全 文 ：长期施肥对稻田土壤有机氮、微生物生物量及
功能多样性的影响*
郝晓晖1,2 摇 胡荣桂1**摇 吴金水1,3 摇 汤水荣1 摇 罗希茜1
( 1 华中农业大学资源与环境学院, 武汉 430070; 2 华东师范大学河口海岸科学国家重点实验室, 上海 200062; 3 中国科学院
亚热带农业生态研究所, 长沙 410125)
摘摇 要摇 以位于湖南省新化和宁乡县两个稻田肥力长期定位试验点的土样为材料,研究了不
同施肥处理对稻田土壤有机氮组分、微生物生物量及功能多样性的影响.结果表明:与不施肥
处理(CK)相比,化肥配施有机肥处理提高了稻田土壤酸解总氮(TAHN)及其组分中氨基糖氮
(ASN)、氨基酸氮(AAN)和酸解氨态氮(AN)的含量,不同施肥处理对组分中酸解未知氮
(HUN)的影响不尽相同.与 CK相比,单施化肥处理对土壤微生物生物量碳、氮(MBC、MBN)
含量的影响较小,化肥配施有机肥处理则显著提高了土壤 MBC和 MBN的含量.采用 BIOLOG
法对土壤微生物群落功能多样性进行测定,结果表明:中、高量有机肥处理提高了稻田土壤微
生物的碳源利用率和微生物群落功能多样性;土壤微生物碳源利用的类型因长期不同施肥处
理而产生差异.
关键词摇 长期施肥摇 稻田土壤摇 有机氮摇 微生物生物量摇 功能多样性
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1477-08摇 中图分类号摇 S154. 2摇 文献标识码摇 A
Effects of long鄄term fertilization on paddy soils organic nitrogen, microbial biomass, and
microbial functional diversity. HAO Xiao鄄hui1,2, HU Rong鄄gui1, WU Jin鄄shui1,3, TANG Shui鄄
rong1, LUO Xi鄄qian1 ( 1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University,
Wuhan 430070, China; 2State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Nor鄄
mal University, Shanghai 200062, China; 3 Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of
Sciences, Changsha 410125, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(6): 1477-1484.
Abstract: Soil samples were collected from the plow layers at two long鄄term experiment sites in
Xinhua and Ningxiang counties of Hunan Province, China to study the effects of long鄄term fertiliza鄄
tion on organic nitrogen, microbial biomass, and microbial functional diversity of paddy soils. Long鄄
term fertilization showed great effects on the soil N content. Compared with CK, treatments NPK
plus manure or straw increased the contents of soil total acid鄄hydrolysable N and its fractions amino
sugar N, amino acid N, and ammonium N. Treatment NPK had no significant effects on soil micro鄄
bial biomass C and N, but treatments NPK plus manure increased the contents of soil microbial bio鄄
mass C and N significantly. BIOLOG test showed that treatments NPK plus manure enhanced the
carbon utilization efficiency of soil microbes, and improved the functional diversity of soil microbial
communities, compared with CK. Long鄄term different fertilizer treatments resulted in the differences
of carbon substrate utilization patterns of soil microbial communities.
Key words: long鄄term fertilization; paddy soil; organic nitrogen; microbial biomass; functional di鄄
versity.
*国家科技支撑计划项目(2008BADA7B01)和中国科学院知识创新
工程项目(KZCX2鄄YW鄄423)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hronggui@ 163. com
2009鄄08鄄21 收稿,2010鄄03鄄22 接受.
摇 摇 有机态氮是土壤氮素的主要存在形态,约占土
壤全氮的 85%以上,是土壤氮素的主体[1] . 土壤有
机氮主要是指有机残体中的氮,即存在于未分解或
半分解的动植物残体中的氮和土壤有机质或腐殖质
中的氮两大类. Bremner[2]采用酸解法将土壤有机氮
分成氨基酸氮、氨基糖氮、酸解氨态氮和酸解未知氮
等形态.有研究指出,土壤可矿化氮主要来自酸解有
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 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. 2010,21(6): 1477-1484
机氮,特别是氨基酸氮和酸解氨态氮[3] . 因此,土壤
有机氮的含量及形态直接影响着土壤的供氮能力.
而土壤有机氮矿化成无机氮被植物吸收利用,这中
间的桥梁和动力就是土壤微生物.
土壤微生物是土壤中氮素的“转运站冶,土壤中
大部分氮素只有经微生物矿化后才能被植物吸
收[4] .同时,土壤微生物本身还是土壤氮素的重要
储备库,是土壤氮素的补给源[5] . 土壤微生物的大
小通常直接用微生物生物量碳或氮的含量来表示.
土壤微生物生物量碳占土壤有机碳总量的 0郾 5% ~
4% ,土壤微生物生物量氮占土壤全氮的 2% ~
6% [6],尽管其在土壤中的含量较小,但其对植物生
长起着非常重要的作用[7] . 因此,土壤微生物在土
壤氮素转化和植物氮素营养方面的研究一直受到人
们的广泛重视[8] .
土壤微生物多样性包括微生物群落多样性、遗
传(基因)多样性及包含功能多样性在内的生态多
样性[9] .现在国际上普遍使用 BIOLOG 分析技术来
表征微生物群落的功能潜力,即被用于估计碳源利
用模式等的功能多样性[10] .微生物利用碳源的特点
是一个非常重要的表征特性,关系到群体内微生物
之间的生存竞争及生长繁殖,曾用于微生物的数值
分类,称为微生物的“新陈代谢指纹冶 [11] . 这些指纹
反应模式可用于分析包括可培养微生物和不可培养
微生物在内的整个微生物群落. 施肥处理对农田生
态系统有重要影响,主要通过增加土壤中有机物的
输入,影响土壤微生物量及其活性进而影响土壤呼
吸,从而改变土壤有机质的动态变化[12] . 谭周进
等[13]认为,适量有机肥与无机肥配施对土壤养分转
化,反硝化作用等起调节作用;但过多施用有机肥并
没有提高土壤微生物的数量,而对土壤微生物活性
有明显的增强效果.
稻田土壤是受人类活动影响最大的土壤之一,
在长期不同的施肥管理措施下,其氮素形态、土壤微
生物量、微生物功能多样性等特征也会发生相应的
变化[13-14] .为此,本文以湖南省新化县、宁乡县两个
稻田肥力长期定位试验点的土样为材料,研究长期
不同施肥措施对土壤有机氮组分、微生物生物量和
功能多样性的影响,为合理施肥、维持土壤质量和保
护农田生态环境提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验地点与试验设计
供试土样分别采集于位于湖南省新化县(27毅
56忆 N,111毅42忆 E)和宁乡县(27毅55忆 N,111毅53忆 E)
的两个国家级稻田肥力变化长期定位试验点. 两个
试验点均开始于 1986 年,均属于亚热带季风湿润气
候,年平均气温 17 益左右,年平均降水量约 1500
mm,土壤类型、主要性质、利用和管理状况见表 1,
其中理化性状为 1986 年测定.
表 1摇 长期定位试验点土壤基本性质
Tab. 1摇 Soil basic properties in the two long鄄term experiment sites
试验点
Site
轮作制度
Rotation
成土母质
Parent material
土壤类型
Soil type
粘粒含量
Clay content
(% )
pH
(H2O)
有机碳
Organic C
(g·kg-1)
全 氮
Total N
(g·kg-1)
新化
Xinhua
稻鄄稻
Rice / rice
河流冲积物
River alluvium
河沙泥
Alluvial sandy paddy
12郾 99 5郾 2 11郾 30 0郾 92
宁乡
Ningxiang
稻鄄稻鄄麦
Rice / rice / wheat
河流冲积物
River alluvium
河沙泥
Alluvial sandy paddy
25郾 96 5郾 8 17郾 20 1郾 76
摇 摇 各试验点处理设置如下:1)对照(CK),不施用
任何肥料;2)单施化肥处理(NPK),采用测土施肥
技术,根据试验点土壤氮、磷、钾供应状况和作物预
期需求量确定无机氮、磷、钾肥料的施用量(表 2);
3)中量有机肥处理(MM+NPK),以 NPK 处理施氮
量为标准,有机肥氮占总施氮量的 30% ;4)高量有
机肥处理(HM+NPK),以 NPK 处理施氮量为标准,
有机肥氮占总施氮量的 60% ;5)秸秆还田处理(Str.
+NPK),以 NPK处理施氮量为标准,施用晚稻秸秆.
MM+NPK和 HM+NPK两个处理中所用的有机肥为
当地农家肥(主要为猪粪),其养分含量在各年份之
间存在一定差异,测定后决定有机肥施用量.同一实
验点各施肥处理的施氮总量相同,磷、钾用量稍有不
同(表 2).小区按国家土壤肥力长期定位试验点标准
统一设置为 66郾 7 m2,随机排列,处理未设置重复.
表 2摇 各试验点 NPK处理的化肥施用量
Tab. 2 摇 Chemical fertilizer application rate of the NPK
treatment in the two experiment sites (kg·hm-2·a-1)
试验点
Experiment site
N P2O5 K2O
新化 Xinhua 315 24 178
宁乡 Ningxiang 530 30 218
8741 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 21 卷
1郾 2摇 土样采集及处理
于 2003 年和 2005 年晚稻收获后采集各处理小
区表层 0 ~ 20 cm 土壤,取 12 个样点组成一个混和
土样,每个样点重复采样 3 次.用于微生物多样性分
析的土样及时放入-4 益冰箱中保存.用于测定微生
物生物量的新鲜土样先除去可见动、植物残体,过 2
mm筛,混匀并在室温下风干或加水调节至土壤含
水量约相当于 40%的土壤饱和持水量,然后在标准
条件下(在 25 益,100%空气湿度的容器内)预培养
10 d后测定土壤微生物生物量.用于测定基本理化
性质的土壤样品在室温下完全风干,碾磨过 0郾 15
mm筛备用.
1郾 3摇 测定方法
1郾 3郾 1 土壤有机氮组分的测定 摇 土壤有机氮组分
的测定采用酸水解鄄蒸馏法[15] .酸解液的制备:将过
0郾 15 mm筛的风干土样(约含 10 mg N)置于具有回
流冷却水装置的磨口水解瓶内,用 6 mol·L-1 HCl
在 110 益下水解 12 h,水解结束并冷却后,用砂芯漏
斗吸滤装置过滤到高型烧杯中,在冰浴中缓慢加入
NaOH调节 pH至 6郾 5 依0郾 1,定容备用. 按下列方法
测定不同形态有机氮:1)酸解总氮:将中和后的酸
解液用浓 H2SO4 消煮后,用半微量蒸馏法测定总
氮;2)酸解氨态氮:将中和后的酸解液加入 MgO 试
剂,蒸馏;3)氨基糖氮:将中和后的酸解液加入磷酸
盐鄄硼酸盐缓冲液(pH为 11郾 2)后再加入 MgO试剂,
蒸馏,所得结果是酸解氨态氮和氨基糖氮的总量,该
值与酸解氨态氮之差为氨基糖氮;4)氨基酸氮:吸
取中和后的酸解液 5 ml,加入 1 ml 0郾 5 mol·L-1
NaOH,在 100 益 (水浴)下加热直至溶液体积浓缩
至 2 ~ 3 ml,冷却后加 0郾 50 g 柠檬酸和 0郾 01 g 茚三
酮,再在 100 益下加热 10 min,加入 10 ml磷酸盐鄄硼
酸盐缓冲液和 1 ml 5 mol·L-1 NaOH 蒸馏;5)酸解
未知氮:全氮减去上述酸解氨态氮、氨基糖氮、氨基
酸氮 3 种形态的氮量;6)非酸解性氮:全氮减去酸
解总氮所得.
1郾 3郾 2 土壤微生物生物量碳、氮的测定摇 土壤微生
物生物量碳、氮的测定采用氯仿熏蒸鄄K2SO4 提取
法[16-17] .称取 4 份预培养土样,每份 25 g(烘干基),
其中 2 份直接用 0郾 5 mol·L-1 K2SO4 提取(300 r·
min-1振荡 30 min). 另外 2 份在真空干燥器内用氯
仿熏蒸 24 h,熏蒸的土样除去氯仿后立即提取.分别
采用碳自动分析仪和流动注射仪分析提取液中的有
机碳和氮.以熏蒸土样与不熏蒸土样提取的有机碳、
氮的差值分别乘以转换系数 KC(2郾 22)或 KN(2郾 22)
计算土壤微生物生物量碳、氮.
1郾 3郾 3 土壤微生物群落功能多样性的测定 摇 采用
BIOLOG标准方法通过测定各板孔的吸光值及其变
化来反映微生物群落代谢功能多样性. 试验使用的
BIOLOG GN测试板共 96 孔. 测试板的第 1 个孔为
不含任何碳源的对照,其余每孔中含有 1 种碳源和
氧化还原染料四氮唑蓝. 微生物利用碳源进行呼吸
使氧化还原电势发生变化,并将四唑类(TV)从无色
还原成紫色.
具体步骤为:1)新鲜土壤从冰箱中取出后在 25
益恒温条件下预培养 10 d后测定土壤含水量;2)称
取相当于 10 g干土的新鲜土壤,加入到装有 100 ml
灭菌生理盐水的 250 ml三角瓶中.在旋涡震荡机上
以 200 r·min-1震荡 30 min,静置 30 min;3)取 10 ml
上清液加入到 90 ml 灭菌的生理盐水中稀释;重复
该步骤,得到稀释 1000 倍后的菌液加入到 BIOLOG
GN微平板中,每孔加 150 滋l;以上各步均在超净工
作台上进行无菌操作;4)接种的 BIOLOG GN 微平
板在 28 益下培养,分别于 0、12、24、36、48、60、72、
84、96、120、144、168、192、216、240 h在 590 nm读取
数据.
土壤微生物群落 BIOLOG 代谢剖面的表达:BI鄄
OLOG GN微平板中多底物酶联(ELISA) 反应采用
每孔的平均吸光值( average well color development,
AWCD)来描述:
AWCD =移(C - R) / n (1)
式中:C为每个有培养基孔的吸光值;R 为对照孔的
吸光值;n为培养基孔数,GN板 n值为 95.
土壤微生物群落利用碳源功能多样性测度方
法:采用 BIOLOG GN微平板孔中吸光值来计算土壤
微生物群落利用碳源功能多样性指数,即用于评估
丰富度和均匀度的 Shannon 指数 H、用于评估某些
最常见种优势度的 Simpson指数 D和用于评估群落
物种均一性的 McIntosh指数 U.
H =- 移P i lnP i (2)
D =移
N
i = 1
[ni(ni - 1) / N(N - 1)] (3)
U = 移ni2 (4)
式中:P i 为第 i孔的相对吸光值与所有反应孔相对
吸光值总和的比值,即 P i = (C - R) /移(C - R);D
为 1 / Simpson指数;ni 为第 i 孔的相对吸光值(C -
R);N为所有反应孔相对吸光值的总和移(C - R) .
97416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郝晓晖等: 长期施肥对稻田土壤有机氮、微生物生物量及功能多样性的影响摇 摇 摇 摇
1郾 4摇 数据处理
试验结果均以 3 次样品的平均值来表示,所有
试验数据均采用 SPSS 软件进行统计检验及主成分
分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 长期施肥对稻田土壤有机氮组分的影响
由表 3 可知,新化点和宁乡点土壤全氮(TN)含
量存在明显差异,在新化点土壤 TN 含量为 1郾 07 ~
1郾 24 g·kg-1,宁乡点为 1郾 63 ~ 2郾 67 g·kg-1 .与 CK
处理相比,NPK处理对土壤 TN含量的影响不显著;
化肥配施有机肥处理显著提高了土壤的 TN 含量,
对土壤氮素的积累有促进作用.在新化点,土壤 TN
含量在 MM+NPK、HM+NPK 和 Str. +NPK 处理间无
明显差异;而在宁乡点以 HM+NPK 处理最高,MM+
NPK处理次之,Str. +NPK处理最低.
摇 摇 由表 4 可知,酸解总氮(TAHN)是稻田土壤氮
素的主体,可占土壤TN的70%以上 . 与CK处理相
表 3摇 不同施肥处理土壤全氮含量
Tab. 3摇 Total nitrogen of soil under different fertilizer treat鄄
ments (g·kg-1)
试验点
Experiment site
CK NPK MM+
NPK
HM+
NPK
Str郾 +
NPK
新化 Xinhua 1郾 07b 1郾 08b 1郾 24a 1郾 24a 1郾 23a
宁乡 Ningxiang 1郾 63d 1郾 67d 2郾 46b 2郾 67a 1郾 87c
同行不同小写字母表示同一试验点不同处理间差异显著(P<0郾 05)
Different small letters in the same row meant significant difference at 0郾 05
level among treatments at the same experiment site.
比,化肥配施有机肥处理可提高 TAHN 含量,提高
的幅度由小到大为 Str. +NPK与 CK 处理相比,不同施肥处理提高了 TAHN 组分
中氨基糖氮(ASN)、氨基酸氮(AAN)和酸解氨态氮
(AN)的含量,MM+NPK和HM+NPK处理增加较为显
著.不同施肥处理对土壤酸解未知氮(HUN)的影响
不同,NPK和 Str. +NPK处理使 HUN含量有所下降,
而 MM+NPK和 HM+NPK处理使其含量有所提高,尤
其在宁乡点增加显著.与 CK 处理相比,不同施肥处
理使土壤非酸解性氮(NHN)含量有所增加,仅在宁
乡点的 MM+NPK和 HM+NPK处理提高显著.
此外,酸解总氮各组分占 TN 的比例以 AAN、
AN和 HUN较高,约占 20%以上;以 ASN 所占比例
最小.各组分占 TN份额总体表现出 ASN和 AAN的
比例有所提高,AN 和 HUN 的比例有所降低的趋
势.对不同施肥措施的响应不敏感.
2郾 2摇 长期施肥对稻田土壤微生物生物量的影响
2郾 2郾 1 土壤微生物生物量碳(MBC) 摇 由图 1 可知,
新化点 CK处理的耕层土壤微生物量碳(MBC)含量
为 261郾 40 mg·kg-1,宁乡点为 465郾 84 mg·kg-1 .
NPK处理的土壤 MBC含量与 CK相比差异不显著;
化肥配施有机肥处理显著提高了稻田土壤 MBC 含
量.与 CK相比,在新化和宁乡两试验点上 MM+NPK
处理的提高幅度分别为 26%和 51% ;HM+NPK 处
理的提高幅度分别为26%和58% ;Str. +NPK处理
表 4摇 不同施肥处理土壤有机氮各组分含量及其占全氮的比例
Tab. 4摇 Components of soil organic N and their percentage to total N under different fertilizer treatments (%)
试验点
Experiment
site
处 理
Treatment
TAHN
ASN
(mg·
kg-1)
百分比
Percentage
AAN
(mg·
kg-1)
百分比
Percentage
AN
(mg·
kg-1)
百分比
Percentage
HUN
(mg·
kg-1)
百分比
Percentage
总计
Total
(mg·
kg-1)
百分比
Percentage
NHN
(mg·
kg-1)
新化 CK 19郾 59c 1郾 85 224郾 10c 21郾 08 278郾 63b 26郾 17 299郾 22a 28郾 01 821郾 54bc 77郾 10 243郾 87b
Xinhua NPK 24郾 77bc 2郾 30 268郾 13bc 24郾 82 260郾 22b 24郾 11 184郾 23c 17郾 11 737郾 35c 68郾 35 343郾 29ab
MM+NPK 27郾 29ab 2郾 22 274郾 56b 22郾 37 307郾 33a 24郾 87 285郾 06ab 22郾 84 894郾 24ab 72郾 30 343郾 50ab
HM+NPK 33郾 82a 2郾 72 289郾 40ab 23郾 18 314郾 62a 25郾 26 311郾 66a 25郾 11 949郾 49a 76郾 27 296郾 28ab
Str郾 +NPK 26郾 08bc 2郾 12 323郾 59a 26郾 19 326郾 65a 26郾 48 200郾 40bc 16郾 33 876郾 72ab 71郾 12 357郾 33a
平均 Mean 26郾 31 2郾 24 275郾 96 23郾 53 297郾 49 25郾 38 256郾 12 21郾 88 855郾 87 73郾 03 316郾 85
宁乡 CK 34郾 69d 2郾 13 327郾 18d 20郾 06 420郾 70d 25郾 80 528郾 07c 32郾 39 1310郾 63d 80郾 39 319郾 99c
Ningxiang NPK 44郾 53cd 2郾 66 434郾 52c 25郾 97 441郾 45d 26郾 38 433郾 75d 25郾 86 1354郾 26cd 80郾 86 320郾 07c
MM+NPK 59郾 27ab 2郾 41 613郾 73b 24郾 92 591郾 46b 24郾 05 747郾 41a 30郾 37 2011郾 87b 81郾 76 447郾 62ab
HM+NPK 66郾 63a 2郾 50 831郾 34a 31郾 17 620郾 40a 23郾 26 627郾 43b 23郾 55 2145郾 80a 80郾 48 522郾 32a
Str郾 +NPK 49郾 56bc 2郾 65 487郾 75c 26郾 10 487郾 42c 26郾 15 445郾 67cd 23郾 93 1470郾 40c 78郾 84 394郾 57bc
平均 Mean 50郾 94 2郾 47 538郾 90 25郾 65 512郾 29 25郾 13 556郾 47 27郾 22 1658郾 59 80郾 46 400郾 91
TAHN:酸解总氮 Total acid hydrolysable N;ASN:氨基糖氮 Amino sugar N; AAN:氨基酸氮 Amino acid N; AN:酸解氨态氮 Ammonia N; HUN:酸
解未知氮 Hydrolysable unknown N;NHN:非酸解性氮 Non鄄hydrolysable N. 同列不同小写字母表示同一试验点上不同处理间差异显著(P<0郾 05)
Different small letters in the same line meant significant difference at 0郾 05 level among treatments at the same experiment site. 下同 The same below.
0841 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 21 卷
图 1摇 不同施肥处理土壤微生物生物量碳、氮含量
Fig. 1摇 Soil microbial biomass C, N (MBC, MBN) under dif鄄
ferent fertilizer treatments.
MBC: 微生物生物量碳 Microbial biomass C; MBN: 微生物生物量氮
Microbial biomass N.不同小写字母表示同一试验点上不同处理间差
异显著(P<0郾 05) Different small letters meant significant difference at
0郾 05 level among treatments at the same experiment site.
对土壤 MBC含量略有提高,提高幅度分别为 7%和
11% ,仅在宁乡点上有显著差异.
2郾 2郾 2 土壤微生物生物量氮(MBN)摇 由图 1 可知,
新化点各处理的土壤 MBN 含量较低,在 29郾 75 ~
38郾 58 mg·kg-1,宁乡点土壤 MBN 含量较高,在
49郾 98 ~ 109郾 33 mg·kg-1 . 与 CK 处理相比,NPK 处
理对 MBN含量的影响相对较小,在新化和宁乡点分
别提高 10%和 20% .而化肥配施有机肥则显著提高
了土壤 MBN含量.与 CK相比,在新化和宁乡点 MM
+NPK 处理的提高幅度分别为 27%和 84% ;HM+
NPK处理的提高幅度分别为 30% 和 120% ;Str. +
NPK处理的提高幅度分别为 17%和 20% ,在新化点
上有显著差异.
2郾 3摇 长期施肥对稻田土壤微生物功能多样性的影
响
2郾 3郾 1 土壤微生物群落代谢剖面 AWCD 的变化 摇
从图 2 可以看出,微生物碳源利用率随培养时间的
延长而提高,在开始的 24 h内不同处理土壤 AWCD
值均变化不大,而在 72 h 内表现出快速升高的趋
势,随后持续缓慢升高直到试验结束.不同施肥处理
AWCD值的变化不同 . CK处理的AWCD值在72 h
图 2摇 不同施肥处理土壤 AWCD值随培养时间的变化曲线
Fig. 2摇 Change curve of soil AWCD with incubation time under
different fertilizer treatments.
a)新化 Xinhua;b)宁乡 Ningxiang. 下同 The same below.
以后增加较为缓慢.与 CK相比,施肥处理对 AWCD
值有较大影响. MM+NPK、HM+NPK 处理的 AWCD
值在 72 h之后还有较大幅度的提高,且在培养结束
时,HM+NPK处理的 AWCD 值显著高于其他处理;
Str. +NPK处理的 AWCD值在新化点上较 NPK处理
高,在宁乡点上却与 NPK处理相近.
2郾 3郾 2 土壤微生物群落功能多样性指数的变化 摇
为了进一步确定施肥对土壤微生物的影响,本文计
算了 Shannon 指数、Simpson 指数和 McIntosh 指数
(表 5),分别反映土壤微生物物种的丰富度、优势度
和均匀度. 结果表明,与 CK 相比,各施肥处理稻田
土壤微生物群落的丰富度有所提高,在 HM+NPK处
理上达显著水平.不同施肥处理也显著提高了稻田
土壤微生物群落的物种优势度. 而施肥对稻田土壤
微生物物种均匀度的影响不明显,仅在高量有机肥
处理上达显著差异.
2郾 3郾 3 主成分分析摇 BIOLOG数据主成分分析结果
表明,不同施肥处理土壤在 95 种碳源构建的主成分
坐标体系中存在明显的空间分异.利用培养 72 h 后
测定的 AWCD数据,经过标准化处理后,利用相关
文献提供的方法进行了主成分分析. 根据提取的主
成分个数一般要求累计方差贡献率达到 85%的原
则[18],在新化点上共提取了6个主成分,累计贡献
18416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郝晓晖等: 长期施肥对稻田土壤有机氮、微生物生物量及功能多样性的影响摇 摇 摇 摇
表 5摇 不同施肥处理土壤微生物群落功能多样性指数
Tab. 5摇 Functional diversity indices of soil microbial com鄄
munities under different fertilizer treatments
试验点
Experiment
site
处 理
Treatment
Shannon
指 数
Shannon
index
Simpson
指 数
Simpson
index
McIntosh
指 数
McIntosh
index
新化 CK 3郾 78b 2郾 60c 3郾 49b
Xinhua NPK 3郾 95ab 4郾 07b 4郾 07ab
MM+NPK 3郾 92ab 4郾 98a 4郾 11ab
HM+NPK 4郾 14a 5郾 29a 4郾 60a
Str郾 +NPK 3郾 83b 3郾 82b 3郾 83b
宁乡 CK 4郾 12bc 1郾 17c 4郾 97c
Ningxiang NPK 4郾 06bc 2郾 48b 5郾 13bc
MM+NPK 4郾 35ab 3郾 11a 5郾 73b
HM+NPK 4郾 67a 3郾 35a 8郾 57a
Str郾 +NPK 3郾 86c 2郾 17b 4郾 81c
图 3摇 不同施肥处理土壤微生物碳源利用类型的主成分分
析
Fig. 3摇 Principal component analysis on substrate utilization po鄄
tential of soil microbial community under different fertilizer treat鄄
ments.
率达 91郾 9% ,其中第 1 主成分(PC1)的方差贡献率
为 23郾 2% ,第 2 主成分(PC2)为 20郾 5% . 在宁乡点
上共提取了 5 个主成分,累计贡献率达 91郾 1% . 其
中 PC1 的方差贡献率为 48郾 1% ,PC2 为 15郾 4% . 在
主成分分析中,两试验点提取的主成分个数不同,本
文只对前 2 个主成分进行了分析,虽然这样会损失
一部分关于碳源利用的数据,但是前 2 个主成分已
经提供了足够的信息. 对前 2 个主成分的分析结果
表明,不同施肥处理土壤微生物在碳源的利用能力
上存在显著差异,表现为在 PC 轴上出现了明显的
分异(图 3).新化和宁乡两试验点表现的规律大致
相似,CK、NPK及 Str. +NPK 处理分布比较集中,分
布在 PC2 的负方向及 PC1 的原点附近,PC2 轴上正
负两端分别是有机肥处理和非有机肥处理.
3摇 讨摇 摇 论
施肥措施与稻田土壤氮素含量的变化密切相
关.本研究中,与不施肥处理相比,长期化肥配施有
机肥对土壤有机氮及其组分的含量均有显著提高,
这与其他研究结果相似[14,19-20] . 由于进入土壤的化
肥氮残留量很小,大约等于其激发释放出的土壤氮
量,从土壤氮素收支平衡的角度看,化肥的净残留几
近于零.但在某些情况下长期施用化肥氮对土壤有
机氮也有可能起到一定的积累作用,其途径是提高
了作物的生物量积累以及无机氮的有机化. 化肥配
施有机肥既可通过无机氮有机化提高土壤有机氮的
积累,又直接向土壤中提供了大量的有机氮[21],并
与土壤微生物密切相关. 本研究中,氨基酸氮、氨基
糖氮等含量在施用有机肥处理中较高,而这些有机
氮组分是土壤微生物体氮素化合物的重要组成部
分[22] .因此,化肥配施有机肥是促进稻田土壤氮素
积累的有效施肥措施.由于土壤中氮素形态繁多,本
文仅对土壤有机态氮的含量进行了讨论,而对有机
态氮的组成性状未做详细研究,尤其是非酸解性氮
及酸解未知氮,今后应加强这方面的研究.
施肥对土壤 MBC、MBN 含量有显著影响,化肥
配施有机肥处理能显著提高土壤 MBC 和 MBN 含
量.因为有机肥特别是以猪粪为主的农家肥营养丰
富,C / N合适,具有较高的有效利用性,利于微生物
的繁殖,从而增加了土壤微生物生物量. 有研究表
明,在不施肥条件下,旱作土壤 MBC 一般低于 200
mg·kg-1;施肥通常能提高土壤微生物量,但一般也
难达到 350 mg·kg-1 [6] . 本研究中,土壤 MBC 高于
旱作土壤,说明其与耕作管理,特别是淹水状况有密
切关系.试验点实行多季轮作的种植方式,即使不施
肥,作物的残茬也可为土壤微生物提供较丰富的新
鲜有机物质来源;另一方面,淹水条件也有利于维持
较高的有机质含量,并使土壤微生物量增加[8] . 新
化点土壤 MBC、MBN 含量普遍较低,且受施肥的影
响较小;而宁乡点土壤 MBC含量高于新化点的最高
值.不同试验点显示出的差异源于两试验点土壤性
质的不同(表 1),两试验点土壤有机质含量、pH值、
2841 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 21 卷
粘粒含量等不同,特别是粘粒含量.有研究指出在耕
作施肥措施相似的条件下,粘土的微生物生物量远
高于砂土和壤土[23],即土壤的粘粒含量与土壤微生
物生物量有正相关关系.
不同施肥处理对土壤微生物群落碳源利用能力
产生了不同的影响.有研究指出,单施氮肥及氮肥磷
肥配施土壤微生物碳源利用率较低[12] .这与本研究
结果相似,单施化肥不及配施有机肥处理对 AWCD
值的影响显著,后者维持了较高的土壤微生物碳源
利用能力.这与试验中所用的有机肥是以猪粪为主
的农家肥有关,有研究认为猪粪的 C / N利于微生物
的利用,而且长期施用猪粪可以改善土壤的物理特
性,从而更有利于土壤微生物的生命活动[24] . 不同
施肥处理对稻田土壤微生物群落的影响不同,从而
使微生物主要利用的碳源类型也不同[13] . 例如,土
壤施用以猪粪为主的农家肥后显著提高了氨基酸和
单糖的数量[25],因此,长期施用这类有机肥会使微
生物可利用碳源趋于稳定,形成偏好氨基酸类、单糖
糖类物质为碳源的微生物群落.
土壤微生物是土壤中最活跃的部分,化肥配施
有机肥处理显著增加了稻田土壤微生物的生物量,
提高了土壤微生物碳源利用能力以及群落的功能多
样性.说明向土壤中输入有机肥料为土壤微生物提
供了充足的碳源,促进了微生物的生长,进而能固定
更多的无机态氮,提高土壤的氮素积累,是改善稻田
土壤氮素特征的有效施肥措施.因此,今后农业生产
应更加重视有机肥与无机肥的合理配施问题,以维
持土壤健康、保持土壤生产力、降低农业生产成本,
实现农业和人类社会的可持续发展.
致谢摇 中国科学院生态环境研究中心在 BIOLOG 分析上给
予帮助;湖南省农业厅、湖南省新化县和宁乡县在野外工作
和提供基础资料上给予帮助,特此感谢.
参考文献
[1]摇 Wen Q鄄X (文启孝). Content and forms of soil nitro鄄
gen / / Zhu Z鄄L (朱兆良), Wen Q鄄X (文启孝), eds.
Nitrogen in Soils of China. Nanjing: Jiangsu Science
and Technology Press, 1992: 3-26 (in Chinese)
[2]摇 Bremner JM. Organic forms of soil nitrogen / / Black
CA, ed. Methods of Soil Analysis. Agronomy 9. Madi鄄
son: American Society of Agronomy Incorporation,
1965: 1148-1178
[3]摇 Li J鄄M (李菊梅), Li S鄄X (李生秀). Relation of min鄄
eralizable N to organic nitrogen component. Plant Nutri鄄
tion and Fertilizer Science (植物营养与肥料学报),
2003, 9(2): 158-164 (in Chinese)
[4]摇 Jenkinson DS, Parry LN. The nitrogen cycle in the
broad balk wheat experiment, a model for the turnover of
nitrogen through the soil microbial biomass. Soil Biology
& Biochemistry, 1989, 21: 535-541
[5]摇 Shen SM, Pruden G, Jenkinson DS. Mineralization and
immobilization of nitrogen in fumigated soil and the
measurement of microbial biomass nitrogen. Soil Biology
& Biochemistry, 1983, 16: 437-444
[6]摇 Wu J鄄S (吴金水). Soil organic matter and the dynamic
in its turnover / / He D鄄Y (何电源), ed. Soil Fertility
and Fertilization for Cultivate Plant in Southern China.
Beijing: Science Press, 1994: 28-62 (in Chinese)
[7]摇 Bonde TA, Rosswall T. Seasonal variation of potentially
mineralizable nitrogen in four cropping systems. Soil Sci鄄
ence Society of America Journal, 1988, 51: 1508-1514
[8]摇 Witt C, Biker U, Galicia C, et al. Dynamics of soil mi鄄
crobial biomass and nitrogen availability in a flooded rice
soil amended with different C and N sources. Biology
and Fertility of Soils, 2000, 30: 520-527
[9]摇 Johnsen K, Jacobsen CS, Torsvik V. A review: Pesti鄄
cide effects on bacterial diversity in agricultural soils.
Biology and Fertility of Soils, 2001, 33: 443-453
[10]摇 Zheng H (郑摇 华), Ouyang Z鄄Y (欧阳志云), Wang
X鄄K (王效科), et al. Effects of forest restoration pat鄄
terns on soil microbial communities. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2004, 15 (11):
2019-2024 (in Chinese)
[11]摇 Garland JL, Mills AL. Classification and characteriza鄄
tion of heterotrophic microbial communities on the basis
of patterns of community鄄level sole鄄carbon鄄source utiliza鄄
tion. Applied and Environmental Microbiology, 1991,
57: 2351-2359
[12]摇 Hou X鄄J (侯晓杰), Wang J鄄K (汪景宽), Li S鄄P (李
世朋). Effects of different fertilization and plastic鄄mulc鄄
hing on functional diversity of soil microbial community.
Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2007, 27(2): 655
-661 (in Chinese)
[13]摇 Tan Z鄄J (谭周进), Zhou W鄄J (周卫军), Zhang Y鄄Z
(张杨珠). Effect of fertilization systems on microbes in
the paddy soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science
(植物营养与肥料学报), 2007, 13(3): 430-435 (in
Chinese)
[14]摇 Zong H鄄Y (宗海英), Wang K鄄R (王凯荣), Xie X鄄L
(谢小立). Effect of long鄄term fertilization on soil or鄄
ganic nitrogen components in paddy soil derived from red
earth. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 2008, 19(8): 1721-1726 (in Chinese)
[15]摇 Lu R鄄K (鲁如坤). Analytical Methods for Soil and Ag鄄
ricultural Chemistry. Beijing: China Agricultural Sci鄄
38416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郝晓晖等: 长期施肥对稻田土壤有机氮、微生物生物量及功能多样性的影响摇 摇 摇 摇
ence and Technology Press, 2000 (in Chinese)
[16]摇 Wu J, Joergensen RG, Pommerening B, et al. Meas鄄
urement of soil microbial biomass C by fumigation鄄ex鄄
traction-An automated procedure. Soil Biology & Bio鄄
chemistry, 1990, 22: 1167-1169
[17]摇 Brookes PC, Landman A, Pruden G, et al. Chloroform
fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid di鄄
rect extraction method to measure microbial biomass ni鄄
trogen in soil. Soil Biology and Biochemistry, 1985, 17:
837-842
[18]摇 Hao L鄄R (郝黎仁), Fan Y (樊 元), Hao Z鄄O (郝哲
欧). SPSS Practical Statistics Analysis. Beijing: China
Water Power Press, 2003 (in Chinese)
[19]摇 Ju X鄄T (巨晓棠), Liu X鄄J (刘学军), Zhang F鄄S (张
福锁). Effects of long鄄term fertilization on soil organic
nitrogen fractions. Scientia Agricultura Sinica (中国农
业科学), 2004, 37(1): 87-91 (in Chinese)
[20]摇 Han X鄄R (韩晓日), Chen E鄄F (陈恩风), Guo P鄄C
(郭鹏程), et al. Effect of long鄄term fertilization on
crop yield and N fertility. Chinese Journal of Soil Science
(土壤通报), 1995, 26(6): 244-246 (in Chinese)
[21]摇 Wang Y (王摇 岩), Cai D鄄T (蔡大同), Shi R鄄H (史
瑞和). The availability of residual fertilizer nitrogen
and relationship with residual fertilizer nitrogen forms
and distribution. Acta Pedologica Sinica (土壤学报),
1993, 30(1): 19-24 (in Chinese)
[22]摇 Xu C鄄X (许春霞), Wu S鄄R (吴守仁). Constitution of
organic nitrogen in Lou soil and its change under condi鄄
tion of fertilization. Chinese Journal of Soil Science (土
壤通报), 1991, 22(2): 54-56 (in Chinese)
[23]摇 Theng BKG, Orchard VA. Interactions of clays with mi鄄
croorganisms and bacterial survival in soil: A physico鄄
chemical perspective / / Huang PM, ed. Environmental
Impact of Soil Component Interactions, Vol. II. Boca
Raton, FL: CRC Lewis Publishers, 1995: 123-143
[24]摇 Zhu H鄄P (朱海平), Yao H鄄Y (姚槐应), Zhang Y鄄Y
(张勇勇), et al. Effect of fertilizer system on soil mi鄄
crobial ecology. Chinese Journal of Soil Science (土壤通
报), 2003, 34(2): 140-142 (in Chinese)
[25]摇 Zhang J鄄H (张继宏), Yan L (颜摇 丽), Dou S (窦摇
森). A Research on Soil Fertilization for Sustainable
Development of Agriculture. Shenyang: Northeast Uni鄄
versity Press, 1995 (in Chinese)
作者简介摇 郝晓晖,女,1980 年生,博士.主要从事土壤生物
化学研究. E鄄mail: hetty_hitt@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
4841 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 21 卷