秸稈還田對干旱區滴灌玉米生產及土壤微生物的影響

孟超然，白如霄，楊鵬輝，張皓禹，危常州

(1.石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2.新疆生產建設兵團第九師農業科學研究所，新疆塔城 834600)

0 引 言

【研究意義】我國農作物種類繁多，秸稈產量大，據統計，2017年我國秸稈理論總量達到10.2億噸[1]。但因小規模種植大量存在，缺乏規模化技術等一系列問題[2]，秸稈棄置、焚燒等處理方式普遍存在，資源浪費的同時也造成了環境污染[3]。玉米作為我國第一大糧食作物，播種面積達3.68×107hm2，占所有糧食作物面積的35.23%[4]。玉米秸稈是產量巨大的農作物副產物資源，每年可達3×108t左右。對玉米秸稈還田進行研究可為高效、合理利用這一數量巨大的資源提供科學依據。【前人研究進展】許多研究均表明，玉米秸稈還田能夠提高土壤微生物群落功能多樣性[5]，是改善和保持耕地土壤健康的有效措施。土壤微生物功能多樣性是指土壤微生物群落所能執行的功能范圍以及這些功能的執行過程[6]，能夠敏感地反映土壤生態環境的變化[7]，土地利用類型、施肥措施、耕作方式、種植年限及時空差異[8-11]等均能對其產生顯著影響。土壤微生物功能多樣性一方面與還田秸稈類型[5]、還田秸稈量[12]等有顯著相關關系，另一方面也很大程度上受到土壤狀況如土壤溫度、土壤水分、土壤結構的影響[13]。【本研究切入點】目前關于玉米秸稈還田對土壤微生物功能多樣性的影響已有很多，但在干旱區滴灌條件下進行的研究相對缺乏。研究秸稈還田對干旱區滴灌玉米生產及土壤微生物的影響。【擬解決的關鍵問題】在新疆北疆干旱滴灌玉米種植區特殊的氣候、水分條件下，研究不同玉米秸稈還田量對土壤微生物功能多樣性及玉米生長、產量、品質的影響，為合理秸稈還田提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究于2018年在新疆生產建設兵團第九師一六四團三連進行，該團場位于塔城地區西北部、伊犁哈薩克自治州中部，屬于中溫帶干旱和半干旱氣候區，雨量偏少，年平均降水量142～295 mm，地方性小氣候比較明顯。全區無霜期一般為150～180 d，年日照2 832～3 006 h，年平均氣溫5～7℃。塔城地區總耕地面積為6.24×105hm2，其中玉米種植面積為2.12×105hm2，占總耕地面積的34.02%。試驗地為長期連作玉米農田，其理化性質如下：有機質 15.28 mg/kg、堿解氮107.74 mg/kg、速效磷9.88 mg/kg、302.14 mg/kg，pH為8.27。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

1.2.2 測定項目

干物質積累動態：玉米出苗后每隔25 d對地上部植株樣品進行采集，樣品采集完成后在85℃下烘干，稱重，記錄其干物質積累動態。

土壤微生物功能多樣性：玉米吐絲期(出苗后88 d)采集耕層土壤樣品，舍棄表層0～5 cm土壤后，于4 ℃下冷藏，用Biolog-Eco微平板法測定微生物功能多樣性。每塊Biolog-Eco平板有8×12共96個孔，每32個孔為1個重復，包含1個空白和31種碳源，共3次重復。稱取秸稈不同腐解天數下相當于10 g烘干土樣的土壤樣品，加入裝有90 mL無菌磷酸緩沖液的250 mL三角瓶，經兩次稀釋至10-3g/mL，接種到平板培養基，每孔接種100 μL，接種完成后立即使用Biolog自動讀數裝置測定平板各孔在590 mm波長下的吸光度，之后于25℃培養，每12 h讀數一次，共計讀數15次(7 d)。平均顏色變化率(AWCD值)、Richness豐富度指數(S)、Shannon多樣性指數(H)、McIntosh均勻度指數(U)和Pielou均勻度指數(J)計算公式如下：

S=被利用碳源總數.

J=H/lnS.

式中，Ai第i個孔的吸光值，A0為對照孔的吸光值，Ai-A0為第i個孔的相對吸光值，Pi為第i個孔的相對吸光值與所有孔相對吸光值之和的比值，即，S為被利用的碳源總數，ni為第i個孔的相對吸光度(Ai-A0)。

籽粒產量及品質：玉米成熟后，各處理選取3個重復點進行產量測定，各重復面積均為6.67 m2，測定包括株數、穗粒數、千粒重在內的產量構成指標。籽粒品質指標蛋白質、淀粉、脂肪含量采用BRURER公司生產的MATRIX-1 型近紅外光譜分析儀測定。

1.3 數據處理

用Microsoft Office 工具Excel進行數據整理；Statistics 18.0對試驗數據作描述性統計學分析；生態數據處理軟件Canoco for Windows 4.5進行主成分分析(PCA)。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物群落平均顏色變化率

研究表明，各處理AWCD值變化趨勢相同，0～36 h變化不大，36～108 h快速增長，120～132 h增長速度放緩，符合一般微生物培養的適應期-對數期-穩定期的生長規律。培養開始前36 h內，各處理AWCD值無顯著差異，36～48 h 秸稈全量還田處理(SR2)顯著大于秸稈半量還田處理(SR1)和秸稈不還田處理(CK)。從培養72 h開始，各處理AWCD值兩兩之間均呈現顯著差異，以SR2最大，CK最小，即SR2 > SR1 > CK。圖1

有人說，一個公司的氣質多少與其掌舵人有關，臺資企業栢科富翔之行讓我們深有同感。想象一下，一個中式復古風格的房間，屋內看似隨意擺放的物件，空氣中若有似無的檀香，是不是有一種偷得浮生半日閑的愜意。如果不是攝像機在一旁忠實地提醒，我似乎會忽略掉我們正在采訪栢科富翔董事長吳重蔚。更令我們意外的是，眼前這位說話不緊不慢、氣質安靜柔和的掌門人所擁有的 “霸氣”履歷——哈佛畢業，資深建筑師，于舊金山開有建筑事務所。跨界、國際化，自帶話題屬性的吳重蔚頓時引發了我們強烈的好奇，為什么會進入印刷？建筑師的經歷對印刷事業有何幫助？想把公司推到一個什么樣的高度……面對我們拋來的問題，吳重蔚逐一耐心解答。

圖1 不同秸稈還田量下土壤微生物群落平均顏色變化率
Fig.1 Average well color development (AWCD) of soil microbial communities under different straw returning amounts

2.2 土壤微生物代謝多樣性變化

研究表明，秸稈還田處理SR1、SR2下Richness指數即被利用碳源總數分別為27.67、27.00，二者差異不顯著且均顯著大于秸稈不還田處理(CK)下的17.33，Shannon指數也表現出相同的規律；McIntosh指數則稍有不同，表現出SR2 > SR1 > CK，各處理兩兩之間均呈顯著差異；Pielou指數SR1和CK差異不顯著，且均顯著小于SR2。表1

表1 不同秸稈還田量下土壤微生物多樣性指數
Table 1 Functional diversity indices of soil microbial communities under different straw returning amounts

處理TreatmentRichness豐富度指數(S)Richness IndexShannon多樣性指數(H)Shannon IndexMcIntosh均勻度指數(U)McIntosh IndexPielou均勻度指數(J)Pielou IndexCK17.33±0.47b3.07±0.02b5.58±0.32c0.90±0.03bSR127.00±0.82a3.14±0.04a6.65±0.22b0.92±0.01bSR227.67±0.47a3.28±0.08a8.92±0.26a0.96±0.00a

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between treatments(P<0.05), the same as below

2.3 土壤微生物群落代謝功能多樣性主成分分析

對不同還田量下培養132 h的AWCD值進行微生物群落功能主成分分析，共提取4個主成分，累計貢獻率為82.34%，其中第1主成分(PC1)的方差貢獻率為39.97%，第2主成分(PC2)為17.80%，前兩個主成分累計貢獻率為57.77%。第三第四主成分方差貢獻率較小，分別為15.16%和9.41%。對PC1和PC2進行分析，得到圖2結果。分析結果表明，不同秸稈還田量處理在PC1軸上差異顯著，SR2處理分布在正方向，CK分布在負方向，SR1在正方向和負方向均有分布；在PC2軸上，SR1分布在負方向，CK、SR2在正方向、負方向均有分布。圖2

圖2 不同秸稈還田量下微生物群落主成分分析
Fig.2 Principal component analysis of microbial communities under different straw returning amounts

Eco板31種碳源按照化學基團性質不同，分為碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類、酚酸類和胺類，在主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上載荷值前14種物質，相關系數絕對值(|r|)越大，碳源對主成分的影響越大。與PC1相關系數|r| > 0.60的10種碳源中有碳水化合物類7種，多聚物類、氨基酸類、胺類和各1種；與PC2相關系數|r| > 0.50的7種碳源中，碳水化合物類、多聚物類各2種、氨基酸類、羧酸類和酚酸類各1種。表2

表2 部分碳源與主成分1、2相關系數
Table 2 Correlation coefficients of partial carbon sources with PC1 and PC2

類別Category碳源類型Chemical guild主成分1PC1類別Category碳源類型Chemical guild主成分2PC2碳水化合物Carbohydrate氨基酸類Amino acids多聚物類Polymer胺類AmineD-木糖0.921N-乙酰基-D-葡萄胺0.903D-半乳糖酸-γ-內酯0.859D,L-a-甘油0.828D-纖維二糖0.744D-甘露醇0.679β-甲基D-葡萄糖苷0.609葡萄糖-1-磷酸0.576L-精氨酸0.58L-苯基丙氨酸0.867吐溫400.598吐溫800.687苯乙基胺0.798碳水化合物Carbohydrate氨基酸類Polymer羧酸類Carboxylic acids多聚物類Polymer酚酸類Phenolic acidsa-D-乳糖0.732D-甘露醇0.589D-纖維二糖-0.471N-乙酰基-D-葡萄胺-0.391L-精氨酸0.435L-絲氨酸0.515D-氨基葡萄糖酸-0.405D-蘋果酸-0.393丙酮酸甲酯0.548吐溫400.756a-環狀糊精0.7482-羥苯甲酸-0.7154-羥基苯甲酸-0.446羧酸類Carboxylic acidsD-半乳糖醛酸0.577胺類Amine苯乙基胺-0.459

2.4 秸稈還田對玉米生長、產量和品質的影響

研究表明，在玉米出苗的前50 d之內，秸稈還田對玉米干物質積累無顯著影響，隨著生育期的延長，其積極影響逐漸顯現，至出苗75 d，秸稈還田處理(SR1、SR2)玉米干物質積累量均顯著大于CK，表現為SR2 > SR1 > CK。這種玉米干物質積累的優勢一直保持至玉米成熟期(出苗125 d)，且隨著生育期的延長，SR2處理干物質積累量較CK增幅逐漸增大。圖3

研究表明，三個處理玉米株數、千粒重差異均未達到顯著水平，但與CK相比，SR2顯著增加了玉米穗粒數，增幅達8.01%，玉米產量CK > SR1 > SR2，與CK相比，SR1、SR2分別增產5.48%和13.56%。表3

圖3 玉米干物質積累動態
Fig.3 Dry matter dynamic accumulation of maize表3 玉米產量及產量構成Table 3 yield and yield component of maize

處理Treatment株數(plant/hm2)Plant numbers per hectare穗粒數(粒)Grain numbers per spike千粒重(g)1 000-grain weight產量(t/hm2)YieldCK1.23×105a451.36b249.73a13.83cSR11.24×105a474.06ab248.43a14.58bSR21.23×105a487.50a261.51a15.70a

研究表明，在秸稈還田條件下，玉米籽粒品質較秸稈不還田均有所提高，各處理淀粉含量SR2、SR1較CK分別提高2.11%、1.94%，但均未達到顯著水平；脂肪含量SR2較CK顯著提高了0.39%，SR1較CK提高了0.25 %但差異不顯著；蛋白質含量SR2、SR1較CK分別提高了0.43%、0.20%，且各處理之間差異達到顯著水平。表4

表4 玉米籽粒品質
Table 4 Grain quality of maize

處理Treatment蛋白質Protein(%)脂肪Fat(%)淀粉Starch(%)CK7.56±0.13c3.44±0.13b72.71±1.82aSR17.76±0.09b3.69±0.12ab74.65±1.61aSR27.99±0.08a3.83±0.16a74.82±1.57a

3 討 論

土壤微生物群落平均顏色變化率(AWCD值)表征微生物利用碳源的整體綜合能力，其值越高說明土壤微生物群落代謝活性越強[14]，許多研究表明，秸稈還田能夠增加土壤微生物的多樣性，從而改善土壤環境，形成土壤-微生物-作物的良性生態系統[15]。研究中，與秸稈不還田相比，18和9 t/hm2的秸稈還田均能顯著增加土壤微生物AWCD值，說明秸稈還田能夠增加土壤微生物對碳源的利用能力，是改善土壤微生物環境的有效措施。可能主要是因為秸稈作為一種豐富的養分和有機質來源，還田之后能夠為微生物的生長和繁殖提供大量的碳源和能源[16]，研究中秸稈還田量為18和9 t/hm2時，為土壤微生物提供了不同量的碳源、能源，對土壤微生物AWCD值影響程度不同，也在一定程度上驗證了此觀點。

在利用Biolog-Eco方法對土壤微生物多樣性進行評估時，Richness豐富度指數、Shannon多樣性指數、McIntosh均勻度指數、Pielou均勻度指數是幾個常用指數，可用以表征土壤微生物物種的多樣性及群落物種的均勻度[17]。研究條件下，進行量為18和9 t/hm2的秸稈還田，二者之間土壤微生物Richness豐富度指數、Shannon多樣性指數差異不顯著，但均顯著大于秸稈不還田，說明秸稈還田對土壤微生物多樣性造成了顯著的積極影響，這與于寒[18]的研究結果相似。可能與秸稈還田后復雜的物質變化有關，如纖維素可降解為單糖、纖維二糖、纖維寡糖[19]，在特殊的環境中，纖維素結構中的羥基經一系列反應，也可改性為酯類纖維素、醚類纖維素等[20]；半纖維素可降解產生D-木糖基、D-葡萄糖基、D-甘露糖基、L-阿拉伯糖基、D-半乳糖基[21]；木質素可降解為含帶酚羥基含苯環的單體、二聚體或低聚酚類化合物[22]。復雜的物質變化為不同碳源利用類型微生物的生長、繁殖提供了豐富的物質基礎，使土壤微生物物種多樣性得到提高，使得土壤微生物群落中原本功能較為單一的物種逐漸變得豐富，進而使群落物種均勻度得到提高。McIntosh、Pielou均勻度指數在秸稈18 t/hm2還田條件下顯著大于秸稈不還田，也從側面解釋了這一現象。

主成分分析(PCA)是對Biolog-Eco數據處理過程中最常用到的分析方法[23]。在主成分軸上分布的不同可以反映各處理土壤微生物群落對碳源利用的差異[24]，研究中不同秸稈還田量處理在兩個主成分軸上分布的差異說明各處理土壤微生物群落對碳源利用能力不同，與大多數研究結果相似。其原因一方面是上文所述不同秸稈還田量為土壤微生物所提供的碳源、能源的量不同，另一方面，秸稈還田量及還田與否對土壤性質的影響不同。如秸稈還田能夠改善土壤水分狀況[25]，尤其研究在干旱區滴灌條件下進行，土壤水分對微生物的影響更為顯著；秸稈還田能夠提高土壤溫度，降低其日較差[26]，為土壤微生物的生長、繁殖提供適宜且穩定的環境條件。總之，研究中秸稈還田通過對土壤各類理化性質的影響，進而使土壤微生物群落對碳源利用出現差異。研究條件下，這種差異主要表現在對碳水化合物類、多聚物類、氨基酸類碳源的利用程度上。

高產、優質是農業生產追求的首要目標，直接決定了耕地經濟效益，干物質積累作為產量形成的前期過程，對作物產量、品質有顯著的影響[27-28]。前人研究表明，充足的土壤養分供應能夠顯著增加作物干物質積累量[29]，研究在統一施肥量的前提下研究不同秸稈還田量對玉米干物質積累的影響，發現玉米出苗75 d后各秸稈還田處理較秸稈不還田處理均能顯著增加玉米干物質積累量，且秸稈還田量為18 t/hm2時增幅較大。排除施肥的影響，說明秸稈還田能夠提高土壤養分供應能力。這一方面是因為秸稈本身作為養分資源，含有農作物生長所需要的多種營養元素[30]，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫，還田后可顯著增加土壤養分含量[31]；另一方面秸稈作為有機物料，還田可顯著增加農田土壤有機質含量[32]，改善土壤容重、團聚體含量等土壤物理性狀，進而提高土壤養分有效性[33]；研究條件下發現秸稈還田增加了土壤微生物群落功能多樣性，也是土壤養分供應能力得到提高的一個重要原因[34]。而玉米出苗后的50 d之內，各處理玉米植株干物質積累量無顯著差異，可能是因為研究區秋季降溫迅速，冬季嚴寒且漫長，秸稈還田后至第二年溫度回升后才開始快速分解，且秸稈作為養分資源，其肥效并非立竿見影。研究表明，秸稈一般在還田后60 d后完成養分的快速釋放[35]，加之玉米秸稈碳氮比較高，分解初期易發生微生物“掘氮效應”[36]，使得本地區秸稈還田不能在生育期早期對玉米干物質積累產生顯著影響，而越靠近生育期后期，18 t/hm2秸稈還田較秸稈不還田對玉米干物質積累量增幅越大。這種干物質積累優勢為玉米高產優質提供了更為充分的物質準備，研究中，18和9 t/hm2秸稈還田較秸稈不還田玉米產量分別增了13.56%和5.48%，玉米籽粒脂肪含量分別提高了0.39%和0.25%、蛋白質含量分別提高了0.43%、0.20%，達到了提質增產的效果。

4 結 論

秸稈還田能夠提高土壤微生物對碳源的程度，增加土壤微生物物種的多樣性和群落物種的均勻度。秸稈還田造成的土壤微生物群落功能多樣性的差異主要表現在對碳水化合物類、多聚物類、氨基酸類碳源的利用程度上。秸稈還田能夠提高土壤養分的供應能力，在生育期的中后期顯著增加玉米干物質積累量。玉米秸稈還田量為18和9 t/hm2較秸稈不還田分別增產13.56%和5.48%。與秸稈不還田相比18 t/hm2秸稈還田可顯著增加玉米籽粒蛋白質含量和脂肪含量，分別增加0.43%和0.39%。