崔慧珍，安嫄嫄，李光文，伏云珍，馬 琨

（1.寧夏大學 農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學 西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021）

中國每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約7億t左右[1]，這些秸稈的不合理利用不僅消耗大量的人力物力，還會造成資源浪費，而農(nóng)作物秸稈富含大量的有機營養(yǎng)元素，是重要的土壤改良劑[2]。因此，進行秸稈還田是解決這一問題的一項重要手段。作物秸稈還田能通過改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水能力[3]和土壤肥力[4]，還可以增加土壤微生物數(shù)量和活性[5]，提高作物產(chǎn)量[3]。相關研究認為，土壤微生物群落在作物秸稈腐解過程中起著決定性作用[6]，土壤微生物群落會對秸稈的腐解做出響應[4]。玉米秸稈還田后，土壤微生物對碳源的利用能力提高，微生物群落多樣性及均勻度增加[7]；水稻秸稈還田后，土壤中碳源種類產(chǎn)生變化，細菌優(yōu)勢種群及相應豐度改變[4]。然而，也有研究證實，土壤微生物群落有明顯的季節(jié)性變化特征[8]。Li等[9]發(fā)現(xiàn)，土壤細菌與作物的交互作用隨玉米生育期而發(fā)生改變，某些特定細菌類群對周圍營養(yǎng)物的吸收策略表現(xiàn)出明顯季節(jié)性模式，其生物量隨季節(jié)變化而波動；Spedding等[10]也證實，在長期耕作和作物殘茬管理下，土壤真菌的磷脂脂肪酸（PLFAs）、總PLFAs在作物生育期內(nèi)均增加。劉定輝等[11]研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈長期還田后土壤微生物數(shù)量的增加主要因為細菌數(shù)量的增加，且收獲期土壤細菌數(shù)量高于分蘗期。但Lou等[12]研究表明，秸稈覆蓋減小了土壤溫度的季節(jié)性變化，使土壤微生物生物量和活性的季節(jié)性變化特征減弱?？梢姡谕寥牢⑸锶郝浣M成的分析，必須考慮土壤季節(jié)性的變化因素。土壤微生物群落組成與作物生育階段、還田秸稈類型、耕作栽培及秸稈管理等措施密切相關。

目前，有關秸稈還田后土壤微生物群落變化已有較多研究，但多集中于單一季節(jié)土壤微生物群落的變化。由于秸稈腐解期較長，秸稈的季節(jié)性腐解規(guī)律不同，土壤微生物群落響應也隨之改變。因此，本研究采用PLFAs指紋圖譜的方法，研究玉米秸稈還田下，旱作區(qū)農(nóng)田土壤微生物群落的季節(jié)變化特征，分析土壤基本理化性質(zhì)、生物學性狀與土壤微生物群落組成及玉米產(chǎn)量間的相互關系，期望為寧夏旱作區(qū)秸稈還田管理及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于寧夏同心縣河西鎮(zhèn)農(nóng)場村（37°9'34″N，105°48'2″E），該區(qū)域海拔1 350 m，年均降水量277 mm，年蒸發(fā)量為2 300 mm，年均氣溫8.7℃，土壤類型為淡灰鈣土。試驗開始前供試土壤基本理化性狀為：全氮0.54 g/kg、堿解氮41 mg/kg、全磷0.83 g/kg、有效磷41.5 mg/kg、全鉀20.2 g/kg、速效鉀216 mg/kg、緩效鉀1 014 mg/kg、有機質(zhì)9.2 g/kg、pH值8.26、全鹽0.28 g/kg、陽離子代換量9.3 cmol/kg。

1.2 試驗設計

試驗開始于2013年秋季，當年玉米收獲后，將秸稈粉碎至3～5 cm，結(jié)合秋季深耕，翻入土壤，隨后灌冬水。采用單因素隨機設計，設秸稈還田量為0 kg/hm2（T0）、3 000 kg/hm2（T1）、6 000 kg/hm2（T2）、9 000 kg/hm2（T3）、12 000 kg/hm2（T4）5個處理，3次重復，共15個小區(qū)，小區(qū)面積為4×15 m2。供試玉米品種為先玉335，播種密度為6 500株/666.7 m2。2014—2019年玉米全生育期氮肥（N）施用量分別為32 kg/666.7 m2，28 kg/666.7 m2，24 kg/666.7 m2，26 kg/666.7m2，26 kg/666.7 m2，26 kg/666.7 m2。苗期追施60%的氮肥，磷肥（P2O5）12.5 kg/666.7 m2和鉀肥（K2O）2.5 kg/666.7 m2；抽穗期追施30%的氮肥；灌漿期追施10%的氮肥。2019年6月1日（玉米大喇叭口期）和9月30日（玉米成熟期），利用多點采樣法采集玉米行間0～20 cm土層土壤樣本，各小區(qū)土壤樣本獨立。土樣裝于密封袋后用冰盒保鮮帶回實驗室，過1 mm篩；部分低溫儲存于－40℃冰箱，用于土壤微生物群落測定；部分儲存于2～8℃冰箱，用于微生物生物量碳和呼吸強度測定；剩余土樣自然風干，用于理化性狀測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤理化及生物學性狀 土壤全氮、總碳用碳氮分析儀（ElementarVario MAX）測定，全磷用HCLO4-H2SO4消煮鉬銻抗比色法測定，堿解氮用堿解擴散法測定，速效磷用Olsen法測定，速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法測定，土壤pH值用水土比（5:1）浸提后pH計測定，微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，用總有機碳分析儀（TOC—LH57405200261 SA JAPAN）測定，呼吸強度用密閉培養(yǎng)法測定，具體參照土壤農(nóng)化分析[13]。

1.3.2 土壤微生物磷脂脂肪酸 參照魏常慧等[14]的方法，稱取相當于4 g干土質(zhì)量的新鮮土樣于棕色玻璃瓶，加磷酸緩沖液，甲醇：氯仿混合液，氯仿和無菌超純水混勻振蕩，黑暗培養(yǎng)18-24 h，取氯仿相，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮和硅膠柱分離磷脂，N2吹干，用甲苯：甲醇混合液和氫氧化鉀：甲醇溶液混勻溶解后，加正己烷：氯仿混合液、1 M醋酸和無菌超純水萃取酯化，通過Agilent 7860型氣相色譜儀，MIDI Sherlock脂肪酸圖譜微生物鑒定系統(tǒng)分析待測樣品。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010軟件和Origin 2018軟件對數(shù)據(jù)進行處理作圖，單因素方差分析（one—way ANOVA）和Pearson相關分析采用DPS9.01軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈還田對土壤理化及生物學性狀的影響

玉米秸稈還田6年后，玉米成熟期對應土壤理化及生物學性狀分析結(jié)果顯示（表1）：土壤堿解氮、pH值、呼吸強度均與對照（T0）間有顯著差異（P<0.05）；當秸稈還田量達到6 000 kg/hm2（T2）后，土壤中全氮、總碳含量顯著高于對照（T0），有顯著差異（P<0.05）。不同秸稈還田量以T3的土壤全氮、總碳含量最高，但其土壤C/N卻顯著低于T0（P<0.05），不同秸稈還田量間的土壤C/N無顯著性差異。除T2的土壤全磷含量較T0顯著增加6.78%，T1、T4的土壤呼吸熵較T0顯著增加99.01%、72.12%外，其余秸稈還田處理中土壤理化及生物學性狀與對照（T0）間均無顯著差異?？梢?，持續(xù)秸稈還田能通過提高土壤碳、氮和堿解氮等土壤養(yǎng)分含量，降低土壤pH值而影響土壤理化及生物學性狀。

表1 持續(xù)秸稈還田對土壤理化及生物學性狀的影響

2.2 玉米秸稈還田對土壤微生物群落組成的季節(jié)性影響

2.2.1 秸稈還田對土壤細菌、G+、G-磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響 由圖1可知，與T0相比，不同秸稈還田量下，玉米大喇叭口期和成熟期對應土壤中以PLFAs表征的土壤細菌、G+、G-生物量均有不同程度的提高。與T0相比，玉米大喇叭口期對應土壤樣本中細菌、G+、G-生物量均以T1處理最高，有顯著性差異（P<0.05）；其他處理下的土壤細菌、G+、G-生物量分別比T0高出22.34%～76.64%、15.19%～58.07%、27.04%～88.86%。玉米成熟期對應土壤樣本表現(xiàn)為隨秸稈還田量的增加，土壤中細菌、G+、G-生物量整體呈上升趨勢，但T2與T1間無顯著差異；與T1相比，T3、T4主要微生物群落的脂肪酸含量呈明顯升高的趨勢；其中，T4的細菌、G+、G-生物量分別比對照（T0）顯著高出104.08%、99.20%、107.37%（P<0.05）。

圖1 秸稈還田對土壤細菌（a）、革蘭氏陽性菌（G+）（b）、革蘭氏陰性菌（G-）（c）磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響

與大喇叭口期相比，玉米成熟期對應土壤細菌、G+、G-均較高。成熟期對應秸稈處理的土壤中細菌脂肪酸含量增加23.49%～79.69%、G+增加32.80%～103.24%、G-增加18.37%～74.62%，以T4的土壤細菌、G+、G-的脂肪酸含量增加幅度最大；說明秸稈還田量為12 000 kg/hm2時更有利于促進作物生長后期土壤細菌、G+、G-生物量的增加。可見，持續(xù)秸稈還田能增加土壤細菌、G+、G-的生物量；以PLFAs表征的土壤細菌、G+、G-生物量有季節(jié)性差異。

2.2.2 秸稈還田對土壤放線菌、真菌磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響 隨秸稈還田量的持續(xù)增加，兩個不同采樣時期對應土壤的放線菌、真菌脂肪酸含量整體呈增加的趨勢（圖2），均以秸稈還田量為12 000 kg/hm2（T4）最高。T4處理下，以PLFAs表征的土壤放線菌生物量（圖2a）在兩個不同采樣時期，分別較對應T0高出57.44%（P>0.05）和84.69%（P<0.05）；真菌生物量（圖2b）較T0顯著高出100.79%（P<0.05）和81.42%（P<0.05）。與玉米大喇叭口期相比，玉米成熟期對應各處理土壤樣本中放線菌、真菌脂肪酸含量分別顯著增加了55.17%～115.16%、113.43%～164.56%，在秸稈還田量為6 000 kg/hm2（T2）時達到顯著水平（P<0.05），其余各處理下均達到極顯著水平（P<0.01），有顯著的季節(jié)性差異。

圖2 秸稈還田對土壤放線菌(a)、真菌(b)磷脂脂肪酸含量的季節(jié)性影響

2.2.3 秸稈還田對土壤真菌/細菌（F/B）比值、G+/G-的季節(jié)性影響 由圖3可見，隨玉米秸稈還田量的增加，土壤中F/B在玉米大喇叭口期對應土壤樣本中呈增長趨勢，在秸稈還田量達到9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2后，較T0高出24.04%～30.35%，與對照（T0）間有顯著性差異（P<0.05）。與玉米大喇叭口期相比，成熟期土壤樣本的F/B顯著升高27.87%～84.52%（P<0.01），表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異；但成熟期不同秸稈還田量對應土壤樣本的F/B間無顯著差異（P>0.05）。除秸稈還田量為9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2時對應土壤樣本G+/G-在玉米成熟期較大喇叭口期顯著高出21.50%～24.70%外（P<0.01），其他秸稈還田量在兩個作物生育期對應土壤樣本間的G+/G-差異均不顯著（P>0.05）?？梢姡掷m(xù)秸稈還田會對F/B、G+/G-產(chǎn)生一定的季節(jié)性影響。

圖3 秸稈還田對土壤F/B、G+/G-的季節(jié)性影響

2.3 持續(xù)秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響

玉米秸稈還田6年后（表2），整體上，各處理年度內(nèi)玉米產(chǎn)量與秸稈不還田（T0）處理間均無顯著差異（P>0.05），盡管不同年際間作物產(chǎn)量有一定的波動，但與對照處理多年玉米平均產(chǎn)量相比，秸稈還田處理產(chǎn)量變動幅度僅為其產(chǎn)量的0.531%～2.99%。相同栽培管理措施下，秸稈還田量的高低未影響作物產(chǎn)量。

表2 持續(xù)秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響kg/hm2

2.4 持續(xù)秸稈還田下玉米產(chǎn)量、土壤微生物群落組成與土壤理化及生物學性狀間的相關分析

Pearson相關分析表明（表3），持續(xù)玉米秸稈還田后，土壤全氮、總碳與細菌、真菌、放線菌、叢枝菌根真菌的脂肪酸含量均呈顯著正相關；土壤全氮與革蘭氏陽性菌生物量呈極顯著正相關，與革蘭氏陰性菌和原生動物類呈顯著正相關；土壤總碳與革蘭氏陽性菌呈顯著正相關；土壤堿解氮與細菌、革蘭氏陽性菌、叢枝菌根真菌呈顯著正相關，土壤pH值與革蘭氏陰性菌呈顯著負相關，土壤呼吸強度與細菌、革蘭氏陰性菌、真菌、原生動物類、叢枝菌根真菌呈顯著正相關；土壤微生物群落組成中，F(xiàn)/B和G+/G-分別與土壤堿解氮和速效鉀呈顯著負相關，玉米產(chǎn)量僅與土壤速效鉀呈顯著正相關。而土壤全磷、速效磷、微生物生物量碳、微生物熵、呼吸熵與玉米產(chǎn)量、土壤微生物群落組成間均無顯著相關性。

表3 持續(xù)秸稈還田下玉米產(chǎn)量、土壤微生物群落組成與土壤理化性質(zhì)及生物學性狀間的相關分析

3 討論

3.1 秸稈還田對土壤理化及生物學性狀的影響

秸稈還田可為土壤輸入大量碳、氮[15]。試驗中，持續(xù)秸稈還田明顯提高了土壤中總碳、全氮、堿解氮等的含量。前人研究表明，玉米秸稈還田后，秸稈碳、氮分別占土壤總碳、總氮的26.4%～46.3%、10.7%～17.7%，秸稈還田與糞肥配合施用時可增加土壤碳、氮的穩(wěn)定性，顯著提高土壤碳、氮含量[16]；小麥秸稈全量還田結(jié)合底土耕作可促進微生物碳源代謝，有助于增加碳的固存，且土壤中有機碳含量隨時間的推移增加，土壤中氮素含量也顯著增加[17]?？梢姡魑锝斩捲谕寥捞?、氮管理方面發(fā)揮著重要作用。Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后土壤有機分解代謝增強，土壤呼吸也顯著提高，秸稈還田增強了光合碳的輸入，顯著促進了土壤碳的累積。本研究結(jié)果與之類似，但試驗中秸稈還田量的高低并未對土壤呼吸強度產(chǎn)生顯著影響，這可能是秸稈腐解后期難分解有機物幾近相同的緣故。Liu等[19]研究也表明，秸稈還田管理對土壤養(yǎng)分有著顯著影響，尤其是有機碳和總氮，秸稈還田后20-40 cm耕層土壤中有機碳、總氮含量顯著增加；并認為，碳是作物秸稈的主要組成部分，秸稈經(jīng)腐解會釋放大量的碳。以往研究認為，C/N比反映了土壤碳、氮間的相互作用[20]，外源C、N的輸入都會對其產(chǎn)生影響[21]。Xu等[22]還發(fā)現(xiàn)秸稈還田可提高土壤活性有機碳，增加C/N。本試驗同蓋霞普等[21]發(fā)現(xiàn)土壤C/N有隨秸稈還田量的增加而降低的趨勢的結(jié)果相一致。分析認為，試驗中連續(xù)秸稈還田6年間，玉米秸稈在逐漸腐解過程中會釋放碳、氮；在適量氮、磷、鉀肥施用條件下，能夠從減少養(yǎng)分損失和增加輸入兩方面促進土壤碳、氮累積；C/N較高的玉米秸稈還田后會將土壤中有機氮固定轉(zhuǎn)化為無機氮，減少氮的礦化，提高土壤中氮的含量，相應降低了土壤C/N比。

本研究表明，持續(xù)秸稈還田降低了土壤pH值，這與前人研究基本一致[23-24]。葉文培等[25]也證實玉米和水稻秸稈還田能促使土壤pH值下降。分析認為，盡管還田作物秸稈種類不同，但秸稈在腐解時都會釋放大量有機酸[26]；同時，土壤微生物在代謝過程中也會釋放大量的無機、有機酸物質(zhì)[27]，從而使土壤pH值下降。這說明在旱作區(qū)持續(xù)進行秸稈還田管理能改善土壤pH環(huán)境，有效提升土壤肥力。

3.2 秸稈還田對土壤微生物群落組成的季節(jié)性影響

本試驗中，秸稈還田管理下，除T1外，土壤微生物PLFAs含量整體上均有隨秸稈還田量增加而升高的趨勢；受季節(jié)變化影響，玉米成熟期對應土壤中各微生物脂肪酸含量明顯高于大喇叭口期。分析認為，隨還田時間延長，秸稈腐解更充分，能為土壤微生物提供更多碳源，促進了土壤微生物的繁殖，相應增加了以PLFAs表征的土壤微生物生物量。但在玉米生長旺盛階段，玉米需要從土壤中吸收大量的養(yǎng)分，可能會與土壤微生物形成養(yǎng)分競爭關系，隨作物生育期的推進，玉米進入生長后期并逐漸成熟時，所需養(yǎng)分逐漸減少，與微生物間養(yǎng)分競爭力減小，土壤微生物的繁殖能力增強，微生物生物量顯著增加。此外，土壤物理、化學性狀的變化是影響土壤微生物群落種類、活性及分布的關鍵因素[28]。Brocket等[29]發(fā)現(xiàn)土壤含水量是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的重要影響因素，在干旱環(huán)境下，由于缺水，土壤微生物活性降低甚至死亡；Hackl等[30]研究也表明微生物群落PLFAs含量在潮濕低溫環(huán)境下較高。本研究中，玉米大喇叭口期土壤樣本含水率低，且此時氣溫較高，土壤微生物活性較低，而玉米成熟期氣溫降低，土壤含水率增加，土壤微生物活性也隨之提高，微生物生物量增加。因此，成熟期以PLFAs表征的土壤微生物生物量顯著高于大喇叭口期，可能是導致微生物生物量有季節(jié)性差異的主要原因。土壤真菌/細菌（F/B）生物量的比值可用來判斷土壤質(zhì)量狀況和自我調(diào)控能力，F(xiàn)/B值越大，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性越強[31]。Marschner P等[32]認為，真菌在分解作物秸稈過程中占據(jù)主導地位；土壤中F/B越大，G+/G-越小，土壤肥力越高[33]。本研究中，秸稈還田后土壤中細菌、真菌磷脂脂肪酸含量均增加，土壤中真菌磷脂脂肪酸含量的增加幅度大于細菌。盡管對應土壤中G+/G-在各處理間無顯著性差異，但G-較G+所占細菌總磷脂脂肪酸含量比例大。Huang等[34]研究也表明，G-敏感度高，在富營養(yǎng)環(huán)境中生長速度高于G+?？梢姡斩掃€田后可能更有利于G-的生長。

3.3 秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響

本試驗表明，連續(xù)秸稈還田后，各處理玉米產(chǎn)量間均無顯著性差異（P>0.05）。目前，關于秸稈還田對作物產(chǎn)量影響的研究結(jié)果各有不同。有研究認為秸稈還田后能夠提高土壤養(yǎng)分，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水、保溫性能，豐富土壤微生物多樣性，使作物高產(chǎn)[35]；但也有研究表明，盡管秸稈還田改善了土壤質(zhì)量，但并沒有影響作物產(chǎn)量，甚至造成減產(chǎn)[36-37]。黃紹敏等[38]研究表明玉米生長在抽穗期前主要受土壤肥力影響，抽穗期后則由氣候條件決定；干旱區(qū)由于夏季高溫少雨，不利于玉米灌漿，秸稈還田后提高的土壤肥力僅能減緩11%～14%的氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響[38]?？梢?，秸稈還田后，玉米產(chǎn)量變化應該受生產(chǎn)技術、氣候條件、土壤肥力等多種因素綜合影響。

4 結(jié)論

玉米秸稈還田管理可提高寧夏旱作區(qū)農(nóng)田土壤中全氮、總碳、堿解氮等養(yǎng)分含量，降低土壤pH值。受土壤全氮、總碳的驅(qū)動，以PLFAs表征的土壤微生物生物量在秸稈還田后明顯增加；微生物季節(jié)性變化差異明顯，但不同秸稈量的還田措施未對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。