秸秆还田对银北盐碱地土壤主要肥力指标及细菌群落多样性的影响

李 磊 ,朱志明,王 旭,吴 霞,樊丽琴 ,纪立东

(1.宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所,银川 750002;2.宁夏农技推广总站,银川 750001;3.国家农业环境银川观测试验站,银川 750002)

宁夏引黄灌区位于黄河上游下段,近年来,土壤盐渍化与次生盐渍化问题受到广泛关注,常年大引大排的灌溉模式导致地下水位抬升,加之施肥模式不健全,化肥过量投入,造成土壤板结僵硬,次生盐渍化加重,土壤微生物数量少且活性低[1]。鉴于此,宁夏农林科学院农业资源与环境研究所盐碱地改良研究团队建立多年连续秸秆还田模式,不但将农业固体废弃物资源化利用,实现农业循环,同时改善土壤通透性,高效改良盐碱耕地的同时获得经济收益。在衡量土壤质量的众多指标中,土壤微生物作为土壤生态系统中最活跃的具有生命特征的组成部分,其群落多样性及群落结构组成在秸秆还田措施下存在明显差异[2-5]。萨如拉等[6]在通辽典型盐碱地上建立秸秆还田试验发现,玉米秸秆还田2 a相比未还田能显著增加盐碱地土壤细菌多样性和物种丰度;顾美英等[7]研究认为,不同秸秆还田方式下风沙土土壤微生物群落存在显著差异,且相比未还田提高土壤微生物活性和丰富度指数;Lee等[8]利用DNA-SIP技术示踪发现秸秆的添加促进土壤变形菌门增加;Lukas等[9]研究发现,秸秆还田后稻田土壤微生物量显著增加。除此之外,秸秆还田对土壤理化性质也影响较大,不仅改善土壤团聚体分布与酶活性,同时自身的营养元素也增加土壤肥力[10-11];孟庆英等[12]在辽宁半干旱地区秸秆深还田条件下的研究发现,土壤水稳性团聚体主要集中在<0.25 mm 粒级;王胜楠等[13]发现秸秆还田有利于土壤亚表层有机质积累,对作物增产也具有重要促进作用。

由此可见,秸杆还田对土壤肥力培育显得十分重要。目前,秸秆还田措施在宁夏银北盐碱地应用较少,且对土壤微生物群落特征的研究环节比较薄弱。为探索玉米根际土壤微生物群落变化特征,本文建立不同秸秆还田量试验,采集连续 5 a秸秆还田定位试验土壤样品,探讨土壤微生物群落多样性变化特征,揭示不同秸秆还田量下土壤细菌群落与土壤理化性质的响应关系,研究结果将为盐碱地改良利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

自2016年在宁夏平罗县黄渠桥镇通润村(106.175 4°E,38.474 3°N)建立连续多年秸秆还田试验。该地区属大陆性气候,春旱多风,平均风速2 m·s-1,盛行西北风或北风。年均降水量200 mm,主要集中在6-9月,年均蒸发量达 1 800 mm,无霜期为171 d。2016年10月采集土壤基本理化性质,结果显示该试验区土壤pH为8.5,显碱性,全盐含量为2.62 g·kg-1,属硫酸盐-氯化物盐渍土,有机质为16.02 g·kg-1,处于4级缺乏水平;速效氮为75.21 mg·kg-1,处于4级缺乏水平;速效钾为225.21 mg·kg-1,处于1级极丰富水平;有效磷为11.12 mg·kg-1,处于3级丰富水平;土壤机械组成分析发现,砂粒含量为14.26%,粉粒为62.62%,粘粒为 23.12%,土壤质地为粉砂质粘壤土。玉米秸秆取自当地种植大户,其全氮含量为0.60%,全磷为 0.58%,全钾为1.55%,有机碳为 46.50%。指示作物为玉米‘先玉1225’品种。

1.2 试验设计

试验为连续第5年秸秆还田,采用单因素多水平随机区组设计,以未还田(CS0)为对照,分别设置1/3全量还田:还田量3 000 kg·hm-2(CS3000),2/3全量还田:还田量6 000 kg·hm-2(CS6000),全量还田:还田量9 000 kg·hm-2(CS9000)。另外增施氮肥调节C/N为 25∶1,其中CS0处理施氮量0 kg·hm-2,CS3000处理施氮量75 kg·hm-2,CS6000处理施氮量150 kg·hm-2,CS9000处理施氮量225 kg·hm-2。每个处理3次重复,共12个试验小区,每个小区面积为30 m2(6 m×5 m),各小区四周用土叠梗进行单排单灌,小区之间保留0.5 m过道。秸秆来自当地上年自然风干的玉米秸秆,还田措施于11月份完成,翌年操作与上年相一致。施入前进行人工粉碎,粉碎机粉碎至3～5 cm左右小段,机械深耕25 cm翻压,按照质量比 100∶1配施秸秆腐熟剂,然后冬灌沤田。每年4月中旬播种,宽窄行(70 cm×50 cm)种植,株距20 cm,播前统一施用过磷酸钙750 kg·hm-2,氮肥40%基施,剩余的60%分别在玉米拔节期、抽雄期追施,灌溉水采用黄河水灌溉。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 样品采集 2016年10月采集土壤基础背景值,2021年在播种出苗后分别在苗后30 d、60 d、90 d、120 d采用铝盒采集各处理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤样品测定土壤质量含水量;9月底收获后采集玉米田间样品,其中,团聚体样品采取0～30 cm土层剖面样,用铁铲沿剖面垂直切入,剥去接触面变形的土壤,均匀取内部土壤1 kg放入铁盒带回实验室。采用“Monilith 3D”空间取样法,将取出的整株玉米根系置于晒筐中,无菌条件下采用抖落法采集根际土壤。每个小区采取3个点,均匀混成一个样品,置于样品冻存管。采用干冰保存带回实验室置于-80 ℃冰箱中保存用于提取DNA。抖落下的土样用塑封袋带回实验室,一部分测定土壤质量含水量(SWC);一部分保存在4 ℃冰箱中,用于酶活性、微生物量碳、微生物量氮测定;另一部分风干处理后用于土壤pH、全盐、有机质、全氮测定。

1.3.2 土壤基本理化性质测定 采用环刀法测定土壤体积质量、田间持水量;比重计法测定土壤机械组成;电导法测定水样矿化度;土壤pH在水土比例2.5∶1,混匀静止后直接用pH计测定;DDS-11电导率仪测定电导率,结合线性方程法计算全盐含量;土壤质量含水量采用铝盒烘干法测定;有机质含量用重铬酸钾容量法测定;速效氮含量用碱解扩散法测定;有效磷含量用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量用1 mol·L-1醋酸铵溶液浸提-火焰光度计法测定[14]。

1.3.3 土壤酶活性测定 碱性磷酸酶(ALP)的测定采用磷酸苯二钠比色法,脲酶的测定采用靛酚蓝比色法,蔗糖酶的测定采用 3,5-二硝基水杨酸比色法,过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法[14]。

1.3.4 微生物量碳与微生物量氮的测定 采用氯仿熏蒸硫酸钾浸提-重铬酸钾容量法测定土壤微生物量碳;采用氯仿熏蒸硫酸钾浸提-凯氏定氮法测定土壤微生物量氮。具体步骤如下:称取新鲜土壤样品20.0 g,放入小烧杯中,将盛有土壤样品小烧杯置于真空干燥器中;同时放入两个盛有无乙醇氯仿小烧杯(加入沸石)和1个用以吸收熏蒸期间释放出来CO2的盛有氢氧化钠溶液的小烧杯,室温黑暗条件下培养24 h。取出盛放氯仿和氢氧化钠溶液的小烧杯后,反复多次抽真空以去除土壤中的氯仿残留。熏蒸土壤加入80 mL的0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提(土水比 1∶4),浸提液应立即测定或放入-20 ℃冰箱保存。与此同时,另取一份20.0 g 的土壤样品做未熏蒸对照试验。采用重铬酸钾容量法测定浸提液中有机碳含量,凯氏定氮法测定浸提液中全氮含量。

BC=EC/KEC

BN=EN/KEN

式中,BC表示土壤微生物量碳,EC为熏蒸与不熏蒸土壤浸提液有机碳的差值,KEC为转换系数,取值 0.45;其中式中BN表示土壤微生物量氮,EN为熏蒸土与未熏蒸浸提液全氮的差值;KEN为转换系数,取值 0.54[15]。

1.3.5 细菌微生物多样性测定 PCR扩增16S rRNA:选用Mobio公司生产的 PowerSoilTMDNA Isolation Kit 从土壤样品中提取 DNA,10 g·L-1的琼脂糖凝胶电泳检测所提取DNA的质量;引物515F(5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTA-3′)和909R(5′-CCCCGYCAATTCMTTTR-AGT-3′)来扩增16S rRNA的V4～V5区,目标片段长度为374 nt,在515F的5′端增加了12 bp的 barcode标记。将洗脱出的DNA在NanoDrop2000测定浓度后,置于-80 ℃保存;将所有样品按照 100 ng混合之后,采用美国Illumina公司的HiSeq2500测序仪进行建库上机测序。

1.4 相关指标计算方法

1.4.1 团聚体指标计算 >0.25 mm团聚体百分含量(干筛:DR0.25;湿筛:WR0.25)、土壤团聚体破坏率(PAD)、土壤团聚体的平均质量直径(干筛:MWD;湿筛:WMWD)的计算公式[16]如下:

R0.25=M0.25/MT

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

1.4.2 多样性指数计算 Chao1指数用于估计样本中物种总数,数值越大代表物种越多;Shannon指数、Simpson指数用来估算样本中微生物的多样性指数之一,Shannon值越大,说明群落多样性越高,Simpson指数值越大,说明群落多样性越低。

式中,Sobs表示实际测量处的OTU数目;ni表示第i个OTU含有的序列数目;N表示所有的序列数;n1表示只含有一条序列的OTU数;n2表示只含有一条序列的OTU数。

1.5 数据分析与处理

试验数据以Excel 2003软件进行整理,同时采用SPSS 17.0软件描述统计特征值、进行数据分析,用方差分析(ANOVA)和最小显著性检验(LSD)做数据差异显著性检验(P<0.05,n=5),用Origin 9.0软件绘图。测序结果使用Mothur(versionv.1.30)软件,对样品Alpha多样性指数进行评估,其中Chao1、ACE指数用来估计样品中所含OTU数目的指数;Shannon、Simpson指数用来估算样品中微生物的多样性指数。利用QIIME软件生成不同分类水平上的物种丰度表,用SPSS 17.0对门水平下细菌群落与环境因子耦合关系作皮尔逊相关分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤团聚体含量及团聚体评价参数的影响

不同秸秆还田量下土壤机械稳定性团聚体与水稳性团聚体如图1所示。机械稳定性团聚体>2 mm的团聚体所占比例最高,约占1/3(均在34%以上),而其他粒级的团聚体均占有不同比例。CS3000处理下>2 mm团聚体含量达到 41.75%,而其他粒级的团聚体含量所占比例相对均一。CS6000处理明显提升<0.25 mm团聚体含量,降低1～0.5 mm与0.5～ 0.25 mm粒级团聚体含量(图1-a)。整体而言,不同秸秆还田量土壤机械稳定性团聚体变异很大,因此通过湿筛法求得水稳性团聚体。结果表明,<0.25 mm的微团聚体含量明显增加,达到83%以上,各处理相比CS0处理<0.25 mm的微团聚体含量有所降低,其中,CS9000处理降低效果最为明显,相比CS0处理降低了8.63%,CS3000处理与CS6000处理降低效果基本一致。>0.25 mm团聚体发现,秸秆还田处理能明显增加>2 mm与0.5～ 0.25 mm粒级团聚体含量,而对2～1 mm粒级团聚体有所降低(图1-b)。

图1 各处理团聚体含量比较Fig.1 Comparison of aggregate content among different treatments

表1显示,各处理对MWD值影响不大,而明显增加WMWD值,CS3000、CS6000、CS9000处理相比CS0处理分别显著增加23.64%、 23.64%、 36.36%。干筛法获得的>0.25 mm团聚体均在 74.00%以上,各处理间无显著性差异,其中CS3000处理含量最高,达到82.65%,其次为CS9000处理。湿筛法获得的>0.25 mm团聚体属CS9000处理下含量最高,相比CS0处理显著增加34.95%,PAD在各处理间无显著性差异,CS6000处理与CS9000处理下PAD最低,说明团聚体结构相比较为稳定,为作物生长发育提供良好的土壤环境。

表1 各处理团聚体评价参数比较Table 1 Comparison of aggregate evaluation parameters under different treatments

2.2 秸秆还田对土壤化学性质的影响

由表2可见,相比未还田处理,秸秆还田处理可以有效降低土壤中的全盐含量,CS3000处理相比CS0处理降低13.14%,而CS6000、CS9000处理分别相比CS0处理分别显著降低24.04%、 15.06%。CS6000处理下的土壤全盐量降低效果最为显著,相比CS3000处理显著降低12.55%,较CS9000处理降低10.90%。土壤pH与全盐变化相一致,CS3000、CS6000、CS9000处理分别较CS0处理显著降低1.23%、2.23%、2.01%,其中CS6000处理效果最为显著,较CS3000处理显著降低0.79%,较CS9000降低0.23%。

表2 各处理化学性质及微生物量碳、氮含量的比较Table 2 Comparison of chemical properties and microbial carbon,nitrogen content of each treatment

CS6000和CS9000处理下微生物量碳分别较CS0处理显著提高14.16%、12.26%,同时较CS3000处理分别显著提高14.16%、12.26%,CS3000与CS0之间无显著性差异。微生物氮方面各处理表现为CS9000>CS6000>CS3000>CS0处理,各处理之间无显著差异。CS6000和CS9000处理下的有机质含量分别较CS0处理显著提高14.06%、12.77%,同时较CS3000处理分别提高5.78%、4.59%,CS3000处理较CS0处理提高7.82%。相比CS0处理,CS3000、CS6000、CS9000处理下全氮含量均显著提高50.82%、40.98%、50.82%,而三者之间无显著性差异。

2.3 秸秆还田对土壤酶活性的影响

由表3可见,秸秆还田显著提高酶活性,相比未还田处理,CS3000、CS6000、CS9000处理下脲酶活性相比CS0处理分别显著提高 35.48%、 66.13%、49.60%,这可能与秸秆还田过程中为调节碳氮比而施入的氮肥有关;碱性磷酸酶活性相比CS0处理分别显著提高69.27%、 68.78%、71.22%;蔗糖酶活性相比CS0处理分别显著提高75.39%、58.80%、64.41%;过氧化氢酶活性相比CS0处理分别显著提高33.78%、 38.34%、39.81%。由此可见,秸秆还田你对土壤酶活性提升具有明显促进效果。

表3 各处理酶活性比较Table 3 Comparison of enzyme activities of each treatment

2.4 秸秆还田对土壤含水量的影响

秸秆还田对土壤含水量存在一定影响,整体上0～60 cm内,随着土壤层次加深,土壤含水量表现为增加趋势,苗后30 d,秸秆还田降低土壤含水量,其中,CS6000处理降低幅度最大,0～20 cm处,CS6000处理下土壤含水量相比CS0处理显著减少 1.80%,20～40 cm与40～60 cm处秸秆还田处理均相比未还田处理有所降低,但差异性不显著(图2-a);苗后60 d,CS3000处理增加0～20 cm土层含水量,CS0处理增加20～60 m土层含水量,CS9000处理0～20 cm土层含水量相比CS3000处理显著降低3.5%,20～40 cm土层含水量相比CS0处理显著降低4.88%(图2-b);苗后90 d,0～60 cm土层含水量在各处理间无显著性差异,整体水平上秸秆还田措施下土壤含水量略有降低,降幅在1.20%～1.71% (图2-c);苗后120 d,0～20 cm土层处各处理土壤含水量无显著性差异,20～40 cm土层处秸秆还田措施处理相比未还田处理土壤含水量均有所降低,降幅在2.10%～2.59%,40～60 cm土层处土壤含水量在各处理间无显著性差异(图2-d)。综上所述,秸秆还田措施会导致0～20 cm土壤含水量减少,在苗后30 d、60 d降幅最大,苗后90 d、120 d差异不显著;秸秆还田措施对20～40 cm土层含水量影响较大表现在苗后30 d,分析原因可能为该时期土壤温度升高,蒸发增强,秸秆还田措施下土壤孔隙变大,土壤水分损耗较大。

图2 各处理土壤含水量比较Fig.2 Comparison of soil water content among different treatments

2.5 秸秆还田对土壤细菌微生物OTU数量的 影响

操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTU)是在系统发生学研究或群体遗传学研究中,为便于分析而人为设置的分类单元标志。以97%的相似性对序列进行聚类,相似度大于97%的序列将聚为同一个OTU。通过分析不同分类水平下的OTU数,结果如图3所示,秸秆还田处理下均能增加各分类水平下土壤细菌微生物OTU数目,且随着秸秆还田量的增加呈现增加趋势。

图3 各处理OTU数比较Fig.3 Comparison of OTU numbers of each treatment

2.6 秸秆还田对土壤细菌微生物多样性指数的影响

本试验在97%的相性度水平上分析12个样品时得到4 187～5 034种水平分类的细菌(图4-a)。CS9000处理下细菌数目最大,相比CS0、CS3000、CS6000处理分别显著增加 13.41%、 14.32%、8.54%;Chao1指数在各样本间呈现相同的变化趋势,差异性显著,大小依次为CS9000>CS6000>CS0>CS3000(图4-b),说明CS9000处理会增加物种数,提高菌群丰富度;Shannon与Simpson指数呈现相反趋势,Shannon指数反映出CS9000处理最大,其次为CS6000处理,而CS0处理最小(图4-c),Simpson指数在CS0处理下最大(图4-d),该指数说明,CS9000处理会提高细菌群群落多样性。

图4 各处理细菌微生物多样性指数比较Fig.4 Comparison of microbial diversity index among different treatments

2.7 秸秆还田对土壤细菌微生物群落结构组成的影响

基于HiSeq高通量测序,发现秸秆还田下土壤细菌主要门有10种,在门水平下,对不同样品的细菌群落组成比较可知(图5),变形菌门(Proteobacteria)在群落结构中所占比例最大,约占所有细菌的28.02%～31.16%,属于优势菌群;CS9000处理增加变形菌门,其次为CS6000处理。秸秆还田下拟杆菌门(Bacteroidetes)丰富度有所下降,CS3000、CS6000、CS9000处理较CS0处理分别降低22.88%、33.33%、33.86%;此外,CS6000处理降低绿弯菌门(Chloroflexi)相对丰富度,却增加酸杆菌门(Acidobacteria)、奇古菌门(Thaumarchaeota)相对丰富度。

图5 各处理群落结构(门水平)Fig.5 Community structure of each treatment (phylum)

2.8 相关性分析

通过建立环境因子与微生物群落结构相关性矩阵发现,变形菌门(Proteobacteria)与MBN、OM间存在显著正相关;拟杆菌门(Bacteroidetes)与TS、SWC间存在显著正相关 (P<0.05),与MBN、OM、TN、Sucrase、Catalase、WMWD间存在显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关;绿弯菌门(Chloroflexi)与MBN间存在极显著负相关(P<0.01);浮霉菌门(Planctomycetes)与TS间存在显著负相关(P<0.05);而芽单胞菌(Gemmatimonadetes)与WMWD间存在显著正相关;奇古菌门(Thaumarchaeota) 与MBN间存在极显著负相关(P<0.01);厚壁菌门(Firmicutes)与硝化螺旋菌(Nitrospirae)均与SWC间存在极显著正相关(P<0.01)。综合发现,MBN、SWC与细菌微生物群落结构组成间存在显著性差异,而拟杆菌门对土壤关键环境因子最为敏感(表4)。

表4 土壤环境因子与微生物群落结构相关性分析Table 4 Correlation analysis between environmental factors and microbial community structure

3 讨 论

3.1 秸秆还田对土壤团聚体及含水量的影响

土壤团聚体是土壤结构最基本的物质基础,其对土壤养分、水分的协调起着重要作用。曹晶晶等[17]通过在棉田土壤上建立长期秸秆还田定位试验发现,秸秆还田提高了长期连作棉田土壤1～0.25 mm水稳定团聚体及团聚体的MWD值;张鹏等[18]在宁南干旱地区发现,高还田量下土壤机械稳定性团聚体DR0.25含量、水稳性团聚体WR0.25含量明显高于未还田处理,且土壤破坏率明显降低。而本研究结果发现,相比未还田处理,秸秆还田增加团聚体MWD与WMWD值,还田量在90 00 kg·hm-2处理下WR0.25含量显著增加,且降低PAD值,这与前人研究结果相一致,主要由于秸秆还田后随着腐殖化过程加强了土壤颗粒之间的胶结作用,从而导致土壤中较小团聚体向较大团聚体的转化,增加土壤结构稳 定性。

土壤水分是限制农业生产的主要因素,秸秆还田对土壤含水量影响较大。有研究表明,秸秆还田降低土壤水分蒸发,减缓土壤水分波动,提高土壤水分利用效率[19-20],而本试验发现,秸秆还田措施会降低土壤含水量,相比未还田在苗后 30 d、60 d显著降低0～20 cm土壤含水量,且在苗后30 d对20～40 cm土层含水量也明显降低;苗后90 d、120 d秸秆还田措施下土壤含水量均有不同水平减少,但差异性不显著。这与前人研究结果不一致,分析原因可能为该区域属于干旱区,降雨量少,秸秆还田后腐解矿化较慢,无法形成有效保水层,加之土壤偏砂,蒸发量本身较大,无法形成“土壤水库”容量,还田量越大,土壤孔隙越多,土壤含水量损失也随之增加。

3.2 秸秆还田对土壤化学性质的影响

诸多研究表明,秸秆还田能够提高土壤肥力,促进作物生长[21-24]。张永春等[25]研究表明,秸秆连续还田3 a后土壤的有机质含量较试验前增加了1.4倍;刘世平等[26]试验结果也表明秸秆还田3 a后土壤有机质、全氮、有效磷及速效钾含量相比未还田均有所提升;慕平等[27]、李慧琴等[28]研究发现,长期秸秆还田对北方的盐碱土壤也有一定的改良作用,能积极取得抑盐克碱效果。本试验研究表明,相比未还田处理,秸秆还田显著降低土壤pH与全盐含量,而显著增加全氮、有机质含量,其中还田量为6 000 kg·hm-2处理相比未还田处理土壤pH降低2.23%,全盐降低24.04%;还田量为9 000 kg·hm-2处理相比未还田处理有机质增加14.06%,全氮增加50.82%;这与慕平等[27]、王月宁等[29]的研究结果基本一致,分析原因可能为秸秆还田下土壤有机质增加与秸秆有机碳投入有关,全氮含量增加与调节土壤碳氮比而增施氮肥有关。本试验还发现秸秆还田增加微生物量碳、微生物量氮含量,其中,微生物量碳在各处理下差异性不显著,而微生物量氮在还田量为6 000 kg·hm-2处理与9 000 kg·hm-2处理下显著增加,这与郭成藏等[30]、李秀等[31]研究结果相一致。主要因为秸秆还田后,在腐解过程中为土壤微生物活动补充了大量碳源,活化微生物数量,加快微生物同化有机碳,高量秸秆还田下碳源充足,同时,加之调节碳氮比而补充氮素能被土壤微生物吸收转化,进而提高了土壤微生物量碳与微生物量氮含量。

3.3 秸秆还田对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是表征土壤养分循环及微生物代谢活性的关键指标[32]。矫丽娜等[33]在黑土上原位秸秆培养4 a发现,秸秆还田相比未还田显著增加脲酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性;路怡青等[34]研究表明,免耕+秸秆还田处理显著增加脲酶和碱性磷酸酶活性。本试验研究结果表明,还田处理相比未还田处理显著增加酶活性,但各还田量间无显著性差异,这与前人研究结果基本一致,分析原因可能为秸秆还田带入外源碳增加了土壤全氮与有机质含量,为微生物的繁殖创造良好空间,进而提高包括土壤酶在内的分泌物数量,酶活性随之增强。

3.4 秸秆还田对土壤细菌OTU数及多样性指数的影响

土壤微生物是评价土壤生物学特性的关键指标[35]。王伏伟等[36]在砂姜黑土建立秸秆还田试验发现,秸秆还田相比还田处理能明显增加土壤细菌Shannon多样性指数,其中细菌群落组成中优势细菌门为变形菌门相对丰度最大,为 38.5%～43.2%;张鑫等[37]在石灰性潮土研究表明,秸秆还田能够提高土壤细菌群落多样性水平;闫宁等[38]利用烟草秸秆在水稻田还田发现,烟草秸秆还田会增加土壤细菌微生物OTU数及多样性,本试验研究表明,秸秆还田措施下能增加不同分类水平下土壤细菌微生物OTU数,且随着秸秆还田量的增加呈现增加趋势。多样性指数分析发现,秸秆还田相比未还田显著增加Chao1丰富度指数,同时也提高了Shannon多样性指数,但差异性不显著。

3.5 秸秆还田对土壤细菌群落组成的影响

本试验发现变形菌门属于优势菌群,且秸秆还田能增加变形菌门相对丰度,却降低了拟杆菌门相对丰度,分析可能原因为变形菌门属于富营养型菌,能够在土壤有机质及营养元素较高环境条件下迅速生长,而拟杆菌门属于专性厌氧杆菌,适宜生长在无氧土壤环境,其能量代谢以无氧发酵的方式进行[37]。秸秆还田改善了土壤结构,提高了微团聚体含量,为土壤呼吸提供充足的氧气,从而抑制拟杆菌门繁殖。细菌群落组成与关键土壤环境因子相关性分析,微生物量氮、土壤含水量与细菌微生物群落结构组成间存在显著性差异,该结果说明土壤微生物生物量氮与土壤含水量与细菌群落生长密切相关。

4 结 论

在银北中低产田上连续秸秆还田5 a能明显改善土壤结构,增加土壤养分,提高土壤酶活性。其中,全量还田(9 000 kg·hm-2)处理显著增加水稳性团聚体的平均质量直径,降低土壤破坏率,同时,该处理下土壤全盐含量相比未还田处理降低了15.06%,有机质增加14.06%,全氮增加50.82%,微生物氮也增加71.75%。此外,秸秆还田可提高土壤细菌微生物Shannon多样性指数及Chao1丰富度指数,全量还田处理下提升效果最为突出。此外,本试验在设计上只考虑秸秆资源原位消纳,缺乏过量还田效应分析,在下一步工作中可通过增加过量还田来探讨提高银北中低产田产能最大的还田量。