环境科学  2020, Vol. 41 Issue (1): 420-429   PDF    
引用本文
王晶, 马丽娟, 龙泽华, 闵伟, 侯振安. 秸秆炭化还田对滴灌棉田土壤微生物代谢功能及细菌群落组成的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(1): 420-429.
WANG Jing, MA Li-juan, LONG Ze-hua, MIN Wei, HOU Zhen-an. Effects of Straw Biochar on Soil Microbial Metabolism and Bacterial Community Composition in Drip-irrigated Cotton Field[J]. Environmental Science, 2020, 41(1): 420-429.
秸秆炭化还田对滴灌棉田土壤微生物代谢功能及细菌群落组成的影响
王晶, 马丽娟, 龙泽华, 闵伟, 侯振安     
石河子大学农学院, 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 石河子 832003
收稿日期: 2019-07-21; 修订日期: 2019-08-09
基金项目: 国家重点研发计划项目（2017YFD0200100，2018YFD0800800）；兵团中青年科技创新领军人才计划项目（2016BC001）
作者简介: 王晶(1995~), 女, 硕士研究生, 研究方向为土壤微生物与养分循环, E-mail:18631852859@163.com
通信作者: 侯振安, E-mail:hzatyl@163.com
摘要: 通过5 a田间定位试验，研究持续秸秆直接还田和炭化还田对滴灌棉田土壤微生物功能多样性以及细菌群落组成的影响.试验设置3个处理：单施化肥（对照，CK）、秸秆直接还田+化肥（ST）和秸秆炭化还田+化肥（BC）.秸秆直接还田和炭化还田均显著提高土壤有机质、全氮及速效养分含量，其中秸秆炭化还田的作用更显著.秸秆直接还田处理土壤微生物碳源代谢活性最高，其次是秸秆炭化还田，均显著高于对照.秸秆直接还田主要促进了碳水化合物类和胺类碳源的代谢；秸秆炭化还田显著提高多聚物类碳源的代谢.秸秆直接还田和炭化还田显著提高土壤细菌群落多样性.与对照相比，秸秆直接还田显著增加变形菌门、放线菌门、拟杆菌门以及黄单胞菌科、酸微菌科、微杆菌科和噬纤维菌科的相对丰度；秸秆炭化还田处理酸杆菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门以及Blastocatellaceae（Subgroup_4）菌科、芽单胞菌科、亚硝化单胞菌科的相对丰度显著增加.相关性分析表明黄单胞菌科、酸微菌科与碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、胺类碳源代谢显著正相关，噬纤维菌科、微杆菌科与碳水化合物类、胺类碳源代谢显著正相关，Blastocatellaceae（Subgroup_4）菌科、芽单胞菌科、亚硝化单胞菌科与多聚物类碳源代谢显著正相关.持续秸秆炭化还田显著增加滴灌棉田土壤养分，改变细菌群落组成，提高多聚物类碳源的代谢活性.
关键词: 秸秆直接还田      秸秆炭化还田      滴灌棉田      碳源代谢活性      细菌群落组成     
Effects of Straw Biochar on Soil Microbial Metabolism and Bacterial Community Composition in Drip-irrigated Cotton Field
WANG Jing , MA Li-juan , LONG Ze-hua , MIN Wei , HOU Zhen-an     
Key Laboratory of Oasis Ecological Agriculture of Xinjiang Corps, College of Agriculture, Shihezi University, Shihezi 832003, China
Abstract: A five year field experiment was conducted to evaluate the effect of continually returning cotton straw or biochar on microbial metabolic function and bacterial community composition of soil in a cotton field under drip irrigation conditions. The experiment involved three treatments:control (single application of chemical fertilizer, CK), cotton straw (returning of cotton straw plus chemical fertilizer application, ST), and biochar (returning of cotton straw biochar plus chemical fertilizer application, BC). The returning of cotton straw and biochar both significantly increased soil organic matter, total nitrogen, and available nutrients, but the effect of returning biochar was more significant. The carbon source metabolic activities of the soil in the ST treatment was the highest, followed by the BC treatment, which was significantly higher than of that in the CK treatment. The returning of cotton straw promoted the metabolism of carbohydrate and amine carbon sources, while biochar significantly increased the metabolism of polymer carbon sources. Compared with the CK treatment, the ST treatment significantly increased the phylum of Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroides, and the family of Xanthomonadaceae, Acidobacteriaceae, Microbacteriaceae, and Cytophagaceae. The BC treatment significantly increased the phylum of Acidobacteria, Gemmatimonadetes, Nitrospirae, and the family of Blastocatellaceae (subgroup 4), Gemmatimonadaceae, and Nitrosomonadaceae. The correlation analysis showed that there were significant positive correlations between the relative abundances of Xanthomonadaceae and Acidobacteriaceae and the carbon source metabolic activities of carbohydrates, amino acids, carboxylic acids, and amines. The relative abundances of Microbacteriaceae and Cytophagaceae were positively correlated with carbohydrates and amines. There was a significant positive correlation between the relative abundance of Blastocatellaceae (subgroup 4), Gemmatimonadaceae, Nitrosomonadaceae and the carbon metabolism of polymers. These results suggest that the continual returning of biochar increased soil nutrients, change bacterial community composition, and promoted the metabolic activity of polymer carbon sources in the drip-irrigated cotton field.
Key words: straw returning      straw biochar returning      drip-irrigated cotton field      carbon sources metabolic activity      bacterial community composition     

我国秸秆资源丰富, 年秸秆产量约819 Mt, 占世界秸秆总量的1/3左右[1].秸秆直接还田作为秸秆有效利用的途径之一, 不仅可以促进养分循环、改良土壤肥力, 而且可以增加作物产量[2, 3].传统的秸秆直接还田虽然有许多优点, 但也伴随着一些局限性, 如造成土壤微生物与作物幼苗争夺养分、降低出苗率和土传病害等[4].同时, 也有研究发现秸秆直接还田显著提高农田土壤二氧化碳排放通量[5, 6].近年来, 秸秆炭化还田成为秸秆利用的新途径.研究表明作物秸秆在限氧条件下高温裂解形成的秸秆炭对于提高土壤有机碳存储, 减少二氧化碳排放, 改善土壤肥力等具有重要作用[7~9].

关于秸秆直接还田或炭化还田对土壤有机碳、作物产量和温室气体排放等方面的影响已有很多报道[10~12].土壤微生物是土壤的重要组分, 其群落组成、活性和稳定性对土壤功能非常重要[13].秸秆直接还田或炭化还田直接改变土壤微生物生存的外界环境, 导致土壤微生物群落组成和功能发生一系列的变化[14].已有研究表明, 秸秆炭化还田显著提高土壤微生物代谢活性和功能多样性[15, 16].程扬等[17]的研究发现, 施用秸秆生物炭5 t·hm-2显著影响土壤微生物群落组成.徐学池等[18]认为土壤细菌是驱动喀斯特地区农田秸秆还田效果的关键微生物群落.新疆是我国最大的棉花产区, 棉花秸秆资源丰富, 为秸秆炭化还田提供充足的生物质基础.新疆气候干旱, 昼夜温差大, 棉花种植以滴灌为主.干旱区滴灌农田的秸秆或生物质炭降解规律与其它地区存在显著差别.但是, 目前针对滴灌条件下秸秆直接还田和炭化还田的研究较少, 对于持续秸秆炭化还田对滴灌农田土壤微生物群落的影响还不明确.因此, 本研究通过5 a田间定位试验, 探讨棉花秸秆直接还田和炭化还田对滴灌棉田土壤理化性质的影响, 采用Biolog-ECO微平板法以及高通量测序分析持续秸秆直接还田和炭化还田土壤微生物代谢功能及细菌群落组成的变化, 旨在为干旱区秸秆炭化还田利用提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验材料

田间定位试验于2014~2018年在新疆石河子市天业生态园进行.该地区为温带大陆性气候, 年均降水量210 mm, 蒸发量1 660 mm.土壤类型为灰漠土, 质地为壤土.耕层土壤基础指标：pH 8.58, 有机质12.2 g·kg-1, 全氮0.98 g·kg-1, 铵态氮1.7 mg·kg-1, 硝态氮6.9 mg·kg-1, 速效磷16.4 mg·kg-1, 速效钾364 mg·kg-1.施用的秸秆为棉花秸秆, 秸秆炭由棉花秸秆高温(450℃)厌氧热解6 h制备而成.供试作物棉花(品种新陆早61号).

1.2 试验设计

本研究采用田间小区试验, 设置3个处理：单施化肥(对照, CK)、秸秆直接还田+化肥(ST)和秸秆炭化还田+化肥(BC).本试验中, 秸秆还田量为6 t·hm-2, 秸秆炭用量为3.7 t·hm-2(与秸秆直接还田处理等碳量).采用完全随机试验设计, 每个处理重复3次, 共9个试验小区, 小区面积42 m2.

每年棉花收获后, 将作物秸秆全部拔出.棉花秸秆和秸秆炭烘干粉碎后, 在播种前均匀撒施于地表后翻耕入土20 cm.棉花种植为膜下滴灌, 一膜六行三管, 行距配置为10 cm+66 cm+10 cm+66 cm+10 cm, 株距10 cm.棉花于每年4月下旬播种, 采用“干播湿出”, 播种后滴45 mm出苗水.棉花全生育期灌水9次, 灌水周期为7~12 d, 灌溉定额为450 mm, 盛蕾期开始, 吐絮前结束.试验中各处理化肥施用量相同, 氮肥使用尿素, 施氮(N)量为300 kg·hm-2, 在棉花生长期间分6次随水滴施.磷、钾肥全部作基肥, 施用量分别为P2O5105 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2.其他管理措施参照当地大田生产.

1.3 样品采集与处理

2018年7月25日(棉花花铃期)采集0~20 cm土壤样品, 捡出残根和砂石等, 土壤样品过2 mm筛, 一部分土样保存于4℃条件下, 用于土壤理化性质及土壤微生物碳源底物利用(Biolog分析)测定, 分析土壤微生物的代谢功能多样性；另一部分保存于-80℃条件下, 用于高通量测序分析土壤细菌群落组成.

1.4 测试指标及方法 1.4.1 微生物代谢功能多样性测定

采用Biolog-ECO微平板法测定微生物群落代谢功能多样性.ECO生态板包含31种碳源, 可分为六大类：碳水化合物类(10种)、氨基酸类(6种)、羧酸类(7种)、胺类(2种)、酚类(2种)和多聚物类(4种).具体操作步骤如下：称取5g新鲜土样置于已灭菌的100 mL离心管中, 加入50 mL灭菌的磷酸缓冲液, 室温剧烈振荡, 吸取稀释液接种到ECO板, 在25℃培养.分别在培养0、12、24、36、48、60、72、84、96、108、120、144、156、168、180、192和204 h测定590 nm吸光度.

1.4.2 土壤总细菌多样性的测定

(1) DNA提取和PCR扩增  采用DNA提取试剂盒FastDNATM SPIN Kit for Soil (MP Biomedicals, Solon, OH, USA)按照操作说明城区5 g土壤提取土壤总DNA.PCR采用16S rDNA基因的V3-V4区(515F-806R)(5′-3′)：ACTCCTACGGGAGGCAGCA, GGACTACHVGGGTWTCTAAT为测序引物, 对稀释后的DNA进行PCR扩增.

(2) PCR产物处理、文库构建和上机测序  检测PCR产物, 回收产物.采用Illumina公司的TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit制备测序文库, 经检测合格后, 通过HiSeq 2500 PE250(Illumina公司, 美国)进行高通量测序(派森诺生物技术有限公司, 上海).

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 21.0统计软件对土壤理化性质、微生物代谢功能及多样性进行方差分析, 不同处理间差异显著性采用Duncan法进行多重比较(P＜0.05).用R软件进行微生物功能多样性的主成分分析(PCA), Canoco5软件进行微生物群落组成的冗余分析(RDA).

2 结果与分析 2.1 土壤理化性质

与对照(CK)相比, 秸秆直接还田(ST)处理土壤pH显著下降, 秸秆炭化还田(BC)处理pH变化不显著(表 1).ST和BC处理土壤有机质和全氮含量均显著增加, 无机氮、有效磷、速效钾含量也均显著高于CK.总体表明, 秸秆直接还田和炭化还田可显著提高土壤有机质和速效养分含量, 且炭化还田处理均优于直接还田.

表 1 土壤理化性质1) Table 1 Physical and chemical properties of soil

2.2 土壤微生物碳源代谢活性

平均单孔颜色变化率(AWCD)能够在一定程度反映土壤微生物对碳源的利用能力和代谢活性大小.不同处理土壤连续培养204 h的土壤微生物群落AWCD值随时间的变化动态如图 1.随着培养时间的延长, AWCD值不断增大.培养48 h前, AWCD值变化不明显且各处理间无显著差异.培养48 h后, 各处理AWCD迅速升高并趋于稳定, ST和BC处理AWCD值均显著高于CK, 且ST显著高于BC处理.

图 1 土壤微生物AWCD值的变化 Fig. 1 Changes of soil microbial AWCD value

选取培养192 h的结果分析土壤微生物对六类碳源的利用(图 2).总体上, 土壤微生物对碳水化合物类碳源的利用能力最高, 对胺类碳源的利用能力最弱.秸秆直接还田和炭化还田均可显著提高土壤微生物对氨基酸类、羧酸类、酚类碳源的利用能力.其中, ST处理碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、胺类的利用能力最强；BC处理则显著提高酚类、多聚物类的代谢.

图中不同小写字母表示同一碳源不同处理在5%水平上有差异 图 2 土壤微生物对六类碳源的利用情况 Fig. 2 Utilization of six carbon sources by soil microbes

通过土壤微生物对碳源利用特性的主成分分析, 共提取2个主成分(图 3).第1主成分(PC1)方差贡献率为74.4%, 第2主成分(PC2)的方差贡献率为18.3%, 累计方差贡献率为92.7%.说明PC1和PC2是微生物群落碳源利用变异的主要来源, 可以解释变异的绝大部分信息.两种秸秆还田处理(ST、BC)与CK在PC1轴分开, ST与BC处理在PC2轴上分开, 表明不同处理间土壤微生物群落对碳源的利用存在明显差异.总体上, 秸秆还田可提高土壤微生物的代谢活性, 其中直接还田显著改变微生物对碳水化合物及胺类碳源的代谢；而炭化还田对多聚物类和酚类碳源的代谢影响较大.

图 3 土壤微生物群落对六类碳源利用的主成分分析 Fig. 3 Principal component analysis (PCA) of soil microbial community on the utilization of six carbon sources

对六大类碳源所包含的31种碳源利用情况进行对比分析(图 4).ST处理对碳水化合物类中D-纤维二糖、D-木糖、N-乙酰-D-葡萄糖胺以及胺类中腐胺的代谢活性显著增加.BC处理显著增加多聚物类中吐温40、肝糖以及酚类中4-羟基苯甲酸的代谢活性.

图 4 土壤微生物对31种碳源利用热图 Fig. 4 Heat map of the utilization of 31 carbon sources by soil microbes

2.3 细菌群落组成

对土壤细菌16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序, 共获得有效序列199 546条.ST和BC处理的OTU数目均显著低于CK(表 2).与对照相比, 秸秆直接还田处理Chao1指数和ACE指数显著降低；炭化还田处理无明显差异.ST和BC处理Shannon指数与Simpson指数均显著高于CK, 表明秸秆直接还田和炭化还田可以提高土壤细菌群落多样性.

表 2 土壤细菌群落丰富度指数和多样性指数1) Table 2 Soil bacterial community richness and diversity index

各处理土壤细菌群落的优势门类为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和浮霉菌门(Planctomycetes), 平均相对丰度大于1%, 合计约占总菌群的96.7%(图 5).与对照相比, 秸秆直接还田显著提高变形菌门、放线菌门和拟杆菌门的相对丰度, 而酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和硝化螺旋菌门相对丰度显著降低；秸秆炭化还田处理酸杆菌门、芽单胞菌门以及硝化螺旋菌门的含量显著增加, 放线菌门和绿弯菌门降低.

图 5 土壤细菌群落门水平组成 Fig. 5 Soil bacterial community composition at the phylum level

通过序列对比得到各样品中相对丰度大于1%的前21个菌科(图 6).与CK相比, ST处理噬纤维菌科(Cytophagaceae)、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、酸微菌科(Acidimicrobiaceae)、微杆菌科(Microbacteriaceae)相对丰度显著提高；BC处理芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)和Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)相对丰度显著增加.

图 6 土壤细菌群落科水平组成热图 Fig. 6 Heatmap of soil bacterial community composition at the family level

2.4 细菌群落组成与碳源代谢活性的相关性分析

对土壤细菌群落组成(门和科水平的相对丰度)与微生物代谢功能(六大类碳源代谢活性)进行Pearson相关分析(表 3).在10个优势门中, 变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)与碳水化合物类、氨基酸类、胺类碳源呈显著正相关(P＜0.05)；酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)与多聚物类碳源呈显著正相关.

表 3 土壤细菌群落组成与碳源代谢活性的相关性分析1) Table 3 Correlation analysis between the soil bacterial community composition and the carbon source metabolisms

21个丰度大于1%的主要优势科中, 酸微菌科(Acidimicrobiaceae)、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)与碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、胺类碳源均呈显著正相关关系, 噬纤维菌科(Cytophagaceae)、微杆菌科(Microbacteriaceae)与碳水化合物类、胺类显著正相关.芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)与多聚物类碳源呈显著正相关关系.

2.5 细菌群落组成的影响因子分析

将土壤细菌群落丰度较大的前21个优势菌科与土壤理化性质进行冗余分析(RDA)来评估土壤环境因子、处理、细菌群落组成(科水平)之间的关系(图 7).分析显示第一排序轴解释率为54.99%, 第二排序轴解释率为23.92%, 累积解释率78.91%.秸秆炭化还田处理与对照在第一排序轴分开, 秸秆还田处理与对照在第二排序轴分开.有机质、全氮、速效养分与芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)、鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)有显著正相关性.黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、酸微菌科(Acidimicrobiaceae)、噬纤维菌科(Cytophagaceae)、微杆菌科(Microbacteriaceae)、丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)与有机质、全氮相关性较好.说明秸秆直接还田和炭化还田增加了土壤有机质、全氮和速效养分含量, 从而促进了这些微生物种群的生长.pH与硫还原菌科(Desulfurellaceae)、Haliangiaceae菌科、0319-6A21菌科、硝化螺旋菌科(Nitrospiraceae)显著正相关；与黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、酸微菌科(Acidimicrobiaceae)、噬纤维菌科(Cytophagaceae)、微杆菌科(Microbacteriaceae)显著负相关.说明ST处理黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、酸微菌科(Acidimicrobiaceae)、噬纤维菌科(Cytophagaceae)和微杆菌科(Microbacteriaceae)的丰度增加, 可能是由于秸秆直接还田降低了土壤pH值所致.

图 7 土壤理化性质与细菌群落组成(科水平)的冗余分析 Fig. 7 Redundancy analysis (RDA) of soil properties and the bacterial community composition (at the family level)

3 讨论

田间定位试验结果表明持续5年秸秆直接还田或炭化还田均显著增加滴灌棉田土壤有机质、全氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量, 其中秸秆炭化还田的作用更为显著, 这与前人的研究结果基本一致.孙瑞波报道[19], 与单施化肥相比, 秸秆还田可显著改善土壤的营养状况提高土壤总碳、氮和速效养分含量.也有研究表明施用生物炭显著提高土壤有机碳、氮储量和养分含量[20, 21].

本研究发现秸秆直接还田和炭化还田提高了土壤微生物的代谢活性, 促进土壤微生物对碳源的利用能力.顾美英等[22]研究也发现秸秆还田和秸秆炭还田土壤微生物AWCD值高于单施化肥处理.本研究中, 秸秆直接还田土壤微生物代谢活性显著高于秸秆炭化还田.这主要是因为秸秆的活性较强, 含有丰富的营养物质, 直接还田后能够为土壤微生物的生长繁殖提供充足的能源, 从而提高土壤微生物的活性[23].通过对六大类碳源利用情况的分析发现, 秸秆直接还田主要提高微生物对易分解的碳水化合物类、胺类等碳源的利用能力.已有研究报道秸秆直接还田土壤微生物主要利用的碳源为碳水化合物类和羧酸类[15].秸秆还田根际土壤微生物主要利用的碳源为碳水化合物类和氨基酸类[23], 这与本文结果基本一致.但周东兴等[24]的研究表明, 玉米秸秆显著提高东北黑土中碳水化合物类碳源的代谢活性, 且酚酸类、聚合物类的代谢活性也明显增强.这可能是由于本试验在新疆干旱区滴灌农田开展, 研究区的作物秸秆类型、土壤性质、气候条件等与东北均存在很大差异.本研究表明秸秆炭化还田土壤微生物对多聚物类、酚类等结构复杂碳源的代谢活性显著提高.Khodadad等[25]和许文欢等[26]均发现施用生物炭土壤微生物对多聚物类碳源代谢活性较强.张璐等[27]发现生物炭不仅提高多聚物类碳源的利用能力, 羧酸类碳源的代谢活性也显著提高.秸秆直接还田和炭化还田土壤微生物碳源代谢活性存在明显差异, 可能是秸秆和秸秆炭自身有机物组成不同所致[28].

微生物群落代谢功能与微生物群落结构和组成密切相关.本研究表明秸秆直接还田或炭化还田显著提高土壤细菌多样性Simpson指数和Shannon指数.有研究表明秸秆还田水稻根际土壤微生物多样性与均匀度显著增加[23].胡瑞文等[29]发现施用生物炭显著提高了根际土壤微生物Shannon指数和均匀度指数.本研究中, 各处理土壤细菌群落的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和浮霉菌门(Planctomycetes).这与前人的研究结果相吻合[15, 30].秸秆直接还田显著提高变形菌门、放线菌门、拟杆菌门的相对丰度, 秸秆炭化还田显著增加酸杆菌门、芽单胞菌门以及硝化螺旋菌门的相对丰度.程扬等[17]的研究表明, 施用秸秆生物炭5 t·hm-2显著增加玉米根际土壤酸杆菌门相对丰度, 降低了变形菌门相对丰度.王颖等[31]报道生物炭提高了土壤放线菌门、硝化螺旋菌门、厚壁菌门的相对丰度, 降低了酸杆菌门和疣微菌门的相对丰度.本研究结果与前人研究基本一致, 但也存在差异, 可能是由于生物炭类型、施用量以及土壤性质等不同所致.

土壤细菌群落组成(科水平)的分析表明, 秸秆直接还田显著提高噬纤维菌科(Cytophagaceae)、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、酸微菌科(Acidimicrobiaceae)和微杆菌科(Microbacteriaceae)相对丰度.杨恒山等[32]发现玉米秸秆直接还田处理噬纤维菌科(Cytophagaceae)显著高于不还田处理；也有研究表明小麦秸秆还田显著提高黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)的相对丰度[33], 这些与本研究结果一致.本研究发现秸秆炭化还田土壤芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科和亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)的相对丰度显著增加.已有研究报道施用生物炭可显著提高Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)的相对丰度[34, 35].

相关性分析表明变形菌门、拟杆菌门与碳水化合物类、胺类、氨基酸类碳源代谢活性显著正相关；酸杆菌门、芽单胞菌门与多聚物类碳源代谢活性显著正相关.说明秸秆直接还田提高了变形菌门、拟杆菌门的相对丰度, 从而促进了碳水化合物类、胺类等简单碳源的代谢活性；而秸秆炭化还田增加了酸杆菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门相对丰度, 提高了对多聚物类碳源的利用.有研究认为酸杆菌门对于降解植物残体聚合物具有重要作用[36].进一步对细菌科水平群落组成与碳源代谢活性的相关性分析表明, 黄单胞菌科、酸微菌科相对丰度与碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、胺类碳源代谢活性显著正相关；同时, 噬纤维菌科、微杆菌科与碳水化合物类、胺类也呈显著正相关.说明秸秆直接还田促进碳水化合物类、胺类等简单碳源的代谢主要是由于变形菌门黄单胞菌科、放线菌门酸微菌科、微杆菌科、拟杆菌门噬纤维菌科的相对丰度显著增加.有学者指出噬纤维菌科在土壤、淡水和海洋中都广泛存在, 是纤维素类多糖物质的主要降解者[37].本研究还发现Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、芽单胞菌科、亚硝化单胞菌科相对丰度与多聚物类碳源代谢活性呈显著正相关.因此, 秸秆炭化还田显著增加酸杆菌门Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、芽单胞菌门芽单胞菌科和硝化螺旋菌门亚硝化单胞菌科的相对丰度, 提高了多聚物类复杂碳源的代谢.

4 结论

持续秸秆直接还田与炭化还田均可显著增加滴灌棉田土壤养分, 提高土壤微生物代谢活性.其中, 秸秆炭化还田增加土壤养分作用较突出, 而秸秆直接还田促进土壤微生物代谢活性更显著.秸秆直接还田土壤变形菌门黄单胞菌科、放线菌门酸微菌科、微杆菌科和拟杆菌门噬纤维菌科丰度显著增加, 对碳水化合物类和铵类碳源的代谢活性较高.秸秆炭化还田土壤酸杆菌门Blastocatellaceae (Subgroup_4)菌科、芽单胞菌门芽单胞菌科和硝化螺旋菌门亚硝化单胞菌科的相对丰度显著增加, 对多聚物类碳源的利用能力增强.

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