張 奇, 陳 粲, 陳效民, 任曉明, 張志龍, 劉 巍

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095; 2.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 江蘇 南京210044)

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一類重要的生物資源，是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的重要來源，秸稈中含有豐富的N，P，K，Ca，Mg等農(nóng)作物生長所必需的養(yǎng)分元素。我國是農(nóng)業(yè)大國，擁有豐富的秸稈資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年秸稈產(chǎn)量約為2.00×109t，我國每年秸稈產(chǎn)量約占全球秸稈總量的1/3，其中水稻秸稈約占50%。這些秸稈所含養(yǎng)分相當(dāng)于3.00×106t氮肥，7.00×105t磷肥，7.00×106t鉀肥，約占全國化肥使用量的25%[1]。目前，與歐美等國相比，我國秸稈還田率僅占其1/3左右，且還田秸稈的利用率偏低[2]，同時(shí)還存在大量露天焚燒秸稈的現(xiàn)象，造成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題，如何合理利用秸稈資源，解決資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題已成為當(dāng)務(wù)之急。還田是對(duì)秸稈回收再利用的一種重要方式，它不僅可以改良土壤物理性狀，蓄水保墑，緩解水土流失，為土壤提供大量的養(yǎng)分[3]，也可以解決露天焚燒秸稈帶來的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的問題[4]，但農(nóng)田20 cm以下土層土壤堅(jiān)實(shí)緊密，作物不易扎根，有機(jī)質(zhì)輸入較少，導(dǎo)致土壤肥力低下[5]，為提高土壤肥力和還田秸稈的利用效率，研究和分析秸稈不同還田深度對(duì)農(nóng)業(yè)資源的合理利用具有重要的意義。土壤微生物生物量碳、氮是反映土壤微生物量大小的重要的指標(biāo)，能夠反映土壤中有效養(yǎng)分和生物活性狀況，盡管土壤微生物生物量碳、氮只占土壤總碳和全氮的1%～4%和2%～6%，但卻是土壤中最活躍的組分，因其周轉(zhuǎn)速率快，在土壤碳循環(huán)和氮循環(huán)中起著非常重要的作用[6-8]。秸稈還田后向土壤中輸送大量的有機(jī)碳，為土壤微生物的生長繁殖提供了所需的營養(yǎng)物質(zhì)和適宜的生存場(chǎng)所，有利于提高土壤微生物活性，同時(shí)土壤微生物通過分解還田后的秸稈，能夠有效的提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，保持土壤水分，提高土壤肥力，增加土壤透氣性，降低土壤溫差[9]，且隨著土壤有機(jī)質(zhì)和氮素的增加，土壤養(yǎng)分水平提高，有效地改善了土壤質(zhì)量。不同深度秸稈還田能有效避免土壤水分和養(yǎng)分流失，培肥地力，段華平等[10]研究表明秸稈還田可顯著土壤有機(jī)碳含量，張麗等[11]研究表明深松結(jié)合秸稈還田可以緩解土壤板結(jié)，也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈深埋比覆蓋對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境有更好的改善作用[12],翻耕和旋耕結(jié)合秸稈還田可以增加微生物生物量碳氮和酶活性[13]，但目前有關(guān)秸稈還田的研究主要側(cè)重于秸稈還田對(duì)土壤表層和耕層的耕作方式和物理特性以及對(duì)肥力水平的影響，而對(duì)20 cm 以下的土層以及不同深度秸稈還田后對(duì)土壤氮素特性和微生物量特性的影響還鮮有報(bào)道。因此，本文選擇黃棕壤作為供試土壤，研究不同深度秸稈還田條件下土壤氮素和微生物量的變化規(guī)律，探討最佳的秸稈還田深度，以期為提高秸稈資源利用效率，改善水土保持能力，提高作物產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間小區(qū)試驗(yàn)開始于2017年10月在南京市江浦區(qū)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(32°03′N，118°51′E，海拔約22 m)進(jìn)行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均溫度為15.6 ℃，降水量約為1 100 mm，日照時(shí)數(shù)1 910 h，無霜期223 d，地下水埋深1.5 m 以下，土壤類型為典型的地帶性土壤—黃棕壤。供試土壤的基本理化性質(zhì)詳見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與供試材料

本研究采用不添加秸稈對(duì)照(CK)和添加秸稈到土壤不同深度的處理，分別為：對(duì)照處理(CK)、秸稈表面覆蓋(T0)、秸稈10 cm還田(T10)、秸稈20 cm 還田(T20)、秸稈30 cm 還田(T30)，共計(jì)5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為4 m×4 m=16 m2，采用拉丁方無序隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)1 m 的保護(hù)行，小區(qū)間設(shè)0.5 m的排水溝。試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田按常規(guī)施肥處理：各處理的肥料施用量一致，共計(jì)施肥225 kg/hm2，麥拔節(jié)期統(tǒng)一追施純氮60 kg/hm2，澆拔節(jié)水160 mm。秸稈材料采用水稻秸稈，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量將其截成5 cm 左右小段，秸稈添加量為7 500 kg/hm2，有機(jī)碳含量為405.80 g/kg，全氮含量為5.23 g/kg，秸稈碳氮比為77.59。于2017年10月28日一次性添加入土壤，后期不再添加秸稈。T0，T10，T20，T30處理是采用機(jī)械分別將秸稈翻埋入土壤10，20，30 cm 深處。供試小麥品種采用鎮(zhèn)麥360。

1.3 樣品的采集

采樣于2018年3月，在CK，T0，T10，T20和T30各處理小區(qū)按對(duì)角線布點(diǎn)，進(jìn)行5點(diǎn)混合取樣，10 cm為1層分4層采集0—40 cm的土樣。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，一部分新鮮土樣過2 mm 篩用于土壤微生物生物量碳、氮以及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測(cè)定，其余土樣風(fēng)干過篩后用于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法參考土壤農(nóng)化分析[14]；土壤微生物生物量碳和氮含量采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理并繪圖，采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性和方差分析，多重比較采用LSD法。顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素的影響

添加秸稈處理后不同深度土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量變化詳見表2。由表2可知，與不添加秸稈的CK相比，T0，T20，T10和T30秸稈還田處理的有機(jī)質(zhì)含量分別增加了14.47%，13.53%，13.02%和8.76%，且差異均達(dá)到顯著水平，其中T0，T10和T20之間無明顯差異。通過比較不同處理和不同深度土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量變化后發(fā)現(xiàn)，在0—40 cm不同深度土層中秸稈還田處理后，各處理間土壤氮素差異明顯。T0，T10，T20和T30處理較不添加秸稈CK處理均顯著提高了土壤全氮和硝態(tài)氮含量，降低了土壤銨態(tài)氮含量。在0—40 cm整個(gè)土層中，與不添加秸稈CK相比，T0，T20，T10和T30處理分別提高土壤全氮含量為16.52%，23.02%，20.67%和12.01%，達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。與不添加秸稈CK相比，T10，T20，T0和T30處理均降低了土壤銨態(tài)氮含量，降低幅度為14.75%～21.80%，各處理銨態(tài)氮含量高低順序?yàn)椋篊K>T30>T0>T20>T10。秸稈還田處理的硝態(tài)氮含量高于不添加秸稈CK，其中T0和T10處理的硝態(tài)氮含量與CK相比顯著提高，分別提高了43.94%和49.46%。

表2 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量的影響

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)，同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同深度秸稈還田對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響

由圖1—3可知，在不同處理下，土壤微生物生物量碳和氮含量變化范圍分別為46.44～143.77 mg/kg，4.94～18.59 mg/kg，土壤微生物生物量碳氮比的變化范圍為6.64～9.56。添加秸稈處理的土層，與不添加秸稈CK相比，土壤微生物生物量碳含量均有明顯增加。

注：不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤微生物量碳的影響

圖2 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤微生物量氮的影響

圖3 不同深度秸稈還田處理對(duì)土壤微生物量碳氮比的影響

在0—40 cm整體土層中，與不添加秸稈CK相比，T0，T10，T20和T30處理的土壤微生物生物量碳含量均有所提高，增加幅度為5.01%～35.78%，差異達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。各處理土壤微生物生物量碳含量從小到大排序?yàn)?CK

2.3 不同深度秸稈還田處理土壤性質(zhì)主成分分析

如圖4所示，土壤微生物生物量碳、氮，有機(jī)質(zhì)，全氮，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用主成分分析，整合為2個(gè)主要成分，其方差貢獻(xiàn)率之和達(dá)到95.74%，可以用來反映原來多個(gè)變量所包含的主要信息，且第1主成分所含信息量在2個(gè)主成分中較高。由土壤性質(zhì)主成分載荷圖可知，微生物量碳、氮、有機(jī)質(zhì)，全氮和硝態(tài)氮在第1主成分上均有較高的因子載荷，微生物量碳氮比在第2主成分上因子載荷較高。

圖4 不同深度秸稈還田處理土壤性質(zhì)主成分載荷

不同深度秸稈還田各處理土壤在2個(gè)主成分上得分情況詳見表3。綜合分析表明，不同深度秸稈還田各處理土壤性質(zhì)水平有較大的差異，不同處理下綜合得分次序?yàn)椋篊K

表3 不同深度秸稈還田各處理主成分得分表

3 討 論

3.1 不同深度秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素水平影響

秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量變化有顯著影響，可以明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和氮素積累水平[15-16]。土壤中有機(jī)質(zhì)含量變化主要依靠碳的輸入和輸出，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)維持土壤肥力和質(zhì)量起著重要的作用[17]。本文研究表明，不添加秸稈的CK處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量處于較低水平，而添加秸稈的各處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量均有顯著增加，T10處理和T20處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加較多，尤其T10處理增加最多。這可能是，施用秸稈后提高了土壤的孔隙度，增加了土壤的通氣性，使土壤擁有更好地水熱條件，因而使秸稈腐解所需的時(shí)間比其它處理縮短[18]，腐解的秸稈促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的積累，增加了土壤有機(jī)質(zhì)[5]。秸稈擁有豐富的養(yǎng)分資源，除有機(jī)質(zhì)外，氮素也是其中之一，氮素是生態(tài)系統(tǒng)中生命體組成的重要因素，是農(nóng)作物生長必需的營養(yǎng)元素，氮素含量的高低是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素之一[19]。閆翠萍等[20]研究表明，連續(xù)秸稈還田可以減少氮肥施用，提高水肥利用率。土壤氮素主要是由有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮組成，其中無機(jī)態(tài)氮的選擇和限制性表征土壤氮素有效性[21]。本文研究結(jié)果顯示，添加秸稈的各處理與不添加秸稈的CK處理相比土壤全氮含量明顯增加，T10處理和T20處理土壤氮素含量增加較多，且T0處理增加最多，這是由于土壤中有機(jī)態(tài)氮占全氮總量的92%～98%，而表層土中95%以上的氮為有機(jī)態(tài)氮，表層覆蓋秸稈，降低了氮揮發(fā)，減少了氮的流失；此外，土壤微生物可以影響了土壤氮的礦化或固持，導(dǎo)致了土壤氮的動(dòng)態(tài)變化，促進(jìn)土壤氮的生物固持。與不添加秸稈的CK處理相比，添加秸稈各處理土壤銨態(tài)氮含量降低，土壤硝態(tài)氮含量增加。秸稈還田可以有效降低土壤容重，提高土壤通氣性，有利于氮的硝化過程，促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，所以銨態(tài)氮含量降低，硝態(tài)氮含量增加，且10 cm秸稈還田微生物活性最高，硝化反應(yīng)更劇烈。一方面秸稈還田使土壤表層無機(jī)態(tài)氮含量增加，引起土壤氮礦化的正激發(fā)效應(yīng)[22]；另一方面，秸稈還田提高了氮素利用率，促進(jìn)了硝化反應(yīng)的進(jìn)行，使硝態(tài)氮含量增加；另外，秸稈中碳氮比較高，土壤微生物在分解秸稈過程中需要利用一部分外界的無機(jī)氮來維持自身生命活動(dòng)，影響土壤氮的固持，降低土壤中無機(jī)氮含量。

3.2 不同深度秸稈還田對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響

土壤微生物可以調(diào)節(jié)多種生物化學(xué)反應(yīng)，如硝化、銨化和固氮等過程，因此，土壤微生物是土壤中最活躍的組分。土壤微生物生物量碳和氮是指示土壤微生物數(shù)量和活性的重要指標(biāo)，也能有效在反映土壤肥力水平[23]。添加秸稈處理的各土層微生物生物量碳和氮顯著高于CK處理。研究表明，秸稈還田對(duì)提高土壤微生物生物量碳和氮有積極作用。添加秸稈可以改善土壤水力學(xué)特性，提高土壤肥力，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，增加透氣性，使土壤水、肥、氣、熱狀況得到改善，為微生物生存提供了良好的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)微生物的生長和繁殖，使土壤微生物量增加[3]；另一方面，秸稈還田向土壤中輸送了大量的有機(jī)碳和氮素，為土壤微生物生命活動(dòng)營造了良好的生態(tài)環(huán)境，提供了豐富的碳源和氮源，從而促進(jìn)了微生物的生長繁殖，增加了土壤微生物數(shù)量使微生物種群朝多樣化方向發(fā)展。本研究表明，T10處理和T20處理與其它處理相比增幅較高，尤其T10處理效果最佳，可能是該層土壤透氣性好，干濕交替頻繁，適宜于好氣性微生物生長[5]；而T0處理和T30處理的微生物生物量碳和氮含量較低的原因是秸稈表層覆蓋還田導(dǎo)致秸稈腐解速率較慢，微生物活性降低[18]，30 cm秸稈還田深度土壤孔隙度較低，水氣熱條件較差，微生物活動(dòng)緩慢[5]。土壤微生物生物量碳氮比能夠反映土壤供氮能力，比值越低，土壤生物活性越強(qiáng)，氮素?fù)p失越少。添加秸稈處理的各土層土壤微生物生物量碳氮比較CK處理均有顯著下降，其中T10處理和T20處理與其它處理相比下降最多，說明10 cm秸稈還田和20 cm秸稈還田處理中土壤氮素有效性較高，秸稈還田可以提高土壤氮素利用率。由于土壤微生物生物量碳氮比與土壤微生物種類和數(shù)量密切相關(guān)，秸稈可以為微生物活動(dòng)提供豐富的資源，為微生物生存提供適宜的環(huán)境，使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)完善，種群多樣性發(fā)展，從而使土壤微生物量碳氮比降低[12]；秸稈碳氮比較高，且其它處理土壤透氣性和水熱條件比10和20 cm秸稈還田處理差，抑制了土壤微生物活性，因此10和20 cm秸稈還田處理土壤微生物生物量碳氮比下降較多。由不同深度秸稈還田各處理主成分得分表可知，T10處理和T20處理土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和微生物生物量碳氮含量水平較高，尤其T10處理最高，說明秸稈還田在一定程度可以培肥地力，對(duì)土壤改良起著積極的作用。

4 結(jié) 論

(1) 秸稈還田處理可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮含量，降低土壤銨態(tài)氮含量，土壤微生物生物量碳、氮含量顯著高于不添加秸稈處理，土壤微生物生物量碳氮比下降，提高土壤氮素水平，有效地改善土壤水土保持環(huán)境。

(2) 主成分分析表明，在10和20 cm深度秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和微生物生物量碳和氮含量的提高具有明顯的作用，尤其10 cm秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)的改良效果最為顯著。