.73 ± 0.06 ab0.74 ± 0.03 ab21.69 ± 1.63 a30.60 ± 2.19 ab
        处理
        Treatment
        NH4+-N (mg/kg)有效磷Available P (mg/kg)速效钾Available K (mg/kg)
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        CK2.16 ± 0.18 b1.86 ± 0.18 b 7.54 ± 0.80 b 7.78 ± 1.24 b 98.42 ± 3.65 c 88.58 ± 2.92 c
        N2.96 ± 0.18 a 2.68 ± 0.07 ab16.98 ± 0.74 a18.89 ± 0.60 a148.75 ± 4.46 b135.92 ± 2.44 b
        SN13.50 ± 0.16 a3.21 ± 0.19 a19.36 ± 1.15 a20.34 ± 1.02 a166.82 ± 4.34 a154.85 ± 6.36 a
        SN23.30 ± 0.16 a3.03 ± 0.16 a18.67 ± 1.50 a20.33 ± 1.12 a162.92 ± 5.63 a 145.32 ± 4.27 ab
        SN32.99 ± 0.17 a3.03 ± 0.09 a18.27 ± 1.75 a19.02 ± 1.36 a159.65 ± 4.76 a149.65 ± 4.59 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments (P < 0.05).
      • 不同施肥处理下与土壤碳、氮和磷循环相关的8种酶活性变化趋势 (表2) 表明,在玉米的抽丝期和收获期,不同土壤酶活性在不同施肥处理间差异达到显著水平,土壤磷酸酶 (Pho)、β-葡萄糖苷酶 (βG)、纤维二糖甘酶 (CBH)、β-木糖苷酶 (βX)、α-葡萄糖苷酶 (αG)、氨肽基酶 (NAG)、酚氧化酶 (PhOx) 和过氧化物酶 (Perox) 均在CK处理下最低。秸秆还田配施化肥的3个处理 (SN1、SN2和SN3) 相比于单施化肥处理 (N) 均显著提高了土壤βG、βX、αG活性,抽丝期增幅在64.9%~133.5%,收获期增幅在41.8%~115.4%。结果还表明,无论是玉米抽丝期和收获期,SN1处理的土壤βG、CBH、βX、αG、PhOx活性在所有处理中均为最高,且显著高于单施化肥处理 (N),这些酶主要涉及碳水化合物的分解;相反,与氮磷分解相关的NAG 和Pho活性在单施化肥处理 (N) 和施用秸秆处理 (SN1、SN2和SN3) 之间差异不显著。整体上讲,收获期土壤酶活性要高于抽丝期 (两因素方差分析,P < 0.05)。

        表 2  秸秆还田下不同氮肥管理的土壤酶活性

        Table 2.  Soil enzyme activities under different nitrogen management with straw incorporation

        处理
        Treatment
        Pho [nmol/(g·h)]βG [nmol/(g·h)]CBH [nmol/(g·h)]βX [nmol/(g·h)]
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        CK297.16 ± 28.45 c430.27 ± 33.25 b110.50 ± 5.12 e232.97 ± 17.24 c23.13 ± 4.16 c51.59 ± 6.64 d34.64 ± 6.85 c35.39 ± 4.08 d
        N844.49 ± 38.85 b950.64 ± 65.14 a209.49 ± 10.84 d329.80 ± 19.43 d39.37 ± 4.70 b64.73 ± 2.32 c42.39 ± 6.00 c51.97 ± 6.16 c
        SN1805.93 ± 46.20 b896.62 ± 59.59 a437.15 ± 8.69 a511.57 ± 26.15 a86.91 ± 6.78 a95.61 ± 5.68 a98.99 ± 6.23 a96.89 ± 4.24 a
        SN2858.41 ± 18.66 b954.88 ± 45.04 a404.15 ± 13.36 b467.62 ± 24.78 b85.43 ± 4.47 a78.62 ± 4.79 b79.76 ± 7.29 b89.37 ± 6.94 ab
        SN3936.17 ± 47.08 a884.43 ± 53.94 a345.47 ± 4.84 c489.84 ± 18.12 ab80.61 ± 5.93 a80.02 ± 5.65 b90.44 ± 5.85 ab85.63 ± 7.03 b
        处理
        Treatment
        αG [nmol/(g·h)]NAG [nmol/(g·h)]PhOx [nmol/(g·h)]Perox [nmol/(g·h)]
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        CK30.88 ± 7.43 c38.01 ± 4.10 c204.65 ± 16.73 b223.67 ± 17.32 b1.00 ± 0.16 c1.54 ± 0.11 c0.88 ± 0.14 b1.55 ± 0.14 b
        N51.61 ± 7.18 b49.31 ± 7.20 b288.18 ± 11.86 a346.42 ± 11.78 a1.45 ± 0.11 c1.71 ± 0.16 bc1.25 ± 0.09 a1.97 ± 0.17 a
        SN199.39 ± 3.02 a106.19 ± 7.99 a312.95 ± 6.83 a362.25 ± 19.25 a2.57 ± 0.08 a2.69 ± 0.15 a1.55 ± 0.14 a2.12 ± 0.12 a
        SN292.30 ± 6.35 a100.37 ± 5.08 a305.93 ± 10.87 a365.83 ± 19.77 a2.42 ± 0.16 ab2.35 ± 0.19 ab1.34 ± 0.17 a2.09 ± 0.18 a
        SN399.10 ± 8.78 a96.73 ± 5.41 a309.32 ± 16.02 a353.66 ± 14.16 a2.04 ± 0.05 b2.43 ± 0.12 a1.28 ± 0.17 a2.08 ± 0.19 a
        注(Note):Pho—磷酸酯酶 Phosphatase;βG—β-葡萄糖苷酶 β-Glucosidase;CBH—纤维二糖苷酶 Glycosylase;βX—β-木糖苷酶 β-Xylosidase;αG—α-葡萄糖苷酶 α-Xylosidase;NAG—氨肽基酶 Aminopeptidases;PhOx—酚氧化酶 Phenol oxidase;Perox—过氧化物酶 Peroxidase;同列数值后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments (P < 0.05).
      • 表3可知,在玉米抽丝期和收获期,不同施肥处理细菌16S序列测序覆盖度 (Coverage) 在0.9893~0.9947。细菌丰富度指数 (Chao1) 在玉米抽丝期和收获期不同处理之间差异不显著。在玉米抽丝期,单施化肥处理 (N) 土壤细菌香农多样性指数 (Shanno) 显著低于CK处理和SN1处理,而施用秸秆的3个处理之间 (SN1、SN2和SN3) 无显著差异。辛普森多样性指数在抽丝期单施化肥处理 (N) 显著高于CK处理和SN1处理,SN1、SN2和SN3之间差异不显著。上述结果表明,长期单施氮肥可以使抽丝期土壤细菌多样性降低,而秸秆还田可以缓解这种氮肥的不利影响,且以秸秆还田下氮肥基追比为1∶1处理最佳。玉米收获期,土壤细菌香农多样性指数 (Shanno) 趋于一致,不同处理间均无显著差异,表明此时氮肥运筹对土壤细菌多样性的影响已减弱。

        表 3  秸秆还田和不同氮肥管理下土壤细菌群落Alpha多样性指数

        Table 3.  Alpha diversity index of soil bacterial community affected by different nitrogen management with straw incorporation

        处理
        Treatment
        16S序列测序覆盖度Coverage丰富度指数Chao1香农多样性指数Shanno辛普森多样性指数Simpson
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        抽丝期
        Silking
        收获期
        Harvesting
        CK 0.9931 a0.9906 a2278 a2214 a6.702 a6.581 a0.0030 b0.0046 a
        N 0.9893 a0.9938 a2288 a2232 a6.448 b6.607 a0.0071 a 0.0043 ab
        SN10.9933 a0.9943 a2325 a2299 a6.736 a6.696 a0.0030 b0.0028 b
        SN20.9907 a0.9915 a2302 a2266 a 6.655 ab6.649 a 0.0034 ab 0.0032 ab
        SN30.9942 a0.9947 a2325 a2274 a 6.642 ab6.689 a 0.0035 ab 0.0030 ab
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments (P < 0.05).

        细菌16S rDNA高通量测序序列经比对后分别属于27个门、94个纲、160个目、299个科和532个属。在门和纲水平上,相对丰度 > 1%的细菌群落组成见图2。潮土细菌主要类群为变形菌门 (Proteobacteria)、放线菌门 (Actinobacteria) 和酸杆菌门 (Acidobacteria),三者在玉米抽丝期和收获期分别占土壤细菌群落的76.9%和76.5% (图2A);从纲水平看,相对丰度 > 5%的纲有α-变形菌纲 (Alphaproteobacteria)、放线菌纲 (Actinobacteria)、γ-变形菌纲 (Gammaproteobacteria)、Acidobacteria Subgroup-6和β-变形菌纲 (Betaproteobacteria) (图2B)。

        图  2  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米不同生育期土壤细菌群落门水平 (A) 和纲水平 (B) 的相对丰度

        Figure 2.  Soil bacterial community structure at phylum (A) and class (B) level of different maize growth stages under different nitrogen management with straw incorporation

        玉米抽丝期,不同施肥处理下变形菌门、放线菌门、芽单胞菌门 (Gemmatimonadetes) 和拟杆菌门 (Bacteroidetes) 的相对丰度发生显著变化。其中,单施化肥处理 (N) 相比CK处理显著提高了放线菌门和拟杆菌门细菌的相对丰度 (P < 0.05),且显著降低了芽单胞菌门细菌的相对丰度 (P < 0.05)。SN1处理相比于SN3处理显著提高了变形菌门和拟杆菌门的相对丰度 (P < 0.05)。在纲水平上,单施化肥处理 (N) 显著提高了放线菌纲的相对丰度,增幅达到25.9%~61.1%;与单施化肥处理相比,SN1处理明显提高了δ-变形菌纲、绿弯菌纲和TK10 (未分类) 的相对丰度,增幅分别为33.3%、132.5%和76.8%。

        玉米收获期,不同施肥处理对门水平的细菌群落组成未产生显著影响。在纲水平上,SN1处理相比于单施化肥处理显著提高了δ-变形菌纲的相对丰度 (P < 0.05),增幅为33.7%。不同生育期之间细菌群落的相对丰度在门水平没有显著变化,而在纲水平上,收获期相比于抽丝期显著提高了全噬菌纲的相对丰度 (P < 0.05),增幅为12.1%。

      • 玉米抽丝期细菌群落与土壤理化性质的典范对应分析 (CCA) 如图3A所示,排序轴1 (CCA1) 和排序轴2 (CCA2) 共解释了总变异的51.56%。从图3A可知,抽丝期CK处理、单施化肥处理 (N) 和秸秆还田配施氮肥处理 (SN1、SN2和SN3) 土壤微生物群落结构相互区分开来,多因素方差分析 (PERMANOVA) 结果表明CK与N处理土壤群落结构之间,以及N处理与秸秆还田配施氮肥处理 (SN1、SN2和SN3) 两两之间均存在显著差异 (P < 0.01),但SN1、SN2和SN3处理之间无显著差异 (P > 0.05)。由Canoco Forward分析得出,土壤pH (P = 0.002) 和有机质 (P = 0.004) 含量对细菌群落组成影响显著。

        图  3  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米抽丝期 (A) 和收获期 (B) 土壤细菌群落与土壤理化性质的典范对应分析 (CCA)

        Figure 3.  Canonical correspondence analysis (CCA) of soil bacterial communities and soil chemical properties in silking stage (A) and harvesting stage (B) under different nitrogen management with straw incorporation

        图3B中,玉米收获期CCA分析中两条排序轴共解释了总变异的56.18%。收获期不同处理之间的细菌群落结构差异相比抽丝期变小,多因素方差分析 (PERMANOVA) 结果表明,此时仅有CK与其他处理之间有显著差异 (P < 0.05),而N、SN1、SN2和SN3之间无显著差异 (P > 0.05)。土壤pH (P = 0.03)、硝态氮含量 (P = 0.036) 和速效钾含量 (P = 0.044) 是收获期土壤细菌群落结构变化的主要影响因子。

      • 为了探究不同施肥处理之间细菌群落组成差异的标志性物种类群,我们利用线性判别 (LDA) 效应大小分析 (LEfSe) 进一步鉴定了纲水平上细菌类群在不同施肥处理间和生育期间有显著差异的细菌类群。从图4A可以看出,在玉米抽丝期,共发现9个造成不同施肥处理间细菌群落差异的纲水平菌群类别。其中,CK处理2个,单施化肥处理2个,SN1处理1个,SN2处理2个,SN3处理2个。放线菌门未分类的MB-A2-108纲和未分类的Latescibacteria是CK与其他处理群落结构差异的关键生物标志;鞘脂杆菌纲 (Sphingobacteriia) 和梭菌纲 (Clostridia) 是单施化肥处理 (N) 的关键生物标志。而在收获期 (图4B),仅发现2个影响不同施肥模式细菌群落差异的关键类群,分别为SN1处理中γ-变形菌纲和SN3处理中未分类的JG37-AG-4。

        图  4  秸秆还田和不同氮肥管理下玉米抽丝期 (A)和收获期 (B) 土壤细菌纲水平关键菌群和影响群落差异的主要菌群 (C) 的线性判别效应分析 (LEfSe)

        Figure 4.  Key phylotypes of soil bacteria microbiota at silking (A) and harvesting (B) stage and the main bacteria microbiota causing the difference (C) under different nitrogen management with straw incorporation using linear discriminant analysis effect size (LEfSe) at class level

        不同生育期影响细菌群落差异的主要菌群类别如图4C,分析得到4个关键生物标志,玉米抽丝期1个,收获期3个。其中,芽单胞菌门中的芽单胞菌纲和未分类的BD2-11-terrestrial-group是显著影响收获期土壤细菌群落变化的关键类群,而酸杆菌纲是抽丝期土壤微生物群落变化的关键类群。

      • 秸秆还田条件下合理的氮肥管理是实现秸秆资源高效利用和作物高产的关键措施[21]。本研究结果显示,秸秆还田下氮肥基追比例1∶1时能够显著提高潮土玉米产量和氮肥利用率,而氮肥基追比例1∶1.5和1∶2时效果不明显,表明秸秆还田下氮肥适当前移有利于作物生长和养分吸收。在水稻–油菜和水稻–小麦轮作体系下,张维乐等[22]同样发现,秸秆还田条件下两种水旱轮作模式均可以通过调整氮肥前移以保证作物稳产并提高氮肥利用率。研究表明,秸秆还田条件下提高基肥比例,可以降低作物生长前期土壤C/N,缓解前期微生物因分解秸秆与作物争氮,促进秸秆的腐解,有利于秸秆养分逐渐释放,为作物后期生长提供养分,进而提高作物产量[23]。这里需要指出的是,氮肥前移,增加基肥比例并不意味着过分强调秸秆还田下作物前期基肥用量。王蔚华等[24]研究结果表明,当氮肥基肥比例达到4∶1时,由于前期氮肥用量占到全部的80%,导致作物生长后期缺肥和产量下降,而氮肥基追比例为1∶1时,前期氮肥供应满足作物生长,后期氮肥供应可延缓叶片衰老,增加粒重,提高产量,这与本研究结果一致。

        我们的研究结果表明,单施化肥条件下,氮肥的当季利用率在36%左右,而氮肥与秸秆配合施用后,不仅有利于秸秆分解矿化,增加土壤养分含量,而且氮肥当季利用率也提高至40%~45%,以氮肥基追比例1:1时最佳。这主要是因为,大量秸秆还田刺激了土壤微生物生长,诱导微生物前期大量固持氮[25],而到作物生长中后期,土壤微生物群落演替,被微生物固持的氮素得以释放,维持了土壤较高的矿质氮含量[26];此外,我们前期的研究表明,秸秆分解残余物具有吸肥保肥特性,这也有效地防止了氮肥损失 (数据暂未发表)。本研究中收获期土壤硝态氮含量高于抽丝期也证实了这一点。与此同时,秸秆还田显著增加土壤有机质含量,并抑制了单施化肥所引起的土壤酸化现象,改善了土壤肥力,这与前人[14, 27-28]的结论一致。韩明明[29]、李录久等[30]研究表明,秸秆还田可以显著提高土壤pH和有机质含量,而秸秆还田下不同的氮肥管理方式对土壤的基础理化性质影响并不显著,与本研究结果相似。在本试验中,虽然秸秆还田下不同氮肥管理方式的土壤基础理化性质差异并不显著,但是相比于单施化肥处理,在玉米抽丝期和成熟期中均以SN1处理下的土壤全氮、硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量提升幅度最大。因此,化肥与秸秆配合施用,并适当氮肥前移是培肥潮土、提高玉米产量和肥料利用率的有效途径之一。

      • 农业生态系统中土壤酶活性和微生物多样性是保持农田土壤质量、生产力和生态平衡的关键[31-32]。其中,酶是土壤中有机质分解和养分转化的催化剂[33]。通过8种与土壤碳、氮、磷循环相关的酶活性分析发现,无论是玉米抽丝期和收获期,相比于单施化肥处理,秸秆还田配合施用化肥处理显著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性,这些酶主要参与纤维素、半纤维素和淀粉分解,这一结果与前人研究结果[34-35]类似。当大量的有机物料 (秸秆) 和化肥施入土壤后,为土壤中相关微生物提供了丰富的能量原料,增强了它们新陈代谢功能,因此,相关的土壤酶活性得到显著提升,从而促进秸秆的矿化和养分释放。本研究中,SN1处理相比于SN2和SN3处理拥有较高的基肥比例,在抽丝期,土壤中与纤维素分解相关的β-葡萄糖苷酶和纤维二糖苷酶活性表现为SN1 > SN2 > SN3的趋势,与木质素分解相关的酚氧化酶和过氧化物酶也有类似的趋势。Guo等[5]也发现,作物生长发育前期充足的氮肥投入可以增强与秸秆腐解相关的β-葡萄糖苷酶、纤维二糖苷酶和木糖甘酶的活性,加速秸秆的腐解,促进秸秆养分的释放;姚如男等[36]同样发现,土壤有机质含量和土壤酶活性随着基蘖肥比例的增加而增大。上述结果表明,秸秆还田条件下氮肥前移可以通过提高土壤酶活性加速秸秆分解,促进养分释放,减缓因大量秸秆还田对作物生长带来的不利影响。

        土壤酶主要来源于微生物。尽管我们没有发现不同氮肥运筹处理对细菌群落丰富度产生显著影响,但是在玉米抽丝期,SN1处理相比于单施化肥处理显著提高了细菌群落的多样性,这可能是由于SN1处理基肥施入比例较大,刺激了某些富营养型细菌所导致,在玉米收获期则无显著变化,表明在玉米生长后期,氮肥对土壤微生物的影响减弱。不施用秸秆条件下,5年连续单施化肥,使得土壤多样性指数显著降低。长期单施化肥降低土壤细菌群落的丰富度和多样性已被Zhou等[37]证实。我们的试验结果表明,秸秆还田配合氮肥施用,尤其是氮肥前移管理,能够维持土壤细菌多样性,防止土壤微生物群落结构和功能退化[14]

        从细菌群落结构来看,抽丝期单施化肥处理 (N) 与秸秆还田配施氮肥的3个处理 (SN1、SN2和SN3) 土壤微生物群落结构有显著差异,而收获期这种差异消失,这进一步表明了秸秆与氮肥的相互作用及对土壤微生物的影响主要是发生在秸秆分解前期。从细菌组成来看,华北平原潮土优势细菌类群为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和芽单胞菌门。这与前人[38-39]研究结果基本一致,尤其是α-变形菌纲在秸秆还田处理土壤中都具有最高的比例。许多研究发现变形菌门包含多种代谢种类,并且广泛参与了土壤中碳、氮等多种元素的生物化学循环[40-41]。并且Zhou等[42]研究发现α-变形菌与土壤有机碳含量呈显著正相关。通过LEfSe分析,我们找到了9个造成玉米抽丝期不同施肥处理间细菌群落差异的关键细菌类群。其中在秸秆还田下氮肥基追比例1∶1的处理,未分类的Saccharibacteria在玉米抽丝期土壤细菌群落变异中起到关键作用。最近的研究表明,该类微生物在自然界大量存在,并在有机化合物和糖类化合物分解转化中发挥重要作用[43];同时,该类微生物在植物—微生物互作中参与碳素转化过程[44]。由于该类微生物在自然界中的功能目前并不明确,因此还需进一步研究它们在秸秆分解过程中的作用与机理。

      • 土壤pH、有机质、硝态氮和速效钾含量是影响细菌群落结构变化的主要因素。秸秆还田下,氮肥基追比例1∶1时能够显著增强与碳分解相关的土壤酶活性,提高细菌群落多样性和丰富度,促进秸秆的腐解和有机质含量的提升,发挥有机质调节土壤养分释放、减少养分损失的作用,提高夏玉米产量和氮肥利用效率。

    参考文献 (44)

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