設施鮮秸稈還田條件下土壤特性對碳分解的影響

張敬敏，桑茂鵬，馮 棣，彭佃亮，張建新

(1.濰坊科技學院，山東壽光 262700；2.曲水縣凈植茂藤農業科技有限公司，西藏曲水 850600)

秸稈還田是秸稈資源化利用的重要方式，也是提高土壤有機質和改善土壤理化特性的重要措施。秸稈還田的關鍵問題是秸稈能否快速降解，秸稈降解是在微生物作用下完成的。由于秸稈物質組成和結構的復雜性，越來越多的研究表明，簡單地將多種微生物進行人工組合，對天然木質纖維素的降解效果并不理想。秸稈完全降解需要各類微生物共同作用。因此，篩選和構建復合菌系對研究秸稈分解成為研究熱點。

復合菌系可通過直接篩選和人工組合菌群的方式獲得。直接篩選法篩選出的復合菌具有菌株組成多樣、復合菌系間無拮抗、降解效果穩定等優點而受到越來越多的關注。劉東陽等以富含纖維素的腐爛稻草、牛糞、中藥渣、豬糞為試材進行篩選；王偉等從長期堆放農業秸稈的土壤中富集法分離纖維素分解菌；蘇鑫等以腐爛蘆葦秸稈根部土壤為試材，獲得木質素降解復合菌系；孫苗苗等以腐爛的玉米秸稈為試材篩選到一組玉米秸稈降解復合菌系。復合菌系在提高秸稈降解方面的優勢也得到了證實。王小娟等篩選的復合菌系可使小麥秸稈最高分解率達75.6%，麥稈中的纖維素、半纖維素和木質素最高減少了94.2%。Wang等篩選獲得的木質纖維素快速降解復合菌系，3 d可完全降解濾紙。王光琴等篩選的復合菌系使秸稈25 d降解率達53.35%。崔宗均等以4種高溫堆肥為原料構建的纖維素分解菌復合系，使濾紙在72 h時完全崩解。以上研究為秸稈降解復合菌系的篩選提供了新思路。

土壤是微生物的大本營，存在著復雜的菌群，有許多可分泌纖維素酶的真菌和細菌，也是微生物存活的優良基質。土壤由于耕作制度、種植條件和水肥管理等方面的不同，其理化特性和微生物千差萬別，尤其是設施種植條件下，土壤集約化利用、管理頻繁，不同設施土壤差異很大。土壤的差異對還田秸稈分解也產生較大影響，而土壤特性對秸稈分解的影響研究很少涉及。為此，該試驗選用易分解的鮮秸稈為試材，將不同設施土壤與鮮秸稈混合培養，研究土壤理化特性和微生物特性對碳分解的影響，為設施蔬菜秸稈還田提供技術支持。

1 材料與方法

利用濾紙分解試驗，篩選出若干濾紙降解能力強的土樣。從濾紙分解能力強的土樣中，隨機選取4種，于2020年7月夏季休閑期取土壤鮮樣，為供試土樣。4種設施土壤分別來自壽光洛城北紙坊村(LC1)、洛城東孫家莊村(LC2)、稻田鎮青田湖村1(DT1)、田鎮青田湖村2(DT2)。土壤樣品取回后，部分鮮樣放入-80 ℃冰箱中保存，用于微生物測定和培養試驗，其余樣品風干用于土壤特性分析。

選取無病害完整番茄植株，洗凈瀝干后切碎至長度小于1 cm備用。

PCS培養基配方：蛋白胨5 g，酵母提取物1 g，NaCl 5 g，KHPO0.25 g，MgSO·7HO 0.01 g，CaCO3 g，溶解在1 L水中。

50 mL PCS液體培養基置于150 mL三角瓶中，滅菌，冷卻，加入5 g切碎的番茄鮮秸稈，再分別加入LC1、LC2、DT1、DT2土樣各3 g(以干重記)，振蕩5 min混勻。空白CK只加番茄秸稈，不加土樣。各處理置于30 ℃恒溫箱中培養。每處理6次重復。14 d后，番茄秸稈已基本降解時，過濾。殘渣烘干稱重，測定其有機碳的含量。

土壤有機質和殘渣有機碳采用重鉻酸鉀氧化-容量法測定，有關碳的計算方法如下：

殘渣總碳=殘渣質量×殘渣有機碳

(1)

分解前總碳=土壤碳+秸稈碳

(2)

碳分解率=100-殘渣總碳×100 /分解前總碳

(3)

土壤pH采用電位法(水土比為2.5∶1)測定；土壤全鹽采用重量法測定。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基培養，真菌采用改良馬丁培養基培養，稀釋平板計數法計數。

采用DPS進行數據分析。

2 結果與分析

由表1可見，土壤有機質以LC2為最高，分別是LC1、DT1、DT2的1.39、1.41和1.28倍。土壤pH，LC2、DT1、DT2顯著高于LC1。土壤全鹽，LC1最高，分別是LC2、DT1、DT2的7.14、5.31和4.78倍。土壤真菌，LC1分別是LC2、DT1、DT2的2.34、5.80和5.98倍。4種設施土壤，LC1土樣全鹽、真菌數量最高，pH和細菌數量最低，各指標均與其他土壤有顯著差異，呈現酸化和重度鹽漬化退化現象。

表1 4種設施土壤特性Table 1 Soil characteristics of four greenhouse

由表2可見，CK處理未添加土壤樣品，殘渣質量、分解前總碳和碳分解率均最低，殘渣有機碳最高，各指標與添加土壤樣品處理均差異顯著。4種設施土壤處理，殘渣質量DT2最低；殘渣有機碳和殘渣總碳均以LC2處理最高，顯著高于LC1、DT1和DT2處理。分解前總碳與土壤有機質規律一致，從大到小依次為LC2>DT2>LC1>DT1>CK。碳分解率，LC1、LC2、DT1、DT2處理分別是CK的1.22、1.17、1.22和1.23倍。說明添加土壤可顯著促進有機碳的分解。

表2 不同處理殘渣質量、碳量和碳分解率Table 2 Residue quality，carbon content and carbon decomposition rate of different treatments

相關分析。以土壤有機質()、pH()、全鹽()、細菌()、真菌()為自變量，碳分解率()為因變量，進行相關分析，結果如表3所示。由表3可見，碳分解率與土壤有機質呈極顯著負相關，與土壤pH、全鹽、細菌和真菌相關性不顯著。土壤pH與全鹽和真菌呈極顯著負相關。土壤全鹽與細菌呈極顯著負相關，與真菌呈極顯著正相關。

偏相關分析。多元相關分析中，由于其他變量的影響或作用，使相關系數不能真實地反映出自變量和因變量之間的相關性。偏相關系數是假定其他變量都取值為均數，某自變量與因變量的關系。通過逐步回歸分析，得出土壤有機質()、pH()、全鹽()、真菌()對碳分解率的偏相關系數。由表4可見，pH()、全鹽()、真菌()與碳分解率的偏相關系數均達顯著差異。

表3 土壤指標和碳分解率的相關性分析Table 3 Correlation analysis between soil index and carbon decomposition rate

表4 土壤特性和碳分解率間的偏相關分析Table 4 Partial correlation analysis between soil properties and carbon decomposition rate

由逐步回歸分析，建立碳分解率與土壤特性指標的最優線性回歸方程：=1962+021+917+308-238，相關系數()為0987 3，決定系數()為0974 8，說明引入有機質()、pH()、全鹽()、真菌()4個變量，對碳分解率()的解釋作用可達97.47%。

土壤細菌與碳分解率不相關，偏回歸系數未達顯著水平，未進入回歸方程，說明細菌對碳分解率沒有影響。土壤pH、全鹽和真菌與碳分解率相關系數未達顯著水平，但其與碳分解率的偏相關系數達到顯著水平，有統計意義，應引入方程。

通徑分析。為進一步明確土壤特性與碳分解率關系，對土壤特性指標和碳分解率進行通徑分析。通徑分析可解釋自變量對于因變量的作用方向和作用強度，可將因變量與自變量的相互影響(相關分析)分解為直接影響(直接通徑系數)和間接影響(間接通徑系數)。直接通徑系數和間接通徑系數之和是自變量與因變量的相關系數。通徑系數是變量標準化后的偏回歸系數，某自變量通徑系數為負數時，其對因變量起負作用。

由表5可見，直接通徑系數從大到小依次為土壤全鹽>有機質>pH>真菌，土壤全鹽的直接通徑系數為4.105，其對碳分解率具有較強的促進作用。同理，土壤真菌數量對碳分解率起負作用。間接通徑系數，土壤有機質通過全鹽(→→)對碳分解率起負作用(間接通徑系數-1907)，通過pH(→→)和真菌(→→)起正作用。同理，土壤pH通過有機質和真菌對碳分解率起正作用，通過全鹽起負作用。土壤全鹽通過有機質、pH和真菌對碳分解率起負作用。土壤真菌通過全鹽對碳分解率起正作用。直接通徑系數和間接通徑系數的絕對值均以土壤全鹽最大，其次是土壤真菌，二者是影響碳分解率的重要因素。

表5 土壤特性與碳分解率的通徑分析Table 5 Path analysis of soil properties and carbon decomposition rate

3 討論與結論

秸稈分解是微生物作用下的生化過程，主要通過調節物料C/N比、加入微生物菌劑和改善環境因素以促進秸稈降解，很少關注土壤本身特性對秸稈降解的作用。而實際上，土壤本身特性對秸稈的分解具有決定性作用。該試驗中，供試的4種設施土壤，是篩選出的具有濾紙分解能力的土壤。4種設施土壤LC1、LC2、DT1、DT2處理碳分解率分別為91.39%、87.91%、91.26%和92.45%，顯著高于不加土壤的CK處理，一方面，證明了4種土壤均可促進秸稈分解，另一方面，碳分解率的提高與激發效應也有關系。

相關性分析表明，碳分解率與土壤有機質呈極顯著正相關，與土壤pH、全鹽、細菌和真菌相關性不顯著。偏相關分析表明，碳分解率與pH、全鹽和真菌的偏相關系數達顯著水平。進一步通徑分析表明，直接通徑系數和間接通徑系數的絕對值均以土壤全鹽最大，其次是土壤真菌，全鹽和真菌是影響碳分解的重要因素。

研究表明，真菌的降解效果遠高于細菌，這與該研究結果一致，土壤細菌與碳分解率的相關系數和偏相關系數均不顯著。真菌數量、菌株比例、培養條件等均可影響秸稈降解效果。該試驗中，LC1處理碳分解率與DT1和DT2處理無顯著差異，一方面，或許是由于酸化和鹽漬化土壤中的真菌多為有害真菌，非有益真菌，因而對碳分解率起負向作用；另一方面，由于鹽漬化土壤礦物離子含量高，為土壤微生物增殖提供充足的養分，碳分解率較高，這也間接說明秸稈還田對鹽漬化土壤具有改良作用。LC2處理，有機質和真菌均較高，全鹽含量較低，加入秸稈后，或許由于其他養分不足或土壤有機質具有較強的穩定性，碳分解率顯著低于LC1、DT1和DT2處理。DT1和DT2土壤各指標適中，碳分解率較高。因此，土壤本身特性對秸稈降解有顯著影響，全鹽和真菌數量是重要的影響因子，但影響的方向和作用強度需根據具體條件來判定。