秸稈還田和耕作深度對稻田耕層土壤的影響

胡心意，傅慶林，劉 琛，丁能飛，林義成

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

我國水稻土面積約為0.29億hm2，占我國耕地總面積的1/5[1]。目前，南方低丘地區(qū)水稻土的連續(xù)高強度開發(fā)和不合理利用，致使水田耕層變淺、犁底層加厚、土壤容重偏高、土壤有機質(zhì)大量消耗、土壤理化性質(zhì)變差、土壤生物活性下降，從而導(dǎo)致作物根系分布淺、營養(yǎng)吸收范圍小、肥水利用率低，進而使土壤的生產(chǎn)力減弱，制約了作物產(chǎn)量的進一步提高。

秸稈還田可以改善土壤理化性狀，提高土壤養(yǎng)分含量，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。胡誠等[2]研究表明，添加了秸稈的處理都比單施化肥的對照稻谷產(chǎn)量高，最多增產(chǎn)33 kg·667 m-2，增產(chǎn)率為7.62%。秸稈還田可以增強土壤微生物氮素固持能力，有效降低土壤氮素流失風(fēng)險，促進農(nóng)作物生長發(fā)育[3-4]。劉紅江等[5]通過基肥機械深施和秸稈還田，在太湖地區(qū)習(xí)慣施氮水平的基礎(chǔ)上減氮10%，在保證水稻產(chǎn)量的同時，降低了農(nóng)田地表徑流總氮流失量和水稻氮素偏流失率，并使稻田氮素流失率保持在較低水平。秸稈還田還可增加土壤微生物生物量，提高微生物的活性[6]。但是，以往秸稈還田的研究主要集中在秸稈施用量上，結(jié)合耕作深度分析其對土壤影響的研究不多。事實上，耕作深度對土壤性質(zhì)、蓄水保肥性能和作物產(chǎn)量都有顯著影響[7]。朱杰等[8]和童文杰等[9]研究表明，稻田深耕可提高表層(0～20 cm)土壤含水量，促進作物產(chǎn)量提高。缺乏合理的耕作，如小型拖拉機和牛馬犁耕作，會使農(nóng)田耕作層變淺，而化肥的過量使用會引起土壤板結(jié)、孔隙度減少，導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)破壞，促使土壤有機質(zhì)快速氧化，土壤肥力下降[10]。李富程等[11]研究表明，隨著耕作深度的增加，土壤凈位移量顯著增大，有助于增厚和改善耕層土壤。但亦有研究表明[8]，深耕處理的稻田土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量低于免耕處理。耕作不僅深刻影響土壤結(jié)構(gòu)和肥力，也改變了土壤微生物群落特征[12-13]。另有一些研究顯示，短期耕作并不會影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性[14-15]。關(guān)于耕作和秸稈還田對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響尚未形成一致的結(jié)論。

浙江省秸稈資源化利用潛力巨大，2015年秸稈總產(chǎn)量達982.1萬t[16]。目前，浙江的水稻田耕作采用旋耕機進行旋耕，耕作深度一般為10～12 cm，耕作深度較淺。本研究于2016年在蘭溪和金華兩地稻田同時開展秸稈還田與不同耕作深度的田間試驗，旨在了解耕作深度與秸稈還田對稻田土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，為秸稈資源化利用、培育合理稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)、實現(xiàn)水稻可持續(xù)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地選擇蘭溪和金華兩地，稻田土壤質(zhì)地均為重壤土。蘭溪供試耕層土壤有機質(zhì)20.0 g·kg-1，堿解氮128.9 mg·kg-1，速效磷17.1 mg·kg-1，速效鉀44.3 mg·kg-1，pH值4.8，種植水稻30 a，耕層土壤熟化程度較高。金華供試耕層土壤有機質(zhì)18.6 g·kg-1，堿解氮139.2 mg·kg-1，速效磷6.7 mg·kg-1，速效鉀43.1 mg·kg-1，pH值4.3，種植水稻10 a，耕層土壤熟化程度較低。

耕作深度設(shè)2個水平：淺耕，耕深10～12 cm(L，常規(guī)旋耕)；深耕，耕深18～20 cm(D，先翻耕再旋耕)。油菜秸稈還田設(shè)2個水平：秸稈還田量0(S0)和300 kg·667 m-2(S1，油菜秸稈半量還田)。共設(shè)置4個處理：淺耕無秸稈(LS0)，淺耕秸稈還田(LS1)，深耕無秸稈(DS0)和深耕秸稈還田(DS1)。每個處理3個重復(fù)，每小區(qū)面積30 m2，隨機區(qū)組排列，周圍設(shè)置保護行。小區(qū)間用30 cm高的小田埂隔離，并用塑料薄膜嵌入耕層以免小區(qū)間肥水側(cè)滲。除秸稈還田與化肥施用量外，各小區(qū)其他田間管理措施相同。

化肥施用量：S0，13 kg N·667 m-2，6 kg P2O5·667 m-2，8 kg K2O·667 m-2。S1，10.89 kg N·667 m-2，5.74 kg P2O5·667 m-2，3.67 kg K2O·667 m-2。化肥為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。還田油菜秸稈N、P2O5、K2O含量分別為7.02、0.87、14.43 g·kg-1。所用油菜秸稈切成5～10 cm長的小段，均勻撒入小區(qū)內(nèi)，用旋耕機將其與耕層土壤混勻，灌水泡田7 d后移栽水稻。所有處理N、P2O5、K2O施用量相等。水稻施1次底肥2次追肥：在水稻移栽前施底肥，在分蘗期和孕穗期分別以32%和11%的N用量追肥，以15%的K2O用量在孕穗期追肥，其余養(yǎng)分均作底肥施用。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

水稻收割后，每個小區(qū)按“五點法”采集耕層 0～20 cm的土壤，混勻，放入密封袋，存放在保溫箱中帶回實驗室。樣品采集后，用滅菌蒸餾水清洗土鉆，用浸潤75%乙醇的棉球擦洗干凈后再進行下一個點的取樣。剔除土壤中可見的動植物殘體，混勻后采用“四分法”分取土壤樣品，過2 mm篩，混合均勻后置于濕熱滅菌自封袋中，4 ℃冰箱保存(保存時間不超過7 d)作為新鮮土樣。取1 000 g土樣室內(nèi)自然風(fēng)干，磨細過 2 mm篩，用于測定土壤酶活性和基本理化性質(zhì)。另取500 g新鮮土壤樣品放在-70 ℃冰箱中速凍，冷凍干燥后，-80 ℃保存，供磷脂脂肪酸(PLFA)分析。

土壤pH采用1∶2.5土水質(zhì)量體積比浸提，用pH計測定；土壤有機質(zhì)(organic matter， OM)采用重鉻酸鉀氧化比色法[17]測定；堿解氮(alkali nitrogen， AN)采取堿擴散法[18]測定；有效磷(Olsen phosphorus， OP)采取Olsen法[19]測定；速效鉀(available potassium， AK)采用NH4OAC浸提—火焰光度法[18]測定。

1.3 土壤酶活測定

1.4 土壤微生物組成測定

磷脂脂肪酸按 Bligh-Dyer修正法提取，以十九烷酸為內(nèi)標(biāo)[23-25]，具體流程如下：稱取5 g冷凍干燥后的土壤樣品，用混合浸提液(磷酸緩沖液-甲醇-氯仿，體積比為0.8∶2.0∶1.0)避光振蕩2 h(200 r·min-1)，黑暗中靜置12 h，吸去上清液，40 ℃電熱干浴，氮氣吹干，用1 mL氯仿溶出。將氯仿樣品轉(zhuǎn)移至硅膠柱中，分別用5 mL氯仿、10 mL丙酮淋洗，最后用5 mL甲醇洗脫。40 ℃電熱干浴，氮氣吹干，用1 mL甲醇溶出，-20 ℃保存。根據(jù)MIDI方法對樣品進行皂化、甲基化、萃取及洗滌。最后將甲基脂肪酸酯溶出，轉(zhuǎn)移入內(nèi)插管中，用MIDI Sherlock R Microbial Identification System進行測定。

特定生物標(biāo)記物標(biāo)記特定微生物PLFA，分析參照Frosteg?rd等[26-27]的方法進行。所有PLFA單體的總量表示群落微生物生物量。以i15∶0、a15∶0、15∶0、i16∶0、16∶1ω5c、i17∶0、a17∶0、17∶0、cy17∶0、18∶1ω7c和cy19∶0的總量表示細菌生物量；以18∶2ω6，9c的量表示真菌生物量；以i14∶0、i15∶0、a15∶0、i16∶0、i17∶0和a17∶0的量表示革蘭氏陽性菌生物量；以16∶1ω7c、16∶1ω5c、17∶1ω8c、cy17∶0、18∶1ω9c、18∶1ω7c和cy19∶0的量表示革蘭氏陰性菌生物量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件對結(jié)果進行雙因素方差分析，檢驗耕作深度和秸稈還田對土壤pH、養(yǎng)分、土壤酶和微生物群落組成影響的顯著性，并利用Tukey法檢驗同一因素下各處理間差異的顯著性。香農(nóng)(Shannon)多樣性指數(shù)(H)根據(jù)下式計算：

(1)

式(1)中pi為脂肪酸的相對濃度。

利用SPSS 16.0進行相關(guān)性分析。對LS0、LS1、DS0和DS1處理下的土壤微生物各磷脂脂肪酸含量進行主成分分析，利用Canoco 4.5進行冗余分析(redundancy analysis， RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)和水稻產(chǎn)量

無論增加耕深還是秸稈還田，對土壤pH、土壤速效鉀和有機質(zhì)含量均無顯著影響(表1)。在蘭溪試驗點，與LS0相比，LS1能夠顯著(P<0.05)增加土壤堿解氮的含量，但與DS0相比，DS1對土壤堿解氮含量無顯著影響。在金華試驗點，耕深和秸稈還田對土壤堿解氮含量均無顯著影響。在蘭溪試驗點，與DS0相比，DS1能顯著(P<0.05)增加土壤有效磷的含量，而LS1與LS0的土壤有效磷含量無顯著差異。在金華試驗點， LS1的土壤有效磷含量顯著(P<0.05)高于LS0，而DS1與DS0的土壤有效磷含量無顯著差異。從產(chǎn)量上看，無論在蘭溪試驗點還是在金華試驗點，同一耕深下秸稈還田均能顯著(P<0.05)提高稻谷產(chǎn)量，而相同秸稈處理下不同耕深對產(chǎn)量無顯著影響。

2.2 土壤酶活性

如表2所示，在相同耕深下，秸稈還田能提高土壤芳基硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶的活性，而在相同秸稈處理下，增加耕深可提高土壤β-葡糖苷酶和磷酸酶的活性，但卻會降低土壤芳基硫酸酯酶的活性。在蘭溪試驗點，DS1的土壤脲酶活性和β-葡糖苷酶活性最高；在金華試驗點，LS1的土壤芳基硫酸酯酶活性和脲酶活性最高。

2.3 土壤微生物群落

從表3可知，與LS0相比，在蘭溪試驗點，LS1和DS1能顯著(P<0.05)提高土壤PLFA總含量、細菌PLFA含量、真菌PLFA含量，及革蘭氏陰性菌PLFA含量，但是在金華試驗點，LS1和DS1對土壤PLFA總含量、細菌PLFA含量、真菌PLFA含量，及革蘭氏陰性菌PLFA含量、革蘭氏陽性菌PLFA含量均無顯著影響。無論在蘭溪試驗點還是金華試驗點，增加耕深和秸稈還田對生物多樣性Shannon指數(shù)(H)均無顯著影響。

2.4 環(huán)境因子與土壤微生物群落的關(guān)系

對各處理下土壤微生物各磷脂脂肪酸含量作主成分分析。在蘭溪試驗點(圖1-a)，PC1和PC2共解釋了58.11%的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化，其中，PC1解釋了37.37%的變化。DS1處理同一試驗地點同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

表1 秸稈還田和耕深對土壤化學(xué)性質(zhì)及水稻產(chǎn)量的影響

Data followed by no same letters within the same column in the same site indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表2 秸稈還田和耕深對土壤酶活性的影響

表3 各處理下不同種群的脂肪酸含量

圖1 蘭溪(a)、金華(b)土壤PLFA主成分分析Fig.1 Principal component analysis on soil PLFA in Lanxi (a) and Jinhua(b)

在PC1軸正方，與LS0處理有明顯區(qū)別。LS1處理位于PC2軸正方，明顯區(qū)分于在PC2軸負方的DS0與DS1處理。

在金華試驗點(圖1-b)，PC1和PC2共解釋了50.27%的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)總變化，其中，PC1軸解釋了30.13%的變化。DS0、DS1處理在PC2軸正方，與LS0、LS1位于PC2軸負方有明顯區(qū)別。

RDA分析結(jié)果如圖2所示，蘭溪試驗點土壤與金華試驗點土壤微生物組成分居RDA2軸的兩側(cè)，解釋了12.5%變異，RDA2軸主要與秸稈、pH相關(guān)。RDA1軸解釋了57.5%的變異，主要與有效磷、有機質(zhì)、堿解氮含量相關(guān)。

TD，耕作深度。TD， Tillage depth.圖2 土壤PLFA與土壤理化性質(zhì)的RDA分析Fig.2 Redundancy analysis on soil PLFA with soil physical and chemical properties

2.5 土壤化學(xué)性質(zhì)與土壤生物特性和產(chǎn)量的相關(guān)性

從土壤酶與土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性分析可知(表4)：土壤有效磷與芳基硫酸酯酶、脫氫酶、β-葡糖苷酶、過氧化氫酶呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)；土壤堿解氮與脲酶、芳基硫酸酯酶、脫氫酶、β-葡糖苷酶呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)；土壤有機質(zhì)與芳基硫酸酯酶、脫氫酶、β-葡糖苷酶和過氧化氫酶呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)；產(chǎn)量與土壤堿解氮、有效磷分別呈顯著(P<0.05)與極顯著(P<0.01)正相關(guān)；土壤細菌PLFA含量、總PLFA含量、革蘭氏陰性菌PLFA含量與土壤pH呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負相關(guān)，而細菌PLFA含量與土壤有效磷呈顯著(P<0.05)負相關(guān)。土壤速效鉀與微生物生物量無明顯相關(guān)性。真菌PLFA含量及革蘭氏陰性菌PLFA含量與土壤堿解氮分別呈顯著(P<0.05)與極顯著(P<0.01)正相關(guān)。

表4 土壤生理生化指標(biāo)及水稻產(chǎn)量的相關(guān)性分析

*，P<0.05；**，P<0.01。

3 討論

秸稈還田有利于改善土壤養(yǎng)分，提高稻谷的產(chǎn)量[8]。本研究中，秸稈還田可增加土壤堿解氮和有效磷等含量，而產(chǎn)量與土壤堿解氮、有效磷呈顯著正相關(guān)，因此，秸稈還田能顯著提高稻谷的產(chǎn)量，這與秸稈中含有豐富的氮、磷養(yǎng)分有關(guān)[28]。但是，秸稈還田對土壤pH、有機質(zhì)和速效鉀含量無顯著影響，這可能與試驗僅進行1 a，時間短，秸稈還田量少(僅為半量還田)有關(guān)。顧克軍等[29]研究也表明，秸稈還田土壤速效鉀和有機質(zhì)含量與無秸稈還田處理無顯著差異。朱杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)，深耕(旋耕18 cm深度)處理的稻田土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量低于免耕處理，而產(chǎn)量沒有顯著差異。本試驗中，蘭溪試驗點以深耕秸稈還田處理稻谷產(chǎn)量最高，而在金華試驗點則是淺耕秸稈還田處理稻谷產(chǎn)量最高。這可能與兩地的耕層土壤熟化程度有關(guān)。在蘭溪試驗點，深耕層土壤熟化程度較高，土壤養(yǎng)分較高，加大耕層的耕作深度可以促進水稻根系向深耕層擴展，有利于水稻吸收深層土壤養(yǎng)分，從而提高稻谷產(chǎn)量；而在金華試驗點，相對于淺耕秸稈還田處理來說，深耕層的土壤熟化程度較低，深耕層土壤養(yǎng)分也較低，因而深耕秸稈還田處理的稻谷產(chǎn)量不如淺耕秸稈還田處理，但隨著深耕層土壤的逐漸熟化，作物產(chǎn)量將會提高。

秸稈還田對土壤β-葡糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性產(chǎn)生了深刻的影響。本研究表明，秸稈還田后土壤β-葡糖苷酶、磷酸酶和脲酶的活性增加，這是由于土壤微生物分泌了更多的碳代謝相關(guān)的酶以降解有機質(zhì)，從而滿足微生物在高氮環(huán)境下對碳養(yǎng)分的需要[30]。土壤有機質(zhì)與土壤β-葡糖苷酶呈顯著正相關(guān)，因此，秸稈還田有利于土壤有機質(zhì)積累。這一結(jié)果與孟慶英等[31]、李春霞等[32]和冀保毅等[33]研究的結(jié)論一致。

在相同秸稈還田條件下，增加耕深有利于提高土壤β-葡糖苷酶的活性(表2)。于淑婷等[34]認為，連年深耕有利于表層土壤β-葡糖苷酶活性的積累。劉淑梅等[35]研究發(fā)現(xiàn)，深耕處理下土壤的β-葡糖苷酶活性高于免耕處理。冀保毅等[33]的研究結(jié)果也表明，深耕處理的土壤β-葡糖苷酶活性較常規(guī)耕作處理提高了7.39%。張莉等[36]同樣發(fā)現(xiàn)，深翻處理后土壤的β-葡糖苷酶活性平均增幅達5.33%。趙亞麗等[37]的研究結(jié)果表明，冬小麥成熟期、夏玉米成熟期，深耕的土壤β-葡糖苷酶活性較常規(guī)耕作分別增加25.1%、19.9%。

秸稈還田為微生物的生長提供能量與養(yǎng)分，從而提高了土壤微生物生物量。本研究表明，秸稈還田增加了土壤總PLFA含量和革蘭氏陰性菌的PLFA含量，這一研究結(jié)果與卜洪震等[38]、郭梨錦等[39]的研究結(jié)果一致。同時，秸稈還田還增加了真菌PLFA含量。這是因為真菌對降解土壤中的秸稈殘體具有重要作用，秸稈還田后會促進真菌的生長。相關(guān)性分析表明，真菌PLFA含量及革蘭氏陰性菌PLFA含量與土壤堿解氮呈顯著正相關(guān)，這樣，秸稈還田增加了真菌PLFA含量，也有利于提高土壤堿解氮含量。本研究顯示，秸稈還田和耕作深度對土壤微生物多樣性指數(shù)均無顯著影響。Petersen等[14]和Spedding等[15]研究也顯示，短期耕作并未影響微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。這些結(jié)果暗示，短期試驗并不能快速影響土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的變化，微生物種群結(jié)構(gòu)可能還受到氣候、施肥等的長期影響。

綜上所述：在蘭溪試驗點，耕深18～20 cm和秸稈還田有利于提高土壤養(yǎng)分，增加稻谷產(chǎn)量；而在金華試驗點，耕深10～12 cm和秸稈還田有利于提高土壤養(yǎng)分，增加稻谷產(chǎn)量。秸稈還田和適宜的耕作深度可提高稻田土壤的養(yǎng)分、酶活性和微生物生物量，改善土壤肥力，進而提高水稻產(chǎn)量。