李培培,汪 強,文 倩,李 慧,吳傳發(fā),熊偉東,韓燕來

河南農(nóng)業(yè)大學,資源與環(huán)境學院, 鄭州 450002

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不同還田方式對砂質(zhì)潮土理化性質(zhì)及微生物的影響

李培培,汪 強,文 倩,李 慧,吳傳發(fā),熊偉東,韓燕來*

河南農(nóng)業(yè)大學,資源與環(huán)境學院, 鄭州 450002

為探索不同物料還田方式對中低產(chǎn)田砂質(zhì)潮土的改良效果,在黃淮海平原麥玉輪作區(qū)典型砂質(zhì)潮土上進行了連續(xù)6季的田間小區(qū)試驗,設置全量秸稈翻耕還田(TS),秸稈等碳量的生物炭(TB)及半量秸稈半量生物炭配合翻耕還田(TSB),全量秸稈免耕覆蓋還田(NTS)和半量秸稈半量生物炭配合免耕覆蓋還田(NTSB),共5種還田方式。結果表明,與常規(guī)秸稈翻耕還田(TS)相比,生物炭翻耕還田(TB)顯著降低土壤容重,增加玉米各個生育期土壤水分和pH值,有機質(zhì)含量提升了16.4%,但TB處理的土壤大團聚體降低了21.2%和微生物數(shù)量降低了16.1%；翻耕秸稈配合生物炭還田(TSB)除了顯著降低了大團聚體數(shù)量,對其余理化及微生物指標的影響均不顯著；免耕模式下的秸稈還田(NTS)和秸稈生物炭配施(NTSB)分別在玉米生長的喇叭口期和收獲期顯著增加了土壤水分含量、耕層土壤的微生物數(shù)量和有效降低砂質(zhì)潮土分形維數(shù),對容重和有機質(zhì)含量有一定的改善,其中NTSB有機質(zhì)含量提升了14.9%和微生物數(shù)量增加了53.7%,對砂質(zhì)潮土改良效果更好?？傮w來說,短期內(nèi)用等碳量的生物炭替代秸稈翻耕還田更多的表現(xiàn)為物理的摻混效應,雖能有效提升土壤有機質(zhì)含量,但不能有效改善砂質(zhì)潮土的物理結構及生物性質(zhì),一半秸稈用生物炭替代還田對該類土壤的理化及微生物指標的改良效果也不顯著,而免耕條件下秸稈配合生物碳還田效果最佳,可為砂質(zhì)潮土的改良提供新的途徑和理論依據(jù)。

免耕覆蓋；砂質(zhì)潮土；秸稈還田;生物炭;土壤團聚體；細菌16S rDNA

黃淮平原砂質(zhì)潮土面積203.1×104hm2,該類型土壤砂粒含量高,有機質(zhì)含量低,保肥保水能力差,作物產(chǎn)量不高[1]。探尋有效的土壤改良方式,改善其理化性質(zhì)及微生物群落結構,培肥土壤,對該區(qū)域糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。秸稈還田作為一項傳統(tǒng)的農(nóng)藝措施能有效增加土壤有機質(zhì)含量和作物產(chǎn)量,不同耕作方式下的秸稈還田也有很多研究,秸稈覆蓋或翻埋在保持水土,改善土壤團聚體結構、提高土壤肥力和微生物活性方面效果也很顯著[2- 3]。大量研究表明耕作方式影響土壤的理化結構,其中免耕作為一項保護性耕作與傳統(tǒng)翻耕相比減少土壤擾動,可有效抑制水分的蒸散從而增加土壤水分含量,在改良土壤和培肥地力等方面得到廣泛認可[4-5]。除了秸稈翻耕和覆蓋還田,近幾年生物炭的施用在培肥土壤、治理污染和改善土壤理化結構等方面的效果日益引起了研究者的重視,成為當前土壤研究的熱點,為保肥增產(chǎn)、保護環(huán)境和改良土壤提供了新的研究途徑和方法[6-8]。盡管秸稈覆蓋、秸稈翻埋還田及生物炭還田在各類土壤改良或培肥地力上分別有很多研究報道,然而結合上述不同耕作模式下秸稈配合生物炭還田對區(qū)域性砂質(zhì)潮土改良的效果,尚不清楚。因此本文結合傳統(tǒng)技術和當前研究熱點,以黃淮海平原麥玉輪作區(qū)中低產(chǎn)田砂質(zhì)潮土為研究對象,連續(xù)開展土壤培肥研究,對于指導黃淮海地區(qū)砂質(zhì)潮土培肥改良的方法創(chuàng)新上具有重要的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地

試驗設置在河南省新鄭市航空港區(qū)華北小麥-玉米輪作營養(yǎng)與施肥科學觀測試驗站內(nèi)進行。該地區(qū)地處黃河流域,全年氣候溫和濕潤,四季分明。平均氣溫14.2℃,最高42.5℃,最低-12.9℃。無霜期年平均233 d,年均降雨量676.1 mm,最大降水量1083 mm,6—9月份降雨量占全年降雨量的64%。采用華北典型的小麥-玉米一年兩熟種植方式。土壤類型為砂質(zhì)潮土,其基本理化性質(zhì)為：有機碳含量10.1 g/kg,堿解氮32.62 mg/kg,有效磷19.4 mg/kg,速效鉀75.0 mg/kg pH 為7.2；0—60 cm土壤機械組成為,砂粒81.28%,粉粒12.94%,粘粒5.77%。

1.2 生物炭

試驗用生物炭購自商丘三利生物能源有限公司,原料為小麥秸稈,經(jīng)厭氧500℃炭化而成。其基本性質(zhì)為：總碳含量510.6 g/kg,C/N 為68.1,pH 為9.7。

1.3 試驗設計和樣品采集

2013年6月小麥收獲后進行整地劃分小區(qū)。試驗設置①常規(guī)翻耕,全量秸稈還田(TS),為傳統(tǒng)模式；②常規(guī)翻耕,等碳量生物炭還田(TB)；③常規(guī)翻耕,半量秸稈半量生物炭還田(TSB)(秸稈和生物炭的碳量分別占一半,混合配施)；④免耕模式,全量秸稈覆蓋還田(NTS)；⑤免耕模式,半量秸稈半量生物炭覆蓋(NTSB),共5個不同物料還田方式。每個處理設置3個重復,隨機區(qū)組排列,小區(qū)面積為6 m×3 m=18 m2,為阻斷水分和養(yǎng)分的移動,小區(qū)間用厚3 mm厚的塑料板隔開,隔板深度為60 cm。試驗開展后,每年小麥和玉米收獲后連續(xù)實施上述5種耕作和還田處理。各小區(qū)化肥施用量一致,均為每季純N 180 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2,磷鉀肥全部在小麥、玉米播種時一次性底施,氮肥60%作基肥,40%作追肥在小麥拔節(jié)期和玉米大喇叭口期追肥溝施,追肥后立即灌水。小麥品種為周麥17、玉米品種為鄭單958。其他農(nóng)田栽培管理措施與當?shù)剞r(nóng)民管理習慣一致。

采樣時間為2015年6月—9月玉米季,試驗開展的第6季。包括2015年6月、7月、8月和9月的玉米苗期、喇叭口期、開花期和收獲期的土壤樣品。采用“S”形取樣法采集試驗點0—20 cm和20—40 cm土層土壤樣品,每個小區(qū)采集10鉆作為待測樣品,然后用無菌袋密封保存帶回實驗室做后期的處理分析。用于微生物分析的土壤樣品帶回實驗室后凍干-20℃保藏。在玉米收獲期進行原狀土樣的采集用于土壤團聚體結構分析,用鐵鍬多點采取0—20 cm表層土壤,盡量避免擠壓,以保持原狀土壤結構。在室內(nèi)沿自然結構輕輕掰成直徑約1cm的小土塊,除去植物殘體、石塊及蚯蚓等。

土壤容重用環(huán)刀法測定,土壤水分的測定用烘干法,土壤團聚體結構分級用干篩法[9]分離出>5、5—2、2—1、1—0.5、0.5—0.25、<0.25 mm共6級團聚體。土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法,土壤pH值的測定用水土比2.5∶1的蒸餾水浸提,用pH計測定。

1.5 土壤微生物總DNA的提取

土壤DNA采用Fast DNA Spin Kit for Soil (Qbiogene, Carlsbad, CA, USA) 的試劑盒提取,稱取0.5 g冷凍干燥土壤樣品,按試劑盒上的操作說明進行土壤微生物總DNA的提取。DNA提取后于-20℃保存待用,所有 DNA 均稀釋到10 μg/mL用于下游實驗。

1.6 細菌16Sr RNA 定量PCR分析

不同處理土壤細菌的豐度通過定量分析16Sr DNA基因拷貝數(shù)來實現(xiàn),定量PCR 分析分析均采用SYBR Green 法,反應在iCycle iQ5(Bio Rad, USA)儀器上進行。PCR 反應體系為25 μL,包含12.5 μL SYBR Premix Ex TaqTM(TaKaRa, Japan),10 μmol/L 正反向引物各0.5 μL,DNA 模板2 μL,其余用ddH2O 補足至25 μL 。定量PCR 所用的細菌16S rRNA擴增引物為1369F/1492R[10],其反應條件參考Wang等的方法進行[11]。每個樣品3次重復。

圖2所示為小曲拐四桿機構模型，其中1為連接電動機的偏心主軸，3、4、5為3個小曲拐，6為機架，2為連接偏心主軸與小曲拐的動盤。機構有5個活動構件，8個旋轉副，其中有2個虛約束，則需要去掉虛約束，由此得到的機構的自由度計算公式為：

1.7 數(shù)據(jù)分析

所得試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進行作表、作圖,采用DPS7.05統(tǒng)計軟件進行處理間差異顯著性檢驗分析(LSD法,5%顯著水平)。土壤團聚體和微團聚體的分形維數(shù)的計算采用楊培嶺等[12]推導的公式。

2 結果與分析

2.1 不同處理對砂質(zhì)潮土容重的影響

圖1 不同處理對砂質(zhì)潮土土壤容重的影響 Fig.1 Effect of different treatments on bulk density in sandy soil圖中不同字母表示不同還田方式差異顯著；TS：全量秸稈翻耕還田 Tillage combined with straw returning,TB：秸稈等碳量的生物炭翻埋還田Tillage combined with biochar returning,TSB：半量秸稈半量生物炭配合翻耕還田Tillage combined with half straw and half biochar returning,NTS：全量秸稈免耕覆蓋還田NO-tillage combined with straw returning,NTSB：半量秸稈半量生物炭配合免耕覆蓋還田No-tillage combined with half straw and half biochar returning

經(jīng)過連續(xù)6季的定位試驗,不同處理間土壤容重發(fā)生了變化(圖1),傳統(tǒng)秸稈翻耕還田TS的容重為1.42 g/cm3,與之相比TB容重顯著降低,降低為1.33 g/cm3,TSB容重降低為1.37 g/cm3, NTS容重為1.40 g/cm3,NTSB處理的容重為1.36 g/cm3。添加全量生物炭對砂質(zhì)潮土容重的影響最大,顯著降低了土壤容重,免耕模式也有利于降低砂質(zhì)潮土容重,但與TS相比沒有達到差異顯著水平。

2.2 對砂質(zhì)潮土耕層土壤水分的影響

連續(xù)測定玉米苗期、喇叭口期、開花期和收獲期的水分狀況,見圖2。由圖可知,在玉米苗期,喇叭口期和開花期TB處理含水量都最高,說明全量生物炭替代秸稈翻耕還田能顯著提高砂質(zhì)潮土的持水能力,提高土壤含水量,尤其在水分含量高的喇叭口期和開花期。所有處理中,常規(guī)秸稈翻耕還田TS處理的土壤含水量最低,NTSB也能顯著提高土壤含水量,在玉米喇叭口期和收獲期與TS相比都達到差異顯著水平(P<0.05)。施用生物炭和免耕均能有效提高砂質(zhì)潮土含水量,全量生物炭還田效果最佳。

2.3 不同處理對砂質(zhì)潮土pH值的影響

不同處理顯著影響了砂質(zhì)潮土0—20 cm土層pH值,但對20—40 cm土壤pH值影響不大(圖3)。與傳統(tǒng)翻耕秸稈還田TS相比,施用生物炭增加了0—20 cm土層pH值,其中TB為7.3顯著高于其他處理,而不同耕作模式下半量生物炭處理的TSB和NTSB與TS處理差異不顯著,NTS處理pH值最低為6.4。

圖2 不同處理土壤玉米各生育期含水量 Fig.2 Effect of different treatments on sandy soil water content during growth period of maize

圖3 不同處理對砂質(zhì)潮土pH值的影響Fig.3 Effect of different treatments on sandy soil pH value

2.4 不同處理對砂質(zhì)潮土團聚體結構的影響

不同處理對砂質(zhì)土團聚體組成具有顯著影響(表1)。與常規(guī)翻耕處理TS相比,免耕措施的NTS和NTSB,<0.25 mm團聚體數(shù)量顯著減少,>0.25 mm大團聚體數(shù)量顯著增加,以處理NTSB的大團聚體增加量最大。翻耕條件下施用生物炭處理的TB和TSB與TS相比都顯著降低了大團聚的數(shù)量,分別比TS降低21.2%和22.2%,它們大團聚體數(shù)量的降低主要體現(xiàn)在>2 mm團聚體的減少。

表1 不同處理對砂質(zhì)潮土團聚體結構的影響

同列不同字母表示處理之間差異顯著；TS：全量秸稈翻耕還田 Tillage combined with straw returning,TB：秸稈等碳量的生物炭翻埋還田Tillage combined with biochar returning,TSB：半量秸稈半量生物炭配合翻耕還田Tillage combined with half straw and half biochar returning,NTS：全量秸稈免耕覆蓋還田NO-tillage combined with straw returning,NTSB：半量秸稈半量生物炭配合免耕覆蓋還田No-tillage combined with half straw and half biochar returning

2.5 不同處理土壤團聚體分形特征

圖4 不同處理對砂質(zhì)潮土分形維數(shù)的影響Fig.4 Effect of different treatments on sandy soil Fractal dimension

本研究土壤團聚體的分形維數(shù)范圍是2.40—2.67之間變動(圖4)。NTS和NTSB的土壤團聚體分形維數(shù)D最小為2.40和2.46,且二者差異不顯著。兩個施用生物炭處理TB和TSB的土壤團聚體分型維數(shù)較高，分布為2.62和2.67，顯著高于常規(guī)還田處理TS與TS相比,秸稈免耕覆蓋還田都能顯著降低砂質(zhì)潮土分形維數(shù),翻耕施用生物炭反而能增加了砂質(zhì)潮土團聚體分形維數(shù)。

2.6 不同處理對砂質(zhì)潮土耕層有機質(zhì)含量及分布的影響

不同還田方式顯著影響砂質(zhì)潮土耕層土壤有機質(zhì)含量,見表2。TB與NTSB處理的有機質(zhì)含量較高,與傳統(tǒng)秸稈翻耕還田TS相比,有機質(zhì)顯著增加,分別增加16.4%和14.9%。處理NTS和TSB與TS相比有所增加,但是差異沒有達到顯著水平。由各級團聚體有機質(zhì)含量分布可知,> 0.25 mm大團聚體中有機質(zhì)含量明顯高于小團聚體,但是砂質(zhì)潮土以<0.25 mm團聚體占絕對優(yōu)勢,總體有機質(zhì)含量均偏低。TB和NTSB對有機質(zhì)的提升主要體現(xiàn)在0.5—2 mm,提升該粒徑團聚體數(shù)量有利于提升砂質(zhì)潮土有機質(zhì)含量。

表2 不同處理對砂質(zhì)潮土有機質(zhì)含量的影響

同列不同字母表示處理之間差異顯著

2.7 不同處理對砂質(zhì)潮土0—40 cm土層細菌基因拷貝數(shù)的影響

圖5 不同處理砂質(zhì)潮土細菌16S rRNA基因拷貝數(shù) Fig.5 Effect of different treatments on soil bacterial 16S rRNA gene copy number

通過定量PCR分析,不同還田方式土壤細菌含量存在一定差異(圖5)。0—20 cm土層TB細菌的16Sr RNA基因拷貝數(shù)最低為7.49×108,與傳統(tǒng)秸稈翻耕還田(TS)相比,降低16.1%,TSB數(shù)量與TS相比略高,但三者沒有達到差異顯著水平。而免耕模式的兩個處理NTS和NTB與TS相比均顯著增加,分別增加53.7%和42.2%。TB處理降低了耕層土壤細菌數(shù)量,免耕還田處理均能顯著增加砂質(zhì)潮土細菌數(shù)量。20—40 cm土層各處理細菌數(shù)量差異均不顯著,數(shù)量上TB處理有所增加。

3 討論

容重是反映土壤緊實狀況的主要物理指標,研究表明與傳統(tǒng)翻耕相比,免耕能夠增加耕層土壤容重[6,13],也有研究者認為免耕條件下耕層土壤容重較翻耕有所降低[5,14],除了耕作模式,土壤容重受土壤性質(zhì)及環(huán)境影響較大。砂質(zhì)潮土有機質(zhì)含量低,礦物質(zhì)含量高,容重大,本研究表明在該類土壤上,連續(xù)3a的免耕沒有顯著降低砂質(zhì)潮土容重,而翻耕條件下施用與秸稈等碳量的生物炭能有效降低土壤容重。這與生物炭疏松多孔,物理性質(zhì)穩(wěn)定有很大關系,也有很多研究支持相應的結果[15-16]。

砂質(zhì)潮土水分容量低是限制其生產(chǎn)力的重要障礙因素。生物炭能顯著提高土壤水分含量,筆者之前在該類型土壤上進行施用梯度生物炭的研究,結果表明施用量越高,土壤水分含量越高[17]。有很多研究支持生物炭對土壤的保水效果[18]。Hansena[19]等人通過盆栽試驗比較了秸稈生物炭對砂土和壤土的理化性質(zhì),發(fā)現(xiàn)添加生物炭對砂質(zhì)土的保水性能更好。本研究玉米大喇叭口期和開花期水分含量較高,生物炭對砂質(zhì)潮土水分的提高作用最明顯,而在水分含量低的苗期,與傳統(tǒng)耕作相比,免耕或添加生物炭處理都沒有顯著提高土壤含水量。因為生物炭本身偏堿性,本研究中添加生物炭顯著增加了耕層土壤pH值,前人在其他類型土壤上的研究也獲得相似的結論[20-21]。

土壤團聚體和微團聚體的分形維數(shù)可以表明土壤物理性質(zhì)的好壞,根據(jù)其具有相似結構的多孔介質(zhì),關于土壤分形特征的研究認為,粒徑分布的分形維數(shù)越小,土壤結構和穩(wěn)定性越好,表明土壤大團聚含量較高,表征了相對越松散、通透性好的土壤結構性狀。與前人研究一致,免耕有利于增加團聚體的穩(wěn)定性[7],增加大于0.25mm大團聚體的數(shù)量[22]。研究發(fā)現(xiàn)秸稈配合生物炭覆蓋對團聚體穩(wěn)定性效果更好,生物炭或秸稈免耕覆蓋處理都能顯著降低土壤的分形維數(shù),而生物炭翻耕還田反而增加砂質(zhì)潮土分型維數(shù),不利于團聚體的穩(wěn)定。秸稈分解產(chǎn)生糖類、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等不同種類的有機質(zhì)以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物,這些重要的有機膠結物質(zhì)對大團聚體的形成及穩(wěn)定產(chǎn)生了積極影響。生物炭與秸稈相比性質(zhì)較為穩(wěn)定,有報道認為高溫碳化的生物炭其能在土壤穩(wěn)定存在,通過13C穩(wěn)定同位素試驗表明,550℃高溫碳化的生物炭能在土壤穩(wěn)定存在上百年的時間[23],可以說短時間內(nèi)生物炭的添加是一種物理的摻混效應,有報道通過砂姜黑土培養(yǎng)試驗認為生物炭與秸稈配施能提高土壤大團聚體含量[24],在本研究中,翻耕模式下秸稈配合生物炭的大團聚體數(shù)量并沒有增加,這可能和土壤及生物炭性質(zhì)有很大關系。本試驗用生物炭為500℃高溫制備,化學性質(zhì)相對穩(wěn)定,不易礦化,施入土壤能夠提高土壤的有機碳含量。而免耕模式下的秸稈配合生物炭的改良效果,除了免耕措施的優(yōu)勢外,還綜合了秸稈分解的生物化學效應和生物炭的摻混效應。

土壤微生物是反映土壤肥力的重要指標之一,因生物炭分解極為緩慢,施用后顯著提升了土壤有機質(zhì)含量,但生物炭中碳組分不能迅速為微生物所利用。本研究通過定量PCR的方法檢測細菌含量,與全量秸稈翻耕還田相比,單純添加與秸稈等碳量的生物炭反而降低了耕層土壤微生物數(shù)量,我們認為短時間內(nèi)生物炭的添加體現(xiàn)的是一種物理的摻混效應,不能為微生物提供大量可利用碳源。韓瑋等人的研究也獲得類似的研究結果[25],添加生物炭與添加秸稈相比微生物生物量相對較低,有機碳的微生物分解率較低,應用生物炭更有利于增加土壤碳儲量。由于生物炭的生物質(zhì)來源及加工途徑的差異,造成不同生物炭pH值,吸附性,空間結構及表面積等理化結構的差異[26],可能影響土壤微生物的差異[21]。而免耕模式下無論是秸稈還是秸稈配合生物炭均能有效增加耕層土壤微生物數(shù)量,由此可見砂質(zhì)潮土上耕作方式對細菌數(shù)量的影響大于物料類型,免耕模式下微生物數(shù)量的增加這也符合前人在各種土壤類型上的研究報道[3,27]。本研究只是在3年定位基礎上進行的一季試驗,該試驗仍需要繼續(xù)定位,獲得更多的數(shù)據(jù)參數(shù),指導砂質(zhì)潮土培肥和地力提升。

4 結論

(1)與全量秸稈等碳量的生物炭翻耕還田(TB)顯著降低了土壤容重,增加玉米各個生育期土壤水分和pH值,有效提升了有機質(zhì)含量,但其并沒有增加砂質(zhì)潮土大團聚體數(shù)量和微生物數(shù)量。

(2)與傳統(tǒng)秸稈翻耕還田相比,秸稈配合生物炭翻耕還田(TSB)除了顯著降低了大團聚體數(shù)量,對其它理化及微生物指標的影響均不顯著；而全量秸稈免耕覆蓋(NTS)和秸稈生物炭免耕覆蓋還田(NTSB)分別在玉米生長的喇叭口期和收獲期顯著增加了土壤水分含量,有效降低砂質(zhì)潮土分形維數(shù),提高了大團聚體數(shù)量和團聚體的穩(wěn)定性,增加了耕層土壤的微生物數(shù)量,對容重和有機質(zhì)含量有一定的改善,其中NTSB在對有機質(zhì)提升和微生物數(shù)量增加方面效果最佳,對砂質(zhì)潮土改善效果最佳。

(3)用等碳量的生物炭替代秸稈翻耕還田,在短期內(nèi)更多的表現(xiàn)為物理的摻混效應,生物炭性質(zhì)穩(wěn)定,雖能有效提升土壤有機質(zhì)含量,但不能有效改善砂質(zhì)潮土的團聚體結構及微生物性質(zhì),在維持土壤生產(chǎn)力的前提下,推薦秸稈配合生物炭覆蓋還田模式,此模式在一定程度上改善了砂質(zhì)潮土物理化學性質(zhì),增加了細菌的數(shù)量。

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Effects of the return of organic materials on soil physical and chemical properties and bacterial number in sandy soil

LI Peipei, WANG Qiang, WEN Qian, LI Hui, WU Chuanfa, XIONG Weidong, HAN Yanlai*

CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China

Sandy soils have limitations for growing crops. In general, those soils have poor structural traits, low fertility, and little organic matter. Agricultural practices influence the physical and chemical characteristics of soil and induce changes in soil microbial structure and function. It was important to determine a conventional agricultural practice to improve the quality of soil and solve the problem of the reduced productivity. The effects of different tillage practices on physical, chemical, and microbial properties of the soil have been studied. Organic matter is crucial for soil productivity and its quantity depends heavily on soil management systems. Returning crop straw to fields is one of the common practices to improve soil organic matter and achieve sustainable development of agriculture. Biochar, a solid elemental carbonaceous material, formed from the thermochemical conversion of biomass in an oxygen-limited environment, is a much more durable form of C than parent plant biomass or most forms of C in soil organic matter. Hence, the application of biochar to soil has been proposed for increasing the stable C pool and improving physical and chemical properties of soil. No-tillage and direct seeding are believed to be more sustainable than conventional practices, mainly because they improve nutrient status and water conservation. Although there have been many studies that referred to no-tillage and straw return or biochar application separately, the combined effects of various tillage and organic materials returned to sandy soil in the Huanghuaihai Plain requires further research. To address the adverse physical and chemical characteristics of the soil, a field experiment was conducted in a sandy fluvo-aquic soil in a village near Xinzheng City, Henan Province, to assess the effect of five methods of organic material return. The five methods were equivalent in the amount of carbon application, and included conventional tillage combined with straw return (TS), conventional tillage combined with biochar application (TB), conventional tillage combined with half straw and half biochar application (TSB), no-tillage combined with straw cover (NTSB), and no-tillage combined with half straw and half biochar cover (NTSB). The results indicated that compared with TS, the most popular local agricultural practice, TB significantly decreased soil bulk density, and increased soil water content and pH value. The soil quality index of soil organic matter increased by 16.4%. However, TB decreased the soil macroaggregate number and bacterial gene copy number by 21.2% and 16.1%, respectively. Compared with the available carbon component of straw, the chemical stability of biochar decreased microbial growth to some extent. TSB without any significant effect on soil chemicals or microbial shifts could significantly decrease soil macroaggregate number. NTS and NTSB, the two no-tillage practices could significantly increase the soil water content in the maize growing stages, bell mouth and ripening, separately, and NTSB dramatically increased bacterial number and soil organic matter by 53.7% and 14.9%, respectively, and decreased the soil fractal dimension, which increased the amount of macroaggregates and its stability. Compared with the common practice of conventional tillage with straw return, no-tillage combined with straw and biochar return is an effective way to change physical, chemical, and microbial properties of sandy soil, and the results will provide some theoretical basis for improving other low-yield soils.

tillage；sany soil；straw returning；biochar；soil aggregate；bacterial 16S rRNA gene

國家自然科學基金項目(41401273,41401274)；國家“十二五”農(nóng)村領域科技計劃項目(2012BAD05B0207)；鄭州科技創(chuàng)新團隊項目(131PCXTD610)

2016- 04- 18; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604180718

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hyanlai@126.com

李培培,汪強,文倩,李慧,吳傳發(fā),熊偉東,韓燕來.不同還田方式對砂質(zhì)潮土理化性質(zhì)及微生物的影響.生態(tài)學報,2017,37(11):3665- 3672.

Li P P, Wang Q, Wen Q, Li H, Wu C F, Xiong W D, Han Y L.Effects of the return of organic materials on soil physical and chemical properties and bacterial number in sandy soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3665- 3672.