高粱、玉米殘體的腐解特征及微生物群落結(jié)構(gòu)分析

樊芳芳，焦曉燕，劉佳琪，郭 珺，王勁松，武愛蓮，白文斌，平俊愛

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 高粱研究所，高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室，山西 晉中 030600；2.山西農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山西 太原 030031)

我國的秸稈年產(chǎn)量高達9.40×108t，占全球秸稈總量的1/4[1-2]；秸稈含有大量有機物質(zhì)和礦質(zhì)營養(yǎng)元素，例如高粱和玉米作物中鉀含量的80%殘留于秸稈[3]，秸稈還田可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效利用。秸稈在土壤中降解后，能為耕地提供有機質(zhì)、碳、氮、鉀等營養(yǎng)成分[4]，減少化肥用量并改善土壤性質(zhì)[5-6]，是發(fā)展有機旱作農(nóng)業(yè)的重要措施[7]。高粱是一種重要的旱地雜糧，具有多重抗逆性[8]，也是山西老陳醋和汾酒、貴州茅臺的主要釀造原料。高粱和玉米均為C4熱季作物[9]，具有相似的形態(tài)特征及田間操作技術(shù)，普遍認為，高粱比玉米耐旱[10-11]，在國家調(diào)減“鐮刀灣”地區(qū)玉米種植面積進程中，高粱成為與玉米輪作的最優(yōu)選擇。因此，探究高粱、玉米殘體腐解特征，對高粱-玉米輪作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下，秸稈還田的實施具有重要意義。

秸稈腐解是秸稈還田生態(tài)過程中養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵，腐解過程受秸稈性質(zhì)[12]、環(huán)境條件[13]和田間管理技術(shù)[14]的影響。前人通過失重法對玉米[15-16]、小麥[17]的秸稈降解研究發(fā)現(xiàn)，秸稈質(zhì)量損失受秸稈不同部位、秸稈特性(如碳氮比)的顯著影響。Xue等[18]、Tarkalson等[19]通過對玉米秸稈的研究發(fā)現(xiàn)，根系木質(zhì)素高于莖稈，其次是穗軸和葉片，殘體中較高木質(zhì)素會減緩腐解進程，延長有機物質(zhì)在土壤中的停留時間[20]；南雄雄等[21]采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗對小麥、玉米腐解研究發(fā)現(xiàn)，碳氮比的差異顯著影響其分解。植物秸稈施入土壤后為土壤微生物提供了大量碳源和能量，前人已對秸稈腐解過程中微生物群落的功能和活性進行了大量的研究[15，22-23]。有研究表明，微生物群落結(jié)構(gòu)隨腐解過程中秸稈性質(zhì)的變化發(fā)生演替[24-25]，秸稈腐解前期碳水化合物等較易分解的物質(zhì)誘導細菌為優(yōu)勢菌群，隨腐解底物變化，在腐解后期木質(zhì)素、蠟質(zhì)等難降解物質(zhì)逐漸富集放線菌和真菌[26]，微生物群落代謝結(jié)構(gòu)及群落組成變化可敏感反映秸稈腐解進程。目前，關(guān)于秸稈腐解研究多集中于小麥、玉米等主要糧食作物，而高粱作為重要的雜糧、飼料和能源作物，在農(nóng)田利用方面，缺乏對其殘體腐解特性的系統(tǒng)研究，針對“鐮刀灣”地區(qū)不同腐解條件下，高粱、玉米腐解過程中殘體化學性質(zhì)及微生物多樣性研究更加少見。

本研究以玉米為對照，在不同土壤、不同氮處理條件下，研究高粱不同部位殘體的腐解特性及秸稈微生物群落功能多樣性，旨在探明高粱、玉米殘體腐解的影響因子及微生物的響應(yīng)機制，為生態(tài)脆弱區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈資源利用提供理論科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采集于高粱種植面積較大的山西省和貴州??；潮褐土(FT)采自山西省農(nóng)業(yè)科學院東陽試驗基地(N 37°33′，E 112°41′)，質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土；黃壤土(HT)采自貴州省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地(N 26°30′，E 106°39′)，質(zhì)地為黏土。2017年高粱收獲后，輕輕除去表面受人為擾動的土壤，采集2～20 cm表層土壤，置于自封袋內(nèi)帶回實驗室，用滅菌鑷子除去雜質(zhì)，備用。

供試作物殘體采于山西省農(nóng)業(yè)科學院東陽試驗基地，于2018年4月開始第1次試驗，在高粱、玉米收獲后采集高粱、玉米地上部莖葉。為了進一步研究2種作物不同部位的腐解特征，于2019年4月開始開展第2次試驗，在高粱、玉米收獲期分別采集地上部和根系，根系用自來水沖洗干凈。將洗凈后殘體(地上部、根系)切至2 cm長后50 ℃烘至恒質(zhì)量，粉碎后備用。

1.2 試驗設(shè)計

參照Baumann等[24]的方法進行室內(nèi)培養(yǎng)腐解試驗。稱取相當于烘干土質(zhì)量30 g的鮮土裝入已滅菌的500 mL三角瓶中，置于人工氣候箱(溫度30 ℃，濕度70%)活化土壤10 d，定期補水，活化后的土壤按水土比5∶1加入無菌水150 mL，充分振蕩混勻后靜置，提取上清液為土壤微生物懸浮液。稱取殘體樣品2 g放入4 cm×14 cm的尼龍袋(孔徑0.03 mm)，吸取5 mL土壤微生物懸浮液接種至尼龍袋內(nèi)，將尼龍袋垂直埋入裝有100 g經(jīng)2次高壓滅菌石英砂的腐解杯中(高10 cm、直徑8 cm)，向培養(yǎng)杯中加入無菌水，使石英砂達到飽和持水狀態(tài)，在氣調(diào)培養(yǎng)室(溫度28 ℃、濕度70%)進行腐解培養(yǎng)試驗，每日按失重法補水。

第1次試驗，采用3因素交互設(shè)計，3因素變量分別為：土壤類型(潮褐土 FT、黃壤土 HT)，殘體類型(高粱莖葉SS、玉米莖葉CS)，氮處理(調(diào)節(jié)碳氮比+N、不調(diào)節(jié)碳氮比)(+N處理用尿素調(diào)節(jié)C/N比約為25)，共8個處理，每處理重復24次。在腐解第0，15，30，60，90天破壞性取樣，測定殘體干質(zhì)量；同時在腐解的第1，30，90天采集莖葉鮮樣，測定微生物功能多樣性。每次每項目重復3次。

第2次試驗設(shè)計，添加高粱、玉米的根系，變量分別為：土壤類型(潮褐土 FT、黃壤土 HT)，殘體類型(高粱莖葉SS、玉米莖葉CS、高粱根系SR、玉米根系CR)，氮處理(調(diào)節(jié)碳氮比+N，不調(diào)節(jié)碳氮比)，共16個處理，每個處理重復15次。在腐解的第0，15，30，60，90天破壞性取樣，測定殘體干質(zhì)量，留樣用于半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的測定。每項目重復3次。

1.3 樣品收集及相關(guān)指標測定

1.3.1 殘體干物質(zhì)降解率測定 在腐解第0，15，30，60，90天隨機破壞性取樣測定殘體干物質(zhì)降解率。將網(wǎng)袋取出后用清水將附著在網(wǎng)袋表面的石英砂沖洗干凈，后烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量，烘干后的殘體用于測定化學組分。

干物質(zhì)降解率=(培養(yǎng)原始殘體質(zhì)量-階段結(jié)束時殘體質(zhì)量)/原始殘體質(zhì)量×100%

①

1.3.2 殘體碳礦化率測定 采用堿液吸收法測定殘體腐解過程中CO2的釋放速率[27]。分別于腐解第5，8，15，30，60，90天測定CO2釋放速率，即用NaOH吸收CO2，24 h后用HCl滴定。

CO2釋放速率(μmol/(g·h))=(滴定空白體積-滴定樣品體積)×HCl濃度/(2×24)

②

1.3.3 殘體化學組分測定 依據(jù)范式洗滌法測定中性洗滌纖維(NDF)[28]、酸性洗滌纖維(ADF)和酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)[29]含量。

半纖維素(HC)含量(g/g)=NDF-ADF

③

纖維素(Cell)含量(g/g)=ADF-ADL

④

纖維素降解率=1-殘體質(zhì)量×Cell含量/(原始殘體質(zhì)量×原始殘體Cell含量)×100%

⑤

半纖維素降解率=1-殘體質(zhì)量×HC含量/(原始殘體質(zhì)量×原始殘體HC含量)×100%

⑥

木質(zhì)素降解率=1-殘體質(zhì)量×ADL含量/(原始殘體質(zhì)量×原始殘體ADL含量)×100%

⑦

1.3.4 秸稈腐解微生物功能多樣性測定 使用BIOLOG-ECO板，參照Garland等[30]的方法，測定秸稈腐解微生物功能多樣性。稱取相當于烘干質(zhì)量0.1 g的殘體樣品，加入49.9 mL濃度為0.85%的NaCl滅菌溶液中，振蕩30 min后靜置15 min，取上清液，在超凈臺將上清液稀釋到1.0×10-3(用0.85%的NaCl稀釋)后，按照每孔150 μL接種至BIOLOG-ECO板，用Omnilog PM持續(xù)測定7 d，用每孔的平均線下面積(AUC)值表示微生物群落對碳源的代謝活性[31-32]，并計算McIntosh指數(shù)和Shannon指數(shù)。

⑧

Shannon指數(shù)=-∑pilnpi

⑨

式中，ni為第i孔的相對吸光值，pi為第i孔的相對吸光值與所有微平板的相對吸光值總和的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel整理數(shù)據(jù)，使用IBM SPSS 19.0進行多因素方差分析(Multivariable-ANOVA)，用R 4.0.0(GGEBiplot軟件包)進行Biplot分析。圖與表中數(shù)據(jù)用平均數(shù)±s表示(n=3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 殘體的干物質(zhì)降解率

2次試驗均表明，在相同土壤和氮處理條件下，腐解過程中高粱莖葉的干物質(zhì)降解率高于玉米莖葉干物質(zhì)降解率(圖1)。潮褐土與黃壤土對高粱、玉米莖葉降解的影響一致，調(diào)節(jié)碳氮比(+N處理)促進莖葉降解；在腐解初期(30 d內(nèi))莖葉降解較快，30 d后逐漸變緩。以潮褐土為例，腐解30 d，第1次試驗和第2次試驗高粱莖葉+N處理干物質(zhì)降解率分別為32.50%和44.50%，而玉米莖葉降解率分別為31.00%和35.75%；腐解90 d，第1次試驗和第2次試驗中高粱莖葉+N處理干物質(zhì)降解率分別為63.00%和67.00%，而玉米莖葉降解率分別為54.25%和65.25%。在相同氮條件下，土壤類型對不同殘體類型間的干物質(zhì)降解率影響不明顯；施氮可在一定程度上促進殘體的降解速率，但在腐解培養(yǎng)結(jié)束時，差異未達顯著水平(P>0.05)。

第2次試驗增加了高粱、玉米根系腐解研究。在相同土壤類型和氮處理條件下，玉米、高粱莖葉干物質(zhì)降解率均顯著高于其根系(圖1)。以潮褐土調(diào)節(jié)碳氮比(+N處理)情況為例，腐解第15，30，60，90天，高粱莖葉降解率分別為34.75%，44.50%，55.50%，67.00%，高粱根系降解率分別為15.75%，18.25%，31.25%，43.00%，玉米莖葉降解率分別為31.00%，35.75%，48.00%，60.00%，而玉米根系降解率分別為10.50%，9.75%，16.75%，21.25%。在相同土壤類型和氮處理條件下，高粱根系干物質(zhì)降解率顯著高于玉米根系(P<0.05)，潮褐土條件下在腐解15，30，60，90 d，高粱根系+N處理干物質(zhì)降解率分別比玉米根系分別增加了5.30，8.50，14.50，21.50百分點，且差異達顯著水平(P<0.05)。綜上可得，在相同腐解條件下高粱的干物質(zhì)降解率高于玉米相同部位，2種作物莖葉的降解率均高于根系；且施氮可在一定程度上加快作物殘體的降解速率。

圖1 殘體干物質(zhì)的降解率Fig.1 Degradation rate of residual dry matter

2.2 殘體的碳礦化動態(tài)

殘體腐解過程中，殘體的碳礦化速率以單位質(zhì)量殘體在單位時間內(nèi)釋放的CO2速率表示，隨腐解時間的延長CO2的釋放速率逐漸降低。2次試驗均表明，在腐解30 d后莖葉的CO2的釋放速率逐漸趨于穩(wěn)定(表1、2)；由第2次試驗可知，根系的快速腐解期在15 d內(nèi)(表2)，以潮褐土為例，高粱根系+N處理在5～15 d內(nèi)由30.3 μmol/(h·g)迅速降低到5.0 μmol/(h·g)，15 d后釋放速率逐漸平穩(wěn)。

表1 第1次試驗殘體的碳礦化速率Tab.1 The carbon mineralization rate of the residues in the first experiment μmol/(h·g)

表2 第2次試驗殘體的碳礦化速率Tab.2 The carbon mineralization rate of the residues in the second experiment μmol/(h·g)

相同土壤類型和氮處理條件下，30 d內(nèi)高粱莖葉的CO2釋放速率高于玉米莖葉；30 d后無明顯差異。在相同土壤類型和N處理條件下，第1次試驗，8，15，30 d高粱莖葉的CO2釋放速率均高于玉米莖葉，以潮褐土為例，高粱莖葉+N處理的釋放速率分別是玉米莖葉+N處理的1.88，1.50，1.82倍(P<0.05)，30 d后高粱、玉米莖葉的CO2釋放速率差異不顯著。第2次試驗，第30天時潮褐土、黃壤土條件下，高粱莖葉+N處理的CO2釋放速率是玉米莖葉+N處理的1.30，1.13倍，且差異達顯著水平(P<0.05)。

在腐解前期(30 d之前)，在相同土壤類型和氮處理條件下，同一作物根系CO2釋放速率顯著低于莖葉(表2)。以潮褐土為例，5，8，15 d高粱根系+N處理的CO2釋放速率比高粱莖葉+N處理分別顯著降低了39.40%，43.89%，78.63%(P<0.05)；而玉米根系+N處理與玉米莖葉氮處理相比，分別顯著降低了40.88%，74.07%，76.67%(P<0.05)；在腐解后期(60～90 d)，在施氮條件下高粱根系的CO2釋放速率與高粱莖葉差異不顯著(90 d黃壤土除外)，而玉米根系CO2釋放速率依舊顯著低于地上部(P<0.05)。施氮在腐解前期加速了CO2的釋放速率，但促進腐解的程度受土壤和殘體類型的影響。

2.3 秸稈腐解微生物群落的功能多樣性

采用BIOLOG-ECO方法測定秸稈微生物群落對多種單一碳源的代謝能力，以此反映秸稈腐解微生物的代謝功能多樣性。在腐解的1，30，90 d，分別測定高粱、玉米莖葉腐解微生物群落的碳源利用AUC值。秸稈腐解微生物群落AUC值表現(xiàn)為30 d>1 d>90 d(圖2)，表明腐解30 d內(nèi)微生物代謝活性較強，30 d后逐漸下降。在腐解第1天，潮褐土腐解條件下高粱莖葉+N處理AUC值最高，在BIOLOG-ECO板培養(yǎng)96 h比玉米莖葉+N高出了17.01%；而黃壤土條件下，高粱莖葉+N處理與玉米莖葉+N處理間差異不顯著(P>0.05)；腐解30 d，除黃壤土玉米莖葉+N處理外，其余3個處理AUC值均無顯著差異；腐解90 d，2種土壤條件下高粱莖葉+N處理均高于玉米莖葉+N處理，黃壤土玉米莖葉+N處理AUC值最低。

圖2 秸稈腐解微生物群落碳源代謝AUC值Fig.2 The AUC of carbon source metabolism in straw decomposing microbial community

由表3可知，腐解1，30 d不同處理秸稈微生物群落的Shannon指數(shù)無顯著差異，均顯著高于90 d；腐解30 d，潮褐土條件下高粱莖葉+N處理、玉米莖葉+N處理的Shannon多樣性比90 d分別高出13.30%，17.27%。表明腐解90 d，秸稈微生物代謝碳源多樣性降低。腐解1，30 d各處理秸稈微生物Shannon指數(shù)差異不大，90 d黃壤土條件下高粱莖葉+N顯著高于玉米莖葉+N處理(P<0.05)。

表3 秸稈腐解物微生物群落功能多樣性指數(shù)Tab.3 Functioal diversity index of microbial community in straw decomposers

腐解30 d，秸稈微生物的McIntosh指數(shù)最高，除黃壤土條件下玉米莖葉+N處理外，其余3個處理差異均不顯著；腐解第1天，潮褐土條件下高粱莖葉+N處理McIntosh指數(shù)顯著高于玉米(P<0.05)，黃壤土條件下高粱莖葉+N處理與玉米莖葉+N處理無顯著差異；腐解90 d，黃壤土條件下高粱莖葉+N處理的McIntosh指數(shù)顯著高于玉米莖葉+N處理。表明腐解30 d，秸稈腐解微生物對不同碳源利用的多樣性及均勻性最高。

利用熱圖將不同處理秸稈腐解微生物群落96 h的AUC值進行聚類分析，結(jié)果顯示(圖3)，不同處理按照采樣時間聚類(HT-CS+N和FT-SS+N除外)，1，30 d秸稈腐解微生物群落利用碳源種類大體相同，但30 d時顏色較深，即碳源代謝能力高，對胺類(G4)、酚酸類(D3)的代謝能力較1 d高，90 d秸稈腐解微生物群落對碳水化合物(H1、A2、G2、H2、E2、B2、G1、A3)、氨基酸類(C4、E4)、多聚物類(E1、F1)代謝能力降低。

A2.β-甲基D-葡萄糖苷；A3.D-半乳糖內(nèi)酯γ-內(nèi)酯；A4.L-精氨酸；B1.丙酮酸甲脂；B2.D-木糖；B3.D-半乳糖醛酸；B4.L-天冬酰胺酸；C1.吐溫40；C2.I-赤藻糖醇；C3.2-羥苯甲酸；C4.L-苯基丙氨酸；D1.吐溫80；D2.D-甘露醇；D3.4-羥基苯甲酸；D4.L-絲氨酸；E1.α-環(huán)式糊精；E2.N-乙?；?D-葡萄胺；E3.γ-羥基丁酸；E4.L-蘇氨酸；F1.肝糖；F2.D-葡萄胺酸；F3.衣康酸；F4.甘氨酰-L-谷氨酸；G1.D-纖維二糖；G2.葡萄糖-1-磷酸鹽；G3.α-丁酮酸；G4.苯乙胺；H1.α-D-乳糖；H2.D,L-α-磷酸甘油；H3.D-蘋果酸；H4.腐胺。G1、H1、A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、A3、B3為碳水化合物類；A4、B4、C4、D4、E4、F4為氨基酸類；G4、H4為胺類;C3、D3為酚酸類；C1、D1、E1、F1為多聚物類；B1、E3、F3、G3、H3為羧酸類。A2.β-Methyl-D-Glucoside;A3.D-Galactonic Acid γ-Lactone;A4.L-Arginine;B1.Pyruvic Acid Methyl Ester;B2.D-Xylose;B3.D-Galacturonic Acid;B4.L-Asparagine;C1.Tween 40;C2.I-Erythritol;C3.2-Hydroxy Benzoic Acid;C4.L-Phenylalanine;D1.Tween 80;D2.D-Mannitol;D3.4-Hydroxy Benzoic Acid;D4.L-Serine;E1.α-Cyclodextrin;E2.N-Acetyl-D-Glucosamine;E3.γ-Hydroxybutyric Acid;E4.L-Threonine;F1.Glycogen;F2.D-Glucosaminic Acid;F3.Itaconic Acid;F4.Glycyl-L-Glutamic Acid;G1.D-Cellobiose;G2.Glucose-1-Phosphate;G3.α-Ketobutyric Acid;G4.Phenylethyl-amine;H1.α-D-Lactose;H2.D,L-α-Glycerol;H3.D-Malic Acid;H4.Putrescine.Carbohydrates.G1，H1，A2，B2，C2，D2，E2，F(xiàn)2，G2，H2，A3，B3;Aminoacid.A4，B4，C4，D4，E4，F(xiàn)4;Amine.G4，H4;Phenolic compounds.C3，D3;Polymer.C1，D1，E1，F(xiàn)1;Carboxylic acid.B1，E3，F(xiàn)3，G3，H3.

圖4中連接原點和碳源的向量長度可度量秸稈腐解微生物群落碳源代謝能力差異，由1 d微生物群落代謝結(jié)構(gòu)分析可知，潮褐土和黃壤土分別坐落在PC1的兩側(cè)，分異主要是由于在碳水化合物和胺類的代謝差異導致；30 d微生物群落代謝結(jié)構(gòu)差異主要是由于對胺類、聚合物類的代謝差異所致；90 d時羧酸類和氨基酸是區(qū)分各處理代謝的主要碳源，碳水化合物對90 d處理間的分異無貢獻。

AA.氨基酸類；AM.胺類；CB.碳水化合物類；CA.羧酸類；PO.聚合物類；PH.酚酸類；FSN.FT-SS+N；FCN.FT-CS+N；HSN.HT-SS+N；HCN.HT-CS+N；0.0 d；30.30 d；90.90 d。AA.Amino acid；AM.Amine；CB.Carbohydrate；CA.Carboxylic acid；PO.Polymer；PH.Phenolic acid；FSN.FT-SS+N；FCN.FT-CS+N；HSN.HT-SS+N；HCN.HT-CS+N；0.0 d；30.30 d；90.90 d.

2.4 殘體化學組分的降解率分析

第2次試驗測定了腐解過程中化學組分(半纖維素、纖維素和木質(zhì)素)的降解率，結(jié)果表明(表4)，土壤類型對半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的降解率影響不顯著；在相同腐解條件下同一作物根系中半纖維素、纖維素降解率低于莖葉；相同部位相比，高粱莖葉、根系的半纖維素和纖維素降解率分別高于玉米莖葉、根系，2種作物根系的纖維素和半纖維素降解率差異更大；施氮處理對半纖維素、纖維素和酸性洗滌木質(zhì)素降解率的影響不顯著。

表4 殘體化學組分的降解率Tab.4 Degradation rate of residual chemical components %

腐解90 d，與高粱莖葉+N處理相比，潮褐土和黃壤土中高粱根系+N處理的半纖維素降解率分別顯著降低了23.7，34.1百分點(P<0.05)，纖維素降解率分別顯著降低了18.8，27.5百分點(P<0.05)，表明莖葉中的纖維素和半纖維素較根系中更易降解。腐解90 d，黃壤土+N處理中，玉米莖葉、玉米根系半纖維素降解率分別比高粱莖葉、高粱根系降低了6.3,24.0百分點(P<0.05)，纖維素降解率分別降低了2.5,6.8百分點(P>0.05)。表明不同作物根系中半纖維素、纖維素降解率差異較大，不同莖葉中差異較小。不同處理酸性洗滌木質(zhì)素降解率沒有明顯規(guī)律，酸性洗滌木質(zhì)素的降解與作物種類及腐解部位無顯著關(guān)系。

2.5 腐解指標的相關(guān)性分析

Pearson系數(shù)分析干物質(zhì)降解率、HC降解率、Cell降解率、ADL降解率及碳礦化速率之間的相關(guān)性，結(jié)果表明(表5)，干物質(zhì)降解率與HC降解率、Cell降解率、碳礦化速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與ADL降解率之間無顯著相關(guān)性；HC降解率、Cell降解率與碳礦化速率均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。表明，殘體中半纖維素、纖維素的降解與殘體干物質(zhì)降解進程顯著相關(guān)，而與木質(zhì)素的降解無顯著關(guān)系，殘體中半纖維素和纖維素的降解可促進CO2的釋放。

表5 腐解指標的相關(guān)性分析(Pearson系數(shù))Tab.5 Correlation analysis decomposition index(Pearson coefficient)

3 結(jié)論與討論

作物殘體的腐解過程主要受腐解環(huán)境(溫度、水分)、殘體自身特性、還田方式、土壤特性[33]等因素的影響。本研究中，高粱和玉米殘體的腐解速率均表現(xiàn)為前期快、后期緩慢，這是由于腐解前期底物易分解有機物質(zhì)多，底物可利用性較高，秸稈腐解微生物群落代謝活性較高[34-35]，隨腐解進程的推進，易分解有機物質(zhì)和無機養(yǎng)分逐漸減少，難分解物質(zhì)如木質(zhì)素等逐漸累積，進而導致腐解速率降低。

已有研究表明，作物殘體腐解速率受作物殘體類型的影響，對玉米[15-16]、小麥[17]不同部位的腐解研究發(fā)現(xiàn)，莖葉的腐解速率快于根系，本研究對高粱和玉米不同部位腐解研究也有一致結(jié)論，相同腐解條件下高粱和玉米莖葉的干物質(zhì)降解率顯著高于根系，這與作物不同部位化學組分含量差異有關(guān)，作物地上部分尤其是葉片中易分解有機物質(zhì)含量較多，葉片為腐解前期微生物繁殖提供大量的易分解有機物質(zhì)。本試驗田間采集植株樣時測得高粱、玉米的莖葉比分別為1.13，1.56，莖葉比差異致使高粱地上部中葉片比例較大，葉片易溶性有機物為前期高粱腐解微生物提供了大量能源物質(zhì)，從而加速其腐解速率。土壤理化性狀[33]和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[36]的不同是造成殘體腐解差異的主要原因，研究發(fā)現(xiàn)，黏土比沙壤土對有機物質(zhì)的結(jié)合能力強[36]；但也有研究表明，土壤中黏粒含量并不會促進殘體腐解[33]，土壤自身特性比如質(zhì)地、養(yǎng)分含量等都會對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，秸稈還田后土壤微生物參與秸稈腐解轉(zhuǎn)化過程，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性可在一定程度影響秸稈腐解進程。本研究中，潮褐土和黃壤土條件下均表現(xiàn)為高粱莖葉、根系的腐解速率快于玉米莖葉、根系，且不同作物莖葉的降解速率快于根系，說明相同腐解條件下，土壤類型對高粱、玉米腐解差異的影響不大，秸稈自身特性是造成秸稈腐解差異的主要因素。

殘體中碳素主要是通過微生物代謝釋放，微生物代謝活性降低，從而導致CO2釋放速率在腐解后期逐漸變緩，在大豆和玉米上同樣有相同趨勢[16]。本研究中，不同殘體腐解過程中的CO2釋放與殘體干物質(zhì)腐解進程一致，呈現(xiàn)前期快、后期緩慢的趨勢，莖葉的CO2快速釋放期在30 d左右結(jié)束，而根系則在15 d左右結(jié)束，這同樣與殘留底物可利用性有關(guān)[37]。氮素是微生物生長繁殖的必需元素，施氮處理在腐解過程中為腐解微生物提供充足的氮源，從而加快殘體分解[38]。本研究結(jié)果證實，施氮可在一定程度上促進殘體干物質(zhì)腐解速率，加速碳釋放，這與劉四義等[39]的研究結(jié)果一致。

殘體中小分子物質(zhì)糖類、蛋白質(zhì)等在腐解初期快速釋放，之后降解纖維素和半纖維素，而難降解的木質(zhì)素等逐漸被累積，腐解進程隨之趨緩并逐漸穩(wěn)定[35]。殘體腐解進程在很大程度上受制于纖維素和木質(zhì)素的降解，本研究對腐解過程中不同組分降解率研究發(fā)現(xiàn)，腐解前期對木質(zhì)素的降解效果微弱，在腐解結(jié)束時對半纖維素和纖維素的腐解率明顯高于木質(zhì)素，表明纖維素和半纖維素比木質(zhì)素更易降解，這是由其結(jié)構(gòu)差異導致的，半纖維素和纖維素都是由多糖組成，而木質(zhì)素是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單位組成的芳香類聚合物，木質(zhì)化程度越高，殘體越難降解[40]。半纖維素和纖維素都顯示出前期腐解快、后期腐解慢的特點，這可能是由于腐解前期秸稈腐解微生物群落代謝活性整體較為旺盛，豐富的代謝產(chǎn)物及酶的生成可能會加速纖維素、半纖維素間化學共價鍵的斷裂，從而加快其降解速率[41]。

在腐解不同階段，由于殘體中成分變化會導致微生物群落結(jié)構(gòu)由富營養(yǎng)型微生物逐漸向貧營養(yǎng)型演替[22]。本研究結(jié)果證實，在腐解前期易腐解有機物質(zhì)較多，殘體有機物質(zhì)可用性較高，富營養(yǎng)微生物大量繁殖，使得腐解前期(1～30 d)微生物代謝活性較高，而在腐解后期易降解物質(zhì)逐漸被消耗，殘留物質(zhì)難降解，致使微生物代謝活性降低，這與仇存璞等[23]的研究結(jié)果一致。微生物群落對可利用資源的能力的變化會驅(qū)使其逐步演替[42]，對分類碳源數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在腐解初期，微生物群落的代謝優(yōu)勢種群為糖類代謝菌群，在腐解的1，30 d秸稈腐解微生物群落對糖類碳源的代謝顯著高于90 d，表明腐解初期莖葉腐解微生物以代謝糖類碳源為主，隨著腐解進程推進，微生物大量繁殖，逐步增加了對氨基酸、胺類其他碳源的利用能力，到腐解90 d腐解微生物群落結(jié)構(gòu)均勻度降低，代謝活性降低。本研究從代謝角度分析腐解微生物群落結(jié)構(gòu)變化，下一步需進一步采取分子生物學手段對腐解微生物群落結(jié)構(gòu)分析，明確不同腐解時間內(nèi)殘體腐解特性與微生物群落的響應(yīng)機制，并結(jié)合大田試驗因地制宜地對高粱、玉米秸稈還田過程腐解過程進行調(diào)控。

綜上所述，相同腐解條件下，高粱相同部位的干物質(zhì)降解率高于玉米，且均表現(xiàn)為莖葉快于根系的特征，腐解進程中調(diào)節(jié)碳氮比可加快殘體降解，但土壤條件對高粱、玉米殘體腐解的影響不大，莖葉中半纖維素、纖維素較根系中更易腐解。在秸稈腐解微生物群落代謝碳源結(jié)構(gòu)隨腐解進程而發(fā)生變化，但在殘體快速腐解期，秸稈腐解微生物碳源代謝結(jié)構(gòu)相似。