李玖燃，丁紅利，任豫霜，張 磊

(西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715)

不同用地土壤有機質(zhì)和微生物對添加秸稈的響應

李玖燃，丁紅利，任豫霜，張 磊

(西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715)

選取采集于國內(nèi)17個省(區(qū))的不同利用方式下的85個土樣為研究對象，定量添加玉米(Zeamays)秸稈置于相同溫度培養(yǎng)90 d，分析土壤有機質(zhì)(soil organic matter,SOM)含量變化特征及其驅(qū)動因子。結(jié)果表明,添加玉米秸稈后，不同用地的SOM變化存在較大差異,63.5%的土壤樣品的SOM增加，36.5%的減少;SOM含量相對變化率與其初始SOM含量呈顯著負相關關系(P<0.05),說明在短期內(nèi)添加秸稈并不一定意味著土壤有機質(zhì)會提高。試驗土樣來源于4種不同用地方式中，采集于播種糧食旱地的88%的土樣，其SOM含量增加；采集于水稻田的土樣,其SOM含量均減少；采集于林地和菜地的土樣,其SOM含量有增有減。添加秸稈后,各土樣的可培養(yǎng)微生物數(shù)量均增加,增加量表現(xiàn)為水稻田>林地>菜地>糧食旱耕地,真菌>放線菌>細菌。磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)分析顯示細菌/真菌與G+/G-均表現(xiàn)為水稻田>糧食旱耕地>林地>菜地，比值越小說明土壤生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定；A/B和iso/anteiso、C/A均表現(xiàn)為菜地>糧食旱耕地>林地>水稻田，比值越小代表養(yǎng)分和環(huán)境脅迫越嚴重。因此，4種用地方式中，水稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，受養(yǎng)分和環(huán)境脅迫程度高。

秸稈還田；土壤有機質(zhì)；土壤含水量；土地利用方式；土壤微生物；PLFA

土壤有機質(zhì)(soil organic matter,SOM)是土壤重要組成物質(zhì)，為植物生長提供了必要的營養(yǎng)元素，是土壤肥力的重要指標，對改善土壤物理、化學性質(zhì)起著重要作用[1]。秸稈還田是公認的能夠提高SOM的有效途徑之一[2]。但對于秸稈還田短期內(nèi)能否提高土壤肥力的問題則存在爭議。在有機碳含量較高或有效氮含量過高的土壤中添加有機物料，SOM含量產(chǎn)生不增加或下降的現(xiàn)象[3]；當土壤達到碳飽和度時，額外添加有機碳源將只能增加碳礦化總量，不能持續(xù)提高土壤有機碳水平，SOM含量維持不變或降低[4]。Jindaluang等[5]也證明不論是田間條件還是室內(nèi)培養(yǎng)條件，秸稈還田后的土壤固碳效應都會因土壤類型和性質(zhì)而異。

目前，不少學者對不同地區(qū)的秸稈分解、腐殖質(zhì)化以及有機質(zhì)積累推動力方面進行了研究，分析了有機物料還田后SOM含量減少的潛在因子[4,6-10]。有機物質(zhì)的輸入及其引起的土壤環(huán)境的變化，改變了土壤已有的平衡，為了實現(xiàn)新的平衡，SOM含量會出現(xiàn)持續(xù)減少、持續(xù)增加或維持在動態(tài)穩(wěn)定水平的不同反應[6]。也有學者發(fā)現(xiàn)SOM減少的現(xiàn)象在土地利用方式轉(zhuǎn)化，如旱地轉(zhuǎn)換為水稻田、荒地等方式時尤為明顯[11]，水分條件的改變可能是重要外因。土壤中有機質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，依賴于微生物所產(chǎn)生的酶來推動[12]，而微生物的活動則依賴于水分。目前對不同環(huán)境條件下添加秸稈對土壤微生物群落以及SOM積累動態(tài)的影響的研究還不多。因此，本研究對指導秸稈還田、有機農(nóng)業(yè)乃至降低溫室效應等方面有重要的意義。

為了準確有效地探討不同用地方式及不同地區(qū)土壤在加入秸稈后有機質(zhì)積累和土壤微生物群落的反應，本研究采集了全國各地大量的土樣，從中隨機選取來自國內(nèi)17個省、自治區(qū)及直轄市的85個土樣為研究對象，添加玉米(Zeamays)秸稈后進行培養(yǎng)，利用磷脂脂肪酸(PLFA)方法測定土壤樣品中微生物區(qū)系以及分析與SOM變化間的關系，以期揭示變化發(fā)生的機理，為秸稈還田提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究于2014年1月-3月在全國范圍內(nèi)采集土樣，并從中隨機抽取樣品作為試驗材料。所抽取樣品來自我國17個省、自治區(qū)和直轄市，共85個土壤樣品。分別包括重慶(14個)、云南(5個)、四川(6個)、貴州(5個)、湖南(3個)、湖北(6個)、河南(14個)、廣東(3個)、廣西(6個)、山東(4個)、河北(4個)、內(nèi)蒙古(3個)、山西(3個)、甘肅(4個)、安徽(3個)、新疆(1個)、福建(1個)。原土地利用方式主要分為4種，分別為播種糧食作物的旱作耕地(下稱“糧食旱耕地”)、林地、種植蔬菜作物旱作耕地(下稱“菜地”)和水稻田，各占37.6%、24.7%、23.5%和14.2%。研究區(qū)氣候類型復雜，包括熱帶季風、溫帶大陸性及溫帶季風氣候帶。土壤類型多樣，主要有紫色土、黃壤、紅壤和水稻土等。

各個樣品采用五點采樣法，棄去表面動植物殘體及大型固體顆粒，采集1-20 cm土層土樣，混和均勻后立即裝入對應編號的自封袋中。用于測定土樣養(yǎng)分的土樣在室內(nèi)風干，分別過1.5和2 mm篩后備用；用于分析土壤微生物指標的樣品置于4 ℃冰箱保存，一周內(nèi)測定。土壤初始SOM含量見表1，土壤基本理化性質(zhì)：pH 4.4～9.1、總氮0.4～7.9 g·kg-1、總磷0.2～0.8 g·kg-1、總鉀4.4～24.1 g·kg-1、堿解氮18.5～360.7 mg·kg-1、速效磷6.2～54.0 mg·kg-1、速效鉀0.05～4.5 g·kg-1。

供試玉米秸稈采集于成熟后地上部分，70 ℃烘干后剪至3 cm待用；玉米秸稈養(yǎng)分含量為(干基)：全磷0.231%、全氮1.068%、全鉀1.40%；試驗所用培養(yǎng)容器規(guī)格為高10 cm、直徑8 cm，并帶有封口膜的玻璃容器。

1.2 試驗設計

采取室內(nèi)模擬恒溫培養(yǎng)方法，85個土樣分別稱取150 g，裝入各自獨立玻璃容器中，有氣孔薄膜封口。將玉米秸稈分別添加并混合均勻，秸稈總用量為每瓶4 g，以無秸稈添加為對照，每個土樣設置3個重復。置于溫室進行培養(yǎng)(30 ℃)。培養(yǎng)過程中采用重量控制法控制水分，即保持培養(yǎng)體系重量與初始重量一致，每7 d添加蒸餾水至初始重量。培養(yǎng)90 d后分別測定添加秸稈前后土壤含水量、SOM含量和微生物指標[13-14]。

表1 供試土壤初始土壤有機碳含量

1.3 測定方法

測定時去掉土壤樣品中未分解的有機殘體，土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法(K2Cr2O7-H2SO4法)[15]；

有機質(zhì)含量相對變化率計算：

有機質(zhì)相對變化率=(秸稈添加后SOM含量-初始SOM含量)/初始SOM含量×100%。

土壤水分含量的測定采用常規(guī)方法[15]：

(濕基)水分=[(土樣+烘干盒重)-(烘干的土+盒重)]/[(土樣+烘干盒重)-烘干盒重]×100%。

土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量測定采用平板稀釋法[16]，其中細菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌用加入孟加拉紅的馬鈴薯葡萄糖培養(yǎng)基；放線菌用高氏一號培養(yǎng)基。磷脂脂肪酸(PLFA)采用White等的方法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用平均值和標準誤表示測定結(jié)果，分別對4種土地利用方式下可培養(yǎng)微生物數(shù)量及增加量、不同類群PLFA比值進行單因素方差分析，并用Duncan法對各測定數(shù)據(jù)進行多重比較；采用Excel 2012制圖。

2 結(jié)果

2.1 添加玉米秸稈對SOM含量的影響

添加玉米秸稈后，不同地區(qū)土樣對外源有機物質(zhì)輸入的響應情況不同：供試的85個土樣中，SOM含量增加的土樣有54個，變化范圍為0.25～193.31 g·kg-1，大多采集于湖北、重慶、四川、山東等地；SOM含量減少的土樣有31個，變化范圍為-112.30～-0.30 g·kg-1，大多采集于河南、重慶等地。這表明秸稈還田短期內(nèi)并不一定使有機質(zhì)增加，且短期內(nèi)有機質(zhì)消長情況無明顯地帶性分布(圖1)。

2.2 添加玉米秸稈后SOM含量變化的驅(qū)動因素

2.2.1 添加玉米秸稈后土壤初始SOM含量與SOM含量變化間關系 添加玉米秸稈后，其SOM初始含量是影響其變化趨勢的重要因素之一。85個土樣的SOM含量相對變化率與其初始SOM含量呈顯著(P<0.05)負相關關系，二者較好地符合對數(shù)關系(圖2)。表現(xiàn)為對不同的土樣而言，其自身有機碳含量越低，則越有利于外源碳的輸入，即碳素的固定。

2.2.2 土壤水分含量對添加秸稈后SOM含量變化的影響 土壤含水量是影響SOM變化趨勢的重要因素之一，土壤含水量具有較好的梯度分布，根據(jù)土壤樣品中水分梯度進行分組分析(表2)。其中土壤含水量為11%～20%的土樣最少，僅占14%，稱為A組；原有土壤含水量為21%～30%的土樣占67%，為B組；土壤含水量為31%～40%的土樣占19%，為C組。添加秸稈后，3組水分梯度下，SOM含量均出現(xiàn)了增加或者減少的現(xiàn)象。A、B和C三組SOM平均增加量分別為5.74、11.86和35.61 g·kg-1，A組的增加量低于B組和C組；就SOM變化率而言，A、B和C三組平均增加率分別為23.55%、37.12%、38.59%，表明SOM變化率隨著土壤含水量增加而增加。

2.2.3 添加玉米秸稈后土地利用方式與SOM含量變化的關系 在相同的水分梯度下，添加秸稈后，SOM含量變化趨勢不同，說明除水分因素外，還受到其它因子影響，進一步探討相同水分梯度，土地利用方式對SOM含量產(chǎn)生的影響。添加秸稈后(圖1)，糧食旱耕地類型中共24個土樣，SOM相對變化率增加的有21個土樣，較初始SOM含量增加最大的，增加了345.6%，僅有3個土樣的SOM相對變化率減少，平均減少了12.8%；水稻田用地方式中SOM含量均減少，較初始SOM含量減少最多的,減少了59.1%；林地用地方式和菜地用地方式SOM相對變化率有正有負，但林地中，增加的土樣(除HUB-2和GS-2外)較初始含量增加了的平均不足10%，但減少的土樣較初始含量去平均減少24.79%；菜地類型中SOM含量增加和減少的土樣各占50%，SOM含量平均增加和減少量分別為23.36%和26.49%。4種土地利用方式的SOM含量變化受初始SOM含量影響明顯，糧食旱耕地初始SOM平均值最低，SOM平均增加量最高，增幅達36%。

圖1 玉米秸稈添加后SOM初始含量及變化量

圖2 SOM含量相對變化率與初始值的關系

2.2.4 添加玉米秸稈后土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量和PLFA特征 分析水分含量21%～30%土樣的可培養(yǎng)微生物可知(表3)，在添加秸稈后4種用地方式的土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量均大幅增加，增加量表現(xiàn)為水稻田>林地>菜地>糧食旱耕地。水稻田的可培養(yǎng)細菌初始值極顯著高于林地、菜地和糧食旱耕地(P<0.01)；可培養(yǎng)真菌數(shù)量表現(xiàn)為糧食旱耕地>林地>菜地>水稻田；可培養(yǎng)放線菌數(shù)量表現(xiàn)為林地>水稻田>菜地>糧食旱耕地。添加玉米秸稈后，與細菌、放線菌相比，可培養(yǎng)真菌增加幅度最大，達503%，4種用地的增加量表現(xiàn)為水稻田>林地>糧食旱耕地>菜地，可培養(yǎng)細菌增加量表現(xiàn)為水稻田>菜地>糧食旱耕地>林地，可培養(yǎng)放線菌的增加量表現(xiàn)為林地>菜地>水稻田>糧食旱耕地，細菌、真菌和放線菌的增加量在4種用地間均形成極顯著差異。水稻田原始土樣中可培養(yǎng)細菌數(shù)在各土樣中最高，可培養(yǎng)真菌數(shù)最低。經(jīng)過處理過程，水稻田可培養(yǎng)真菌數(shù)量增加量極顯著地高于其它處理，而可培養(yǎng)細菌數(shù)的增加量在各土樣中居中，即處理前后，水稻田的可培養(yǎng)細菌/真菌下降且SOM含量下降，由此推斷可培養(yǎng)細菌/真菌下降不利于有機質(zhì)的積累。相反地，糧食旱耕地的上述各指標在4種用地方式中變化最小。

表2 不同用地土樣的土壤含水量分布及相應的有機質(zhì)變化量

表3 含水量21%～30%土樣添加秸稈后4種用地的可培養(yǎng)微生物數(shù)量及其增加量

添加玉米秸稈后4種用地的細菌/真菌與G+/G-比值越小說明土壤生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定(表4)。水稻田的上述值顯著高于其它土地利用方式(P<0.05)，說明菜地土壤微環(huán)境穩(wěn)定性最好，林地和糧食旱耕地次之，水稻田最差；A/B和iso/anteiso、C/A值越小代表受養(yǎng)分和環(huán)境脅迫越嚴重，A/B和iso/anteiso表現(xiàn)為菜地>糧食旱耕地>林地>水稻田，水稻田的iso/anteiso顯著低于菜地、糧食旱耕地和林地(P<0.05)，水稻田土壤C/A值也顯著低于菜地、糧食旱耕地和林地，表明水稻田土壤微生物活性受環(huán)境脅迫和養(yǎng)分脅迫程度高于其它用地。

表4 4種用地添加玉米秸稈后土壤微生物PLFA特征值

注：G+為陽性革蘭氏細菌，G-為陰性革蘭氏細菌，A為直鏈單不飽和脂肪酸，B為環(huán)丙烷脂肪酸，C為直鏈飽和脂肪酸，iso為支鏈異構飽和脂肪酸，anteiso為支鏈反異構飽和脂肪酸。同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note：G+, positive galanz bacteria; G-, negative galanz bacteria; A, straight chain monounsaturated fatty acid; B, cyclopropane fatty acid; C, straight chain saturated fatty acid; ios, branched isomerism saturated fatty acid; anteiso, branched saturated fatty acid; Different lowercase letters within the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

3 討論

秸稈添加到土壤中，分解轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)與土壤水分、土地利用方式、微生物種類、數(shù)量等條件有關[18]。水分條件是秸稈分解轉(zhuǎn)化為SOM的一個決定性因素[19]。土壤含水量通過影響土壤微生物的活動、土壤通氣性等條件，從而影響秸稈分解以及SOM形成[20]。土壤中的水分過多時導致土壤微生物(好氧菌)缺氧而分解作用降低甚至停止；水分不足時或干旱時[21]，分解作用亦是如此。保持適宜的土壤水分含量，才能保證土壤中水分和氧氣的協(xié)調(diào)和平衡，最大限度地發(fā)揮土壤微生物的作用[22]。本研究中，有機質(zhì)增加的土壤中土壤含水量(土壤適宜的水分范圍)越高，土壤微生物活性越強，可以加速土壤微生物的代謝能力，有利于微生物分解秸稈，促進有機質(zhì)的形成，有機質(zhì)增加量越高。

SOM形成是極為復雜的過程，是土壤有機質(zhì)和外來有機質(zhì)在復雜的條件下腐殖化和礦化作用的動態(tài)結(jié)合[23]。玉米秸稈添加到土壤中后，首先，在秸稈分解初期，無芽孢細菌和霉菌生長最為旺盛，分解雙糖和單糖等物質(zhì)；其次，無芽孢細菌逐漸減少，纖維素分解菌大量生長，兩者共同作用分解蛋白質(zhì)、果膠類和纖維素等；最后，放線菌可以將秸稈中難分解的木質(zhì)素和單寧等物質(zhì)分解，形成轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)[24]。與此同時，微生物數(shù)量的增加短期內(nèi)會引起土壤原有土壤中有機碳礦化，有機質(zhì)的形成量小于礦化量會造成有機質(zhì)減少[25-26]。本研究中，4種用地方式中，添加秸稈后采集的所有水稻田土壤樣品SOM均減少，水稻田原始土樣中可培養(yǎng)細菌數(shù)在各土樣中最高，可培養(yǎng)真菌數(shù)最低。經(jīng)過處理，水稻田可培養(yǎng)真菌數(shù)量增加量極顯著地高于其它處理，而可培養(yǎng)細菌數(shù)的增加量在各土樣中居中，真菌增加量極顯著地高于其它利用方式土壤，在原有淹水的環(huán)境條件下，細菌為優(yōu)勢類群，真菌處于競爭劣勢[27]，所以原水稻田樣品細菌數(shù)量高于其它土壤，而真菌數(shù)量低于其它用地方式土壤樣品。添加秸稈改善了淹水狀態(tài)下的通氣條件，新增秸稈以及氧氣條件刺激真菌大幅度增長，真菌具有較強的降解有機質(zhì)的能力[28-29]，消耗土壤原有SOM，土壤礦化速率的加快[30]，使得SOM形成量小于礦化量，導致SOM含量減少。土壤通氣條件使得氧化穩(wěn)定性差有機質(zhì)發(fā)生了氧化分解[31]，造成水稻田SOM在添加秸稈后減少。所以，正如PLFA結(jié)果顯示，水稻田原有的淹水條件使得土壤微生態(tài)環(huán)境較其它用地方式的脆弱，易受環(huán)境和養(yǎng)分的脅迫。水稻田添加秸稈后應該保持較高含水量，以便保持土壤原有環(huán)境條件使SOM得到積累。

4 結(jié)論

添加玉米秸稈后，秸稈還田短期內(nèi)并不一定使有機質(zhì)增加,短期內(nèi)有機質(zhì)消長情況無明顯地帶性分布。不同用地的SOM變化存在差異。4種用地方式中水稻田SOM減少最多。添加秸稈后，水稻田可培養(yǎng)真菌數(shù)量增加量極顯著地高于其它用地方式，真菌數(shù)量大幅度的增加，促使秸稈分解和礦化加快，致使SOM水平降低。

添加秸稈，水稻田的細菌/真菌與G+/G-值大，A/B和iso/anteiso、C/A值小，表明水稻土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，受養(yǎng)分和環(huán)境脅迫程度高。

4種用地方式添加秸稈后的SOM均受初始SOM影響，糧食旱地初始平均SOM最低，添加秸稈后增加量最高，初始有機質(zhì)SOM含量越低，越有利于有機質(zhì)積累。

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(責任編輯 茍燕妮)

Effect of cornstalk addition on soil organic matter dynamics and microorganism under different land use patterns

Li Jiu-ran, Ding Hong-li, Ren Yu-shuang, Zhang Lei

(College of Resource and Environment, SouthwestUniversity, Chongqing 400715, China)

85 soil samples under different land use pattern were collected from 17 provinces in China.Then each soil sample was added with cornstalk and cultivated under natural condition for 90 d in order to understand the dynamics and motivation of soil organic matter (SOM) after the cornstalk addition.The results showed that the original land use pattern significantly affected SOM of soil samples with stalk.63.5% soil samples had shown an increase of SOM,while SOM of 36.5% soil samples decreased,which indicates that cornstalk addition did not necessarily lead to SOM increasing within a short period of time. SOM of 88% soil samples from crop dry land had increased while it decreased all samples from paddy soils, and SOM in soils from forest lands and vegetable fields did not have obvious trend. After cornstalk addition, the number of cultivable bacteria, fungi and actinomycetes of all soil samples increased in the following orders:paddy field> forest> vegetable>crop dry land, and fungi>actinomycetes>bacteria. According to phospholipid fatty acids (PLFA), the smaller bacteria/fungi and G+/G-, the more stable soil micro-ecosystem is; the smaller A/B,ios/anteiso and C/A are, the more unstabilitythe environment in soilis. PLFA analysis shows that soil micro-ecosystem stability increases in the following series:paddy field,crop dry land, forest land and vegetable land; the environmental and soil nutrient stress increases in the following series: vegetable land,crop dry land, forest land and paddy field. Therefore, paddy field had the worst soil micro-ecosystem stability and suffered the most nutrient and environment stress than all the other soils in this study.

straw-amended soil; soil organic matter; soil moisture content; land use pattern; micro flora；PLFA

Zhang Lei E-mail:zhanglei03@aliyun.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0248

李玖燃,丁紅利,任豫霜,張磊.不同用地土壤有機質(zhì)和微生物對添加秸稈的響應.草業(yè)科學,2017,34(5)：958-965.

Li J R,Ding H L,Ren Y S,Zhang L.Effect of cornstalk addition on soil organic matter dynamics and microorganism under different land use patterns.Pratacultural Science，2017,34(5)：958-965.

2016-05-10 接受日期：2017-03-23

國家級“三峽庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測與模擬國際科技合作基地”；中央高?；究蒲袠I(yè)務費(XDJK2016D042)

李玖燃(1994-)，女，黑龍江海林人，在讀碩士生，主要從事土壤環(huán)境微生物研究。E-mail:lijiuranv@163.com

張磊(1967-)，女，重慶北碚人，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)與環(huán)境微生物、土壤學研究。E-mail：zhanglei03@aliyun.com

S154.3

A

1001-0629(2017)05-0958-08