规模化奶牛养殖粪水还田对土壤理化性质及微生物群落特征的影响*

赵晓芳 许继飞# 贺旭德 李 桐 刘建国 李国庆

(1.内蒙古大学生态与环境学院,内蒙古环境污染控制与废物资源化重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010021;2.内蒙古工业大学能源与动力学院,内蒙古 呼和浩特 010051;3.内蒙古自治区环境监测总站呼和浩特分站,内蒙古 呼和浩特 010030)

我国规模化奶牛养殖业发展迅速,大量奶牛养殖粪水也随之产生。奶牛养殖粪水主要由尿液、粪便、残留饲料和牛舍冲洗水混合而成[1]。奶牛养殖粪水产量大,且含有丰富的碳、氮、磷等营养物质,经氧化塘无害化处理后若达到还田的卫生质量要求,则具有可资源化利用的潜力[2-3]。土壤微生物是土壤物质循环的重要组成部分[4],奶牛养殖粪水还可能改善土壤微生物结构,从而提高土壤养分含量并改善土壤物理结构[5-6]。

因此,研究经氧化塘无害化处理后的规模化奶牛养殖粪水还田对土壤理化性质和微生物群落特征的影响可为我国养殖粪水资源化利用提供科学依据。本研究探究了不同粪水还田量下土壤养分和微生物群落结构的变化,同时观测作物的响应,以揭示养殖粪水还田对土壤环境的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

养殖粪水取自内蒙古呼和浩特某规模化奶牛养殖场的三级串联氧化塘,化学需氧量(COD)11 330 mg/L,五日生化需氧量(BOD5)7 080 mg/L,pH 7.2,全盐量7 700 mg/L,总氮2 050 mg/L,氨氮1 130 mg/L,总磷359 mg/L。堆肥牛粪经过槽式发酵15～30 d,总氮、总磷、氨氮和有机质分别为546、171、256、97 700 mg/kg。野外大田试验在养殖场周边进行。试验大田的土壤类型为沙壤土,近3年未施用过畜禽粪肥和其他改良剂,0～20 cm的表层土壤背景理化性质为：pH 8.75、全盐量500 mg/kg、有机质5.68 g/kg、总氮276 mg/kg、总磷450 mg/kg。供试作物品种为玉米(青贮1381)。

1.2 试验设计

采用完全随机区组设计,各处理小区面积为5.2 m×5.0 m,每个处理设3个平行。每个处理小区土壤中于2019年4月底翻施牛粪堆肥7 kg/m2,作为基肥,养殖粪水按照当地管道漫灌方式施加,在玉米种植前一周施加粪水还田量均为0.32 t/m2,在大喇叭口期按同样的施加方式分别施加粪水还田量为0、0.32、0.64、0.96 t/m2,共4个处理,所有处理同时灌溉清水以保证养殖粪水和清水总量都为1.28 t/m2。每个处理小区播种玉米8行13列,其他田间管理措施同当地玉米农田,9月底收获。

1.3 样品采集与测定

玉米收获时,在玉米植株根部水平距离15 cm处采用对角线5点法采集各处理小区0～20 cm表层土壤样品并混合。一部分经自然风干过筛(孔径<2 mm)后用于土壤理化性质测定;一部分-80 ℃储存,用于土壤脱氧核糖核酸(DNA)提取。土壤理化性质测定参照《土壤农业化学分析方法》。玉米植株收获每个处理小区内的第1、3、5、7行植株,烘干并测定地上部分生物量。

1.4 DNA提取及高通量测序

使用土壤基因组DNA试剂盒(MagicPure®Stool and Soil Genomic DNA Kit)从0.250 g经真空冷冻干燥过筛(孔径<2 mm)后的土壤样品中提取DNA,然后使用超微量紫外分光光度计(NanoDrop ND-2000)测定DNA浓度和纯度,最终通过质量分数为1%的琼脂糖凝胶电泳检测合格后送至上海派森诺生物科技公司对细菌16S rDNA基因的V3～V4序列和真菌ITS序列进行扩增和高通量测序,测序基于Illumina Novaseq 2000平台,分别使用引物338F/806R和1743F/2043R,经质控后得到优质序列。

1.5 数据分析

用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(ANOVA),利用Duncan检验分析不同处理间的指标差异显著性(P<0.05)。用QIIME2软件根据SILVA和UNITE数据库进行物种注释,分析各处理土壤的细菌和真菌群落组成并计算Chao1指数和Shannon指数,分别用来表征丰富度和多样性。

2 结果与讨论

2.1 养殖粪水还田对土壤理化性质的影响

由图1得知,养殖粪水还田后,土壤理化性质会发生不同程度的变化,表明养殖粪水还田可影响土壤理化性质。随粪水还田量增加,土壤有机质和土壤有效氮均显著增加,养殖粪水还田量为0.96 t/m2时达到最高,然而此时全盐量也达到最高,可能会引起土壤盐渍化,而粪水还田量为0.64 t/m2时在保证土壤有机质和土壤有效氮仍然较高的前提下,全盐量最低,甚至低于养殖粪水还田前,因此适量粪水还田可缓解农田盐渍化,可能是因为适量液体肥料携带充足的水分,可将农田表层土壤盐分淋渗到深层土壤中,从而降低表层土壤含盐量[7]。在粪水还田量为0.64 t/m2时,总氮、总磷和有效磷也均显著高于养殖粪水还田前,总磷含量甚至还高于养殖粪水还田量分别为0.32、0.96 t/m2时,表明适量的养殖粪水还田量可提高土壤中植物可利用的营养元素,而且不会造成土壤盐渍化。粪水还田量为0.32、0.64、0.96 t/m2时,玉米植株地上生物量分别为461.6、442.4、431.7 g/株,均高于养殖粪水还田前,主要是因为养殖粪水可为土壤提供充足的碳源和氮源,从而促进作物增产[8]。玉米植株地上生物量在0.64 t/m2时也处于比较可观的水平。刘青松等[9]发现在苜蓿地块施用化肥联合浇灌奶牛养殖粪水,可提高土壤有机质含量并增加苜蓿产量,与本研究结论一致。

注：图上不同小写字母表示在 P<0.05水平下差异显著。图1 土壤理化性质分析Fig.1 Physicochemical property analysis

综上所述,养殖粪水还田可改变土壤理化性质,适量的养殖粪水还田量可提高土壤中植物可利用的营养元素,促进作物增产且不会造成土壤盐渍化,本研究中比较合适的粪水还田量应为0.64 t/m2。

2.2 养殖粪水还田后土壤细菌和真菌丰富度和多样性分析

养殖粪水还田后,土壤细菌的Chao1指数和Shannon指数大体有所升高(见图2(a))。当粪水还田量为0.32、0.96 t/m2时,土壤细菌的Chao1指数和Shannon指数均高于养殖粪水还田前,而当养殖粪水还田量为0.64 t/m2时,土壤细菌的Chao1指数和Shannon指数与养殖粪水还田前基本一致,对土壤细菌的结构影响最小。

图2 土壤微生物Chao1指数和Shannon指数分析Fig.2 Microbial Chao1 Index and Shannon Index analysis

土壤真菌的Chao1指数和Shannon指数对养殖粪水还田的响应不同于细菌(见图2(b))。养殖粪水还田后,土壤真菌的Chao1指数整体随养殖粪水还田量增加呈下降趋势,而Shannon指数整体呈上升趋势,表明在养殖粪水还田后,土壤真菌群落的丰富度下降而多样性升高。这可能是因为随着养殖粪水还田量增加,土壤真菌菌丝网络与土壤矿物颗粒形成的团聚体结构被破坏,导致真菌菌丝破裂,使部分土壤真菌物种死亡,真菌群落丰富度降低[10]。养殖粪水还田量为0.64 t/m2可以综合平衡养殖粪水还田对壤真菌群落丰富度和多样性的影响。

2.3 土壤细菌群落组成分析

养殖粪水还田前后土壤细菌结构在门水平上组成较为相似,优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)等(见图3),但其相对丰度发生变化。随粪水还田量增加,变形菌门、厚壁菌门、酸杆菌门和拟杆菌门的相对丰度呈增加趋势,而放线菌门、绿弯菌门则呈下降趋势。这是因为粪水还田引起土壤养分条件改变,使土壤菌群的共生与寡营养策略发生变化[11]。具体分析不同粪水还田量下土壤细菌属水平发现,养殖粪水还田前后,土壤中的优势细菌属依次为斯克尔曼氏菌属(Skermanella,相对丰度为8.83%～20.42%)、节杆菌属(Arthrobacter,相对丰度为5.52%～13.62%)、凯氏杆菌属(Kaistobacter,相对丰度为7.16%～12.87%)和芽孢杆菌属(Bacillus,相对丰度为2.36%～12.49%)等。斯克尔曼氏菌属是典型的生物固氮菌,可减少土壤氮素流失[12]。芽孢杆菌属能分泌纤维素酶,具有纤维素降解功能,有利于土壤中纤维素类的降解[13]。

图3 土壤细菌门水平组成Fig.3 Bacterial composition in phylum level in soil

2.4 土壤真菌群落组成分析

养殖粪水还田前后土壤真菌在门水平上主要检测到子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)两种(见图4),其中优势菌门为子囊菌门(相对丰度为78.15%～93.85%)。大量的子囊菌门有助于植物纤维素和木质素的降解,从而促进土壤养分循环[14-15]。养殖粪水还田后,子囊菌门相对丰度有所降低,可能是因为土壤有效氮增加而导致的[16]。在土壤真菌属水平上,大量子囊菌门的属还未被鉴定,需要进一步研究。

图4 土壤真菌门水平组成Fig.4 Fungal composition in phylum level in soil

3 结 论

(1) 适量养殖粪水还田可以提高土壤有机质、土壤有效氮等土壤养分含量,促进作物增产,同时也不会造成土壤盐渍化,本研究中最合适的粪水还田量应为0.64 t/m2,此时对土壤微生物丰富度和多样性影响也最小。

(2) 土壤细菌中发现的优势菌属斯克尔曼氏菌属可生物固氮,减少土壤氮素流失;芽孢杆菌属能分泌纤维素酶,有利于土壤中纤维素类的降解。土壤真菌大量存在的是子囊菌门,有助于植物纤维素和木质素的降解。