不同氮素营养水平对茶树根际土壤微生物的影响及其在养分调控中的作用

茶树(Camellia sinensis L.)是源于中国西南部亚热带的常绿阔叶灌木,具有喜漫射光、喜湿、喜酸性土、耐荫和畏寒等特性,是一类喜氮的多年生叶用经济作物。氮素几乎参与了茶树生育过程中的每一个阶段,不仅是茶树正常生长发育的重要基础物质,亦是茶叶中蛋白质、氨基酸以及生物碱等有机含氮活性物质的组成成分[1-2]。研究表明,合理施用氮肥能促进茶树生长,显著提高茶叶产量并改善其品质,提高茶叶叶绿素的含量及光合速率等[3-6]；反之,过量施氮则降低了茶树抵抗病虫害的能力、加剧了土壤污染及酸化等,造成茶叶产质量下降[7-9],严重影响了茶叶产业的可持续发展。

土壤微生物是土壤系统中最为活跃的因子,参与了土壤中物质转化和养分循环,是构成土壤肥力的重要因素,对土壤肥力的作用举足轻重[10-11]；同时它对土壤矿物的分解具有重要的作用,并在土壤团粒结构的形成与稳定方面发挥着决定性的作用,能够改善土壤的结构,从而促进了植物的生长[12-13]。此外,土壤系统中微生物的数量繁多、群落组成复杂,能直接影响土壤的生物化学活性以及养分的组成、转化,其数量与活性是土壤肥力状况衡量的重要指标之一[14-15]。目前,关于氮素营养水平对茶树土壤微生物区系的影响及其在养分调控中的作用方面的研究较少。为此,本研究通过盆栽试验,探讨不同氮素营养条件下茶树根际土壤微生物种群结构和土壤养分的变化趋势以及二者之间的内在关联,旨在通过调整合理的施氮量来改善茶园土壤养分的利用,调节土壤微生物区系,为茶叶生产上科学施用氮肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验于2016 年10月,在广西南亚热带农业科学研究所的温室大棚布置实施,该区属于典型的南亚热带季风气候,地理坐标为(22°21′N, 106°46′E),海拔125 m 左右,年平均温度22 ℃以上,年降雨量1 273.6 mm 以上。供试土壤是适宜茶树生长发育的酸性红壤土,其土壤理化性状：碱解氮1 10.5 mg/kg,速效磷12.2 mg/kg,速效钾125.5 mg/kg,有机质13.14 g/kg,pH值4.99。

供试品种：茶树品种(Camellia sinensis L.wuniuzao)：2年生的标准乌牛早茶苗；大豆品种(Glycine max (Linn.) Merr. lixiang M-7)：理想M-7。

供试肥料：尿素(46% N)、普通过磷酸钙(14% P2O5)、硫酸钾(50% K2O)。

1.2 试验设计

盆栽试验采取单因子试验设计,设4个不同施氮量(N0-0 g/kg、N1-0.25 g/kg、N2-0.5 g/kg、N3-0.75 g/kg),每个处理设3次重复,随机摆放。单作处理每盆种植4株茶苗或者大豆,间作处理茶苗与大豆各种植2株。采用相同规格的塑料花盆(400 mm×280 mm),每盆装16 kg土壤,肥料施用量按照氮0.5 g/kg 干土的纯养分来换算,其中N∶P2O5∶K2O=1∶1∶1。整个生育期氮肥分3次施入,其中40%为基肥,在春茶期与夏茶期结束后各追肥30%,P肥和K 肥作为基肥一次施入。整个生育期按生产茶园习惯进行常规管理,不喷施农药、杀虫剂以及杀菌剂,并且定期地调换塑料盆的位置。

1.3 土壤样品的采集

于2017年4月5日(春茶期)、6月15日(夏茶期)及8月20日(秋茶期)采集样品,先将茶苗从土壤中整株挖出,接着抖掉与根系松散结合的土壤,最后把与根系紧密结合的土壤刷下来作为根际土样品。每个处理的土壤样品分为两半,一半土壤自然风干后过1 mm筛子,用于土壤养分的测定,另一半土壤过2 mm 筛后于4 ℃冰箱保存,用于土壤微生物数量的测定。

1.4 测定方法

1.4.1 采用平板稀释法测定土壤微生物数量细菌：牛肉膏蛋白胨琼脂培养基；真菌：马丁孟加拉红琼脂培养基；放线菌：改良高氏一号琼脂培养基。将土壤悬浮液按倍数(细菌10-5、放线菌10-4、真菌10-2)稀释涂平板后置于28 ℃的恒温培养箱中培养(细菌2～3 d、放线菌 5～7 d、真菌 3～4 d)后计数[16-17]。

选取目前应用最广泛的Shannon-Wiener指数(H)、Simpson指数(D)和Shannon均匀度指数(E) 3种群落多样性指数作为研究群落物种数及其个体数和分布均匀程度的综合指标[17-18]。

Shannon-Wiener多样性指数：H=Σ (ni/N) ln (ni/N)

Simpson多样性指数：D=1-∑ni (ni-1)/N(N-1)

Shannon均匀度指数：E=[Σ (ni/N) ln (ni/N)]/lnS

式中,ni 为第i个物种的个体数；N为微生物群落中所有的物种的个体数；S为物种总数。

1.4.2 土壤养分测定[19] 有机质,用K2Cr2O7容量法-外加热法；碱解氮,用碱解扩散法；速效磷,用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法；速效钾,用火焰光度法；pH,用电极电位法(2.5∶1.0水土比浸提液)。

1.5 数据分析

利用Microsoft Excel 2016对原始数据进行初步整理、作柱状图以简单分析,然后用SPSS 20.0软件分对整理后的数据进行LSD进行多重比较(显著水平设置P<0.05)和单因素方差分析(One-way ANOVA),和Pearson相关系数检验土壤养分及微生物量与土壤理化性质之间的相关性,研究中数据表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 氮素水平对茶树根际养分、pH值变化的影响

由图1可见,茶树根际土壤碱解氮、有效钾含量随茶叶采摘时期推进呈先上升后下降的变化趋势,各在夏茶期的含量最高,秋茶期的含量最低。在同一茶叶采摘时期,茶树根际土壤碱解氮、有效钾含量的变化趋势表现为随施氮量的增加而也呈先增加后降低的趋势。此外,从春茶期-夏茶期-秋茶期, N1、N2、N3处理的茶树根际土壤碱解氮含量较对照(N0)处理分别提高了12.88%～30.61%,6.91%～21.49%和-14.30%～10.72%,其中N2处理均与对照差异达到显著水平(P<0.05)；同时N1、N2处理的茶树根际土壤有效钾含量亦分别比对照(N0)显著增加了8.08%～19.92%和13.17%～46.49%,而N3处理土壤有效钾含量显著低于N0处理(除秋茶期外)。可见,合理施用氮肥有利于提高茶树土壤碱解氮、有效钾的含量,改善了土壤的肥力。

茶树根际土壤的有效磷与有机质含量与有效钾、碱解氮含量的变化趋势不一致,从春茶期～秋茶期,茶树土壤有效磷、有机质含量呈下降趋势,在春茶期含量最高。在同一茶叶采摘时期,茶树根际土壤有效磷、有机质含量的变化趋势则表现为随施氮量的增加而呈先增加后降低的趋势,且均在N1或N2处理的含量最高。此外,在3个茶叶采摘期, N1、N2处理的茶树根际土壤有效磷含量较对照(N0)处理分别提高了68.63%,10.58%,32.99%和46.99%,31.46%,100.34%,其中春茶期和秋茶期的N1、N2处理均与对照差异达到显著水平(P<0.05)；同时N1、N2处理的茶树根际土壤有机质含量亦分别比对照(N0)显著增加了22.59%,40.24%,38.52%和9.37%,4.88%,69.06%,且在春茶期和秋茶期差异均达显著水平,而N3处理的根际有机质含量显著低于N0处理。上述研究发现说明,合理的氮肥施用量有利于提高茶树土壤有效磷、有机质的含量。

茶树是一类喜酸性土壤的叶用作物,其生长的适宜土壤pH值在4.00～6.00左右。土壤pH值的变化对土壤养分的有效性、吸收、利用以及微生物的种类和数量会有直接的影响,进而影响到茶叶的产量和品质。在本研究中,茶树根际土壤pH随着施氮量的增加呈下降的变化趋势,其中在夏茶期pH显著下降,春茶期和秋茶期的N2、N3处理亦显著降低；此外,茶树根际土壤pH以春茶期pH表现最高,秋茶期最低。可知,氮肥的使用能显著降低土壤的pH值起着明显酸化茶园土壤的作用。

2.2 氮素水平对茶树根际土壤微生物种群数量变化的影响

土壤中微生物的数量分布不仅能够敏感地反映出土壤质量的变化,具体体现出土壤的生物活性,是评价土壤肥力的重要指标之一。由图2可以看出,从春茶期-夏茶期-秋茶期,随着茶叶采摘时期的推进,茶树根际土壤细菌、放线菌数量均随着氮肥施用量的增加而先增加后降低,其中细菌在春茶期和夏茶期时在N2处理数量达到最大,而秋茶期则在N1处理时数量最多；放线菌数量在夏茶期和秋茶期时在N2水平下达到顶峰,而春茶期则在N1处理时数量最大。与对照(N0)处理相比,N1、N2、N3处理的茶树根际细菌数量分别提高了26.15%～38.31%,16.11%～65.21%和-5.16%～6.37%；同时N1、N2、N3处理的茶树根际放线菌数量亦分别比对照(N0)增加了27.79%～137.09%,34.79%～53.57%和11.01%～23.53%,其中N1、N2处理均与对照差异达到显著水平(P<0.05)。此外,在3个茶叶采摘期,茶树根际土壤真菌数量均随着氮肥施用量的增加而呈递增的趋势,其中N1、N2、N3处理的茶树根际真菌数量分别比对照(N0)提高了8.55%～22.10%,23.55%～43.69%和7.55%～9.07% ,并且N2、N3处理均与对照差异达到显著水平(P<0.05)。上述试验结果发现,氮肥的适量施用能够增加了茶树根际土壤细菌、放线菌以及真菌数量,有效改善茶树根际微生物群落的种群结构比例。

生物多样性指数是反映生物类型和均匀度的一个度量指标,在一定程度上可以反映生物群落中的物种丰富度及各类型的分布比例[20]。由表1可知,合理施氮肥能显著增加茶树根际土壤微生物总量,改变了茶树根际的微生物多样性指数,且在秋茶期均高于对照(N0)处理。在春茶期,N1处理茶树根际微生物群落的Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(D)、Shannon均匀度指数(E)分别比对照(N0)处理显著提高了48.68%,67.24%和48.79%；秋茶期的N2、N3处理的各微生物多样性指数亦较对照(N0)处理分别显著增加了21.08%,27.19%,21.18% 和20.63%,26.32%,20.69%。上述结果表明,适宜的氮肥用量对茶树根际微生物群落多样性有一定的改善作用。

注：不同小写字母表示同一采茶期不同施氮处理之间的显著差异 (P<0.05)。

Note： Different small letters indicated significant difference among different nitrogen treatments at the same stage at 0.05 levels.

2.3 氮素营养水平下茶树根际微生物数量与养分的相关性

土壤微生物是维持土壤质量的主要因素之一,其数量的多少在一定程度上能够反映出土壤的肥力水平。不同施氮处理茶树的土壤微生物与土壤养分的相关性分析结果表明(表 2),土壤细菌、放线菌数量、微生物总量与土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质的含量均呈极显著正相关,其中细菌数量、微生物总量与pH之间也呈显著正相关性；而真菌数量与有机质含量呈显著的负相关关系,却与土壤碱解氮、速效钾、速效磷的含量及pH之间的相关关系不明显。总之,在不同施氮处理下,土壤细菌、放线菌及真菌数量的变化与土壤养分含量的提高有密切关系,因此土壤微生物数量可作为评价土壤肥力的重要指标之一。

Note： * and ** indicated significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

2.4 不同施氮水平茶树土壤各指标的主成分分析

大量研究表明,主成分分析法(PCA)是土壤评价中应用最为广泛的数理统计方法,进一步对不同施氮量处理下的土壤综合肥力进行评价,通过对春茶期测定的微生物数量、土壤养分共9个指标进行PCA分析。从表3分析结果可以知道,第一主成分(PC1)的方差贡献率最大,百分比为56.091%,特征值为5.048,对土壤肥力综合评价起主要作用,第二主成分的方差贡献率为25.469%,特征值为2.292,第三主成分的方差贡献率为12.326%,特征值为1.109。3个主成分的累积方差贡献率分别达到了93.886%,基本包含了主要土壤肥力信息。土壤细菌数量、微生物总数、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量及有机质含量对第一主成分影响较大；真菌数量、碱解氮含量、有机质含量及pH对第二主成分影响较大；放线菌数量、速效磷及速效钾含量对第三主成分影响较大。

将其转换成规格化特征向量,可以得到反映土壤肥力水平的3个主成分表达式：

F1=0.390x1+0.288x2-0.179x3+0.412x4+0.357x5+0.368x6+0.383x7+0.348x8-0.180x9；

F2=-0.221x1+0.194x2-0.550x3-0.188x4-0.312x5-0.005x6+0.212x7+0.392x8+0.531x9；

F3=-0.283x1+0.657x2+0.264x3-0.187x4-0.145x5+0.491x6-0.318x7+0.043x8-0.136x9

式中x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9分别代表细菌数量、放线菌数量、真菌数量、微生物总量、碱解N、速效P、速效K、有机质、pH。

前面3个成分的累积方差贡献率达到了93.886%,说明利用前3个成分来评价不同施氮量处理的茶树土壤肥力状况是可行的。因此,将9个指标分别带入特征向量主成分表达式计算各主成分得分(表4)。结果显示,施氮后土壤肥力水平发生改变,在试验中的4个施氮量中,N1处理的土壤肥力综合得分最高,N2处理次之,N0处理第三,N3处理第四。由此说明,合理施用氮肥可以有效提高茶树土壤肥力水平,反之则降低了土壤肥力水平。

3 讨论与结论

土壤微生物是土壤有机物质转化的执行者,促进了养分的循环和生物有效性,同时其代谢产物也为植物提供营养成分,并受到肥料用量(或种类)、施肥方式、种植模式及土壤类型等一系列因素的综合影响[21-24]。湛方栋等[25]研究结果发现,土壤细菌、放线菌以及真菌数量均在一定的范围内随着施氮水平的增加而增加,在施氮量为60 kg/hm2的微生物数量最大；马冬云等[26]研究结果亦报道施用氮肥能够有效地调节根际微生物区系,小麦根际微生物总量、细菌、放线菌、真菌数量随着尿素施用量的增加呈先增加后下降的趋势。本研究表明,茶树土壤细菌、放线菌数量及微生物总量均随着施氮水平的增加而先增加后降低,以N1或N2处理有利于保持较高的土壤细菌、放线菌数量,这与前人的研究结果一致。这可能是由于适宜的氮素营养一方面可以为土壤微生物提供了充足的养分,另一方面可以促进茶树生长和根系活动增强而使得根系分泌物增加,为微生物的繁殖生存提供了丰富的碳源,优化了土壤微生物类群的数量；而当氮素营养过高时,使得土壤中的碳源相对不足,进而造成土壤微生物的活性降低。本试验条件下,施用氮肥能够显著促茶树根际土壤真菌的数量,随着施氮水平的增加而递增,这主要可能是由于茶树品种、气候类型、土壤养分存在差异以及氮肥用量所导致的。

土壤营养成分的丰富程度反映了土壤质量的健康状况,影响着整个土壤生态系统的物流及能量的循环,并主导着有机物质的分解与转化,是土壤肥力的重要因素之一。符鲜等[27]研究结果发现,小麦土壤有机质、碱解氮、速效磷含量都在一定范围内随着施氮水平的提高而随之增加,反之施氮水平过高时,则对土壤养分有效性产生一定的抑制作用,以N2水平的含量最大；霍利霞等[28]研究亦报道了,荒漠草原土壤有机质、全氮、硝态氮、铵态氮以及微生物量氮含量随施氮水平的增加而呈递增,而微生物量碳含量则先增加后降低。本研究表明,随着施氮量的增加,在茶树土壤微生物数量和多样性增加的同时,茶树土壤碱解氮、速效磷、速效钾以及有机质的含量在一定范围内也随之增加,而当施氮水平过高(N3处理)时,则对土壤养分的增加产生一定的抑制作用,在N1或者N2处理时茶树土壤养分达到最大值,这说明适宜的增加施氮量能够有效增加茶树土壤中的养分含量,改善茶树的土壤肥力。

土壤微生物是土壤中养分转化的最关键的因素之一,而土壤养分又为土壤微生物繁殖生存提供物质基础,故其成分的丰富程度决定了微生物的类群、数量及比例的消长[29]。在不同氮素营养条件下,小麦土壤有机质、碱解氮、速效磷与细菌、真菌和放线菌之间均存在极显著正相关关系[27]；玉米根际土壤真菌、放线菌数量与土壤养分之间存在显著的相关关系[21]。在本试验中,在不同氮素供应水平下,茶树根际土壤微生物类群和数量与土壤各养分之间均存在着非常紧密的相关性。其中,土壤细菌、放线菌数量、微生物总量与土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质的含量均呈极显著正相关,其中细菌数量、微生物总量与pH之间也呈显著正相关性；而真菌数量与有机质含量呈显著的负相关关系。这可能是由于氮肥施用后显著增加了茶树根际细菌、放线菌以及真菌的数量,调节了微生物种群的比例,可能提高了土壤有机养分转化成无机有效养分的效率,因而能有效地增加土壤的有效养分含量。由此可见,土壤微生物与土壤大部分理化性状关系密切,对土壤养分的运转具非常有重要的作用。

各氮素处理茶树根际微生物类群、养分各指标的主成分分析结果发现,土壤的养分、微生物类群及土壤酸碱性是影响茶园土壤状况的3个主要因素。不同氮素供应处理的茶树土壤质量的综合评价结果表明,N1处理的茶树土壤的综合得分最高,依次为N2、N0、N3处理,表明减施氮肥在一定程度上可以增加茶树土壤有机质含量和营养成分,改善茶树土壤肥力,维持较高的土壤生态。

本试验中,与不施氮肥(N0)处理相比,施用适宜的氮肥可以提高茶树根际土壤细菌、真菌、放线菌数量,优化根际微生物群落的种群比例,进而改善群落的多样性；亦能增加茶树根际碱解氮、速效磷、速效钾与有机质的含量,并且均在N1或N2处理具有较高的促进效应。相关性分析结果也表明,茶树根际微生物数量与部分养分指标之间存在着显著的相关联系,表明土壤养分的变化与微生物各类群数量的多少之间存在紧密的联系。因此,在茶园中合理科学施用氮肥,有利于维持良好健康的茶园土壤生态环境,有利于促进茶园的可持续发展。

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