土壤改良基质对土壤性状及微生物群落的影响_吴昊.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022，41（12）:2742-27512022年12月开放科学OSID土壤改良基质对土壤性状及微生物群落的影响吴昊1，欧阳俊峰1，宋时丽1，陆晓林1，张振华2，管永祥3，张勇4，戴传超1*（1.南京师范大学生命科学学院，江苏省微生物资源产业化工程技术研究中心，江苏省微生物与功能基因组学重点实验室，南京210023；2.江苏省农业科学院资源与环境研究所，南京 210014；3.江苏省农业技术推广总站，南京 210036；4.江苏省句容蓝天碧水生物科技有限公司，江苏 句容 212402）Effects of the application of soil amended substrate medium on soil properties and microbial communitiesWU Hao1,OUYANG Junfeng1,SONG Shili1,LU Xiaolin1,ZHANG Zhenhua2,GUAN Yongxiang3,ZHANG Yong4,DAI Chuanchao1*（1.Jiangsu Key Laboratory for Microbes and Functional Genomics,Jiangsu Engineering and Technology Research Center for Industrializationof Microbial Resources,College of Life Sciences,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,China;2.Institute of Agricultural Resourcesand Environment,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;3.General Station of Jiangsu Agricultural TechnologyExtension,Nanjing 210036,China;4.Jurong Blue Sky Biological Technology Co.,Ltd.,Jurong 212402,China）Abstract：A one-year field study was conducted to study the effects of the combined application of chemical fertilizer and soil amendedsubstrate medium（SM）,made from fermented and decomposing straw,on wheat yield and the soil microbial community in a typically low-yielding wheat-maize rotation area of the Yellow River died-riverway.The wheat yield and soil microbial community were subjected to fivetreatments：chemical fertilizer（CK,no soil amended substrate medium）,3 000 kghm-2soil amended substrate medium（SM1）,6 000 kghm-2soil amended substrate medium（SM2）,9 000 kghm-2soil amended substrate medium（SM3）,and 12 000 kghm-2soil amendedsubstrate medium（SM4）.In all the treatments,same amounts of chemical fertilizer were used.On treatment,the crop yield,soil properties,nutrition,and microbial community were analyzed.The results showed that the SM input increased the wheat production with the highest收稿日期：2022-10-10录用日期：2022-12-06作者简介：吴昊（1996），男，硕士研究生，从事环境微生物研究。E-mail：*通信作者：戴传超E-mail：基金项目：江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（17）1001，JAST1F）Project supported：Jiangsu Agriculture Science and Technology Innovation Fund（CX（17）1001，JAST1F）摘要：为了研究发酵腐熟的秸秆作为有机添加基质（SM）与化肥联合施用对小麦产量和土壤微生物群落及多样性的影响，本研究对我国小麦-玉米典型低产区黄河故道（以沙壤土为主）进行了基质不同施用量的田间试验，试验包括5个处理：化肥（CK，无土壤改良基质），3 000 kghm-2的土壤改良基质（SM1），6 000 kghm-2的土壤改良基质（SM2），9 000 kghm-2的土壤改良基质（SM3），12 000 kghm-2的土壤改良基质（SM4），所有处理的化肥用量与CK相同。研究分析了不同SM添加下小麦产量，土壤性状和营养及微生物群落结构的变化。结果显示该有机改良剂提高了小麦产量，产量最高达到了8 276.40 kghm-2，是CK组的1.32倍。同时也增加了16S和18S基因的拷贝数，峰值分别达到CK的15.3倍和7.8倍，并改变了真菌的微生物群落结构，提高了微生物群落的多样性。随着SM的施用量增加，土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮和土壤多种酶活也同步增加。典型相关分析结果表明微生物生物量碳和有机质对土壤真菌群落结构的影响最为显著。研究表明，SM作为有机改良剂可以提高黄河故道由于河流冲击形成的低产沙壤土地区的小麦产量。关键词：农田改造；小麦产量；贫瘠土壤；微生物群落；土壤性状中图分类号：S512.1；X172文献标志码：A文章编号：1672-2043（2022）12-2742-10doi:10.11654/jaes.2022-1010吴昊，欧阳俊峰，宋时丽，等.土壤改良基质对土壤性状及微生物群落的影响J.农业环境科学学报,2022,41（12）：2742-2751.WU H,OUYANG J F,SONG S L,et al.Effects of the application of soil amended substrate medium on soil properties and microbialcommunitiesJ.Journal of Agro-Environment Science,2022,41（12）：2742-2751.吴昊，等：土壤改良基质对土壤性状及微生物群落的影响2022年12月土壤有机质和微生物与作物产量及土壤质量关系密切1。随着人口数量的增加和生活水平的提高，粮食需求量也日益增长，尤其是在粮食低产和中产地区这种矛盾尤为突出。我国人均耕地有限，大多数地区的耕地贫瘠且产量较低2。因此提高耕地产量以满足食物需求对我国具有重要意义。各类有机添加物（如豆科植物、粪肥和有机肥等）被用于农业生产以提高耕地产量3-6，但这些有机添加剂对提升土壤肥力的效果有限。例如：种植豆科作物改良土壤时，需要很长时间来供植物吸收固氮，因此对土壤质量的改良见效较慢7；植物残体和粪肥的使用有引入病原菌和提高土壤重金属含量的风险3-4，8-9。此外，商业化有机改良剂的生产还受到原料来源和成本的限制。因此，寻找可以快速培肥且成本低廉的土壤改良剂成为了一个重要的研究领域。秸秆作为一种重要的农业废弃物，直接还田会伴随病原菌的侵染和对养分的争夺10。因此，本研究使用发酵和分解的秸秆作为土壤改良剂，即土壤改良培肥基质（SM）。基质的有机质含量超过55%，活菌数超过2108cfug-1，原料廉价易得，密度低且便于运输。为验证该基质对土壤酶、土壤微生物和作物产量的影响，本课题组在我国小麦-玉米的典型低产区进行了不同施用量的田间试验。研究分析了基质对土壤理化性质和生物学性质的影响，土壤性质对土壤微生物群落和多样性的影响，以及不同投入量的基质对小麦产量的影响。1材料与方法1.1 试验地点与试验设计试验区位于中国江苏省滨海县黄河湾农场（3408N，11953E），农场每年实行小麦-玉米轮作制。该地属温带季风气候，年平均气温14.1，年平均降水量 949.5 mm。土壤类型为潮土，有机质含量为6.55 gkg-1，全氮含量为 0.55 gkg-1，有效氮含量为8.67 mgkg-1，有效磷含量为8.47 mgkg-1，有效钾含量为65.54 mgkg-1，容重为1.35 gcm-3，pH值为8.50（土水比为1 2.5）。田间试验设置5个处理：（1）化肥（CK，无土壤改良基质）；（2）3 000 kghm-2的土壤改良基质（SM1）；（3）6 000 kghm-2的土壤改良基质（SM2）；（4）9 000kghm-2的土壤改良基质（SM3）；（5）12 000 kghm-2的土壤改良基质（SM4）。所有处理的化肥用量与CK相同。土壤改良基质理化性质见表 1。5 个处理的总N、总P和总K含量见表2。每个试验区均为15 m10 m，每种处理3个重复，共15个试验裂区，各裂区采用完全随机分配。按当being 8 276.40 kghm-2,which is 1.32 times higher than the CK.Soil fertilization also increased the 16S and 18S gene copies andmicrobial diversity,of which the 15.3 folds and 7.8 folds were highest as the control,respectively.Increase in SM applicationproportionately increased the soil microbial biomass carbon,microbial biomass nitrogen,and various enzyme activities.The composition ofsoil fungal community was reported to be different for SM and CK.The study thus finds that microbial biomass carbon and soil organicmatter are the main soil characteristics leading to the changes of the soil fungal community structure.Our research demonstrates anamendment strategy using SM as a source of organic matter for the improvement of sandy loam that has the potential to increase crop yieldin alluvial sediments of the Yellow River.Keywords：farmland renovation;wheat yield;poor soil;microbial community;soil property