全 文 ：生物有机肥对板栗土壤微生物群落代谢活性的影响*
陈摇 琳1 摇 谷摇 洁2,3**摇 胡摇 婷2 摇 高摇 华2,3 摇 陈智学1 摇 秦清军2,3 摇 王小娟2
( 1西北农林科技大学理学院, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 3陕西省循环农业工程
技术研究中心, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 2011 年在陕西省柞水县下梁镇沙坪村板栗园,设置对照、施用复合肥和施用生物有
机肥 3 个处理,于板栗收获期采集土壤样品,并运用 Biolog 方法研究了生物有机肥对土壤微
生物群落代谢能力的影响. 结果表明: 生物有机肥处理的微生物群落碳源利用率(AWCD)、
Shannon均匀度、丰富度指数和 McIntosh指数均显著高于对照和复合肥处理;与对照相比,施
用生物有机肥处理的土壤微生物对糖类和多聚物类碳源的利用能力增强,而施用复合肥处理
对各类碳源的利用能力均较弱.主成分分析表明,不同施肥处理的土壤微生物群落明显不同,
起分异作用的碳源主要为糖类和氨基酸类.
关键词摇 板栗摇 生物有机肥摇 土地微生物群落摇 碳源利用率
文章编号摇 1001-9332(2013)06-1627-06摇 中图分类号摇 Q938. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of biological organic fertilizer on microbial community爷 s metabolic activity in a soil
planted with chestnut (Castanea mollissima) . CHEN Lin1, GU Jie2,3, HU Ting2, GAO Hua2,3,
CHEN Zhi鄄xue1, QIN Qing鄄jun2,3, WANG Xiao鄄juan2,3 ( 1College of Sciences, Northwest A&F Uni鄄
versity, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2College of Resources and Environment, Northwest A&F
University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3Shaanxi Research Center of Recycle Agricultural
Engineering and Technology, Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24
(6): 1627-1632.
Abstract: A field experiment was conducted in Zhashui County of Shaanxi Province, Northwest
China in 2011 to study the effects of biological organic fertilizer on the microbial community爷s meta鄄
bolic activity in a soil planted with chestnut (Castanea mollissima). Three treatments were in鄄
stalled, i. e. , control, compound fertilizer, and biological organic fertilizer. Soil samples were col鄄
lected at harvest, and the metabolic activity was tested by Biolog method. In the treatment of bio鄄
logical organic fertilizer, the average well color development, Shannon evenness, richness, and Mc鄄
Intosh indices of microbial community were all significantly higher than the other two treatments. As
compared with the control, applying biological organic fertilizer improved the ability of soil microbes
in utilizing the carbon sources of carbohydrates and polymers, while applying compound fertilizer
was in opposite. The principal component analysis demonstrated that there was an obvious difference
in the soil microbial community among different treatments, mainly depending on the species of car鄄
bohydrates and amino acids.
Key words: chestnut (Castanea mollissima); biological organic fertilizer; soil microbial communi鄄
ty; carbon source utilization rate (AWCD).
*国家自然科学基金项目(40871119,41171203)和农业部“948冶项
目(2010鄄Z20)资助.
**通讯作者. E鄄mail: gujoyer@ sina. com
2012鄄12鄄13 收稿,2013鄄04鄄08 接受.
摇 摇 板栗(Castanea mollissima)是我国主要经济林
木之一,素有木本粮食之称[1] . 我国板栗分布区域
广阔,北起 41毅20忆 N,南到 18毅30忆 N,河北迁西、陕西
镇安等皆为著名的板栗产区.板栗的果实营养丰富,
富含人体所必需的营养元素. 如何提高板栗的产量
和品质,一直是研究者们探讨的重要课题,其中合理
施肥是解决上述问题的重要手段.多年以来,由于我
国板栗栽培管理粗放,肥料使用不当,局部施肥存在
着较大的盲目性,致使其单位面积产值较低[2] . 我
国栗园土壤普遍存在有机质缺乏、土壤肥力不高的
现象.随着效益林业的实施和产业结构的调整,板栗
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 6 月摇 第 24 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2013,24(6): 1627-1632
林栽培的集约化程度越来越高,如长年施用复合肥、
连年清理林下杂草及枯落物,特别是常年施用除草
剂去除杂草等措施,造成板栗林土壤微生物生物量
碳、氮严重下降,生物学性质总体减退[3] .
目前,板栗的营养诊断标准与高效施肥方案是
板栗丰产优质栽培研究需要重点解决的问题[4] . 李
金柱等[5]研究表明,肥料用量较高时,板栗蛋白质
含量相对较高,而淀粉含量相对较低;增加肥料用量
能在一定程度上改善板栗品质. 吴碧英等[2]研制出
了板栗有机多元专用肥,能提高树木的抗性,减少病
虫危害和落果数量,提高果实质量和出籽率,同时还
能改善板栗果实的营养品质. 姜培坤等[6]研究表
明,增施绿肥后, 板栗林土壤微生物生物量碳显著
提高.盛卫星等[7]研究表明,长期超量施用复合肥
可能造成土壤氮库的耗竭,影响土壤氮库平衡;而复
合肥与有机肥配合施用,有利于提高土壤供氮潜力
和维持土壤中氮的平衡.
生物有机肥兼具微生物肥料和有机肥效应,已
逐渐成为相关研究的重点. Biolog 方法是基于微生
物碳源利用来判定其功能多样性的一种土壤检测新
技术.其灵敏、快速,已被越来越多地应用到微生物
对肥料、施肥制度等的响应的研究中. 赵兰凤等[8]
利用 Biolog鄄Eco技术分析了不同施肥处理对香蕉根
际土壤微生物群落功能多样性的影响,结果表明,
施用生物有机肥可以推迟香蕉枯萎病的发生,使根
际微生物的活性提高,其利用的碳源中聚合物类和
胺类相对较多.张瑞等[9]研究表明, 添加有机肥有
利于提高农田土壤微生物代谢活性和土壤微生物群
落功能多样性. 栗方亮等[10]认为,过量施用化肥可
能造成土壤微生物性状和生化功能的衰减. 孙凤霞
等[11]研究表明,施用有机肥能显著提高红壤中的微
生物生物量碳、氮和微生物碳源利用率,提高红壤肥
力,保持作物高产. 胡可等[12]发现, 施用生物有机
肥可明显提高土壤微生物对碳源的利用率,尤其是
土壤中的羧酸、胺类等. 邵丽等[13]研究表明, 施用
生物复混肥能显著提高土壤微生物群落碳源利用
率、微生物群落丰富度和功能多样性.
目前,对板栗肥料的研究多集中在矿质营养及
化学肥料上,有关生物有机肥对板栗土壤微生物群
落代谢活性的影响研究较少.本文通过大田试验,分
析了生物有机肥对板栗土壤微生物群落代谢活性的
影响,旨在为板栗的合理施肥和科学管理提供理论
依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
试验于 2011 年在陕西省柞水县下梁镇沙坪村
板栗园(33毅38忆53. 79义 N,109毅07忆31. 14义 E)进行.供
试板栗品种为柞板 11,每公顷栽培板栗 675 株,树
龄 8 a.供试生物有机肥为西北农林科技大学资源环
境学院制作的生物有机肥. 该生物有机肥的有益微
生物数为 2. 8 伊 108 ·g-1, 养分含量为:有机质
28. 3%,氮 3. 8%,磷(P2O5)2. 6%,钾(K2O)3. 1% .土
壤中养分含量为:有机质 43. 60 g · kg-1,全氮
0. 79 g·kg-1,全磷 0. 22 g·kg-1,全钾 7. 33 g·kg-1 .
1郾 2摇 试验设计
试验小区面积 60 m2,随机区组排列, 3 次重
复.试验设 3 个处理. CK:对照;T1:施用复合肥,施
肥量为 1350 kg·hm-2(含 N 15% 、P2O5 15% 、K2O
15% ); T2: 施用生物有机肥, 施 肥 量 为 5325
kg·hm-2(以与复合肥 N 含量折算施用等养分生物
有机肥).肥料于 2011 年 3 月 20 日一次施入. 施肥
方式是把肥料均匀地撒在树冠内外的地面上,用量
为树冠内 2 / 3、树冠外 1 / 3,然后深翻入土.
1郾 3摇 取样及测定方法
板栗收获后,采用五点取样法采集耕层土壤样
品,过 30 mm筛以剔除土样中的树叶、石砾等杂物.
取新鲜土样进行土壤微生物代谢活性的测定,其余
样品风干后,供土壤理化性质的测定.
1郾 3郾 1 土壤理化性质的测定摇 土壤和肥料中的有机
质含量采用重铬酸钾容量法鄄油浴法测定,全氮含量
用凯氏法测定,全磷含量采用钼锑抗比色法测定,全
钾含量采用原子吸收分光光度计测定.
1郾 3郾 2 微生物群落水平生理轮廓(CLPPs)的测定摇
取相当于风干土 5 g 土样的鲜土,置于 45 mL
0. 85%NaCl无菌溶液三角瓶中,摇床震荡 30 min
(200 r·min-1),采用 10 倍稀释法,在超净工作台上
用 0郾 85%NaCl无菌溶液将其稀释至浓度为 10-3 .接
种土壤微生物悬浮液于 ECO 微平板( ECO鄄Micro鄄
Plate, 美国 Matrix Technologies Corporation)中,每孔
150 滋L. 将接种的 ECO 板装入聚乙烯袋中,置于
(25依1) 益下暗箱培养,连续培养 240 h,期间每隔
12 h用 ELISA反应微平板读数器在 590 nm 处读数
1 次[14] .
1郾 4摇 数据处理
采用孔颜色平均变化率( average well color de鄄
velopment,AWCD)测定土壤微生物利用单一碳源的
8261 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
能力.计算公式:
AWCD =移(C i- R) / 31
式中: C i为各反应孔在 590 nm下的光密度值; R 为
ECO板对照孔 A1 的光密度值;C i-R逸 0[15] .
群落 Shannon 多样性指数(H忆)、Shannon 均匀
度指数(E)和 Mclntosh指数(U)计算公式:
H忆 = -移P i 伊 lnP i
E= H忆 / lnS
U= (移Ni2) 1 / 2
式中:P i =(C i-R) / 移(C i-R); S 为丰富度指数; Ni
为第 i孔的相对吸光值(C i-R) [16] .
群落丰富度指数( S)采用碳源代谢孔的数目
(AWCD>0. 2 代表该孔碳源被利用)表示[17] .
采用 BIOLOG微平板培养 120 h 的数据进行微
生物代谢多样性分析. 采用 Excel、SAS 8. 1 和 SPSS
12. 0 软件进行统计分析. 采用单因素方差分析
(one鄄way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)对不同
数据组间进行差异显著性比较,显著性水平设定为
琢=0. 05.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同处理的颜色平均变化率
颜色平均变化率 ( average well color develop鄄
ment,AWCD)是微平板上反应孔的平均吸光值,其
随时间的变化是微生物碳源利用强度的反映,也是
微生物活性的一个有效指标[14] . AWCD值与土壤微
生物群落中利用单一碳源的微生物种类和数目有
关.由图 1 可以看出,在试验期间,培养 24 h 之内,
不同处理的 AWCD 值变化不明显;培养 24 h 后,
AWCD出现了明显变化.不同处理土壤微生物群落
图 1摇 不同处理的平均颜色变化率
Fig. 1摇 AWCD of different treatments.
CK:对照 Control; T1:复合肥 Compound fertilizer; T2:生物有机肥 Bi鄄
ological organic fertilizer.下同 The same below.
的 AWCD有明显差异,对照和生物有机肥处理的
AWCD升高较快,施用复合肥处理的 AWCD 升高较
慢.在整个温育过程中,不同处理 AWCD 值呈现出
生物有机肥>对照>复合肥的趋势. 当 ECO 板温育
120 h 时,OD 值的变化趋于稳定,即微生物对碳源
的利用基本稳定,因此选取 120 h 的 AWCD 进行方
差分析. 结果表明,与对照相比,生物有机肥处理
120 h的 AWCD高 7. 6% ,施用复合肥处理 120 h 的
AWCD低 26. 4% .生物有机肥处理显著高于施用复
合肥处理.
2郾 2摇 土壤微生物群落功能多样性
由表 1 可以看出,不同处理的多样性指数均呈
现生物有机肥>对照>复合肥的变化规律. 其中,除
Shannon多样性指数未达到显著性差异外,其他 3
个多样性指数均差异显著.与对照相比,施用复合肥
处理的 Shannon均匀度、丰富度、McIntosh 指数均低
于对照;施用生物有机肥处理的 Shannon 均匀度、丰
富度、McIntosh指数均高于对照,但差异不显著. 且
施用生物有机肥处理的 3 个指数显著高于施用复合
肥处理.由此可见,生物有机肥的施入提高了土壤微
生物的物种丰富度和功能多样性.
2郾 3摇 土壤微生物对 6 大类碳源的利用
土壤微生物对不同种类碳源的利用程度反映了
微生物的代谢功能类群.由图 2 可以看出,同一处理
的土壤微生物对不同种类碳源的利用程度差异明
显.对照优势群落结构为:芳香化合物类>糖类>氨
基酸类;施用复合肥处理的土壤微生物群落中,氨基
酸代谢群、多聚物代谢群、糖代谢群为优势种群;施
用生物有机肥处理优势群落结构为:芳香化合物类
>糖类>多聚物类.施用生物有机肥处理和对照的最
弱碳代谢群落为羧酸类代谢群,施用复合肥处理的
最弱碳代谢群落为芳香化合物类代谢群. 生物有机
肥处理和对照的微生物代谢功能类群相似,而与复
合肥处理的微生物代谢功能类群差异较大.
表 1摇 土壤微生物群落功能多样性
Table 1摇 Functional diversity of soil microbial community
处理
Treatment
Shannon
多样性指数
Shannon
diversity index
Shannon
均匀度
Shannon
evenness index
丰富度指数
Richness
index
McIntosh指数
McIntosh
index
CK 3. 35依0. 03a 14. 35依1. 89ab 30. 00依1. 00ab 9. 39依1. 04ab
T1 3. 27依0. 07a 10. 72依2. 44b 28. 33依1. 53b 7. 27依1. 42b
T2 3. 36依0. 01a 15. 29依1. 55a 31. 00依0. 00a 10. 03依0. 96a
CK:对照 Control; T1:复合肥 Compound fertilizer; T2:生物有机肥 Bi鄄
ological organic fertilizer. 同列不同字母表示处理间差异显著 ( P <
0郾 05 ) Different letters in the same row meant significant difference
among treatments at 0. 05 level.
92616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈摇 琳等: 生物有机肥对板栗土壤微生物群落代谢活性的影响摇 摇 摇 摇
图 2摇 不同处理的土壤微生物对 6 大类碳源的利用
Fig. 2摇 Utilization of soil microbe on the six groups of carbon
sources in different treatments.
A:氨基酸类 Amino acids; B:多胺类 Amines; C:多聚物类 Polymers;
D:芳香化合物类 Aromaticcompounds; E:糖类 Carbohydrates; F:羧酸
类 Carboxylicacids.
2郾 4摇 微生物群落功能主成分分析
对培养 120 h的数据进行微生物群落功能的主
成分分析(principal component analysis,PCA), 31 个
主成分因子中,前 8 个的累积方差贡献率达 100% .
其中,第 1 主成分(PC1)的方差贡献率为 50郾 9% ,第
2 主成分(PC2)为 13. 6% ,第 3 ~ 10 主成分贡献率
较小,在 1. 9% ~ 9. 8%之间. 从中提取可以聚集单
一碳源变量数据变异的前 2 个主成分 PC1 和 PC2,
分析微生物群落功能多样性. PC1 和 PC2 的特征根
分别为 15. 77 和 4. 22.由图 3 可见,3 个处理在主成
分坐标体系中分布差异明显. 方差分析表明, 不同
处理的 PC1 的得分系数差异达到显著水平
(F=6. 11),表现为生物有机肥处理和对照显著高
于复合肥处理,而 PC2 的得分系数差异不显著.
由表 2 可见,对 PC1 贡献大的碳源(特征向量
系数>0. 5)有 19 种,其中糖类占 42. 1% 、氨基酸类
占26 . 3% . 影响PC1的主要为糖类和氨基酸类,其
图 3摇 不同处理的土壤微生物群落主成分分析
Fig. 3摇 Principal component analysis of soil microbial communi鄄
ty in different treatments.
表 2摇 对主成分贡献的特征向量逸0. 5 的碳源数目
Table 2摇 C sources with loadings of PC1 and PC2 逸0. 5
grouped numbers
碳源
C source
第 1 主成分
PC1
第 2 主成分
PC2
糖类 Carbohydrates 8 4
氨基酸类 Amino acids 5 2
羧酸类 Carboxylic acids 3 4
多聚物类 Polymers 2 4
多胺类 Amines 0 2
芳香化合物类 Aromatic compounds 1 1
总计 Total 19 17
次为羧酸类.对 PC2 贡献大的碳源有 17 种,其中糖
类、羧酸类和多聚物类各占 23. 5% . 这与徐华勤
等[14]和罗希茜等[17]的研究结果一致. a鄄环式糊精、
葡萄糖鄄1鄄磷酸盐、L鄄丝氨酸、D,L鄄琢鄄甘油这 4 种碳
源对 PC1 和 PC2 的贡献系数均>0. 5,表明不同施肥
处理的土壤微生物对 4 种碳源的利用能力有较大的
差异.
3摇 讨摇 摇 论
板栗适宜生长在砂质或砂壤质的土壤.当有机
质缺乏时,原本疏松的土壤更加松散,加上板栗林集
约栽培中常采用去除林下灌木和杂草、翻耕土壤及
施用化肥等措施,因而造成了板栗林水土流失严重,
土壤肥力下降[18] .合理施肥不仅是林产品高产优质
的保证,也是林地土壤质量可持续保持的重要前提.
雷鸣宇[19]研究表明, 板栗育苗时施用火粪能
减少和完全消除栗苗叶片黄化脱落和枯死等症状.
施用有机肥料后,板栗的蛋白质含量升高[20],氨基
酸、蛋白质、脂肪和总糖等营养成分明显增加[2] . 与
施复合肥相比,有机复混肥能将板栗果实产量提高
49. 9% ,同时提升了板栗的品质[21] . 而施用稀土有
机复混肥能明显提高板栗对病害的抵抗力,增强板
栗树势[22] .由此可见,有机肥具有增强抗性、提高产
量、改善品质等多种功效.
土壤微生物是土壤生态系统中的重要组成部
分,其群落的组成和活性对保持土壤肥力具有重要
意义.在板栗林施用有机肥,能显著提高土壤水溶性
有机碳和微生物生物量碳质量分数[23] .本研究结果
表明,生物有机肥改变了土壤的微生物功能类群,提
高了微生物代谢活性、土壤微生物的物种丰富度和
功能多样性.曹均等[24]采用 Biolog 方法测定了北京
板栗主产区 9 个典型板栗园表层土壤微生物碳代谢
群结构,结果表明,不同板栗园土壤代谢同一种类碳
0361 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
源的能力存在显著差异.徐华勤等[25]利用 Biolog 方
法研究了长期施肥后茶园土壤微生物群落多样性的
变化,认为施用有机肥在提高微生物活性方面的效
果好于单施化肥,有机肥与无机肥配施能大大提高
微生物丰富度.这些均与本文的研究结果一致.
但是,长期单施化肥可以降低土壤微生物利用
碳源的能力及其活性,导致土壤微生物多样性指数
下降[26] .化肥施用量过高还可导致养分特别是速效
磷的过量积累,使微生物活性降低[27] .本研究中,与
对照相比, 施用无机复合肥导致微生物的代谢活性
下降,其影响机制还有待于进一步研究.
施用生物有机肥可使土壤微生物代谢功能多样
性指数及利用碳源的能力有一定程度的提高,是保
持和提高土壤质量的一种可持续的土壤施肥方式.
单独施用无机复合肥可能造成土壤生物性状和生化
功能衰减,导致土壤生物质量退化. 因此,应当高度
重视集约农业利用方式下的施肥管理,寻求一种能
够保持生态系统健康状态的、环境友好的施肥制度,
从而达到农业生产活动与土壤生态系统和环境之间
的平衡,实现提高经济效益与保护环境的双赢.
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作者简介摇 陈摇 琳,女,1985 年生,硕士研究生.主要从事农
业废弃物资源化利用研究. E鄄mail: chenlin186523@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
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