秸稈還田對干旱區(qū)滴灌玉米生產(chǎn)及土壤微生物的影響

孟超然，白如霄，楊鵬輝，張皓禹，危常州

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第九師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆塔城 834600)

0 引 言

【研究意義】我國農(nóng)作物種類繁多，秸稈產(chǎn)量大，據(jù)統(tǒng)計，2017年我國秸稈理論總量達到10.2億噸[1]。但因小規(guī)模種植大量存在，缺乏規(guī)模化技術(shù)等一系列問題[2]，秸稈棄置、焚燒等處理方式普遍存在，資源浪費的同時也造成了環(huán)境污染[3]。玉米作為我國第一大糧食作物，播種面積達3.68×107hm2，占所有糧食作物面積的35.23%[4]。玉米秸稈是產(chǎn)量巨大的農(nóng)作物副產(chǎn)物資源，每年可達3×108t左右。對玉米秸稈還田進行研究可為高效、合理利用這一數(shù)量巨大的資源提供科學(xué)依據(jù)。【前人研究進展】許多研究均表明，玉米秸稈還田能夠提高土壤微生物群落功能多樣性[5]，是改善和保持耕地土壤健康的有效措施。土壤微生物功能多樣性是指土壤微生物群落所能執(zhí)行的功能范圍以及這些功能的執(zhí)行過程[6]，能夠敏感地反映土壤生態(tài)環(huán)境的變化[7]，土地利用類型、施肥措施、耕作方式、種植年限及時空差異[8-11]等均能對其產(chǎn)生顯著影響。土壤微生物功能多樣性一方面與還田秸稈類型[5]、還田秸稈量[12]等有顯著相關(guān)關(guān)系，另一方面也很大程度上受到土壤狀況如土壤溫度、土壤水分、土壤結(jié)構(gòu)的影響[13]。【本研究切入點】目前關(guān)于玉米秸稈還田對土壤微生物功能多樣性的影響已有很多，但在干旱區(qū)滴灌條件下進行的研究相對缺乏。研究秸稈還田對干旱區(qū)滴灌玉米生產(chǎn)及土壤微生物的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】在新疆北疆干旱滴灌玉米種植區(qū)特殊的氣候、水分條件下，研究不同玉米秸稈還田量對土壤微生物功能多樣性及玉米生長、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，為合理秸稈還田提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究于2018年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第九師一六四團三連進行，該團場位于塔城地區(qū)西北部、伊犁哈薩克自治州中部，屬于中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，雨量偏少，年平均降水量142～295 mm，地方性小氣候比較明顯。全區(qū)無霜期一般為150～180 d，年日照2 832～3 006 h，年平均氣溫5～7℃。塔城地區(qū)總耕地面積為6.24×105hm2，其中玉米種植面積為2.12×105hm2，占總耕地面積的34.02%。試驗地為長期連作玉米農(nóng)田，其理化性質(zhì)如下：有機質(zhì) 15.28 mg/kg、堿解氮107.74 mg/kg、速效磷9.88 mg/kg、302.14 mg/kg，pH為8.27。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

1.2.2 測定項目

干物質(zhì)積累動態(tài)：玉米出苗后每隔25 d對地上部植株樣品進行采集，樣品采集完成后在85℃下烘干，稱重，記錄其干物質(zhì)積累動態(tài)。

土壤微生物功能多樣性：玉米吐絲期(出苗后88 d)采集耕層土壤樣品，舍棄表層0～5 cm土壤后，于4 ℃下冷藏，用Biolog-Eco微平板法測定微生物功能多樣性。每塊Biolog-Eco平板有8×12共96個孔，每32個孔為1個重復(fù)，包含1個空白和31種碳源，共3次重復(fù)。稱取秸稈不同腐解天數(shù)下相當(dāng)于10 g烘干土樣的土壤樣品，加入裝有90 mL無菌磷酸緩沖液的250 mL三角瓶，經(jīng)兩次稀釋至10-3g/mL，接種到平板培養(yǎng)基，每孔接種100 μL，接種完成后立即使用Biolog自動讀數(shù)裝置測定平板各孔在590 mm波長下的吸光度，之后于25℃培養(yǎng)，每12 h讀數(shù)一次，共計讀數(shù)15次(7 d)。平均顏色變化率(AWCD值)、Richness豐富度指數(shù)(S)、Shannon多樣性指數(shù)(H)、McIntosh均勻度指數(shù)(U)和Pielou均勻度指數(shù)(J)計算公式如下：

S=被利用碳源總數(shù).

J=H/lnS.

式中，Ai第i個孔的吸光值，A0為對照孔的吸光值，Ai-A0為第i個孔的相對吸光值，Pi為第i個孔的相對吸光值與所有孔相對吸光值之和的比值，即，S為被利用的碳源總數(shù)，ni為第i個孔的相對吸光度(Ai-A0)。

籽粒產(chǎn)量及品質(zhì)：玉米成熟后，各處理選取3個重復(fù)點進行產(chǎn)量測定，各重復(fù)面積均為6.67 m2，測定包括株數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重在內(nèi)的產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)。籽粒品質(zhì)指標(biāo)蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量采用BRURER公司生產(chǎn)的MATRIX-1 型近紅外光譜分析儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office 工具Excel進行數(shù)據(jù)整理；Statistics 18.0對試驗數(shù)據(jù)作描述性統(tǒng)計學(xué)分析；生態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件Canoco for Windows 4.5進行主成分分析(PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物群落平均顏色變化率

研究表明，各處理AWCD值變化趨勢相同，0～36 h變化不大，36～108 h快速增長，120～132 h增長速度放緩，符合一般微生物培養(yǎng)的適應(yīng)期-對數(shù)期-穩(wěn)定期的生長規(guī)律。培養(yǎng)開始前36 h內(nèi)，各處理AWCD值無顯著差異，36～48 h 秸稈全量還田處理(SR2)顯著大于秸稈半量還田處理(SR1)和秸稈不還田處理(CK)。從培養(yǎng)72 h開始，各處理AWCD值兩兩之間均呈現(xiàn)顯著差異，以SR2最大，CK最小，即SR2 > SR1 > CK。圖1

有人說，一個公司的氣質(zhì)多少與其掌舵人有關(guān)，臺資企業(yè)栢科富翔之行讓我們深有同感。想象一下，一個中式復(fù)古風(fēng)格的房間，屋內(nèi)看似隨意擺放的物件，空氣中若有似無的檀香，是不是有一種偷得浮生半日閑的愜意。如果不是攝像機在一旁忠實地提醒，我似乎會忽略掉我們正在采訪栢科富翔董事長吳重蔚。更令我們意外的是，眼前這位說話不緊不慢、氣質(zhì)安靜柔和的掌門人所擁有的 “霸氣”履歷——哈佛畢業(yè)，資深建筑師，于舊金山開有建筑事務(wù)所。跨界、國際化，自帶話題屬性的吳重蔚頓時引發(fā)了我們強烈的好奇，為什么會進入印刷？建筑師的經(jīng)歷對印刷事業(yè)有何幫助？想把公司推到一個什么樣的高度……面對我們拋來的問題，吳重蔚逐一耐心解答。

圖1 不同秸稈還田量下土壤微生物群落平均顏色變化率
Fig.1 Average well color development (AWCD) of soil microbial communities under different straw returning amounts

2.2 土壤微生物代謝多樣性變化

研究表明，秸稈還田處理SR1、SR2下Richness指數(shù)即被利用碳源總數(shù)分別為27.67、27.00，二者差異不顯著且均顯著大于秸稈不還田處理(CK)下的17.33，Shannon指數(shù)也表現(xiàn)出相同的規(guī)律；McIntosh指數(shù)則稍有不同，表現(xiàn)出SR2 > SR1 > CK，各處理兩兩之間均呈顯著差異；Pielou指數(shù)SR1和CK差異不顯著，且均顯著小于SR2。表1

表1 不同秸稈還田量下土壤微生物多樣性指數(shù)
Table 1 Functional diversity indices of soil microbial communities under different straw returning amounts

處理TreatmentRichness豐富度指數(shù)(S)Richness IndexShannon多樣性指數(shù)(H)Shannon IndexMcIntosh均勻度指數(shù)(U)McIntosh IndexPielou均勻度指數(shù)(J)Pielou IndexCK17.33±0.47b3.07±0.02b5.58±0.32c0.90±0.03bSR127.00±0.82a3.14±0.04a6.65±0.22b0.92±0.01bSR227.67±0.47a3.28±0.08a8.92±0.26a0.96±0.00a

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between treatments(P<0.05), the same as below

2.3 土壤微生物群落代謝功能多樣性主成分分析

對不同還田量下培養(yǎng)132 h的AWCD值進行微生物群落功能主成分分析，共提取4個主成分，累計貢獻率為82.34%，其中第1主成分(PC1)的方差貢獻率為39.97%，第2主成分(PC2)為17.80%，前兩個主成分累計貢獻率為57.77%。第三第四主成分方差貢獻率較小，分別為15.16%和9.41%。對PC1和PC2進行分析，得到圖2結(jié)果。分析結(jié)果表明，不同秸稈還田量處理在PC1軸上差異顯著，SR2處理分布在正方向，CK分布在負方向，SR1在正方向和負方向均有分布；在PC2軸上，SR1分布在負方向，CK、SR2在正方向、負方向均有分布。圖2

圖2 不同秸稈還田量下微生物群落主成分分析
Fig.2 Principal component analysis of microbial communities under different straw returning amounts

Eco板31種碳源按照化學(xué)基團性質(zhì)不同，分為碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類、酚酸類和胺類，在主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上載荷值前14種物質(zhì)，相關(guān)系數(shù)絕對值(|r|)越大，碳源對主成分的影響越大。與PC1相關(guān)系數(shù)|r| > 0.60的10種碳源中有碳水化合物類7種，多聚物類、氨基酸類、胺類和各1種；與PC2相關(guān)系數(shù)|r| > 0.50的7種碳源中，碳水化合物類、多聚物類各2種、氨基酸類、羧酸類和酚酸類各1種。表2

表2 部分碳源與主成分1、2相關(guān)系數(shù)
Table 2 Correlation coefficients of partial carbon sources with PC1 and PC2

類別Category碳源類型Chemical guild主成分1PC1類別Category碳源類型Chemical guild主成分2PC2碳水化合物Carbohydrate氨基酸類Amino acids多聚物類Polymer胺類AmineD-木糖0.921N-乙酰基-D-葡萄胺0.903D-半乳糖酸-γ-內(nèi)酯0.859D,L-a-甘油0.828D-纖維二糖0.744D-甘露醇0.679β-甲基D-葡萄糖苷0.609葡萄糖-1-磷酸0.576L-精氨酸0.58L-苯基丙氨酸0.867吐溫400.598吐溫800.687苯乙基胺0.798碳水化合物Carbohydrate氨基酸類Polymer羧酸類Carboxylic acids多聚物類Polymer酚酸類Phenolic acidsa-D-乳糖0.732D-甘露醇0.589D-纖維二糖-0.471N-乙酰基-D-葡萄胺-0.391L-精氨酸0.435L-絲氨酸0.515D-氨基葡萄糖酸-0.405D-蘋果酸-0.393丙酮酸甲酯0.548吐溫400.756a-環(huán)狀糊精0.7482-羥苯甲酸-0.7154-羥基苯甲酸-0.446羧酸類Carboxylic acidsD-半乳糖醛酸0.577胺類Amine苯乙基胺-0.459

2.4 秸稈還田對玉米生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

研究表明，在玉米出苗的前50 d之內(nèi)，秸稈還田對玉米干物質(zhì)積累無顯著影響，隨著生育期的延長，其積極影響逐漸顯現(xiàn)，至出苗75 d，秸稈還田處理(SR1、SR2)玉米干物質(zhì)積累量均顯著大于CK，表現(xiàn)為SR2 > SR1 > CK。這種玉米干物質(zhì)積累的優(yōu)勢一直保持至玉米成熟期(出苗125 d)，且隨著生育期的延長，SR2處理干物質(zhì)積累量較CK增幅逐漸增大。圖3

研究表明，三個處理玉米株數(shù)、千粒重差異均未達到顯著水平，但與CK相比，SR2顯著增加了玉米穗粒數(shù)，增幅達8.01%，玉米產(chǎn)量CK > SR1 > SR2，與CK相比，SR1、SR2分別增產(chǎn)5.48%和13.56%。表3

圖3 玉米干物質(zhì)積累動態(tài)
Fig.3 Dry matter dynamic accumulation of maize表3 玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 3 yield and yield component of maize

處理Treatment株數(shù)(plant/hm2)Plant numbers per hectare穗粒數(shù)(粒)Grain numbers per spike千粒重(g)1 000-grain weight產(chǎn)量(t/hm2)YieldCK1.23×105a451.36b249.73a13.83cSR11.24×105a474.06ab248.43a14.58bSR21.23×105a487.50a261.51a15.70a

研究表明，在秸稈還田條件下，玉米籽粒品質(zhì)較秸稈不還田均有所提高，各處理淀粉含量SR2、SR1較CK分別提高2.11%、1.94%，但均未達到顯著水平；脂肪含量SR2較CK顯著提高了0.39%，SR1較CK提高了0.25 %但差異不顯著；蛋白質(zhì)含量SR2、SR1較CK分別提高了0.43%、0.20%，且各處理之間差異達到顯著水平。表4

表4 玉米籽粒品質(zhì)
Table 4 Grain quality of maize

處理Treatment蛋白質(zhì)Protein(%)脂肪Fat(%)淀粉Starch(%)CK7.56±0.13c3.44±0.13b72.71±1.82aSR17.76±0.09b3.69±0.12ab74.65±1.61aSR27.99±0.08a3.83±0.16a74.82±1.57a

3 討 論

土壤微生物群落平均顏色變化率(AWCD值)表征微生物利用碳源的整體綜合能力，其值越高說明土壤微生物群落代謝活性越強[14]，許多研究表明，秸稈還田能夠增加土壤微生物的多樣性，從而改善土壤環(huán)境，形成土壤-微生物-作物的良性生態(tài)系統(tǒng)[15]。研究中，與秸稈不還田相比，18和9 t/hm2的秸稈還田均能顯著增加土壤微生物AWCD值，說明秸稈還田能夠增加土壤微生物對碳源的利用能力，是改善土壤微生物環(huán)境的有效措施。可能主要是因為秸稈作為一種豐富的養(yǎng)分和有機質(zhì)來源，還田之后能夠為微生物的生長和繁殖提供大量的碳源和能源[16]，研究中秸稈還田量為18和9 t/hm2時，為土壤微生物提供了不同量的碳源、能源，對土壤微生物AWCD值影響程度不同，也在一定程度上驗證了此觀點。

在利用Biolog-Eco方法對土壤微生物多樣性進行評估時，Richness豐富度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、McIntosh均勻度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)是幾個常用指數(shù)，可用以表征土壤微生物物種的多樣性及群落物種的均勻度[17]。研究條件下，進行量為18和9 t/hm2的秸稈還田，二者之間土壤微生物Richness豐富度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)差異不顯著，但均顯著大于秸稈不還田，說明秸稈還田對土壤微生物多樣性造成了顯著的積極影響，這與于寒[18]的研究結(jié)果相似。可能與秸稈還田后復(fù)雜的物質(zhì)變化有關(guān)，如纖維素可降解為單糖、纖維二糖、纖維寡糖[19]，在特殊的環(huán)境中，纖維素結(jié)構(gòu)中的羥基經(jīng)一系列反應(yīng)，也可改性為酯類纖維素、醚類纖維素等[20]；半纖維素可降解產(chǎn)生D-木糖基、D-葡萄糖基、D-甘露糖基、L-阿拉伯糖基、D-半乳糖基[21]；木質(zhì)素可降解為含帶酚羥基含苯環(huán)的單體、二聚體或低聚酚類化合物[22]。復(fù)雜的物質(zhì)變化為不同碳源利用類型微生物的生長、繁殖提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，使土壤微生物物種多樣性得到提高，使得土壤微生物群落中原本功能較為單一的物種逐漸變得豐富，進而使群落物種均勻度得到提高。McIntosh、Pielou均勻度指數(shù)在秸稈18 t/hm2還田條件下顯著大于秸稈不還田，也從側(cè)面解釋了這一現(xiàn)象。

主成分分析(PCA)是對Biolog-Eco數(shù)據(jù)處理過程中最常用到的分析方法[23]。在主成分軸上分布的不同可以反映各處理土壤微生物群落對碳源利用的差異[24]，研究中不同秸稈還田量處理在兩個主成分軸上分布的差異說明各處理土壤微生物群落對碳源利用能力不同，與大多數(shù)研究結(jié)果相似。其原因一方面是上文所述不同秸稈還田量為土壤微生物所提供的碳源、能源的量不同，另一方面，秸稈還田量及還田與否對土壤性質(zhì)的影響不同。如秸稈還田能夠改善土壤水分狀況[25]，尤其研究在干旱區(qū)滴灌條件下進行，土壤水分對微生物的影響更為顯著；秸稈還田能夠提高土壤溫度，降低其日較差[26]，為土壤微生物的生長、繁殖提供適宜且穩(wěn)定的環(huán)境條件。總之，研究中秸稈還田通過對土壤各類理化性質(zhì)的影響，進而使土壤微生物群落對碳源利用出現(xiàn)差異。研究條件下，這種差異主要表現(xiàn)在對碳水化合物類、多聚物類、氨基酸類碳源的利用程度上。

高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的首要目標(biāo)，直接決定了耕地經(jīng)濟效益，干物質(zhì)積累作為產(chǎn)量形成的前期過程，對作物產(chǎn)量、品質(zhì)有顯著的影響[27-28]。前人研究表明，充足的土壤養(yǎng)分供應(yīng)能夠顯著增加作物干物質(zhì)積累量[29]，研究在統(tǒng)一施肥量的前提下研究不同秸稈還田量對玉米干物質(zhì)積累的影響，發(fā)現(xiàn)玉米出苗75 d后各秸稈還田處理較秸稈不還田處理均能顯著增加玉米干物質(zhì)積累量，且秸稈還田量為18 t/hm2時增幅較大。排除施肥的影響，說明秸稈還田能夠提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。這一方面是因為秸稈本身作為養(yǎng)分資源，含有農(nóng)作物生長所需要的多種營養(yǎng)元素[30]，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫，還田后可顯著增加土壤養(yǎng)分含量[31]；另一方面秸稈作為有機物料，還田可顯著增加農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量[32]，改善土壤容重、團聚體含量等土壤物理性狀，進而提高土壤養(yǎng)分有效性[33]；研究條件下發(fā)現(xiàn)秸稈還田增加了土壤微生物群落功能多樣性，也是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力得到提高的一個重要原因[34]。而玉米出苗后的50 d之內(nèi)，各處理玉米植株干物質(zhì)積累量無顯著差異，可能是因為研究區(qū)秋季降溫迅速，冬季嚴(yán)寒且漫長，秸稈還田后至第二年溫度回升后才開始快速分解，且秸稈作為養(yǎng)分資源，其肥效并非立竿見影。研究表明，秸稈一般在還田后60 d后完成養(yǎng)分的快速釋放[35]，加之玉米秸稈碳氮比較高，分解初期易發(fā)生微生物“掘氮效應(yīng)”[36]，使得本地區(qū)秸稈還田不能在生育期早期對玉米干物質(zhì)積累產(chǎn)生顯著影響，而越靠近生育期后期，18 t/hm2秸稈還田較秸稈不還田對玉米干物質(zhì)積累量增幅越大。這種干物質(zhì)積累優(yōu)勢為玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供了更為充分的物質(zhì)準(zhǔn)備，研究中，18和9 t/hm2秸稈還田較秸稈不還田玉米產(chǎn)量分別增了13.56%和5.48%，玉米籽粒脂肪含量分別提高了0.39%和0.25%、蛋白質(zhì)含量分別提高了0.43%、0.20%，達到了提質(zhì)增產(chǎn)的效果。

4 結(jié) 論

秸稈還田能夠提高土壤微生物對碳源的程度，增加土壤微生物物種的多樣性和群落物種的均勻度。秸稈還田造成的土壤微生物群落功能多樣性的差異主要表現(xiàn)在對碳水化合物類、多聚物類、氨基酸類碳源的利用程度上。秸稈還田能夠提高土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力，在生育期的中后期顯著增加玉米干物質(zhì)積累量。玉米秸稈還田量為18和9 t/hm2較秸稈不還田分別增產(chǎn)13.56%和5.48%。與秸稈不還田相比18 t/hm2秸稈還田可顯著增加玉米籽粒蛋白質(zhì)含量和脂肪含量，分別增加0.43%和0.39%。