秸秆还田对棉田土壤微生物和土壤呼吸速率的影响

李金埔+王双磊+张美玲+聂君君+刘艳惠+宋宪亮+孙学振

摘要：通过基质诱导呼吸法和CO2释放量法研究了棉花秸秆还田对棉田土壤微生物生物量碳、土壤微生物活性和土壤呼吸速率的影响。结果表明，棉花秸秆还田提高了土壤微生物生物量碳含量，不同年份和土层土壤微生物生物量碳含量的变化趋势有所不同，两年试验结果0～20 cm土层除2012年8月和9月份外其它时期和20～40 cm土层除2013年8月份外其余时期土壤微生物生物量碳的含量均是秸秆还田显著高于秸秆未还田，而40～60 cm土层差异均未达显著水平。土壤微生物活性在不同年份和不同土层，除20～40 cm 2013年4月和9月份以及40～60 cm土层的2013年5月和8月份差异未达显著水平外，其它时期秸秆还田均显著高于未还田处理。秸秆还田提高了土壤呼吸速率，不同年份和不同土层，除20～40 cm的2012年9月份和2013年6月份以及40～60 cm土层的2012年6月份、2013年5月份差异未达显著水平外，其它时期秸秆还田均显著高于未还田处理。

关键词：棉花；秸秆还田；土壤微生物；生物量碳；土壤呼吸速率

中图分类号：S158.5文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）09-0069-05

秸秆还田能改变土壤的水分、温度和空气等环境条件，从而导致土壤物理化学和生物学性状的变化。秸秆还田是最普遍采用的农业生产方式之一， 其对土壤呼吸有着重要的影响，是现在和今后秸秆资源利用的主要途径[1，2]。土壤微生物在有机质分解和养分循环以及植物养分利用的过程中发挥着十分关键的作用[3，4]。微生物生长和死亡的交替过程也就是土壤养分固定和释放的过程，微生物生物量的大小可以表明微生物代谢活动的强弱[5]。土壤微生物生物量是植物生长所需养分和土壤养分贮存库的重要来源[6，16]， 同时是反映土壤变化的重要指标，受种植方式和农业管理措施的影响很大[7，8]。土壤结构和有机质转化也影响土壤微生物活性[17]。但现在应用微生物指标的主要困难在于不了解土壤与土壤生物群落特性和结构间的关系，对具体指标好坏的标准也并不特别清楚[9]。当前国内外对土壤微生物的研究主要集中于耕作方式、培肥措施等方面[10，11]，不同耕作方式对土壤改变程度不同，形成了各不相同的土壤环境，可能会造成土壤呼吸和微生物量的不同。目前对小麦、水稻、玉米等作物秸秆还田的研究较多，并且推广面积大，而棉花作为主要的经济作物，秸秆还田的推广应用面积还很有限，特别是关于棉花秸秆还田对棉田土壤微生物影响的研究更少。因此，本试验设计秸秆还田和秸秆不还田两个处理，来探讨秸秆还田对棉田土壤微生物的影响，从而为棉花秸秆还田大面积推广应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料与设计

试验于2012～2013年在德州市经济开发区进行。供试棉花品种为德农09068，自2010年棉花收获后开始秸秆还田，选择总面积6 300 m2地力水平一致的地块，一半进行秸秆还田（秸秆粉碎后旋耕），一半拔除棉柴，其它田间管理操作一致，次年棉花收获后重复上年田间操作。分别于2012、2013年春季开始，每处理设3次重复进行田间取样。

1.2取样方法

在棉花不同生育期（4、5、6、7、8、9月）取行间土样，分0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm三个层次。每小区取三点，取样时去掉表层杂质，立即放入冰盒带回，在实验室分类别混匀后，用四分法取样，按不同试验要求处理土样。

1.3测定项目与方法

1.3.1基质诱导呼吸法测定土壤微生物生物量碳取2 g鲜土加入0.025 g滑石粉和10 mmol/g葡萄糖溶液5 mL，在22℃下培养2 h测定CO2呼吸量[7]。

1.3.2CO2释放量法测定土壤微生物活性取3 g鲜土放入280 mL试剂瓶中，22℃下培养24 h后测定CO2呼吸量[12]。

1.3.3CO2释放量法测定土壤呼吸速率取3 g鲜土放入280 mL试剂瓶中，在28℃下培养24 h后测定CO2呼吸量[12]。

以上均用北京分析仪器厂生产的GXH-3051型便携式红外线分析仪测定CO2的产生量，土壤均以干重计算。

2结果与分析

2.1秸秆还田对棉田土壤微生物生物量碳的影响

土壤微生物生物量碳和氮是反映土壤干扰的灵敏的生物学指标，其数量受施肥、耕作等技术措施的影响。因此经常作为土壤对环境响应的指标。从图1可以得出，土壤微生物生物量碳的含量在不同年份均是秸秆还田高于未还田，但不同年份不同土层土壤微生物生物量碳含量的变化趋势不完全一致。0～20 cm土层，2012年8月、9月秸秆还田处理土壤微生物生物量碳与未还田处理比较差异未达显著水平，其余时期秸秆还田处理土壤微生物生物量碳显著高于秸秆未还田处理；2013年各时期秸秆还田处理的土壤微生物生物量碳均显著高于秸秆未还田处理。20～40 cm土层，除2013年8月外其余时期的秸秆还田处理的土壤微生物生物量碳的含量均显著高于秸秆未还田处理。40～60 cm土层，2012年和2013年在棉花所有生育时期土壤微生物生物量碳的含量，秸秆还田处理和未还田处理之间差异不显著。

2.2秸秆还田对棉田土壤微生物活性的影响

土壤微生物活性可以表明土壤中一些特殊种群或整个微生物群落的状况，相同数量的微生物的活性在不同条件下表现出很大差异。由图2可以看出，在不同年份土壤微生物活性均是秸秆还

田高于未还田处理，但不同年份的土壤微生物活性变化趋势不完全一致。0～20 cm土层， 2012年和2013年各个生育时期，秸秆还田土壤微生物活性与秸秆未还田比较差异达显著水平；20～40 cm土层，除2013年4月和9月秸秆还田土壤微生物活性和未还田之间差异未达显著水平外，其余时期，两处理间差异均达显著水平；40～60 cm土层，除在2013年5月和8月两处理间差异未达显著水平外，其余时期秸秆还田处理土壤微生物活性均显著高于未还田处理。endprint

2.3秸秆还田对棉田土壤呼吸速率的影响

土壤呼吸是表征土壤肥力和质量的重要生物学指标，在一定程度上反映了土壤养分的供应和转化能力。由图3可知，土壤呼吸速率在不同年份均是秸秆还田处理高于未还田处理，但不同年份土壤呼吸速率的变化趋势不完全一致。0～20 cm土层，两年的各个生育时期，秸秆还田土壤呼吸速率均显著高于未还田处理； 20～40 cm土层，除2012年9月份和2013年6月份秸秆还田土壤呼吸速率和未还田间差异未达显著水平外，其余生育时期秸秆还田土壤呼吸速率均显著高于未还田处理； 40～60 cm土层，除2012年6月份和2013年5月份秸秆还田土壤呼吸速率和未还田间差异未达显著水平，其余各时期，秸秆还田处理土壤呼吸速率均显著高于秸秆未还田。

3讨论与结论

3.1土壤微生物生物量碳是土壤养分很重要的来源，微生物对有机碳的利用率越高，维持相同微生物量所需的能量就越少，说明土壤环境有利于生物和作物的生长[13]。无论是小麦秸秆还是玉米秸秆还田后都可以提高土壤微生物生物量碳的含量， 因为秸秆还田改善土壤理化性质的同时增加了土壤有机质的含量， 为土壤微生物的生长繁殖提供了良好的环境[14]。本研究结果表明，秸秆还田提高了土壤微生物生物量碳的含量，2012年和2013年土壤微生物生物量碳的含量变化趋势有所不同，主要原因可能是土壤微生物生物量碳的含量除主要受土壤有机质含量的影响，还受气候条件的影响，两年试验的8月份土壤微生物生物量碳含量的降低可能与该时期有机质含量降低有关，也与该时期降水增多导致土壤含水量升高而不利于土壤微生物量碳的转化有关。

3.2秸秆还田提高了土壤微生物活性。2012年土壤微生物活性在7月份达到最大值，8月份达到最小值；2013年土壤微生物活性在6月份达到最大值，8月份达到最小值。其原因可能在于2012年降水主要集中在8月份，而2013年7月和8月份降水均较多，降水导致的土壤环境变化而不利于土壤微生物的繁殖。

3.3陈锡时等[15]研究表明，土壤空气中CO2浓度随植株生育阶段呈规律性变化。本研究表明，秸秆还田显著提高了土壤呼吸速率，但是土壤呼吸速率的变化趋势与植株生育变化趋势并不一致，这说明对植株生长发育的影响条件与对土壤呼吸速率的影响条件并不完全一致。土壤呼吸包括土壤中含碳物质化学氧化过程和土壤无脊椎动物呼吸、土壤微生物呼吸以及植物根系呼吸，秸秆还田引起的土壤呼吸改变的时间效应仍需要更深入的研究，而关于土壤呼吸的影响因素也有待于进一步研究。

参考文献：

[1]Doran J W， Parkin T B. Defining soil quality for a sustainable environment[J].Soil Biology and Biochemistry， 2001，35：3-22.

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[5]王志明，朱培立，黄东迈，等. 秸秆碳的田间原位分解和微生物量碳的周转特征[J]. 土壤学报，2003，40（3）：446-453.

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[8]刘文娜，吴文良，王秀斌，等. 不同土壤类型和农业用地方式对土壤微生物量碳的影响[J].植物营养与肥料学报，2006，12（3）：406-411.

[9]任天志， Stefano G. 持续农业中的土壤微生物指标[J]. 中国农业科学， 2000，33（1）：68-75.

[10]孙瑞莲，朱鲁生，赵秉强，等.长期施肥对土壤微生物的影响及其在养分调控中的作用[J].应用生态学报，2004，15（10）：1907-1910.

[11]张娟，沈其荣，蔡相鲁，等. 预处理秸秆与氮肥配施对两种土壤微生物量碳、氮动态变化的影响[J]. 山东农业科学，2009（6）： 82-85，108.

[12]高云超，朱文珊，陈文新. 秸秆覆盖免覆耕土壤细菌和真菌生物量与活性的研究[J]. 生态学杂志， 2001（2）：30-36.

[13]赵庆龙，张美玲，李宗泰，等.蒜棉麦棉套作对棉田土壤微生物生物量碳及活性的影响[J].山东农业科学，2011（10）：51-53，69.

[14]孟凡乔， 吴文良， 辛德惠. 高产农田土壤有机质、养分的变化规律与作物产量的关系[J]. 植物营养与肥料学报， 2000，6（4）：370-374.

[15]陈锡时，郭树凡，汪景宽，等.地膜覆盖栽培对土壤微生物种群和生物活性的影响[J].应用生态学报，1998，9（4）：435-439.

[16]Spedding T A，Hamel C，Mehuys G R，et al. Soil microbial dynamics in maize-growing soil under different tillage and residue management systems[J]. Soil Biology and Biochemistry，2004，36（3）：499-512.

[17]Garcia C， Hemandez T， Costa F. Microbial activity in soil under Mediterranean environmental conditions[J]. Soil Biology and Biochemistry，1994，26（9）：1185-1191.endprint

2.3秸秆还田对棉田土壤呼吸速率的影响

土壤呼吸是表征土壤肥力和质量的重要生物学指标，在一定程度上反映了土壤养分的供应和转化能力。由图3可知，土壤呼吸速率在不同年份均是秸秆还田处理高于未还田处理，但不同年份土壤呼吸速率的变化趋势不完全一致。0～20 cm土层，两年的各个生育时期，秸秆还田土壤呼吸速率均显著高于未还田处理； 20～40 cm土层，除2012年9月份和2013年6月份秸秆还田土壤呼吸速率和未还田间差异未达显著水平外，其余生育时期秸秆还田土壤呼吸速率均显著高于未还田处理； 40～60 cm土层，除2012年6月份和2013年5月份秸秆还田土壤呼吸速率和未还田间差异未达显著水平，其余各时期，秸秆还田处理土壤呼吸速率均显著高于秸秆未还田。

3讨论与结论

3.1土壤微生物生物量碳是土壤养分很重要的来源，微生物对有机碳的利用率越高，维持相同微生物量所需的能量就越少，说明土壤环境有利于生物和作物的生长[13]。无论是小麦秸秆还是玉米秸秆还田后都可以提高土壤微生物生物量碳的含量， 因为秸秆还田改善土壤理化性质的同时增加了土壤有机质的含量， 为土壤微生物的生长繁殖提供了良好的环境[14]。本研究结果表明，秸秆还田提高了土壤微生物生物量碳的含量，2012年和2013年土壤微生物生物量碳的含量变化趋势有所不同，主要原因可能是土壤微生物生物量碳的含量除主要受土壤有机质含量的影响，还受气候条件的影响，两年试验的8月份土壤微生物生物量碳含量的降低可能与该时期有机质含量降低有关，也与该时期降水增多导致土壤含水量升高而不利于土壤微生物量碳的转化有关。

3.2秸秆还田提高了土壤微生物活性。2012年土壤微生物活性在7月份达到最大值，8月份达到最小值；2013年土壤微生物活性在6月份达到最大值，8月份达到最小值。其原因可能在于2012年降水主要集中在8月份，而2013年7月和8月份降水均较多，降水导致的土壤环境变化而不利于土壤微生物的繁殖。

3.3陈锡时等[15]研究表明，土壤空气中CO2浓度随植株生育阶段呈规律性变化。本研究表明，秸秆还田显著提高了土壤呼吸速率，但是土壤呼吸速率的变化趋势与植株生育变化趋势并不一致，这说明对植株生长发育的影响条件与对土壤呼吸速率的影响条件并不完全一致。土壤呼吸包括土壤中含碳物质化学氧化过程和土壤无脊椎动物呼吸、土壤微生物呼吸以及植物根系呼吸，秸秆还田引起的土壤呼吸改变的时间效应仍需要更深入的研究，而关于土壤呼吸的影响因素也有待于进一步研究。

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2.3秸秆还田对棉田土壤呼吸速率的影响

土壤呼吸是表征土壤肥力和质量的重要生物学指标，在一定程度上反映了土壤养分的供应和转化能力。由图3可知，土壤呼吸速率在不同年份均是秸秆还田处理高于未还田处理，但不同年份土壤呼吸速率的变化趋势不完全一致。0～20 cm土层，两年的各个生育时期，秸秆还田土壤呼吸速率均显著高于未还田处理； 20～40 cm土层，除2012年9月份和2013年6月份秸秆还田土壤呼吸速率和未还田间差异未达显著水平外，其余生育时期秸秆还田土壤呼吸速率均显著高于未还田处理； 40～60 cm土层，除2012年6月份和2013年5月份秸秆还田土壤呼吸速率和未还田间差异未达显著水平，其余各时期，秸秆还田处理土壤呼吸速率均显著高于秸秆未还田。

3讨论与结论

3.1土壤微生物生物量碳是土壤养分很重要的来源，微生物对有机碳的利用率越高，维持相同微生物量所需的能量就越少，说明土壤环境有利于生物和作物的生长[13]。无论是小麦秸秆还是玉米秸秆还田后都可以提高土壤微生物生物量碳的含量， 因为秸秆还田改善土壤理化性质的同时增加了土壤有机质的含量， 为土壤微生物的生长繁殖提供了良好的环境[14]。本研究结果表明，秸秆还田提高了土壤微生物生物量碳的含量，2012年和2013年土壤微生物生物量碳的含量变化趋势有所不同，主要原因可能是土壤微生物生物量碳的含量除主要受土壤有机质含量的影响，还受气候条件的影响，两年试验的8月份土壤微生物生物量碳含量的降低可能与该时期有机质含量降低有关，也与该时期降水增多导致土壤含水量升高而不利于土壤微生物量碳的转化有关。

3.2秸秆还田提高了土壤微生物活性。2012年土壤微生物活性在7月份达到最大值，8月份达到最小值；2013年土壤微生物活性在6月份达到最大值，8月份达到最小值。其原因可能在于2012年降水主要集中在8月份，而2013年7月和8月份降水均较多，降水导致的土壤环境变化而不利于土壤微生物的繁殖。

3.3陈锡时等[15]研究表明，土壤空气中CO2浓度随植株生育阶段呈规律性变化。本研究表明，秸秆还田显著提高了土壤呼吸速率，但是土壤呼吸速率的变化趋势与植株生育变化趋势并不一致，这说明对植株生长发育的影响条件与对土壤呼吸速率的影响条件并不完全一致。土壤呼吸包括土壤中含碳物质化学氧化过程和土壤无脊椎动物呼吸、土壤微生物呼吸以及植物根系呼吸，秸秆还田引起的土壤呼吸改变的时间效应仍需要更深入的研究，而关于土壤呼吸的影响因素也有待于进一步研究。

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