玉米和大豆秸稈還田對(duì)黑土微生物量及呼吸的影響

，，，，，，,

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春 130102；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

秸稈還田是增加土壤有機(jī)碳含量，減緩溫室氣體排放，培肥土壤的重要措施[1]。秸稈在土壤中的分解是土壤中碳循環(huán)的關(guān)鍵過程，直接關(guān)系到秸稈還田的碳固存效果[2]。而微生物是土壤中秸稈的主要分解者，在秸稈的分解轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用[3]。許多研究發(fā)現(xiàn)不同秸稈還田量、不同秸稈還田方式下的土壤微生物學(xué)特性存在差異[4-6]，秸稈在不同分解階段的土壤微生物生物量、種群結(jié)構(gòu)、活性也存在差異[7-8]。秸稈性質(zhì)(比如秸稈的碳氮含量)也對(duì)土壤中秸稈的分解礦化、微生物量、種群結(jié)構(gòu)等均有重要的影響[9-10]。一般來說含氮量高，C/N低的秸稈在土壤中更容易分解，并釋放較多的礦質(zhì)態(tài)氮，并提高微生物生物量[9,11]。然而也有研究認(rèn)為秸稈的木質(zhì)素等難分解物質(zhì)的含量、土壤的性質(zhì)等也是秸稈分解過程中的微生物物特性改變的重要影響因素[12]。

黑土是東北主要的耕作土壤，近百年來的耕墾活動(dòng)使黑土嚴(yán)重退化，土壤有機(jī)質(zhì)含量迅速下降[13]。在東北黑土區(qū)實(shí)施秸稈還田不僅可以阻止土壤進(jìn)一步退化，還可以增加土壤有機(jī)碳含量，減少CO2的排放[14]。土壤的微生物生物量和呼吸是土壤中微生物數(shù)量和活性的重要表征[15]，對(duì)還田秸稈的碳固存意義重大。目前，有關(guān)玉米和大豆兩種作物不同部位的秸稈還田對(duì)土壤微生物生物量和呼吸影響的研究鮮有報(bào)道；在黑土區(qū)還田秸稈的C、N含量與土壤微生物間的關(guān)系尚不明確。因此文章通過玉米、大豆不同植株部位秸稈還田的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了不同類型秸稈還田對(duì)黑土微生物數(shù)量和活性的影響，為探明秸稈的C、N含量與微生物的關(guān)系及如何提高秸稈還田的碳固存效果提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 土壤與秸稈

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的土壤采自于吉林省德惠市米沙子鄉(xiāng)(中心位置為44°12′N，125°33′E)中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)示范基地的玉米連作地表層(0～10 cm)。該土壤類型為典型中層黑土，壤質(zhì)黏土[16]。采集土壤風(fēng)干后使用電位法(土水比1∶4)測(cè)得土壤pH為5.40；樣品過100目篩用FlashEATM1112元素分析儀測(cè)得土壤全碳含量為17.6 g·kg-1，全氮含量為1.7 g·kg-1。鮮土過2.5 mm篩，在4℃保鮮冰箱中保存，后與秸稈混合進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

玉米和大豆秸稈均于2013年10月采自中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)春綜合農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站。玉米品種為先玉335(Zea mays)，大豆品種是吉育47(Glycine max)，采樣時(shí)玉米和大豆均已經(jīng)完全成熟。將采集的玉米秸稈分成根、莖下部(3節(jié)以下)、莖中間部分、莖頂部(7節(jié)以上)、葉5部分，其中莖中間部分未進(jìn)行培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。采集的大豆秸稈分成根、莖、葉3部分。將上述秸稈裝入牛皮紙袋中在60℃條件下烘干至恒重，然后用粉碎機(jī)粉碎。利用FlashEATM1112元素分析儀測(cè)定的各類型秸稈的全碳、全氮含量。秸稈的全碳、全氮含量及碳氮比見表1。

1.2 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。分別稱取烘干粉碎后的玉米根、莖下部、莖頂部、葉，大豆根、莖、葉1.5 g與相當(dāng)于烘干土150 g的鮮土進(jìn)行充分混合，然后置于500 ml廣口瓶中進(jìn)行調(diào)節(jié)土壤含水量至60%的孔隙含水率，然后用保鮮膜將廣口瓶瓶口封住，并用注射器針頭扎若干細(xì)孔保證土壤含水量和培養(yǎng)瓶中的氧氣濃度。將處理好的廣口瓶置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，每2 d進(jìn)行稱重補(bǔ)水。在培養(yǎng)的61 d對(duì)培養(yǎng)土壤的微生物呼吸速率進(jìn)行測(cè)定，然后破壞性取樣測(cè)定土壤的微生物量碳、氮和礦質(zhì)態(tài)氮濃度。

表1 玉米、大豆不同部位全碳、全氮含量及碳氮比Tab.1 Total carbon,total nitrogen and C/N in different part of corn and soybean residues

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)測(cè)定。采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，島津TOC-VCPH分析儀測(cè)定提取液中的碳、氮含量[17]。根據(jù)熏蒸和未熏蒸處理的提取液中有機(jī)碳之差除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.38為MBC[18]，根據(jù)熏蒸和未熏蒸處理的提取液中全氮之差除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45為MBN[19]。

1.3.2土壤微生物呼吸速率的測(cè)定與計(jì)算。利用LI-820 CO2紅外氣體分析儀，根據(jù)封閉動(dòng)態(tài)箱原理對(duì)土壤CO2排放速率進(jìn)行測(cè)定計(jì)算[20]。將廣口瓶、LI-820構(gòu)建成封閉動(dòng)態(tài)體系，并對(duì)封閉動(dòng)態(tài)體系內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)定。將測(cè)定的CO2濃度與測(cè)定時(shí)間進(jìn)行線性回歸，計(jì)算出封閉動(dòng)態(tài)體系內(nèi)CO2濃度的增加速率a。CO2排放速率根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中：F——培養(yǎng)物質(zhì)的CO2產(chǎn)生速率，單位是mol·(g·s)-1；Vm——CO2摩爾體積；M——培養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量；V——封閉動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的體積。實(shí)驗(yàn)采用室內(nèi)培養(yǎng)法測(cè)定土壤呼吸速率，所測(cè)定的土壤CO2排放速率，主要來自于土壤微生物呼吸。

土壤微生物呼吸熵：

qCO2=CO2-C/MBC

式中：CO2-C——單位時(shí)間內(nèi)土壤微生物呼吸釋放的碳量[21]。

1.3.3土壤礦質(zhì)態(tài)氮濃度測(cè)定。土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮使用0.5 M的K2SO4(土壤、溶液的比值為1∶4)浸提，用島津TOC-VCPH分析儀測(cè)定浸提液中的總氮含量。由于浸提液中的氮素主要是無機(jī)氮形態(tài)，有機(jī)氮的含量較少。因此，測(cè)定的結(jié)果可以基本反映出土壤中礦質(zhì)態(tài)氮總體含量的高低。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2013進(jìn)行平均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，使用SAS 9.3 PROC組塊的GLM過程對(duì)不同處理的進(jìn)行單因素方差分析，不同變量間采用Pearson相關(guān)性分析，使用SigmaPlot 10.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈添加下的土壤微生物生物量和礦質(zhì)態(tài)氮含量

在進(jìn)行恒溫培養(yǎng)60 d后，添加秸稈對(duì)土壤的微生物生物量和礦質(zhì)態(tài)氮濃度產(chǎn)生了顯著影響，且不同類型秸稈的影響效果不一致，見表2。添加秸稈的土壤MBC是空白處理的1.76倍～2.63倍，并存在顯著性差異(p<0.05)。不同秸稈添加處理中，B3的土壤MBC最小，其數(shù)值比B1、A2、B2、A4、A3、A1分別小33.1%、28.6%、25.3%、23.3%、17.4%、14.34%。不同類型秸稈添加下的土壤MBC含量差別明顯。和MBC類似，添加秸稈使土壤微生物量氮顯著增加，其數(shù)值是空白處理的1.48倍～ 3.99倍。不同秸稈添加處理中，B3的微生物量氮最小，其數(shù)值分別比A2、A4、B1、A1、A3、B2小62.8%、62.2%、59.9%、50.4%、48.1%、41.7%。不同類型秸稈添加的土壤MBN含量差別明顯。除大豆葉和大豆莖外，不同類型秸稈添加的MBC/MBN差異不明顯。大豆葉的MBC/MBN顯著大于空白處理，而大豆莖的MBC/MBN則比空白小10%(p>0.05)。其它秸稈添加處理的土壤MBC/MBN范圍是6.3 ～ 8，顯著小于空白處理的土壤。

與土壤微生物生物量不同的是，秸稈添加處理使土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著下降，見表2。除大豆葉的礦質(zhì)態(tài)氮含量比空白高15.4%外，其它類型秸稈的礦質(zhì)態(tài)氮含量均顯著小于空白土壤。玉米莖頂部、大豆根、大豆莖的礦質(zhì)態(tài)氮含量均在8.4 mg·kg-1左右，而玉米根、玉米葉、玉米莖下部則分別比它們高109.5%、84.3%、29.8%，并存在顯著性差異(p<0.05)。

表2 不同秸稈添加的土壤微生物量和礦質(zhì)態(tài)氮含量(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.2 The concentration of soil microbial biomass and mineral N in soil the soil amended with different crop residue samples(mean ± SD)

2.2 不同秸稈添加下的土壤微生物呼吸速率和呼吸熵

在進(jìn)行恒溫培養(yǎng)60 d后，不同秸稈添加下的微生物呼吸速率和呼吸熵的大小表現(xiàn)基本一致，見圖1。添加秸稈的土壤微生物呼吸速率和呼吸熵分別是空白處理的2.34倍～12.88倍、1.3倍～5.51倍，均顯著大于空白處理的土壤(p<0.05)。不同秸稈添加處理中，B2的呼吸速率和呼吸熵是最大的。B1、B2的呼吸速率和呼吸熵均顯著大于其它類型的秸稈添加處理(p<0.05)。A2、A3、A4的微生物呼吸速率和呼吸熵的大小基本一致，呼吸速率分別比B1、B2小38%、57%左右，呼吸熵分別比B1、B2小30%、60%左右。A1、B3的呼吸速率和呼吸熵大小基本一致，呼吸速率比A2、A3、A4小45%左右，呼吸熵比A2、A3、A4小28%左右，并且存在顯著性差異(p<0.05)。

圖1 不同秸稈添加下的土壤微生物呼吸速率和呼吸熵Fig.1 Microbial respiration and metabolic quotient in soil the soil amended with different crop residue samples注：CK，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3分別代表空白、玉米根、玉米莖下部、玉米莖頂部、玉米葉，大豆根、大豆莖、大豆葉

2.3 秸稈碳氮含量、土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量與微生物之間的相關(guān)關(guān)系

土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量與秸稈C/N、MBN、微生物呼吸速率有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與秸稈含氮量、MBC/MBN有顯著的正相關(guān)關(guān)系，見表3。秸稈含碳量與MBC、MBN、MBC/MBN、微生物呼吸速率、呼吸熵之間均有顯著的相關(guān)關(guān)系，秸稈含碳量與土壤礦質(zhì)氮含量之間有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。秸稈含氮量與土壤的微生物呼吸速率之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與MBC之間也有較為明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。微生物的呼吸速率、呼吸熵與MBC、MBN之間的相關(guān)性不明顯。但是微生物呼吸速率與呼吸熵之間有極為顯著的相關(guān)性。

表3秸稈碳氮含量、土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量與微生物之間的相關(guān)系數(shù)
Tab.3 The correlation coefficient between the C and N concentration of residues and the mineral N concentration,microbial of soil amended with different crop residue samples

MBCMBNMBC/MBN微生物呼吸速率Microbial respiration rate微生物呼吸熵Microbial metabolic quotient土壤礦質(zhì)態(tài)氮Mineral N秸稈C/NC/N of residues0.31*0.14-0.210.48**0.48**-0.70**秸稈含碳量Carbon concentration0.70**0.69**-0.63**0.59**0.51**-0.98**秸稈含氮量Nitrogen concentration-0.49**-0.35**0.38**-0.59**-0.55**0.86**土壤礦質(zhì)氮Mineral N-0.47**-0.69**0.68**-0.54**-0.47**—微生物呼吸速率Microbial respiration rate0.46**0.12-0.06—0.97**-0.54**微生物呼吸熵Microbial metabolic quotient0.250.01-0.030.97**—-0.47

注：*和**分別表示相關(guān)性達(dá)0.05和0.01顯著水平。

3 討 論

研究結(jié)果顯示，不同類型秸稈還田對(duì)黑土的微生物生物量和礦質(zhì)態(tài)氮含量產(chǎn)生明顯影響。所有秸稈添加處理的土壤MBC、MBN均顯著大于CK；除B3外，其它處理的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量則顯著小于CK；不同類型秸稈添加下的土壤微生物量和礦質(zhì)態(tài)氮濃度差異明顯。這可能和秸稈的C、N含量密切相關(guān)。相關(guān)性分析顯示，秸稈含碳量與土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與MBC、MBN有顯著的正相關(guān)關(guān)系；秸稈含氮量與土壤MBC之間有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量與土壤MBN之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。因?yàn)樘砑咏斩捊o土壤中微生物提供了物質(zhì)和能源，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖[22]。氮素是微生物生長(zhǎng)繁殖的必須元素，當(dāng)秸稈中的氮素不能滿足微生物的生長(zhǎng)繁殖和分解植物殘?bào)w的需要時(shí)，微生物就會(huì)從土壤中吸收礦質(zhì)態(tài)氮，從而使土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮含量下降[23]。秸稈含氮量與MBC之間關(guān)系和Gul等的研究結(jié)果不一致[24]。這可能是因?yàn)椋扛?、C/N低的秸稈在還田早期會(huì)有更利于土壤中微生物的生長(zhǎng)繁殖，并加快秸稈的分解[25]，在還田分解后期秸稈中的有機(jī)物質(zhì)減少，不利于保持較高的微生物生物量[26]。另一方面，土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮的含量受到土壤中微生物的同化固定和秸稈的礦化作用的共同影響[27]。不同類型秸稈的含氮量、C/N存在差異。因此它們還田后土壤微生物對(duì)氮素的同化固定作用和礦化作用也不同，從而導(dǎo)致土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮含量存在差異。而B3的礦質(zhì)態(tài)氮含量增加是因?yàn)榇蠖谷~的C/N較小，秸稈中的氮素能夠滿足微生物的生長(zhǎng)繁殖和分解秸稈需要，并礦化釋放進(jìn)入土壤。

一般情況下細(xì)菌碳氮比在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，而真菌在10∶1左右[28-29]，因此，土壤微生物量碳氮比(MBC/MBN)可反映微生物的種群結(jié)構(gòu)信息[28]。除大豆葉外，添加秸稈的土壤MBC/MBN顯著小于空白土壤。這說明秸稈還田主要是促進(jìn)了土壤中的C/N較低的細(xì)菌、放線菌的繁殖，真菌的繁殖相對(duì)緩慢。而大豆葉、大豆莖的土壤MBC/MBN較大，可能是因?yàn)樗鼈冊(cè)谶€田培養(yǎng)的60多d的時(shí)間內(nèi)有比較大的分解率(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。在秸稈分解的后期，由于秸稈中的易分解物質(zhì)減少，難分解的化合物不斷堆積，C/N改變，容易被微生物利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少[26]，從而使分解秸稈的土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤中的真菌比例開始增加[30]。但是土壤微生物的MBC/MBN，只能大致反映土壤中微生物種群結(jié)構(gòu)的變化，需要磷脂脂肪酸法等更為先進(jìn)的方法才可以準(zhǔn)確判斷出土壤中微生物種群結(jié)構(gòu)特征的變化。

秸稈添加使土壤的微生物呼吸速率和呼吸熵顯著提高，是因?yàn)榻斩掃M(jìn)入土壤后促進(jìn)土壤中微生物生長(zhǎng)繁殖的同時(shí)，也提高了微生物的活性，使土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速率加快[31]。不同類型秸稈添加下的土壤微生物呼吸速率、呼吸熵的差異顯著，并與秸稈含氮量有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)楹枯^多的秸稈在前期已經(jīng)有了較高的分解率(數(shù)據(jù)未發(fā)表)，在后期秸稈中易分解的有機(jī)物質(zhì)較少，從而使微生物分解有機(jī)物質(zhì)的難度增加，微生物的呼吸速率、呼吸熵降低。不同類型秸稈添加下土壤的微生物呼吸速率和微生物呼吸熵的大小表現(xiàn)基本一致，且兩者之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，但是微生物呼吸與土壤MBC、MBN之間的相關(guān)關(guān)系不顯著。這說明秸稈還田主要是通過影響黑土微生物的活性來影響微生物的呼吸速率和秸稈分解礦化的，微生物生物量差異對(duì)秸稈分解、微生物呼吸速率的影響較小。

由于微生物是保護(hù)土壤有機(jī)碳的一種形式[32]，而秸稈中的碳素主要是通過微生物呼吸的形式從土壤中釋放出來[33]，因此微生物生物量大，呼吸熵小的土壤更有利于秸稈還田的碳固存。研究發(fā)現(xiàn)不同類型秸稈添加下的土壤微生物生物量的差別不大，但是大豆根、大豆莖在前期有更大的CO2累積排放量(數(shù)據(jù)未發(fā)表)，且它們的土壤微生物呼吸速率、呼吸熵是玉米秸稈的2倍左右。這說明玉米秸稈還田的碳固存效果比大豆秸稈好，實(shí)施玉米秸稈還田可能更有利于黑土有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加。但是實(shí)施玉米秸稈還田是否真的有利于黑土有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加，則需要進(jìn)一步的野外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

不同類型秸稈還田對(duì)黑土微生物生物量、呼吸熵有顯著影響。含氮量高的秸稈不利于還田后期微生物生物量、微生物呼吸速率及活性的保持。秸稈還田促進(jìn)了細(xì)菌、放線菌等C/N較低的微生物生長(zhǎng)繁殖，使土壤的MBC/MBN顯著降低。黑土微生物的活性對(duì)微生物的呼吸速率和秸稈分解礦化有很大影響，而微生物生物量對(duì)秸稈分解、微生物呼吸速率的影響很小。

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