连续炭基肥替代化肥对菜园土壤性质和细菌群落结构的影响.pdf
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1、热带亚热带植物学报 2023,31(4):494 502 Journal of Tropical and Subtropical Botany 收稿日期收稿日期:2022-02-04 接受日期接受日期:2022-05-27 基金项目基金项目:中央引导地方科技发展专项(2021L3021);福建省科技厅公益项目(2020R1021003);福建省农科院协同创新工程(XTCXGC2021010)资助 This work was supported by the Project for Central Government Guides Local Science and Technology De
2、velopment(Grant No.2021L3021),the Project for Public Welfare Scientific Research in Fujian(Grant No.2020R1021003),and the Project for Collaborative Innovation of Fujian Academy of Agricultural Sciences(Grant No.XTCXGC2021010).作者简介:叶菁(1985 年生),女,助理研究员,研究方向为红壤保育与生态修复。E-mail:anna_*通讯作者 Corresponding au
3、thor.E-mail:sd_ 连续炭基肥替代化肥对菜园土壤性质和细菌群落结构的影响连续炭基肥替代化肥对菜园土壤性质和细菌群落结构的影响 叶菁1,王义祥1,2*,刘岑薇1,林怡1,黄家庆1,翁伯琦1(1.福建省农业科学院农业生态研究所,福建省红壤山地农业生态过程重点实验室,福州 350013;2.福建省农业科学院土壤肥料研究所,福州 350013)摘要:摘要:为了解生物炭基肥替代化肥减量施用的田间长期效应,利用定位试验研究连续 5 a 炭基肥替代化肥对蔬菜产量、土壤理化性质和细菌群落结构的影响。结果表明,连续 5 a 实施炭基有机肥替代化肥,土壤 pH 提高了 0.130.25,土壤有机质、碱
4、解氮和有效磷含量也分别提高了 2.1%62.2%、5.8%86.0%和 0.4%103.1%,炭基肥替代化肥处理的荠菜(Capsella bursa-pastoris)产量提高了4.0%14.8%,但75%替代处理较50%替代处理有所降低。炭基肥替代化肥处理的土壤菌群Sobs、Shannon、Ace 和 Chao 指数均高于单施化肥处理,且均以 75%替代处理最高。炭基肥替代化肥显著降低了土壤中硝化菌属(Nitrolancea)、拟无枝酸菌属(Amycolatopsis)、芽单胞菌属(Gemmatimonas)等的丰度,增加了纤维素降解菌菌群(Planifilum、Saccharomono-s
5、pora)的丰度。芽单胞菌属、Ilumatobacteraceae、Methyloligellaceae 等的丰度与土壤全氮、全磷、有机质间具有显著的相关性。可见,连续炭基肥替代化肥明显改善了菜地土壤的理化性质,从而影响了土壤细菌群落结构和多样性,适量替代可以提高蔬菜产量,但应注意长期连续施用对土壤 pH、碳/氮的影响,避免过量施用抑制作物对养分的吸收利用。关键词:关键词:菜园;生物炭基肥;化肥;土壤;细菌群落 doi:10.11926/jtsb.4624 Effects of Continuous Biochar-based Fertilizer Replacement on Soil Pr
6、operties and Bacterial Community Structure in Vegetable Garden YE Jing1,WANG Yixiang1,2*,LIU Cenwei1,LIN Yi1,HUANG Jiaqing1,WENG Boqi1(1.Agricultural Ecology Institute,Fujian Academy of Agricultural Science,Fujian Key Laboratory of Agricultural Ecological Process of Red Soil Mountain,Fuzhou 350013,C
7、hina;2.Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Science,Fuzhou 350013,China)Abstract:In order to understand the field long-term effect of biochar-based fertilizer instead of chemical fertilizer,the vegetable yield,soil physical and chemical properties and bacterial community s
8、tructure with biochar-based fertilizer replacement for 5 consecutive years were studied by localization experiment.The results showed that soil pH increased 0.13-0.25 after 5 years,and the contents of organic matter,alkali-hydrolyzable nitrogen and available phosphorus in soils increased 2.1%-62.2%,
9、5.8%-86.0%and 0.4%-103.1%,respectively.The yield of Capsella bursa-pastoris with biochar-based fertilizers increased by 4.0%-14.8%than that of the control,but the yield under 75%replacement was lower than that of 50%replacement.The indexes of Sobs,Shannon,Ace and Chao of soil bacteria with biochar-b
10、ased fertilizer were higher than those of chemical fertilizer,and those under 75%replacement were the highest.Compared to chemical fertilizer,the abundances of Nitrolancea,Amycola-第 4 期 叶菁等:连续炭基肥替代化肥对菜园土壤性质和细菌群落结构的影响 495 topsis and Gemmatimonas with biochar-based fertilizer decreased significantly,a
11、nd the abundances of cellulose-degrading bacterial increased,such as Planifilum and Saccharimonadales.There were significant correlations between the abundances of Gemmatimonas,Ilumatobacteraceae,Methyloligellaceae,and soil total nitrogen,total phosphorus,organic matter.Therefore,the replacement of
12、continuous biochar-based fertilizer significantly improved soil physical and chemical properties,and caused the changes in bacterial community structure and diversity.Appropriate replacement of biochar-based fertilizers could increase vegetable yield,but the effect of long-term continuous applicatio
13、n on soil pH and C/N should be paid attentions,so as to avoid excessive application inhibiting nutrients uptake and utilization by crops.Key words:Vegetable garden;Biochar-based fertilizer;Chemical fertilizer;Soil;Bacterial community 我国是化肥生产和使用大国,2019 年我国农用化肥施用折纯量为 5.404107 t。近年来随着化肥减量增效政策的实施,我国化肥施用
14、总量首次呈现略微降低的态势,但与发达国家相比仍存在较大的差距。尤其是对蔬菜作为高耗肥农作物,19972018年我国蔬菜平均化肥施用量为 602.6 kg/hm2,是主粮作物的 1.8 倍1。在“双碳”目标下,为保障蔬菜生产,改善施肥种类以减少化肥使用和提高养分利用率是现代蔬菜产业发展亟需解决的重要问题。生物炭基肥作为一种新型肥料,通过改善土壤理化性质、调节土壤微生物活性,有利于提高植物对养分的利用效率以及减少土壤中养分流失,近年来备受农业与环保领域的广泛关注和研究应用2。生物炭基肥的类型有炭基无机肥、炭基有机肥、炭基复混肥等,可用于大田作物水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea may
15、s)、小麦(Triticum aestivum)以及设施蔬菜等,作物应用上总体表现为正调控效应,具有增产提质、节肥增效及固碳减排等作用3,但目前多数生物炭基肥的研究中应用年限相对较短,其田间应用评价仍亟待加强4。生物炭基肥对作物生长、土壤改良效果与其种类、组成成分、土壤类型等因素有关,需进一步研究56。微生物在土壤养分循环、有机质分解以及土壤结构形成和稳定性方面发挥重要作用7,其多样性指数的变化也是反映土壤健康状态的敏感指标8。有研究表明,生物炭施用提高了土壤 pH 和养分利用水平9,生物炭的多孔性结构可为微生物提供适宜的生存环境10,还可通过吸附养分或改良土壤性质间接影响微生物群落11,但生
16、物炭自身养分有限,不能满足作物生长的需要12。炭基有机肥可以发挥生物炭和有机肥的互补或协同作用,有利于提高肥效和弥补生物炭养分不足13,因此,本文研究生物炭基肥替代化肥减量施用对菜园土壤性质和细菌群落结构的影响,旨为蔬菜生产中科学应用生物炭基肥提供参考。1 材料和方法 1.1 材料材料 试验地位于福建省福清市渔溪镇(2525 N,11936 E),属亚热带海洋气候,年均温 18.8,年均无霜期 365 d,年降水量 1 3501 500 mm。土壤为黏质土,有机质含量 1.37%,全氮、全磷和全钾含量分别为 0.09%、0.06%和 2.51%,碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为 42.0、35
17、.2 和 193.04 mg/kg,pH值 6.85。试验用生物炭由花生壳在 500 下裂解制备,其有机碳、全氮、全磷和全钾含量分别为 566.1、10.2、2.5 和 4.7 g/kg,pH 值 9.31。炭基有机肥由花生壳生物炭、腐熟有机肥复配而成,其中生物炭、氮、P2O5和 K2O 的质量分数分别为 9%、1.4%、3.4%和 1.8%,pH 7.8。1.2 试验设计试验设计 田间试验采用单因素随机裂区设计,共设 4 个处理,即炭基肥替代化肥氮量分别为 0(HF)、25%(B1)、50%(B2)和 75%(B3),每处理 3 个小区重复,小区面积为 8 m2。各处理等氮量设计,氮素施用量
18、为 180 kg/hm2。化肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。HF 处理的化肥用量分别为尿素 390 kg/hm2、过磷酸钙 750 kg/hm2、氯化钾 220 kg/hm2。B1、B2 和B3 处理分别利用相应量的炭基有机肥替代尿素氮,磷、钾不足部分用过磷酸钙和硫酸钾补足。试验开始于 2017 年 3 月下旬,每年种植蔬菜两茬,第一茬(3 月7 月)种植叶用甘薯(Ipomoea batatas),第二茬(9 月次年 1 月)种植荠菜(Capsella bursa-pastoris),每茬施肥 1 次。1.3 蔬菜产量测定蔬菜产量测定 于 2021 年 1 月,采收每个小区全部当季种植496
19、热带亚热带植物学报 第 31 卷 的荠菜,称取质量进行产量测定。1.4 土壤采集和理化性质分析土壤采集和理化性质分析 连续 5 a 炭基肥替代化肥后,于 2021 年 4 月在各试验小区内以“S”型多点混合法采集 020 cm 土样,去除植物碎屑和碎石,混合样品后放于冷藏箱内带回实验室。pH 采用 pH 计以水土比 2.5:1 浸提测定,全氮含量采用凯氏定氮仪测定,有机质含量采用重铬酸钾和硫酸亚铁滴定法,碱解氮含量采用碱解扩散-H3BO3吸收滴定法;全磷和速效磷采用钼锑抗比色法,全钾采用火焰光度法测定1415。1.5 土壤菌群结构分析土壤菌群结构分析 采用土壤 DNA 提取试剂盒(Omega
20、Bio-tek Inc,Doravilla,GA,USA)提取菜园土壤细菌的总 DNA,用 1%琼脂糖凝胶电泳检测 DNA 的质量,然后送至上海美吉生物医药科技有限公司,以Illumina MiSeq平台进行高通量测序和分析。1.6 数据处理数据处理 数据分析基于上海美吉生物医药科技有限公司提供的云服务(https:/www.i-)进行。参照王义祥等16的方法,分析前以“按最小样本序列数”进行数据抽平处理,其中多样性指数(-diversity)利用 mothur version v.1.30.1(http:/www.mothur.org/)计算;Qiime 计算采用-多样性距离矩阵,以 R 语
21、言作图;相关性 Heatmap 图的软件及算法采用 R 语言 pheatmap package 提供的方法。数据组间的比较采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和克氏秩和检验(Kruskal-Wallis H test)。菌群结构关联与模型预测采用 Network 共现性网络分析和单因素相关性网络分析进行分析。环境因子关联分析采用欧氏距离法。基于 Spearman 等级相关系数制作了丰度前50 属与环境因子的相关性 Heatmap 图17。2 结果和分析 2.1 荠菜产量的变化荠菜产量的变化 HF、B1、B2和B3处理的荠菜产量分别为27.93、29.06、32.07 和 30.94
22、 kg/hm2。炭基有机肥替代处理较单施化肥处理(HF)均不同程度提高了荠菜产量,为 4.0%14.8%,其中以 B2 处理的增幅最大,且 B2处理显著高于 HF 处理(P0.05)。B2 处理比 B3 处理高 3.7%,但两者间的差异不显著(P0.05)。2.2 土壤理化性质的变化土壤理化性质的变化 连续施用炭基肥 5 a 后,菜园土壤的 pH 值比单施化肥处理提高了 0.130.25,其中 B1 和 B2 处理与HF 处理间的差异达显著水平(P0.05)。从表 1 可见,随着炭基肥替代量的增加,土壤中全氮、有机质、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量呈上升趋势,其中土壤有机质含量增加了
23、2.1%62.2%,全氮增加了 13.3%48.9%,碱解氮含量提高了 5.8%86.0%,有效磷含量提高了 0.4%103.1%,B2 和 B3 处理与 HF间的差异均达显著水平(P0.05),HF 与 B1 处理间的差异不显著;但各处理间的全钾含量变化不大。表 1 土壤的理化性质 Table 1 Soil physic-chemical properties 处理 Treatment pH 全氮 Total nitrogen/%有机质/%Organic matter 全磷 Total phosphorus/%全钾 Total potassium/%碱解氮(mg/kg)Alkaline hy
24、drolyzed nitrogen 有效磷(mg/kg)Available phosphorus 速效钾(mg/kg)Available potassium HF 6.840.04b 0.120.01c 2.060.09c 0.120.01c 2.580.03b 76.937.68b 101.138.38b 193.0416.21bB1 6.970.06a 0.140.01bc 2.100.24c 0.110.01c 2.640.09ab81.409.62b 101.5717.35b 198.939.83a B2 7.030.07a 0.150.01ab 2.820.17b 0.140.01b
25、 2.720.02a 111.307.73a 164.3724.00a 228.7518.96aB3 7.090.09a 0.180.01a 3.340.22a 0.180.01a 2.760.06a 143.0711.92a 205.4033.38a 235.8923.74aHF、B1、B2、B3 分别表示炭基肥替代化肥氮量为 0、25%、50%、75%;同列数据后不同小写字母表示差异显著(PB2B1HF。Simpson 指数以 B1 处理最高,且 B1 与 B2、B3 处理间的差异均达显著水平(P0.05)。覆盖度以 HF 处理最高,且与 B3 处理间的差异达显著水平(P0.05)。对于-
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