邓巧玲，何俊峰，李继福，吴启侠

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)

邹家龙

(湖北省荆州市农技推广中心，湖北 荆州 434025)

胡义涛，黄帅

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)

作物秸秆含有丰富的碳及氮、磷、钾和中微量营养元素，是一种重要的有机质资源[1,2]。国内外学者就秸秆还田对土壤物理、化学和生物学特性的影响进行了大量研究，基本明确了秸秆还田在提高土壤肥力和改善农田生态环境方面具有积极作用[3～6]。其中，土壤微生物群落多样性是评价土壤质量变化的重要指标。研究表明，微生物在土壤生物化学循环过程中起着重要的驱动作用[7]，能够促进有机物料的降解和腐殖化，而长期施用有机肥亦会引起农田环境变化，进而导致土壤微生物量、种类分布和优势菌落发生变化以适应新的土壤环境[8]。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其稳定性直接影响土壤的通透性和微生物的生存环境[9]。刘威等[10]研究发现，免耕秸秆覆盖和秸秆翻压还田均有利于微小团聚体向较大团聚体转化，增加>0.25mm径级的水稳性团聚体比例。此外，不同粒级团聚体的物理化学特性以及养分保持和供应能力均存在差异，这直接影响其中的微生物生物量、多样性及功能。王丹等[11]研究表明，秸秆还田显著改变了2～0.2mm和0.2～0.02mm颗粒组中细菌和真菌的群落结构，而且由团聚体粒组自身带来的微生物多样性的变异远大于施肥措施引起的变异。Puget等[12]研究表明，大团聚体比小团聚体含有更多的易分解有机碳和氮，且大团聚体含量与微生物生物量碳、氮含量成极显著正相关关系。稻-麦和稻-油是中国南方稻田水旱轮作区主要的轮作制度。近年来，中国南方开展了不少秸秆还田的研究，而关于长期水旱轮作制下秸秆还田对土壤理化和生物性质影响的研究还比较薄弱[13]。因此，本研究以湖北江汉平原7年稻-油轮作定位田间试验的水稻土为研究对象，采用干湿团聚体分析、Biolog生态微平板法和磷脂脂肪酸法等技术探究秸秆还田对油菜季土壤结构和微生物多样性的影响，以期为水稻-油菜轮作区秸秆还田技术应用及微生物活性的响应机制提供科学参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于湖北省荆州市荆州区川店镇(N 30°33′25″，E 112°4′53″，海拔80m)，为河流冲积物发育的水稻土，2011年水稻季开始进行水旱轮作肥效定位试验，采用一年两熟的中稻-冬油菜轮作模式。试验前耕层(0～20cm)土壤pH 5.97、含有机质26.9g/kg、全氮0.61g/kg、碱解氮107.45mg/kg、有效磷8.1mg/kg和速效钾164.8mg/kg。土壤质地分级(美国制)为粉粒61.0%、黏粒35.5%和砂粒3.5%，属粉质黏壤土[14]。

1.2 试验设计

本研究选取其中2个处理[14]，即：(1)NPK(-S)，施用氮磷钾肥、秸秆不还田；(2)NPK+S(+S)，施用氮磷钾肥、秸秆还田。各处理3次重复，小区面积20m2，随机区组排列，S表示还田秸秆。水稻和油菜每季的肥料施用量均保持一致，即：N 180kg/hm2、P2O590kg/hm2、K2O 120kg/hm2和B 15kg/hm2。肥料品种有尿素(46% N)、过磷酸钙(12% P2O5)、氯化钾(60% K2O)和硼砂(11% B)。水稻季氮肥分3次施用，基肥∶蘖肥∶穗肥=2∶1∶1；磷肥和钾肥在水稻移栽前一次性基施。冬油菜季氮肥分3次施用，基肥∶越冬肥∶蕾薹肥=3∶1∶1；磷、钾和硼肥一次性基施。本研究截取2016～2017年油菜季相关数据，以研究长期秸秆还田对土壤结构及微生物多样性的影响。

图1 2016～2017年油菜季气温和降雨量

试验所用水稻和油菜品种均为当地主推品种，分别为鄂科1号和华油杂15号。试验期间农田月均气温和降雨情况如图1所示。田间生产管理均按当地农业技术推广部门的推荐措施进行，并适时防治病虫害。

1.3 样品采集与测定

2017年5月2日油菜收获时，按照S型采集各处理耕层土样，混匀。将土样分为2部分，一部分用手轻轻掰成<10mm的小土块，自然风干并剔除其中石块、根系，用于土壤团聚体的测定；一部分土样过2mm筛，-70℃冰箱保存。采用Biolog生态微平板法(Biolog EcoPlate)测定土壤微生物群落功能多样性；采用磷脂脂肪酸分析法(PLFA)测定微生物群落结构多样性。

团聚体分级：将一定重量风干土样通过孔径依次为5、2、1、0.5m和0.25mm套筛，分别称重计算出各级干筛团聚体占土壤总量百分率，并按干筛的比例配成60g风干土样。用Elliott土壤团聚体湿筛法[15]获得不同粒径的水稳性团聚体。

式中：Wi表示在该尺寸范围内土壤团聚体干重占总干重的比例，%；n表示筛子的数目；Xi表示聚集在每一个尺寸筛子的平均直径，mm。

分形维数(PSD)的计算公式[16]：

Biolog生态微平板法：称取5g新鲜土壤于100mL聚乙烯瓶中，加入45mL无菌去离子水，4℃下充分振荡60min，静置3min后用无菌去离子水配制成10-3土壤悬浮液。用8通道加样枪吸取土壤悬浮液150μL至ECO板的微孔中，每12h测定590nm处光度值，直至读数稳定为止，一般培养240h，利用每孔吸光度值计算平均光密度值(average well colour development，AWCD)[4]。

磷脂脂肪酸分析法：称取4.0g新鲜土样，利用Blight/Dyer法通过氯仿-甲醇-柠檬酸缓冲液(体积比1∶2∶0.8)振荡提取总脂，经硅胶柱层析(CNWBOND Si SPE Cartridge)分离得到磷脂脂肪酸，将得到的磷脂脂肪酸甲脂化，然后采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)分析磷脂脂肪酸的组成[17]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS计算和处理，LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤理化性质的影响

表1 秸秆还田对土壤理化性质的影响

秸秆还田对土壤养分含量和通透性的影响如表1所示，与-S处理相比，秸秆还田能够显著增加耕层土壤有机质、有效磷和速效钾含量，增幅分别为15.2%、23.2%和41.0%，而碱解氮含量差异不显著。这是由于作物秸秆含有大量的碳和磷、钾元素，经过多年的还田处理和微生物降解，能够提高土壤养分的有效性[5]。连续进行秸秆还田还能够降低耕层土壤容重、增加土壤通气孔隙度和含水量，但对总孔隙度和毛管孔隙度没有显著性影响。

2.2 秸秆还田对土壤团聚体分布的影响

图2A表明各处理粒径团聚体含量的分布呈现“两头高中间低”的趋势，即为：< 0.25mm团聚体含量最高；其次为>5mm和0.25～0.5mm。与-S处理相比，+S能够显著提高>5mm和0.25～0.5mm粒级的含量，增幅分别为29.1%和58.3%，这与刘威等[10]、杨如萍等[18]的研究结果基本相同。同时，秸秆还田可以明显增加>0.25mm粒径水稳性团聚体含量，这可能是地上部秸秆翻压还田及地下根系提高土壤养分的同时，还改善了土壤结构，加强了土壤的团聚作用，促进土壤中微团聚体向大团聚体的转化，进而增强土壤团聚体的稳定性[18]。

MWD:土壤平均重量直径，mm；GMD:土壤平均几何直径，mm；PSD:分形维数。图2 土壤团聚体分布与结构表征

土壤团聚体结构评价结果(图2B)显示-S处理的MWD、GMD和PSD值分别为4.71、1.33和2.79，而+S处理的值则分别依次为5.36、1.64和2.06，处理间MWD和PSD达到显著性差异。相关研究表明，团聚体的MWD和GMD值越大，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力也越强[19]。土壤团聚体PSD值的变化规律与土壤团聚体MWD和GMD基本相反。分形维数与土壤物理性质有关，分形维数PSD升高，标志着土壤中粘粒含量增大，单位质量土粒表面积增大，土壤固相对水分的吸附力增强；另一方面，在土壤孔隙比相同的情况下，PSD越大，毛细管尺寸越小，毛细管压力越大，使得土壤结构越不稳定，土壤抗侵蚀能力越差[20]。因此，秸秆翻压还田有助于改善土壤结构，而且随着试验周期延长和有机物料腐殖化，改善效果会更加明显[21]。

2.3 秸秆还田对土壤微生物多样性的影响

Biolog生态微平板法中最常用的参数AWCD是表征土壤微生物群落利用碳源能力强弱，反映土壤微生物碳代谢总体活性的重要指标[4]。图3A结果显示，-S和+S处理的AWCD值随着培养时间增加均呈“S”型增加，其中50～156h的AWCD增加速率最快，156h后不同处理间碳代谢活性逐步达到最大且趋于稳定，且表现为+S处理>-S处理，表明多年秸秆还田处理土壤微生物群落碳源利用能力提高，总体碳代谢活性增强。采用培养96h的平板微孔光密度值进行主成分分析，提取2个主成分因子并做荷载图(图3B)。2个主成分因子累计方差贡献率达到84%，说明2个主成分因子可以很好地解释秸秆还田与否土壤微生物之间的差异，其中第1主成分(PC1)的方差贡献率为46.4%，第2主成分(PC2)的方差贡献率为37.6%，可以看出试验前和油菜收获时土壤微生物群落结构分别划分在第1和第2象限，进一步表明长期施肥和秸秆还田均能显著影响土壤微生物群落结构。

AWCD:每孔颜色变化吸收值；PC1:主成分1；PC2:主成分2；IN-S:试验前的-S处理；IN+S:试验前的+S处理；GP:革兰氏阳性细菌；GN:革兰氏阴性细菌；Act:放线菌；Fungi:真菌；AM fungi:丛枝菌根真菌；F/B PLFA ratio:真菌/细菌的磷脂脂肪酸比值图3 土壤微生物功能和结构多样性

微生物群落直接而敏感地反映土壤生物活性和土壤环境的质量变化[17]。PLFA法分析结果表明，秸秆还田能够增加土壤PLFA量(+S处理 196.59nmol/g、-S处理 154.14nmol/g)(图3D)。与-S处理相比，秸秆还田能够不同程度地增加土壤中革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性菌和丛枝菌根真菌含量，而放线菌和真菌含量则有一定的降低(图3C)。真菌/细菌比可反映细菌和真菌相对含量的变化和2个种群的相对丰富程度。此外，土壤真菌与细菌脂肪酸比值越高，土壤生态系统越持续稳定[22]。对于真菌与细菌的脂肪酸比值，虽然+S处理和-S处理没有显著性差异，但仍可以看出+S处理的真菌/细菌的脂肪酸值略高(图3D)。说明长期秸秆还田对微生物群落的影响不仅在于微生物量的变化，也明显影响着微生物群落结构。

3 结论

水旱轮作条件下，长期秸秆还田能够提高土壤有机质含量和NPK养分有效性，同时降低油菜季土壤容重，并增加土壤通透性和蓄水能力。与对照(秸秆不还田)相比，秸秆还田可显著改善土壤水稳性团聚体分布、增强土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力，进而提升土壤肥力，并明显提高土壤微生物总体碳代谢活性，增加细菌和丛枝菌根真菌含量及改变微生物的群落结构多样性。

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[编辑] 余文斌