环境科学  2022, Vol. 43 Issue (8): 4322-4332   PDF    
引用本文
冯军, 石超, Hussain Hafiz Athar, 刘永波, 刘天朋, 李永洪, 刘俊峰, 王龙昌. 不同降水下覆盖与缓释肥减量对油菜土壤微生物群落结构的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(8): 4322-4332.
FENG Jun, SHI Chao, Hussain Hafiz Athar, LIU Yong-bo, LIU Tian-peng, LI Yong-hong, LIU Jun-feng, WANG Long-chang. Effects of Mulching and Slow-release Fertilizer Application Reduction on Soil Microbial Community Structure in Rapeseed Field Under Two Different Rainfall Conditions[J]. Environmental Science, 2022, 43(8): 4322-4332.
不同降水下覆盖与缓释肥减量对油菜土壤微生物群落结构的影响
冯军1,2, 石超1, Hussain Hafiz Athar1,3, 刘永波4, 刘天朋2, 李永洪2, 刘俊峰2, 王龙昌1     
1. 西南大学农学与生物科技学院, 南方山地农业教育部工程研究中心, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715;
2. 四川省农业科学院水稻高粱研究所, 德阳 618000;
3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 农业部农业环境重点实验室, 北京 100081;
4. 泸定县农牧农村和科技局, 泸定 626100
收稿日期: 2021-11-13; 修订日期: 2021-12-25
基金项目: 公益性行业（农业）科研专项（201503127）；国家自然科学基金项目（31271673，31700364，31871583）
作者简介: 冯军(1982~), 女, 博士, 主要研究方向为土壤微生物, E-mail: 2565566364@qq.com
通信作者: 王龙昌, E-mail: wanglc2003@163.com
摘要: 为探讨沟垄集雨、秸秆覆盖和减量缓释肥集成技术对油菜土壤微生物群落结构的影响，在大田定位试验条件下，设置3种栽培方式（秸秆覆盖、沟垄集雨、传统平作）和4种施肥水平（习惯施肥、缓释肥减量20%、缓释肥减量40%、不施肥），比较分析2016~2017年（多雨年份）和2017~2018年（季节性干旱年份）这2种不同降水年型下油菜土壤微生物群落结构对集成技术的响应.结果表明，不同降雨条件下，秸秆覆盖+缓释肥减量20%（J80）与沟垄覆盖+缓释肥减量20%（M80）较习惯栽培（PC）更利于土壤微生物生长.在多雨年型和季节性干旱年型下，J80与M80能平均分别提高微生物量碳9.94%和10.32%；提高土壤微生物量氮2.38%和1.19%.多雨年型下，土壤微生物磷酸脂肪酸（PLFA）总量较干旱年型降低30.75%，覆盖能有效提高土壤PLFA质量摩尔浓度.多雨年型下土壤细菌、真菌PLFA质量摩尔浓度较干旱年型平均减少33.67%和53.21%；而放线菌PLFA增加13.04%.微生物群落对异常降水具有敏感响应.多雨气候会造成细菌/真菌升高；干旱气候则会增加直链饱和脂肪酸/直链单不饱和脂肪酸及直链单不饱和脂肪酸/环丙烷脂肪酸.通过秸秆覆盖与缓释肥的集成技术，能稳定异常降水下的土壤微环境，缓解水分和养分胁迫，为油菜稳产和可持续发展提供有效途径.
关键词: 降水      油菜      秸秆覆盖      沟垄集雨      缓释肥      土壤微生物      微生物磷酸脂肪酸(PLFA)     
Effects of Mulching and Slow-release Fertilizer Application Reduction on Soil Microbial Community Structure in Rapeseed Field Under Two Different Rainfall Conditions
FENG Jun1,2 , SHI Chao1 , Hussain Hafiz Athar1,3 , LIU Yong-bo4 , LIU Tian-peng2 , LI Yong-hong2 , LIU Jun-feng2 , WANG Long-chang1     
1. Engineering Research Center of South Upland Agriculture, Ministry of Education, Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Rice and Sorghum Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Deyang 618000, China;
3. Key Laboratory of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
4. Luding Bureau of Agriculture, Animal Husbandry and Science & Technology, Luding 626100, China
Abstract: In order to investigate the effects of furrow and ridge rainwater harvesting, straw mulching, and reduced and slow-release fertilizer on soil microbial community structure of rapeseed, a two-year field study was conducted in rainy (2016-2017) and drought (2017-2018) seasons, which included three cultivation patterns: 1 conventional flat planting, 2 straw mulching, and 3 ridge-furrow rainfall harvesting system and four fertilization patterns: 1 conventional fertilization (100% of the amount), 2 reduced slow-release fertilizer Ⅰ (80% of the amount), 3 reduced slow-release fertilizer Ⅱ (60% of the amount), and 4 no fertilizer. The results indicated that it was rainy in 2016-2017, with seasonal drought during the nutritional growth stage in 2017-2018. The two technologies (straw mulching+80% slow-release fertilizer, J80 and ridge-furrow rainfall harvesting system+80% slow-release fertilizer, M80) were beneficial to boost the soil microbial activity. J80 and M80 increased the microbial biomass carbon by 9.94% and 10.32% and microbial biomass nitrogen by 2.38% and 1.19%, respectively, compared with that of the local cultivation pattern under two different climate conditions. The total amount of microbial phospholipid fatty acid (PLFA) decreased by 30.75% in the rainy year compared with that in the drought year, and mulching technology could effectively increase the total amount of soil PLFA. The PLFA contents of soil bacteria and fungi in the rainy year were 33.67% and 53.21%, respectively, lower than those in the drought year. However, the PLFA content of actinomycetes increased by 13.04%. Microbial communities were sensitive to abnormal precipitation. The bacteria/fungi ratio increased in rainy weather. The drought climate heighted the ratio of straight chain saturated fatty acid/straight chain monounsaturated fatty acid and straight chain monounsaturated fatty acid/cyclopropane acid. In conclusion, adopting the optimal cultivation technologies can stabilize the soil microenvironment under abnormal precipitation, relieve water and nutrient stress, and provide an effective means for rapeseed sustainable development.
Key words: precipitate      rapeseed      straw mulching      ridge-furrow rainfall harvesting system      slow release fertilizer      soil microbial biomass      phospholipid fatty acid (PLFA)     

2021年2月, 第五届联合国环境大会发布的报告指出, 人类可持续发展亟需的是“同时解决气候、自然和污染三大危机”[1, 2].全球气候骤变, 使我国西南地区油菜(Brassica napus L.)发展受到制约.季节性干旱和涝害频发导致的降水异常, 通过土壤水分和温度改变土壤微生物群落结构, 进而影响土壤肥力, 使作物生长受限[3, 4].微生物多样性作为表征土壤质量的敏感指标, 对植物生长和土壤养分的平衡起着调节作用, 同时还能反映农田和土壤环境变化, 因此备受学者关注.通过优化栽培措施改善土壤微环境成为提高作物抗逆性的有效途径[5, 6].有研究发现, 秸秆覆盖能增加土壤耕层微生物碳氮, 提高作物产量; 地膜覆盖能够显著提高0~30 cm土层养分, 微生物量碳, 氮含量和物质间的转化速度; 稻草覆盖能增加土壤细菌和放线菌等的数量, 提高土壤酶活性, 促进有机质分解, 提高土壤肥力[7~11].同时, 新型肥料及施肥技术的应用, 也有利于提高土壤微生物活性, 增加肥料利用效率.如缓释肥与菌剂配施能提高土壤微生物群落的Shannon多样性指数、Simpson多样性指数和McIntosh均匀度; 秸秆还田配施缓释肥有助于提高土壤养分有效性、作物产量及细菌真菌群落多样性, 可以促进土壤碳氮循环; 脲醛腐植酸缓释肥能增加土壤有机质, 减缓土壤板结, 改善土壤微生物环境等[12~16].

目前, 针对单一的节水或节肥技术对作物生长微环境的调控研究已较为深入[17~19].不少学者提出通过集成策略应对当前全球生态环境变化[20~22].但关于多因素融合的集成技术对油菜生长微环境的影响研究鲜见; 将气象因子作为研究对象, 针对大田异常气候下的土壤微环境对集成技术的响应更是少有报道.本研究通过将覆盖与缓释肥技术集成, 比较不同降水条件下, 油菜土壤微生物碳氮及微生物群落结构特征对集成技术的响应, 以期为进一步深入机制研究和实现异常气候下西南旱地油菜可持续发展提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

于2016~2018年在重庆市云阳县宝坪镇(东经108°54′, 北纬30°55′)实施大田定位试验.试验地属典型丘陵山区立体气候.年平均气温18.7℃, 年平均降雨量900 mm, 年日照1 500 h左右, 无霜期304 d.供试土壤为旱地紫色壤黏土.播前采用五点法测得0~20 cm土壤理化性状如下: 2016~2017年, 土壤全效养分(N、P和K)分别为0.90、0.34和21.70 g ·kg-1; 速效养分(N、P和K)分别为72.40、6.60和94.00 mg ·kg-1; pH 7.5. 2017~2018年, 土壤全效养分(N、P和K)分别为0.83、0.34和23.50 g ·kg-1; 速效养分(N、P和K)分别为66.40、7.30和89.00 mg ·kg-1; pH 7.8.

1.2 试验设计

参试油菜为当地主推品种“三峡油5号”.本试验采用二因素随机区组设计, 将3种栽培措施与4种施肥水平组合构成12个处理, 3次重复, 36个小区.栽培措施包括: 秸秆覆盖(straw mulching, SM)、沟垄覆膜(ridge and furrow rainfall harvesting, RFRH)和传统平作(conventional planting, CP); 施肥水平包括: 习惯施肥, 缓释肥减施20%(减量施肥Ⅰ)、缓释肥减施40%(减量施肥Ⅱ)和不施肥(CK).不同处理的具体措施见表 1.

表 1 不同处理下油菜的水肥管理 Table 1 Planting patterns of rapeseed with different treatments

秸秆覆盖采用前茬晒干高粱秸秆(截成20 cm)半量覆盖(3 750 kg ·hm-2); 沟垄集雨采用垄上覆膜(宽60 cm、厚0.008 mm)和沟内种植方式(图 1); 常规肥采用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2 O512%)和氯化钾(含K2 O 60%)配施, 其中50%氮肥与全部磷钾肥作为基肥, 50%氮肥作为苔期表施追肥; 油菜专用缓释肥(25-7-8, 即含N 25%、P2 O5 7%和K2 O 8%, 缓释肥)由湖北宜施壮农业科技有限公司提供, 一次性基施.每小区16 m2(4 m×4 m), 小区间开沟30 cm隔离.播种和施肥采取点播穴施, 小区内行距40 cm, 株距33.3 cm, 一穴双株.第1年于2016年10月23日播种, 2017年5月13日收获; 第2年于2017年10月20日播种, 2018年5月10日收获.田间管理措施同常规.

图 1 沟垄集雨技术示意 Fig. 1 Sketch of the ridge-furrow rainfall harvesting technology

1.3 试验区油菜生育期降水特征

本试验期油菜生长期的气象条件差异显著(表 2).根据相关标准[23], 以距平百分比评价降水. 2016~2017年油菜生育期降水距平百分比高达81.3%, 为异常偏多(≥80%); 而2017~2018生育期降水极为不均.其中, 2017年11~12月降水距平百分比为-54.8%, 12月高达-83.9%, 为异常偏少(≤-80%), 而2018年3月, 降水距平百分比高达140.8%.且平均气温与标准差比值为1.75, 为显著偏高(≥1.5).总体而言, 2016~2017年整个油菜生育期降水极丰沛, 苗期高温多雨; 2017~2018年油菜生育期降水极不均, 营养生长阶段发生季节性干旱, 生殖生长期间又值高温且降水显著偏多.

表 2 试验点油菜生育期月降水量分布 Table 2 Monthly total precipitation in rapeseed growth seasons at experiment site

1.4 测定指标与方法

土壤微生物指标在油菜主要生育期(苗期、蕾苔期、花期和成熟期)测定.在试验田采用五点法取回土样混合过2 mm筛, 除去植物残渣, 置于-80℃冰箱保存待测.

1.4.1 土壤微生物量碳氮和碱解氮测定

土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)采用氯仿蒸浸-重铬酸钾容量法-外加热法[24], 称取新鲜土样35 g, 在真空干燥器中用氯仿蒸气熏蒸24 h后, 反复抽真空除尽氯仿; 用100 mL 0.5 mol ·L-1 K2SO4溶液振荡浸提熏蒸样品30 min, 同时浸提未熏蒸对照样品; 过滤, 用碳分析仪测定提取液中的有机碳含量.

土壤微生物量碳(MBC, mg ·kg-1)计算公式为:

(1)

式中, EC为熏蒸与未熏蒸土壤提取液中有机碳的差值; KEC为转换系数(0.38).

土壤微生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)取20 mL熏蒸后的土壤提取液于250 mL消化管中, 采用氯仿蒸浸-凯氏定氮法测定[25].土壤微生物量氮(MBN, mg ·kg-1)计算公式为:

(2)

式中, EN为熏蒸与未熏蒸土壤提取液中氮的差值; KEN为转换系数(0.54).

土壤碱解氮采用碱扩散法, 将混合土样风干过1 mm筛后测定[26].

1.4.2 土壤微生物多样性测定

土壤微生物多样性采用磷酸脂肪酸(PLFA)方法测定, 参照Bligh-Dyer修正方法[27].土样采用氯仿-甲醇-柠檬酸作为缓冲溶液进行总脂类提取, 经硅胶柱层析分离及甲酯化得到的脂肪酸甲酯采用气相色谱仪(美国Agilent6850)分析其成分.以C19:0脂肪酸甲酯为内标, 采用峰面积和外标曲线法计算各组分的含量, 土壤微生物总量用微生物的PLFA含量之和表示, 单位为nmol ·g-1.其中细菌特征脂肪酸为9:0、i10:0、12:0、14:0、i14:0、15:0、i15:0、a15:0、16:0、i16:0、16:12OH和16:1ω5c等; 真菌特征脂肪酸为18:1ω9c、18:2ω6和18:3ω3等; 放线菌特征脂肪酸为10Me16:0、10Me17:0、10Me18:0和10Me19:0等; 革兰氏阳性(G+)细菌特征脂肪酸为i15:0、a15:0、i16:0、i17:0和a17:0等; 革兰氏阴性(G-)细菌特征脂肪酸为16:1ω5c、cy17:0和cy19:0等; 直链单不饱和脂肪酸为16:1ω5、16:1ω7c和16:1ω9c等; 环丙烷脂肪酸为cy17:0、cy19:0和cy19:0ω8c等; 直链饱和脂肪酸为9:0、10:0、11:0、12:0、13:0和14:0等[28].

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013和DPS 7.05软件进行数据处理和方差分析, 采用Duncan新复极差法多重比较, Origin 9.0绘图.

2 结果与分析 2.1 覆盖与缓释肥减施对土壤微生物量碳氮及碱解氮的影响

由图 2和图 3可知, 施肥能显著影响土壤微生物量碳氮及土壤碱解氮(P < 0.05), 同一施肥水平下, 栽培模式之间差异不显著. 2016~2017年, 土壤微生物量碳总体呈现从苗期到蕾苔期升高, 蕾苔期至花期降低, 成熟期又逐渐升高的趋势.成熟期J80和M80土壤微生物量碳较PC分别增加7.23%和8.03%.微生物量氮变化趋势同微生物量碳.J80和M80土壤微生物氮含量较PC分别增加8.72%和6.31%.不同处理土壤碱解氮在苗期差异不显著, 峰值出现在花期, 与追施氮肥有关.减量20%的缓释肥处理优于其他处理.

图 2 2016~2017年不同处理土壤微生物量碳氮和碱解氮动态 Fig. 2 Dynamics of different treatments on soil microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, and available nitrogen from 2016 to 2017

图 3 2017~2018年不同处理土壤微生物量碳氮和碱解氮动态 Fig. 3 Dynamics of different treatments on soil microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, and available nitrogen from 2017 to 2018

2017~2018年, 土壤微生物量碳苗期到蕾苔期无显著变化, 花期逐渐升高至成熟期缓慢下降.除花期外, 不同栽培模式间, 缓释肥减量20%微生物量碳高于习惯施肥, 但差异不显著.微生物量氮变化趋势与微生物量碳大致相同.不同的是, 除成熟期秸秆覆盖处理外, 习惯施肥与缓释肥减量20%处理的微生物量碳均差异显著(P < 0.05).土壤碱解氮变化趋势与微生物量氮一致, 成熟期除CK外, 各处理间差异不显著. 2 a土壤微生物量碳氮变化趋势不同可能是由于降水差异造成.降水通过对土壤微生物活性的调控进而影响土壤肥力.

2.2 覆盖与缓释肥减施对土壤微生物PLFA总量的影响

由图 4可知, 施肥能显著影响土壤微生物PLFA总量(P < 0.05). 2 a土壤微生物PLFA总量均表现为: 习惯施肥≈减量施肥Ⅰ>减量施肥Ⅱ>不施肥, 差异显著(P < 0.05). 2016~2017年, 微生物PLFA总量呈先增加后减少趋势, 蕾苔期后, J80和M80的PLFA总量显著高于其它处理, 至成熟期较PC分别增加20.51%和11.80%. 2017~2018年, 微生物PLFA总量从苗期至蕾苔期有减少趋势, 花期后逐渐增高. 2 a变化趋势差异主要是由于降雨不同产生的.

图 4 不同处理对土壤微生物PLFA总量的影响 Fig. 4 Effects of different treatments on soil total PLFA of microbial

2.3 覆盖与缓释肥减施对土壤微生物细菌、真菌和放线菌PLFA量影响

施肥能显著影响土壤微生物细菌、真菌和放线菌PLFA量(P < 0.05). 2 a同一栽培措施下, 3种微生物PLFA量变化总体趋势为: 习惯施肥≈减量施肥Ⅰ>减量施肥Ⅱ>不施肥, 差异显著(P < 0.05).

由图 5可知, 2016~2017年, 土壤细菌PLFA随生育期呈现先增加后减少趋势, 峰值在花期, 平均值为5.16nmol ·g-1.土壤真菌PLFA苗期后逐渐增加, 峰值也在花期, 平均值为0.41nmol ·g-1.土壤放线菌PLFA苗期极低, 仅占其它各生育期平均总量的10.71%.苗期至蕾苔期迅速增加, 至成熟期有下降趋势, 峰值仍在花期, 平均值为0.43 nmol ·g-1.

不同小写字母表示在同一生育期下不同处理间的显著性差异(P < 0.05), 下同 图 5 2016~2017年不同处理对土壤微生物PLFA细菌、真菌和放线菌的影响 Fig. 5 Effects of different treatments on soil PLFA of bacteria, fungi, and actinomyces from 2016 to 2017

由图 6可知, 2017~2018年, 土壤细菌PLFA随生育期呈现先减少后增加趋势, 峰值出现在成熟期, 平均值为6.86nmol ·g-1.土壤真菌PLFA变化趋势同细菌, 峰值也在成熟期, 平均值为1.08nmol ·g-1.土壤放线菌PLFA苗期、蕾苔期及花期均极低, 仅占成熟期平均总量的10.14%.花期后迅速增加, 峰值出现在成熟期, 平均值0.69nmol ·g-1.

图 6 2017~2018年不同处理对土壤微生物PLFA细菌、真菌和放线菌的影响 Fig. 6 Effects of different treatments on soil PLFA of bacteria, fungi, and actinomyces from 2017 to 2018

总体而言, 生育期不同降雨对土壤微生物PLFA量影响较大. 3种菌类生育期变化趋势同PLFA总量, 即多雨年型(2016~2017年)呈先增加后减少趋势, 而季节性干旱年型(2017~2018年)呈先下降后增加趋势.

2.4 覆盖与缓释肥减施对油菜苗期与花期土壤微生物相对丰度的影响

由表 3可知, 2016~2017年苗期与花期, 细菌/真菌、G+/ G-和C/A变化不大, 而A/B有升高趋势, 花期较苗期A/B平均值增加了14.20%.说明多雨气候造成的土壤水分盈余虽未造成渍水危害, 但养分流失的风险加大, 这也是减量施肥Ⅰ处理较习惯施肥细菌/真菌与G+/G-低, 土壤微环境更稳定的原因.

表 3 不同处理对土壤微生物各类群PLFA比值的影响1) Table 3 Effects of different treatments on PLFA ratio between soil microbial species

2017~2018年同期, 细菌/真菌、G+/G-与C/A变化也不大, 而A/B有降低趋势, 花期较苗期A/B平均值减少了14.97%.说明虽然生育前期季节性干旱不利于养分流通和微生物繁殖, 但花期大量降雨补充了前期土壤水分亏缺, 通过植物促进养分的吸收, 减少了因水分缺乏而造成的土壤微环境养分胁迫风险.

3 讨论

随着全球极端气候频发, 由异常降水引发的干旱和渍水等均能降低土壤微生物碳氮含量, 对作物正常生长造成胁迫[29, 30].同时为了减少环境污染, 从源头上遏制气候变化, 常采取一些有效的节水和节肥措施以应对农业环境问题.如通过不同覆盖方式、以新型肥料替代传统化肥, 可以增强土壤微生物活性, 提高肥料利用效率[31, 32].有研究认为, 适宜的覆盖和施肥措施能有效提高土壤微生物量碳氮量, 改善土壤微环境, 从而有利于作物高产[33~35].这与本研究的结果一致.值得一提的是, 由于缺乏不同环境下的对比研究, 单一的水肥管理技术在应对多变的生态环境问题时, 显现出一定的局限性.如旱地秸秆覆盖可能会因为低温多雨等环境因素造成作物减产, 不同缓释肥配方对环境因素有不同要求进而也可能会造成作物产量降低等[36, 37].本研究通过异常降水下, 覆盖+缓释肥的集成技术与单一的栽培或施肥措施对土壤微环境的干预作用的对比, 进一步验证了集成技术在应对不良气候方面的优势.本研究结果表明, 覆盖+缓释肥的集成技术(如J80和M80)较习惯栽培(PC)在多雨年型(2016~2017年)和干旱年型(2017~2018年)平均分别提高微生物量碳9.94%和10.32%; 提高土壤微生物量氮2.38%和1.19%.而单一的缓释肥减施技术(P80)较习惯栽培在多雨与干旱年型对微生物量碳氮无显著影响; 单一的覆盖技术(JC和MC)较习惯栽培在多雨与干旱年型仅能平均分别提高微生物量碳1.62%和1.27%, 提高土壤微生物量氮1.07%和0.89%.作为土壤养分重要指标的碱解氮与土壤微生物量碳氮息息相关.持续大量降水加快激活微生物活性, 使土壤碱解氮加速释放, 加大土壤速效养分淋溶风险; 而干旱使土壤微生物碳氮比提高, 则抑制了微生物活性, 有机质分解速度和碱解氮释放变缓, 亦不利于作物生长营养吸收[38].由此可见, 微生物量碳氮与土壤肥力的紧密关系显示出集成技术更利于在不良环境下维持土壤微生物结构和土壤养分的稳定性.同时还应注意, 土壤微生物量氮相对碳, 对降水量的减少更为敏感.随着降水量减少程度的加剧, 土壤微生物量碳氮比会进一步加大, 这也是本试验干旱年型下, 20%缓释肥减量处理较习惯施肥差异更显著的原因[39].

刘肖等[40]的研究发现, 与不覆盖的传统栽培方式相比, 秸秆覆盖能够通过显著提高表层微生物残体碳及其对土壤有机碳的贡献, 进而有利于对整个耕层土壤有机碳的固持.张万锋等[41]的研究认为, 秸秆覆盖与氮减施可缓解氮素淋溶损失, 能改善灌区农田生态环境和提高作物产量.刘岳飞等[42]的研究认为, 通过地膜覆盖使具有促生功能的细菌易于积聚, 从而提高土壤肥力和保持土壤健康.本研究得出类似结果.降水差异是造成土壤微生物变化趋势不同的主要原因之一.多雨年型下, 氮素释放速度加快, 使土壤微生物在油菜生育前期开始活跃; 随着普通氮素的加速淋溶和多雨造成的土壤透气性减弱, 微生物活性逐渐降低, 直至生育后期受氮素沉降积累等因素影响, 使土壤微生物量略有上升趋势; 干旱年型下, 生育前期受土壤水分限制, 使微生物活性受到抑制, 随着大量降雨对土壤水分的补充, 激发了土壤微生物活性, 使微生物量在生育后期逐渐升高.同样, 不同降水会影响土壤微生物结构.多雨年型下, 油菜生育期土壤PLFA质量摩尔浓度平均值约为8.03nmol ·g-1, 较干旱年型降低30.75%, 这是由于持续大量降水, 加快土壤物质循环和阳离子的淋溶, 使土壤pH值降低.土壤pH值在土壤微生物量和土壤碳周转方面有重要作用, 较低的pH值能抑制微生物活性, 降低土壤有机碳库分解, 使土壤PLFA总量降低[43, 44].季节性干旱会因为土壤缺乏足够的水分, 限制了物质交换从而不利于土壤微生物繁殖, 而覆盖措施能有效缓解土壤缺水问题.这也是在干旱年型同一施肥水平下, 秸秆覆盖(SM)土壤微生物PLFA质量摩尔浓度显著高于沟垄覆膜和平作的原因.同时, 多雨年型下土壤细菌、真菌PLFA质量摩尔浓度较干旱年型平均减少33.67%和53.21%, 而放线菌PLFA质量摩尔浓度增加13.04%, 这可能与不同菌类对土壤水分的敏感性差异有关[45].

土壤中的特殊微生物类群, 可作为指示生物来表征土壤中各微生物群落的相对丰度、微生物量的变化以及土壤微生态系统的稳定性[46].本研究2 a土壤微生物PLFA比较发现, 油菜苗期多雨年型下, 细菌/真菌是干旱年型下平均值的1.28倍.多雨气候造成的土壤通气性降低, 进一步减少了土壤细菌和真菌含量, 可见连续性多雨气候对生育前期土壤微环境的影响远远高于短时间的季节性干旱.而表征环境胁迫的C/A与养分胁迫的A/B, 干旱年型较多雨年型分别增加了11.71%和10.65%, 说明干旱环境不利于土壤养分流通及作物对养分的吸收.花期多雨年型较干旱年型细菌/真菌平均值仍高出1.11倍, 说明季节性的气候异常引起的土壤微环境变化具有延续效应.一方面, 生育期大量降雨造成的植株根系发育异常, 难以得到缓解, 同时养分的淋溶损失也无法补充, 此过程难以逆转; 另一方面, 季节性干旱造成的土壤水分缺失和养分流通障碍会随着降雨后土壤水分得到补充而缓解, 有一定的可逆性.

通过微生物多样性比值分析不难发现, 多雨气候下秸秆覆盖的效果不及干旱年型, 原因是多雨下的秸秆覆盖将进一步减少土壤通透性, 不利于微生物繁殖; 而干旱下秸秆覆盖的保水效果优于沟垄覆膜, 更利于微生物生长.这是由于地膜的增温效果在干旱条件下更容易使土壤矿化, 不利于土壤微生物生长, 这也是部分研究认为的秸秆覆盖优于地膜的原因[47].同时, 还应当注意, 虽然缓释肥较传统化肥具有一定优势, 且在一定条件下减量后肥效不会显著降低, 但并不意味着随意更改用量都能获得“减量增效”的结果.如本研究中缓释肥减量40%后, 即使与覆盖技术集成, 因无法为油菜生长提供充足的营养, 所以整体上表现较差.再如, 本研究中, 在干旱年型下, 缓释肥的优势并不如在多雨年型下表现明显, 甚至在土壤水分亏缺时还有肥效释放障碍.因此有学者提到, 中国油菜生产缺少具有应对复杂环境的集成技术体系, 使分散的广大农户无以借鉴.所以, 集成技术的研发并不是单一技术的简单相加, 对于不同技术间的叠加效应、技术与环境间的耦合效益以及相关的调控机制, 都需要在将来的研究中进一步探索.

4 结论

(1) 不同降水条件下, 覆盖与施肥措施均能影响油菜土壤微环境.多雨年型下, 微生物PLFA质量摩尔浓度呈先增加后减少趋势; 季节性干旱年型下, 微生物PLFA总量呈先减少后增加趋势.施肥能显著增加土壤细菌、真菌和放线菌PLFA.除放线菌外, 季节性干旱年型下的土壤细菌和真菌质量摩尔浓度均高于多雨年型.

(2) 表征养分胁迫的直链单不饱和脂肪酸/环丙烷脂肪酸(A/B)反映了多雨年型下的养分流失风险; 表征土壤微环境稳定性的细菌/真菌与革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(G+/G-)反映了缓释肥减量20%较习惯施肥更利于维持土壤养分稳定.同时, 覆盖措施有利于缓解干旱年型下的土壤养分胁迫.

(3) 西南旱地油菜生产采用覆盖+缓释肥减量20%的集成技术(J80和M80), 能增加土壤微生物量碳氮, 有利于维持土壤微生物结构的稳定性, 并有效缓解异常气候对土壤微环境的不利影响.

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