秸稈還田對銀北鹽堿地土壤主要肥力指標及細菌群落多樣性的影響

李 磊 ,朱志明,王 旭,吳 霞,樊麗琴 ,紀立東

(1.寧夏農林科學院 農業(yè)資源與環(huán)境研究所,銀川 750002;2.寧夏農技推廣總站,銀川 750001;3.國家農業(yè)環(huán)境銀川觀測試驗站,銀川 750002)

寧夏引黃灌區(qū)位于黃河上游下段,近年來,土壤鹽漬化與次生鹽漬化問題受到廣泛關注,常年大引大排的灌溉模式導致地下水位抬升,加之施肥模式不健全,化肥過量投入,造成土壤板結僵硬,次生鹽漬化加重,土壤微生物數量少且活性低[1]。鑒于此,寧夏農林科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所鹽堿地改良研究團隊建立多年連續(xù)秸稈還田模式,不但將農業(yè)固體廢棄物資源化利用,實現農業(yè)循環(huán),同時改善土壤通透性,高效改良鹽堿耕地的同時獲得經濟收益。在衡量土壤質量的眾多指標中,土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的具有生命特征的組成部分,其群落多樣性及群落結構組成在秸稈還田措施下存在明顯差異[2-5]。薩如拉等[6]在通遼典型鹽堿地上建立秸稈還田試驗發(fā)現,玉米秸稈還田2 a相比未還田能顯著增加鹽堿地土壤細菌多樣性和物種豐度;顧美英等[7]研究認為,不同秸稈還田方式下風沙土土壤微生物群落存在顯著差異,且相比未還田提高土壤微生物活性和豐富度指數;Lee等[8]利用DNA-SIP技術示蹤發(fā)現秸稈的添加促進土壤變形菌門增加;Lukas等[9]研究發(fā)現,秸稈還田后稻田土壤微生物量顯著增加。除此之外,秸稈還田對土壤理化性質也影響較大,不僅改善土壤團聚體分布與酶活性,同時自身的營養(yǎng)元素也增加土壤肥力[10-11];孟慶英等[12]在遼寧半干旱地區(qū)秸稈深還田條件下的研究發(fā)現,土壤水穩(wěn)性團聚體主要集中在<0.25 mm 粒級;王勝楠等[13]發(fā)現秸稈還田有利于土壤亞表層有機質積累,對作物增產也具有重要促進作用。

由此可見,秸桿還田對土壤肥力培育顯得十分重要。目前,秸稈還田措施在寧夏銀北鹽堿地應用較少,且對土壤微生物群落特征的研究環(huán)節(jié)比較薄弱。為探索玉米根際土壤微生物群落變化特征,本文建立不同秸稈還田量試驗,采集連續(xù) 5 a秸稈還田定位試驗土壤樣品,探討土壤微生物群落多樣性變化特征,揭示不同秸稈還田量下土壤細菌群落與土壤理化性質的響應關系,研究結果將為鹽堿地改良利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

自2016年在寧夏平羅縣黃渠橋鎮(zhèn)通潤村(106.175 4°E,38.474 3°N)建立連續(xù)多年秸稈還田試驗。該地區(qū)屬大陸性氣候,春旱多風,平均風速2 m·s-1,盛行西北風或北風。年均降水量200 mm,主要集中在6-9月,年均蒸發(fā)量達 1 800 mm,無霜期為171 d。2016年10月采集土壤基本理化性質,結果顯示該試驗區(qū)土壤pH為8.5,顯堿性,全鹽含量為2.62 g·kg-1,屬硫酸鹽-氯化物鹽漬土,有機質為16.02 g·kg-1,處于4級缺乏水平;速效氮為75.21 mg·kg-1,處于4級缺乏水平;速效鉀為225.21 mg·kg-1,處于1級極豐富水平;有效磷為11.12 mg·kg-1,處于3級豐富水平;土壤機械組成分析發(fā)現,砂粒含量為14.26%,粉粒為62.62%,粘粒為 23.12%,土壤質地為粉砂質粘壤土。玉米秸稈取自當地種植大戶,其全氮含量為0.60%,全磷為 0.58%,全鉀為1.55%,有機碳為 46.50%。指示作物為玉米‘先玉1225’品種。

1.2 試驗設計

試驗為連續(xù)第5年秸稈還田,采用單因素多水平隨機區(qū)組設計,以未還田(CS0)為對照,分別設置1/3全量還田:還田量3 000 kg·hm-2(CS3000),2/3全量還田:還田量6 000 kg·hm-2(CS6000),全量還田:還田量9 000 kg·hm-2(CS9000)。另外增施氮肥調節(jié)C/N為 25∶1,其中CS0處理施氮量0 kg·hm-2,CS3000處理施氮量75 kg·hm-2,CS6000處理施氮量150 kg·hm-2,CS9000處理施氮量225 kg·hm-2。每個處理3次重復,共12個試驗小區(qū),每個小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m),各小區(qū)四周用土疊梗進行單排單灌,小區(qū)之間保留0.5 m過道。秸稈來自當地上年自然風干的玉米秸稈,還田措施于11月份完成,翌年操作與上年相一致。施入前進行人工粉碎,粉碎機粉碎至3～5 cm左右小段,機械深耕25 cm翻壓,按照質量比 100∶1配施秸稈腐熟劑,然后冬灌漚田。每年4月中旬播種,寬窄行(70 cm×50 cm)種植,株距20 cm,播前統(tǒng)一施用過磷酸鈣750 kg·hm-2,氮肥40%基施,剩余的60%分別在玉米拔節(jié)期、抽雄期追施,灌溉水采用黃河水灌溉。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 樣品采集 2016年10月采集土壤基礎背景值,2021年在播種出苗后分別在苗后30 d、60 d、90 d、120 d采用鋁盒采集各處理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤樣品測定土壤質量含水量;9月底收獲后采集玉米田間樣品,其中,團聚體樣品采取0～30 cm土層剖面樣,用鐵鏟沿剖面垂直切入,剝去接觸面變形的土壤,均勻取內部土壤1 kg放入鐵盒帶回實驗室。采用“Monilith 3D”空間取樣法,將取出的整株玉米根系置于曬筐中,無菌條件下采用抖落法采集根際土壤。每個小區(qū)采取3個點,均勻混成一個樣品,置于樣品凍存管。采用干冰保存帶回實驗室置于-80 ℃冰箱中保存用于提取DNA。抖落下的土樣用塑封袋帶回實驗室,一部分測定土壤質量含水量(SWC);一部分保存在4 ℃冰箱中,用于酶活性、微生物量碳、微生物量氮測定;另一部分風干處理后用于土壤pH、全鹽、有機質、全氮測定。

1.3.2 土壤基本理化性質測定 采用環(huán)刀法測定土壤體積質量、田間持水量;比重計法測定土壤機械組成;電導法測定水樣礦化度;土壤pH在水土比例2.5∶1,混勻靜止后直接用pH計測定;DDS-11電導率儀測定電導率,結合線性方程法計算全鹽含量;土壤質量含水量采用鋁盒烘干法測定;有機質含量用重鉻酸鉀容量法測定;速效氮含量用堿解擴散法測定;有效磷含量用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量用1 mol·L-1醋酸銨溶液浸提-火焰光度計法測定[14]。

1.3.3 土壤酶活性測定 堿性磷酸酶(ALP)的測定采用磷酸苯二鈉比色法,脲酶的測定采用靛酚藍比色法,蔗糖酶的測定采用 3,5-二硝基水楊酸比色法,過氧化氫酶的測定采用高錳酸鉀滴定法[14]。

1.3.4 微生物量碳與微生物量氮的測定 采用氯仿熏蒸硫酸鉀浸提-重鉻酸鉀容量法測定土壤微生物量碳;采用氯仿熏蒸硫酸鉀浸提-凱氏定氮法測定土壤微生物量氮。具體步驟如下:稱取新鮮土壤樣品20.0 g,放入小燒杯中,將盛有土壤樣品小燒杯置于真空干燥器中;同時放入兩個盛有無乙醇氯仿小燒杯(加入沸石)和1個用以吸收熏蒸期間釋放出來CO2的盛有氫氧化鈉溶液的小燒杯,室溫黑暗條件下培養(yǎng)24 h。取出盛放氯仿和氫氧化鈉溶液的小燒杯后,反復多次抽真空以去除土壤中的氯仿殘留。熏蒸土壤加入80 mL的0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提(土水比 1∶4),浸提液應立即測定或放入-20 ℃冰箱保存。與此同時,另取一份20.0 g 的土壤樣品做未熏蒸對照試驗。采用重鉻酸鉀容量法測定浸提液中有機碳含量,凱氏定氮法測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為熏蒸與不熏蒸土壤浸提液有機碳的差值,KEC為轉換系數,取值 0.45;其中式中BN表示土壤微生物量氮,EN為熏蒸土與未熏蒸浸提液全氮的差值;KEN為轉換系數,取值 0.54[15]。

1.3.5 細菌微生物多樣性測定 PCR擴增16S rRNA:選用Mobio公司生產的 PowerSoilTMDNA Isolation Kit 從土壤樣品中提取 DNA,10 g·L-1的瓊脂糖凝膠電泳檢測所提取DNA的質量;引物515F(5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTA-3′)和909R(5′-CCCCGYCAATTCMTTTR-AGT-3′)來擴增16S rRNA的V4～V5區(qū),目標片段長度為374 nt,在515F的5′端增加了12 bp的 barcode標記。將洗脫出的DNA在NanoDrop2000測定濃度后,置于-80 ℃保存;將所有樣品按照 100 ng混合之后,采用美國Illumina公司的HiSeq2500測序儀進行建庫上機測序。

1.4 相關指標計算方法

1.4.1 團聚體指標計算 >0.25 mm團聚體百分含量(干篩:DR0.25;濕篩:WR0.25)、土壤團聚體破壞率(PAD)、土壤團聚體的平均質量直徑(干篩:MWD;濕篩:WMWD)的計算公式[16]如下:

R0.25=M0.25/MT

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

1.4.2 多樣性指數計算 Chao1指數用于估計樣本中物種總數,數值越大代表物種越多;Shannon指數、Simpson指數用來估算樣本中微生物的多樣性指數之一,Shannon值越大,說明群落多樣性越高,Simpson指數值越大,說明群落多樣性越低。

式中,Sobs表示實際測量處的OTU數目;ni表示第i個OTU含有的序列數目;N表示所有的序列數;n1表示只含有一條序列的OTU數;n2表示只含有一條序列的OTU數。

1.5 數據分析與處理

試驗數據以Excel 2003軟件進行整理,同時采用SPSS 17.0軟件描述統(tǒng)計特征值、進行數據分析,用方差分析(ANOVA)和最小顯著性檢驗(LSD)做數據差異顯著性檢驗(P<0.05,n=5),用Origin 9.0軟件繪圖。測序結果使用Mothur(versionv.1.30)軟件,對樣品Alpha多樣性指數進行評估,其中Chao1、ACE指數用來估計樣品中所含OTU數目的指數;Shannon、Simpson指數用來估算樣品中微生物的多樣性指數。利用QIIME軟件生成不同分類水平上的物種豐度表,用SPSS 17.0對門水平下細菌群落與環(huán)境因子耦合關系作皮爾遜相關分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對土壤團聚體含量及團聚體評價參數的影響

不同秸稈還田量下土壤機械穩(wěn)定性團聚體與水穩(wěn)性團聚體如圖1所示。機械穩(wěn)定性團聚體>2 mm的團聚體所占比例最高,約占1/3(均在34%以上),而其他粒級的團聚體均占有不同比例。CS3000處理下>2 mm團聚體含量達到 41.75%,而其他粒級的團聚體含量所占比例相對均一。CS6000處理明顯提升<0.25 mm團聚體含量,降低1～0.5 mm與0.5～ 0.25 mm粒級團聚體含量(圖1-a)。整體而言,不同秸稈還田量土壤機械穩(wěn)定性團聚體變異很大,因此通過濕篩法求得水穩(wěn)性團聚體。結果表明,<0.25 mm的微團聚體含量明顯增加,達到83%以上,各處理相比CS0處理<0.25 mm的微團聚體含量有所降低,其中,CS9000處理降低效果最為明顯,相比CS0處理降低了8.63%,CS3000處理與CS6000處理降低效果基本一致。>0.25 mm團聚體發(fā)現,秸稈還田處理能明顯增加>2 mm與0.5～ 0.25 mm粒級團聚體含量,而對2～1 mm粒級團聚體有所降低(圖1-b)。

圖1 各處理團聚體含量比較Fig.1 Comparison of aggregate content among different treatments

表1顯示,各處理對MWD值影響不大,而明顯增加WMWD值,CS3000、CS6000、CS9000處理相比CS0處理分別顯著增加23.64%、 23.64%、 36.36%。干篩法獲得的>0.25 mm團聚體均在 74.00%以上,各處理間無顯著性差異,其中CS3000處理含量最高,達到82.65%,其次為CS9000處理。濕篩法獲得的>0.25 mm團聚體屬CS9000處理下含量最高,相比CS0處理顯著增加34.95%,PAD在各處理間無顯著性差異,CS6000處理與CS9000處理下PAD最低,說明團聚體結構相比較為穩(wěn)定,為作物生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境。

表1 各處理團聚體評價參數比較Table 1 Comparison of aggregate evaluation parameters under different treatments

2.2 秸稈還田對土壤化學性質的影響

由表2可見,相比未還田處理,秸稈還田處理可以有效降低土壤中的全鹽含量,CS3000處理相比CS0處理降低13.14%,而CS6000、CS9000處理分別相比CS0處理分別顯著降低24.04%、 15.06%。CS6000處理下的土壤全鹽量降低效果最為顯著,相比CS3000處理顯著降低12.55%,較CS9000處理降低10.90%。土壤pH與全鹽變化相一致,CS3000、CS6000、CS9000處理分別較CS0處理顯著降低1.23%、2.23%、2.01%,其中CS6000處理效果最為顯著,較CS3000處理顯著降低0.79%,較CS9000降低0.23%。

表2 各處理化學性質及微生物量碳、氮含量的比較Table 2 Comparison of chemical properties and microbial carbon,nitrogen content of each treatment

CS6000和CS9000處理下微生物量碳分別較CS0處理顯著提高14.16%、12.26%,同時較CS3000處理分別顯著提高14.16%、12.26%,CS3000與CS0之間無顯著性差異。微生物氮方面各處理表現為CS9000>CS6000>CS3000>CS0處理,各處理之間無顯著差異。CS6000和CS9000處理下的有機質含量分別較CS0處理顯著提高14.06%、12.77%,同時較CS3000處理分別提高5.78%、4.59%,CS3000處理較CS0處理提高7.82%。相比CS0處理,CS3000、CS6000、CS9000處理下全氮含量均顯著提高50.82%、40.98%、50.82%,而三者之間無顯著性差異。

2.3 秸稈還田對土壤酶活性的影響

由表3可見,秸稈還田顯著提高酶活性,相比未還田處理,CS3000、CS6000、CS9000處理下脲酶活性相比CS0處理分別顯著提高 35.48%、 66.13%、49.60%,這可能與秸稈還田過程中為調節(jié)碳氮比而施入的氮肥有關;堿性磷酸酶活性相比CS0處理分別顯著提高69.27%、 68.78%、71.22%;蔗糖酶活性相比CS0處理分別顯著提高75.39%、58.80%、64.41%;過氧化氫酶活性相比CS0處理分別顯著提高33.78%、 38.34%、39.81%。由此可見,秸稈還田你對土壤酶活性提升具有明顯促進效果。

表3 各處理酶活性比較Table 3 Comparison of enzyme activities of each treatment

2.4 秸稈還田對土壤含水量的影響

秸稈還田對土壤含水量存在一定影響,整體上0～60 cm內,隨著土壤層次加深,土壤含水量表現為增加趨勢,苗后30 d,秸稈還田降低土壤含水量,其中,CS6000處理降低幅度最大,0～20 cm處,CS6000處理下土壤含水量相比CS0處理顯著減少 1.80%,20～40 cm與40～60 cm處秸稈還田處理均相比未還田處理有所降低,但差異性不顯著(圖2-a);苗后60 d,CS3000處理增加0～20 cm土層含水量,CS0處理增加20～60 m土層含水量,CS9000處理0～20 cm土層含水量相比CS3000處理顯著降低3.5%,20～40 cm土層含水量相比CS0處理顯著降低4.88%(圖2-b);苗后90 d,0～60 cm土層含水量在各處理間無顯著性差異,整體水平上秸稈還田措施下土壤含水量略有降低,降幅在1.20%～1.71% (圖2-c);苗后120 d,0～20 cm土層處各處理土壤含水量無顯著性差異,20～40 cm土層處秸稈還田措施處理相比未還田處理土壤含水量均有所降低,降幅在2.10%～2.59%,40～60 cm土層處土壤含水量在各處理間無顯著性差異(圖2-d)。綜上所述,秸稈還田措施會導致0～20 cm土壤含水量減少,在苗后30 d、60 d降幅最大,苗后90 d、120 d差異不顯著;秸稈還田措施對20～40 cm土層含水量影響較大表現在苗后30 d,分析原因可能為該時期土壤溫度升高,蒸發(fā)增強,秸稈還田措施下土壤孔隙變大,土壤水分損耗較大。

圖2 各處理土壤含水量比較Fig.2 Comparison of soil water content among different treatments

2.5 秸稈還田對土壤細菌微生物OTU數量的 影響

操作分類單元(Operational Taxonomic Units,OTU)是在系統(tǒng)發(fā)生學研究或群體遺傳學研究中,為便于分析而人為設置的分類單元標志。以97%的相似性對序列進行聚類,相似度大于97%的序列將聚為同一個OTU。通過分析不同分類水平下的OTU數,結果如圖3所示,秸稈還田處理下均能增加各分類水平下土壤細菌微生物OTU數目,且隨著秸稈還田量的增加呈現增加趨勢。

圖3 各處理OTU數比較Fig.3 Comparison of OTU numbers of each treatment

2.6 秸稈還田對土壤細菌微生物多樣性指數的影響

本試驗在97%的相性度水平上分析12個樣品時得到4 187～5 034種水平分類的細菌(圖4-a)。CS9000處理下細菌數目最大,相比CS0、CS3000、CS6000處理分別顯著增加 13.41%、 14.32%、8.54%;Chao1指數在各樣本間呈現相同的變化趨勢,差異性顯著,大小依次為CS9000>CS6000>CS0>CS3000(圖4-b),說明CS9000處理會增加物種數,提高菌群豐富度;Shannon與Simpson指數呈現相反趨勢,Shannon指數反映出CS9000處理最大,其次為CS6000處理,而CS0處理最小(圖4-c),Simpson指數在CS0處理下最大(圖4-d),該指數說明,CS9000處理會提高細菌群群落多樣性。

圖4 各處理細菌微生物多樣性指數比較Fig.4 Comparison of microbial diversity index among different treatments

2.7 秸稈還田對土壤細菌微生物群落結構組成的影響

基于HiSeq高通量測序,發(fā)現秸稈還田下土壤細菌主要門有10種,在門水平下,對不同樣品的細菌群落組成比較可知(圖5),變形菌門(Proteobacteria)在群落結構中所占比例最大,約占所有細菌的28.02%～31.16%,屬于優(yōu)勢菌群;CS9000處理增加變形菌門,其次為CS6000處理。秸稈還田下擬桿菌門(Bacteroidetes)豐富度有所下降,CS3000、CS6000、CS9000處理較CS0處理分別降低22.88%、33.33%、33.86%;此外,CS6000處理降低綠彎菌門(Chloroflexi)相對豐富度,卻增加酸桿菌門(Acidobacteria)、奇古菌門(Thaumarchaeota)相對豐富度。

圖5 各處理群落結構(門水平)Fig.5 Community structure of each treatment (phylum)

2.8 相關性分析

通過建立環(huán)境因子與微生物群落結構相關性矩陣發(fā)現,變形菌門(Proteobacteria)與MBN、OM間存在顯著正相關;擬桿菌門(Bacteroidetes)與TS、SWC間存在顯著正相關 (P<0.05),與MBN、OM、TN、Sucrase、Catalase、WMWD間存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負相關;綠彎菌門(Chloroflexi)與MBN間存在極顯著負相關(P<0.01);浮霉菌門(Planctomycetes)與TS間存在顯著負相關(P<0.05);而芽單胞菌(Gemmatimonadetes)與WMWD間存在顯著正相關;奇古菌門(Thaumarchaeota) 與MBN間存在極顯著負相關(P<0.01);厚壁菌門(Firmicutes)與硝化螺旋菌(Nitrospirae)均與SWC間存在極顯著正相關(P<0.01)。綜合發(fā)現,MBN、SWC與細菌微生物群落結構組成間存在顯著性差異,而擬桿菌門對土壤關鍵環(huán)境因子最為敏感(表4)。

表4 土壤環(huán)境因子與微生物群落結構相關性分析Table 4 Correlation analysis between environmental factors and microbial community structure

3 討 論

3.1 秸稈還田對土壤團聚體及含水量的影響

土壤團聚體是土壤結構最基本的物質基礎,其對土壤養(yǎng)分、水分的協調起著重要作用。曹晶晶等[17]通過在棉田土壤上建立長期秸稈還田定位試驗發(fā)現,秸稈還田提高了長期連作棉田土壤1～0.25 mm水穩(wěn)定團聚體及團聚體的MWD值;張鵬等[18]在寧南干旱地區(qū)發(fā)現,高還田量下土壤機械穩(wěn)定性團聚體DR0.25含量、水穩(wěn)性團聚體WR0.25含量明顯高于未還田處理,且土壤破壞率明顯降低。而本研究結果發(fā)現,相比未還田處理,秸稈還田增加團聚體MWD與WMWD值,還田量在90 00 kg·hm-2處理下WR0.25含量顯著增加,且降低PAD值,這與前人研究結果相一致,主要由于秸稈還田后隨著腐殖化過程加強了土壤顆粒之間的膠結作用,從而導致土壤中較小團聚體向較大團聚體的轉化,增加土壤結構穩(wěn) 定性。

土壤水分是限制農業(yè)生產的主要因素,秸稈還田對土壤含水量影響較大。有研究表明,秸稈還田降低土壤水分蒸發(fā),減緩土壤水分波動,提高土壤水分利用效率[19-20],而本試驗發(fā)現,秸稈還田措施會降低土壤含水量,相比未還田在苗后 30 d、60 d顯著降低0～20 cm土壤含水量,且在苗后30 d對20～40 cm土層含水量也明顯降低;苗后90 d、120 d秸稈還田措施下土壤含水量均有不同水平減少,但差異性不顯著。這與前人研究結果不一致,分析原因可能為該區(qū)域屬于干旱區(qū),降雨量少,秸稈還田后腐解礦化較慢,無法形成有效保水層,加之土壤偏砂,蒸發(fā)量本身較大,無法形成“土壤水庫”容量,還田量越大,土壤孔隙越多,土壤含水量損失也隨之增加。

3.2 秸稈還田對土壤化學性質的影響

諸多研究表明,秸稈還田能夠提高土壤肥力,促進作物生長[21-24]。張永春等[25]研究表明,秸稈連續(xù)還田3 a后土壤的有機質含量較試驗前增加了1.4倍;劉世平等[26]試驗結果也表明秸稈還田3 a后土壤有機質、全氮、有效磷及速效鉀含量相比未還田均有所提升;慕平等[27]、李慧琴等[28]研究發(fā)現,長期秸稈還田對北方的鹽堿土壤也有一定的改良作用,能積極取得抑鹽克堿效果。本試驗研究表明,相比未還田處理,秸稈還田顯著降低土壤pH與全鹽含量,而顯著增加全氮、有機質含量,其中還田量為6 000 kg·hm-2處理相比未還田處理土壤pH降低2.23%,全鹽降低24.04%;還田量為9 000 kg·hm-2處理相比未還田處理有機質增加14.06%,全氮增加50.82%;這與慕平等[27]、王月寧等[29]的研究結果基本一致,分析原因可能為秸稈還田下土壤有機質增加與秸稈有機碳投入有關,全氮含量增加與調節(jié)土壤碳氮比而增施氮肥有關。本試驗還發(fā)現秸稈還田增加微生物量碳、微生物量氮含量,其中,微生物量碳在各處理下差異性不顯著,而微生物量氮在還田量為6 000 kg·hm-2處理與9 000 kg·hm-2處理下顯著增加,這與郭成藏等[30]、李秀等[31]研究結果相一致。主要因為秸稈還田后,在腐解過程中為土壤微生物活動補充了大量碳源,活化微生物數量,加快微生物同化有機碳,高量秸稈還田下碳源充足,同時,加之調節(jié)碳氮比而補充氮素能被土壤微生物吸收轉化,進而提高了土壤微生物量碳與微生物量氮含量。

3.3 秸稈還田對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是表征土壤養(yǎng)分循環(huán)及微生物代謝活性的關鍵指標[32]。矯麗娜等[33]在黑土上原位秸稈培養(yǎng)4 a發(fā)現,秸稈還田相比未還田顯著增加脲酶、蔗糖酶及過氧化氫酶活性;路怡青等[34]研究表明,免耕+秸稈還田處理顯著增加脲酶和堿性磷酸酶活性。本試驗研究結果表明,還田處理相比未還田處理顯著增加酶活性,但各還田量間無顯著性差異,這與前人研究結果基本一致,分析原因可能為秸稈還田帶入外源碳增加了土壤全氮與有機質含量,為微生物的繁殖創(chuàng)造良好空間,進而提高包括土壤酶在內的分泌物數量,酶活性隨之增強。

3.4 秸稈還田對土壤細菌OTU數及多樣性指數的影響

土壤微生物是評價土壤生物學特性的關鍵指標[35]。王伏偉等[36]在砂姜黑土建立秸稈還田試驗發(fā)現,秸稈還田相比還田處理能明顯增加土壤細菌Shannon多樣性指數,其中細菌群落組成中優(yōu)勢細菌門為變形菌門相對豐度最大,為 38.5%～43.2%;張鑫等[37]在石灰性潮土研究表明,秸稈還田能夠提高土壤細菌群落多樣性水平;閆寧等[38]利用煙草秸稈在水稻田還田發(fā)現,煙草秸稈還田會增加土壤細菌微生物OTU數及多樣性,本試驗研究表明,秸稈還田措施下能增加不同分類水平下土壤細菌微生物OTU數,且隨著秸稈還田量的增加呈現增加趨勢。多樣性指數分析發(fā)現,秸稈還田相比未還田顯著增加Chao1豐富度指數,同時也提高了Shannon多樣性指數,但差異性不顯著。

3.5 秸稈還田對土壤細菌群落組成的影響

本試驗發(fā)現變形菌門屬于優(yōu)勢菌群,且秸稈還田能增加變形菌門相對豐度,卻降低了擬桿菌門相對豐度,分析可能原因為變形菌門屬于富營養(yǎng)型菌,能夠在土壤有機質及營養(yǎng)元素較高環(huán)境條件下迅速生長,而擬桿菌門屬于專性厭氧桿菌,適宜生長在無氧土壤環(huán)境,其能量代謝以無氧發(fā)酵的方式進行[37]。秸稈還田改善了土壤結構,提高了微團聚體含量,為土壤呼吸提供充足的氧氣,從而抑制擬桿菌門繁殖。細菌群落組成與關鍵土壤環(huán)境因子相關性分析,微生物量氮、土壤含水量與細菌微生物群落結構組成間存在顯著性差異,該結果說明土壤微生物生物量氮與土壤含水量與細菌群落生長密切相關。

4 結 論

在銀北中低產田上連續(xù)秸稈還田5 a能明顯改善土壤結構,增加土壤養(yǎng)分,提高土壤酶活性。其中,全量還田(9 000 kg·hm-2)處理顯著增加水穩(wěn)性團聚體的平均質量直徑,降低土壤破壞率,同時,該處理下土壤全鹽含量相比未還田處理降低了15.06%,有機質增加14.06%,全氮增加50.82%,微生物氮也增加71.75%。此外,秸稈還田可提高土壤細菌微生物Shannon多樣性指數及Chao1豐富度指數,全量還田處理下提升效果最為突出。此外,本試驗在設計上只考慮秸稈資源原位消納,缺乏過量還田效應分析,在下一步工作中可通過增加過量還田來探討提高銀北中低產田產能最大的還田量。