秸稈施用和作物種植對土壤團(tuán)聚體和微生物群落組成的影響

李增強(qiáng)，李丹丹，趙炳梓*，張佳寶

（1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室，南京 210008；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

秸稈施用和作物種植對土壤團(tuán)聚體和微生物群落組成的影響

李增強(qiáng)1，2，李丹丹1，趙炳梓1*，張佳寶1

（1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室，南京 210008；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

利用溫室盆栽試驗研究秸稈施用、作物種植以及兩者的交互作用對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性以及微生物群落組成的影響。結(jié)果顯示，秸稈施用對小麥生物量無顯著影響；與對照相比，秸稈施用或作物種植均顯著增加了＞0.25 mm粒徑團(tuán)聚體數(shù)量以及團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）；秸稈施用處理較對照處理顯著增加多糖含量；秸稈施用配合作物種植處理較秸稈施用和作物種植處理進(jìn)一步增加了＞2 mm和1～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體數(shù)量、團(tuán)聚體MWD和GMD以及多糖含量；秸稈施用處理與對照處理具有相似的磷脂脂肪酸（PLFA）含量和微生物群落組成，作物種植處理較對照處理顯著增加叢枝真菌含量，對照和秸稈施用處理的微生物群落組成不同于作物種植和秸稈施用配合作物種植處理。增加土壤水分顯著增加了小麥生物量、土壤團(tuán)聚體MWD和GMD以及PLFA含量。相關(guān)分析表明多糖和叢枝真菌含量均與＞0.25 mm粒徑團(tuán)聚體數(shù)量以及團(tuán)聚體MWD和GMD存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

秸稈施用；作物種植；土壤團(tuán)聚體；微生物群落組成；土壤水分

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位，是土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的貯存庫，為各種土壤生物提供了各自所需的生境[1]。不同粒徑土壤團(tuán)聚體的數(shù)量分布和空間排列方式?jīng)Q定了土壤中氣體和水分的流動過程，進(jìn)而影響土壤生物活性和物質(zhì)循環(huán)過程[2]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是反映土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，與土壤抗侵蝕能力有密切關(guān)系[3]。秸稈還田是國內(nèi)大力推廣的一種耕作方式，研究表明秸稈還田能夠顯著影響土壤團(tuán)聚體的數(shù)量分布和穩(wěn)定性[4-7]。目前關(guān)于秸稈還田對土壤團(tuán)聚體影響的研究主要集中在秸稈還田的數(shù)量和方式[4-6]，秸稈種類[7-8]，秸稈還田配合施肥、耕作等田間管理措施[9-10]，大部分相關(guān)試驗為田間試驗或室內(nèi)培養(yǎng)試驗，兩者均忽略了作物生長對團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定的影響。秦瑞杰等[11]發(fā)現(xiàn)種植冰草和紫花苜蓿能夠增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，而種植高羊茅則對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性無顯著影響。宋日等[12]發(fā)現(xiàn)將玉米和大豆的根系分泌物加入到土壤中能夠顯著增加大團(tuán)聚體（＞1 mm）比例，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。因此，明確秸稈施用條件下作物種植對土壤團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定的影響，研究兩者的交互作用，對于更好的評價秸稈還田的效果具有重要意義。

土壤微生物能夠參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動，在土壤肥力形成和發(fā)展的許多方面起著關(guān)鍵作用[13]。土壤微生物也是參與土壤團(tuán)聚體形成的重要因素[14]，研究表明真菌能夠通過分泌物的粘結(jié)和菌絲網(wǎng)絡(luò)的纏繞作用促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，增加其穩(wěn)定性[3]。秸稈還田、作物種植以及土壤水分等管理措施均能夠顯著影響微生物生物量及其群落結(jié)構(gòu)[15-17]。目前磷脂脂肪酸（PLFA）分析常被用于土壤微生物的研究[18-19]。PLFA是微生物細(xì)胞膜的重要成分之一，不同微生物的PLFA組成與結(jié)構(gòu)各異，因此通過對PLFA的定量測定可以揭示微生物特定群落生物量以及群落組成[18]。本文通過開展溫室盆栽試驗，研究秸稈施用、作物種植以及兩者的交互作用對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性以及微生物群落組成的影響，探討不同管理措施下土壤團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定的影響因素，為提高土壤生產(chǎn)力及保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤于2007年9月采集自中國科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)國家實驗站（114°24′E，35°00′N）。該實驗站位于河南省封丘縣潘店鎮(zhèn)，當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)儆诒迸瘻貛О敫珊敌图撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.9℃，年降雨量為615 mm。當(dāng)?shù)胤N植制度為冬小麥-夏玉米輪作，土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤類型為潮土[干潤沖積新成土，中國土壤系統(tǒng)分類檢索（2001）]。采集表層（0～20 cm）土壤樣品，避光風(fēng)干，過8 mm篩，備用。實驗開始前土壤基本理化性質(zhì)：有機(jī)碳8.50 g·kg-1，全氮0.64 g· kg-1，速效氮27.63 mg·kg-1，速效磷20.14 mg·kg-1，速效鉀86.13 g·kg-1，pH 8.23。玉米秸稈來自以前的盆栽試驗所保留的地上部全株秸稈，品種為鄭單958，其基本化學(xué)性質(zhì)：總碳439.14 g·kg-1，總氮22.83 g·kg-1，總磷1.68 g·kg-1，總鉀7.85 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗在中國科學(xué)院南京土壤研究所溫室進(jìn)行，于2012年11月開始到2013年5月結(jié)束（共180 d）。實驗共分4個處理：不種作物，不添加玉米秸稈（CON）；不種作物，添加玉米秸稈（SR）；作物（小麥）種植，不添加玉米秸稈（CP）；作物種植，添加秸稈（SRCP）。每個處理分別設(shè)置40%（W40）和80%（W80）田間持水量。每個處理重復(fù)3次，共計24盆。每盆（直徑23 cm，高25 cm）裝填6 kg風(fēng)干土，每個處理均施用氮、磷、鉀肥（分別以分析純的尿素作氮肥，重過磷酸鈣作磷肥，硫酸鉀作鉀肥，用量為150 mg N·kg-1，110 mg P2O5·kg-1，82.5 mg K2O·kg-1），以保證小麥的正常生長。對于添加玉米秸稈處理，12 g烘干的粉碎玉米秸稈（過1 mm篩）加入土壤中，肥料和秸稈均于播種前與土壤充分混合。對于種植作物處理，每盆播種30粒小麥（品種選擇矮抗58），出苗后保留15棵生長健壯的麥苗。試驗過程中每天采用高精度磅秤稱重，并用蒸餾水補(bǔ)充損失的水分至40%和80%田間持水量。除下雨天外，所有處理均在室外。

1.3 樣品測定

小麥?zhǔn)斋@后，按不同器官將小麥分開烘干、稱重、計算生物量。同時取原狀土樣和混合土樣，其中原狀土樣風(fēng)干后用于測定團(tuán)聚體組成，混合土樣一部分風(fēng)干后用于測定土壤多糖和球囊霉素含量，另一部分保存于-20℃冰箱中用于測定土壤微生物學(xué)性質(zhì)。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定按照Elliott[20]的方法進(jìn)行。稱取20 g風(fēng)干原狀土樣放在團(tuán)聚體分析套篩（孔徑依次為2、1、0.5、0.25、0.053 mm）上，利用自制振蕩儀上下振蕩2 min。收集殘留在篩上的土壤，60℃烘干、稱重，計算水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性用團(tuán)聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）和幾何平均直徑（Geometry Mean Diameter，GMD）表示，其相應(yīng)的計算公式如下：

式中：Ri為某級別團(tuán)聚體平均直徑；Wi為該級別團(tuán)聚體干重。

土壤多糖按照Puget等[21]的方法測定。在80℃恒溫水浴鍋中提取24 h，離心獲取土壤上清液。采用苯酚-濃硫酸比色法測定上清液中的多糖，以葡萄糖溶液作為標(biāo)準(zhǔn)曲線計算多糖含量。

球囊霉素采用改良的Wright等[22]方法測定。風(fēng)干土樣采用檸檬酸鹽緩沖液提取多次，直至上清液無紅棕色為止；將數(shù)次的提取液合并，高速離心去除土壤顆粒；吸取上清液加入三氯乙酸溶液，離心移除上清液；加入0.1 mol·L-1NaOH溶液將沉淀全部溶解；將溶液轉(zhuǎn)入透析袋中，透析8 h以上，在此期間多次更換透析液，吸取透析后的溶液，加入預(yù)處理過的考馬斯亮藍(lán)溶液，比色。以牛血清蛋白（ABS）作為標(biāo)準(zhǔn)曲線計算土壤中球囊霉素含量。

PLFA采用Frosteg?rd等[19]方法測定。用修正的Bligh和Dyer提取液（檸檬酸緩沖液∶甲醇∶氯仿體積比為0.8∶2∶1）振蕩提取磷脂，提取兩次。合并兩次提取液中的氯仿部分，氮?dú)獯蹈?；用氯仿溶解氮?dú)飧稍锏臉悠?，轉(zhuǎn)移至硅膠柱中，依次采用氯仿、丙酮和甲醇洗脫硅膠柱，收集甲醇相，氮?dú)獯蹈?；得到的磷脂用氫氧化?甲醇溶液皂化，然后氮?dú)獯蹈桑?20℃冷凍保存。用正己烷將樣品溶出，用Agilent 6850氣相色譜儀測定。色譜峰鑒定及峰面積計算采用MIDI軟件。所用的溶劑均為色譜純。

脂肪酸分子式以“X：YωZ（c/t）”表示，其中“X”代表脂肪酸分子的碳原子總數(shù)，“Y”代表不飽和烯鍵的數(shù)目，“ω”代表烯鍵距離羧基的位置，“Z”為烯鍵或環(huán)丙烷鏈的位置；前綴“i”（iso）代表異構(gòu)甲基支鏈（距甲基端的第二個碳原子），“a”（anteiso）代表前異構(gòu)甲基支鏈（距甲基端的第三個碳原子），“cy”代表環(huán)丙基支鏈，后綴“c”和“t”分別代表順式和反式同分異構(gòu)體。所有PLFA單體的總量表示群落微生物生物量，微生物群落脂肪酸標(biāo)志物的選擇按照Frosteg?rd等[19]方法進(jìn)行，選擇i14：0、14：0、i15：0、a15：0、16：0、i16：0、17：0、i17：0、a17：0、18：0、16：1ω7c、cy17：0、17：1ω8c、18：1ω7c、16：0 2OH、cy19：0、20：0和18：1ω9c作為細(xì)菌特征脂肪酸，革蘭氏陽性菌（G+）特征脂肪酸選擇i14：0、i15：0、a15：0、i17：0、a17：0、i16：0，革蘭氏陰性菌（G-）的特征脂肪酸選擇16：0 2OH、16：1ω7c、17：1ω8c、18：1ω7c、cy17：0、cy19：0、18：1ω9c，真菌選擇16：1ω5c 和18：2ω6，9c作為特征脂肪酸，其中16：1ω5c作為叢枝真菌特征脂肪酸，10me16：0、10me17：0和10me18：0作為放線菌特征脂肪酸。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究所列結(jié)果為3次重復(fù)測定值的平均值，所有結(jié)果均以烘干土重為基礎(chǔ)（105℃，24 h），采用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行多因素方差分析和相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)分析前均進(jìn)行了Shapiro-Wilk正態(tài)分布和levene方差齊質(zhì)性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥生物量

由圖1可知，秸稈施用對小麥根、莖葉、籽粒及總生物量無顯著影響（P＞0.05）。W80處理的小麥根、莖葉、籽粒和總生物量分別比W40處理高20%、43%、56%和48%，兩處理間差異顯著（P＜0.05）。秸稈施用和水分的交互作用對小麥根、莖葉、籽粒及總生物量無顯著影響（P＞0.05）。

圖1 不同處理的小麥根、莖葉、籽粒以及總生物量Figure 1 The wheat root，straw，grain and total biomass in different treatments

2.2 不同粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性

不同處理及土壤水分對團(tuán)聚體的影響如表1所示。與CON處理相比，SR、CP和SRCP處理分別顯著增加了＞2、2～1、1～0.5、0.5～0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量（P＜0.05），其中SR處理分別增加47%、11%、17%和26%，CP處理分別增加59%、24%、24%和21%，SRCP處理分別增加106%、21%、36%和16%。然而SR、CP和SRCP處理的0.25～0.053 mm和＜0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量均顯著低于CON處理（P＜0.05）。W80處理的＞2、2～1、0.5～0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量分別比W40處理高17%、8%和11%，兩處理間差異顯著（P＜0.05）。W80處理的＜0.053 mm粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量顯著低于W40處理（P＜0.05）。

與CON處理相比，SR、CP和SRCP處理均顯著增加了團(tuán)聚體MWD和GMD（P＜0.05），其中SR處理分別增加了18%和17%，CP處理分別增加了22%和22%，SRCP處理分別增加了33%和30%。W80處理的MWD和GMD分別比W40處理高6%和8%，兩處理間差異顯著（P＜0.05）。處理和水分的交互效應(yīng)對不同粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量、MWD和GMD均無顯著影響（P＞0.05）。

2.3 土壤多糖和球囊霉素

由表2可知，SR、CP和SRCP處理的多糖含量分別比CON處理增加了22%、9%和35%，其中SR和SRCP處理顯著高于CON處理（P＜0.05），而CP處理與CON處理間無顯著差異（P＞0.05）。W80處理的多糖含量比W40處理高19%，兩處理間差異顯著（P＜0.05）。不同處理對球囊霉素含量無顯著影響（P＞0.05），W80 和W40處理的球囊霉素含量無顯著差異（P＞0.05）。處理和水分的交互效應(yīng)對多糖和球囊霉素含量均無顯著影響（P＞0.05）。

表1 不同處理的不同粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量及團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑Table 1 The amount of different particle size soil aggregates and aggregate mean weight diameter and geometry mean diameter in different treatments

表2 不同處理的土壤多糖和球囊霉素含量（mg·kg-1）Table 2 The content of soil polysaccharides and glomalin in different treatments（mg·kg-1）

2.4 土壤微生物群落

如表3所示，CON和SR處理的PLFA含量無顯著差異（P＞0.05）。與CON處理相比，CP和SRCP處理均顯著增加了革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、細(xì)菌、叢枝真菌、放線菌和總PLFA含量（P＜0.05），其中CP處理分別增加36%、36%、23%、50%、30%和25%，SRCP處理分別增加39%、43%、29%、63%、33%和30%。CP 和CON處理的真菌含量無顯著差異（P＞0.05），而SRCP處理的真菌含量顯著高于CON處理（P＜0.05）。不同處理對革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌（G+/G-）無顯著影響（P＞0.05）。SR處理的真菌/細(xì)菌（F/B）與CON處理無顯著差異（P＞0.05），而兩處理的F/B值均顯著低于CP和SRCP處理（P＜0.05）。

W80處理的革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、細(xì)菌、叢枝真菌、真菌、放線菌和總PLFA含量分別比W40處理高23%、23%、22%、22%、29%、25%和23%，兩處理間差異顯著（P＜0.05）。然而，W80和W40處理的G+/G-和F/B均無顯著差異（P＞0.05）。處理和水分的交互作用對PLFA含量和PLFA比例均無顯著影響（P＞0.05）。

基于23種PLFA的主成分分析發(fā)現(xiàn)，主成分1 （PC1）和主成分2（PC2）分別解釋了65.5%和13.7%的變量（圖2）。CP和SRCP處理均位于PC1的右半軸，而CON和SR處理均位于PC1的左半軸，表明作物種植顯著改變了微生物群落組成。PC2主要體現(xiàn)了不同土壤水分對微生物群落組成的影響。18：1ω7c、16：02OH、16：1ω5c、18：1ω9c、cy19：0、10me18：0、17：0、14：0和16：0在PC1上載荷值的絕對值較高，是影響PC1區(qū)分度的主要PLFA；而i16：0、a17：0、i17：0、18：2ω6，9c和17：1ω8c在PC2上載荷值的絕對值較高，是影響PC2區(qū)分度的主要PLFA。

2.5 相關(guān)分析

由表4可知，不同粒徑大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），并且MWD和GMD均與不同粒徑大團(tuán)聚體存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；多糖和叢枝真菌含量與各粒徑大團(tuán)聚體及MWD和GMD之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；球囊霉素含量與＞0.5 mm粒徑團(tuán)聚體及MWD和GMD之間也存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表3 不同處理的微生物群落PLFA含量以及PLFA比例Table 3 The microbial community PLFA content and ratio of PLFA in different treatments

圖2 不同處理的PLFA主成分分析（A）及PLFA載荷值（B）Figure 2 Principal component analysis of PLFA in different treatments（A）and loading value of PLFA（B）

3 討論

3.1 處理效應(yīng)

已有研究表明，秸稈還田能夠增加土壤養(yǎng)分含量和有效性，改善土壤物理性狀和水分條件，從而導(dǎo)致小麥生物量和產(chǎn)量的增加[23]，然而也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田對小麥生物量和產(chǎn)量無顯著影響[24-25]。黃婷苗等[26]利用陜西關(guān)中平原的兩年田間定位試驗發(fā)現(xiàn)，與玉米秸稈不還田相比，秸稈還田對小麥生物量和產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)出低施氮量降低，高施氮量增加的趨勢。在本試驗條件下秸稈施用對小麥根、莖葉、籽粒和總生物量無顯著影響，與Mupangwa等[24]研究結(jié)果一致。一方面這可能是因為本試驗僅進(jìn)行了一季，時間較短，秸稈施用對土壤性質(zhì)的改良效果還未體現(xiàn)在生物量和產(chǎn)量方面；另一方面可能是因為秸稈施用對小麥生物量和產(chǎn)量的影響也受到其他因素的制約，從而造成本試驗條件下秸稈施用對小麥生物量和產(chǎn)量無顯著影響。

本研究結(jié)果表明秸稈施用或作物種植均能顯著增加大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）數(shù)量，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，與秦瑞杰等[11]、張鵬等[4]的研究結(jié)果相同。已有的研究認(rèn)為土壤多糖和球囊霉素是土壤團(tuán)聚體的重要膠結(jié)物質(zhì)，對于大團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定起著重要作用[21-22]。多糖主要來源于土壤微生物以及外源有機(jī)物質(zhì)的分解過程[27]，對土壤顆粒有很強(qiáng)的黏著力，能夠黏著于土壤黏粒表面并填充于土壤孔隙表面，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[28]。本研究結(jié)果也表明秸稈施用較對照處理顯著增加了土壤多糖含量（表2），從而有利于大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。相關(guān)分析進(jìn)一步表明土壤多糖含量與大團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性存在顯著正相關(guān)關(guān)系（表4）。然而，作物種植與對照處理具有相似的多糖和球囊霉素含量（表2），表明在本試驗條件下作物種植可能通過其他途徑促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定。Bronick等[3]指出根系生長過程中能夠通過根系纏繞作用提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，本研究發(fā)現(xiàn)作物種植較對照處理顯著提高了叢枝真菌含量（表3）。先前的研究表明，叢枝真菌通過分泌物的粘結(jié)和菌絲網(wǎng)絡(luò)對土壤顆粒的纏繞作用，對大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定起著重要的作用[29]。相關(guān)分析也進(jìn)一步表明，叢枝真菌含量與大團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性存在顯著正相關(guān)關(guān)系（表4）。

表4 大團(tuán)聚體數(shù)量及團(tuán)聚體MWD和GMD與團(tuán)聚體影響因子的相關(guān)分析Table 4 Correlations between macro-aggregate amount，aggregate MWD and GMD and the influencing factor

另外，本研究發(fā)現(xiàn)SRCP處理較SR和CP處理顯著增加了＞2 mm和1～0.5 mm粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量以及團(tuán)聚體MWD和GMD，表明秸稈施用和作物種植對大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定產(chǎn)生正交互作用。先前研究表明秸稈還田條件下，作物種植或添加根系分泌物能夠顯著促進(jìn)秸稈的分解[30]。由于多糖能夠顯著影響土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[21]，本研究結(jié)果可能是因為作物種植促進(jìn)了秸稈的分解，導(dǎo)致更多的多糖進(jìn)入土壤（表2），從而提高了大團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性。

土壤微生物是土壤一系列生化過程的主要參與者，與土壤肥力的形成和發(fā)展有密切關(guān)系[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，CON和SR處理具有相似的PLFA含量，而CP 和SRCP處理較CON處理顯著增加了PLFA含量，表明本試驗條件下秸稈施用對土壤微生物數(shù)量影響較小，而作物種植是影響微生物數(shù)量的重要因素。Bird 等[15]發(fā)現(xiàn)與裸地相比，作物種植顯著增加了革蘭氏陰性菌含量，改變了微生物群落組成；Wang等[31]也發(fā)現(xiàn)秸稈還田對土壤PLFA含量影響不顯著；Soon等[32]在研究了秸稈翻壓和覆蓋還田對微生物群落的影響后也認(rèn)為，在植物生長過程中根系對微生物的影響顯著大于秸稈。與秸稈相比，根系分泌物主要由氨基酸、糖類等小分子有機(jī)物構(gòu)成，更容易被微生物利用[33]，從而有利于微生物的生長和繁殖。

真菌與細(xì)菌的比值（F/B）通常被用來表征微生物群落組成的變化[34]。本研究發(fā)現(xiàn)CON和SR處理具有相似的F/B，而CP和SRCP處理較CON和SR處理顯著增加了F/B，表明作物種植顯著改變了微生物群落組成。主成分分析也進(jìn)一步表明作物種植處理的微生物群落組成明顯不同于不種植處理。本研究結(jié)果與Bird等[15]、Yu等[34]研究結(jié)果相似。這可能與以下因素有關(guān)：首先，作物生長過程中會造成地表遮陰，降低土壤溫度，從而改變微生物群落組成[35]；其次，由于不同微生物群落對不同有機(jī)物質(zhì)的利用能力不同[36]，與秸稈或土壤有機(jī)質(zhì)相比，根系分泌物的輸入會造成微生物群落組成的改變；第三，作物生長需要從土壤中吸收大量的養(yǎng)分，造成土壤速效養(yǎng)分含量的降低，這也會導(dǎo)致微生物群落組成的改變[37]。

3.2 水分效應(yīng)

本研究表明增加土壤水分顯著增加了小麥根、莖葉、籽粒和總生物量，與呂麗華等[38]的研究結(jié)果相似。這主要是因為干旱脅迫會降低作物的光合速率以及同化物從營養(yǎng)器官向生殖器官的分配[38]。另外，增加土壤水分顯著增加了土壤大團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性。這可能與以下因素有關(guān)：首先增加土壤水分顯著增加了小麥根生物量（圖1），有利于根系對土壤顆粒的纏繞導(dǎo)致更多的根系分泌物進(jìn)入土壤中，從而有利于大團(tuán)聚體的形成；其次增加土壤水分能夠促進(jìn)秸稈及土壤有機(jī)質(zhì)的分解，增加多糖含量（表2），從而有利于大團(tuán)聚體的形成；第三，增加土壤水分顯著增加了土壤叢枝真菌含量（表3），從而促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成，提高了其穩(wěn)定性。

增加土壤水分顯著增加了微生物含量，但是土壤水分對微生物群落組成影響不顯著。在低水分條件下，微生物將會在其細(xì)胞內(nèi)積累大量的滲透物質(zhì)，避免細(xì)胞內(nèi)水分的流失[39]。這些滲透物質(zhì)的合成需要消耗大量的能量，導(dǎo)致更少的能量用于微生物的生長和繁殖，從而導(dǎo)致微生物數(shù)量降低。另外，Williams等[40]認(rèn)為明顯的微生物群落組成變化依賴于不同土壤含水量的長期累積效應(yīng)，由于本試驗僅持續(xù)了180 d，這種短期的水分效應(yīng)可能不足以引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的明顯變化。

4 結(jié)論

單獨(dú)秸稈施用或作物種植均能顯著增加＞0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體數(shù)量，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，并且秸稈施用配合作物種植能夠進(jìn)一步提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。單獨(dú)秸稈施用以及秸稈施用配合作物種植均顯著增加多糖含量，單獨(dú)作物種植以及秸稈施用配合作物種植均顯著增加叢枝真菌含量，多糖和叢枝真菌含量均與＞0.25 mm粒徑團(tuán)聚體數(shù)量以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在顯著正相關(guān)關(guān)系。作物種植改變了土壤微生物群落組成。增加土壤水分能夠顯著增加＞1 mm和0.5～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體數(shù)量、多糖含量以及微生物PLFA含量。

[1]Six J,Bossuyt B,Degryze H,et al.A history of research on the link between（micro）aggregates,soil biota,and soil organic matter dynamics[J]. Soil and Tillage Research,2004,78（1）：7-31.

[2]Dexter A R.Advances in characterization of soil structure[J].Soil and Tillage Research,1988,11（3/4）：199-238.

[3]Bronick C J,Lal R.Soil structure and management：A review[J].Geoderma,2005,124（1）：3-22.

[4]張鵬,賈志寬,王維,等.秸稈還田對寧南半干旱地區(qū)土壤團(tuán)聚體特征的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,45（8）：1513-1520.

ZHANG Peng,JIA Zhi-kuan,WANG Wei,et al.Effects of straw returning on characteristics of soil aggregates in semi-arid areas in southern Ningxia of China[J].Scientia Agricultura Sinica,2012,45（8）：1513-1520

[5]孫漢印,姬強(qiáng),王勇,等.不同秸稈還田模式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布及其氧化穩(wěn)定性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,31（2）：369-376.

SUN Han-yin,JI Qiang,WANG Yong,et al.The distribution of waterstable aggregate-associated organic carbon and its oxidation stability under different straw returning modes[J].Journal of Agro-Environment Science,2012,31（2）：369-376.

[6]王海霞,孫紅霞,韓清芳,等.免耕條件下秸稈覆蓋對旱地小麥田土壤團(tuán)聚體的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2012,23（4）：1025-1030.

WANG Hai-xia,SUN Hong-xia,HAN Qing-fang,et al.Effects of straw mulching on the soil aggregates in dryland wheat field under no-tillage [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23（4）：1025-1030.

[7]Gentile R,Vanlauwe B,Six J.Litter quality impacts short-but not longterm soil carbon dynamics in soil aggregate fractions[J].Ecological Applications,2011,21（3）：695-703.

[8]Le Guillou C,Angers D A,Leterme P,et al.Differential and successive effects of residue quality and soil mineral on water-stable aggregation during crop residue decomposition[J].Soil Biology and Biochemistry, 2011,43（9）：1955-1960.

[9]田慎重,王瑜,李娜,等.耕作方式和秸稈還田對華北地區(qū)農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2013,33（22）：7116-7124. TIAN Shen-zhong,WANG Yu,LI Na,et al.Effects of different tillage and straw systems on soil water-stable aggregate distribution and stability in the North China Plain[J].Acta Ecologica Sinica,2013,33（22）：7116-7124.

[10]李錄久,吳萍萍,耿言安,等.秸稈還田結(jié)合氮肥運(yùn)籌管理對白土稻田土壤理化性狀的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2016,22（5）：1259-1266.

LI Lu-jiu,WU Ping-ping,GENG Yan-an,et al.Effect of wheat straw addition with nitrogen application on physical-chemical properties of white paddy soil[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2016,22 （5）：1259-1266.

[11]秦瑞杰,鄭粉莉,盧嘉.草本植物生長發(fā)育對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響的試驗研究[J].水土保持研究,2011,18（3）：141-144. QIN Rui-jie,ZHENG Fen-li,LU Jia.The effect of herbaceous plant growthonthesoil aggregatestability[J].Researchof Soil and WaterConservation,2011,18（3）：141-144.

[12]宋日,劉利,馬麗艷,等.作物根系分泌物對土壤團(tuán)聚體大小及其穩(wěn)定性的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,32（3）：93-97.

SONG Ri,LIU Li,MA Li-yan,et al.Effect of crop root exudates on the size and stability of soil aggregate[J].Journal of Nanjing Agricultural University,2009,32（3）：93-97.

[13]Cusack D F,Firestone M K.Changes in microbial community characteristics and soil organic matter with nitrogen additions in two tropical forests[J].Ecology,2011,92（3）：621-632.

[14]Tisdall J M.Possible role of soil microorganisms in aggregation in soils [J].Plant and Soil,1994,159（1）：115-121.

[15]Bird J A,Herman D J,Firestone M K.Rhizosphere priming of soil organic matter by bacterial groups in a grassland soil[J].Soil Biology and Biochemistry,2011,43（4）：718-725.

[16]Guenet B,Lenhart K,Leloup J,et al.The impact of long-term CO2enrichment and moisture levels on soil microbial community structure and enzyme activities[J].Geoderma,2012,170（3）：331-336.

[17]Zhao S C,Li K J,Zhou W,et al.Changes in soil microbial community, enzyme activities and organic matter fractions under long-term straw return in north-central China[J].Agriculture Ecosystems and Environment,2016,216：82-88.

[18]顏慧,蔡祖聰,鐘文輝.磷脂脂肪酸分析方法及其在土壤微生物多樣性研究中的應(yīng)用[J].土壤學(xué)報,2006,43（5）：851-859.

YAN Hui,CAI Zu-cong,ZHONG Wen-hui.PLFA analysis and its applications in the study of soil microbial diversity[J].Acta Pedologica Sinica,2006,43（5）：851-859.

[19]Frosteg?rd A,Tunlid A,B??th E.Phospholipid fatty acid composition, biomass,and activity of microbial communities from two soil types experimentally exposed to different heavy metals[J].Applied Environmental Microbiology,1993,59（11）：3605-3617.

[20]Elliott E T.Aggregate structure and carbon,nitrogen,and phosphorus in native and cultivated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1986,50（3）：627-633.

[21]Puget P,Angers D A,Chenu C.Nature of carbohydrates associated with water-stable aggregates of two cultivated soils[J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31（1）：55-63.

[22]Wright S F,Upadhyaya A.Extraction of an abundant and unusual protein from soil and comparison with hyphal protein of arbuscular mycorrhizal fungi[J].Soil Science,1996,161（9）：575-586.

[23]張亮,黃婷苗,鄭險峰,等.施氮對秸稈還田冬小麥產(chǎn)量和水分利用率的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2013,41 （1）：49-54.

ZHANG Liang,HUANG Ting-miao,ZHENG Xian-feng,et al.Effect of nitrogen fertilizer on yield and water use efficiency of winter wheat planted in the croplands with straw returning[J].Journal of Northwest A&F University（Nat Sci Ed）,2013,41（1）：49-54.

[24]Mupangwa W,Tomlow S,Walker S,et al.Effect of minimum tillage and mulching on maize（Zea mays L.）yield and water content of clayey and sandy soils[J].Physics and Chemistry of the Earth,Parts A/B/C,2007, 32（15-18）：1127-1134.

[25]張傳輝,楊四軍,顧克軍,等.秸稈還田對小麥碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)和產(chǎn)量形成的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報,2013,28（6）：214-219.

ZHANG Chuan-hui,YANG Si-jun,GU Ke-jun,et al.Effect of strawreturning on carbon and nitrogen assimilate translocation and yield formation in wheat[J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2013,28（6）：214-219.

[26]黃婷苗,鄭險峰,侯仰毅,等.秸稈還田對冬小麥產(chǎn)量和氮、磷、鉀吸收利用的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2015,21（4）：853-863.

HUANG Ting-miao,ZHENG Xian-feng,HOU Yang-yi,et al.Yieldand N,P and K uptake and utilization of winter wheat affected by straw return to soil[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2015,21（4）：853-863.

[27]Kiem R,K?gel-Knabner I.Contribution of lignin and polysaccharides to the refractory carbon pool in C-depleted arable soils[J].Soil Biology and Biochemistry,2003,35（1）：101-118.

[28]Chaney K,Swift R S.Studies on aggregate stability：I.Re-formation of soil aggregates[J].Journal of Soil Science,1986,37（2）：329-335.

[29]Jastrow J D,Miller R M,Lussenhop J.Contributions of interacting biological mechanisms to soil aggregate stabilization in restored prairie[J]. Soil Biology and Biochemistry,1998,30（7）：905-916.

[30]De Graaff M A,Classen A T,Castro H F,et al.Labile soil carbon inputs mediate the soil microbial community composition and plant residue decomposition rates[J].New Phytologist,2010,188（4）：1055-1064.

[31]Wang J J,Li X Y,Zhu A N,et al.Effects of tillage and residue management on soil microbial communities in North China[J].Plant Soil and Environment,2012,58（1）：28-33.

[32]Soon Y K,Lupwayi N Z.Straw management in a cold semi-arid region：Impact on soil quality and crop productivity[J].Field Crops Research, 2012,139：39-46.

[33]Dennis P G,Miller A J,Hirsch P R.Are root exudates more important than other sources of rhizodeposits in structuring rhizosphere bacterial communities[J].FEMS Microbiology Ecology,2010,72（3）：313-327.

[34]Yu W T,Bi M L,Xu Y G,et al.Microbial biomass and community composition in a Luvisol soil as influenced by long-term land use and fertilization[J].Catena,2013,107（4）：89-95.

[35]Cookson W R,Osman M,Marschner P,et al.Controls on soil nitrogen cycling and microbial community composition across land use and incubation temperature[J].Soil Biology and Biochemistry,2007,39（3）：744-756.

[36]Paterson E,Osler G,Dawson L A,et al.Labile and recalcitrant plant fractions are utilised by distinct microbial communities in soil：Independent of the presence of roots and mycorrhizal fungi[J].Soil Biology and Biochemistry,2008,40（5）：1103-1113.

[37]de Vries F T,Hoffland E,van Eekeren N,et al.Fungal/bacterial ratios in grasslands with contrasting nitrogen management[J].Soil Biology and Biochemistry,2006,38（8）：2092-2103.

[38]呂麗華,胡玉昆,李雁鳴,等.灌水方式對不同小麥品種水分利用效率和產(chǎn)量的影響[J].麥類作物學(xué)報,2007,27（1）：88-92.

[39]Beales N.Adaptation of microorganisms to cold temperatures,weak acid preservatives,low pH,and osmotic stress：A review[J].Comprehensive Review in Food Science and Food Safety,2004,3（1）：1-20.

[40]Williams M A,Rice,C W.Seven years of enhanced water availability influences the physiological,structural,and functional attributes of a soil microbial community[J].Applied Soil Ecology,2007,35（3）：535-545.

Effects of straw application and crop planting on soil aggregates and microbial community composition

LI Zeng-qiang1,2,LI Dan-dan1,ZHAO Bing-zi1*,ZHANG Jia-bao1
（1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.Institute of Environment and Resource&Soil Fertilizers,Zhejiang Academy of Agricultural Sciences,Hangzhou 310021,China）

The effects of straw application,crop planting,and their interactions on the stability of soil aggregates and composition of soil microbial communities were studied in a greenhouse pot experiment.Four treatments were used in this experiment：（1）control（CON）,（2）no crop planting in soil with maize（Zea mays L.）straw application（SR）,（3）crop planting in soil without straw application（CP）,（4）straw application with crop planting（SRCP）.Each treatment included 40%（W40）and 80%（W80）field capacity.The results showed that straw application had no significant effects on wheat biomass.In comparison with CON treatment,SR or CP treatment significantly increased the amount of＞0.25 mm soil aggregates as well as aggregate mean weight diameter（MWD）and geometric mean diameter（GMD）.SR treatment had significantly higher soil polysaccharide content than CON treatment.SRCP treatment further increased the amounts of＞2 mm and 1～0.5 mm soil aggregates,aggregate MWD and GMD,and soil polysaccharide content compared with SR and CP treatments.No significant differ-ences in content of phospholipid fatty acids（PLFA）and microbial community composition were observed between CON and SR treatments. The CP treatment had significantly higher arbuscular mycorrhizal fungi content compared with CON treatment.Significantly different microbial community compositions were observed between crop planting（CP and SRCP）and non-planting（CON and SR）treatments.Increased soil water significantly increased wheat biomass,soil aggregate MWD and GMD,and PLFA content.Correlation analysis showed that there were significantly positive correlations between the amount of＞0.25 mm soil aggregates,soil aggregate MWD and GMD,and the contents of polysaccharides and arbuscular mycorrhizal fungi.Overall,the results indicated that increases in soil polysaccharides（in SR treatment）and arbuscular mycorrhizal fungi（in CP treatment）may contribute to increases in both the amount of macroaggregates and aggregate stability.

straw application;crop planting;soil aggregates;microbial community composition;soil water

S152.4

A

1672-2043（2017）08-1557-09

10.11654/jaes.2016-1658

2016-12-26

李增強(qiáng)（1987—），男，山東濰坊人，博士研究生，從事土壤生態(tài)方面研究。E-mail：lizengqiang789@163.com

*通信作者：趙炳梓E-mail：bzhao@issas.ac.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFD0200107，2016YFD0300802）；中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃（STS計劃）（KFJ-SW-STS-142-03）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-03）

Project supported：The National Key Research and Development Program（2016YFD0200107，2016YFD0300802）；The Science and Technology Service Network Initiative Program of Chinese Academy of Sciences（KFJ-SW-STS-142-03）；The Earmarked Fund for China Agriculture Research System（CARS-03）

李增強(qiáng)，李丹丹，趙炳梓，等.秸稈施用和作物種植對土壤團(tuán)聚體和微生物群落組成的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（8）：1557-1565.

LI Zeng-qiang,LI Dan-dan,ZHAO Bing-zi,et al.Effects of straw application and crop planting on soil aggregates and microbial community composition[J]. Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1557-1565.