黄河故道区域不同种植模式及秸秆还田方式对土壤的改良效果

刘 莹 李 洁 赵凌霄 李春喜 姜丽娜 张黛静 马建辉

（1河南师范大学生命科学学院，453007，河南新乡；2濮阳市农业科学院，457000，河南濮阳）

黄河故道主要指公元前602年（周定王五年）至今黄河主流迁徙改道所形成的区域，全长730km，南北平均长度达32.5km，横跨河南、山东、江苏和安徽4省，总面积281万hm2，其中耕地面积达183.2万hm2[1-2]，是我国重要的粮食生产潜力区。由于长期流水冲积，该区域农田类型以砂质土壤为主，农田质量等级较低，主要为中低产田[2]，极大地限制了本区域农业生产的高质量发展。因此，提升地力成为本地区农业长期可持续发展的重要方向。

大量研究表明，合理轮作、秸秆还田均可对土壤理化性质产生重要影响。陈丹梅等[3]研究表明，不同轮作方式有益于保持土壤肥力和土地的生产力。牛倩云等[4]研究表明，与连作相比，不同作物轮作模式下土壤的pH值升高，碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量增加，作物产量也显著增加。同时，轮作可使作物均衡利用土壤中的营养元素[5]，不仅可以减轻连作特有的病虫草害，还可以使生物多样性增加，土壤理化特性得到改善，从而减缓土壤肥力衰竭[6-8]。秸秆还田可增加土壤有机质含量，改善土壤团聚体结构，提高土壤酶活性，提升农田土壤肥力，是提高农田土壤肥力的有效措施之一。Wang等[9]研究表明，秸秆还田可显著提高作物产量、土壤有机碳和全氮含量。王永洁等[10]研究表明，秸秆还田土壤有机质、速效氮和速效磷含量分别提高10%、12.1%和43.8%。在河南清丰黄河故道区域传统种植模式条件下，探求合理的轮作模式和秸秆还田方式对当地土壤改良具有重要意义。

土壤微生物主要参与有机物的矿质化和腐殖化等过程，是陆地生态系统中的重要组成部分。不同种植模式可影响土壤理化性质、微生物生活环境及植物化感等一系列过程，进而改变土壤微生物的群落结构和功能[11]。张立成等[12]研究表明，轮作模式微生物多样性较连作模式显著提升。吴宏亮等[13]研究表明，轮作改变了土壤微生态环境，砂质土壤的微生物多样性和活性均显著提高。秸秆还田可增加土壤碳源，提高土壤有机质含量，加快微生物的生长繁殖[14]。因此，土壤微生物多样性和丰度也是评价土壤肥力的重要指标之一。

黄河故道区域由于长期受流水冲击，矿质营养大量流失，有机质匮乏，土壤砂质化极为严重。目前该区域农业生产方式主要以小麦-玉米、小麦-花生一年两熟制为主。其中小麦和玉米秸秆长期还田，而花生秸秆因营养价值较高在收获后被当地养殖户直接收购，没有还田。试验基于本地区广泛种植的小麦、玉米、花生三大农作物和常规的秸秆还田方式，研究不同轮作模式对河南地区黄河故道区域砂质土壤养分特征的改良效果，以探究本区域较为合理的种植方式。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验设计

试验于黄河中下游平原河南省濮阳市农业科学院清丰县试验田进行，该地区为温带季风性气候，年降水量为523～601.3mm，降水集中在6-9月，年平均气温为13.3℃，无霜期一般为205d。农田土壤为砂质土壤，漏水漏肥，全氮、全磷和全钾含量分别为0.72g/kg、0.60g/kg和1.67g/kg，植物生长表现为养分匮乏，每年肥料投入均明显高于河南省其他区域。

试验始于2009年，设置小麦-玉米轮作（WM）、小麦-花生（WP）、小麦-玉米-小麦-花生（WMWP）和单季花生（P）4种种植模式，采用随机区组设计，3次重复，小区面积60m2。其中小麦和玉米秸秆全部还田，采用机械翻耕入土，花生秸秆不还田。小麦和花生生长过程均施入复合肥1 350kg/hm2，复合肥氮、磷和钾含量分别为337.5、202.5和108kg/hm2，肥料施入的基追比为1∶1；玉米季生长过程施入复合肥1 500kg/hm2，氮、磷和钾含量分别为375、225和120kg/hm2，肥料施入的基追比为2∶3。

1.2 样品采集与指标测定

1.2.1 土壤采样 2017年秋收后，在每个处理随机取表层（0～20cm）土样，3个重复，将新鲜土壤样品保存于–80℃超低温冰箱中，用于微生物DNA提取和测定；使用5cm内径土钻在每个处理取0～50cm土壤样品（每10cm为一个土层），每个土层取3个重复，用于土壤养分含量和pH值等指标的测定；使用100cm3环刀取每个处理0～50cm土层样品（每10cm为一个土层），每个土层取3个重复，用于土壤含水量和容重的测定。

1.2.2 土壤理化性质分析 采用环刀法测定土壤容重和含水量；采用凯氏定氮法-AA3测定全氮含量；采用钼锑抗比色法测定全磷含量；采用火焰光度法测定全钾含量；利用TOC分析仪测定土壤有机质含量；采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；采用0.5mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色测定速效磷含量；采用1mol/L醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量；采用电极法测定土壤pH值[15]。

1.2.3 微生物测序分析 使用CTAB/SDS方法提取土壤样品的总基因组DNA，经琼脂糖凝胶电泳检测之后，使用无菌水将所提取的DNA稀释至1ng/μL；进一步使用具有条形码的特异性引物扩增16S/18S rRNA基因；在2%琼脂糖凝胶上电泳检测扩增产物。选取400～450bp的具有明亮主条带进行纯化，用于下一步试验。采用Qubit@2.0荧光计（Thermo Scientific）和安捷伦生物分析仪2100系统对文库质量进行检验，经检验合格后，在Illumina MiSeq平台上进行测序。

1.3 数据分析

采用Excel 2010对数据进行初步的计算、作图和整理，用SPSS 13.0统计软件进行数据分析。采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对土壤物理性质的影响

测定4种种植模式在0～50cm土层土壤含水量（图1a）和容重（图1b），发现随着土层加深土壤含水量有所升高，并且WM和WMWP种植模式的土壤含水量一直处于较高水平。在0～30cm 3个土层中，长期WM和WMWP种植模式的土壤含水量显著高于P和WP处理，而随着土壤深度的增加，差值逐渐减小；土壤容重结果（图1b）显示，不同种植模式间0～20cm土层的土壤容重具有显著性差异，而20～50cm土层的土壤容重无显著差异。总体表现为WP种植模式的土壤容重最高，之后依次是P、WMWP和WM种植模式。

图1 不同种植模式下土壤含水量和容重Fig.1 Soil moisture content and bulk density under different cropping patterns

2.2 不同种植模式对土壤养分及pH值的影响

不同种植模式0～50cm土层有机质含量结果（表1）显示，0～40cm 4个土层WM和WMWP种植模式下的有机质含量显著高于P和WP处理，40～50cm土层差异不显著。由于花生秸秆未还田，4种种植模式中WM秸秆还田量最高，其后依次为WMWP、WP和P。有机质含量随农田秸秆还田量的增加而升高，WM种植模式有机质含量最高，其后依次为WMWP、WP和P种植模式。有机质含量的提升可显著提高土壤的保水和蓄水能力，改善土壤砂质，降低容重。本研究发现随有机质含量的升高土壤含水量也逐渐增加，0～20cm土壤容重则表现为下降趋势，表明有机质含量的提升对砂质土壤结构具有一定的改良效果。

土壤养分含量是土壤肥力水平的直接反映。如表1所示，各处理全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量随着土层加深而降低，全钾含量下降幅度较小；同一土层，WM种植模式下的全氮、全磷、全钾和碱解氮含量最高，其次是WMWP、WP和P种植模式，全氮、全磷和碱解氮含量随有机质含量的升高总体上呈现出增加的趋势；WM和WMWP种植模式0～30cm土层的速效磷和速效钾显著低于P和WP种植模式；不同种植模式下pH值变化范围为7.6～8.3，下层土壤的pH值略高于上层土壤，在0～20cm土层中WM种植模式的pH值显著低于另外3个处理。综上结果，有机质含量的提升对砂质土壤的养分特性具有一定的改良效果。

表1 不同种植模式下土壤化学性质Table 1 Soil chemical properties under different cropping patterns

2.3 不同种植模式细菌多样性和丰富度分析

由表2可知，WMWP种植模式Chao指数显著高于WP、P和WM种植模式，农田生长作物越丰富其微生物的丰度越高；WMWP、WP和P种植模式OUT显著高于WM种植模式，而Simpson指数与其呈相反趋势，表明在有花生的轮作模式中微生物多样性比只有小麦玉米轮作的丰富，说明种植花生可能有利于丰富土壤微生物的多样性。因此，WMWP种植模式对微生物种类丰度和多样性都具有明显的正向作用。

表2 不同种植模式的细菌OUT丰度和多样性指数Table 2 OUT abundance and diversity index of bacteria in different cropping patterns

2.4 不同种植模式土壤细菌类群分析

图2 不同种植模式土壤门分类水平的细菌群落比较Fig.2 Comparison of bacterial communities in soil phylum classification of different planting patterns

由图2知，在门分类水平上，在4个处理土壤细菌中变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）是主要的门类，分别占WM种植模式微生物的25.2%、11.9%和20.5%，占WMWP种植模式微生物的28.5%、20.13%和14.3%，占P种植模式微生物的22.5%、21.1%和18.0%，占WP种植模式微生物的24.5%、18.6%和15.5%。绿弯菌门（Chloro flexi）和单芽孢菌门（Gemmatimonadetes）为次要的门类，这5个门代表了所有样品中超过85%的序列。WMWP种植模式变形菌门所占比例高于其他种植模式；WM种植模式酸杆菌门所占比例高于其他种植模式，放线菌门所占比例低于其他种植模式。

用相对丰度前30的细菌属构建分层聚类图（图3），红色较深的部分代表相对丰度较高的菌属。4个种植模式土壤样品较为明显地分为两类，WP、WMWP和P种植模式可以聚为一支，因为其土壤细菌群落结构丰度较高而且比较接近；WM种植模式丰度较低可划为另外一支。由此可见，黄河故道区域种植花生在一定程度上可提高微生物丰度。

图3 不同种植模式土壤细菌属水平聚类分析Fig.3 Horizontal clustering analysis of soil bacteria on genus level in different planting patterns

2.5 不同种植模式土壤冗余分析

RDA是生态数量学中的一种直接梯度排序方法，可以解释变量和多个响应变量之间的相互关系，可用于评估土壤细菌群落结构与其他土壤特性之间的相关性。不同种植模式土壤微生物的相对丰度与土壤的养分性质之间的冗余分析如图4所示，结果表明，在RDA1轴上全磷、碱解氮和全氮正方向贡献最大，其次是全钾和有机质，而速效钾在负方向贡献最大；在RDA2轴的正方向和负方向分别贡献较大的为碱解氮和pH值。WM处理主要处在第一象限，WP和P处理主要处在第三象限和第四象限，而WMWP处理则集中于RDA1轴的负方向，说明4个处理之间的土壤细菌存在差异，也表明黄河故道区域不同轮作对土壤环境因子和细菌分布存在一定影响。RDA分析还表明，在土壤理化性质中，全钾、有机质、碱解氮、全氮和全磷均指向正方向第一象限，表现显著正向相关；速效钾、pH值和速效磷则指向第三象限，且与全钾、有机质、碱解氮、全氮和全磷呈负相关。土壤中丰度具有优势的细菌是变形菌门，与环境因子中的全磷呈负相关，与全钾和有机质呈正相关；放线菌门与全磷、速效氮、全氮、全钾和有机质呈负相关，与速效钾、速效磷和pH值呈正相关；酸杆菌门与全磷、碱解氮、全氮、全钾和有机质呈正相关，与速效钾、速效磷和pH值呈负相关。

图4 不同种植模式土壤细菌（门水平）与土壤因子冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of bacteria with soil factors in different planting patterns (phylum level)

3 讨论

黄河故道区域是黄河中下游平原主要的农业生产区域，随着黄河流域绿色发展理念的不断加深，对黄河中下游平原农业生产改良已成为黄河流域绿色发展的焦点问题，该区域土壤砂质化是农业发展的限制因素。大量研究表明，秸秆长期还田可显著提高有机质含量[16]。而对于砂质土壤而言，改良其土质最直接的方式是提高有机质含量[17]。在黄河故道区域，小麦、玉米和花生是种植最为广泛的3种作物，由于花生秸秆营养价值较高，在其收获后大多会被养殖户收购用于饲养牲畜，而小麦和玉米秸秆则全量还田。因此，本研究在尊重本地生产习惯的条件下，设置4种种植模式，更接近于生产实际，便于推广应用。在所设置的4种种植模式中，秸秆还田量由多到少依次为WM、WMWP、WP和P处理，结果显示，不同土层有机质含量与秸秆还田量为正相关，WM处理的有机质含量最高，其次为WMWP、WP和P处理。有机质的增加对砂质土壤的土质具有改良作用，可进一步促进土壤容重降低，土壤含水量增加[18]。本试验结果表明，秸秆还田量的增加可显著降低土壤0～10和10～20cm土层容重，而对20～50cm较深土层容重未达到显著影响。经过多种作物轮作和秸秆还田后，上层土壤（10～20cm）容重可达1.39～1.44g/cm3，更接近作物生长适宜的范围（＜1.35g/cm3）[19]，可能由于大量的秸秆还田减轻了人和动物的压板影响以及降水对地表的直接冲击，为维持土壤疏松创造了条件[20]。在不同土层中，长期的WM和WMWP种植模式的土壤含水量明显高于WP和P种植模式，说明不仅表层土壤的含水量受不同轮作和秸秆还田的影响，同时较深土层的含水量也明显增加，有机质的增加对土壤含水量的提高具有明显的正效应。这与路文涛等[21]研究结果一致，即秸秆还田能较好地保蓄土壤水分，利于土壤水库的扩蓄增容。

土壤质地的改善和有机质的增加会对土壤养分产生重要影响。本研究分析表明，WM和WMWP种植模式可以明显改善土壤养分性状，养分含量增加，这与徐蒋来等[22]研究结果一致。高日平等[23]研究表明，秸秆还田可促进土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量提升。史云峰等[24]研究表明，秸秆还田条件下不同轮作处理可以提高土壤养分。土壤速效养分含量分析结果显示，本研究与刘兰清等[25]研究结果不同。本研究WM和WMWP种植模式下0～30cm的3个土层的速效磷和速效钾含量显著低于WP和P种植模式。碱解氮含量在秸秆还田下升高，表明秸秆还田可以增加上层土壤碱解氮储备，这与龚万涛等[26]研究结果一致。综上所述，单一作物种植会使土壤养分性状变差，而合理的秸秆还田与多作物轮作结合对土壤肥力具有积极的影响。

土壤微生物是土壤肥力的重要指标之一，易受人为干扰，种植模式可不同程度地改变细菌的种群结构。本研究发现，WMWP种植模式下的土壤微生物多样性和主要微生物种群丰度均最高，可对土壤起到综合改良的作用；同时发现，含有花生的3种种植模式的微生物多样性显著高于WM种植模式，其主要原因可能是花生根瘤菌对微生物多样性的提升作用。任豫霜等[27]研究表明根瘤菌可显著提升土壤的pH值，本研究发现含有花生的3种种植模式0～30cm土层的pH值显著高于WM种植模式，进一步证明这3种种植模式因存在花生根瘤菌而丰富了土壤微生物的多样性。RDA分析结果显示，4个处理土壤理化性质与细菌群落具有显著相关关系，具有优势的变形菌门与土壤全磷呈负相关，与全钾和有机质呈正相关；放线菌门与全氮、全磷、全钾、碱解氮和有机质呈负相关，与速效钾、pH和速效磷呈正相关；酸杆菌门与全氮、全磷、全钾、碱解氮和有机质呈正相关，与速效钾、pH和速效磷呈负相关。大量研究发现细菌群落受有机质和全氮含量的影响较大[28]。本研究中细菌组成与全量养分和速效养分以及有机质含量之间有显著的相关性，全氮与细菌群落结构相关性最高，可对土壤肥力产生重要影响。

4 结论

黄河故道区域砂质土壤在有机质提升的基础上对土壤结构、养分及微生物均具有较好的改良效果，因此本区域农田土壤改良应首先以提高土壤有机质含量为主。小麦-玉米和小麦-花生的轮作模式对土壤有机质提升和理化性状改良效果显著，有利于本区域农业可持续发展。