秸秆还田和耕作深度对稻田耕层土壤的影响

胡心意，傅庆林，刘 琛，丁能飞，林义成

(1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300；2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我国水稻土面积约为0.29亿hm2，占我国耕地总面积的1/5[1]。目前，南方低丘地区水稻土的连续高强度开发和不合理利用，致使水田耕层变浅、犁底层加厚、土壤容重偏高、土壤有机质大量消耗、土壤理化性质变差、土壤生物活性下降，从而导致作物根系分布浅、营养吸收范围小、肥水利用率低，进而使土壤的生产力减弱，制约了作物产量的进一步提高。

秸秆还田可以改善土壤理化性状，提高土壤养分含量，优化农田生态环境。胡诚等[2]研究表明，添加了秸秆的处理都比单施化肥的对照稻谷产量高，最多增产33 kg·667 m-2，增产率为7.62%。秸秆还田可以增强土壤微生物氮素固持能力，有效降低土壤氮素流失风险，促进农作物生长发育[3-4]。刘红江等[5]通过基肥机械深施和秸秆还田，在太湖地区习惯施氮水平的基础上减氮10%，在保证水稻产量的同时，降低了农田地表径流总氮流失量和水稻氮素偏流失率，并使稻田氮素流失率保持在较低水平。秸秆还田还可增加土壤微生物生物量，提高微生物的活性[6]。但是，以往秸秆还田的研究主要集中在秸秆施用量上，结合耕作深度分析其对土壤影响的研究不多。事实上，耕作深度对土壤性质、蓄水保肥性能和作物产量都有显著影响[7]。朱杰等[8]和童文杰等[9]研究表明，稻田深耕可提高表层(0～20 cm)土壤含水量，促进作物产量提高。缺乏合理的耕作，如小型拖拉机和牛马犁耕作，会使农田耕作层变浅，而化肥的过量使用会引起土壤板结、孔隙度减少，导致土壤物理结构破坏，促使土壤有机质快速氧化，土壤肥力下降[10]。李富程等[11]研究表明，随着耕作深度的增加，土壤净位移量显著增大，有助于增厚和改善耕层土壤。但亦有研究表明[8]，深耕处理的稻田土壤有机质、有效磷和速效钾含量低于免耕处理。耕作不仅深刻影响土壤结构和肥力，也改变了土壤微生物群落特征[12-13]。另有一些研究显示，短期耕作并不会影响微生物的群落结构和多样性[14-15]。关于耕作和秸秆还田对土壤生态系统的影响尚未形成一致的结论。

浙江省秸秆资源化利用潜力巨大，2015年秸秆总产量达982.1万t[16]。目前，浙江的水稻田耕作采用旋耕机进行旋耕，耕作深度一般为10～12 cm，耕作深度较浅。本研究于2016年在兰溪和金华两地稻田同时开展秸秆还田与不同耕作深度的田间试验，旨在了解耕作深度与秸秆还田对稻田土壤理化性质和微生物群落结构的影响，为秸秆资源化利用、培育合理稻田土壤生态系统、实现水稻可持续高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地选择兰溪和金华两地，稻田土壤质地均为重壤土。兰溪供试耕层土壤有机质20.0 g·kg-1，碱解氮128.9 mg·kg-1，速效磷17.1 mg·kg-1，速效钾44.3 mg·kg-1，pH值4.8，种植水稻30 a，耕层土壤熟化程度较高。金华供试耕层土壤有机质18.6 g·kg-1，碱解氮139.2 mg·kg-1，速效磷6.7 mg·kg-1，速效钾43.1 mg·kg-1，pH值4.3，种植水稻10 a，耕层土壤熟化程度较低。

耕作深度设2个水平：浅耕，耕深10～12 cm(L，常规旋耕)；深耕，耕深18～20 cm(D，先翻耕再旋耕)。油菜秸秆还田设2个水平：秸秆还田量0(S0)和300 kg·667 m-2(S1，油菜秸秆半量还田)。共设置4个处理：浅耕无秸秆(LS0)，浅耕秸秆还田(LS1)，深耕无秸秆(DS0)和深耕秸秆还田(DS1)。每个处理3个重复，每小区面积30 m2，随机区组排列，周围设置保护行。小区间用30 cm高的小田埂隔离，并用塑料薄膜嵌入耕层以免小区间肥水侧渗。除秸秆还田与化肥施用量外，各小区其他田间管理措施相同。

化肥施用量：S0，13 kg N·667 m-2，6 kg P2O5·667 m-2，8 kg K2O·667 m-2。S1，10.89 kg N·667 m-2，5.74 kg P2O5·667 m-2，3.67 kg K2O·667 m-2。化肥为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)。还田油菜秸秆N、P2O5、K2O含量分别为7.02、0.87、14.43 g·kg-1。所用油菜秸秆切成5～10 cm长的小段，均匀撒入小区内，用旋耕机将其与耕层土壤混匀，灌水泡田7 d后移栽水稻。所有处理N、P2O5、K2O施用量相等。水稻施1次底肥2次追肥：在水稻移栽前施底肥，在分蘖期和孕穗期分别以32%和11%的N用量追肥，以15%的K2O用量在孕穗期追肥，其余养分均作底肥施用。

1.2 土壤理化性质分析

水稻收割后，每个小区按“五点法”采集耕层 0～20 cm的土壤，混匀，放入密封袋，存放在保温箱中带回实验室。样品采集后，用灭菌蒸馏水清洗土钻，用浸润75%乙醇的棉球擦洗干净后再进行下一个点的取样。剔除土壤中可见的动植物残体，混匀后采用“四分法”分取土壤样品，过2 mm筛，混合均匀后置于湿热灭菌自封袋中，4 ℃冰箱保存(保存时间不超过7 d)作为新鲜土样。取1 000 g土样室内自然风干，磨细过 2 mm筛，用于测定土壤酶活性和基本理化性质。另取500 g新鲜土壤样品放在-70 ℃冰箱中速冻，冷冻干燥后，-80 ℃保存，供磷脂脂肪酸(PLFA)分析。

土壤pH采用1∶2.5土水质量体积比浸提，用pH计测定；土壤有机质(organic matter， OM)采用重铬酸钾氧化比色法[17]测定；碱解氮(alkali nitrogen， AN)采取碱扩散法[18]测定；有效磷(Olsen phosphorus， OP)采取Olsen法[19]测定；速效钾(available potassium， AK)采用NH4OAC浸提—火焰光度法[18]测定。

1.3 土壤酶活测定

1.4 土壤微生物组成测定

磷脂脂肪酸按 Bligh-Dyer修正法提取，以十九烷酸为内标[23-25]，具体流程如下：称取5 g冷冻干燥后的土壤样品，用混合浸提液(磷酸缓冲液-甲醇-氯仿，体积比为0.8∶2.0∶1.0)避光振荡2 h(200 r·min-1)，黑暗中静置12 h，吸去上清液，40 ℃电热干浴，氮气吹干，用1 mL氯仿溶出。将氯仿样品转移至硅胶柱中，分别用5 mL氯仿、10 mL丙酮淋洗，最后用5 mL甲醇洗脱。40 ℃电热干浴，氮气吹干，用1 mL甲醇溶出，-20 ℃保存。根据MIDI方法对样品进行皂化、甲基化、萃取及洗涤。最后将甲基脂肪酸酯溶出，转移入内插管中，用MIDI Sherlock R Microbial Identification System进行测定。

特定生物标记物标记特定微生物PLFA，分析参照Frostegård等[26-27]的方法进行。所有PLFA单体的总量表示群落微生物生物量。以i15∶0、a15∶0、15∶0、i16∶0、16∶1ω5c、i17∶0、a17∶0、17∶0、cy17∶0、18∶1ω7c和cy19∶0的总量表示细菌生物量；以18∶2ω6，9c的量表示真菌生物量；以i14∶0、i15∶0、a15∶0、i16∶0、i17∶0和a17∶0的量表示革兰氏阳性菌生物量；以16∶1ω7c、16∶1ω5c、17∶1ω8c、cy17∶0、18∶1ω9c、18∶1ω7c和cy19∶0的量表示革兰氏阴性菌生物量。

1.5 数据分析

利用SPSS 16.0统计软件对结果进行双因素方差分析，检验耕作深度和秸秆还田对土壤pH、养分、土壤酶和微生物群落组成影响的显著性，并利用Tukey法检验同一因素下各处理间差异的显著性。香农(Shannon)多样性指数(H)根据下式计算：

(1)

式(1)中pi为脂肪酸的相对浓度。

利用SPSS 16.0进行相关性分析。对LS0、LS1、DS0和DS1处理下的土壤微生物各磷脂脂肪酸含量进行主成分分析，利用Canoco 4.5进行冗余分析(redundancy analysis， RDA)。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质和水稻产量

无论增加耕深还是秸秆还田，对土壤pH、土壤速效钾和有机质含量均无显著影响(表1)。在兰溪试验点，与LS0相比，LS1能够显著(P<0.05)增加土壤碱解氮的含量，但与DS0相比，DS1对土壤碱解氮含量无显著影响。在金华试验点，耕深和秸秆还田对土壤碱解氮含量均无显著影响。在兰溪试验点，与DS0相比，DS1能显著(P<0.05)增加土壤有效磷的含量，而LS1与LS0的土壤有效磷含量无显著差异。在金华试验点， LS1的土壤有效磷含量显著(P<0.05)高于LS0，而DS1与DS0的土壤有效磷含量无显著差异。从产量上看，无论在兰溪试验点还是在金华试验点，同一耕深下秸秆还田均能显著(P<0.05)提高稻谷产量，而相同秸秆处理下不同耕深对产量无显著影响。

2.2 土壤酶活性

如表2所示，在相同耕深下，秸秆还田能提高土壤芳基硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶的活性，而在相同秸秆处理下，增加耕深可提高土壤β-葡糖苷酶和磷酸酶的活性，但却会降低土壤芳基硫酸酯酶的活性。在兰溪试验点，DS1的土壤脲酶活性和β-葡糖苷酶活性最高；在金华试验点，LS1的土壤芳基硫酸酯酶活性和脲酶活性最高。

2.3 土壤微生物群落

从表3可知，与LS0相比，在兰溪试验点，LS1和DS1能显著(P<0.05)提高土壤PLFA总含量、细菌PLFA含量、真菌PLFA含量，及革兰氏阴性菌PLFA含量，但是在金华试验点，LS1和DS1对土壤PLFA总含量、细菌PLFA含量、真菌PLFA含量，及革兰氏阴性菌PLFA含量、革兰氏阳性菌PLFA含量均无显著影响。无论在兰溪试验点还是金华试验点，增加耕深和秸秆还田对生物多样性Shannon指数(H)均无显著影响。

2.4 环境因子与土壤微生物群落的关系

对各处理下土壤微生物各磷脂脂肪酸含量作主成分分析。在兰溪试验点(图1-a)，PC1和PC2共解释了58.11%的土壤微生物群落结构变化，其中，PC1解释了37.37%的变化。DS1处理同一试验地点同列数据后无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

表1 秸秆还田和耕深对土壤化学性质及水稻产量的影响

Data followed by no same letters within the same column in the same site indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表2 秸秆还田和耕深对土壤酶活性的影响

表3 各处理下不同种群的脂肪酸含量

图1 兰溪(a)、金华(b)土壤PLFA主成分分析Fig.1 Principal component analysis on soil PLFA in Lanxi (a) and Jinhua(b)

在PC1轴正方，与LS0处理有明显区别。LS1处理位于PC2轴正方，明显区分于在PC2轴负方的DS0与DS1处理。

在金华试验点(图1-b)，PC1和PC2共解释了50.27%的土壤微生物群落结构总变化，其中，PC1轴解释了30.13%的变化。DS0、DS1处理在PC2轴正方，与LS0、LS1位于PC2轴负方有明显区别。

RDA分析结果如图2所示，兰溪试验点土壤与金华试验点土壤微生物组成分居RDA2轴的两侧，解释了12.5%变异，RDA2轴主要与秸秆、pH相关。RDA1轴解释了57.5%的变异，主要与有效磷、有机质、碱解氮含量相关。

TD，耕作深度。TD， Tillage depth.图2 土壤PLFA与土壤理化性质的RDA分析Fig.2 Redundancy analysis on soil PLFA with soil physical and chemical properties

2.5 土壤化学性质与土壤生物特性和产量的相关性

从土壤酶与土壤养分含量之间的相关性分析可知(表4)：土壤有效磷与芳基硫酸酯酶、脱氢酶、β-葡糖苷酶、过氧化氢酶呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关；土壤碱解氮与脲酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶、β-葡糖苷酶呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关；土壤有机质与芳基硫酸酯酶、脱氢酶、β-葡糖苷酶和过氧化氢酶呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关；产量与土壤碱解氮、有效磷分别呈显著(P<0.05)与极显著(P<0.01)正相关；土壤细菌PLFA含量、总PLFA含量、革兰氏阴性菌PLFA含量与土壤pH呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关，而细菌PLFA含量与土壤有效磷呈显著(P<0.05)负相关。土壤速效钾与微生物生物量无明显相关性。真菌PLFA含量及革兰氏阴性菌PLFA含量与土壤碱解氮分别呈显著(P<0.05)与极显著(P<0.01)正相关。

表4 土壤生理生化指标及水稻产量的相关性分析

*，P<0.05；**，P<0.01。

3 讨论

秸秆还田有利于改善土壤养分，提高稻谷的产量[8]。本研究中，秸秆还田可增加土壤碱解氮和有效磷等含量，而产量与土壤碱解氮、有效磷呈显著正相关，因此，秸秆还田能显著提高稻谷的产量，这与秸秆中含有丰富的氮、磷养分有关[28]。但是，秸秆还田对土壤pH、有机质和速效钾含量无显著影响，这可能与试验仅进行1 a，时间短，秸秆还田量少(仅为半量还田)有关。顾克军等[29]研究也表明，秸秆还田土壤速效钾和有机质含量与无秸秆还田处理无显著差异。朱杰等[8]研究发现，深耕(旋耕18 cm深度)处理的稻田土壤有机质、有效磷和速效钾含量低于免耕处理，而产量没有显著差异。本试验中，兰溪试验点以深耕秸秆还田处理稻谷产量最高，而在金华试验点则是浅耕秸秆还田处理稻谷产量最高。这可能与两地的耕层土壤熟化程度有关。在兰溪试验点，深耕层土壤熟化程度较高，土壤养分较高，加大耕层的耕作深度可以促进水稻根系向深耕层扩展，有利于水稻吸收深层土壤养分，从而提高稻谷产量；而在金华试验点，相对于浅耕秸秆还田处理来说，深耕层的土壤熟化程度较低，深耕层土壤养分也较低，因而深耕秸秆还田处理的稻谷产量不如浅耕秸秆还田处理，但随着深耕层土壤的逐渐熟化，作物产量将会提高。

秸秆还田对土壤β-葡糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性产生了深刻的影响。本研究表明，秸秆还田后土壤β-葡糖苷酶、磷酸酶和脲酶的活性增加，这是由于土壤微生物分泌了更多的碳代谢相关的酶以降解有机质，从而满足微生物在高氮环境下对碳养分的需要[30]。土壤有机质与土壤β-葡糖苷酶呈显著正相关，因此，秸秆还田有利于土壤有机质积累。这一结果与孟庆英等[31]、李春霞等[32]和冀保毅等[33]研究的结论一致。

在相同秸秆还田条件下，增加耕深有利于提高土壤β-葡糖苷酶的活性(表2)。于淑婷等[34]认为，连年深耕有利于表层土壤β-葡糖苷酶活性的积累。刘淑梅等[35]研究发现，深耕处理下土壤的β-葡糖苷酶活性高于免耕处理。冀保毅等[33]的研究结果也表明，深耕处理的土壤β-葡糖苷酶活性较常规耕作处理提高了7.39%。张莉等[36]同样发现，深翻处理后土壤的β-葡糖苷酶活性平均增幅达5.33%。赵亚丽等[37]的研究结果表明，冬小麦成熟期、夏玉米成熟期，深耕的土壤β-葡糖苷酶活性较常规耕作分别增加25.1%、19.9%。

秸秆还田为微生物的生长提供能量与养分，从而提高了土壤微生物生物量。本研究表明，秸秆还田增加了土壤总PLFA含量和革兰氏阴性菌的PLFA含量，这一研究结果与卜洪震等[38]、郭梨锦等[39]的研究结果一致。同时，秸秆还田还增加了真菌PLFA含量。这是因为真菌对降解土壤中的秸秆残体具有重要作用，秸秆还田后会促进真菌的生长。相关性分析表明，真菌PLFA含量及革兰氏阴性菌PLFA含量与土壤碱解氮呈显著正相关，这样，秸秆还田增加了真菌PLFA含量，也有利于提高土壤碱解氮含量。本研究显示，秸秆还田和耕作深度对土壤微生物多样性指数均无显著影响。Petersen等[14]和Spedding等[15]研究也显示，短期耕作并未影响微生物群落结构和多样性。这些结果暗示，短期试验并不能快速影响土壤微生物种群结构的变化，微生物种群结构可能还受到气候、施肥等的长期影响。

综上所述：在兰溪试验点，耕深18～20 cm和秸秆还田有利于提高土壤养分，增加稻谷产量；而在金华试验点，耕深10～12 cm和秸秆还田有利于提高土壤养分，增加稻谷产量。秸秆还田和适宜的耕作深度可提高稻田土壤的养分、酶活性和微生物生物量，改善土壤肥力，进而提高水稻产量。