郭宁宁，肖能文，高晓奇，宋宪军，王霞

（1.中国环境科学研究院，北京市 100012；2.广西壮族自治区蚕业技术推广站，南宁市 530007）

为提升土壤肥力和作物产量，农业生产中常施加大量无机肥［1］。长期施加无机肥会造成土壤有机质含量降低、理化性质恶化、肥料利用率下降和土壤微生物群落活性改变。相对而言，有机肥的有机质含量高、养分全面、肥效长，可以改善土壤微生物群落结构，改良土壤，提升肥力［2］，更适用于复垦地脆弱的土壤环境。本试验所用糖泥是广西百色市平果县复垦区制糖厂的残渣滤泥，主要成分是粗纤维、半纤维、脂肪质、蛋白质和少量糖［3］，这种制糖副产物经发酵处理、干化处理、筛分处理、成品加工后可成为一种优质的有机肥，产量十分可观，含有大量的有机物和营养物质，但制糖企业对其利用率却很低。探究糖泥肥对复垦地土壤环境的改善和土壤微生物群落的影响可以充分利用制糖业副产物，创造巨大经济效益和社会效益。

有机肥能够增加有机质含量，活化土壤微生物活性［4］，并且有机肥对提高土壤微生物酶活性、调整土壤微生物群落结构［5］有显著作用。土壤微生物对有机质的分解和腐殖质的合成、土壤肥力维持、植物的养分吸收方面有重要影响［6］，在维持土壤功能和生态系统稳定及可持续性利用上发挥着重要作用，而目前复垦后施用有机肥对土壤微生物影响的研究尚少，仅有对矿区复垦土壤的磷素变化的研究［7］等。为研究制糖业废渣经发酵处理后产生的糖泥肥对蚕桑土壤微生物群落活性和功能多样性的影响，本试验选取典型蚕桑复垦地为研究区，分别设置施用糖泥肥组、施用复合肥组和不施肥组，研究讨论糖泥肥对土壤理化性质及土壤微生物的影响，为糖泥肥应用于蚕桑复垦地提供数据支撑和科学参考。

1 试验方案与分析方法

1.1 试验方案

1.1.1 试验地点 试验地点位于广西壮族自治区百色市平果县坡造镇伏琴村蚕桑复垦地，坐标为N 23°26'26.70"，E 107°38'11.26"，平均海拔900 m，年平均气温21～22 ℃；年平均降水量1 443.4 mm，多集中于5—8月；年平均日照时数1 687.2 h；土壤类型为红壤。

1.1.2 试验设计 本试验共2 个处理，试验组处理与对照组处理均为统一回填土壤，植被为同年种植同品种桑树，背景值无差异。具体处理如下：施用糖泥肥处理；施用复合肥处理。未施用肥料的土壤为对照组，糖泥肥及复合肥施用量相同，均为150 kg/hm2。各组均设置3个20 m×20 m的重复小区。

1.2 分析方法

每个小区随机选取1个1 m×1 m样方，每个样方采用五点取样法，取样深度为1～20 cm，采集后土样放入无菌样品袋，经低温运输保存，微生物活性及功能多样性测定前于20 ℃条件下复苏24 h。

1.2.1 土壤主要理化参数的测定 土样含水率用TRIME-PICO-IPH TDR土壤水分测量仪测定；pH值按2.5∶1.0 的水土比例用玻璃电极pH 仪测定［8］；土壤全钾、全磷、全氮、有机质的测定方法分别为：NaOH熔融—火焰光度法［9］、NaOH熔融—钼锑抗比色法［10］、半微量凯氏法［11］与重铬酸钾氧化法［12］。氮磷钾总量为土壤全钾、全磷、全氮三者之和。

1.2.2 土壤微生物群落功能多样性测定 本研究采用Biolog-ECO 测试板（ECO MicroPlate，美国Matrix Technologies Corporation）分析微生物群落功能多样性。Biolog-ECO 微平板技术是一种快捷、高效描述微生物群落功能多样性的方法，利用少数碳源即能区别碳素利用模式的差别，被大量应用在土壤微生物群落的活性、功能多样性评价［12-17］。Biolog-ECO微孔中的31 种碳源根据特异性官能团分为6 大类，分别为碳水类、氨基酸类、羧酸类、酚酸类、多聚物类、胺类，微生物对不同碳源底物的利用情况可用孔的颜色变化率来表示。具体指标如下。

孔的颜色变化率（AWCD）：AWCD=∑（Ci－R）/n；

式中Ci为第i个非对照孔的吸光值，R为对照孔的吸光值，n为培养基碳源种类数（本试验中n为31）。

Shannon-wiener多样性指数（H＇）：H＇=-∑PilnPi；式中Pi表示第i个非对照孔中的吸光值与所有非对照孔的吸光值的总和的比值。

丰富度指数（R）是指被利用的碳源的总数目，该试验中为每孔中（Ci－R）的值大于0.25的孔数。

Simpson优势度指数（D）：D=1－∑Pi2。

1.2.3 数据处理 数据采用EXCEL 2010软件作图，用SPSS方差分析各组土壤理化性质以及微生物活性及功能多样性之间的差异。统计分析概率为P＜0.05。典范对应分析（CCA）利用R语言vegan包进行。

2 结果与分析

2.1 土壤主要理化性质

根据所采土样，测定各组土壤的理化指标。结果如表1所示，3组处理的含水率差异并不显著。未施肥的有机质及氮磷钾总量百分比相较于糖泥肥处理较低，但3 个处理的有机质差异不显著（P＞0.05），糖泥肥处理与其他两组的pH有显著差异（P＜0.05），糖泥肥处理与未施肥的氮磷钾总含量有显著差异（P＜0.05）。

表1 各组主要理化性质

2.2 微生物群落活性功能多样性

2.2.1 各组土壤微生物AWCD变化情况 平均颜色变化率（AWCD）的高低体现了微生物群落利用碳源的能力，是反映土壤微生物群落活性的指标，也能显示土壤中微生物种群的结构和数量特征。不同处理土样利用31 种碳源的AWCD如图1 所示，AWCD随着培养时间的延长而升高，0～120 h 的变化较快，变化趋势较稳定，120 h 以后升高速度有所减慢，各组AWCD增速有所不同，糖泥肥处理增长最快，对照组增长次之。复合肥处理和未施肥处理的AWCD均低于糖泥肥处理。参考高晓奇等［12］的土壤微生物群落培养时间，以72 h为准。培养72 h后的微生物功能多样性方差分析，结果表明，糖泥肥处理的土壤微生物群落AWCD显著高于复合肥处理，与未施肥的处理存在显著差异（P＜0.05）（表2）。

图1 各组土样微生物AWCD随时间的变化

2.2.2 微生物群落功能多样性分析 生物多样性对于生态系统的稳定具有重要意义，通常多样性水平越高，越有利于维持生态系统的稳定与功能［18-19］。本研究中选取了Shannon-wiener指数（H'）、Simpson指数（D）、丰富度指数（R）表征群落的功能多样性。其中Shannon-wiener 指数和Simpson 指数均反映了群落的多样性，指数越高，多样性越丰富，但Shannonwiener 指数对丰富度敏感性高，Simpson 对均匀度敏感性高。丰富度指数表示可利用碳源的数量。对各组培养72 h后土壤微生物群落功能多样性指数进行计算，结果如表2所示，糖泥肥处理的土壤微生物群落AWCD显著高于复合肥处理，与未施肥处理存在显著差异（P＜0.05）。

表2 微生物群落功能多样性分析

2.2.3 土壤微生物碳源利用水平与环境因子相关性分析 对不同类型碳源利用水平的差异在一定程度上反映了微生物群落结构的差异。碳源利用水平与环境因子的数据结果见表3、表4，典范对应分析结果如图2所示。

图2 影响碳源利用的环境因子排序图

表3 各组土壤微生物碳源利用吸光度指数分析

表4 各组土壤环境因子分析

结果显示，土壤环境因子中，总磷含量百分比和总氮含量百分比正相关，二者与含水率呈负相关；pH、有机质含量百分比、总氮含量百分比三者有较强相关性；影响土壤微生物碳源利用的环境因子有三类，按照影响从大向小排列依次为含水率、总钾含量百分比、总磷含量百分比，其中氨基酸类碳源利用效率受土壤含水率的影响最为显著，多聚物和碳水化合物类碳源利用效率受到总钾含量百分比、总磷含量百分比的影响，而钾对多聚物和碳水化合物类碳源的利用效率的影响大于磷。

3 讨论

复垦地施用肥料，最直观的表现为桑树长势旺盛，枝叶增加，侧枝增多［20］。在本次试验地区，由于复垦地土壤理化性质一致，复垦地土壤微生物的活性及功能多样性的变化主要受到了施肥的影响。本研究中糖泥肥处理的土壤微生物群落AWCD显著高于复合肥处理，与未施肥差异不显著。

微生物群落AWCD的结果表明施加糖泥肥较复合肥和不施肥土壤微生物群落多样性增加，活性增强，微生物进行生命活动时也产生有机质，所以施用糖泥肥可以增强微生物固定有机质并衍化有机质以增加土壤中碳的稳定性，达到增强土壤肥力的目的［21］，本结果与张浩等［22］的红壤侵蚀区对土壤微生物群落结构的影响中提到的结论一致；同时此结果还表明施用复合肥会降低土壤微生物的活性及群落多样性，对土壤环境产生负面影响，导致复垦地土壤肥力下降。

对于复垦地来说，如何快速持久的增强肥力，是一个相当紧迫和重要的问题，本研究表明，施用糖泥肥可达到这一效果，并且复垦地应尽量减少复合肥的施用，防止土壤肥力的退化。以制糖业废渣糖泥作为原料经发酵处理等工艺生产的肥料，既能高效利用农业废弃资源，也可改善土壤肥力，减少了复合化肥的使用占比，创造经济与环境双收益。

4 结论

本试验是基于广西壮族自治区蚕业技术推广站已研究一年的试验区，研究了不同肥料类型对复垦地土壤微生物群落功能多样性的影响。得出以下结论：施用糖泥肥复垦地pH及总养分指标高于未施肥土地；经不同施肥处理后，施用糖泥肥复垦地土壤微生物活性和群落功能多样性明显高于不施肥土地，且施用复合肥复垦地土壤微生物活性及丰富度明显低于不施肥土地；施加不同肥料是影响研究区域土壤微生物群落多样性和活性的主要因子。