长期单施化肥和有机无机配合条件下红壤蔗区土壤生物学性状及细菌多样性差异

【目的】分析红壤区长期施肥的蔗区土壤生物学性状和细菌多样性,旨在提出提升红壤蔗区土壤肥力与健康的施肥方案。【方法】试验从1995年开始,于广西来宾市蒙村镇那洪村甘蔗长期试验站进行。试验设置不施肥(CK)、 长期单一施用化肥(NPK)和长期化肥配施有机肥(NPKM)3个处理。采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)以及稀释平板法等传统和现代分析技术,比较分析了3种长期不同施肥处理对蔗区土壤生物学指标、 细菌多样性等指示土壤肥力与健康状况指标的影响。【结果】施肥处理导致甘蔗产区土壤pH下降,NPK处理下降幅度大于NPKM处理。土壤中可培养微生物数量(细菌、 真菌和放线菌)均以NPKM处理为最高,NPK处理真菌数量显著高于CK,放线菌数量却显著低于CK土壤,细菌数量两者间无显著差异。微生物量碳、 氮以及涉及碳、 氮、 磷循环的土壤酶活性均以NPKM处理土壤为最高,与NPK和CK土壤差异显著。NPK处理土壤中β-葡糖苷酶活性以及微生物量碳高于CK土壤,但蛋白酶、 磷酸酶活性以及微生物量氮显著低于CK土壤。NPKM处理土壤中细菌多样性指数(H)、 丰富度(S)以及均匀度(EH)指数等同样表征土壤肥力与质量的敏感指标均高于NPK和CK土壤。【结论】长期施肥可不同程度地导致红壤蔗区土壤pH下降,长期单一施用化肥处理下降幅度高于化肥与有机肥配施处理。长期单一施用化肥加剧了土壤肥力下降与质量劣化,化肥配施有机肥是减缓红壤甘蔗产区土壤pH下降、 提升土壤肥力和保持土壤健康的有效措施。     

长期不同施肥条件下红壤性水稻土微生物群落结构的变化

以位于江西省红壤研究所内长期定位试验的水稻土(始于1981年)为研究对象,运用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)和BIOLOG分析技术研究了不施肥(CK)、单施化肥(NPK)及有机肥与化肥混施(NPKM)三种施肥方式对土壤微生物群落结构的影响。结果表明:长期施化肥和有机肥与化肥混施处理的PLFA总量均高于未施肥处理,两者分别较未施肥处理高91%和309%;PLFA主成分分析(PCA)显示施肥促进了土壤微生物群落结构的变化,其中NPKM处理增加了革兰氏阴性细菌(G-细菌)、真菌、放线菌和原生动物的数量,NPK处理增加了革兰氏阳性细菌(G+细菌)的数量,不施肥处理较施肥处理提高了真菌/细菌比例,CK和NPK处理的微生物群落结构更为相似;各施肥处理间土壤的AWCD值(平均每孔颜色变化率,average well color development,AWCD)表明,NPKM处理能够促进土壤微生物群落对碳源的利用能力,进而增加土壤中微生物的整体活性,而NPK处理减弱了土壤微生物的活性。代谢功能多样性分析同时表明,NPKM处理增加了微生物群落的多样性,而NPK处理使土壤微生物的多样性降低;土壤PLFA与土壤养分的相关性分析显示,土壤总PLFA量与土壤有机质和全氮呈极显著相关(p0.01),与速效养分相关性不大。     

不同施肥年限对红壤细菌多样性及群落结构演替的影响

为探讨不同年限施肥处理对旱地红壤细菌多样性和群落结构演替的影响,基于中国科学院红壤生态实验站设置的不同秸秆还田方式长期定位试验,采集种植玉米后第1年(Y2011)、第3年(Y2013)和第7年(Y2017)的土样进行分析。试验处理分为不施肥(CK)、化肥(N)和化肥+秸秆猪粪配施(NSM)3个处理,通过高通量测序技术研究旱地红壤细菌多样性和群落结构差异。结果表明:(1)施肥处理显著提高了土壤有机碳、全氮、全磷和有效磷养分含量,NSM处理对土壤肥力的提升效果比N处理好,且随着施肥年限的延长,提升效果越显著;(2)与Y2011相比,Y2013和Y2017下CK、N和NSM处理的细菌α多样性均显著提高,且N和NSM处理细菌多样性显著高于CK处理;(3)主坐标分析和聚类分析表明,土壤细菌群落主要通过施肥年限聚类在一起,但同一施肥年限下不同施肥处理之间细菌群落结构没有显著差异;(4)土壤全磷是驱动细菌多样性和群落结构变异的最关键因子。本研究从细菌多样性增加的角度,为探索有机培肥下红壤肥力提升和生态系统健康管护提供了科学依据。     

长期无机有机肥配施对红壤性水稻土微生物群落多样性及酶活性的影响

【目的】长期有机与无机肥配合施用是促进农田生产力和土壤有机碳固定的重要技术途径。本文以江西省红壤研究所长期不同施肥试验田的表土(0—15 cm)为对象,探讨不同施肥措施对土壤微生物群落多样性和酶活性的影响。【方法】在水稻收获后,采集表土壤样品,提取土壤总DNA。采用聚合酶链反应结合变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)的方法研究土壤微生物的群落结构多样性,并结合克隆测序研究土壤微生物的群落组成;用实时荧光定量PCR(q PCR)的方法研究土壤微生物的丰度。土壤细菌定量和群落结构分析的分子标靶基因分别为16S rRNA基因V3区和V6区片段,土壤真菌定量和群落结构分析的标靶基因均为18S rRNA基因。DGGE分析采用8%的聚丙烯酰胺凝胶分离细菌和真菌,所用变性梯度分别为35%65%和20%40%。同时采用荧光微孔板检测技术测定土壤几丁质酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶、酸性磷酸单脂酶和木聚糖酶活性;用紫外分光光度计法测定土壤过氧化物酶活性。【结果】PCR-DGGE分析表明,与不施肥对照(CK)相比,有机无机肥配施(NPKM),土壤细菌的香农指数和丰富度指数显著增大,而土壤真菌的香农指数和丰富度指数在不同施肥处理间无显著差异。DGGE图谱聚类分析显示,NPKM处理的土壤细菌和真菌的群落结构显著区别于其他3个处理。后续的切胶测序得出,土壤细菌分属于Chloroflexi(绿弯菌门),Proteobacteria(变形菌门)和Firmicutes(厚壁菌门);NPKM处理下隶属于Clostridum(梭菌属)和Anaerolineaceae(厌氧绳菌科)的两类细菌显著增加。土壤真菌主要分属于Basidiomycota(担子菌门)和Ascomycota(子囊菌门),这些真菌条带在DGGE图谱上的分布不同处理间均无明显的规律性,因而不同处理间真菌的群落分布未出现较清晰的变化。q PCR的结果显示,土壤细菌和真菌拷贝数在不同处理间无显著差异。土壤酶的检测结果表明,与CK相比,单施氮肥(N)处理的土壤几丁质酶活性显著提高,常规氮磷钾处理(NPK)处理的几丁质酶和α-葡萄糖苷酶活性显著增强,NPKM处理提高了土壤几丁质酶、纤维素酶和过氧化物酶活性;酸性磷酸单酯酶和木聚糖酶活性在各处理间无显著差异。归一化酶活性值,NPKM处理显著高于CK和其他施肥处理。【结论】长期有机无机肥配施可显著提高土壤细菌多样性,并改变土壤细菌和真菌的群落结构,提高土壤酶活性,因而提高了农田生态系统的生产力并对生态系统健康有改善作用。     

基于红壤稻田肥力与相对产量关系的水稻生产力评估

【目的】 土壤肥力是水稻产量提升的基础,研究土壤肥力质量指数与水稻产量的量化关系可以为稻田土壤培肥和产量提升提供理论参考。 【方法】 本研究基于位于江西省南昌市进贤县的红壤稻田长期肥料定位试验和县域尺度样点调研,长期试验包括不施肥 (CK)、单施氮肥 (N)、单施磷肥 (P)、单施钾肥 (K)、氮磷肥配施 (NP)、氮钾肥配施 (NK)、氮磷钾肥配施 (NPK)、2倍氮磷钾肥配施 (2NPK) 和有机无机肥配施 (NPKM) 处理,收集1981年、1985年、1989年、1995年、2002年、2005年、2012年和2017年的土壤pH、有机质、有效磷、速效钾和水稻产量;并于2017年在进贤县布置了58个代表性点位,获取土壤pH、有机质、有效磷、速效钾和晚稻产量数据。采用Fuzzy方法对长期试验不同施肥处理的土壤肥力质量指数进行计算,构建和验证土壤肥力质量指数与水稻相对产量的量化关系,并在进贤县进行了验证。 【结果】 在红壤性双季稻田,不同施肥处理显著影响水稻产量和土壤肥力质量指数,与CK处理相比,NPKM、2NPK和NPK处理的年平均产量分别增加了71.6%、59.1% 和36.5%;土壤肥力质量指数分别增加了64.1%、47.3% 和27.7%,且NPKM处理的水稻产量和土壤肥力质量指数分别比NPK处理增加了25.6% 和28.5%;同时,NP和NK处理的水稻产量和土壤肥力质量指数也显著低于NPKM处理,而N、P和K处理的水稻产量和土壤肥力质量指数则与CK没有显著差异。线性拟合方程发现,红壤稻田的土壤肥力质量指数增加0.1个单位,水稻相对产量增加7.2%～22.6%。县域尺度的验证结果表明,基于土壤肥力质量指数预测的水稻相对产量与实际相对产量高度吻合 (R2 = 0.5268,P < 0.01,RRMSE < 25%),表明基于土壤肥力质量指数可较准确地评估该区域的水稻生产能力。 【结论】 在红壤稻田上,化肥配施有机肥是提升土壤肥力质量和水稻产量的关键技术途径,且利用土壤肥力质量指数与水稻相对产量的量化关系可以指导该地区的土壤培肥管理和生产力评估。      

长期施肥对宁夏灌淤土土壤微生物多样性的影响

灌淤土是含有大量泥沙的黄河水流经长期灌溉而形成,其在宁夏土类中占有一定的比例。为了阐明长期施肥对灌淤土土壤微生物的影响,以宁夏灌淤土土壤肥力监测基地为试验平台,采用平板稀释法和Biolog微生物鉴定系统研究了长期施肥条件下土壤微生物特征的变化。结果表明:长期NP、NK、PK、NPK施肥处理显著降低了土壤细菌数量和土壤微生物总数,细菌数量降低达50%以上。M和1.5NPKM处理增加了土壤放线菌数量,增加的幅度达95%左右,单施氮肥处理显著降低了土壤放线菌数量。NPK和NPKM处理提高了土壤微生物群落对羧酸类、碳水化合物类和酚类碳源的代谢活性,1.5NPKM处理提高了微生物群落对胺类碳源的代谢活性,说明长期的NPK及NPK配合施用有利于土壤微生物活性的提高。施肥处理均不同程度地提高了土壤微生物群落的SHANNON多样性指数但降低了均匀度指数。     

长期施肥下红壤旱地解钾菌变化及其驱动因子

在南方红壤区,研究长期施肥下土壤解钾菌的变化规律及其驱动因素,可为该地区土壤钾素资源管理和钾肥合理施用提供理论依据。基于红壤旱地长期定位施肥试验(始于1986年),选取不施肥(CK)、施氮磷肥(NP)、氮磷钾肥(NPK)和氮磷钾肥配施有机肥(NPKM)处理,分析玉米开花期根际土壤的解钾菌类型和解钾能力及其有机酸和激素含量,并结合玉米根系特性和根际土壤理化性质探讨影响红壤旱地解钾菌变化的关键因子。结果表明:与NPK处理相比,NPKM处理的根长、根表面积、根直径和根体积分别增加了112.3%、174.4%、32.43%和291.5%,根际土壤pH提高了0.67个单位,有机质、非交换性钾和交换性钾分别增加了29.50%、19.34%和53.89%。各施肥处理根际土壤中均存在解钾菌,CK和NP处理的解钾菌均为类芽孢杆菌属,NPK和NPKM处理则均为纤维菌属。与CK处理相比,NP、NPK和NPKM处理下根际土壤解钾菌的解钾效率分别增加了162.4%、139.0%和105.6%,其中NP处理解钾菌的解钾效率最高。偏最小二乘路径模型的结果显示,根系和施肥可同时调控解钾菌的解钾效率。冗余分析(RDA)进一步表明,根系长度和表面积与土壤解钾菌特性呈显著正相关关系(P0.05)。因此,红壤旱地长期不同施肥措施不仅直接影响玉米根系发育特征和根际土壤理化性质,还能显著改变土壤解钾菌群落及其解钾能力,其中根系长度和表面积是调控玉米根际土壤中解钾菌的关键因子。     

长期不同施肥对黄泥田土壤酶活性和微生物的影响

以农业部耕地保育福建观测实验站的长期肥料试验为平台,研究了长期不同施肥对黄泥田土壤酶活性和微生物的影响。结果表明:与不施肥(CK)相比,单施NPK(NPK)、NPK配施牛粪(NPKM)及NPK配施秸秆(NPKS)的土壤酶活性均有不同程度的提高,其中NPKM可显著提高转化酶活性,NPKS可显著提高脲酶活性。施肥均不同程度地提高了土壤细菌、真菌及放线菌的数量,尤其是放线菌数量,提高幅度均达到显著性水平;NPKS可显著提高土壤细菌数量,NPKM可显著提高土壤真菌数量。施肥均会对真菌群落产生重要影响;单施化肥对土壤细菌群落的影响不大,增施有机物料会对细菌群落产生明显影响;施用牛粪会对放线菌优势群落产生影响。以上结果表明,有机无机配施更有利于提高土壤酶活性和土壤微生物数量,提升土壤生物肥力。     

稻田土壤厌氧氨氧化菌群落结构对长期不同施肥的响应

研究长期不同施肥稻田土壤厌氧氨氧化微生物丰度和群落结构组成,深入认识稻田厌氧氨氧化菌对不同施肥的响应机理,可为合理施肥和理解湿地生态系统厌氧氨氧化过程提供科学依据。设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、无机肥配施牛粪(NPKM)、无机肥加秸秆还田(NPKS)四个处理,采用荧光定量PCR和高通量测序对不同施肥模式下水稻土厌氧氨氧化细菌丰度和群落结构进行分析。结果发现,不同处理之间厌氧氨氧化细菌丰度具有显著差异(p0.05),表现为NPKMNPKSNPKCK,且与有机质、全氮和铵态氮含量具有显著相关性(p0.05)。高通量测序结果表明,不同施肥处理主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia、Candidatus Anammoxoglobus和Candidatus Scalindua,其中优势种群为Candidatus Brocadia。菌群的多样性分析表明,CK和NPKS处理的厌氧氨氧化菌群落结构多样性香农指数(Shannon index)、辛普森指数(Simpson index)和丰富度指数(Chao 1 index)显著高于NPKM和NPK处理(p0.05)。上述结果表明,长期施肥改变了厌氧氨氧化菌的数量和群落结构。有机无机肥配施更有利于提高厌氧氨氧化菌丰度。然而,不同施肥措施对厌氧氨氧化菌的多样性影响不同,无机肥加秸秆还田提高了厌氧氨氧化菌多样性,但单施无机肥和无机肥配牛粪降低了厌氧氨氧化菌多样性。厌氧氨氧化菌的数量和群落结构对不同施肥的响应不同。     

红壤旱地玉米开花期土壤酶活性对长期施肥的响应

【目的】 长期施肥条件下,土壤酶活性与土壤养分周转和作物生长密切相关,因此,研究驱动土壤速效氮磷钾养分和作物养分吸收的关键土壤酶活性因子十分重要。 【方法】 基于始于1986年的红壤旱地长期施肥定位试验,于试验进行31年时的早玉米开花期 (2017年6月18日) 采集不施肥 (CK)、氮磷钾化肥 (NPK)、两倍氮磷钾化肥 (2NPK)、氮磷钾化肥配施有机肥 (NPKM)、单施有机肥 (OM) 5个处理的土壤样品,分析土壤蔗糖转化酶 (INV)、脱氢酶 (DEH)、纤维素酶 (CEL)、脲酶 (UR)、多酚氧化物酶 (PHOX)、酸性磷酸酶 (ACP) 和β-葡萄糖苷酶 (BG) 的变化规律,并利用冗余分析 (RDA) 探讨了驱动红壤旱地速效养分和玉米氮磷钾含量的关键土壤酶活性因子。 【结果】 与CK处理相比,施肥可以显著增加红壤旱地的土壤酶活性,且以NPKM处理的土壤酶活性最高。NPKM处理下INV、DEH、UR、PHOX、ACP和BG活性分别比OM处理增加了13.7%、13.5%、10.6%、10.5%、5.6%和13.4%,比2NPK处理增加了32.4%、112.2%、22.8%、33.3%、27.6%和50.4%。但是,在氮磷钾化肥用量之间,呈现出2NPK处理的CEL和UR活性显著高于NPK处理 (增幅为26.0%和50.6%),而INV、DEH、PHOX、ACP和BG均无显著差异。土壤pH、有机碳、速效氮磷钾和植株氮磷钾含量也呈现出NPKM处理显著高于其他处理的规律。RDA结果表明,INV、CEL和UR是影响土壤速效氮磷钾和植株养分含量的关键酶活性因子 (R2 > 0.90, P < 0.001)。 【结论】 在红壤旱地上,玉米开花期土壤酶活性对不同施肥处理的响应规律不同,其中有机无机肥配施更有利于提高土壤酶活性,且纤维素酶和脲酶活性对氮磷钾化肥用量改变的响应比较敏感。土壤蔗糖转化酶、纤维素酶和脲酶可以作为关键酶活性因子表征玉米开花期红壤旱地的养分周转和迁移。      

长期不同施肥处理红壤旱地剖面养分分布差异

【目的】 研究长期不同施肥措施下红壤旱地的培肥效果、养分迁移特征以及环境风险,对制定红壤旱地合理的养分管理和培肥技术,促进畜禽粪便的循环利用具有重要意义。 【方法】 依托始于1986年的红壤旱地肥料定位试验,选取不施肥 (CK)、氮磷钾肥配施 (NPK)、2倍氮磷钾肥配施 (2NPK)、有机肥 (OM) 和有机肥和氮磷钾肥配施 (NPKM) 5个处理,采集0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm土壤样品,分析了pH值、有机质及氮磷钾养分含量。 【结果】 连续施肥28年后,红壤旱地土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾等含量均随着土壤深度增加逐步降低。与对照相比,施用有机肥显著提高了0—40 cm土壤的pH值,其余处理pH有所下降。长期施用化肥后,红壤旱地土壤有效磷、全磷、碱解氮和全氮在0—20 cm耕层累积,土壤速效钾的累积则达到40 cm深;与化肥处理相比,有机肥和有机无机肥配施处理0—40 cm土壤的全氮、碱解氮、速效钾、有效磷和全磷的含量显著增加,土壤全氮和碱解氮的下移累积达到40 cm,而土壤全磷和有效磷的下移累积则达到了60 cm。红壤旱地长期施用猪粪等有机肥主要增加了0—40 cm耕层土壤的磷素累积,而在剖面80 cm以下未表现出明显累积现象。 【结论】 长期施用化肥 (28年)处理养分主要在0—20 cm红壤旱地耕层土壤累积,而长期施用有机肥或有机无机肥配施还可以明显提高20—40 cm土壤养分含量,养分下移累积作用明显。此外,红壤旱地长期施用有机肥可以缓解耕层土壤的酸化、提高耕层土壤肥力水平,是增加培肥深度的有效措施,但是长期施用猪粪导致的氮磷下渗深度增加可能引起的环境风险也应引起重视。      

长期施肥对氨氧化古菌丰度及群落结构的影响

【目的】氨氧化古菌对土壤氮素转化有着重要的作用。本研究以长期定位施肥黄泥田土壤为研究对象探讨了长期不同施肥模式对土壤氨氧化古菌数量和多样性的影响,为制定合理的施肥制度提供理论基础。【方法】试验在福建省农科院试验站上进行,以30年长期定位施肥的红壤性水稻土为研究对象采用荧光定量PCR和克隆文库技术,研究了长期不同施肥模式对氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)丰度及群落结构的影响。试验设4个处理:1)不施肥(CK);2)单施氮磷钾肥(NPK);3)氮磷钾肥配施牛粪(NPKM);4)氮磷钾肥配施秸秆(NPKS)。小区面积为12 m~2每个处理设3个重复。土样采集时间为2012年10月份(水稻收获后),测定土壤养分和氨氧化古菌的数量及多样性。【结果】1)与CK相比,NPKM和NPKS处理显著增加了土壤有机质含量,NPKM和NPKS处理之间无显著差异。2)与CK相比施肥均能提高土壤全氮含量;NPKM和NPKS处理能够显著提高土壤全磷含量,NPKM处理全磷含量最高;仅NPKS处理能显著增加全钾含量。3)与CK相比,长期施肥均能提高土壤有效氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的含量,并且NPKM处理AN和AP含量最高,NPKS处理中AK含量最高。4)与CK相比,长期施肥均对土壤pH值无显著影响。5)与CK处理相比,NPKM和NPKS处理的amoA基因拷贝数显著增加增加幅度分别为168.4%和95.7%;单施化肥处理与CK无显著差异。土壤氨氧化古菌数量与土壤有机质含量呈显著正相关,与土壤全磷、有效氮、速效磷和速效钾含量呈极显著正相关。6)长期不同施肥处理影响土壤氨氧化古菌的种群结构,单施化肥增加了土壤AOA的多样性,而化肥配施有机肥则降低了AOA的多样性。7)本试验中得到的土壤氨氧化古菌amoA基因序列均为不可培养的古菌,包括泉古菌(Crenarchaeote)和奇古菌(Thaumarchaeote)。本试验所得氨氧化古菌绝大多数与来自土壤、沉积物的amoA基因克隆非常相似,少数与水体环境相似。【结论】不同培肥模式下,土壤中氨氧化古菌均为不可培养的古菌,包括泉古菌(Crenarchaeota)和奇古菌(Thaumarchaeota),然而水稻土壤养分和氨氧化古菌丰度及群落结构变化显著。单施化肥的作用不明显,有机无机肥配施有利于土壤有机质和养分的积累以及氨氧化古菌的生长增加了氨氧化古菌优势菌群的比例。     

不同施肥制度下我国东部典型土壤易分解与耐分解碳的组分特征

【目的】土壤易分解碳库(labile organic carbon,Lab-C)和耐分解碳库(recalcitrant organic carbon,Rec-C)是土壤有机质的重要组分,其组分大小与比例可反映土壤有机碳的周转与固存特性。因此,研究长期不同施肥制度下土壤易分解碳库与耐分解碳库的大小与比例,对土壤养分管理及肥力培育具有重要的意义。【方法】利用我国东部23年长期不同施肥制度下的黑土、潮土、红壤和32年水稻土共四类土壤的典型土样为代表,以不施肥(CK)、施化肥(NPK)、化肥配施秸秆(NPKS)和化肥配施有机肥(NPKM)4个处理土壤,采用颗粒密度相结合的方法,将土壤有机碳分为易分解碳和耐分解碳2个组分,分析了其不同组分碳含量及比例的变化特征。【结果】土壤经该方法分组后,四种土壤的平均质量回收率和碳回收率均超过95%,是一种测定土壤易分解碳和耐分解碳的可行方法。旱作土壤(黑土、潮土和红壤)易分解碳的平均含量为1.91 g/kg低于水田的2.42 g/kg,而易分解碳占总有机碳的平均比例为15.4%,高于水田的9.9%。NPKM处理下,黑土、潮土和红壤易分解碳含量显著高于NPKS、NPK及CK处理(P0.05),较NPK处理增加的比例分别为98.4%、43.7%和71.2%,同时提高了易分解碳占总有机碳的比例,但无显著差异性;NPK和NPKS处理下黑土与潮土易分解碳的含量较不施肥无显著变化,而红壤易分解碳含量较不施肥显著降低(P0.05),降低的比例分别为33.1%和29.6%;水稻土4个处理间易分解碳的含量及其占全碳的比例无显著差异性。四类土壤耐分解碳的含量与总有机碳含量的变化一致,均表现为NPKMNPKSNPKCK。NPKM处理下,四种土壤耐分解碳含量显著增加(P0.05),黑土、潮土、红壤和水稻土较NPK处理增加的比例分别为68.8%、42.7%、17.6%和17.2%,同时耐分解碳占全碳的比例降低;NPKS处理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量较NPK处理也增加,对应增加的比例分别为10.9%、15.1%和18.0%。同时,易分解碳和耐分解碳的含量与土壤总有机碳含量之间有极显著的正相关关系。【结论】旱作土壤易分解碳含量比水田土壤更易受不同施肥处理的影响,有机无机配施(NPKM与NPKS)可提高旱作与水田土壤易分解碳与耐分解碳的含量,同时相对提高了易分解碳占全碳的比例,且NPKM处理的效果优于NPKS处理,更优于化肥处理。     

长期施肥对黄棕壤细菌多样性的影响

  【目的】   基于武汉黄棕壤长期定位试验 (1981—2016年),探究不同施肥措施下土壤肥力演变和土壤微生物多样性变化,为黄棕壤培肥以及农业绿色可持续发展提供依据。   【方法】   本研究采用Illumina MiSeq高通量测序技术和偏最小二乘路径模型 (PLS-PM) 综合分析了不施肥 (CK)、氮磷钾 (NPK)、常量有机肥 (OM)、氮磷钾+常量有机肥 (NPK+OM) 和氮磷钾+高量有机肥 (NPK+OMM) 5种不同施肥方式对黄棕壤理化性质、细菌多样性的影响及其与产量的关系。   【结果】   1) 与CK相比,施有机肥处理显著增加了土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机碳含量,而NPK处理只显著增加了土壤有机碳含量。NPK+OMM处理的土壤有效磷和速效钾含量显著高于OM和NPK+OM处理,3个有机肥处理间的碱解氮、有机碳含量差异不显著。4个施肥处理均显著提高了水稻产量,但处理间差异不显著。2) OM处理土壤微生物多样性最高,而高量粪肥投入的NPK+OMM处理,细菌多样性有下降的趋势,但各施肥处理间细菌多样性差异不显著。3) 长期不同施肥方式影响土壤细菌群落结构,其中NPK+OM和NPK+OMM处理细菌群落结构更接近。OM处理提高了变形菌纲和放线菌纲的相对丰度,降低了绿弯菌纲和硝化螺旋菌纲的相对丰度。NPK处理降低了放线菌纲和硝化螺旋菌纲相对丰度,提高了酸杆菌纲相对丰度。与NPK+OM处理比较,NPK+OMM处理降低了放线菌纲和α-变形菌纲相对丰度,提高了厌氧绳菌纲、绿弯菌纲和硝化螺旋菌纲相对丰度。4) PLS-PM显示土壤有机碳 (SOC)、碱解氮、有效磷和速效钾对细菌群落结构表现出正调控 (路径系数 = 0.36),而pH表现负调控 (路径系数 = ?0.48);但是对细菌多样性的影响都较小;影响产量的理化指标主要是SOC、碱解氮和有效磷。土壤细菌多样性对产量显示正调控 (路径系数 = 0.42)。   【结论】   土壤有机碳 (SOC) 和碱解氮、有效磷、速效钾含量对细菌群落结构有正调控作用,而pH有负调控作用。与NPK处理相比,长期施用常量有机肥 (OM) 处理提高了细菌多样性和水稻产量,而高量有机肥配施氮磷钾肥 (NPK+OMM) 会导致细菌多样性和产量降低。     

秸秆还田方式对根际固氮菌群落及花生产量的影响

  【目的】  固氮微生物是土壤中重要的功能微生物,其多样性和群落组成变化能够影响土壤氮素固定与氮循环过程,探究不同秸秆还田方式对根际土壤固氮菌多样性和群落组成的影响机制具有重要意义。  【方法】  基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站花生单作系统不同秸秆还田长期定位试验,设置不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、NPK肥+秸秆还田(NPKS)、NPK肥+秸秆猪粪配施(NPKSM)和NPK肥+秸秆生物炭(NPKB) 5个处理,利用高通量测序技术,分析不同秸秆还田方式下根际固氮菌多样性和群落组成的变化特征。  【结果】  秸秆还田处理下土壤有机碳(SOC)、速效钾、全磷、有效磷、全氮含量提升,其中以NPK肥+秸秆猪粪配施(NPKSM)处理效果最佳。秸秆还田增加了固氮微生物多样性,并显著改变其群落组成,在纲水平上固氮菌以α-变形菌纲(Alphaproteobacteria,82.5%)为优势类群;在属水平上以慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium,51.9%)为优势类群。土壤有效磷是影响固氮菌多样性指数的主要因素,而土壤pH、SOC、速效钾、全磷、有效磷、全氮和铵态氮是影响固氮菌群落组成的主要因素。结构等式方程研究结果表明土壤有效磷和全氮通过改变δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的相对丰度和固氮菌群落组成间接影响花生产量。  【结论】  秸秆还田显著提升了土壤肥力,土壤有效磷是根际固氮菌多样性和群落组成改变、花生产量提高的重要驱动因素,通过提高Deltaproteobacteria的相对丰度促进了花生增产。本研究为建立合理的秸秆还田措施,增强生物固氮潜力以及提升红壤肥力与健康提供科学依据。     

我国典型农田长期施肥的氮肥真实利用率及其演变特征

【目的】传统氮肥利用率是指当季作物吸收肥料氮占施用的肥料氮的比例,没有反映肥料氮在土壤中的残留及其利用情况。利用长期定位试验能反映土壤氮库变化的优势,分析不同施肥条件下作物的传统氮肥利用率(氮肥表观利用率)和真实利用率,揭示我国典型区域氮肥的真实利用和损失状况。【方法】本研究选用了两种旱地土壤(北京褐潮土和郑州轻壤质潮土)和两种水旱轮作土壤(重庆紫色土和武汉黄棕壤)上的长期定位试验(15~31年)在4种施肥处理,即不施肥(CK)、单施化肥氮(N)、化肥氮磷钾配施(NPK)和化肥氮磷钾与有机肥配施(NPKM)处理取样分析比较作物吸氮量、土壤全氮演变、年均氮肥表观利用率与真实利用率,并计算了不同施肥条件下的氮肥表观损失率与真实损失率。【结果】3个施肥处理,褐潮土、轻壤质潮土、紫色土和黄棕壤上的平均氮肥真实利用率为47.6%、56.6%、57.0%和56.3%,显著高于氮肥表观利用率(33.6%、42.1%、37.8%和25.8%)。这是因为NPK和NPKM处理的肥料氮在土壤氮库中的每年速率积累为N 6.26~37.3 mg/kg的。氮肥真实利用率在褐潮土和轻壤质潮土上比表观利用率高10.9%~17.5%在紫色土和黄棕壤上高18.6%~32.9%,说明传统氮肥利用率更为低估水田轮作下作物的真实利用率。NPK和NPKM处理,褐潮土和轻壤质潮土的氮肥表观利用率以每年1.76~2.49个百分点的速率显著上升,氮肥真实利用率以每年1.50~2.29个百分点的速率显著上升,说明华北旱地上化肥均衡施用和化肥与有机肥配施可增加氮肥的利用率,减少氮肥的损失。黄棕壤上的氮肥真实利用率在显著增加而表观利用率没有显著增加,是由于NPK和NPKM处理的黄棕壤全氮含量以每年N17.5~37.3 mg/kg的速率在显著增加说明化肥均衡施用和化肥与有机肥配施可增加黄壤的氮库库容。【结论】目前我国农田氮肥利用率普遍被低估约20%尤其是在土壤全氮含量变化较大的水旱轮作农田。     

长期施肥红壤性稻田和旱地土壤有机碳积累差异

  【目的】  提高土壤有机碳水平对提升农田生产力有重要意义。基于长期定位施肥试验,比较施肥影响下相同成土母质发育的红壤性稻田和旱地土壤的总有机碳 (TOC) 及其组分的积累差异,以深入理解红壤有机碳的固持及稳定机制。  【方法】  稻田和旱地长期施肥试验分别始于1981和1986年,包含CK (不施肥对照)、NPK (施氮磷钾化肥) 和NPKM (有机无机肥配施) 3个处理,在2017年晚稻和晚玉米收获后,采集两个试验上述处理的耕层 (0—20 cm) 土样,通过硫酸水解法分离土壤活性与惰性有机碳,测定并计算土壤中TOC及其组分的含量及储量,并利用Jenny模型拟合试验期间耕层土壤TOC含量的变化动态,估算土壤固碳潜力。  【结果】  与CK相比,长期施肥可提高稻田和旱地土壤各有机碳组分的含量,且NPKM处理的效果优于NPK处理。相比于稻田土壤,施肥对旱地土壤各有机碳组分含量的提升更加明显。NPK和NPKM处理下,旱地土壤活性有机碳组分Ⅰ、活性有机碳组分Ⅱ、惰性有机碳含量的增幅分别是稻田土壤的2.7、2.7、5.8倍和2.0、1.4和2.5倍。不论施肥与否,稻田土壤TOC的固存量和固存潜力均显著高于旱地土壤。施肥促进土壤固碳,在稻田和旱地土壤上,NPKM处理的TOC固存量分别是NPK处理的1.7和25.5倍,TOC固存潜力则分别是NPK处理的1.4和5.8倍。长期不同施肥均显著提高稻田和旱地土壤年均碳投入量,线性拟合方程表明,随碳投入量增加,土壤活性有机碳储量的累积对稻田、旱地土壤TOC储量累积的贡献率分别达64.7%、44.6%。不同处理间稻田与旱地土壤活性有机碳 (包括活性有机碳组分Ⅰ与活性有机碳组分Ⅱ) 含量的差异可解释其TOC含量差异的52.9%～60.0%。  【结论】  与施氮磷钾化肥相比,有机无机肥配施可更好的促进土壤固碳,且在旱地土壤上的促进作用比在稻田土壤上更为明显。与稻田土壤相比,旱地土壤各有机碳组分含量的变化对长期施肥的响应更敏感,且在施氮磷钾化肥条件下表现更为明显。红壤性稻田和旱地土壤TOC积累的主要贡献组分分别为活性有机碳和惰性有机碳。红壤植稻虽有利于有机碳固持,但红壤性稻田土壤的活性碳占比较高,可能易因不当管理而发生损失。     

连续施用化肥及秸秆还田对潮土酶活性、细菌群落和分子生态网络的影响

  【目的】  采用高通量测序和分子生态网络分析技术,研究连续施用化肥及秸秆还田对细菌群落结构和种间互作关系的影响,为黄淮海潮土区秸秆资源化利用与土壤肥力提升提供理论依据。  【方法】  长期定位试验位于山东德州,始于2010年,土壤为典型潮土,为冬小麦–夏玉米轮作。2021年从不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)和秸秆还田配施化肥(NPKS) 3个处理小区采集土壤样品,分析土壤养分、酶活性、细菌群落等指标。  【结果】  与CK处理相比,NPK和NPKS处理pH均降低了0.06个单位,土壤有机质分别提升了23.19%和34.82%,细菌多样性分别降低了0.90%和0.91%,均匀度均显著降低了1.11%。与CK相比,NPK处理土壤中β-葡糖苷酶(β-GC)和碱性磷酸酶(ALP)分别显著升高47.91%和50.35%,NPKS处理β-GC、ALP和脱氢酶(DHA)活性分别升高78.31%、46.53%和50.91%。CK处理的优势菌群为寡营养型细菌(酸杆菌门和浮霉菌门)和固氮菌(生丝微菌科和伯克氏菌科),NPK处理的优势菌群为可降解顽固有机质的变形菌门(草酸杆菌科、红丹杆菌科和黄单胞菌科)、放线菌门和拟杆菌门;NPKS处理的优势菌群为具有纤维素降解能力的厚壁菌门(芽胞杆菌科)。网络分析发现,不同施肥处理优势菌群分属于不同网络模块,与土壤养分含量和酶活性呈显著相关关系,其中NPKS处理中富集的芽胞杆菌通过强烈的共生关系形成特定物种集群,并且与β-GC、ALP和DHA呈显著正相关关系。  【结论】  秸秆还田配施化肥有利于黄淮海潮土区土壤肥力的提升,并可通过调节细菌种间互作关系,优化细菌群落组成,提高土壤酶活性。