耕作方式及秸稈還田對土壤性質、微生物碳源代謝及小麥產量的影響

韋安培，丁文超，胡恒宇，隋業偉,劉少梅，陳子明，李 靜

(山東省水土保持與環境保育重點實驗室，山東省臨沂大學資源環境學院，山東 臨沂 276000)

耕作方式中能耗大、效率低以及成本過高，耕作過程中由秸稈焚燒等問題產生的生態環境破壞和高碳排放，對人們的生活造成了巨大的影響[1]。因此，將不同的耕作方式與秸稈管理技術相結合，來改善生態環境以及實現農業可持續發展，對于現階段我國的農業發展具有重要意義。

微生物群落不僅在有機質的形成與分解、土壤呼吸以及養分循環等很多土壤代謝過程中起著至關重要的作用，而且也與土壤系統服務的傳遞功能息息相關。通常情況下，微生物的遺傳多樣性越高，越有能力去利用更多的碳源[2]，而Biolog作為目前最常用來研究土壤微生物群落功能多樣性的一種方法，具有簡單、快速等優點[3]，通過分析微生物群落水平的生理特征得出其碳源利用能力，其中Biolog EC板經常用于微生物的特性和群落分析，而不同的碳源利用模式可以表征微生物群落的差異性[4]。

根據前人的研究結果，在不同耕作條件的直接或間接影響下，土壤的物理性質[5]以及農田耕層土壤的養分含量[6]、土壤呼吸和酶活性[7-8]都發生了一定的變化。此外，秸稈還田在控制溫室氣體的排放、提供養分、提高作物產量等方面具有重要的作用。本文通過分析不同的耕作方式(旋耕、常規翻耕、深松)和不同秸稈還田量(全還田、不還田)的交互作用，找出提高土壤微生物多樣性的最佳組合，為農田生態改良和提高作物產量提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設計

試驗在臨沂大學定位站進行，位于東經116°02′～117°59′，北緯35°38′～36°33′，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明，該地區年平均氣溫13.0℃，年均日照時數2627.1 h，年均降雨量697 mm，具有華北平原的典型特點。供試土壤為壤土，土層深厚。0～20 cm土壤基本理化性狀為：pH值7.09，有機碳10.87 g·kg-1，全氮1.1 g·kg-1，全磷 8.09 mg·kg-1。

試驗采用裂區設計，主區為常規翻耕耕作(C，耕深30 cm)、深松耕作(S，耕深40 cm)、旋耕耕作 (R，耕深15 cm) 3種耕作方式，副區為全還田(P，玉米7 500 kg·hm-2)和不還田(A)2種秸稈還田方式，共 6個處理，分別為PC(常規翻耕耕作秸稈全還田)、AC(常規翻耕耕作秸稈不還田)、PS(深松耕作秸稈全還田)、AS(深松耕作秸稈不還田)、PR(旋耕耕作秸稈全還田)、AR(旋耕耕作秸稈不還田)。每個小區面積為15 m×4 m。本試驗以小麥品種濟麥22為材料，于 2016年10月13日播種，播量90 kg·hm-2，行距20 cm，基施純N 225 kg·hm-2，P2O5180 kg·hm-2和K2O 180 kg·hm-2，各處理分別在冬小麥拔節期和夏玉米大口期澆水60 mm，于2017年6月13日收獲。

1.2 土壤樣品采集

于2017年5月17日小麥灌漿期進行取樣，每個小區內以土鉆隨機取5個點， 0～15 cm和15～30 cm 兩層土樣分別收集并混合均勻，一部分過2 mm篩，置于4℃冷藏箱中，于一周內分析不同處理對土壤微生物碳源代謝產生的影響；另一部分自然風干后過篩，用于測定其對土壤基本理化性質的影響。

1.3 土壤基本理化性質分析

1.4 土壤微生物碳源代謝能力分析

采用群落水平代謝圖譜法表征，用Biolog EcoPlateTM(Biolog Inc., Hayward, CA, USA)測定[12]。Biolog EC板經常被用于微生物特性和群落分析，每個EC板包含31種碳源和四唑染料，另外，未加碳源的孔中加水作為對照。取相當于10 g干土的新鮮土樣，加95 mL無菌的0.85% NaCl溶液振蕩30 min，靜置30 min后，將土壤懸浮樣液稀釋至1 000倍，取150 μL稀釋后的土壤溶液接種至Biolog EcoPlateTM中，然后置于25℃恒溫培養箱培養240 h，每12 h于Biolog微生物自動鑒定系統儀上讀數1 次，測定波長為590 nm[13]。

1.5 小麥測產

各處理分別取2 m2的區域，測定實際產量和有效穗數，3 次重復；隨機取20株有代表性的植株，進行室內考種，包括穗粒數和千粒重，3次重復。

1.6 數據計算

碳源利用率用孔的平均顏色變化率(Average Well Color Development，AWCD)來表示。計算方法根據Garland and Mills (1991)所述如下:

AWCD=∑(C-R)/n

(1)

式中，C為每個有培養基孔的吸光度值，R為對照孔的吸光度值，n為Biolog生態板上碳源的數目，即31。若C-R為負值則設置為0[14]。

本研究在培養60 h(距離讀數240 h內，最大AWCD值的50%所對應的讀數時間)條件下，用Logistic方程擬合AWCD得到的吸光度來表征Biolog生態板中微生物的代謝多樣性[15]。豐富度為單個基板的AWCD在60 h下每個孔的數值減水孔后大于0.25的個數[14]。香濃多樣性計算公式如下：

H′=-∑Pi×lnPi

(2)

Pi=ni/N

(3)

式中，N表示單個基板96 h下每個孔減水孔后的AWCD的總數值，ni是每個孔減水孔后的數值。

采用曲線整合方法估計碳源代謝強度，并用梯形面積(S)代表代謝強度[13]:

S=∑((vi+vi-1)/2×(ti-ti-1))

(4)

式中，vi表示t=i時間時的AWCD值，∑表示整個培養時間的總和，因為240 h內每隔12 h有1個AWCD值，即i分別為0～20。

1.7 數據統計與分析

本文應用Excel表格進行原始數據處理，繪圖應用SigmaPlot 11.0和Origin 8軟件。利用SPSS 16.0軟件進行方差分析；應用SPSS軟件進行主成分分析(PCA)。

2 結果與分析

2.1 耕作方式與秸稈還田對土壤基本理化性質的影響

耕作方式、秸稈還田、耕作方式和秸稈的交互作用均顯著影響了土壤pH值、含水量、容重、有機碳含量、總氮、銨態氮、硝態氮含量(表1)。pH值整體在5.69～7.47范圍內變化，深松和旋耕各處理，15～30 cm土層下的pH值，平均高于0～15 cm土層下的pH值6.67%。同種耕作方式下，0～15 cm土層，秸稈還田pH值平均高于秸稈不還田4.32%，相同秸稈還田模式下，常規翻耕pH值顯著高于深松和旋耕，且深松顯著高于旋耕。15～30 cm土層的平均含水量為15.56%，高于0～15 cm 土層含水量14.84%。在0～15 cm和15～30 cm土層內，秸稈還田含水量分別顯著高于秸稈不還田的9.24%和7.47%，0～15 cm內，深松顯著高于旋耕和常規翻耕7.58%和6.24%；15～30 cm內，深松和旋耕高于常規翻耕6.24%和5.2%。容重表現為隨土層加深而增加。0～15 cm土層內，常規耕作秸稈不還田和旋耕耕作秸稈不還田顯著高于深松耕作秸稈全還田處理16.27%，秸稈不還田顯著高于秸稈還田11.71%；15～30 cm內，常規翻耕秸稈不還田最高為1.79 g·cm-3，常規翻耕秸稈還田次之為1.73 g·cm-3，均顯著高于深松耕作秸稈還田，秸稈不還田顯著高于秸稈還田的4.5%；且兩土層內耕作與秸稈還田的交互作用均達到顯著水平。

表1 耕作方式與秸稈還田對土壤基本理化性質的影響

相對于0～15 cm土層，15～30 cm土層的土壤有機碳含量呈顯著下降趨勢。在0～15 cm土層內，土壤有機碳含量表現為深松耕作秸稈還田處理最高，顯著高于其他處理，秸稈還田顯著高于秸稈不還田12.81%，深松分別顯著高于常規翻耕和旋耕16.35%和14.06%；在15～30 cm土層中，秸稈還田處理有機碳含量顯著高于秸稈不還田14.33%，常規翻耕耕作有機碳含量分別顯著高于深松和旋耕13.41%和30.75%。除常規翻耕處理的全氮含量在兩土層內基本無差異外，深松和旋耕處理的15～30 cm全氮含量明顯低于0～15 cm土層全氮含量，且耕作、耕作與秸稈交互作用均達到顯著水平。兩土層內秸稈還田全氮含量均顯著高于秸稈不還田處理；0～15 cm內，深松和旋耕全氮含量顯著高于常規翻耕，而15～30 cm土層內常規翻耕顯著高于深松和旋耕。除常規翻耕處理外，銨態氮、硝態氮含量均隨土層加深而減小。0～15 cm內，銨態氮、硝態氮含量均表現為深松耕作最高，常規翻耕最低；而在15～30 cm層次內，常規翻耕銨態氮、硝態氮含量最高，深松次之，旋耕最低，且秸稈不還田顯著高于秸稈還田處理。

2.2 耕作方式與秸稈還田對土壤微生物碳源代謝功能的影響

2.2.1 土壤微生物AWCD值變化AWCD值是Biolog板微生物群落碳源代謝總體活性的指標[16]，AWCD值越大，表示微生物碳源代謝能力越強。碳源包括氨基酸類、胺類、聚合物類、其他類、羧酸類和糖類等6大類物質，不同處理下的土壤微生物對6大類碳源利用的AWCD均呈Logistic型變化，各處理土壤微生物整體對聚合物類、糖類、氨基酸碳源利用度較高，因此這里針對這三大類進行分析(圖1)。

0～15 cm土層內，無論哪種耕作方式，聚合物類、糖類、氨基酸碳源AWCD大致均表現為秸稈還田處理大于秸稈不還田處理，同一秸稈量還田模式下，聚合物類、糖類、氨基酸碳源均表現為深松最高，旋耕最低，而糖類在秸稈不還田下，表現為深松最高，常規翻耕最低。

15～30 cm土層內，氨基酸類碳源的AWCD在常規翻耕、深松耕作方式下均表現為秸稈全還田處理大于不還田，而在旋耕下秸稈還田處理卻小于秸稈不還田；聚合物類和糖類2大類碳源的AWCD值在PC、PS處理較高，PR、AS次之，AC、AR較低。

2.2.2 不同處理下土壤微生物碳源代謝多樣性和代謝強度 碳源代謝豐富度反映土壤微生物功能多樣性，除AR處理外，15～30 cm土層下的碳源豐富度較0～15 cm都有所降低(表2)。

0～15 cm土層內，方差分析結果表明，PC和PS處理的豐富度為28.5吸光度單位，顯著高于其他處理，深松處理豐富度顯著高于常規翻耕和旋耕，且常規翻耕顯著高于旋耕；15～30 cm土層內，PC、PS、AR處理的豐富度為24吸光度單位，顯著高于其他處理；兩層次內，AC處理豐富度均最低，方差分析結果仍表明秸稈還田豐富度均顯著高于秸稈不還田。

香濃多樣性指數用來計算細菌群落的生理多樣性[16]。方差分析結果表明(表2)土壤微生物碳源代謝香濃多樣性，除了在15～30 cm土層中AS顯著小于AR外，綜合兩土層，深松處理的平均香濃多樣性指數高于旋耕和常規翻耕，AC在兩土層中香濃多樣性指數均最低，而秸稈還田因素起到了顯著作用，秸稈還田平均香濃多樣性指數高于秸稈不還田。

表2 不同處理下土壤微生物碳源代謝多樣性和代謝強度

15～30 cm土層中各處理的碳源代謝強度整體上比0～15 cm表層土呈下降趨勢(表2)，相同還田處理條件下，除15～30 cm土層的PC高于PS外，其余均表現為深松顯著高于常規翻耕和旋耕；而相同耕作方式下，秸稈還田處理的碳源代謝強度均顯著高于無秸稈還田處理。

0～15 cm中，PS碳源代謝強度最高為318.83，顯著高于其他處理，AC最低為206.79，顯著低于其他處理；15～30 cm土層中，PC最高為281.37，顯著高于其他處理，AC代謝強度最低為205.86，顯著低于其他處理。

2.2.3 供試土壤微生物碳源利用類型的主成分分析 應用主成分分析(Principal Component Analyses， PCA)來研究不同耕作方式與秸稈還田下土壤微生物群落對微平板上31 種碳源的利用情況，可以直觀反映不同樣本微生物群落的代謝特征，可用來解釋微生物對碳源利用的多樣性。本試驗采用培養60 h后的數據進行主成分分析，共提取出2個主成分。0～15 cm土層提取與土壤微生物碳源利用功能多樣性相關的2個主成分，累積貢獻率達到80.0%，第一主成分(PC1)的特征根和貢獻率為20.428和65.9%，第二主成分(PC2)的特征根和貢獻率為4.356%和14.1%；15～30 cm土層提取的2個主成分，累積貢獻率達到69.1%，第一主成分(PC1)的特征根和貢獻率為13.479和43.52%，第二主成分(PC2)的特征根和貢獻率為7.94和25.64%；這表明 PC1和PC2 是變異的主要來源，并且提取主要特征來源，可以解釋變量的絕大部分信息(圖2)。

0～15 cm土層，碳源分為六大類后，對PC1軸貢獻最大的碳源為胺類，其次為氨基酸類和其他類；對PC2軸貢獻最大的碳源為胺類，其次為羧酸類。由圖2a可知，不同處理在PC軸上表現出明顯的差異，PS、PC偏向于利用右邊區域的碳源，而AR、AC則偏向于利用左邊區域的碳源，相比而言PS、PC處理更有利于微生物對大部分碳源的利用。PS處理的土壤微生物傾向于利用胺類和羧酸類，PC傾向于利用其他糖類和氨基酸類，而AS和PR處理的土壤微生物也能夠利用這些碳源，利用的種類無差異，但是利用的強度較低，得分較低，因此在圖中偏左下方顯示。同理可知AC和AR的處理(表3)。

15～30 cm土層，碳源分為六大類后，對PC1軸貢獻最大的碳源為胺類，其次為氨基酸類；對PC2軸貢獻最大的碳源為羧酸類，其次為糖類和胺類。由圖2b可知，PC、PS、AS偏向于利用右邊區域的碳源，PR、AR、AC偏向于利用左邊區域的碳源，相比而言，PS、PC更有利于微生物對大部分碳源的利用。通過圖2b分析表明：PC處理土壤微生物傾向于利用羧酸和聚合物類，PS處理土壤微生物傾向于利用糖類、氨基酸類和胺類，PR處理土壤微生物傾向于利用羧酸類和胺類。而AS、AR、AC處理土壤微生物得分較低，利用強度較低，但是也能利用這六大類范圍的碳源(表3)。

表3 不同處理下土壤微生物的碳源利用傾向性

注：各處理的中心點分別對應PC1軸和PC2軸的垂直投影數值，其符號與旁邊標注的處理號對應。穿過中心點的橫線和豎線是分別平行于PC1軸和PC2軸的誤差線。Note:The center point of each processing corresponds to the vertical projection value of PC1 axis and PC2 axis ，espectively, and its symbol corresponds to the processing number marked nearby. The horizontal and vertical lines passing through the center point are error lines parallel to PC1 axis and PC2 axis，respectively.圖2 微生物碳源利用載荷系數分布的主成分分析Fig.2 Principal component analysis and load coefficient distribution of microbial carbon source utilization

2.3 不同處理下的小麥產量及其構成因素

不同處理對小麥產量及其構成因素有不同的影響(表4)，秸稈還田顯著提高了穗粒數、千粒重及產量。穗粒數表現為深松顯著高于常規翻耕和旋耕；千粒重表現為深松顯著高于旋耕和常規翻耕，且旋耕顯著高于常規翻耕；產量表現為深松耕作平均產量最高為7.375 t·hm-2，顯著高于常規翻耕和旋耕的6.34%和6.96%，但常規翻耕和旋耕之間并無顯著差異。

表4 不同處理下的小麥產量及其構成因素

3 討 論

3.1 微生物碳源代謝功能對產量的影響

研究發現，在秸稈還田處理下，微生物碳源代謝的活性及能力明顯高于秸稈不還田處理，對于耕作方式而言，深松條件下的碳源代謝活性及能力明顯高于常規翻耕和旋耕。例如：秸稈還田能為微生物提供外源有機物，即提供了豐富的能量和易分解的碳源，因此秸稈還田能提高風沙土土壤的微生物活性和豐富度指數；李玉潔等[17]學者認為免耕、少耕和秸稈還田等方式可能會產生較少的土壤擾動，即保持一個較為穩定的土壤微環境，在某種程度上提高了土壤的微生物多樣性[18]。

本研究表明深松和秸稈還田均能明顯提高作物產量，而土壤中微生物的碳源代謝功能與作物的產量具有明顯的正相關性，即土壤中微生物的碳源代謝功能被增強，作物的產量也會得到較大的提高，Nielsen等[19]的研究也證實了這一點，土壤功能得到改善的指標為微生物數量和活性的增加，進而提高了作物的產量，對實現農業的可持續發展具有重要意義。

3.2 土壤理化性質對微生物碳源代謝功能的影響

RDA分析結果表明，土壤基本理化性質能夠影響微生物群落碳源代謝功能對耕作方式與秸稈還田處理的響應，而土壤微生物的碳源代謝功能又與土壤的水分、容重、總氮、pH等指標密切相關。本研究中，在AC和AR處理條件下的容重表現最高，因此在容重較高的情況下不利于提高土壤中的微生物碳源代謝能力，并且對于容重會制約土壤中微生物碳源代謝能力的相關結論已被侯銀[20]證實。

試驗結果表明，在一定程度上，銨態氮和硝態氮含量的變化能夠合理地解釋微生物碳源代謝功能的變異，但效果并不明顯。馬慧君等[21]試驗表明，硝態氮可能會提高微生物的活性，并抑制微生物絕對優勢種群的出現，釋放生態位，從而提高了土壤微生物的多樣性，因此在一定的氮濃度范圍內，隨土壤中硝態氮含量的增多，土壤微生物的代謝水平、Shannon多樣性均會被明顯增強，呈現出明顯的正相關現象[22]。本研究表明，在綜合分析比較之下，總氮含量環境數據與PS處理物種數據的聯系最為緊密，表明在較高氮含量的條件下，有利于增強土壤中微生物的碳源代謝功能。

3.3 耕作方式與秸稈還田對土壤理化性質的影響

研究結果表明，土壤含水量在秸稈還田和深松耕作處理下均被明顯提高，通過秸稈還田提供的有機物，使土壤結構更加穩定，水分蒸發減少，并大大改善土壤孔性，最終使土壤中的含水量得到明顯增加。本研究結果還表明，隨著土層的加深，土壤容重也隨之增加，同時秸稈還田和深松處理下的土壤容重分別小于秸稈不還田和其他耕作處理下的土壤容重，因此秸稈還田和深松能明顯減低土壤容重[23]，這與本文研究結果一致，但也有與其相反的研究表明[24]，土壤的入滲量在免耕和少耕的條件下會減少，導致土壤表層的容重增大。

本研究結果表明，在深松和旋耕處理下，隨著土層的加深，pH值有增加的趨勢，在15～30 cm土層，相比于旋耕和常規翻耕，深松耕作可以明顯提高土壤中的pH值；在0～15 cm土層，秸稈還田能夠明顯提高土壤中的pH值，然而Thomas等[25]的研究結果卻與之截然不同，提出在0～30 cm土層內，耕作和殘茬覆蓋處理并不會影響土壤的pH值；但另有試驗結果表明[26]，在0～30 cm土層內，土壤pH平均值在0～10 cm內沒有明顯改變，但是在10～30 cm土層有明顯增加。

本試驗中，秸稈還田對提高土壤中銨態氮和硝態氮含量的作用并不明顯，但明顯提高了土壤中的總氮含量。將3種耕作方式進行比較后發現，在0～15 cm土層，深松耕作明顯提高了土壤中的總氮、硝態氮和銨態氮含量，而在15～30 cm土層內，與旋耕和深松相比，常規翻耕處理下的總氮、硝態氮和銨態氮含量均表現出較高水平。同樣有研究表明[27]，秸稈還田能提高土壤中的總氮含量，而非傳統耕作方式則有利于增加土壤中的養分并提高土壤中的全氮含量，最終改善了土壤狀況[28]，這與本試驗的結果一致。有學者提出，深松可以在不增加深層土壤硝態氮含量的基礎上促進0～60 cm土層的氮素吸收。本研究結果還表明，在0～15 cm土層內，深松和秸稈還田處理下的土壤有機碳含量表現出最高水平，而在15～30 cm土層中，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理下的有機碳含量明顯高出14.33%。但也有研究表明：長期旋免耕后進行深松對土壤有機碳及其組分周轉的影響較為明顯，而下層土壤(10～30 cm)的土壤碳庫活性在長期免耕轉變為深松處理后能夠被明顯提高。

4 結 論

與常規耕作秸稈不還田相比，深松和秸稈還田均可顯著改善土壤理化性質，進而顯著提高土壤微生物碳源代謝能力和代謝活性，最終顯著增加了小麥產量；但旋耕較常規翻耕而言，未體現明顯的優勢。本試驗表明了深松與秸稈還田結合有利于華北平原農田生態系統增強微生物碳源代謝多樣性，促進小麥產量的提高，具有實踐推廣價值。