中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (2): 307-325.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.02.008
袁慧琳1(), 李雅莹2(
), 顾文杰2, 徐培智2, 卢钰升2, 孙丽丽2, 周昌敏2, 黎婉玲2, 仇荣亮1(
)
收稿日期:
2024-01-23
接受日期:
2024-03-04
出版日期:
2025-01-21
发布日期:
2025-01-21
通信作者:
联系方式:
袁慧琳,E-mail:282213423@qq.com。
基金资助:
YUAN HuiLin1(), LI YaYing2(
), GU WenJie2, XU PeiZhi2, LU YuSheng2, SUN LiLi2, ZHOU ChangMin2, LI WanLing2, QIU RongLiang1(
)
Received:
2024-01-23
Accepted:
2024-03-04
Published:
2025-01-21
Online:
2025-01-21
摘要:
【目的】研究新鲜与腐熟鸡/猪粪长期施用下土壤溶解性有机质(DOM)的光学组分特征及其与微生物群落多样性和组成间的内在联系,为红壤区绿色循环农业实施策略的制定提供土壤生态方向的理论依据。【方法】基于国家土壤质量广州红壤观测试验站连续11年(2011—2022)的玉米-玉米-包菜轮作定位试验,包括5个处理,分别为不施肥对照、腐熟鸡粪、新鲜鸡粪、腐熟猪粪和新鲜猪粪。采集表层土壤样品,利用Illumina MiSeq高通量测序测定微生物群落,同时分析土壤DOM紫外-吸收特征及荧光吸收特征,测定相关化学性质,基于多元分析解析主要影响因子。【结果】腐熟粪肥显著提高了土壤有机质含量(122.5%—354.8%),腐熟鸡粪能有效提高土壤速效磷(1 697.2%—3 455.3%)和全磷(587.5%—812.5%)含量,腐熟猪粪主要提高土壤碱解氮(286.6%—311.3%)和全氮(326.4%—373.6%)含量。畜禽粪肥施用均显著提高了土壤DOM含量(60.3%—227.8%),其中猪粪处理对有色溶解性有机质(CDOM)含量提升效果最佳(118.1%—231.7%),鸡粪处理则增加土壤荧光溶解性有机质(FDOM)含量(293.4%—834.9%),且腐熟粪肥效果更佳(834.9%)。FDOM特征指标中,施肥处理的自生源指数均低于对照组(33.2%—39.2%),但腐殖化指数均高于对照组(40.3%—43.3%)。经平行因子分析拆分出4个荧光组分,施肥处理均主要富集C3(含富里酸和胡敏酸的中分子类腐殖质)和C4组分(含类色氨酸的大分子类腐殖质),促进FDOM类蛋白质成分转化为类腐殖质物质,且腐熟粪肥处理土壤C3与C4组分的最大荧光强度更高。腐熟鸡粪处理土壤具有更高微生物群落丰富度(Chao 1指数:19 065.6)和多样性(Shannon指数:5.6—6.0),在提高微生物群落α多样性方面更具优势。不同处理对土壤微生物群落组成的影响存在差异,鸡粪处理以富营养类群Proteobacteria(31.2%—33.0%)、Gemmatimonadetes(4.1%)为主,猪粪处理以寡营养高效碳利用类群Acidobacteria(21.0%—21.6%)和硝化细菌类群Nitrospirae(2.6%—3.4%)为主。门与科水平共线性网络均以正关联为主,其中关联数最多的菌属为Rhodobacteraceae。冗余分析及随机森林模型预测均显示微生物群落主要受速效钾和DOM中C3组分影响,其中氮循环相关微生物类群的响应较为明显。【结论】长期施用不同来源粪肥主要带来养分和有机物输入介导的腐熟成分差异,腐熟粪肥可更好地提升土壤DOM腐殖化程度,其中土壤速效养分和DOM腐殖化组分是影响土壤微生物群落结构的主要影响因素,氮循环相关微生物类群对其响应尤为明显,在长期施用畜禽粪肥的土壤中应加以关注。
袁慧琳, 李雅莹, 顾文杰, 徐培智, 卢钰升, 孙丽丽, 周昌敏, 黎婉玲, 仇荣亮. 长期施用新鲜与腐熟畜禽粪肥土壤溶解性有机质与微生物群落的特征及其关联性[J]. 中国农业科学, 2025, 58(2): 307-325.
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表1
新鲜粪便/腐熟粪肥理化性质"
处理 Treatment | pH | 总有机质 Organic matters (%) | 总氮 Total nitrogen content (%) | 总磷 Total phosphorus content (P2O5%) | 总钾 Total potassium content (K2O%) | 甜玉米单茬施用量 Application rate for sweet corn per crop (t·hm-2) | 包菜单茬施用量 Application rate for cabbage per crop (t·hm-2) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
CK | - | - | - | - | - | 0 | 0 |
PM | 7.39 | 31.1 | 2.95 | 3.65 | 2.77 | 13.2 | 7.68 |
PMOF | 7.13 | 27.4 | 2.92 | 3.29 | 2.73 | 13.4 | 7.77 |
SM | 7.24 | 50.8 | 2.31 | 1.80 | 0.72 | 16.8 | 9.80 |
SMOF | 7.60 | 36.6 | 2.21 | 1.33 | 0.65 | 17.6 | 10.30 |
表2
三维荧光光谱参数描述[17⇓-19]"
参数名称 Parameter name | 公式/定义 Equation/definition | 参数描述 Parameter description |
---|---|---|
Fn(355) | Ex=355 nm,Em=450 nm的荧光强度 The intensity at 355 nm for excitation (Ex) and 450 nm for emission (Em) | 表征DOM荧光强度 Characterise the fluorescence intensity of DOM |
荧光指数 Fluorescence index, FI | FI=I470nm/I520nm Ex=370 nm | 反映DOM中芳香物质对其荧光强度的贡献率 Reflect the contribution of aromatic substances of DOM to its fluorescence intensity |
自生源指数 Biological index, BIX | BIX=I380nm/I430nm Ex=310 nm | 指示DOM的生物来源比例 Indicate the proportion of DOM biological sources |
腐殖化指数 Humification index, HIX | HIX=∑I435-480nm/(∑I300-345nm+∑I435-480nm) Ex=254nm | 表征DOM的腐殖化程度 Characterise the degree of humification of DOM |
r(A/C) | 紫外光区类腐殖质荧光峰A与可见区类腐殖质荧光峰C荧光强度比值 Ratio of the fluorescence intensity of humic-like fluorescence peak A in the ultraviolet region to the fluorescence intensity of humic-like fluorescence peak C in the visible region | 反映DOM中腐殖化组分发育程度 Reflect the degree of humic components’development of DOM |
r(T/C) | 类蛋白质荧光峰T与类腐殖质荧光峰C荧光强度比值 Ratio of the fluorescence intensity of protein-like fluorescence peak T to the fluorescence intensity of humic-like fluorescence peak C | 评价内源贡献比重 Assess the proportion of endogenous DOM’s contributions |
表3
不同处理下土壤的化学性质"
处理 Treatment | pH | 有机质 Soil organic matter (g·kg-1) | 全磷 Total phosphorus (g·kg-1) | 全氮 Total nitrogen (g·kg-1) | 全钾 Total potassium (g·kg-1) | 速效磷 Available phosphorus (mg·kg-1) | 碱解氮 Alkaline nitrogen (mg·kg-1) | 速效钾 Available potassium (mg·kg-1) | 阳离子交换量 Cation exchange capacity (cmol·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CK | 6.72±0.027 b | 11.1±1.69 d | 0.40±0.062d | 0.72±0.048 d | 9.92±0.851 ab | 14.1±4.7 d | 46.2±7.90 d | 28.6±6.65 c | 2.43±0.030 d |
PM | 7.24±0.050 a | 24.7±5.31 c | 2.75±0.667 bc | 1.80±0.401 c | 8.81±0.380 ab | 253.0±14.1 b | 88.7±6.76 c | 365.0±32.2 b | 5.37±0.805 c |
PMOF | 7.45±0.035 a | 34.8±0.26 b | 3.65±0.619 b | 2.60±0.067 b | 10.20±1.690 a | 501.0±23.0 a | 142.0±0.718 b | 711.0±115 a | 6.50±0.407 b |
SM | 7.22±0.014 a | 46.0±3.05 a | 5.12±0.080 a | 3.07±0.381 ab | 8.66±0.344 ab | 268.0±2.6 b | 179.0±22.6 a | 70.0±22.6 c | 5.81±2.030 b |
SMOF | 6.55±0.356 b | 50.7±4.71 a | 1.99±0.181 c | 3.41±0.361 a | 7.27±1.170 b | 130.0±7.4 c | 190.0±20.4 a | 51.0±7.81 c | 8.06±0.140 a |
表4
不同处理土壤的溶解性有机碳(DOC)含量以及溶解性有机质的紫外-可见光谱与荧光光谱特征参数"
处理 Treatment | 溶解性有机碳 DOC (mg·kg-1) | CDOM吸收系数 α(355) | FDOM荧光 强度 Fn(355) | CDOM特征参数 CDOM characteristic parameter | FDOM特征参数 FDOM characteristic parameter | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SUVA254 | SUVA260 | SR | 自生源指数 BIX | 荧光指数 FI | 腐殖化指数 HIX | ||||
CK | 106±13.1 d | 5.4±1.22 b | 412.8±59.5 c | 3.89±0.633 b | 3.78±0.597 a | 0.595±0.076 a | 0.737±0.192 a | 1.47±0.099 a | 0.669±0.148 b |
PM | 170±4.4 c | 11.5±1.42 a | 1621.0±166.9 b | 7.30±1.570 a | 6.52±1.680 a | 0.598±0.124 a | 0.477±0.002 b | 1.59±0.008 a | 0.936±0.032 a |
PMOF | 348±17.8 a | 10.8±1.45 a | 3850.0±436.3 a | 4.09±0.121 b | 3.88±0.144 a | 0.578±0.032 a | 0.485±0.004 b | 1.55±0.008 a | 0.962±0.006 a |
SM | 217±15.0 b | 14.9±3.08 a | 1511.0±214.5 b | 5.91±1.660 ab | 5.48±1.390 a | 0.360±0.236 a | 0.477±0.036 b | 1.53±0.016 a | 0.938±0.037 a |
SMOF | 215±23.9 b | 14.9±1.27 a | 1975.0±135.6 b | 6.61±1.150 ab | 6.35±1.080 a | 0.426±0.122 a | 0.452±0.007 b | 1.47±0.014 a | 0.947±0.004 a |
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