玉米秸秆还田对土壤微生物群落组成的影响

崔慧珍，安嫄嫄，李光文，伏云珍，马 琨

（1.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021）

中国每年产生农作物秸秆约7亿t左右[1]，这些秸秆的不合理利用不仅消耗大量的人力物力，还会造成资源浪费，而农作物秸秆富含大量的有机营养元素，是重要的土壤改良剂[2]。因此，进行秸秆还田是解决这一问题的一项重要手段。作物秸秆还田能通过改良土壤结构，提高土壤持水能力[3]和土壤肥力[4]，还可以增加土壤微生物数量和活性[5]，提高作物产量[3]。相关研究认为，土壤微生物群落在作物秸秆腐解过程中起着决定性作用[6]，土壤微生物群落会对秸秆的腐解做出响应[4]。玉米秸秆还田后，土壤微生物对碳源的利用能力提高，微生物群落多样性及均匀度增加[7]；水稻秸秆还田后，土壤中碳源种类产生变化，细菌优势种群及相应丰度改变[4]。然而，也有研究证实，土壤微生物群落有明显的季节性变化特征[8]。Li等[9]发现，土壤细菌与作物的交互作用随玉米生育期而发生改变，某些特定细菌类群对周围营养物的吸收策略表现出明显季节性模式，其生物量随季节变化而波动；Spedding等[10]也证实，在长期耕作和作物残茬管理下，土壤真菌的磷脂脂肪酸（PLFAs）、总PLFAs在作物生育期内均增加。刘定辉等[11]研究发现，小麦秸秆长期还田后土壤微生物数量的增加主要因为细菌数量的增加，且收获期土壤细菌数量高于分蘖期。但Lou等[12]研究表明，秸秆覆盖减小了土壤温度的季节性变化，使土壤微生物生物量和活性的季节性变化特征减弱。可见，基于土壤微生物群落组成的分析，必须考虑土壤季节性的变化因素。土壤微生物群落组成与作物生育阶段、还田秸秆类型、耕作栽培及秸秆管理等措施密切相关。

目前，有关秸秆还田后土壤微生物群落变化已有较多研究，但多集中于单一季节土壤微生物群落的变化。由于秸秆腐解期较长，秸秆的季节性腐解规律不同，土壤微生物群落响应也随之改变。因此，本研究采用PLFAs指纹图谱的方法，研究玉米秸秆还田下，旱作区农田土壤微生物群落的季节变化特征，分析土壤基本理化性质、生物学性状与土壤微生物群落组成及玉米产量间的相互关系，期望为宁夏旱作区秸秆还田管理及农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏同心县河西镇农场村（37°9'34″N，105°48'2″E），该区域海拔1 350 m，年均降水量277 mm，年蒸发量为2 300 mm，年均气温8.7℃，土壤类型为淡灰钙土。试验开始前供试土壤基本理化性状为：全氮0.54 g/kg、碱解氮41 mg/kg、全磷0.83 g/kg、有效磷41.5 mg/kg、全钾20.2 g/kg、速效钾216 mg/kg、缓效钾1 014 mg/kg、有机质9.2 g/kg、pH值8.26、全盐0.28 g/kg、阳离子代换量9.3 cmol/kg。

1.2 试验设计

试验开始于2013年秋季，当年玉米收获后，将秸秆粉碎至3～5 cm，结合秋季深耕，翻入土壤，随后灌冬水。采用单因素随机设计，设秸秆还田量为0 kg/hm2（T0）、3 000 kg/hm2（T1）、6 000 kg/hm2（T2）、9 000 kg/hm2（T3）、12 000 kg/hm2（T4）5个处理，3次重复，共15个小区，小区面积为4×15 m2。供试玉米品种为先玉335，播种密度为6 500株/666.7 m2。2014—2019年玉米全生育期氮肥（N）施用量分别为32 kg/666.7 m2，28 kg/666.7 m2，24 kg/666.7 m2，26 kg/666.7m2，26 kg/666.7 m2，26 kg/666.7 m2。苗期追施60%的氮肥，磷肥（P2O5）12.5 kg/666.7 m2和钾肥（K2O）2.5 kg/666.7 m2；抽穗期追施30%的氮肥；灌浆期追施10%的氮肥。2019年6月1日（玉米大喇叭口期）和9月30日（玉米成熟期），利用多点采样法采集玉米行间0～20 cm土层土壤样本，各小区土壤样本独立。土样装于密封袋后用冰盒保鲜带回实验室，过1 mm筛；部分低温储存于－40℃冰箱，用于土壤微生物群落测定；部分储存于2～8℃冰箱，用于微生物生物量碳和呼吸强度测定；剩余土样自然风干，用于理化性状测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化及生物学性状 土壤全氮、总碳用碳氮分析仪（ElementarVario MAX）测定，全磷用HCLO4-H2SO4消煮钼锑抗比色法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，速效磷用Olsen法测定，速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，土壤pH值用水土比（5:1）浸提后pH计测定，微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，用总有机碳分析仪（TOC—LH57405200261 SA JAPAN）测定，呼吸强度用密闭培养法测定，具体参照土壤农化分析[13]。

1.3.2 土壤微生物磷脂脂肪酸 参照魏常慧等[14]的方法，称取相当于4 g干土质量的新鲜土样于棕色玻璃瓶，加磷酸缓冲液，甲醇：氯仿混合液，氯仿和无菌超纯水混匀振荡，黑暗培养18-24 h，取氯仿相，经旋转蒸发仪浓缩和硅胶柱分离磷脂，N2吹干，用甲苯：甲醇混合液和氢氧化钾：甲醇溶液混匀溶解后，加正己烷：氯仿混合液、1 M醋酸和无菌超纯水萃取酯化，通过Agilent 7860型气相色谱仪，MIDI Sherlock脂肪酸图谱微生物鉴定系统分析待测样品。

1.4 数据分析

利用Excel 2010软件和Origin 2018软件对数据进行处理作图，单因素方差分析（one—way ANOVA）和Pearson相关分析采用DPS9.01软件。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆还田对土壤理化及生物学性状的影响

玉米秸秆还田6年后，玉米成熟期对应土壤理化及生物学性状分析结果显示（表1）：土壤碱解氮、pH值、呼吸强度均与对照（T0）间有显著差异（P<0.05）；当秸秆还田量达到6 000 kg/hm2（T2）后，土壤中全氮、总碳含量显著高于对照（T0），有显著差异（P<0.05）。不同秸秆还田量以T3的土壤全氮、总碳含量最高，但其土壤C/N却显著低于T0（P<0.05），不同秸秆还田量间的土壤C/N无显著性差异。除T2的土壤全磷含量较T0显著增加6.78%，T1、T4的土壤呼吸熵较T0显著增加99.01%、72.12%外，其余秸秆还田处理中土壤理化及生物学性状与对照（T0）间均无显著差异。可见，持续秸秆还田能通过提高土壤碳、氮和碱解氮等土壤养分含量，降低土壤pH值而影响土壤理化及生物学性状。

表1 持续秸秆还田对土壤理化及生物学性状的影响

2.2 玉米秸秆还田对土壤微生物群落组成的季节性影响

2.2.1 秸秆还田对土壤细菌、G+、G-磷脂脂肪酸含量的季节性影响 由图1可知，与T0相比，不同秸秆还田量下，玉米大喇叭口期和成熟期对应土壤中以PLFAs表征的土壤细菌、G+、G-生物量均有不同程度的提高。与T0相比，玉米大喇叭口期对应土壤样本中细菌、G+、G-生物量均以T1处理最高，有显著性差异（P<0.05）；其他处理下的土壤细菌、G+、G-生物量分别比T0高出22.34%～76.64%、15.19%～58.07%、27.04%～88.86%。玉米成熟期对应土壤样本表现为随秸秆还田量的增加，土壤中细菌、G+、G-生物量整体呈上升趋势，但T2与T1间无显著差异；与T1相比，T3、T4主要微生物群落的脂肪酸含量呈明显升高的趋势；其中，T4的细菌、G+、G-生物量分别比对照（T0）显著高出104.08%、99.20%、107.37%（P<0.05）。

图1 秸秆还田对土壤细菌（a）、革兰氏阳性菌（G+）（b）、革兰氏阴性菌（G-）（c）磷脂脂肪酸含量的季节性影响

与大喇叭口期相比，玉米成熟期对应土壤细菌、G+、G-均较高。成熟期对应秸秆处理的土壤中细菌脂肪酸含量增加23.49%～79.69%、G+增加32.80%～103.24%、G-增加18.37%～74.62%，以T4的土壤细菌、G+、G-的脂肪酸含量增加幅度最大；说明秸秆还田量为12 000 kg/hm2时更有利于促进作物生长后期土壤细菌、G+、G-生物量的增加。可见，持续秸秆还田能增加土壤细菌、G+、G-的生物量；以PLFAs表征的土壤细菌、G+、G-生物量有季节性差异。

2.2.2 秸秆还田对土壤放线菌、真菌磷脂脂肪酸含量的季节性影响 随秸秆还田量的持续增加，两个不同采样时期对应土壤的放线菌、真菌脂肪酸含量整体呈增加的趋势（图2），均以秸秆还田量为12 000 kg/hm2（T4）最高。T4处理下，以PLFAs表征的土壤放线菌生物量（图2a）在两个不同采样时期，分别较对应T0高出57.44%（P>0.05）和84.69%（P<0.05）；真菌生物量（图2b）较T0显著高出100.79%（P<0.05）和81.42%（P<0.05）。与玉米大喇叭口期相比，玉米成熟期对应各处理土壤样本中放线菌、真菌脂肪酸含量分别显著增加了55.17%～115.16%、113.43%～164.56%，在秸秆还田量为6 000 kg/hm2（T2）时达到显著水平（P<0.05），其余各处理下均达到极显著水平（P<0.01），有显著的季节性差异。

图2 秸秆还田对土壤放线菌(a)、真菌(b)磷脂脂肪酸含量的季节性影响

2.2.3 秸秆还田对土壤真菌/细菌（F/B）比值、G+/G-的季节性影响 由图3可见，随玉米秸秆还田量的增加，土壤中F/B在玉米大喇叭口期对应土壤样本中呈增长趋势，在秸秆还田量达到9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2后，较T0高出24.04%～30.35%，与对照（T0）间有显著性差异（P<0.05）。与玉米大喇叭口期相比，成熟期土壤样本的F/B显著升高27.87%～84.52%（P<0.01），表现出明显的季节性差异；但成熟期不同秸秆还田量对应土壤样本的F/B间无显著差异（P>0.05）。除秸秆还田量为9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2时对应土壤样本G+/G-在玉米成熟期较大喇叭口期显著高出21.50%～24.70%外（P<0.01），其他秸秆还田量在两个作物生育期对应土壤样本间的G+/G-差异均不显著（P>0.05）。可见，持续秸秆还田会对F/B、G+/G-产生一定的季节性影响。

图3 秸秆还田对土壤F/B、G+/G-的季节性影响

2.3 持续秸秆还田对玉米产量的影响

玉米秸秆还田6年后（表2），整体上，各处理年度内玉米产量与秸秆不还田（T0）处理间均无显著差异（P>0.05），尽管不同年际间作物产量有一定的波动，但与对照处理多年玉米平均产量相比，秸秆还田处理产量变动幅度仅为其产量的0.531%～2.99%。相同栽培管理措施下，秸秆还田量的高低未影响作物产量。

表2 持续秸秆还田对玉米产量的影响kg/hm2

2.4 持续秸秆还田下玉米产量、土壤微生物群落组成与土壤理化及生物学性状间的相关分析

Pearson相关分析表明（表3），持续玉米秸秆还田后，土壤全氮、总碳与细菌、真菌、放线菌、丛枝菌根真菌的脂肪酸含量均呈显著正相关；土壤全氮与革兰氏阳性菌生物量呈极显著正相关，与革兰氏阴性菌和原生动物类呈显著正相关；土壤总碳与革兰氏阳性菌呈显著正相关；土壤碱解氮与细菌、革兰氏阳性菌、丛枝菌根真菌呈显著正相关，土壤pH值与革兰氏阴性菌呈显著负相关，土壤呼吸强度与细菌、革兰氏阴性菌、真菌、原生动物类、丛枝菌根真菌呈显著正相关；土壤微生物群落组成中，F/B和G+/G-分别与土壤碱解氮和速效钾呈显著负相关，玉米产量仅与土壤速效钾呈显著正相关。而土壤全磷、速效磷、微生物生物量碳、微生物熵、呼吸熵与玉米产量、土壤微生物群落组成间均无显著相关性。

表3 持续秸秆还田下玉米产量、土壤微生物群落组成与土壤理化性质及生物学性状间的相关分析

3 讨论

3.1 秸秆还田对土壤理化及生物学性状的影响

秸秆还田可为土壤输入大量碳、氮[15]。试验中，持续秸秆还田明显提高了土壤中总碳、全氮、碱解氮等的含量。前人研究表明，玉米秸秆还田后，秸秆碳、氮分别占土壤总碳、总氮的26.4%～46.3%、10.7%～17.7%，秸秆还田与粪肥配合施用时可增加土壤碳、氮的稳定性，显著提高土壤碳、氮含量[16]；小麦秸秆全量还田结合底土耕作可促进微生物碳源代谢，有助于增加碳的固存，且土壤中有机碳含量随时间的推移增加，土壤中氮素含量也显著增加[17]。可见，作物秸秆在土壤碳、氮管理方面发挥着重要作用。Wang等[18]研究发现，秸秆还田后土壤有机分解代谢增强，土壤呼吸也显著提高，秸秆还田增强了光合碳的输入，显著促进了土壤碳的累积。本研究结果与之类似，但试验中秸秆还田量的高低并未对土壤呼吸强度产生显著影响，这可能是秸秆腐解后期难分解有机物几近相同的缘故。Liu等[19]研究也表明，秸秆还田管理对土壤养分有着显著影响，尤其是有机碳和总氮，秸秆还田后20-40 cm耕层土壤中有机碳、总氮含量显著增加；并认为，碳是作物秸秆的主要组成部分，秸秆经腐解会释放大量的碳。以往研究认为，C/N比反映了土壤碳、氮间的相互作用[20]，外源C、N的输入都会对其产生影响[21]。Xu等[22]还发现秸秆还田可提高土壤活性有机碳，增加C/N。本试验同盖霞普等[21]发现土壤C/N有随秸秆还田量的增加而降低的趋势的结果相一致。分析认为，试验中连续秸秆还田6年间，玉米秸秆在逐渐腐解过程中会释放碳、氮；在适量氮、磷、钾肥施用条件下，能够从减少养分损失和增加输入两方面促进土壤碳、氮累积；C/N较高的玉米秸秆还田后会将土壤中有机氮固定转化为无机氮，减少氮的矿化，提高土壤中氮的含量，相应降低了土壤C/N比。

本研究表明，持续秸秆还田降低了土壤pH值，这与前人研究基本一致[23-24]。叶文培等[25]也证实玉米和水稻秸秆还田能促使土壤pH值下降。分析认为，尽管还田作物秸秆种类不同，但秸秆在腐解时都会释放大量有机酸[26]；同时，土壤微生物在代谢过程中也会释放大量的无机、有机酸物质[27]，从而使土壤pH值下降。这说明在旱作区持续进行秸秆还田管理能改善土壤pH环境，有效提升土壤肥力。

3.2 秸秆还田对土壤微生物群落组成的季节性影响

本试验中，秸秆还田管理下，除T1外，土壤微生物PLFAs含量整体上均有随秸秆还田量增加而升高的趋势；受季节变化影响，玉米成熟期对应土壤中各微生物脂肪酸含量明显高于大喇叭口期。分析认为，随还田时间延长，秸秆腐解更充分，能为土壤微生物提供更多碳源，促进了土壤微生物的繁殖，相应增加了以PLFAs表征的土壤微生物生物量。但在玉米生长旺盛阶段，玉米需要从土壤中吸收大量的养分，可能会与土壤微生物形成养分竞争关系，随作物生育期的推进，玉米进入生长后期并逐渐成熟时，所需养分逐渐减少，与微生物间养分竞争力减小，土壤微生物的繁殖能力增强，微生物生物量显著增加。此外，土壤物理、化学性状的变化是影响土壤微生物群落种类、活性及分布的关键因素[28]。Brocket等[29]发现土壤含水量是影响微生物群落结构的重要影响因素，在干旱环境下，由于缺水，土壤微生物活性降低甚至死亡；Hackl等[30]研究也表明微生物群落PLFAs含量在潮湿低温环境下较高。本研究中，玉米大喇叭口期土壤样本含水率低，且此时气温较高，土壤微生物活性较低，而玉米成熟期气温降低，土壤含水率增加，土壤微生物活性也随之提高，微生物生物量增加。因此，成熟期以PLFAs表征的土壤微生物生物量显著高于大喇叭口期，可能是导致微生物生物量有季节性差异的主要原因。土壤真菌/细菌（F/B）生物量的比值可用来判断土壤质量状况和自我调控能力，F/B值越大，农业生态系统可持续性越强[31]。Marschner P等[32]认为，真菌在分解作物秸秆过程中占据主导地位；土壤中F/B越大，G+/G-越小，土壤肥力越高[33]。本研究中，秸秆还田后土壤中细菌、真菌磷脂脂肪酸含量均增加，土壤中真菌磷脂脂肪酸含量的增加幅度大于细菌。尽管对应土壤中G+/G-在各处理间无显著性差异，但G-较G+所占细菌总磷脂脂肪酸含量比例大。Huang等[34]研究也表明，G-敏感度高，在富营养环境中生长速度高于G+。可见，秸秆还田后可能更有利于G-的生长。

3.3 秸秆还田对玉米产量的影响

本试验表明，连续秸秆还田后，各处理玉米产量间均无显著性差异（P>0.05）。目前，关于秸秆还田对作物产量影响的研究结果各有不同。有研究认为秸秆还田后能够提高土壤养分，改善土壤结构，提高土壤持水、保温性能，丰富土壤微生物多样性，使作物高产[35]；但也有研究表明，尽管秸秆还田改善了土壤质量，但并没有影响作物产量，甚至造成减产[36-37]。黄绍敏等[38]研究表明玉米生长在抽穗期前主要受土壤肥力影响，抽穗期后则由气候条件决定；干旱区由于夏季高温少雨，不利于玉米灌浆，秸秆还田后提高的土壤肥力仅能减缓11%～14%的气候变化对玉米产量的影响[38]。可见，秸秆还田后，玉米产量变化应该受生产技术、气候条件、土壤肥力等多种因素综合影响。

4 结论

玉米秸秆还田管理可提高宁夏旱作区农田土壤中全氮、总碳、碱解氮等养分含量，降低土壤pH值。受土壤全氮、总碳的驱动，以PLFAs表征的土壤微生物生物量在秸秆还田后明显增加；微生物季节性变化差异明显，但不同秸秆量的还田措施未对玉米产量产生显著影响。