楊釗 尚建明 陳玉梁

摘要：在隴東黃土高原較為貧瘠的土壤依托定位試驗，研究不同秸稈還田年限對土壤理化特性及微生物的影響。結果表明，秸稈還田能夠顯著提升土壤的貯水能力，降低土壤容重及增加土壤孔隙度，改善土壤的結構，同時還能增加土壤有機碳的含量，對較深耕層土壤有良好的改良效果。秸稈還田能增加0～30 cm耕層土壤的微生物數量，且隨著還田年限的增加，顯著改善土壤微生物群落結構。

關鍵詞：秸稈還田;玉米;土壤;理化性狀;微生物數量

中圖分類號：S156 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2019）01-0013-08

Abstract：The effects of different straw returning years on soil physical and chemical properties and microorganism were studied in the lean soil of the loess plateau in East Gansu. The results showed that straw returning can significantly improve soil water storage capacity， decrease soil bulk density， increase soil porosity， improve soil structure， and increase soil organic carbon content， which has a good effect on deep surface soil. Straw returning can increase the microbial population of surface soil by 0～30 cm， and significantly improve the microbial community structure in soil with the increase of the years of returning.

Key words：Straw returning to field;Corn;Soil;Physical and chemical properties;Microbial quantity

我國部分地區(qū)由于受到資金、技術和地理環(huán)境等條件的困擾，長期以來對作物秸稈沒有形成專業(yè)化、產業(yè)化的處理模式而使其充分利用。秸稈還田后，在土壤微生物及土壤中的微小動物等的活動作用下分解并釋放大量的礦質養(yǎng)分，提高土壤有機質和N、P、K等元素的儲量，同時大量秸稈的施入又能夠改善土壤結構，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤中微生物活性，是改土培肥的重要措施。有關秸稈還田與化肥配施、不同秸稈還田量和秸稈還田深度等對土壤物理性狀、肥力和生物特性的研究很多[1 - 4 ]，但大多數在探究短期秸稈還田和不同耕作措施下土壤性質的變化，對于長期秸稈還田的研究較少，特別是長期秸稈全量還田條件下土壤結構、微生物群落結構研究還不系統(tǒng)。我們依托甘肅農業(yè)大學平涼玉米育種試驗站的長期定位試驗，對長期秸稈全量還田條件下土壤含水量、容重、孔隙度、微生物數量進行探討，旨在揭示長期全量秸稈還田下土壤保水性、土壤結構、土壤微生物群落結構的變化機制，以期緩解黃土高原土壤水肥流失嚴重的情況，為該區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展及秸稈還田技術的推廣提供參考。

1 ? 材料和方法

1.1 ? 試驗區(qū)概況

試驗設在甘肅農業(yè)大學平涼玉米育種試驗站（106° 25′E，35° 24′ N）的長期秸稈全量還田的定位實驗田。海拔1 170 m，年平均降水量600 mm左右，無霜期163 d，土壤類型為黃綿土?！?0 ℃年積溫2 862.8 ℃，年均溫9.4 ℃，屬于季風性大陸型氣候。試驗地土壤具有土質綿軟、均勻以及土層深厚等特點。試驗區(qū)設有2002、2005、2008年玉米秸稈全量還田試驗田和未還田對照試驗。在2001年秸稈還田處理前，測得土壤0～40 cm土層含有機質10.85 g/kg、全氮0.86 g/kg、全磷1.76 g/kg、速效氮55.37 mg/kg、速效磷21.8 mg/kg、速效鉀203.35 mg/kg，容重1.26 g/cm3，pH為8.73。

1.2 ? 供試材料

指示作物為玉米，品種為富農588號。

1.3 ? 試驗方法

試驗為西北黃土高原半干旱地區(qū)甘肅農業(yè)大學平涼玉米育種試驗點定位實驗。該試驗于2001年10月開始，依托試驗區(qū)2002年、2005年和2008年以來進行連續(xù)全量玉米秸稈（9 800 kg/hm2）還田試驗田，共設4種不同的還田年限處理，分別以未還田（H0）、連續(xù)全量玉米秸稈還田9 a（H9）（2008 — 2016年）、連續(xù)全量玉米秸稈還田12 a（H12）（2005 — 2016年）、連續(xù)全量秸稈還田15 a（H15）（2002 — 2016年）的玉米田為研究對象。采用寬行0.6 m、窄行0.4 m，行長10 m，密度為5.25萬株/hm2的方式種植。各處理均施尿素150 kg/hm2、普通過磷酸鈣150 kg/hm2，3次重復，小區(qū)面積50 m2，隨機區(qū)組設計。各還田處理玉米收獲后，在“立冬”前利用機械將玉米秸稈全部粉碎成小段后覆蓋于地表，春季播種前結合整地將秸稈旋耕翻埋入土。每年4月下旬播種，其他管理同一般大田。2016年玉米主要生育期進行土壤樣品采集和田間數據測定。

1.4 ? 土壤理化指標及微生物數量的測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定[5 ]，土壤水分采用烘干法測定[6 ]。

土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[7 ]。即稱取風干土樣0.5 g于硬質試管中，加入10 mL重鉻酸鉀硫酸溶液后，將試管放入180 ℃的油浴鍋內加熱5 min，冷卻后加入指示劑（12滴）至變?yōu)樽丶t色時停止，用標準0.2 N硫酸亞鐵滴定至暗綠色時達到滴定終點，根據用量進行計算。

土壤微生物數量采用稀釋平板法，細菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和改良高氏I號培養(yǎng)基進行培養(yǎng)。在30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，細菌2 d 、真菌5 d、放線菌7 d計數[8 ]。

1.5 ? 數據處理

所有數據處理均使用Excel 2003和SPSS 19.0軟件進行相關性、顯著性分析。

2 ? 結果與分析

2.1 ? 長期秸稈還田對耕層土壤含水量的影響

水分是影響作物生產的重要限制子之一，土壤水分直接影響著作物產量的高 ? ? 低[9 ]。由圖1可以看出，長期秸稈還田對土壤水分有較大的影響，各生育期土壤含水量表現出隨著還田年限的延長而逐漸升高的趨勢。在0～50 cm土層中，土壤含水量總體表現出表層含水量較低，隨著耕層加深含水量逐漸升高，其中20～40 cm土層區(qū)間內達到最高，然后含水量又有所下降;在0～20 cm耕層處理間變化幅度小，主要是因該層土壤結構差異性較小，且該層土壤易受到外界環(huán)境的影響。20～40 cm土層土壤含水量隨著耕層深度的增加而逐漸增大，主要是因為該層是玉米根系分布的主要層次。

從圖1還可以看出，土壤含水量隨著玉米生育期的推進而發(fā)生變化。播種期由于在入冬前將秸稈全量粉碎后敷在地表，相當于在地表覆蓋了保水層，能夠阻止水分的蒸發(fā);另外，在初春時對秸稈淺耕翻入土壤，能夠有效的阻止水分的下滲，因此土壤含水量較高?？梢?，秸稈還田能夠有效的提高各土層土壤含水量，并且為土壤水分貯存發(fā)揮了一定的作用。

2.2 ? 長期秸稈還田對土壤容重的影響

土壤容重可以反映土壤質地、結構狀況以及腐殖質含量的高低，其值大小與根系的穿透力、土壤含水量和通透性，以及水分利用效率有密切的關系。對于玉米來說，土壤容重過大，根系的生長發(fā)育緩慢，影響根系對水分及土壤中養(yǎng)分的吸收和運移，進而影響地上部分的生長發(fā)育。由圖2可知，0～50 cm土層的土壤容重為1.24～1.57 g/cm3，各處理的土壤容重均表現為還田土壤低于未還田土壤，由大到小依次為H0、H9、H12、H15，0～20 cm土層各個處理間的土壤容重差異不顯著。而20～50 cm土層隨著還田年限的增加較對照均呈減少的趨勢。H15土壤容重在1.24～1.43 g/cm3變化，且在10～20、20～30、30～50 cm土層中H15相較于H0分別下降了3.44%、11.14%、9.04%;H12土壤容重在1.24～1.44 g/cm3變化，在各土層中H12相較于H0分別下降3.18%、11.02%、8.39%;H9土壤容重在1.26～1.45 g/cm3變化，在各土層中H9相較于H0分別下降2.88%、9.64%、8.01%;H0在1.27～1.57 g/cm3變化。由于H0處理存在耕作的關系，因此在0～10 cm土層中與各處理之間的土壤容重變化不明顯，但隨著深度的增加其容重值達到1.52～1.57 g/cm3。

2.3 ? 長期秸稈還田對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度是土壤物理性質的重要組成部分，它能夠反映土壤的松緊程度，其大小決定著土壤與外界環(huán)境之間的物質與能量的交換，土壤孔隙度過大或過小都不利于作物根系對土壤養(yǎng)分、水分等營養(yǎng)物質的吸收。由圖3可以看出，隨著還田年限的增加，土壤的孔隙度呈增加趨勢，由大到小依次為H15、H12、H9、H0。但各土層情況不同，在0～10 cm表層土壤中，各處理土壤孔隙度變化不明顯，這是由于秸稈還田方式是全量粉碎覆蓋地表，在播前采用淺耕翻入土壤。隨著土層的加深，其孔隙度呈現減小的趨勢，這與日常生產中的耕層上松下緊的情況相符，因為上層土壤進行過不同方式的耕作，而下層未進行耕作，因此表現為上松下緊。秸稈全量還田處理對其孔隙度的差異主要表現在20～50 cm土層中，由大到小依次表現為H15、H12、H9、H0，其中在20～50 cm土層中，H15土壤孔隙度為44.09%～47.10%，H12土壤孔隙度為43.69%～47.03%，H9土壤孔隙度值為43.45%～46.20%;在20～30、30～50 cm土層中，土壤孔隙度H15較H12分別增加0.15%、0.92%，較H0分別增加16.22%、13.39%;H12較H9分別增加1.80%、0.54%，較H0分別增加16.40%、14.44%;H9較H0分別增加14.19%、12.79%。由此可見，秸稈還田措施能夠有效提高0～50 cm土層土壤孔隙度，這與作物根系和耕作方式密切相關，且隨著還田時間的延長改良效果越明顯。

2.4 ? 長期秸稈還田對土壤有機碳的影響

土壤有機碳是作物生長必須的營養(yǎng)物質，也是土壤微生物活動必不可少的能源物質，能夠表征土壤質量的優(yōu)劣。由圖4可知，土壤有機碳主要在土壤表層富集，且隨著土層的加深，土壤有機碳的含量在逐漸降低。不同還田年限秸稈連續(xù)全量還田處理，可以使0～30 cm土層的有機碳含量較未還田處理呈現顯著增加的態(tài)勢，由大到小表現為H15、H12、H9、H0的特點。說明還田的時間越長，土壤有機碳含量也就越高。在0～10 cm土層中，H15、H12、H9較H0分別增加160.46%、157.62%、150.40%，且各處理間差異達到顯著水平，說明秸稈還田能夠有效的增加耕層的土壤有機碳的含量。隨著土層的加深，在10～20 cm土層中，H15、H12、H9較H0分別增加132.49%、121.09%、121.89%，但H9和H12之間無顯著差異，均與H0有顯著的差異性。在20～30 cm土層中，土壤有機碳含量為6.00～11.56 g/kg，差異進一步縮小，且H15、H12、H9較H0分別增加92.48%、60.39%、52.62%?？梢娊斩掃€田也能改良較深層的土壤，但是有機碳的增加幅度較表層小。同時反映出秸稈還田的改良效果表現為自上而下的趨勢，表層土壤隨著還田年限的增加則改良效果越好。

2.5 ? 不同還田年限對土壤細菌、 真菌、 放線菌的影響

2.5.1 ? ?細菌 ? ?細菌數量被認為是評價土壤肥力的一個生物學標志指標。從表1可以看出，不同年份秸稈還田處理，在0～30 cm土層中土壤細菌數量均有不同程度增加，且隨著還田年限的增加細菌數量呈現增加的趨勢，由大到小表現為H15、H12、H9、H0。同時看出，無論是生育期的變化還是還田年限的變化，都表現為根際細菌的數量遠高于同時期非根際細菌數量，且各處理間呈現顯著的差異變化。從玉米的生育期來看，根際、非根際細菌數量表現為苗期最小，隨著生育期的推進，微生物數量逐漸增加，散粉期各處理細菌數量達到最大，成熟期細菌數量又減少。這反映出作物根系與微生物沒有互作效應，非根際土壤的微生物數量真實的反映了秸稈在土壤中的累積情況對細菌的影響，即還田年限與細菌數量的增加呈正比的關系。

2.5.2 ? ?真菌 ? ?土壤中真菌也是土壤中微生物的重要組成部分之一，它在土壤微生物中的占比很小，僅占0.4%～3.61%，與許多作物病害的病原菌以及土傳病害的發(fā)生有直接關系[10 ]。從表1可以看出，還田處理土壤的真菌數量均高于未還田土壤，且隨著還田處理年限的增加，土壤中真菌數量也在增加，當增加到一定數量后，繼續(xù)增加還田年限反而真菌數量在下降。玉米根際真菌的變化無論在生育期還是在不同的還田年限下均有較大的差異，苗期由于氣溫較低，且作物的根系小且少，幾個還田年限處理下根際真菌數量為5.39～6.08（102）cfu/g，且根際和非根際之間之間的差異不明顯;隨著生育期的推進及土壤和外界環(huán)境溫度等因素的變化，玉米拔節(jié)期、散粉期、成熟期土壤真菌迅速繁殖，表現為真菌數量在隨著生育期的推進而增加，且根際和非根際土壤的差異也在逐漸的增大。

2.5.3 ? ?放線菌 ? ?放線菌在土壤物質循環(huán)中主要是參與降解土壤中的各種不溶性的有機物質，且能夠分解真菌和細菌不能分解的高分子化合物，轉化成有利于植物生長的營養(yǎng)物質，對有機物的礦化有著重要的作用，能凈化環(huán)境，改良土壤。土壤代謝強度的高低與土壤中放線菌的數量的多少有密切的聯系。從表1可以看出，還田處理可顯著增加土壤放線菌的數量，在整個生育期內，還田處理的放線菌數量均高于未還田處理，且隨著還田年限的增加而增加。在玉米同一生育期內，根際、非根際放線菌的數量均隨還田年限呈現增加的趨勢，由大到小表現為H15、H12、H9、H0，但隨著還田年限的延長增加的幅度逐漸變小，說明隨著還田年限的增加土壤放線菌數量逐漸趨于平衡。土壤中根際、非根際放線菌的變化趨勢與細菌變化趨勢基本相似，但是土壤放線菌的數量小于細菌的數量，總體表現為苗期最少，后期隨著生育期的推進及溫度等環(huán)境條件變得更適合放線菌的繁殖，至散粉期達到最大，后又在成熟期降低。

2.5.4 ? ?微生物群落 ? ?土壤微生物結構的變化往往會影響到土壤質量及土壤健康狀況，種群結構的失衡，會導致許多病原菌富集，使作物病害的發(fā)生幾率大大增加，進一步導致作物減產以及土壤質量降低。由表2可知，隨著還田年限的增加，土壤細菌與真菌（B/F）和放線菌與真菌的比值（A/F）逐漸增大，這說明長期秸稈還田能夠有效改善土壤的微生物群體結構，使土壤微生物菌群由肥力低的細菌型土壤向肥力高的細菌型土壤轉變。在玉米不同的生育期，增加的幅度不同。隨著生育期的推進，細菌與真菌比值的增加幅度也在逐漸增大，且在成熟期最大。這主要由于外界環(huán)境適宜以及秸稈腐解為土壤提供了大量的有機質，利于土壤微生物的大量繁殖。放線菌與真菌的比值，在玉米同一生育期內，均表現為隨著還田年限的增加逐漸增大。

3 ? 結論與討論

在隴東黃土高原研究了不同秸稈還田年限對土壤理化特性及微生物的影響，結果表明，秸稈還田能夠顯著提升土壤的貯水能力。在0～50 cm土層中，土壤含水量總體表現先升高后降低趨勢。秸稈還田能降低土壤容重及增加土壤孔隙度，改善土壤結構，同時還能增加土壤有機碳的含量，對較深耕層土壤有良好的改善效果。秸稈還田能增加0～30 cm耕層土壤的微生物數量，且隨著還田年限的增加，顯著改善土壤微生物群落結構。

鄒洪濤等[11 ]在遼西的研究中發(fā)現，秸稈還田能夠顯著的提高耕層土壤的含水量，這與本研究結果一致。本研究發(fā)現，秸稈還田能夠顯著增加耕層土壤的含水量。一是秸稈施入土壤后相當于在土壤中形成了一層保水膜，能夠有效的減少水分的無效散失;二是秸稈施入土壤后與土體混合在一起，破壞了土壤毛線管的連續(xù)性，進而能夠阻斷深層土壤的散失，提高了土壤的含水量;三是減少了土壤與與空氣的接觸面積，從而減少土壤水分的蒸發(fā)。但隨著還田年限的增加，土壤含水量在逐漸增加，且逐漸達到平衡。

土壤容重和孔隙度是土壤物理性質重要的指標。張久明等[12 ]試驗表明，不同方式秸稈還田方式降低了土壤容重，同時提升了土壤孔隙度。本研究表明，長期連續(xù)全量秸稈還田能夠顯著的降低土壤容重，提高土壤的孔隙度，這是因為秸稈具有豐富的有機物質，還田后能夠增加土壤中的有機質，促使土壤中的微生物和微小動物的活動，使土壤孔隙度增大，降低土壤的容重;秸稈還田后并未完全腐解，在土壤中還有秸稈的殘渣，也會導致土壤的容重降低。另外，秸稈在腐解的過程中釋放大量的氣體，在與空氣進行交換的過程中形成孔隙，也可增大土壤孔隙度。但是本研究還發(fā)現，秸稈還田9 a之后，土壤容重和孔隙度增加緩慢，逐漸達到平衡。如果要想繼續(xù)降低土壤容重，提升土壤孔隙度，可能需要實行秸稈還田結合其他的耕作或管理方式，但改良效果還需進一步探究。

土壤有機碳作為土壤有機質的主要成分，能夠有效的反映土壤有機質的動態(tài)變化，直接影響著土壤的緩沖、耕性、保水和保肥等特性，已經成為評價土壤質量重要的一個指標[13 - 15 ]。本研究表明，隨著土層的加深，土壤有機質的增幅也逐漸降低，但還田土壤的有機碳含量均高于未還田土壤。這說明隨著還田年限的增加，土壤的有機質含量在表層富集，且隨著還田年限的增加表層養(yǎng)分的富集越顯著。隨著秸稈還田年限的增加，土壤有機碳的含量逐漸趨于穩(wěn)定，這可能是因為隨著秸稈還田年限的延長，土壤中的有機碳已達到了飽和狀態(tài)。要想打破這種狀態(tài)，還需結合其它的耕作措施進行，比如施肥、水分管理以及傳統(tǒng)的耕作。

細菌、真菌、放線菌作為土壤中的三大微生物類群，它們與土壤中有機質的分解及土壤養(yǎng)分的循環(huán)和轉化有著密切的關系[16 - 18 ]。本研究顯示，無論是根際還是非根際，秸稈還田能夠顯著增加0～30 cm土層中的細菌、真菌和放線菌的數量。除真菌外，細菌和放線菌均表現為隨著還田年限的增加其數量也在增加的趨勢，其中細菌最為突出;其次表現為放線菌，而真菌的增長幅度與秸稈的腐解度有關，即早期秸稈還田能夠迅速增加其真菌數量，當達到一定的還田年限后達到穩(wěn)定甚至略微減少。在玉米生育期，微生物的數量也表現為繁殖的季節(jié)性，其中細菌和放線菌的數量無論是根際還是非根際，均在散粉期達到最大，而在成熟期略有回落。這可能一方面由于隨著氣溫逐漸升高有利于微生物的繁殖，另一方面秸稈還田后經過腐解釋放大量有機質及其營養(yǎng)物質，為微生物繁殖提供了充足的能量。在成熟期略有下降但高于苗期，這可能是由于秸稈腐解進入后期，玉米的生長消耗了土壤中的有機質及其養(yǎng)分，導致微生物所需的營養(yǎng)物質有所減少，玉米下層葉片和根系衰老脫落進入土壤，為微生物的繁殖補充了部分營養(yǎng)與能源物質。

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（本文責編：陳 ? ?偉）

收稿日期：2018 - 08 - 09

作者簡介：楊 ?釗（1990 — ），男，甘肅寧縣人，研究實習員，主要從事作物栽培研究工作。聯系電話：（0）15193195910。Email：475969096@qq.com。