玉米秸稈連年不同方式還田對玉米產量及土壤細菌群落組成的影響

摘要：采用40-90種植方式，在相同施肥量的前提下，進行玉米秸稈離田、碎混、翻埋、覆蓋、焚燒5種不同還田方式處理，并開展不同還田方式對玉米產量及土壤微生物影響的研究。結果表明，不同還田方式對玉米產量及土壤微生物均產生顯著影響。3年連續種植還田下，覆蓋還田方式的玉米總產量高于其他還田處理。但在2022年降水量及時間滿足玉米生長的條件下，翻埋、離田、焚燒處理方式的玉米產量高于覆蓋處理。除離田和焚燒還田外，其他3種方式都可以提高土壤有機質含量。焚燒與翻埋還田對玉米根系影響無顯著差異，覆蓋還田與碎混及翻埋還田相比可以顯著提高玉米根系生長。在不同處理下，放線菌和酸桿菌作為土壤中的主要微生物種類，其占比達到30%，并且5個處理間無顯著差異，其微生物OTU數量關系表現為Egt;Agt;Bgt;Dgt;C。綜上，覆蓋還田處理更適合土壤微生物生長，生產上可根據土壤類型及氣候條件，選擇適合的玉米秸稈處理方式，為玉米產量形成及土壤保持可持續生產能力提供保障。

關鍵詞：秸稈還田；玉米連作；產量；根系；土壤微生物

中圖分類號：S513.04""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）01-0249-07

黑龍江省玉米常年播種面積600多萬hm²，年產秸稈4 500多萬t，解決好秸稈問題是關系生態環境、耕地質量和糧食安全的重大問題。目前玉米秸稈還田方式有翻埋、碎混、覆蓋等，而實際應用中翻埋還田占比達74%；生產中翻埋還田存在技術脫節、不規范、作業成本高的問題；碎混還田和覆蓋還田則存在技術體系不完善，影響播種出苗質量、土壤水熱不協調、玉米產量不穩等生產問題^［1］。覆蓋玉米秸稈全量還田后，玉米產量高于翻耕玉米秸稈全量還田處理^［2-3］。相關研究報道，春玉米產量隨著秸稈還田年限的增加而增加，秸稈還田對春玉米增產的平均貢獻率為13.55%^［4］。秸稈連續還田可以影響土壤微生物的磷脂脂肪酸（PLFA）含量，促進土壤中易腐解秸稈的菌屬生長繁殖，形成秸稈還田生態圈的良性循環，促進農田土壤生態系統穩定，影響著土壤微生物群落碳代謝能力^［5-7］。玉米秸稈合理化處理已成為糧食可持續發展的關鍵問題，其還田比例不高、還田不及時等都會影響玉米的播種質量及產量^［8］。隨著土壤質量逐年下降，玉米秸稈還田的保護性耕作成為農業可持續發展的主要方式^［9］。在現有的研究中針對玉米秸稈還田后對土壤理化指標的影響研究較多，不同秸稈還田方式會影響土壤溫度，從而影響玉米產量^［10-11］。

玉米秸稈的處理方式主要有離田、碎混、翻埋、覆蓋、焚燒5種，不同的處理方式在影響玉米產量的同時，也影響土壤微生物的組成，有報道表明淺混、深翻可以顯著提高土壤微生物差異^［12-13］。一般只針對翻埋、覆蓋、碎混開展研究，針對5種還田方式之間的差異分析較少。本試驗在黑龍江黑土區玉米田連續3年（2021—2022年）采用5種秸稈還田方式，對玉米產量構成因子及土壤微生物的變化開展研究，以期為土壤保護及糧食產能提升及不同區域玉米秸稈連續還田方式的選擇提供依據。

1"材料與方法

1.1"試驗地點與材料

試驗于2021—2023年在黑龍江省農業科學院克山分院試驗地（125°8′E，48°30′N）進行，該地位于齊齊哈爾市東北部，為小興安嶺伸向松嫩平原的過渡地帶。該地屬寒溫帶大陸季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明。試驗區年平均氣溫2.4 ℃，有效積溫2 400 ℃，年降水量499 mm，無霜期122 d左右，春季降水少，土壤類型為黑鈣土。試驗品種為克玉19。3年主要氣象因子見表1。

1.2"試驗設計及方法

1.2.1"試驗設計

試驗采取單因素試驗設計，在相同施肥量的前提下，本試驗共設5個處理，分別為秸稈離田（A）、碎混還田（B）、焚燒還田（C）、秸稈翻埋還田（D）、條帶覆蓋還田（E）處理（表2）。每個處理面積為325 m²，壟寬65 cm，壟長50 m，栽種10行玉米。一次性施用51%的底肥525 kg/hm²，N ∶P2O5 ∶K2O 為26 ∶12 ∶13。2021年、2022年、2023年采用相同方式進行定位試驗。

1.2.2"微生物多樣性及土壤理化的測定

采用5點取樣法進行土壤采集，采樣深度0～20 cm，5點樣品均勻混拌后，裝入50 mL離心管中，放入保溫冰箱，4 ℃保存備用。另取500 g土壤樣品自封袋保存，用于測定理化指標。

1.3"測定項目及方法

1.3.1"產量及其構成因素

玉米收獲時隨機收取連續3行進行考種，面積為97.5 m²，記錄測產面積內實際株數、果穗數、穗粒數、小區脫粒產量、脫粒時籽粒水分，按照14%水分折合公頃產量。記錄播種期、出苗期、幼苗長勢、生育日數。測定穗長、穗行數、百粒重、出籽率、秸稈產量等。

1.3.2"根系密度生長監測

玉米出苗后，每個處理選取60株出苗一致的植株，作為根系監測樣本。進行樣本隨機挖土取樣，取土標準為30 cm×30 cm，每隔5 d取樣1次，共計6次。采用浸泡、沖洗方式，將土壤與根系分離，根系剝離后測定根數、根長、根粗等，采用排水法測定根體積。于65 ℃下烘干至恒重，稱重。

1.3.3"微生物多樣性測定

微生物多樣性是基于Illumina NovaSeq測序平臺，利用雙末端測序（Paired-End）的方法，構建小片段文庫進行測序。通過對Reads拼接過濾、聚類或去噪，并進行物種注釋及豐度分析，以揭示樣品的物種構成；進一步進行α多樣性分析、β多樣性分析、顯著物種差異分析、相關性分析、功能預測分析等。

擴增子16S V3+V4_b，引物F：5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′；R：5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′。物種注釋方法Bayesian，物種注釋數據庫Silva 138。

1.4"數據處理

采用Excel 2010進行數據處理；應用SPSS 22進行GLM單變量方差分析，Duncan，s進行多重比較分析。使用QIIME2 2020.6軟件，對樣品α多樣性指數進行評估。

2"結果與分析

2.1"不同秸稈處理方式對玉米產量構成因素的影響

根據2021—2023年的數據（表3～表5）可以看出，3年的數據差異較大，結合每年的氣候條件，可以得出在試驗區內玉米秸稈碎混還田在各年度間籽粒產量都為最低，2023年籽粒產量為8 816.6 kg/hm²，是3年來產量最低的。這可能是因為試驗用地為黑鈣土，土質較為黏重，秸稈碎混還田后，影響了玉米的播種質量，播種不均勻，深淺不一致，并且造成春季土壤水分散失嚴重，導致出苗率及出苗整齊度低，從而降低了玉米的最終產量。2022年氣候條件適合玉米生長，抵消了玉米秸稈其他還田方式所帶來的對水分調節的優勢，焚燒后優良的整地環境成為影響玉米產量的關鍵因素，籽粒產量達到10 901.3 kg/hm²，較碎混、覆蓋處理分別提高3.91%、2.50%。3年籽粒總產量條帶處理的表現最好，達到 31 076.5 kg/hm²，較焚燒和翻埋提高1.63%、1.23%。

作物秸稈作為農田土壤有機碳庫的重要外部補充，其還田過程對土壤有機碳周轉和碳庫平衡具有顯著影響^［14］。由表6可知，經過3個種植周期后，不同玉米秸稈還田方式下，B與D處理下，玉米秸稈為全量還田，但有機質含變化并不顯著，只增加0.94%、0.08%。A與C處理下，因沒有充足的外源物質補充，土壤有機質含量出現下降趨勢，下降幅度分別為6.37%、5.32%。

2.2"玉米根系測定

秸稈還田不僅可以在水分脅迫條件下增加地上部干物重、側根和深層根系的根干重，還能夠增加根長的空間分布范圍，同時達到增產穩產的目的^［15］。從圖1至圖3可以看出，E處理下玉米根系鮮重在10 d時開始快速增長， 明顯高于其他處理。

在20 d時其根系鮮重較D與B處理分別提高37.1%和82.3%，其他年份分析中，E處理可以提高根鮮重，但其提高遠低于本年度比例，這與試驗區前期降水量低有關，其他處理則由于土壤含水量過低，抑制根系生長。在C和D處理下，玉米根長要高于其他處理，C與D處理間無顯著差異，其根長與E處理相比分別提高8.60%和11.88%， 這與王灃等的研究結果^［16］一致。這可能是由于秸稈在未腐解前在土壤中并不完全利于根系生長。從玉米秸稈還田對根系數量的影響可以看出，D與E處理更適合玉米毛細根生長，根系數量遠高于其他處理。

2.3"不同秸稈處理方式對土壤細菌群落多樣性的影響

基于Illumina NovaSeq測序平臺，針對5個處理土壤樣品分析，檢測出34門、屬微生物，包括未分類1項。其中，10種微生物含量在0～0.05%之間，因含量較低，并未進行分析比較。其他纖維桿菌（Fibrobacterota）、芽單胞菌（Gemmatimonadota）等24種微生物含量在0.05%～22.1%之間。

2.3.1"稀釋性曲線

稀釋性曲線結果可顯示樣品中微生物的豐度，同時可判斷樣本數據是否充分。由圖4可知，各處理間OTU數量關系為Egt;Agt;Bgt;Dgt;C，E處理組土壤中微生物豐富度最高。本試驗5組樣品的稀釋曲線均逐漸趨于平緩，說明樣品數據合理，能夠較真實地反映樣本的細菌群落，能夠進行后續分析。

2.3.2"物種分類學分析

通過連續3年玉米秸稈不同方式還田，并進行物種分類學分析，利用Venn圖^［17］可以展示5個樣品間共有和特有特征OTU數目，直觀地表現出樣品間特征的重合情況。從圖5可以看出，經過抽平處理剩余84 995個OTU，各處理間共有OTU數為40個，各處理特有OTU數為 16 569、16 326、10 783、12 300、21 398個，分別占總OTU的19.49%、19.21%、12.69%、14.47%、25.18%，表現為Egt;Agt;Bgt;Dgt;C，共有基因數遠小于各處理特有基因數，表明玉米秸稈連續3年不同還田方式的處理下，土壤細菌群落種類增加；與秸稈離田相比，秸稈焚燒會減少土壤中特有細菌群落種類，覆蓋還田會增加土壤中特有細菌群落種類。5個不同秸稈還田方式中，碎混還田、翻埋還田和覆蓋還田處理的OTU數量分別為16 326、12 300、21 398個，表現為Egt;Bgt;D，說明連續3年秸稈覆蓋還田的細菌種類和數量最高。這與3種還田方式下特有OTU的趨勢相同。

2.3.3"不同秸稈處理方式土壤細菌多樣性分析

Simpson指數是衡量的α多樣性指標之一，能夠反映單個樣品物種多樣性。受樣品群落中物種豐度和物種均勻度的影響，Simpson指數越高，說明樣品的物種多樣性越高^［18］。t值檢測結果（圖6）顯示，除A與B之間不存在顯著差異外，其他組別間都存在顯著差異，并且E組與其他4組之間的差異最顯著。表明E組土壤中細菌多樣性更為豐富，這說明通過秸稈覆蓋還田后，不僅提高了土壤微生物數量，同時也提高了土壤中微生物的種類。

2.3.4"單個物種的散點圖差異分析

不同種類微生物對土壤生產能力及作物生長的影響有所區別。土壤中鏈霉菌（Streptomyces）和芽單胞菌（Gemmatimonas）與N2O排放量呈顯著負相關，而與玉米產量呈顯著正相關^［19］。鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）不僅細胞膜含有比脂多糖更疏水的鞘糖脂，而且具有高效的代謝調控機制和基因調控能力，使其在威蘭膠合成、環境修復和促進植物生長等方面具有巨大的應用潛力^［18-20］。本研究通過對34個門類微生物進行比較分析，在玉米秸稈不同還田方式處理下，其中藍藻菌（Cyanobacteria）、僻桿菌（Abditibacteriota）、腸桿菌門（Entotheonellaeota）等21個物種比例在1%以下的有19個，且不存在顯著差異。擬桿菌在5個處理中比例介于4.6%～6.4%之間，雖然占比較高，但5個處理整體間不存在顯著差異。進行組間單獨分析，結果為：C處理與B處理、A處理間存在差異，C處理與B處理差異達到極顯著水平（P＜0.01），C處理與D處理、E處理間無差異，與A處理存在差異但不顯著。

通過對酸桿菌（Acidobacteriota）、綠彎菌（Chloroflexi）、迷蹤菌（Elusimicrobiota）、纖維桿菌（Fibrobacterota）、芽單胞菌（Gemmatimonadota）等10類占比較多的微生物進行單個物種的散點圖差異分析，可以明確在玉米秸稈不同還田方式下，12個主要組成微生物的差異性。由圖7～圖16可知，放線菌（Actinobacteriota）相對豐度占比超過10%，酸桿菌（Acidobacteriales）占比在20%左右，是微生物物種組成較高的菌門，在5個處理間差異不顯著。疣微菌（Verrucomicrobiota）與黏菌（Myxococcota）在不同處理下存在顯著差異，在B、D處理下，疣微菌占比提高。不同處理方式主要影響纖維桿菌（Fibrobacterota）、硝化螺菌（Nitrospirota）、芽單胞菌、綠彎菌、迷蹤菌，5種處理下分別存在顯著差異。在D處理下硝化螺菌含量最高，并與其他處理存在顯著差異。B處理下迷蹤菌、綠彎菌、纖維桿菌占比最高，且與其他處理存在顯著差異。在E處理下12種微生物均處于相對較低的水平上，這可能是因為覆蓋處理更接近自然規律，更適合土壤微生物共生。

3"討論與結論

不同的玉米秸稈還田方式在影響玉米產量的同時，還能調控土壤水分和溫度，降低土壤侵蝕，改善土壤理化特性，影響土壤硬度和容重以及團聚體的穩定性^［21］，為作物高產奠定基礎。但不同的還田方式需要根據土壤類型、氣候條件等進行選擇^［22］。本研究中玉米秸稈碎混還田是產量最低的處理方式，其原因可能是玉米秸稈與土壤混合后影響了玉米的播種質量，不利于苗期保墑效果。雖然碎混還田存在一定的弊端，卻也具有疏松土壤表層、增加土壤透氣性的作用。因此在土壤黏重、春季雨水較多的區域又不失為一種較好的處理方式^［23］。玉米秸稈全量深翻還田作為黑土區最主要的還田方式，并且在政策扶持下，其耕作比例在60%左右，但由于深翻對大馬力機械的要求，需要較大能源的消耗。秸稈覆蓋還田作為保護性耕作的有力方式，相比深翻、碎混還田具備能耗低、保墑效果好等優點，但在土壤黏重、土壤濕度大的區域又不利于春播。因此，根據區域氣候特點、土壤類型等選擇適合的還田方式尤為重要。

本試驗通過對黑土區開展不同玉米秸稈還田方式的對比研究，結果表明，不同玉米秸稈還田方式會嚴重影響土壤微生物物種的種類及產量，但其微生物功能性及作用大小并未進行明確，通過功能性預測及單株分離鑒定將是今后的主要研究方向。玉米秸稈條帶覆蓋對土壤微生物數量和活性有促進作用，能改變土壤中的微生物數量和結構，在一定條件下，秸稈覆蓋能增加土壤微生物的多樣性，并影響細菌與真菌的數量比^［24］。連續秸稈焚燒對不同土層微生物的影響存在差異，表層土壤中細菌、放線菌、真菌的數量減少最明顯^［25］。雖然物種數量并不是最低，但特有種類最低，焚燒過程中產生高溫，造成部分微生物死亡，并且降低了土壤水分及有機質含量，不利于微生物生長繁殖。也有研究表明秸稈焚燒的土壤不利于作物（如玉米）的生長，表現為作物生長高度、鮮重、干重和體積的減少，以及胚乳的有機物轉化率下降^［26］。雖然焚燒提高了整地質量，但對玉米生長是不利的，也不利于土壤可持續利用，因此農業機械的改良才是解決這一問題的關鍵。在相對干旱的區域，因翻埋還田動土率大，也不利于土壤水分保持及微生物生長。碎混還田因其作業成本低，并且具有一定的保水能力，普及率在逐漸升高，本研究結果表明，在不采用焚燒與翻埋處理還田時，通過連續碎混還田后，土壤微生物OTU為16 328個，高于翻埋還田后的數量。分析其原因，可能是由于玉米秸稈量較大，在 7 500 kg/hm²"左右，按照玉米秸稈重量50 kg/m³計算，相當于0～20 cm土壤中玉米秸稈的體積占比達到10%，甚至更多，這造成大量的水分散失，極不利于微生物生長，也不利于秸稈分解，并且在春季干旱發生時會嚴重影響種子的出苗率。也有研究表明，碎混還田在某些方面增加了土壤與秸稈的接觸面積，促進了微生物生長^［24］，引起這一差異主要的因素是土壤水分高低。在相對干旱區域土壤水分成為影響的關鍵因子。在常規的耕作中，不僅玉米秸稈的還田方式對產量、微生物產生了影響，氣候條件、種植方式、種子處理、肥料、農藥等也會影響作物的產量及微生物組成。本研究通過對秸稈還田后玉米產量因子、微生物組成開展分析，為開展玉米連續保護性耕作方式提供了參考依據，為需多學科協調統一的可持續農業發展提供了可行性支撐。

參考文獻：

［1］劉晉平. 長期秸稈還田對玉米產量及效益的影響［J］. 中國農業文摘-農業工程，2023，35（4）：12-16.

［2］李娜娜，李志強，黃學芳，等. 不同耕作方式下秸稈還田對晉中玉米田水分時空分布及產量的影響［J］. 水土保持學報，2023，37（5）：312-319.

［3］王芙臣，史旭曾，李"斐，等. 坡耕地嵌入覆蓋作物條件下不同秸稈還田方式對玉米農藝性狀及產量的影響［J］. 玉米科學，2022，30（6）：93-101.

［4］于"博，楊玉亭，任"琴，等. 秸稈還田對春玉米根冠特征及產量的影響［J］. 江蘇農業科學，2023，51（1）：85-91.

［5］何亞玲，崔慧珍，王兵兵，等. 玉米秸稈連續還田對土壤微生物群落組成的影響［J］. 農業科學研究，2022，43（4）：27-35.

［6］呂開源，周立萍，康建宏，等. 不同耕作方式下玉米秸稈還田對土壤真菌群落的影響［J］. 中國土壤與肥料，2022（8）：112-122.

［7］邱"琛，韓曉增，陸欣春，等. 玉米秸稈還田對黑土微生物群落功能多樣性的影響［J］. 生態學雜志，2022，41（2）：287-293.

［8］吾"娜，夏里拜提·阿布都克里木. 玉米秸稈還田現狀及發展［J］. 種子科技，2023，41（18）：133-135.

［9］李瑞平，譚"化，謝瑞芝，等. 東北玉米耕作制度存在的主要問題與新型耕作制度展望［J］. 玉米科學，2021，29（6）：105-111.

［10］陳素英，張喜英，劉孟雨. 玉米秸稈覆蓋麥田下的土壤溫度和土壤水分動態規律［J］. 中國農業氣象，2002（4）：35-38.

［11］陳繼康，張"宇，陳軍勝，等. 不同耕作方式麥田土壤溫度及其對氣溫的響應特征：土壤溫度特征及熱特性［J］. 中國農業科學，2009，42（8）：2747-2753.

［12］賈鳳梅，張淑花，魏雅冬. 不同耕作方式下玉米農田土壤養分及土壤微生物活性變化［J］. 水土保持研究，2018，25（5）：112-117.

［13］顧美英，唐光木，葛春輝，等. 不同秸稈還田方式對和田風沙土土壤微生物多樣性的影響［J］. 中國生態農業學報，2016，24（4）：489-498.

［14］張葉葉，莫"非，韓"娟，等. 秸稈還田下土壤有機質激發效應研究進展［J］. 土壤學報，2021，58（6）：1381-1392.

［15］王"灃，王美佳，蘇思慧，等. 水分脅迫下秸稈還田對玉米產量和根系空間分布的影響［J］. 應用生態學報，2018，29（11）：3643-3648.

［16］張學林，何堂慶，張晨曦，等. 叢枝菌根真菌對玉米生育期土壤N2O排放的影響［J］. 中國農業科學，2022，55（10）：2000-2012.

［17］Chen H B，Boutros P. VennDiagram：a package for the generation of highly-customizable Venn and Euler diagrams in R［J］. BMC Bioinformatics，2011，12（1）：35.

［18］Kljalg U，Nilsson R H，Abarenkov K，et al. Towards a unified paradigm for sequence-based identification of fungi［J］. Molecular Ecology，2013，22（21）：5271-5277.

［19］Jha K，Odedra K N，Jadeja B A. Unveiling the ecological tapestry：alpha diversity patterns in the Banas River Corridor，Gujarat，India［J］. Asian Journal of Environment amp; Ecology，2023，21（1）：43-54.

［20］劉"輝，韋璐璐，朱龍發，等. 鞘氨醇單胞菌的研究進展［J］. 微生物學通報，2023，50（6）：2738-2752.

［21］宋慧寧. 連年玉米秸稈還田對土壤養分和土壤細菌、真菌群落結構的影響［D］. 長春：吉林大學，2022.

［22］蘇柳方，馮曉龍，張祎彤，等. 秸稈還田：技術模式、成本收益與補貼政策優化［J］. 農業經濟問題，2021（6）：100-110.

［23］馬國成，蔡紅光，范"圍，等. 黑土區玉米秸稈全量直接還田技

術區域適應性探討［J］. 玉米科學，2022，30（6）：1-6.

［24］張建彤，馬建濤，柴雨葳，等. 秸稈帶狀覆蓋對旱地馬鈴薯土壤溫度及產量的影響［J］. 生態學雜志，2024，43（2）：461-468.

［25］陳"亮，趙蘭坡，趙興敏. "秸稈焚燒對不同耕層土壤酶活性、微生物數量以及土壤理化性狀的影響［J］. 水土保持學報，2012，26（4）：118-122.

［26］劉天學，牛天嶺，常加忠，等. 焚燒秸稈不利于玉米幼苗和根際微生物的生長［J］. 植物生理學通訊，2004（5）：564-566.