有機物料還田土壤碳、氮及微生物量動態影響研究

谷月， 吳景貴

（吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

有機物料是指農業生產、農產品制作加工、畜禽養殖等人類活動產生的各類富含有機質的物質總稱。近年來，有機物料的數量急劇上升，由于有機物料中富含碳、氮、磷、鉀及多種微量元素，處理不當會造成嚴重的環境污染。因此,有機物料的回收利用刻不容緩[1]。有機物料可提高土壤有機質、改善土壤結構，是農業生產中改良土壤性質的有效措施之一[2-3]。研究表明，有機物料還田可以穩定土壤孔隙結構，促進水分入滲，增加土壤團聚體穩定性，促進有機質積累[4-6]。由于土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）含量在短期內變化較小，因此，具有靈敏、周轉速率更快等特點的土壤微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）被廣泛用來反映土壤肥力變化[7]。研究表明，秸稈還田有助于土壤微生物量碳、氮含量的增加[8-9]。但對于物料還田后，土壤微生物量在玉米生育期內含量的變化在不同研究中呈現出不同的結果，吳榮美等[10]發現，秸稈還田后表層土壤微生物量呈現出先上升后持續下降的趨勢；賈會娟[11]發現施用秸稈后，土壤微生物量在玉米生育期內呈先上升后下降再略微回升的趨勢，且成熟期較種植前期有所增加；而薛菁芳等[12]和于樹等[13]研究發現，土壤微生物量的變化趨勢呈先上升后下降再上升再下降的波動變化。因此，本研究擬探究不同類型有機物料還田后對土壤碳、氮含量的動態影響。除此之外，目前的研究主要為單一地膜覆蓋或單一滴灌技術下施用有機物料[14-15]，而覆膜滴灌技術是結合了地膜覆蓋以及滴灌的優點形成的一套完善的灌溉技術，適宜多種農作物[2]。因此，本研究將覆膜滴灌技術與有機物料耦合在一起，觀測物料還田對土壤碳、氮的增加效應。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

試驗于內蒙古自治區興安盟扎賚特旗圖牧吉鎮（E 123°00′，N 46°17′）進行，該地屬于半干旱地區。年平均氣溫3.24℃，年降雨量300～400 mm，年平均日照時數2 592 h，年太陽輻射總量5 362.46 MJ·m-2，≥10℃有效積溫2 700～3 300℃，無霜期120～140 d。供試土壤為栗鈣土，土壤基本理化性質詳見表1。

表1 試驗地基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the test

1.2 試驗設計

試驗于2019年4月進行，分別設置施用玉米秸稈（maize straw,MS）、牧草（forage grass,FG）和羊糞（sheep manure,SM），以不施用外源物為空白對照（CK）。羊糞來源于內蒙古圖牧吉鎮養羊場，以綿羊為主；秸稈為玉米秸稈；牧草來源于扎賚特旗牧場，以羊草為主。不同物料基本化學性質見表2。根據等碳原則（依據秸稈還田碳量）施入，其中，秸稈 1.36萬 kg·hm-2，牧草 1.68萬 kg·hm-2，羊糞3.18萬kg·hm-2。將秸稈和牧草粉碎、羊糞腐熟后進行還田；在大壟行間0～30 cm進行開溝施入物料后覆土。采用隨機區組設計，每處理3次重復。各重復小區面積均為5 m×10 m，采用機械化覆膜滴灌的栽培方式，所用地膜為白地膜，厚8μm，寬80 cm。玉米種植密度均為6.75萬株·hm-2，各處理除添加物料外，均配施化肥，于播種前期施用二胺（N 64%）37.5 kg·hm-2作為口肥；施用450 kg·hm-2的復合肥（N-P-K=15-15-15）作為底肥；分別在玉米的拔節期、大喇叭口期、抽雄前期使用尿素（N 46%）90 kg·hm-2作為追肥（共270 kg·hm-2）。

表2 不同來源有機廢棄物的基本性質Table 2 Basic properties of agricultural waste materials from different sources

1.3 項目測定及方法

1.3.1 樣品采集 分別于播種后30（苗期）、60（拔節期）、90（大喇叭口-抽雄期）、120（灌漿期）和150 d（成熟期）按“S”形5點取樣法采集玉米生育期內0—20 cm土層土壤樣品，混合后去除作物殘渣和碎石，分成2份：一份過2 mm篩，于4℃保存，用于測定土壤微生物量碳、土壤微生物量氮；另一份風干后磨碎，過0.25 mm篩，用于測定土壤有機碳及全氮含量。

1.3.2 指標測定 土壤養分含量測定采用常規分析方法[16]，木質素和纖維素的測定采用范氏酸性洗滌劑法[17]，土壤MBC、MBN測定采用氯仿熏蒸浸提法[18]，并計算土壤微生物碳熵（quotient of microbial biomass carbon，qMBC）、土壤微生物氮熵（quotient of microbial biomass nitrogen，qMBN）和土壤代謝熵（soil metabolic quotient，qCO2）[18]。

1.4 數據分析

采用Excel 2016、SPSS 21.0及Origin2017進行數據處理和作圖，采用一般線性模型進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同有機物料還田對SOC、TN的影響

在玉米生育期內不同處理SOC含量如圖1所示，隨著玉米生育進程，土壤中SOC含量呈遞增趨勢。與對照相比，施用有機物料增加了SOC含量，表現為SM＞MS＞FG。在播種后60 d時，SM和MS處理顯著高于FG和CK處理；在播種后90 d，SM處理顯著高于FG和CK處理；在播種后120 d時，SM處理顯著高于MS、FG和CK處理。相同物料施用條件下，不同時期SOC含量不同，與播種后30 d相比，播種后150 d時FG處理SOC含量增加10.9%、MS處理增加9.1%、SM處理增加12.8%、CK增加4.4%。

圖1 不同處理土壤有機碳含量Fig.1 SOC contents of different treatments

在玉米生育期內不同來源有機物料下土壤TN含量如圖2所示。試驗初始時，土壤TN含量為1.18 g·kg-1（表1），施用有機物料后，土壤TN含量在玉米生育期內均高于CK。SM處理土壤TN含量在各生育期均為最高，在播種后60 d時顯著高于FG和CK處理；在播種后120 d時顯著高于CK；在播種后150 d時顯著高于FG和CK處理。在玉米生育期，SM、MS和CK處理土壤TN含量均呈現先降低后上升的趨勢；FG則呈現先降低再上升再下降的波動趨勢，與播種后30 d相比，SM處理在播種后150 d時的土壤TN含量增加了2.94%。

圖2 不同處理的土壤全氮含量Fig.2 TN contents of different treatments

2.2 不同有機物料還田對MBC、MBN的影響

土壤微生物量碳（MBC）是土壤有機質中較為活躍的部分，其變化可以敏感地反映出土壤有機碳含量的變化。在玉米生育期內施用有機物料后MBC含量如圖3所示。試驗初始時，MBC含量為54.21 mg·kg-1（表1），施用有機物料后土壤MBC含量在各時期均有所增加，表現為MS＞SM＞FG＞CK。隨著玉米的生長發育，MBC含量表現出先升高后降低的趨勢，在播種后90 d時達到峰值，其中，MS處理最高，為118.24 mg·kg-1，且MS處理在不同時期間變幅最大。

圖3 不同處理的土壤微生物量碳含量Fig.3 MBC contents of different treatments

不同處理在玉米生育期內土壤MBN含量如圖4所示。試驗初始時，土壤MBN含量為11.35 mg·kg-1（表1），施用有機物料后，各處理土壤MBN含量均有所增加，表現為MS＞SM＞FG＞CK。土壤MBN含量在玉米生育期內先增高后降低，在播種后90 d時達到峰值，其中，MS處理最高，為41.21 mg·kg-1，且MS處理在不同時期的土壤MBN變幅最大。

圖4 不同來源有機物料下土壤的微生物量氮含量Fig.4 MBN content of organic materials from different sources

2.3 不同有機物料還田對MBC/MBN、qMBC及qMBN的影響

與CK處理相比，在玉米生育期內施用有機物料后MBC/MBN值降低，降幅為2.19～7.22。隨著玉米的生長生育，CK處理的MBC/MBN值先升高后降低再升高；而FG、SM、MS處理呈現先下降后上升的趨勢，且各處理間的差異逐漸減弱。玉米生育期內，土壤qMBC值的變化如表3所示，各處理qMBC為0.42%～0.78%。與CK相比，有機物料還田均在不同程度上增加了土壤qMBC。隨著玉米的生長發育，各處理qMBC均表現為先升后降，在播種后90 d時qMBC值達到峰值，其中，播種后30～150 d，MS處理的增幅最大，為11.76%。各處理土壤qMBN值為0.98%～5.99%（表3），各處理均呈先升后降的趨勢，在播種后60 d時達到峰值；MS處理在各時期的qMBN值均高于其他處理，在播種后30～150 d，qMBN增加6.95%。

表3 不同有機物料還田下土壤微生物量碳氮比、qMBC及qMBNTable 3 Soil microbial biomass carbon to nitrogen ratio，qMBC and qMBN under different organic materials returned to the field

2.4 不同有機物料還田對土壤代謝熵（qCO2）的影響

土壤代謝熵（qCO2）反映了土壤微生物對碳源的利用效率，其值越大說明微生物對土壤有機質分解時將更多碳分配于呼吸作用，導致其對碳源的利用效率降低。由表4可知，播種后30 d時，MS處理土壤qCO2值較高；60～120 d時，CK處理較高；150 d時，MS處理較高；但不同處理間差異均不顯著（P＞0.05）。

表4 不同處理的土壤代謝熵Table 4 Soil qCO2 of different treatments

2.5 不同有機物料還田各指標之間相關性分析

由表5可知，土壤SOC與TN呈極顯著正相關；MBC與MBN、qMBC以及qMBN呈極顯著正相關，與MBC/MBN呈極顯著負相關；MBN與qMBC、qMBN呈極顯著正相關，與MBC/MBN呈極顯著負相關；MBC/MBN與qMBC、qMBN呈極顯著負相關；qMBC與qMBN呈極顯著正相關。盡管SOC和TN與MBC和MBN相關不顯著，但卻存在正效應，即物料還田為微生物提供了充足的碳、氮元素，提高了MBC、MBN含量，與前人研究結果一致[19-20]。

表5 土壤微生物量碳氮與土壤有機碳、全氮的相關性分析Table 5 Correlation analysis of soil microbial biomass carbon and nitrogen with soil organic carbon and total nitrogen

3 討論

有機物料含有作物生長需要的營養元素，還田后在微生物的作用下釋放，增加土壤養分。本研究探討了有機物料還田后土壤SOC、TN、MBC、MBN、MBC/MBN、qMBC、qMBN以及qCO2在玉米生育期內的變化趨勢，結果表明，與CK相比，有機物料還田增加了SOC含量；3種物料中，SM較FG和MS效果更優，可能是由于有機物料的不同來源以及腐解周期的長短影響了土壤有機碳含量[21]。SM分解周期短，在短時間內使得土壤中較小的顆粒膠結成較大粒徑的團聚體，使得碳元素得到物理保護。研究表明，等碳量還田時糞肥對土壤有機碳含量的提升效果好于MS和FG還田[22]。

除SOC外，有機物料還田還能增加土壤TN含量。在3種有機物料中，SM還田效果最優。有機物料進入土壤后，在微生物的作用下腐解，為土壤補充氮素，提高土壤中全氮含量。研究表明，玉米在不同生育階段對養分的需求量存在較大差異，如在快速生長和生殖生長期，根系會吸收大量氮素以滿足植株生長需求，從而導致土壤TN含量下降；而當生長停止時，對土壤氮素需求量較小，且在該階段，施入的廢棄物料充分腐解，氮素供應能力趨于平緩[23-24]。本研究結果與前人研究結果一致，土壤TN含量呈現波動變化；而不同物料處理間的差異可能是由于自身物質的組成差異，也可能受氣溫、降水、土壤水熱狀況、微生物等多種因素影響[25]。

有機物料還田顯著增加了土壤MBC、MBN含量，與周元等[26]、Li等[27]研究結果一致。MBC、MBN含量在播種后90 d時達到峰值，一方面可能是由于播種后90 d時的土壤溫度、濕度更適宜微生物的生長和繁殖，有利于碳、氮的固定；另一方面可能是隨著時間的推移，物料腐解速率達到最大，可供微生物利用的碳、氮達到最大量，且微生物數量最多，因此，土壤MBC和MBN含量最高[28]。不同物料處理的土壤MBC和MBN含量存在差異，但差異均不顯著，一方面可能是由于試驗當年的降雨、溫度、濕度等環境條件較好，且試驗采取覆膜滴灌技術，水熱等條件較為穩定，所以土壤微生物活性較為穩定[29]；另一方面可能是由于不同物料釋放碳、氮的速率存在差異，具體原因仍需要進一步探討。

MBC/MBN、qMBC、qMBN能夠有效反映有機物料還田后土壤碳素和氮素的活性變化。MBC/MBN反映了土壤微生物群落的結構信息，一般細菌為 5∶1；放線菌為6∶1[30]。本研究表明，不同處理在玉米各生育期土壤MBC/MBN值為2.19～7.22，說明土壤微生物群落以細菌和放線菌為主。有機物料還田處理的MBC/MBN值低于CK，一方面可能是由于作物的生長發育加速了土壤中碳的消耗[31]；另一方面可能是由于外源有機物料的施入增加了土壤中微生物量氮含量，導致MBC/MBN下降。qMBC能夠反映土壤有機質的變化[32]。3種有機物料還田后，SM處理的qMBC和qMBN值低于其他物料還田，說明SM不易被土壤中微生物利用，更多的以SOC、TN含量貯存在土壤中；MS處理的qMBC和qMBN值高于其他物料還田，說明MS被微生物利用后，更多的以活性微生物量有機質在土壤中積累。

土壤代謝熵（qCO2）能夠反映微生物的活性，是聯系微生物活性、生物有機質以及微生物功能的紐帶[33]。在生育中期（播種后60～120 d），CK處理的土壤代謝熵最高，可能是由于物料的加入，一方面改善了土壤結構和通氣透水的性能[34]，使土壤微生物的群落組成和酶活性發生變化[35-37]；另一方面，有機物料腐解物具有表面積大、疏松多孔等特征，易與土壤形成團聚體，將土壤有機質保護起來，降低微生物的利用率[38]。