連年秸稈覆蓋對玉米產量及土壤微生物殘體碳積累的影響

劉 肖，胡國慶，何紅波，張旭東

（1. 魯東大學農學院，煙臺 264025； 2. 山東農業大學資源與環境學院，土肥資源高效利用國家工程實驗室，泰安 271018；3. 中國科學院沈陽應用生態研究所，沈陽 110016； 4. 沈陽農田生態系統國家野外科學觀測研究站，沈陽 110016）

0 引 言

土壤有機碳含量的高低決定著土壤肥力和農田生態系統的整體功能[1]，同時關系著全球氣候變化和區域環境變化[2]。然而近年來，中國糧食主產區—東北地區的農田土壤呈現退化趨勢。根據中國科學院戰略性先導科技專項數據，東北農田土壤有機碳在 1980－2011年平均下降20%。為解決這一問題，該地區目前普遍推行一種保護性耕作方式—秸稈覆蓋，已有研究表明秸稈覆蓋6 a后，土壤理化性狀得到改善，土壤表層有機碳含量提高[3]。然而，長期秸稈覆蓋條件下土壤有機碳積累的機制并不清楚。微生物是土壤有機碳積累的重要驅動力[4]，理解微生物在其中發揮的作用對于減少土壤溫室氣體排放、調控土壤有機碳固持、提高土壤肥力和養分有效性等至關重要[5]。

秸稈覆蓋土壤之后，微生物首先分解所接觸到的秸稈并同化分解過程中產生的部分低分子量化合物（如碳水化合物、蛋白質等）以滿足自身的生長，在這個過程中將秸稈轉化為微生物生物量[6]。然后，通過自身的進一步代謝將微生物生物量轉化為微生物殘體[7-8]。與微生物生物量相比，微生物殘體周轉較慢，且占土壤有機碳的比例較大（＞50%）[9-10]，因此微生物殘體對土壤有機碳的積累具有重要貢獻[11-12]。了解長期秸稈覆蓋條件下微生物殘體積累的動態特征，能夠為闡明秸稈覆蓋過程中微生物對土壤有機碳積累作用奠定基礎。

氨基糖是微生物殘體的重要組成成分，主要由死亡的微生物細胞壁構成[13]。目前土壤中已定量氨基糖有 4種，分別是氨基葡萄糖（GluN）、胞壁酸（MurN）、氨基半乳糖（GalN）、氨基甘露糖（ManN）[13]。相對于其他細胞質成分，氨基糖能在土壤中保存更長時間[14-16]。因此，氨基糖可以作為整合時間的反映土壤微生物殘體積累的生物標識物[17-18]。然而，氨基糖只是微生物殘體的一部分且對有機碳的貢獻較小。Liang等[19]利用1996－2018年已發布的氨基糖數據，結合生態系統方法及元素碳氮化學計量學，實現微生物殘體碳的定量，為闡明土壤有機碳積累的微生物過程機制提供方法支持。

Ding等[20]利用玉米、小麥和大豆秸稈在黑土土壤上連續覆蓋21 a后，發現這些秸稈的施用確實顯著提高了微生物殘體在土壤中積累。然而，關于這21 a秸稈覆蓋過程中土壤中微生物殘體的積累特征并不清楚。考慮到秸稈降解受到復雜組分構成的影響具有快速和慢速 2個階段[21]，其初始覆蓋會顯著提高土壤微生物活性[22]，而長期覆蓋可能會引起微生物對特定刺激產生逐步適應[23]，因此推斷相對于不覆蓋秸稈處理，連年覆蓋秸稈可能會導致微生物在過程水平上的響應，而這種過程響應可能會使得秸稈覆蓋一定年限之后土壤有機碳和微生物殘體積累達到平衡。同時考慮到秸稈施用方式為表面覆蓋，因此推斷秸稈覆蓋處理可能對土壤有機碳和微生物殘體積累存在層次差異。

基于以上推斷，本文以不覆蓋秸稈處理為對照，研究連續8 a秸稈覆蓋過程中土壤有機碳和微生物殘體碳及兩者比例的變化。以期從微生物殘體角度，闡明秸稈覆蓋對土壤有機碳積累的微生物過程機制，為推廣秸稈覆蓋保護性耕作技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗始于2007年4月，地點位于遼寧沈陽農田生態系統國家野外研究站（41°32′ N，122°23′ E）。試驗區屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，年均溫度為7～8 ℃，年均降水量為650～700 mm，年總輻射量為504～567 KJ/cm2，土壤類型為潮棕壤，基本理化性質見表1。在本試驗開始之前，土壤經歷多年以玉米（Zea maysL.）連作為主的傳統耕作，收獲后地上部分全部從地表移出，留茬10 cm。

表1 試驗開始前土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil before trial

1.2 試驗設計

試驗小區采用隨機區組設計。小區（1.6 m×1.3 m）由 PVC板圍成，PVC板插入地下 35 cm并高出地上15 cm。小區之間相距2.5 m。本試驗設置2個處理：每年不覆蓋玉米秸稈（對照處理，CK）和每年覆蓋玉米秸稈（秸稈覆蓋處理，SM），每個處理3次重復。對照處理中，小區土壤中存有上一年的玉米殘茬，約500 kg/(hm2·a)；秸稈覆蓋處理中，除了上一年的玉米殘茬之外，再將上一年秋季收獲的秸稈量的一半（約5 800 kg/(hm2·a)，平均 C/N=51.9）被切割成10 cm長，經過風干晾曬之后，在第 2年的春天播種玉米之后覆蓋于地表。每一小區中，玉米（富友1號）播種12棵，每年5月份底肥施用N、P、K分別為50、30、68 kg/hm2，7月份玉米拔節期進行第一次追施氮肥為100 kg/hm2，8月份玉米吐絲期進行第二次追施氮肥為50 kg/hm2。試驗開始后，所有小區的耕作方式由之前的傳統耕作改為免耕。試驗截至2014年，已有8 a歷史。

1.3 樣品采集與測定

每年玉米收獲期，采集每個小區中的玉米，用網袋置于陰涼干燥處風干后測定質量。同時，利用土鉆（直徑3 cm）取土，采樣深度為0～10、＞10～20 cm。此外，采集2006年玉米收獲期土壤（0～10、＞10～20 cm）作為初始土壤。每個小區按照 3點采樣法采集，然后將相同層次的 3個重復樣品進行混合后裝于自封袋中帶回實驗室，在陰涼環境下風干后去除可見的作物秸稈及根系、石塊，過0.25 mm篩以備土壤氨基糖測定。

土壤有機碳的測定：采用元素分析儀。

土壤樣品中氨基糖含量的測定：采用糖精乙酰酯衍生氣相色譜技術測定[24]。將含有約0.3 mg N的土壤樣品至水解瓶中，加入10 mL HCl（6 mol/L），在105 ℃下水解8 h冷卻后，加入100 uL肌醇（內標）振蕩搖勻過濾，用旋轉蒸發儀蒸干后，將殘余物溶于約15 mL蒸餾水中，經KOH（0.4 mol/L）調節pH值至6.6～6.8后，離心（3 000 r/min）去除沉淀。上清液用冷凍干燥機凍干后，殘留固體物質用4 mL無水甲醇溶解后再次離心。最后將上清液轉移到5 mL衍生瓶中，在45 ℃下用氮氣吹干后加入1 mL蒸餾水，用冷凍干燥機凍干后，利用0.3 mL衍生試劑（40 mg/mL 4-二甲基氨基吡啶和32 mg/mL鹽酸羥胺由1:4甲醇-吡啶溶液溶解）及1 mL乙酸酐進行醛糖腈乙酸酯衍生，經二氯甲烷萃取和三次水洗后，在45 ℃下用N2吹干，溶于200 uL乙酸乙酯-正己烷混合溶液（體積比1:1）到氣相色譜進行測定（GC - 6890, Agilent, USA;HP - 5毛細色譜柱30 m×0.25 mm×0.25 um），恒定柱流量0.8 mL/min，進樣口溫度為45 ℃，分流比為10:1，柱溫采用程序升溫，利用氫火焰離子化檢測器（FID）進行檢測并以峰面積進行定量。

1.4 數據計算

1.4.1 微生物殘體碳含量

微生物殘體碳含量（MRC, g/kg）的計算公式[19]為

式中CGluN為氨基葡萄糖（GluN）的質量分數，mg/kg；CMurN為胞壁酸（MurN）的質量分數，mg/kg。

1.4.2 描述有機碳、微生物殘體碳及兩者比例的一階動力學方程

長期特定的農田管理模式中土壤有機碳和微生物殘體碳的積累通常會在一定年限內達到平衡[25-26]，因此可以假設零階輸入和單位時間比例質量損失都是恒定的，即兩者的動態符合一階動力學模型[27]，即：

式中t是從試驗經歷的年數，Ct是在某一年數對應的某指標的值，I為恒定的輸入速率，K為恒定的輸出速率。然后求解上述非齊次一階線性常微分方程，得到：

式中C0是相應指標在第0年的值。當相應指標的年際增長小于0.1%時，認為該指標達到平衡狀態，則此時的時間和對應的指標值稱為平衡時間和最大值[27]。

1.5 數據統計分析

試驗數據（土壤有機碳、微生物殘體碳以及兩者的比例）的正態性通過Shapiro和Wilk’s W進行檢驗。對照處理和秸稈覆蓋處理之間隨時間變化的顯著性差異通過重復測定方差分析（SPSS 16.0）。兩處理中試驗數據的動態變化通過非線性回歸模型進行描述（Origin 8.6）。

2 結果與分析

2.1 玉米產量

在兩處理中，玉米產量先隨時間逐漸上升，在第 6年時達到最大值而后下降（圖1）。與CK相比，秸稈覆蓋處理SM 的玉米產量在前5 a并沒有表現出顯著差異（P＞0.05），而在第6～8年，SM中的玉米產量分別達到1.49×103、1.25×103、1.34×103kg/hm2，平均是 CK 的 1.05倍。這與前人開展的長期秸稈覆蓋試驗的結果相同[28]，說明短期秸稈覆蓋并不能達到顯著提高玉米產量的效果，可能與秸稈完全分解所需的時間有關。在東北地區，由于氣候原因，覆蓋在土壤表面的秸稈需要3～5 a才能分解完全[29]。兩處理間玉米產量的差異之所以存在這樣的變化，與土壤有機質的動態有直接關系。

圖1 玉米產量隨時間變化Fig.1 Variation of maize yield with time

2.2 土壤有機碳含量變化

2種處理下0～10 cm土壤的有機碳含量都隨著時間逐漸增加，且在SM中的增加顯著高于CK（P＜0.05，圖2a）。利用一階指數方程擬合發現，2種處理中有機碳的積累動態具有顯著差異（表2）。CK中因為耕作方式由原來的傳統耕作轉變為免耕，僅有第一年土壤有機碳表現出顯著增加，所以土壤有機碳積累達到平衡的時間是2.1 a，最大值為11.35 g/kg。而在SM中，土壤有機碳積累達到平衡的時間和最大值為15.4 a、12.67 g/kg，比CK延長了13 a且提高了12%。在＞10～20 cm土壤層次，2種處理的土壤有機碳含量雖然都隨著時間逐漸增加，但處理之間沒有顯著差異（P＞0.05，圖2b），2種處理中土壤有機碳積累達到平衡的平均時間是 1.7 a，平均最大值為10.37 g/kg（表2）。

圖2 土壤各層次中有機碳質量分數隨時間變化Fig.2 Variation of soil organic carbon content with time

2.3 土壤微生物殘體碳含量變化

在0～10 cm土壤層次，土壤微生物殘體碳含量在2種處理中都隨著時間逐漸增加（圖3a），但2種處理中微生物殘體碳的積累動態具有顯著差異（P＜0.05，表2）。CK中土壤微生物殘體碳積累在 14.2 a后達到最大值8.11 g/kg。而在SM中，土壤有機碳積累在26.3 a后達到最大值11.26 g/kg，比CK延長了12 a且提高了39%。在＞10～20 cm土壤層次，土壤微生物殘體碳含量在2種處理中雖然都隨著時間逐漸增加，但 2種處理之間沒有顯著差異（P＞0.05，圖3b），2種處理中土壤微生物殘體碳積累達到平衡的平均時間是 8.8 a，平均最大值為6.82 g/kg（表2）。

圖3 土壤各層次中微生物殘體碳含量隨時間變化Fig.3 Variation of microbial necromass carbon content with time

表2 微生物殘體碳對土壤有機碳積累作用評價指標的非線性模型參數Table 2 Calculated parameters of the nonlinear model for the indices of the role of microbial necromass carbon (MRC) to SOC accumulation.

2.4 微生物殘體碳占土壤有機碳的比例變化

在0～10 cm土壤層次，微生物殘體碳占土壤有機碳的比例在2種處理中都隨著時間逐漸增加（圖4a），但 2種處理中微生物殘體碳占土壤有機碳比例的變化具有顯著差異（P＜0.05，表2）。在CK中，微生物殘體碳占土壤有機碳的比例增加至最大值 72.57%需要的時間為24.1a。而在SM中，最大值和平衡時間分別為76.94%、26.7a，分別比CK增加了6%、延長了2.5 a。在＞10～20 cm土壤層次，微生物殘體碳占土壤有機碳的比例在 2種處理中雖然都隨著時間逐漸增加，但 2種處理之間沒有顯著差異（P＞0.05，圖4b），2種處理中這一比例的平均最大值為 67.61%，達到平衡的平均時間為16.2 a（表2）。

圖4 土壤各層次中微生物殘體碳占土壤有機碳的比例隨時間變化Fig.4 Variation of the proportion of microbial necromass carbon to soil organic carbon with time

3 討 論

3.1 秸稈覆蓋條件下土壤有機碳和微生物殘體碳的動態

雖然在試驗開始的前2～3 a，秸稈覆蓋并沒有顯著提高土壤表層的土壤有機碳和微生物殘體碳含量，但當將這8 a的動態利用一階動力學方程擬合之后發現，2種處理中土壤有機碳和微生物殘體碳的積累都符合非線性模型，即土壤有機碳和微生物殘體碳動態表現出初始很快增長而后逐漸達到平衡的特征（圖2和圖3）。

根據非線性模型參數結果得知，表層土壤 SM 中土壤有機碳和微生物殘體碳的最大值都顯著高于 CK中的（表2）。這是因為相對于CK中僅有的地上根茬，SM中還有每年施入的玉米秸稈。這些秸稈一方面會通過直接途徑將微生物不能利用的植物源碳貢獻于有機碳[8,11]，另一方面會通過微生物體內周轉途徑為土壤微生物生長提供可利用養分（如碳水化合物、蛋白質等）用以轉化為微生物殘體碳貢獻于有機碳[6-7]。因此，連續秸稈覆蓋顯著增強了表層土壤中土壤有機碳和微生物殘體碳的含量。同時，表層土壤 SM 中土壤有機碳和微生物殘體碳達到平衡的年限都顯著高于CK，分別為15.4和26.3 a（表2）。West 和 Post在分析了全球 67個秸稈覆蓋替代傳統耕作的長期定位試驗后發現，在替代之后的最初 5～10 a間土壤有機碳的變化最大，而后在15～20 a達到平衡[30]。這與此研究中連續秸稈覆蓋處理中有機碳達到平衡的年限相一致。與土壤有機碳達到平衡的時間相比，微生物殘體碳達到平衡的時間相對較長。這是因為微生物殘體并不是完全穩定的，而是要參與土壤有機碳周轉，為微生物提供碳氮[31]。微生物殘體碳積累實質上是其合成和分解速率達到平衡的結果。秸稈覆蓋不僅會顯著提高微生物的生物量以增加微生物殘體，同時能夠緩解碳限制而降低微生物殘體的分解[32]。因此，連續秸稈覆蓋顯著延長了表層土壤中土壤有機碳和微生物殘體碳達到平衡的時間。

3.2 秸稈覆蓋條件下微生物殘體碳對土壤有機碳積累貢獻的動態

盡管土壤中活體微生物生物量碳對有機碳的直接貢獻很少（＜2%），但微生物主要通過體內周轉（增殖-死亡過程）后以微生物殘體形式穩定存在于土壤中，這對土壤有機碳的積累具有重要作用[33]。本研究中，表層土壤CK和SM中微生物殘體碳占土壤有機碳的比例隨時間逐漸增大（圖 4a），這說明相對于土壤中其他有機碳組分，微生物殘體更加穩定，由于微生物殘體更容易被土壤礦物表面吸附或者形成團聚體而相對穩定的保留在土壤中[34]，從而有助于微生物殘體在有機碳中的積累。經過22～24 a之后，2種處理中微生物殘體碳占土壤有機碳的比例達到最大值分別為72.57%和76.94%，這一結果不僅符合以往通過馬爾科夫鏈模型估算理想狀態下微生物殘體碳對有機碳的貢獻的范圍（46%～80%）[35]，也符合利用實測數據估算溫帶土壤中微生物殘體碳對有機碳貢獻范圍（＞50%）[19]。同時，與 CK相比，SM 顯著提高了微生物殘體占土壤有機碳比例的最大值，且縮短了兩者比例達到平衡的時間（表2），這說明了秸稈覆蓋一方面加快了微生物殘體在有機碳中的積累速度，同時也增加了微生物殘體對土壤有機碳積累的貢獻，進而也解釋了秸稈覆蓋處理中有機碳顯著積累的原因。

3.3 秸稈覆蓋造成的表底層差異

秸稈覆蓋對土壤有機碳、微生物殘體碳及兩者比例的顯著提高作用僅限于表層土壤，而在底層土壤中并未表現出顯著差異（圖2～4和表2）。這與秸稈的施用方式有直接關系，在表層土壤中，連續覆蓋的秸稈在分解過程中形成“熱點”[36]，能為微生物提供可利用的碳源、養分和能源[37]。而在底層土壤中，僅有根系分泌物能為微生物生長提供可利用養分，且在本研究中CK和SM土壤中＞10～20 cm的根系質量并沒有顯著差異，前人研究結果也說明秸稈覆蓋對深層夏玉米根系密度沒有顯著提高作用[38]，因此秸稈覆蓋對土壤有機碳、微生物殘體碳及兩者比例造成表底層的差異。同時，在其他秸稈覆蓋的試驗中，也發現秸稈覆蓋的表層富集效應[39]。盡管秸稈覆蓋沒有影響底層土壤有機碳的積累，但是顯著提高了整個耕層土壤（0～20 cm）的有機碳含量，進而有利于土壤碳的固存，減少碳損失。

4 結 論

本研究初步揭示了長期秸稈覆蓋對玉米產量和土壤微生物殘體碳積累的影響。與不覆蓋秸稈相比，覆蓋秸稈前2～5 a并未顯著提高玉米產量、土壤有機碳及微生物殘體碳的積累，而從第 6年開始，產量顯著提高。利用一階動力學模型參數得到，秸稈覆蓋處理不僅顯著提高了表層土壤有機碳、微生物殘體碳以及兩者比例的最大值，較不覆蓋秸稈處理分別高 12%、39%、6%，而且顯著延長了它們達到最大值的時間，較不覆蓋秸稈處理分別多出13、12和2.5 a。然而秸稈覆蓋處理并沒有顯著影響下層土壤中有機碳、微生物殘體碳及兩者比例的變化。這種層次效應與秸稈的施用方式有直接關系，覆蓋在土壤表層的秸稈在分解過程中能為微生物提供可利用的碳源、養分和能源，進而起到刺激微生物生長、提高微生物殘體積累的作用。農業生產中，秸稈覆蓋模式可以實現提高耕層土壤有機碳的目標，對東北地區農業生產的合理耕作措施具有一定的借鑒和指導意義。