玉米马铃薯秸秆混合腐解的非加性效应 植物生态学报    2023, 47 (12): 1728-1738.   DOI: 10.17521/cjpe.2022.0339

表4 培养120 h秸秆降解微生物平均颜色变化率(AWCD)、Simpson指数和Shannon-Wiener指数(平均值±标准差)

正文中引用本图/表的段落

除了分解3个月时的玉米单作环境和分解6个月时的间作环境外, 整个分解期的混合秸秆AWCD均显著高于玉米秸秆(19.9%)和马铃薯秸秆(20.0%) (表4)。分解3个月时, 只有间作分解环境中, 混合秸秆微生物功能多样性(Shannon-Wiener指数和Simpson指数表示)显著高于单一秸秆(0.2%-0.7%)。同时, 分解6个月时, 除了间作环境, 在玉米单作环境中也发现类似的规律。分解3个月时, 间作分解环境显著提高了3种秸秆AWCD (14.2%-19.9%), 但是随着分解时间增加, 间作优势消失, 马铃薯单作表现出优势。并且, 整个分解期, 只有分解6个月时的单一分解环境和间作分解环境中的秸秆微生物功能多样性存在显著差异。

整个分解期, 所有秸秆微生物均能利用碳源底物, 并且主要利用碳水化合物和羧酸(图3)。我们将每种秸秆在3种环境下的单一碳源利用和每种环境中3种秸秆的单一碳源利用进行平均, 以此探讨秸秆类型和分解环境对单一碳源利用的影响。发现分解6个月时, 相比于单一秸秆, 混合秸秆显著提高了微生物对碳水化合物和羧酸碳源底物的利用(图4B)。但是分解3个月时, 混合秸秆微生物对碳源底物的利用并没有表现出显著优势(图4A)。分解3个月时, 间作环境显著提高了微生物对碳水化合物和羧酸碳源底物的利用(图4C), 随着分解时间的增加, 相比于间作和玉米单作, 马铃薯单作中秸秆微生物对碳源底物利用表现出显著优势(图4D)。

有机残体的分解受到自身质量和外界环境的影响, 而有机物C:N, 纤维素和半纤维素含量等是控制有机物分解的重要因素(张红等, 2019)。本研究中, 玉米秸秆C:N和马铃薯秸秆C:N存在差异(表1), 并且之前的研究也证实马铃薯秸秆和玉米秸秆的纤维素、半纤维素含量和结构并不相同(刘会影等, 2013; 安玉民等, 2016; 李欢等, 2022)。整个分解时期高质量的马铃薯秸秆分解率显著高于低质量的玉米秸秆(图2)。这与不同质量凋落物在森林生态系统中的分解结果(Li et al., 2017)是一致的。有趣的是, 玉米秸秆在玉米单作(原位分解环境)和马铃薯单作及间作(异位分解环境)中分解时, 原位环境并没有促进玉米秸秆分解和提高玉米秸秆微生物对碳源底物利用(即无主场优势, 图1和表4)。其原因可能是在分解袋填埋前, 我们对秸秆进行了烘干处理, 抑制了秸秆表面原生境中微生物的活性, 导致其在原位分解时失去了主场优势(Li et al., 2017; Lin et al., 2020)。玉米秸秆的分解受到了碳水化合物中D-赤藻糖醇和D, L-α-甘油的驱动(图6, 图7B), 而马铃薯秸秆的分解除了受到碳水化合物(D-木糖、N-乙酰基-D-葡萄胺、葡萄糖-1-磷酸盐)的驱动外, 还与D-半乳糖醛酸和肝糖有关(图6, 图7C)。这可能是高质量的马铃薯秸秆分解更快, 其微生物不仅利用了秸秆中易分解的成分(Benito-Carnero et al., 2021), 还利用了秸秆中难分解的部分(酚类化合物), 但是低质量的玉米秸秆分解比马铃薯秸秆慢, 在6个月的分解期内微生物主要利用秸秆中的易分解成分。这也证实了不同质量秸秆分解率是不一致的, 并且相对于低质量秸秆, 高质量秸秆分解更快。

AWCD值用于反映秸秆微生物的碳源代谢活性, 是微生物对单一碳源利用的一个重要指标(张红等, 2014; 王顶等, 2022)。本研究发现, 混合秸秆不仅提高了整体AWCD值(表4), 而且提高了微生物对CH、CA的利用效率(图4A、4B), 表明秸秆混合后, 提高了微生物的活性, 并且提高了微生物对碳水化合物等容易分解物质的利用, 从而加速了混合秸秆的分解速率。这与前人对森林生态系统中凋落物分解的研究结果(Lin et al., 2020; Zhou et al., 2020)相似。分解3个月时, 间作显著提高了3种秸秆的AWCD值(表4), 也提高了微生物对CH、CA的利用效率(图4C、4D)。可能是间作的多样化环境, 加快了养分的循环, 为微生物提供了更有利的生存环境, 从而加速了秸秆的分解(Li et al., 2019; Cuartero et al., 2022)。而且, 最近的一项meta分析也证实了间作能显著提高酶活性和微生物活性(Curtright & Tiemann, 2021)。

本文的其它图/表

• 表1 玉米秸秆(MS)和马铃薯秸秆(PS)原样基本性质
  
• 表2 秸秆填埋前田间实验小区土壤基本化学性质
  
• 图1 秸秆分解袋填埋示意图。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。
  
• 表3 不同分解环境中混合秸秆的非加性效应
  
• 图2 不同时期秸秆分解率变化(平均值±标准差)。I, 玉米马铃薯间作; M, 玉米单作; P, 马铃薯单作。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。不同大写字母表示不同分解环境同种秸秆分解率差异显著; 不同小写字母表示不同秸秆同一分解环境下秸秆分解率差异显著; 星号表示不同秸秆间分解率差异显著(**, p < 0.01; ***, p < 0.001)。
  
• 图3 秸秆微生物对单一碳源的利用率。AA, 氨基酸; AM, 胺类; CA, 羧酸; CH, 碳水化合物; PA, 酚类化合物; PM, 多聚物。I, 玉米马铃薯间作; M, 玉米单作; P, 马铃薯单作。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。
  
• 图4 不同秸秆(A、B)和不同分解环境(C、D)下单一碳源利用率(平均值±标准差)。不同小写字母表示不同处理下同种碳源含量差异显著(p < 0.05)。AWCD, 孔平均颜色变化率。AA, 氨基酸; AM, 胺类; CA, 羧酸; CH, 碳水化合物; PA, 酚类化合物; PM, 多聚物。I, 玉米马铃薯间作; M, 玉米单作; P, 马铃薯单作. MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。
  
• 图5 秸秆分解率与单一碳源的相关性热图。SDR, 秸秆分解率。AA, 氨基酸; AM, 胺类; CA, 羧酸; CH, 碳水化合物; PA, 酚类化合物; PM, 多聚物。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。
  
• 图6 马铃薯秸秆、玉米秸秆和混合秸秆分解率驱动因素的随机森林回归模型分析。图中仅展示了|均方误差| ≥3.0%的驱动因子。MS, 玉米秸秆; PS, 马铃薯秸秆; XS, 混合秸秆。AN, 铵态氮含量; AP, 速效磷含量; DGA, D-半乳糖醛酸; DL, D,L-a-甘油; DOC, 溶解性有机碳含量; DX, D-木糖; GL, 肝糖; GP, 葡萄糖-1-磷酸盐; I-a, I-赤藻糖醇; NADG, N-乙酰基-D-葡萄胺; NN, 硝态氮含量。*, p < 0.05; **, p < 0.01。
  
• 图7 土壤性质、碳源和腐解秸秆碳氮比(C:N)对混合秸秆(A)、玉米秸秆(B)和马铃薯秸秆(C)分解率(SDR)影响的结构方程模型。实线表示负相关(蓝色)和正相关(红色), 虚线表示相关性不显著。AN, 铵态氮含量; DOC, 溶解性有机碳含量; NN, 硝态氮含量。MD, 微生物功能多样性, 用Shannon-Wiener指数和Simpson指数表示; CH, 碳水化合物, 用来I-赤藻糖醇(I-a)和D, L-a-甘油(DL)表示; CG, 碳源。GFI, 拟分优度指数; RMSEA, 均方根近似误差。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。PCA1, 马铃薯秸秆中D-木糖、N-乙酰基-D-葡萄胺、葡萄糖-1-磷酸盐、D-半乳糖醛酸和肝糖的第一主成分。