耕作方式及秸秆还田对土壤性质、微生物碳源代谢及小麦产量的影响

韦安培，丁文超，胡恒宇，隋业伟,刘少梅，陈子明，李 静

(山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东省临沂大学资源环境学院，山东 临沂 276000)

耕作方式中能耗大、效率低以及成本过高，耕作过程中由秸秆焚烧等问题产生的生态环境破坏和高碳排放，对人们的生活造成了巨大的影响[1]。因此，将不同的耕作方式与秸秆管理技术相结合，来改善生态环境以及实现农业可持续发展，对于现阶段我国的农业发展具有重要意义。

微生物群落不仅在有机质的形成与分解、土壤呼吸以及养分循环等很多土壤代谢过程中起着至关重要的作用，而且也与土壤系统服务的传递功能息息相关。通常情况下，微生物的遗传多样性越高，越有能力去利用更多的碳源[2]，而Biolog作为目前最常用来研究土壤微生物群落功能多样性的一种方法，具有简单、快速等优点[3]，通过分析微生物群落水平的生理特征得出其碳源利用能力，其中Biolog EC板经常用于微生物的特性和群落分析，而不同的碳源利用模式可以表征微生物群落的差异性[4]。

根据前人的研究结果，在不同耕作条件的直接或间接影响下，土壤的物理性质[5]以及农田耕层土壤的养分含量[6]、土壤呼吸和酶活性[7-8]都发生了一定的变化。此外，秸秆还田在控制温室气体的排放、提供养分、提高作物产量等方面具有重要的作用。本文通过分析不同的耕作方式(旋耕、常规翻耕、深松)和不同秸秆还田量(全还田、不还田)的交互作用，找出提高土壤微生物多样性的最佳组合，为农田生态改良和提高作物产量提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验在临沂大学定位站进行，位于东经116°02′～117°59′，北纬35°38′～36°33′，属于温带半湿润大陆性气候，四季分明，该地区年平均气温13.0℃，年均日照时数2627.1 h，年均降雨量697 mm，具有华北平原的典型特点。供试土壤为壤土，土层深厚。0～20 cm土壤基本理化性状为：pH值7.09，有机碳10.87 g·kg-1，全氮1.1 g·kg-1，全磷 8.09 mg·kg-1。

试验采用裂区设计，主区为常规翻耕耕作(C，耕深30 cm)、深松耕作(S，耕深40 cm)、旋耕耕作 (R，耕深15 cm) 3种耕作方式，副区为全还田(P，玉米7 500 kg·hm-2)和不还田(A)2种秸秆还田方式，共 6个处理，分别为PC(常规翻耕耕作秸秆全还田)、AC(常规翻耕耕作秸秆不还田)、PS(深松耕作秸秆全还田)、AS(深松耕作秸秆不还田)、PR(旋耕耕作秸秆全还田)、AR(旋耕耕作秸秆不还田)。每个小区面积为15 m×4 m。本试验以小麦品种济麦22为材料，于 2016年10月13日播种，播量90 kg·hm-2，行距20 cm，基施纯N 225 kg·hm-2，P2O5180 kg·hm-2和K2O 180 kg·hm-2，各处理分别在冬小麦拔节期和夏玉米大口期浇水60 mm，于2017年6月13日收获。

1.2 土壤样品采集

于2017年5月17日小麦灌浆期进行取样，每个小区内以土钻随机取5个点， 0～15 cm和15～30 cm 两层土样分别收集并混合均匀，一部分过2 mm筛，置于4℃冷藏箱中，于一周内分析不同处理对土壤微生物碳源代谢产生的影响；另一部分自然风干后过筛，用于测定其对土壤基本理化性质的影响。

1.3 土壤基本理化性质分析

1.4 土壤微生物碳源代谢能力分析

采用群落水平代谢图谱法表征，用Biolog EcoPlateTM(Biolog Inc., Hayward, CA, USA)测定[12]。Biolog EC板经常被用于微生物特性和群落分析，每个EC板包含31种碳源和四唑染料，另外，未加碳源的孔中加水作为对照。取相当于10 g干土的新鲜土样，加95 mL无菌的0.85% NaCl溶液振荡30 min，静置30 min后，将土壤悬浮样液稀释至1 000倍，取150 μL稀释后的土壤溶液接种至Biolog EcoPlateTM中，然后置于25℃恒温培养箱培养240 h，每12 h于Biolog微生物自动鉴定系统仪上读数1 次，测定波长为590 nm[13]。

1.5 小麦测产

各处理分别取2 m2的区域，测定实际产量和有效穗数，3 次重复；随机取20株有代表性的植株，进行室内考种，包括穗粒数和千粒重，3次重复。

1.6 数据计算

碳源利用率用孔的平均颜色变化率(Average Well Color Development，AWCD)来表示。计算方法根据Garland and Mills (1991)所述如下:

AWCD=∑(C-R)/n

(1)

式中，C为每个有培养基孔的吸光度值，R为对照孔的吸光度值，n为Biolog生态板上碳源的数目，即31。若C-R为负值则设置为0[14]。

本研究在培养60 h(距离读数240 h内，最大AWCD值的50%所对应的读数时间)条件下，用Logistic方程拟合AWCD得到的吸光度来表征Biolog生态板中微生物的代谢多样性[15]。丰富度为单个基板的AWCD在60 h下每个孔的数值减水孔后大于0.25的个数[14]。香浓多样性计算公式如下：

H′=-∑Pi×lnPi

(2)

Pi=ni/N

(3)

式中，N表示单个基板96 h下每个孔减水孔后的AWCD的总数值，ni是每个孔减水孔后的数值。

采用曲线整合方法估计碳源代谢强度，并用梯形面积(S)代表代谢强度[13]:

S=∑((vi+vi-1)/2×(ti-ti-1))

(4)

式中，vi表示t=i时间时的AWCD值，∑表示整个培养时间的总和，因为240 h内每隔12 h有1个AWCD值，即i分别为0～20。

1.7 数据统计与分析

本文应用Excel表格进行原始数据处理，绘图应用SigmaPlot 11.0和Origin 8软件。利用SPSS 16.0软件进行方差分析；应用SPSS软件进行主成分分析(PCA)。

2 结果与分析

2.1 耕作方式与秸秆还田对土壤基本理化性质的影响

耕作方式、秸秆还田、耕作方式和秸秆的交互作用均显著影响了土壤pH值、含水量、容重、有机碳含量、总氮、铵态氮、硝态氮含量(表1)。pH值整体在5.69～7.47范围内变化，深松和旋耕各处理，15～30 cm土层下的pH值，平均高于0～15 cm土层下的pH值6.67%。同种耕作方式下，0～15 cm土层，秸秆还田pH值平均高于秸秆不还田4.32%，相同秸秆还田模式下，常规翻耕pH值显著高于深松和旋耕，且深松显著高于旋耕。15～30 cm土层的平均含水量为15.56%，高于0～15 cm 土层含水量14.84%。在0～15 cm和15～30 cm土层内，秸秆还田含水量分别显著高于秸秆不还田的9.24%和7.47%，0～15 cm内，深松显著高于旋耕和常规翻耕7.58%和6.24%；15～30 cm内，深松和旋耕高于常规翻耕6.24%和5.2%。容重表现为随土层加深而增加。0～15 cm土层内，常规耕作秸秆不还田和旋耕耕作秸秆不还田显著高于深松耕作秸秆全还田处理16.27%，秸秆不还田显著高于秸秆还田11.71%；15～30 cm内，常规翻耕秸秆不还田最高为1.79 g·cm-3，常规翻耕秸秆还田次之为1.73 g·cm-3，均显著高于深松耕作秸秆还田，秸秆不还田显著高于秸秆还田的4.5%；且两土层内耕作与秸秆还田的交互作用均达到显著水平。

表1 耕作方式与秸秆还田对土壤基本理化性质的影响

相对于0～15 cm土层，15～30 cm土层的土壤有机碳含量呈显著下降趋势。在0～15 cm土层内，土壤有机碳含量表现为深松耕作秸秆还田处理最高，显著高于其他处理，秸秆还田显著高于秸秆不还田12.81%，深松分别显著高于常规翻耕和旋耕16.35%和14.06%；在15～30 cm土层中，秸秆还田处理有机碳含量显著高于秸秆不还田14.33%，常规翻耕耕作有机碳含量分别显著高于深松和旋耕13.41%和30.75%。除常规翻耕处理的全氮含量在两土层内基本无差异外，深松和旋耕处理的15～30 cm全氮含量明显低于0～15 cm土层全氮含量，且耕作、耕作与秸秆交互作用均达到显著水平。两土层内秸秆还田全氮含量均显著高于秸秆不还田处理；0～15 cm内，深松和旋耕全氮含量显著高于常规翻耕，而15～30 cm土层内常规翻耕显著高于深松和旋耕。除常规翻耕处理外，铵态氮、硝态氮含量均随土层加深而减小。0～15 cm内，铵态氮、硝态氮含量均表现为深松耕作最高，常规翻耕最低；而在15～30 cm层次内，常规翻耕铵态氮、硝态氮含量最高，深松次之，旋耕最低，且秸秆不还田显著高于秸秆还田处理。

2.2 耕作方式与秸秆还田对土壤微生物碳源代谢功能的影响

2.2.1 土壤微生物AWCD值变化AWCD值是Biolog板微生物群落碳源代谢总体活性的指标[16]，AWCD值越大，表示微生物碳源代谢能力越强。碳源包括氨基酸类、胺类、聚合物类、其他类、羧酸类和糖类等6大类物质，不同处理下的土壤微生物对6大类碳源利用的AWCD均呈Logistic型变化，各处理土壤微生物整体对聚合物类、糖类、氨基酸碳源利用度较高，因此这里针对这三大类进行分析(图1)。

0～15 cm土层内，无论哪种耕作方式，聚合物类、糖类、氨基酸碳源AWCD大致均表现为秸秆还田处理大于秸秆不还田处理，同一秸秆量还田模式下，聚合物类、糖类、氨基酸碳源均表现为深松最高，旋耕最低，而糖类在秸秆不还田下，表现为深松最高，常规翻耕最低。

15～30 cm土层内，氨基酸类碳源的AWCD在常规翻耕、深松耕作方式下均表现为秸秆全还田处理大于不还田，而在旋耕下秸秆还田处理却小于秸秆不还田；聚合物类和糖类2大类碳源的AWCD值在PC、PS处理较高，PR、AS次之，AC、AR较低。

2.2.2 不同处理下土壤微生物碳源代谢多样性和代谢强度 碳源代谢丰富度反映土壤微生物功能多样性，除AR处理外，15～30 cm土层下的碳源丰富度较0～15 cm都有所降低(表2)。

0～15 cm土层内，方差分析结果表明，PC和PS处理的丰富度为28.5吸光度单位，显著高于其他处理，深松处理丰富度显著高于常规翻耕和旋耕，且常规翻耕显著高于旋耕；15～30 cm土层内，PC、PS、AR处理的丰富度为24吸光度单位，显著高于其他处理；两层次内，AC处理丰富度均最低，方差分析结果仍表明秸秆还田丰富度均显著高于秸秆不还田。

香浓多样性指数用来计算细菌群落的生理多样性[16]。方差分析结果表明(表2)土壤微生物碳源代谢香浓多样性，除了在15～30 cm土层中AS显著小于AR外，综合两土层，深松处理的平均香浓多样性指数高于旋耕和常规翻耕，AC在两土层中香浓多样性指数均最低，而秸秆还田因素起到了显著作用，秸秆还田平均香浓多样性指数高于秸秆不还田。

表2 不同处理下土壤微生物碳源代谢多样性和代谢强度

15～30 cm土层中各处理的碳源代谢强度整体上比0～15 cm表层土呈下降趋势(表2)，相同还田处理条件下，除15～30 cm土层的PC高于PS外，其余均表现为深松显著高于常规翻耕和旋耕；而相同耕作方式下，秸秆还田处理的碳源代谢强度均显著高于无秸秆还田处理。

0～15 cm中，PS碳源代谢强度最高为318.83，显著高于其他处理，AC最低为206.79，显著低于其他处理；15～30 cm土层中，PC最高为281.37，显著高于其他处理，AC代谢强度最低为205.86，显著低于其他处理。

2.2.3 供试土壤微生物碳源利用类型的主成分分析 应用主成分分析(Principal Component Analyses， PCA)来研究不同耕作方式与秸秆还田下土壤微生物群落对微平板上31 种碳源的利用情况，可以直观反映不同样本微生物群落的代谢特征，可用来解释微生物对碳源利用的多样性。本试验采用培养60 h后的数据进行主成分分析，共提取出2个主成分。0～15 cm土层提取与土壤微生物碳源利用功能多样性相关的2个主成分，累积贡献率达到80.0%，第一主成分(PC1)的特征根和贡献率为20.428和65.9%，第二主成分(PC2)的特征根和贡献率为4.356%和14.1%；15～30 cm土层提取的2个主成分，累积贡献率达到69.1%，第一主成分(PC1)的特征根和贡献率为13.479和43.52%，第二主成分(PC2)的特征根和贡献率为7.94和25.64%；这表明 PC1和PC2 是变异的主要来源，并且提取主要特征来源，可以解释变量的绝大部分信息(图2)。

0～15 cm土层，碳源分为六大类后，对PC1轴贡献最大的碳源为胺类，其次为氨基酸类和其他类；对PC2轴贡献最大的碳源为胺类，其次为羧酸类。由图2a可知，不同处理在PC轴上表现出明显的差异，PS、PC偏向于利用右边区域的碳源，而AR、AC则偏向于利用左边区域的碳源，相比而言PS、PC处理更有利于微生物对大部分碳源的利用。PS处理的土壤微生物倾向于利用胺类和羧酸类，PC倾向于利用其他糖类和氨基酸类，而AS和PR处理的土壤微生物也能够利用这些碳源，利用的种类无差异，但是利用的强度较低，得分较低，因此在图中偏左下方显示。同理可知AC和AR的处理(表3)。

15～30 cm土层，碳源分为六大类后，对PC1轴贡献最大的碳源为胺类，其次为氨基酸类；对PC2轴贡献最大的碳源为羧酸类，其次为糖类和胺类。由图2b可知，PC、PS、AS偏向于利用右边区域的碳源，PR、AR、AC偏向于利用左边区域的碳源，相比而言，PS、PC更有利于微生物对大部分碳源的利用。通过图2b分析表明：PC处理土壤微生物倾向于利用羧酸和聚合物类，PS处理土壤微生物倾向于利用糖类、氨基酸类和胺类，PR处理土壤微生物倾向于利用羧酸类和胺类。而AS、AR、AC处理土壤微生物得分较低，利用强度较低，但是也能利用这六大类范围的碳源(表3)。

表3 不同处理下土壤微生物的碳源利用倾向性

注：各处理的中心点分别对应PC1轴和PC2轴的垂直投影数值，其符号与旁边标注的处理号对应。穿过中心点的横线和竖线是分别平行于PC1轴和PC2轴的误差线。Note:The center point of each processing corresponds to the vertical projection value of PC1 axis and PC2 axis ，espectively, and its symbol corresponds to the processing number marked nearby. The horizontal and vertical lines passing through the center point are error lines parallel to PC1 axis and PC2 axis，respectively.图2 微生物碳源利用载荷系数分布的主成分分析Fig.2 Principal component analysis and load coefficient distribution of microbial carbon source utilization

2.3 不同处理下的小麦产量及其构成因素

不同处理对小麦产量及其构成因素有不同的影响(表4)，秸秆还田显著提高了穗粒数、千粒重及产量。穗粒数表现为深松显著高于常规翻耕和旋耕；千粒重表现为深松显著高于旋耕和常规翻耕，且旋耕显著高于常规翻耕；产量表现为深松耕作平均产量最高为7.375 t·hm-2，显著高于常规翻耕和旋耕的6.34%和6.96%，但常规翻耕和旋耕之间并无显著差异。

表4 不同处理下的小麦产量及其构成因素

3 讨 论

3.1 微生物碳源代谢功能对产量的影响

研究发现，在秸秆还田处理下，微生物碳源代谢的活性及能力明显高于秸秆不还田处理，对于耕作方式而言，深松条件下的碳源代谢活性及能力明显高于常规翻耕和旋耕。例如：秸秆还田能为微生物提供外源有机物，即提供了丰富的能量和易分解的碳源，因此秸秆还田能提高风沙土土壤的微生物活性和丰富度指数；李玉洁等[17]学者认为免耕、少耕和秸秆还田等方式可能会产生较少的土壤扰动，即保持一个较为稳定的土壤微环境，在某种程度上提高了土壤的微生物多样性[18]。

本研究表明深松和秸秆还田均能明显提高作物产量，而土壤中微生物的碳源代谢功能与作物的产量具有明显的正相关性，即土壤中微生物的碳源代谢功能被增强，作物的产量也会得到较大的提高，Nielsen等[19]的研究也证实了这一点，土壤功能得到改善的指标为微生物数量和活性的增加，进而提高了作物的产量，对实现农业的可持续发展具有重要意义。

3.2 土壤理化性质对微生物碳源代谢功能的影响

RDA分析结果表明，土壤基本理化性质能够影响微生物群落碳源代谢功能对耕作方式与秸秆还田处理的响应，而土壤微生物的碳源代谢功能又与土壤的水分、容重、总氮、pH等指标密切相关。本研究中，在AC和AR处理条件下的容重表现最高，因此在容重较高的情况下不利于提高土壤中的微生物碳源代谢能力，并且对于容重会制约土壤中微生物碳源代谢能力的相关结论已被侯银[20]证实。

试验结果表明，在一定程度上，铵态氮和硝态氮含量的变化能够合理地解释微生物碳源代谢功能的变异，但效果并不明显。马慧君等[21]试验表明，硝态氮可能会提高微生物的活性，并抑制微生物绝对优势种群的出现，释放生态位，从而提高了土壤微生物的多样性，因此在一定的氮浓度范围内，随土壤中硝态氮含量的增多，土壤微生物的代谢水平、Shannon多样性均会被明显增强，呈现出明显的正相关现象[22]。本研究表明，在综合分析比较之下，总氮含量环境数据与PS处理物种数据的联系最为紧密，表明在较高氮含量的条件下，有利于增强土壤中微生物的碳源代谢功能。

3.3 耕作方式与秸秆还田对土壤理化性质的影响

研究结果表明，土壤含水量在秸秆还田和深松耕作处理下均被明显提高，通过秸秆还田提供的有机物，使土壤结构更加稳定，水分蒸发减少，并大大改善土壤孔性，最终使土壤中的含水量得到明显增加。本研究结果还表明，随着土层的加深，土壤容重也随之增加，同时秸秆还田和深松处理下的土壤容重分别小于秸秆不还田和其他耕作处理下的土壤容重，因此秸秆还田和深松能明显减低土壤容重[23]，这与本文研究结果一致，但也有与其相反的研究表明[24]，土壤的入渗量在免耕和少耕的条件下会减少，导致土壤表层的容重增大。

本研究结果表明，在深松和旋耕处理下，随着土层的加深，pH值有增加的趋势，在15～30 cm土层，相比于旋耕和常规翻耕，深松耕作可以明显提高土壤中的pH值；在0～15 cm土层，秸秆还田能够明显提高土壤中的pH值，然而Thomas等[25]的研究结果却与之截然不同，提出在0～30 cm土层内，耕作和残茬覆盖处理并不会影响土壤的pH值；但另有试验结果表明[26]，在0～30 cm土层内，土壤pH平均值在0～10 cm内没有明显改变，但是在10～30 cm土层有明显增加。

本试验中，秸秆还田对提高土壤中铵态氮和硝态氮含量的作用并不明显，但明显提高了土壤中的总氮含量。将3种耕作方式进行比较后发现，在0～15 cm土层，深松耕作明显提高了土壤中的总氮、硝态氮和铵态氮含量，而在15～30 cm土层内，与旋耕和深松相比，常规翻耕处理下的总氮、硝态氮和铵态氮含量均表现出较高水平。同样有研究表明[27]，秸秆还田能提高土壤中的总氮含量，而非传统耕作方式则有利于增加土壤中的养分并提高土壤中的全氮含量，最终改善了土壤状况[28]，这与本试验的结果一致。有学者提出，深松可以在不增加深层土壤硝态氮含量的基础上促进0～60 cm土层的氮素吸收。本研究结果还表明，在0～15 cm土层内，深松和秸秆还田处理下的土壤有机碳含量表现出最高水平，而在15～30 cm土层中，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理下的有机碳含量明显高出14.33%。但也有研究表明：长期旋免耕后进行深松对土壤有机碳及其组分周转的影响较为明显，而下层土壤(10～30 cm)的土壤碳库活性在长期免耕转变为深松处理后能够被明显提高。

4 结 论

与常规耕作秸秆不还田相比，深松和秸秆还田均可显著改善土壤理化性质，进而显著提高土壤微生物碳源代谢能力和代谢活性，最终显著增加了小麦产量；但旋耕较常规翻耕而言，未体现明显的优势。本试验表明了深松与秸秆还田结合有利于华北平原农田生态系统增强微生物碳源代谢多样性，促进小麦产量的提高，具有实践推广价值。