不同深度秸稈還田對黃棕壤氮素和微生物生物量碳氮的影響

張 奇, 陳 粲, 陳效民, 任曉明, 張志龍, 劉 巍

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095; 2.南京信息工程大學 應用氣象學院, 江蘇 南京210044)

秸稈是農業生產系統中的一類重要的生物資源，是農田土壤有機質的重要來源，秸稈中含有豐富的N，P，K，Ca，Mg等農作物生長所必需的養分元素。我國是農業大國，擁有豐富的秸稈資源。據統計，全球每年秸稈產量約為2.00×109t，我國每年秸稈產量約占全球秸稈總量的1/3，其中水稻秸稈約占50%。這些秸稈所含養分相當于3.00×106t氮肥，7.00×105t磷肥，7.00×106t鉀肥，約占全國化肥使用量的25%[1]。目前，與歐美等國相比，我國秸稈還田率僅占其1/3左右，且還田秸稈的利用率偏低[2]，同時還存在大量露天焚燒秸稈的現象，造成極大的資源浪費和環境污染問題，如何合理利用秸稈資源，解決資源浪費和環境污染問題已成為當務之急。還田是對秸稈回收再利用的一種重要方式，它不僅可以改良土壤物理性狀，蓄水保墑，緩解水土流失，為土壤提供大量的養分[3]，也可以解決露天焚燒秸稈帶來的資源浪費和環境污染的問題[4]，但農田20 cm以下土層土壤堅實緊密，作物不易扎根，有機質輸入較少，導致土壤肥力低下[5]，為提高土壤肥力和還田秸稈的利用效率，研究和分析秸稈不同還田深度對農業資源的合理利用具有重要的意義。土壤微生物生物量碳、氮是反映土壤微生物量大小的重要的指標，能夠反映土壤中有效養分和生物活性狀況，盡管土壤微生物生物量碳、氮只占土壤總碳和全氮的1%～4%和2%～6%，但卻是土壤中最活躍的組分，因其周轉速率快，在土壤碳循環和氮循環中起著非常重要的作用[6-8]。秸稈還田后向土壤中輸送大量的有機碳，為土壤微生物的生長繁殖提供了所需的營養物質和適宜的生存場所，有利于提高土壤微生物活性，同時土壤微生物通過分解還田后的秸稈，能夠有效的提高土壤有機質和養分含量，改善土壤結構和理化性狀，保持土壤水分，提高土壤肥力，增加土壤透氣性，降低土壤溫差[9]，且隨著土壤有機質和氮素的增加，土壤養分水平提高，有效地改善了土壤質量。不同深度秸稈還田能有效避免土壤水分和養分流失，培肥地力，段華平等[10]研究表明秸稈還田可顯著土壤有機碳含量，張麗等[11]研究表明深松結合秸稈還田可以緩解土壤板結，也有研究發現秸稈深埋比覆蓋對土壤微生態環境有更好的改善作用[12],翻耕和旋耕結合秸稈還田可以增加微生物生物量碳氮和酶活性[13]，但目前有關秸稈還田的研究主要側重于秸稈還田對土壤表層和耕層的耕作方式和物理特性以及對肥力水平的影響，而對20 cm 以下的土層以及不同深度秸稈還田后對土壤氮素特性和微生物量特性的影響還鮮有報道。因此，本文選擇黃棕壤作為供試土壤，研究不同深度秸稈還田條件下土壤氮素和微生物量的變化規律，探討最佳的秸稈還田深度，以期為提高秸稈資源利用效率，改善水土保持能力，提高作物產量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間小區試驗開始于2017年10月在南京市江浦區農業試驗站(32°03′N，118°51′E，海拔約22 m)進行，該地區屬于亞熱帶季風氣候，多年平均溫度為15.6 ℃，降水量約為1 100 mm，日照時數1 910 h，無霜期223 d，地下水埋深1.5 m 以下，土壤類型為典型的地帶性土壤—黃棕壤。供試土壤的基本理化性質詳見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質

1.2 試驗設計與供試材料

本研究采用不添加秸稈對照(CK)和添加秸稈到土壤不同深度的處理，分別為：對照處理(CK)、秸稈表面覆蓋(T0)、秸稈10 cm還田(T10)、秸稈20 cm 還田(T20)、秸稈30 cm 還田(T30)，共計5個處理，每個處理3次重復，每個小區面積為4 m×4 m=16 m2，采用拉丁方無序隨機區組排列。試驗區四周設1 m 的保護行，小區間設0.5 m的排水溝。試驗區農田按常規施肥處理：各處理的肥料施用量一致，共計施肥225 kg/hm2，麥拔節期統一追施純氮60 kg/hm2，澆拔節水160 mm。秸稈材料采用水稻秸稈，按照試驗設計用量將其截成5 cm 左右小段，秸稈添加量為7 500 kg/hm2，有機碳含量為405.80 g/kg，全氮含量為5.23 g/kg，秸稈碳氮比為77.59。于2017年10月28日一次性添加入土壤，后期不再添加秸稈。T0，T10，T20，T30處理是采用機械分別將秸稈翻埋入土壤10，20，30 cm 深處。供試小麥品種采用鎮麥360。

1.3 樣品的采集

采樣于2018年3月，在CK，T0，T10，T20和T30各處理小區按對角線布點，進行5點混合取樣，10 cm為1層分4層采集0—40 cm的土樣。將土樣帶回實驗室后，一部分新鮮土樣過2 mm 篩用于土壤微生物生物量碳、氮以及土壤銨態氮和硝態氮的測定，其余土樣風干過篩后用于土壤有機質和全氮的測定。

1.4 測定項目與方法

土壤基本理化性質測定方法參考土壤農化分析[14]；土壤微生物生物量碳和氮含量采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel軟件處理并繪圖，采用SPSS 19.0統計分析軟件進行相關性和方差分析，多重比較采用LSD法。顯著性水平設為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同深度秸稈還田對土壤有機質和氮素的影響

添加秸稈處理后不同深度土壤有機質和氮素含量變化詳見表2。由表2可知，與不添加秸稈的CK相比，T0，T20，T10和T30秸稈還田處理的有機質含量分別增加了14.47%，13.53%，13.02%和8.76%，且差異均達到顯著水平，其中T0，T10和T20之間無明顯差異。通過比較不同處理和不同深度土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量變化后發現，在0—40 cm不同深度土層中秸稈還田處理后，各處理間土壤氮素差異明顯。T0，T10，T20和T30處理較不添加秸稈CK處理均顯著提高了土壤全氮和硝態氮含量，降低了土壤銨態氮含量。在0—40 cm整個土層中，與不添加秸稈CK相比，T0，T20，T10和T30處理分別提高土壤全氮含量為16.52%，23.02%，20.67%和12.01%，達到了極顯著水平(p<0.01)。與不添加秸稈CK相比，T10，T20，T0和T30處理均降低了土壤銨態氮含量，降低幅度為14.75%～21.80%，各處理銨態氮含量高低順序為：CK>T30>T0>T20>T10。秸稈還田處理的硝態氮含量高于不添加秸稈CK，其中T0和T10處理的硝態氮含量與CK相比顯著提高，分別提高了43.94%和49.46%。

表2 不同深度秸稈還田處理對土壤有機質和氮素含量的影響

注：平均值±標準差(n=3)，同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同深度秸稈還田對土壤微生物量碳、氮的影響

由圖1—3可知，在不同處理下，土壤微生物生物量碳和氮含量變化范圍分別為46.44～143.77 mg/kg，4.94～18.59 mg/kg，土壤微生物生物量碳氮比的變化范圍為6.64～9.56。添加秸稈處理的土層，與不添加秸稈CK相比，土壤微生物生物量碳含量均有明顯增加。

注：不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1 不同深度秸稈還田處理對土壤微生物量碳的影響

圖2 不同深度秸稈還田處理對土壤微生物量氮的影響

圖3 不同深度秸稈還田處理對土壤微生物量碳氮比的影響

在0—40 cm整體土層中，與不添加秸稈CK相比，T0，T10，T20和T30處理的土壤微生物生物量碳含量均有所提高，增加幅度為5.01%～35.78%，差異達到極顯著水平(p<0.01)。各處理土壤微生物生物量碳含量從小到大排序為:CK

2.3 不同深度秸稈還田處理土壤性質主成分分析

如圖4所示，土壤微生物生物量碳、氮，有機質，全氮，銨態氮和硝態氮采用主成分分析，整合為2個主要成分，其方差貢獻率之和達到95.74%，可以用來反映原來多個變量所包含的主要信息，且第1主成分所含信息量在2個主成分中較高。由土壤性質主成分載荷圖可知，微生物量碳、氮、有機質，全氮和硝態氮在第1主成分上均有較高的因子載荷，微生物量碳氮比在第2主成分上因子載荷較高。

圖4 不同深度秸稈還田處理土壤性質主成分載荷

不同深度秸稈還田各處理土壤在2個主成分上得分情況詳見表3。綜合分析表明，不同深度秸稈還田各處理土壤性質水平有較大的差異，不同處理下綜合得分次序為：CK

表3 不同深度秸稈還田各處理主成分得分表

3 討 論

3.1 不同深度秸稈還田對土壤有機質和氮素水平影響

秸稈還田對土壤養分含量變化有顯著影響，可以明顯提高土壤有機質含量和氮素積累水平[15-16]。土壤中有機質含量變化主要依靠碳的輸入和輸出，土壤有機質對維持土壤肥力和質量起著重要的作用[17]。本文研究表明，不添加秸稈的CK處理中土壤有機質含量處于較低水平，而添加秸稈的各處理中土壤有機質含量均有顯著增加，T10處理和T20處理土壤有機質含量增加較多，尤其T10處理增加最多。這可能是，施用秸稈后提高了土壤的孔隙度，增加了土壤的通氣性，使土壤擁有更好地水熱條件，因而使秸稈腐解所需的時間比其它處理縮短[18]，腐解的秸稈促進了土壤腐殖質的積累，增加了土壤有機質[5]。秸稈擁有豐富的養分資源，除有機質外，氮素也是其中之一，氮素是生態系統中生命體組成的重要因素，是農作物生長必需的營養元素，氮素含量的高低是限制農作物產量的重要因素之一[19]。閆翠萍等[20]研究表明，連續秸稈還田可以減少氮肥施用，提高水肥利用率。土壤氮素主要是由有機態氮和無機態氮組成，其中無機態氮的選擇和限制性表征土壤氮素有效性[21]。本文研究結果顯示，添加秸稈的各處理與不添加秸稈的CK處理相比土壤全氮含量明顯增加，T10處理和T20處理土壤氮素含量增加較多，且T0處理增加最多，這是由于土壤中有機態氮占全氮總量的92%～98%，而表層土中95%以上的氮為有機態氮，表層覆蓋秸稈，降低了氮揮發，減少了氮的流失；此外，土壤微生物可以影響了土壤氮的礦化或固持，導致了土壤氮的動態變化，促進土壤氮的生物固持。與不添加秸稈的CK處理相比，添加秸稈各處理土壤銨態氮含量降低，土壤硝態氮含量增加。秸稈還田可以有效降低土壤容重，提高土壤通氣性，有利于氮的硝化過程，促進銨態氮向硝態氮轉化，所以銨態氮含量降低，硝態氮含量增加，且10 cm秸稈還田微生物活性最高，硝化反應更劇烈。一方面秸稈還田使土壤表層無機態氮含量增加，引起土壤氮礦化的正激發效應[22]；另一方面，秸稈還田提高了氮素利用率，促進了硝化反應的進行，使硝態氮含量增加；另外，秸稈中碳氮比較高，土壤微生物在分解秸稈過程中需要利用一部分外界的無機氮來維持自身生命活動，影響土壤氮的固持，降低土壤中無機氮含量。

3.2 不同深度秸稈還田對土壤微生物生物量碳、氮的影響

土壤微生物可以調節多種生物化學反應，如硝化、銨化和固氮等過程，因此，土壤微生物是土壤中最活躍的組分。土壤微生物生物量碳和氮是指示土壤微生物數量和活性的重要指標，也能有效在反映土壤肥力水平[23]。添加秸稈處理的各土層微生物生物量碳和氮顯著高于CK處理。研究表明，秸稈還田對提高土壤微生物生物量碳和氮有積極作用。添加秸稈可以改善土壤水力學特性，提高土壤肥力，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，增加透氣性，使土壤水、肥、氣、熱狀況得到改善，為微生物生存提供了良好的生態環境，促進微生物的生長和繁殖，使土壤微生物量增加[3]；另一方面，秸稈還田向土壤中輸送了大量的有機碳和氮素，為土壤微生物生命活動營造了良好的生態環境，提供了豐富的碳源和氮源，從而促進了微生物的生長繁殖，增加了土壤微生物數量使微生物種群朝多樣化方向發展。本研究表明，T10處理和T20處理與其它處理相比增幅較高，尤其T10處理效果最佳，可能是該層土壤透氣性好，干濕交替頻繁，適宜于好氣性微生物生長[5]；而T0處理和T30處理的微生物生物量碳和氮含量較低的原因是秸稈表層覆蓋還田導致秸稈腐解速率較慢，微生物活性降低[18]，30 cm秸稈還田深度土壤孔隙度較低，水氣熱條件較差，微生物活動緩慢[5]。土壤微生物生物量碳氮比能夠反映土壤供氮能力，比值越低，土壤生物活性越強，氮素損失越少。添加秸稈處理的各土層土壤微生物生物量碳氮比較CK處理均有顯著下降，其中T10處理和T20處理與其它處理相比下降最多，說明10 cm秸稈還田和20 cm秸稈還田處理中土壤氮素有效性較高，秸稈還田可以提高土壤氮素利用率。由于土壤微生物生物量碳氮比與土壤微生物種類和數量密切相關，秸稈可以為微生物活動提供豐富的資源，為微生物生存提供適宜的環境，使土壤微生物群落結構完善，種群多樣性發展，從而使土壤微生物量碳氮比降低[12]；秸稈碳氮比較高，且其它處理土壤透氣性和水熱條件比10和20 cm秸稈還田處理差，抑制了土壤微生物活性，因此10和20 cm秸稈還田處理土壤微生物生物量碳氮比下降較多。由不同深度秸稈還田各處理主成分得分表可知，T10處理和T20處理土壤有機質、氮素和微生物生物量碳氮含量水平較高，尤其T10處理最高，說明秸稈還田在一定程度可以培肥地力，對土壤改良起著積極的作用。

4 結 論

(1) 秸稈還田處理可以增加土壤有機質、全氮和硝態氮含量，降低土壤銨態氮含量，土壤微生物生物量碳、氮含量顯著高于不添加秸稈處理，土壤微生物生物量碳氮比下降，提高土壤氮素水平，有效地改善土壤水土保持環境。

(2) 主成分分析表明，在10和20 cm深度秸稈還田對土壤有機質、氮素和微生物生物量碳和氮含量的提高具有明顯的作用，尤其10 cm秸稈還田對土壤性質的改良效果最為顯著。