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作者简介:

李春梅(1996-),在读硕士研究生,主要研究方向为耕作制度与农业生态。E-mail:1746079452@qq.com。

通讯作者:

徐文修,E-mail:xjxwx@sina.com;

李鹏程,E-mail:lipengchengcr@163.com。

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目录contents

    摘要

    为揭示连续定点不同氮用量对棉田土壤微生物的影响,于 2018 ~ 2020 年在阿拉尔连续 3 年定点设置 6 个氮处理:0 kg/hm2 (N0)、90 kg/hm2 (N1)、180 kg/hm2 (N2)、270 kg/hm2 (N3)、360 kg/hm2 (N4)、450 kg/hm2 (N5),研究了连续 3 年定点施氮对 0 ~ 60 cm 土层三大菌群数量及结构比例的影响。结果表明,各处理 0 ~ 60 cm 土层土壤微生物均以细菌为主,放线菌次之,真菌最少。连续定点施氮可分别提高 0 ~ 60 cm 土层土壤细菌、真菌、放线菌总数,且随施氮量的增加基本呈先增后降的变化趋势。其中细菌、放线菌数量均在 N3 处理达到峰值,其数量变化均主要集中在 0 ~ 40 cm 土层(0 ~ 40 cm 细菌占其总数的 71.92% ~ 79.65%,0 ~ 40 cm 放线菌占其总数的 77.21% ~ 92.06%);真菌数量在 N4 处理达到峰值,其数量变化主要集中在 0 ~ 20 cm 土层 (0 ~ 20 cm 真菌占其总数的 35.62% ~ 65.84%)。随施氮量的增加,三大菌群总数呈先增后降的趋势,至 N3 处理最高,为 9.70×106 CFU/g,细菌 / 真菌和放线菌 / 真菌基本呈降低的趋势,真菌占比则总体呈上升的趋势。因此,南疆阿拉尔地区推荐施氮量为 270 kg/hm2 ,可平衡土壤微生物菌群结构,获得较好的土壤生态环境。

    Abstract

    In order to reveal the effects of different nitrogen application rates on soil microorganisms in cotton fields,a field experiment was conducted with in Alaer region for three consecutive years from 2018 to 2020.Six nitrogen treatments, including 0 kg/hm2 (N0),90 kg/hm2 (N1),180 kg/hm2 (N2),270 kg/hm2 (N3),360 kg/hm2 (N4)and 450 kg/hm2 (N5),were set up to study the effects of located and quantitative nitrogen fertilization on the number and structure proportion of the three microflora in 0 ~ 60 cm soil layer.The results showed that,in the 0 ~ 60 cm soil layer of each treatment,soil microorganisms were mainly bacteria,actinomycetes followed,and fungi were the least.Continuous located and quantitative nitrogen fertilization increased the total numbers of soil bacteria,fungi and actinomycetes in 0 ~ 60 cm soil layer.With the increase of nitrogen application rates,the total numbers of soil bacteria,fungi and actinomycetes basically increased first and then decreased.The maximum number of bacteria and actinomycetes appeared at the treatment N3,and the changes were mainly reflected in 0 ~ 40 cm soil layer(bacteria from 0 ~ 40 cm soil layer accounted for 71.92% ~ 79.65% of the total,actinomycetes from 0 ~ 40 cm soil layer accounted for 77.21% ~ 92.06% of the total);The maximum number of fungi appeared at the treatment N4,and the variation was mainly reflected in 0 ~ 20 cm soil layer(fungi from 0 ~ 20 cm soil layer accounted for 35.62% ~ 65.84% of the total).With the increase of nitrogen application rate,the total number of the three microflora increased first and then decreased,the maximum values appeared at the treatment N3(9.70× 106 CFU/g),and the bacteria/fungi and actinomycetes/fungi basically showed a decreasing trend,while the proportion of fungi generally showed an increasing trend.Therefore,the recommended nitrogen application rate in Alar region is 270 kg/ hm2 ,which can balance the structure of soil microbial flora and obtain a better soil ecological environment.

  • 新疆是我国最大的商品棉生产基地,棉花生产在地区经济和我国棉产业发展中占有举足轻重的地位。2020 年新疆棉花播种面积占我国棉花播种面积的 78.95%,单产水平达 2063 kg/hm2,总产量占比 87.33%,居全国首位[1]。由于棉花高产以大量的肥料投入为前提[2],而氮素是土壤养分的主要限制因子,在作物增产中有十分重要的作用[3],因而许多农户认为施肥越高作物产量越高,导致棉花施肥中长期存在施肥过高的现象。这种长期的高量氮肥施用不仅导致作物的产量及品质不增反降[4],还影响土壤氮素供应[5]及地下部的土壤生物群体[6],对环境造成负面影响[7-9]。由于新疆棉田氮肥长期不合理施用的现象仍未得到有效控制,加之农业农村部高度重视并要求持续推进化肥的减量增效[10],故本研究从土壤微生物的角度入手,探明连续不同施氮水平微生物数量及微生物结构的影响,其对棉田减量施氮、保持土壤肥力具有重要的理论价值和实践意义。

  • 氮元素不仅是作物生长所需的重要元素,也是影响土壤微生物群体结构的主要因素[11],而土壤中微生物不仅参与调控土壤中养分循环及物质转化,其数量与土壤肥力之间更有着较强的联系[12]。前人研究表明,一定范围内增施尿素能促进微生物数量的增加和产量的提高,当过量施用时效果则相反[13]。长期大量施入氮肥导致氮素损失加重,造成农田土壤供肥能力下降[14]、同时使土壤中的细菌数量降低[1115]。而适宜的施氮量则能减少氮素损失,增加微生物数量,改善菌群结构[14]。长久以来,人们对新疆棉田施氮量对土壤微生物的研究主要在 0~20 cm 土层,研究内容集中于施氮量对土壤微生物数量、结构及近年来的热点微生物高通量测序等,并且研究绝大多数是基于一年或多年不定位的试验结果,而对定点定量施氮对棉田土壤微生物土层分布特征及结构影响的研究报道较少。因此,深入探讨连续定点不同施氮水平下棉田土壤微生物的数量变化及纵向分布特征,有助于揭示长期不同土壤氮素水平对棉田微生物的影响,为棉花精准施肥和形成高产优质的氮肥施用量提供理论依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验设计

  • 1.1.1 试验区概况

  • 试验于 2018~2020 年连续 3 年在新疆阿拉尔农一师十团(中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站)进行,位于天山山脉南麓、塔里木盆地北缘,地理坐标为东经 80°30′至 81°58′,北纬 40°22′至 40°57′,属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候,年均日照时数 2556.3~2991.8 h,年均降水量 40.1~96.0 mm,年均蒸发量 1876.6~2558.9 mm, 2020 年年平均气温 12.29℃。试验区土壤为砂壤土,土地平整,0~60 cm 土层土壤肥力状况:有机质含量 8.6 g/kg,全氮含量 0.48 g/kg,碱解氮含量 47.8mg/kg、有效磷含量 17.2 mg/kg、速效钾含量 90.8 mg/kg。

  • 1.1.2 试验设计

  • 试验采用随机区组试验设计,设置 6 个施氮处理(氮,kg/hm2):0(N0)、90(N1)、180(N2)、 270(N3)、360(N4)、450(N5),供试氮肥为尿素(N 46%),各小区氮肥总量的 25% 为基施, 75% 为随水追施,追施比例分别是盛蕾期 18.75%、初花期 18.75%、盛花期 26.25%、盛铃期 11.25%。小区面积 121.98 m2 (10.7 m×11.4 m),重复 3 次,共有 18 个小区。各小区结合翻耕整地一次性施入基肥过磷酸钙(P2O5 100 kg/hm2)和硫酸钾(K2O 100 kg/hm2)。灌溉方式为滴灌,全生育期滴灌 9 次。 2019、2020 年在 2018 年各小区原位上进行重复试验。

  • 供试品种 2018 年为中棉所 49,2019 和 2020 年为中棉所 96A。分别于 2018 年 4 月 19 日、2019 年 4 月 20 日和 2020 年 4 月 24 日采用 76 cm 等行距播种,种植密度为 18×104 株 /hm2,地膜栽培,每年收获后秸秆粉碎还田(11 月 5~6 日),11 月 11 日进行冬灌。田间管理参照当地常规大田进行。

  • 1.2 测定项目及方法

  • 1.2.1 土壤样品采集

  • 于 2020 年棉花收获期在各小区采取土壤样品,采用“S”形取样法,每个小区选取 5 个取样点,每个点取土深度 0~60 cm,每 20 cm 为一层,将同一小区同一土层 5 个样点的土壤混匀作为一个土样,即每处理 3 个土壤样品。将土壤样品混匀后过2 mm 筛,装入无菌纸袋,带回实验室 4℃保存,用于土壤微生物的测定。

  • 1.2.2 土壤微生物区系测定

  • 细菌、真菌、放线菌采用稀释平板法。将盛有 10 g 新鲜土壤和 90 mL 无菌水的三角瓶放在振荡机上振荡 20 min,使土样均匀地分散在稀释液中成为土壤悬液,土壤悬液接种采用混菌法,细菌选择牛肉膏蛋白胨培养基,真菌选择马丁氏培养基,放线菌选择改良高氏Ⅰ号培养基。结果计算以 CFU/g 干土表示[16]

  • 1.3 数据处理方法

  • 采用 Excel 2019 进行数据分析和制图,采用 SPSS 19.0 进行数据方差分析。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同氮用量对棉田土壤细菌数量的影响

  • 如图1 所示,较 N0 处理相比,施氮可显著增加 0~60 cm 土壤细菌总数,且随施氮量的增加呈先增后降的变化趋势,至 N3 处理达到峰值(6.17×106 CFU/g)。进一步分析可知,各处理 0~60 cm 土层细菌总数呈现 N3>N4>N2>N5>N1>N0 的变化趋势,各施氮处理(N1~N5)较 N0 处理相比分别提高 8.15%、14.66%、25.66%、23.83%、 9.37%。

  • 进一步分析各处理各土层间土壤细菌数量差异可知,各处理土壤细菌主要集中在 0~40 cm 土层,占 0~60 cm 土层细菌总数的 71.92%~79.65%。各处理 0~20 cm 土层细菌数量表现为 N3、N4 和 N5 处理显著高于 N0、N1 和 N2 处理,且 N1 和 N2 处理均与 N0 处理差异不显著,其中以 N1 处理细菌数量最低,其余各施氮处理较 N1 处理相比分别提高 16.22%、66.89%、63.51%、 62.84%;各处理间 20~40 cm 土层细菌数量呈现 N1>N2>N3>N0>N4>N5 的变化趋势,各处理间均呈现显著性差异,其中 N1、N2 和 N3 处理较 N0 处理分别显著提高 23.94%、14.96% 和 7.94%, N4、N5 处理则分别依次显著低于 N0 处理 12.23%、 32.09%;各处理间 40~60 cm 土层细菌数量表现出 N4>N5>N2>N3>N0>N1 的变化趋势,其中 N0 与 N1 处理差异不显著,N2、N3、N4 和 N5 处理分别显著高于 N0 处理 24.51%、19.49%、56.61% 和 33.14%。表明与 N0 处理相比,连续中量施氮(N3),可显著增加 0~60 cm 各土层细菌数量。

  • 图1 不同施氮水平下土壤细菌数量比较

  • 注:不同图案表示不同土层,相同土层或同一直线不同小写字母表示不同施氮水平下差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.2 不同氮用量对棉田土壤真菌数量的影响

  • 如图2 所示,0~60 cm 土层土壤真菌总数随施氮量的增加呈先增后降的变化趋势,至 N4 处理达到峰值(13.06×104 CFU/g)。进一步分析可知,各处理 0~60 cm 土层真菌总数呈 N4>N3>N5>N2>N1>N0 的变化趋势,各施氮处理(N1~N5)较 N0 处理相比分别显著提高 26.01%、114.80%、175.34%、 485.68%、172.20%。

  • 进一步比较各处理各土层间土壤真菌数量差异可知,各处理基本以 0~20 cm 土层土壤真菌居多,其中 N0 和 N1 处理 0~20 cm 土层真菌数量分别占 0~60 cm 土层真菌总数的 40.10%、 35.62%,当施氮量达到或超过 N2 处理施氮量时,各处理 0~20 cm 真菌数量占其总数的比例达 55.08%~65.84%。各处理 0~20 cm 土层真菌数量呈现 N4>N5>N3>N2>N1>N0 的变化趋势,其中 N0 与 N1 处理差异不显著,其余各施氮处理较 N0 处理相比分别显著增加了 204.49%、294.38%、 707.87%、349.44%;20~40 cm 土层真菌数量占其总菌数的比例为 19.06%~43.34%,各处理间真菌数量呈现 N4>N3>N5>N2>N0>N1 的变化趋势,其中 N0、N1 和 N2 处理真菌数量显著低于 N3、N4 和 N5 处理,且 N0、N1 和 N2 处理间差异均不显著,N3、N4 和 N5 处理间均存在显著性差异;各处理 40~60 cm 土层真菌数量占其总菌数的比例为 10.41%~37.05%,处理间表现出 N4>N2>N1>N5>N3>N0 的变化趋势,其中各处理 40~60 cm 土层真菌数量较 N4 处理分别降低 86.55%、62.42%、60.26%、76.82%、66.92%。表明与 N0 处理相比,施氮可显著增加 0~60 cm 土层真菌总数,土层间以 0~20 cm 土层真菌数量增加比例最大,处理间以 N4 处理各土层真菌数量增加最为显著。

  • 图2 不同施氮水平下土壤真菌数量比较

  • 2.3 不同氮用量对棉田土壤放线菌数量的影响

  • 如图3 所示,0~60 cm 土层土壤放线菌总数随施氮量的增加呈先增后降再增再降的变化趋势,至 N3 处理达到峰值,为 34.75×105 CFU/g。进一步分析可知,各处理间均存在显著性差异,具体表现出 N3>N4>N1>N2>N5>N0 的变化趋势,且各施氮处理(N1~N5)较 N0 处理相比分别显著提高 118.78%、102.41%、178.89%、130.74%、90.13%。

  • 进一步分析可知,各处理土壤放线菌数量均表现为 20~40 cm 土层 >0~20 cm 土层 >40~60 cm 土层的变化趋势。0~20 cm 土层土壤放线菌数量占其总数的比例为 13.01%~45.65%,各处理间呈现 N3>N4>N5>N1>N2>N0 的变化趋势,其中 N1、 N2、N5 处理间差异不显著,其余各处理间均呈现显著性差异,各施氮处理(N1~N5)较 N0 处理相比分别显著提高 387.17%、342.90%、879.18%、 545.70%、410.48%,表明施氮有利于 0~20 cm 土层土壤放线菌成倍的增加;20~40 cm 土层放线菌数量占其总数的比例为 47.52%~64.20%,且各施氮处理(N1~N5)均显著高于不施氮处理,较 N0 处理相比分别提高 105.25%、87.00%、106.63%、 83.38%、69.25%;40~60 cm 土层放线菌数量占其总数的比例为 7.94%~22.79%,各处理间放线菌数量表现为 N4>N2>N1>N0>N3>N5 的变化趋势,其中 N0、N1 和 N2 处理的处理间差异均不显著,N3 和 N5 处理显著低于 N0 处理,分别低 16.79% 和 33.93%,N4 处理则显著高于 N0 处理 22.23%。表明与 N0 处理相比,连续施氮可提高 0~60 cm 土壤放线菌总数,且对 0~20、20~40 cm 土层放线菌数量的影响较大。

  • 图3 不同施氮水平下土壤放线菌数量比较

  • 2.4 不同氮用量对棉田土壤三大菌群组成比例的影响

  • 由表1 可知,施氮对土壤微生物总数及三大菌群的组成比例有显著影响,各处理棉田 0~60 cm 土层土壤微生物总数均以细菌为主(占比 63.57%~79.46%),其次为放线菌( 占比 20.18%~35.79%),真菌最少( 占比 0.35%~1.44%)。进一步分析可知,0~60 cm 土层土壤微生物总数随施氮量的增加基本呈先增后降的变化趋势,至 N3 处理达到峰值,为 9.70×106 CFU/g,且分别显著高于其他各处理 56.96%、20.20%、18.29%、 6.83%、24.36%。表明中量施氮(N3)有利于土壤微生物总数的增加。

  • 表1 不同施氮水平下 0~60 cm 土层三大菌群组成比例比较

  • 注:同列不同小写字母表示不同施氮水平下差异显著(P<0.05)。

  • 进一步分析可知,细菌占总菌数比例表现为 N0>N2>N4>N1>N5>N3 的变化趋势,真菌占总菌数比例表现为 N4>N5>N3>N2>N0>N1 的变化趋势,放线菌占总菌数比例表现为 N3>N1>N4>N2>N5>N0 的变化趋势。综上可知,棉田土壤细菌占比表现为 N0 处理最高,放线菌占比为中量施氮(N3)最高,而真菌占比表现为高量施氮(N4、N5)高于 N0 或低量施氮(N1、N2)。故随施氮量的增加细菌和放线菌的总占比总体呈降低的趋势,真菌占比则总体呈上升的趋势。

  • 2.5 不同氮用量对棉田土壤微生物菌群结构的影响

  • 如表2 所示,各施氮处理 0~60 cm 土层土壤细菌 / 真菌(B/F)和放线菌 / 真菌(A/F)均随施氮量的增加基本呈降低的趋势。进一步比较不同处理间差异可知,N4、N5 处理的土壤 B/F 和 A/F 均显著低于其他处理,其中 N4 处理 B/F 和 A/F 均最低,较 N0 处理相比 B/F 显著降低了 78.86%、A/F 显著降低了 60.60%。由此可知,施氮过高情况下土壤真菌数量的大量增加,导致土壤中细菌和放线菌占比减少,土壤微生物菌群平衡遭到破坏,棉田土壤微生物菌群结构从高肥的“细菌型”土壤向低肥的“真菌型”土壤转化,棉田土壤肥力的降低。而低量施氮(N1、N2)和中量施氮(N3)较高量施氮(N4、N5)相比能够提升棉田土壤 B/F 和 A/ F,平衡土壤微生物菌群结构,有利于土壤肥力的提高。

  • 表2 不同施氮水平下 0~60 cm 土层微生物菌群结构比较

  • 注:同行不同小写字母表示不同施氮水平下差异显著(P<0.05)。

  • 3 讨论

  • 在农业生产上不断施用氮肥是提高土壤肥力、保证作物高产的重要措施之一[17]。前人研究表明,施氮不足或过量均会导致作物产量下降[18-24]。而导致这种现象的原因从作物栽培学的角度解释,是因为氮肥的过量施用,对土体、水体以及大气造成污染,其必然会影响到该系统内作物的正常生长,并最终影响其产量[7]。而对土体的污染则包括对土壤微生物产生的深远影响[11]。本研究结果表明,不同施氮水平下土壤微生物均以细菌为主,放线菌次之,真菌最少,这与房彦飞等[14]的研究结果相似。同时也与申晓慧[25]的研究结果一致,表明氮肥的施用能增加土壤中细菌、真菌和放线菌的数量,但与周晶等[11]、刘杏兰等[15]研究得出长期施肥能使土壤中的细菌数量降低的结果不一致,这可能与施肥年限、种植方式及环境条件不同有关。以往研究表明,土壤中细菌、放线菌密度高,表明土壤肥力水平较高[26],真菌密度高则是土壤地力衰竭的标志[27]。而适宜的施氮量有利于提高土壤中细菌和放线菌的丰度,从而起到改良土壤质量,培肥土壤的效果[14]。本研究表明,中量施氮(N3)不仅利于棉田土壤微生物总数的积累,且较高量施氮 (N4、N5)相比更有利于增加细菌和放线菌数量,并提高土壤中细菌和放线菌的丰度。因此,本试验在施氮量为 270 kg/hm2 时,可改善土壤菌群结构,进而起到培肥土壤的效果。

  • 4 结论

  • 本研究结果表明,连续施氮对收获期棉田土壤三大菌群数量、菌群结构均有显著影响,各处理 0~60 cm 土层土壤微生物均以细菌为主,放线菌次之,真菌最少。连续定点施氮可分别提高 0~60 cm 各土层土壤细菌、真菌、放线菌的数量,但并不是施氮量越高微生物数量增加越多,当施氮量超过 270 kg/hm2 时,再增施氮肥反而会抑制土壤中微生物数量的增加,且增大土壤真菌占比,降低 B/ F 和 A/F 值,进而导致土壤肥力降低。综上,基于本试验条件下,认为南疆阿拉尔地区施氮量为 270 kg/hm2,有利于协调土壤微生物菌群结构关系,进而利于调节土壤生态环境。

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    • [7] 孙志梅,武志杰,陈利军,等.农业生产中的氮肥施用现状及其环境效应研究进展[J].土壤通报,2006,37(4):782-786.

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    • [19] 李飞,郭利双,李彩红,等.施氮量对油后直播棉花产量、品质及生物量的影响[J].核农学报,2020,34(9):2088-2094.

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    • [21] 李永旗,夏绍南,李鹏程,等.花铃期叶施不同浓度尿素对棉株氮素吸收分配及生理生化特性的影响[J].核农学报,2016,30(3):580-587.

    • [22] 杨修一,田晓飞,张娟,等.控释氮肥在棉花上的应用研究进展[J].棉花学报,2015,27(5):481-488.

    • [23] 娄善伟,张巨松,罗新宁,等.施氮水平对棉花农艺性状、倒四叶光合特性及产量的影响[J].新疆农业大学学报,2009,32(1):39-42.

    • [24] Liu R X,Zhou Z G,Guo W Q,et al.Effects of N fertilization on root development and activity of water-stressed cotton(Gossypium hirsutum L.)plants[J].Agricultural Water Management,2008,95(11):1261-1270.

    • [25] 申晓慧.不同氮肥施用量对大豆根际土壤微生物数量及产量的影响[J].大豆科学,2014,33(2):284-286.

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  • 参考文献

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    • [19] 李飞,郭利双,李彩红,等.施氮量对油后直播棉花产量、品质及生物量的影响[J].核农学报,2020,34(9):2088-2094.

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    • [23] 娄善伟,张巨松,罗新宁,等.施氮水平对棉花农艺性状、倒四叶光合特性及产量的影响[J].新疆农业大学学报,2009,32(1):39-42.

    • [24] Liu R X,Zhou Z G,Guo W Q,et al.Effects of N fertilization on root development and activity of water-stressed cotton(Gossypium hirsutum L.)plants[J].Agricultural Water Management,2008,95(11):1261-1270.

    • [25] 申晓慧.不同氮肥施用量对大豆根际土壤微生物数量及产量的影响[J].大豆科学,2014,33(2):284-286.

    • [26] 李琼芳.不同连作年限麦冬根际微生物区系动态研究[J]. 土壤通报,2006,37(3):563-565.

    • [27] 徐文修,罗明,李银平,等.作物茬口对连作棉田土壤环境及棉花产量的影响[J].农业工程学报,2011,27(3):271-275.

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