趙凌霄,姜麗娜,馬建輝,魏繼拓,趙冬陽

(河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007)

糧食生產(chǎn)關(guān)系到國計民生。2019年我國糧食作物播種面積11 606.4萬hm2，糧食總產(chǎn)量66 384萬t，其中,小麥和玉米播種面積分別為2 373.3萬hm2和4 126.6萬hm2，占全國糧食作物播種面積的56%；產(chǎn)量分別為13 359萬t和26 077萬t，占全國糧食總產(chǎn)量的59%[1]。在糧食增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的同時，作物秸稈產(chǎn)量也逐年增加，每年全國作物秸稈量約9億t，其中小麥、玉米和水稻三大作物秸稈量約占總量的80%以上[2-3]。作物秸稈中含有豐富的有機碳以及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，秸稈還田可以提高土壤養(yǎng)分含量、改善土壤質(zhì)量、補充作物生長所需的氮素、提高作物產(chǎn)量，是低消耗、可持續(xù)的以地養(yǎng)地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[4-10]。但有研究表明，秸稈長期直接還田會導(dǎo)致秸稈分解緩慢、誘發(fā)病害等問題，存在作物減產(chǎn)的風(fēng)險[11-12]，而秸稈過腹轉(zhuǎn)化為有機肥形式還田可有效避免上述問題，且施用有機肥可以培肥地力，提高作物增產(chǎn)增質(zhì)效果[13-15]。目前，關(guān)于秸稈還田的研究多集中在秸稈還田方式、秸稈還田配施氮肥對作物生長及農(nóng)田環(huán)境的影響方面[16-19]。趙偉等[16]通過不同秸稈還田方式對黑土土壤氮素及物理性狀進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田處理均增加了土壤銨態(tài)氮含量，而秸稈過腹還田處理可增加土壤全氮含量。汪軍等[17]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥可降低田面水和滲透水中的氮、磷濃度，提高肥料利用效率。張慧霞[18]在褐土農(nóng)田進(jìn)行長期定位試驗，比較不同秸稈還田方式、培肥處理對玉米產(chǎn)量和氮素盈虧的影響，發(fā)現(xiàn)年施氮量120 kg/hm2已經(jīng)基本滿足玉米對氮素的需求，秸稈直接還田可以使土壤氮素盈余維持在較低水平。張娟琴等[19]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施300 kg/hm2氮肥可以促進(jìn)土壤碳、氮的更新，培肥土壤，增加水稻產(chǎn)量。綜上，關(guān)于不同秸稈還田方式、秸稈還田配施氮肥的研究多集中于單季作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分方面，而對作物周年產(chǎn)量及土壤微生物多樣性的影響研究缺乏報道。為此，研究連續(xù)3 a秸稈過腹還田和直接還田配施氮肥對小麥-玉米周年產(chǎn)量和土壤理化性狀的影響，以期為秸稈的高效利用和氮肥的合理配施提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2016—2019年在河南省?？h鉅橋鄉(xiāng)劉寨村試驗田(114°33′E、35°40′N)進(jìn)行，該地區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地勢平坦，土地肥沃，地下水資源豐富，土質(zhì)為黏壤質(zhì)潮土。2016年小麥播前0～20 cm土層含全氮1.16 g/kg、速效磷22.45 mg/kg、總碳24.81 g/kg，pH值為7.71。

供試小麥品種為周麥32，玉米品種為鄭單958。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置秸稈直接還田和秸稈過腹還田2種還田方式，并配施不同量的氮肥(以純氮計)，共計8個處理(表1)。其中，秸稈過腹還田均以施入干牛糞4 000 kg/hm2計(秸稈過牛腹轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.55)。每個處理重復(fù)3次。冬小麥播量為210 kg/hm2，分別于越冬期、拔節(jié)期、開花期進(jìn)行灌溉；夏玉米種植密度為69 000株/hm2，分別于播種、大喇叭口期進(jìn)行灌溉，小麥、玉米季每次灌水量均為600 m3/hm2。經(jīng)過連續(xù)3 a秸稈還田配施氮肥處理后，于2019年小麥、玉米成熟期分別取各處理植株和土壤樣品進(jìn)行測定。

表1 不同處理秸稈還田方式及施氮量Tab.1 The straw returning ways and nitrogen application amount of different treatments

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量 于小麥成熟期取各處理1 m2麥穗，玉米成熟期取各處理3 m2玉米穗，置于網(wǎng)袋自然風(fēng)干，脫粒、稱質(zhì)量，計產(chǎn)。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)

1.3.2.1 全氮和有機質(zhì)含量 于小麥、玉米成熟期，用環(huán)刀取0～20、20～40、40～60 cm土壤樣品，烘干、粉碎，采用AA3流動分析儀測定土壤全氮含量，利用TOC測定儀測定土壤有機質(zhì)含量。

1.3.2.2 容重及孔隙度 于小麥、玉米成熟期，用環(huán)刀取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤樣品，烘干、稱質(zhì)量，計算土壤容重、孔隙度。

1.3.2.3 微生物測序分析 于小麥、玉米成熟期，分別采集0～20 cm表層土壤，過0.5 mm篩，置于-80 ℃冰箱。采用CTAB/SDS方法提取土壤樣品的總基因組DNA，經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測之后，使用無菌水將所提取DNA稀釋至1 ng/μL；選取具有條形碼的特異性引物擴增16S rRNA基因；將擴增產(chǎn)物在2%瓊脂糖凝膠上進(jìn)行電泳檢測。選取400～450 bp具有明亮主條帶的樣品進(jìn)行純化。采用Qubit@ 2.0熒光計(Thermo Scientific)和安捷倫生物分析儀2100系統(tǒng)對文庫質(zhì)量進(jìn)行檢驗，合格后，在Illumina MiSeq平臺上對庫進(jìn)行測序。在微生物多樣性分析中，對序列以97%的相似度采用R軟件barplot進(jìn)行Cluster聚類分析。基于線性模型采用R軟件vegen進(jìn)行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0及Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、制圖，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈過腹還田配施氮肥對小麥-玉米周年產(chǎn)量的影響

冬小麥、夏玉米周年籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為秸稈過腹還田處理高于周年秸稈均直接還田的N1和N8處理，以N2處理周年產(chǎn)量最高，其次是N3、N4處理，差異不顯著(圖1)。從小麥產(chǎn)量來看，N2處理最高，顯著高于除N3、N4處理外的其他處理，說明與秸稈直接還田相比，玉米秸稈過腹還田顯著提高了小麥籽粒產(chǎn)量。從玉米產(chǎn)量來看，以N7處理最高，顯著高于N5和N1處理。N5處理和N7處理的周年秸稈還田方式相同，但N5處理玉米季追施氮肥減半，導(dǎo)致其玉米產(chǎn)量低于N7處理。N2、N7和N8處理，周年施氮量均相同，但秸稈還田方式不同，周年產(chǎn)量和小麥產(chǎn)量均表現(xiàn)為N2>N7>N8，玉米產(chǎn)量差異不顯著，表明玉米秸稈過腹還田提高了小麥-玉米周年產(chǎn)量，且主要表現(xiàn)在對小麥產(chǎn)量的提升上。

不同小寫字母表示同一作物不同處理間在0.05水平上差異顯著，下同 Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different treatments of the same crop,the same below

2.2 秸稈過腹還田配施氮肥對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 全氮含量 小麥、玉米成熟期0～60 cm土層土壤全氮含量隨土層深度增加呈下降趨勢(圖2)。小麥成熟期，0～20 cm土層全氮含量以N2、N4處理較高，顯著高于其他處理；20～40 cm土層全氮含量以N6處理最高，顯著高于其他處理；40～60 cm土層整體上不同處理間全氮含量變化較小，亦以N6處理最高，顯著高于除N7處理外的其他處理。玉米成熟期，0～20 cm土層，N7處理土壤全氮含量最高，顯著高于其他處理；前茬小麥秸稈過腹還田條件下，玉米成熟期0～20 cm土層全氮含量隨追施氮量的減少而降低，表現(xiàn)為N7>N6>N5；20～40、40～60 cm土層全氮含量均以N2處理最高。

2.2.2 容重及孔隙度 隨著土層深度增加，土壤容重總體呈先增加后下降趨勢(圖3)，而土壤孔隙度與之相反(圖4)。不同處理間0～20 cm土層土壤容重變化幅度較大，說明秸稈還田配施氮肥對表層土壤影響較大；隨著土層深度增加，不同處理間土壤容重、孔隙度的變化幅度總體上有減小趨勢。小麥成熟期，0～20 cm土層，N8處理土壤容重顯著低于N1、N2、N3和N6處理，N8處理對小麥成熟期表層土壤容重降低效果最明顯。除40～60 cm土層外，其他土層中N1處理土壤容重均最高，土壤孔隙度與之相反。前茬玉米秸稈過腹還田處理下，除0～20 cm土層外，其他土層N4處理土壤容重始終低于N2處理，同時N4處理土壤孔隙度均高于N2處理，N4處理對土壤容重、孔隙度的改善效果較N2處理優(yōu)。玉米成熟期，0～20 cm土層，N7處理土壤容重顯著低于N3、N4、N5、N6和N8處理，N5處理土壤容重最高，土壤孔隙度與之相反；0～40 cm土層，N8處理土壤容重均低于N5處理，但高于N6和N7處理，而60～100 cm土層，N8處理土壤容重均高于N5、N6和N7處理，土壤孔隙度與之相反。因此，在玉米成熟期除40～60 cm土層外，各土層N6和N7處理對土壤容重、孔隙度的改善效果均優(yōu)于N8處理。

2.2.3 有機質(zhì)含量 土壤有機質(zhì)含量隨土層深度增加而逐漸降低(圖5)。秸稈過腹還田配施氮肥對0～20 cm土層有機質(zhì)含量的影響較明顯。小麥成熟期，0～20 cm土層，N1處理土壤有機質(zhì)含量顯著低于其他處理，N4處理土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他處理；20～40 cm土層，除N1處理外，N2、N3、N4處理土壤有機質(zhì)含量均顯著低于其他各處理，N6處理最高；40～60 cm土層，N1、N2、N3、N4處理均顯著低于N5、N6、N7、N8處理，N5、N6、N7、N8處理間差異不顯著。玉米成熟期，0～20 cm土層，N7處理土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他各處理，前茬小麥秸稈過腹還田處理中，隨施氮量的減少土壤有機質(zhì)含量逐漸降低，表現(xiàn)為N7>N6>N5；20～40 cm土層，各處理土壤有機質(zhì)含量無顯著差異；40～60 cm土層，N5處理土壤有機質(zhì)含量顯著低于其他處理，N6處理最高。

2.2.4 微生物群落組成

2.2.4.1 OTUs(Operational taxonomic units)數(shù)量 以97%相似性水平統(tǒng)計，8個處理中，小麥成熟期土壤共同OTUs數(shù)量為1 676個，玉米成熟期共同OTUs數(shù)量為1 138個(表2)。小麥成熟期土壤OTUs數(shù)量高于玉米成熟期。除N8處理外，小麥成熟期獨有OTUs數(shù)量均高于玉米成熟期，而N8處理小麥成熟期獨有OTUs數(shù)量最低，玉米成熟期最高。

表2 小麥、玉米成熟期0～20 cm土壤OTUs數(shù)量Tab.2 OTUs number in 0—20 cm soil in wheat and maize mature periods 個

2.2.4.2 微生物群落組成 各處理微生物組成基本相近，其中，變形菌(Proteobacteria)在各處理中的相對豐度均最高，其次為放線菌(Actinobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)、芽孢桿菌(Gemmatimonadetes)等(圖6)。小麥成熟期，N1處理土壤中擬桿菌豐度高于其他處理，而芽孢桿菌豐度則低于其他處理。N1處理周年未施用氮肥，說明施用氮肥可能會降低擬桿菌豐度，提高芽孢桿菌豐度。N2、N3和N4處理下，土壤中放線菌豐度低于其他處理，說明秸稈過牛腹還田較秸稈直接還田處理會減少放線菌的豐度。與小麥成熟期相比，玉米成熟期，各處理變形菌相對豐度整體減少，而放線菌相對豐度較小麥成熟期整體增加。N1處理下，土壤中放線菌豐度高于其他處理，而芽孢桿菌豐度則低于其他處理，這與小麥成熟期表現(xiàn)相似。N5、N6、N7處理下，土壤放線菌豐度均低于其他處理，可能與前茬小麥秸稈過腹還田有關(guān)。

圖6 秸稈過腹還田配施氮肥對小麥(A)、玉米(B)成熟期0～20 cm土壤微生物組成的影響Fig.6 Effects of returning straw to field through cow’s belly and applying nitrogen fertilizer on the bacterial composition in 0—20 cm soil in wheat(A)and maize(B)mature periods

2.2.4.3 冗余分析 如圖7所示，圖中箭頭分別代表不同環(huán)境因子、樣本，樣本與環(huán)境因子之間的夾角代表物種樣本與環(huán)境因子間的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，即銳角為正相關(guān)、鈍角為負(fù)相關(guān)、直角無相關(guān)性，環(huán)境因子的射線越長，說明該影響因子對樣本的影響程度越大。其中，橫向為第一主軸，縱向為第二主軸。本研究中只考慮主要菌群與環(huán)境因子之間的關(guān)系。冗余分析結(jié)果表明，小麥成熟期，第一主軸解釋了25.4%兩者之間的關(guān)系，第二主軸解釋了20.3%兩者之間的關(guān)系。土壤容重、有機質(zhì)含量分別為第一主軸和第二主軸上的主要影響因子。土壤中相對豐度較高的菌群中，變形菌群、擬桿菌群豐度與土壤容重呈正相關(guān)，放線菌群豐度與土壤容重、有機質(zhì)含量及全氮含量均呈負(fù)相關(guān)，芽孢桿菌群豐度則與土壤有機質(zhì)含量、全氮含量呈正相關(guān)。玉米成熟期，第一主軸解釋了42%兩者之間的關(guān)系，第二主軸解釋了47%兩者之間的關(guān)系。土壤有機質(zhì)含量和土壤全氮含量分別為第一主軸和第二主軸上的主要影響因子。變形菌群、擬桿菌群豐度與土壤容重呈正相關(guān)，芽孢桿菌群豐度則與土壤有機質(zhì)、全氮含量呈正相關(guān)。

pH為土壤pH值，TN為土壤全氮含量，Organic為土壤有機質(zhì)含量，Bulk為土壤容重。白色箭頭表示環(huán)境因子，黑色箭頭表示微生物物種。Proteobc：Proteobacteria；Actinobc；Actinobacteria；Bacteroi：Bacteroidetes；Gemmatim：Gemmatimonadetes；Acidobac：Acidobacteria；Firmicut：Firmicutes；Nitrospr：Nitrospirae；Latescib：Latescibacteria；Entotheo：Entotheonellaeota；Elusimic：Elusimicrobia；Chlorofl：Chloroflexi；Patescib：Patescibacteria；Fibrobac：Fibrobacteres；Rokubact：Rokubacteria；Dependen：Dependentiae；Verrucom：Verrucomicrobia；Cyanobac：Cyanobacteria；Zixibact：Zixibacteria；Epsilonb：Epsilonbacteraeota；Calditrc：Calditrichaeota；Planctom：Planctomycetes；Deferrib：Deferribactere；Spirocha：Spirochaetes；Tenerict：Tenericutes；Armatimn：Armati-monadetes；Chlamydi：Chlamydiae；Fusobact：Fusobacteria；Dadabact：Dadabacteria；Margulis：Margulisbacteria；Epsilonb：Epsilonbacteraeota pH represents the soil pH value,TN represents the soil total nitrogen content,Organic represents the soil organic matter content,Bulk represents the soil bulk density.The white arrow indicates environmental factors，and the black arrow indicates microbial species

3 結(jié)論與討論

3.1 秸稈還田配施氮肥對冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量的影響

秸稈還田方式以及氮肥施用量對小麥、玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有不同程度的影響，適宜的秸稈還田方式并在作物生育期配施氮肥可以有效調(diào)節(jié)作物生長環(huán)境，改善土壤水、肥、熱等條件，促進(jìn)作物生長，從而使作物產(chǎn)量最大化[20-22]。周懷平等[23]研究發(fā)現(xiàn)，配施150 kg/hm2氮肥條件下，玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為秸稈過腹糞肥還田>秸稈覆蓋還田>秸稈粉碎直接還田>秸稈不還田。胡強等[24]研究認(rèn)為，施氮0～600 kg/hm2，玉米產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加而逐步提高，本研究結(jié)果與之相似。在本試驗中，周年施氮0～695 kg/hm2條件下，前茬秸稈過腹還田處理下，周年籽粒產(chǎn)量隨施氮量的減少而逐步降低。除N4與N7處理周年產(chǎn)量基本持平外，玉米秸稈過腹還田處理籽粒產(chǎn)量高于小麥秸稈過腹還田處理。秸稈過腹還田處理下，籽粒周年產(chǎn)量高于秸稈周年直接還田處理(N8)，說明在作物生育期采用前茬秸稈過腹還田處理并周年減施0～127.5 kg/hm2氮處理較常規(guī)直接還田處理均可以提高周年作物產(chǎn)量。

3.2 秸稈還田配施氮肥對土壤肥力的影響

秸稈中含有大量有機質(zhì)及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，秸稈直接還田后可有效提高土壤養(yǎng)分指標(biāo)，增加土壤肥力水平[25]。汪軍等[26]研究表明，連續(xù)秸稈還田配施適量氮肥可以改善土壤養(yǎng)分狀況，增加0～15 cm土壤有機質(zhì)含量，與僅玉米秸稈直接還田處理相比，玉米秸稈直接還田配施氮肥260 kg/hm2處理顯著提高了小麥成熟期0～20 cm土壤有機質(zhì)含量，本研究結(jié)果與之相似。李艷等[27]通過比對玉米秸稈還田后配施不同用量氮肥發(fā)現(xiàn)，連續(xù)秸稈還田配施165 kg/hm2氮處理可以增加黏重黑土土壤孔隙度，改善團粒結(jié)構(gòu)比例，降低土壤容重。而趙士誠等[28]研究指出，常年大量秸稈翻入耕層會導(dǎo)致秸稈腐解慢，耕層土壤間隙大，土壤水分不足，影響作物出苗、生長，不利于作物產(chǎn)量持續(xù)增加[29-30]。畜禽糞便等有機肥料配施氮肥可以提高土壤有機質(zhì)含量，增加土壤全氮含量，改善土壤容重、孔隙度，緩解單施化肥造成的土壤pH值下降問題，且與小麥、玉米秸稈直接還田相比，秸稈粉碎摻入飼料喂牛，減少秸稈的丟棄，同時降低了養(yǎng)牛成本，且產(chǎn)生的牛糞還入田中可提高小麥、玉米輪作的土壤肥力，減少化學(xué)氮肥的施用，環(huán)境保護(hù)壓力和經(jīng)濟成本均有所降低[31-34]。因此，秸稈過牛腹還田配施氮肥具有一定的優(yōu)勢。在本試驗條件下，0～20 cm土層中，小麥成熟期，N4處理土壤有機質(zhì)含量和全氮含量均高于其他處理；玉米成熟期，N7處理土壤有機質(zhì)含量和全氮含量均高于其他處理，N4處理次之。說明N4、N7處理對0～20 cm表層土壤有機質(zhì)、全氮含量的提高效果較秸稈直接還田配施氮肥的N8處理更明顯。

3.3 秸稈還田配施氮肥對土壤微生物群落組成的影響

土壤微生物是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，對土壤環(huán)境的變化十分敏感，易受外部因素干擾[35]，土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要參與者，對于土壤可持續(xù)利用具有重要意義[36]。劉驍蓓等[37]分析小麥秸稈還入稻田對土壤微生物量與群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)變形菌相對豐度最高，本研究結(jié)果與之一致，在小麥或玉米秸稈還田條件下各處理變形菌相對豐度均高于其他菌，且有研究表明變形菌豐度與土壤固氮作用有較大的相關(guān)性[38]。艾超[39]研究長期施用有機肥與化肥處理的微生物多樣性，發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥可以顯著增加潮土細(xì)菌多樣性，而單施化肥處理則只刺激少數(shù)微生物增長，其中包括放線菌，造成微生物多樣性降低。本研究中，在小麥成熟期N2、N3、N4處理與玉米成熟期N5、N6、N7處理均為前茬秸稈過牛腹還田處理，其放線菌豐度低于其他施用化學(xué)氮肥處理。

秸稈過腹還田配施氮肥處理小麥-玉米周年產(chǎn)量均高于秸稈直接還田配施氮肥處理，以N2處理周年產(chǎn)量最高，其次是N3、N4處理。同時，秸稈過腹還田條件下的N4處理在小麥成熟期對0～20 cm表層土壤有機質(zhì)、全氮含量提升效果最優(yōu)，顯著高于秸稈直接還田的N8處理，且N4處理對土壤容重及孔隙度的改善效果較優(yōu)。秸稈過腹還田處理降低了放線菌相對豐度，增加了變形菌相對豐度。綜合來看，玉米秸稈過腹還田周年減氮70 kg/hm2的N4處理周年產(chǎn)量較高，雖然略低于N2處理，但較N2處理減施氮70 kg/hm2，且N4處理表層土壤有機質(zhì)、氮含量最高，對土壤容重、孔隙度的改善效果較好，均優(yōu)于N2處理。因此，N4處理,即小麥生育期前茬玉米秸稈過腹還田并周年配施氮625 kg/hm2為本研究條件下的最佳處理。