秸秆还田对干旱区滴灌玉米生产及土壤微生物的影响

孟超然，白如霄，杨鹏辉，张皓禹，危常州

(1.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003；2.新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所，新疆塔城 834600)

0 引 言

【研究意义】我国农作物种类繁多，秸秆产量大，据统计，2017年我国秸秆理论总量达到10.2亿吨[1]。但因小规模种植大量存在，缺乏规模化技术等一系列问题[2]，秸秆弃置、焚烧等处理方式普遍存在，资源浪费的同时也造成了环境污染[3]。玉米作为我国第一大粮食作物，播种面积达3.68×107hm2，占所有粮食作物面积的35.23%[4]。玉米秸秆是产量巨大的农作物副产物资源，每年可达3×108t左右。对玉米秸秆还田进行研究可为高效、合理利用这一数量巨大的资源提供科学依据。【前人研究进展】许多研究均表明，玉米秸秆还田能够提高土壤微生物群落功能多样性[5]，是改善和保持耕地土壤健康的有效措施。土壤微生物功能多样性是指土壤微生物群落所能执行的功能范围以及这些功能的执行过程[6]，能够敏感地反映土壤生态环境的变化[7]，土地利用类型、施肥措施、耕作方式、种植年限及时空差异[8-11]等均能对其产生显著影响。土壤微生物功能多样性一方面与还田秸秆类型[5]、还田秸秆量[12]等有显著相关关系，另一方面也很大程度上受到土壤状况如土壤温度、土壤水分、土壤结构的影响[13]。【本研究切入点】目前关于玉米秸秆还田对土壤微生物功能多样性的影响已有很多，但在干旱区滴灌条件下进行的研究相对缺乏。研究秸秆还田对干旱区滴灌玉米生产及土壤微生物的影响。【拟解决的关键问题】在新疆北疆干旱滴灌玉米种植区特殊的气候、水分条件下，研究不同玉米秸秆还田量对土壤微生物功能多样性及玉米生长、产量、品质的影响，为合理秸秆还田提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究于2018年在新疆生产建设兵团第九师一六四团三连进行，该团场位于塔城地区西北部、伊犁哈萨克自治州中部，属于中温带干旱和半干旱气候区，雨量偏少，年平均降水量142～295 mm，地方性小气候比较明显。全区无霜期一般为150～180 d，年日照2 832～3 006 h，年平均气温5～7℃。塔城地区总耕地面积为6.24×105hm2，其中玉米种植面积为2.12×105hm2，占总耕地面积的34.02%。试验地为长期连作玉米农田，其理化性质如下：有机质 15.28 mg/kg、碱解氮107.74 mg/kg、速效磷9.88 mg/kg、302.14 mg/kg，pH为8.27。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

1.2.2 测定项目

干物质积累动态：玉米出苗后每隔25 d对地上部植株样品进行采集，样品采集完成后在85℃下烘干，称重，记录其干物质积累动态。

土壤微生物功能多样性：玉米吐丝期(出苗后88 d)采集耕层土壤样品，舍弃表层0～5 cm土壤后，于4 ℃下冷藏，用Biolog-Eco微平板法测定微生物功能多样性。每块Biolog-Eco平板有8×12共96个孔，每32个孔为1个重复，包含1个空白和31种碳源，共3次重复。称取秸秆不同腐解天数下相当于10 g烘干土样的土壤样品，加入装有90 mL无菌磷酸缓冲液的250 mL三角瓶，经两次稀释至10-3g/mL，接种到平板培养基，每孔接种100 μL，接种完成后立即使用Biolog自动读数装置测定平板各孔在590 mm波长下的吸光度，之后于25℃培养，每12 h读数一次，共计读数15次(7 d)。平均颜色变化率(AWCD值)、Richness丰富度指数(S)、Shannon多样性指数(H)、McIntosh均匀度指数(U)和Pielou均匀度指数(J)计算公式如下：

S=被利用碳源总数.

J=H/lnS.

式中，Ai第i个孔的吸光值，A0为对照孔的吸光值，Ai-A0为第i个孔的相对吸光值，Pi为第i个孔的相对吸光值与所有孔相对吸光值之和的比值，即，S为被利用的碳源总数，ni为第i个孔的相对吸光度(Ai-A0)。

籽粒产量及品质：玉米成熟后，各处理选取3个重复点进行产量测定，各重复面积均为6.67 m2，测定包括株数、穗粒数、千粒重在内的产量构成指标。籽粒品质指标蛋白质、淀粉、脂肪含量采用BRURER公司生产的MATRIX-1 型近红外光谱分析仪测定。

1.3 数据处理

用Microsoft Office 工具Excel进行数据整理；Statistics 18.0对试验数据作描述性统计学分析；生态数据处理软件Canoco for Windows 4.5进行主成分分析(PCA)。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物群落平均颜色变化率

研究表明，各处理AWCD值变化趋势相同，0～36 h变化不大，36～108 h快速增长，120～132 h增长速度放缓，符合一般微生物培养的适应期-对数期-稳定期的生长规律。培养开始前36 h内，各处理AWCD值无显著差异，36～48 h 秸秆全量还田处理(SR2)显著大于秸秆半量还田处理(SR1)和秸秆不还田处理(CK)。从培养72 h开始，各处理AWCD值两两之间均呈现显著差异，以SR2最大，CK最小，即SR2 > SR1 > CK。图1

有人说，一个公司的气质多少与其掌舵人有关，台资企业栢科富翔之行让我们深有同感。想象一下，一个中式复古风格的房间，屋内看似随意摆放的物件，空气中若有似无的檀香，是不是有一种偷得浮生半日闲的惬意。如果不是摄像机在一旁忠实地提醒，我似乎会忽略掉我们正在采访栢科富翔董事长吴重蔚。更令我们意外的是，眼前这位说话不紧不慢、气质安静柔和的掌门人所拥有的 “霸气”履历——哈佛毕业，资深建筑师，于旧金山开有建筑事务所。跨界、国际化，自带话题属性的吴重蔚顿时引发了我们强烈的好奇，为什么会进入印刷？建筑师的经历对印刷事业有何帮助？想把公司推到一个什么样的高度……面对我们抛来的问题，吴重蔚逐一耐心解答。

图1 不同秸秆还田量下土壤微生物群落平均颜色变化率
Fig.1 Average well color development (AWCD) of soil microbial communities under different straw returning amounts

2.2 土壤微生物代谢多样性变化

研究表明，秸秆还田处理SR1、SR2下Richness指数即被利用碳源总数分别为27.67、27.00，二者差异不显著且均显著大于秸秆不还田处理(CK)下的17.33，Shannon指数也表现出相同的规律；McIntosh指数则稍有不同，表现出SR2 > SR1 > CK，各处理两两之间均呈显著差异；Pielou指数SR1和CK差异不显著，且均显著小于SR2。表1

表1 不同秸秆还田量下土壤微生物多样性指数
Table 1 Functional diversity indices of soil microbial communities under different straw returning amounts

处理TreatmentRichness丰富度指数(S)Richness IndexShannon多样性指数(H)Shannon IndexMcIntosh均匀度指数(U)McIntosh IndexPielou均匀度指数(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：同列不同小写字母表示处理间差异显著(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 土壤微生物群落代谢功能多样性主成分分析

对不同还田量下培养132 h的AWCD值进行微生物群落功能主成分分析，共提取4个主成分，累计贡献率为82.34%，其中第1主成分(PC1)的方差贡献率为39.97%，第2主成分(PC2)为17.80%，前两个主成分累计贡献率为57.77%。第三第四主成分方差贡献率较小，分别为15.16%和9.41%。对PC1和PC2进行分析，得到图2结果。分析结果表明，不同秸秆还田量处理在PC1轴上差异显著，SR2处理分布在正方向，CK分布在负方向，SR1在正方向和负方向均有分布；在PC2轴上，SR1分布在负方向，CK、SR2在正方向、负方向均有分布。图2

图2 不同秸秆还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种碳源按照化学基团性质不同，分为碳水化合物类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类、酚酸类和胺类，在主成分1(PC1)和主成分2(PC2)上载荷值前14种物质，相关系数绝对值(|r|)越大，碳源对主成分的影响越大。与PC1相关系数|r| > 0.60的10种碳源中有碳水化合物类7种，多聚物类、氨基酸类、胺类和各1种；与PC2相关系数|r| > 0.50的7种碳源中，碳水化合物类、多聚物类各2种、氨基酸类、羧酸类和酚酸类各1种。表2

表2 部分碳源与主成分1、2相关系数
Table 2 Correlation coefficients of partial carbon sources with PC1 and PC2

类别Category碳源类型Chemical guild主成分1PC1类别Category碳源类型Chemical guild主成分2PC2碳水化合物Carbohydrate氨基酸类Amino acids多聚物类Polymer胺类AmineD-木糖0.921N-乙酰基-D-葡萄胺0.903D-半乳糖酸-γ-内酯0.859D,L-a-甘油0.828D-纤维二糖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吐温400.598吐温800.687苯乙基胺0.798碳水化合物Carbohydrate氨基酸类Polymer羧酸类Carboxylic acids多聚物类Polymer酚酸类Phenolic acidsa-D-乳糖0.732D-甘露醇0.589D-纤维二糖-0.471N-乙酰基-D-葡萄胺-0.391L-精氨酸0.435L-丝氨酸0.515D-氨基葡萄糖酸-0.405D-苹果酸-0.393丙酮酸甲酯0.548吐温400.756a-环状糊精0.7482-羟苯甲酸-0.7154-羟基苯甲酸-0.446羧酸类Carboxylic acidsD-半乳糖醛酸0.577胺类Amine苯乙基胺-0.459

2.4 秸秆还田对玉米生长、产量和品质的影响

研究表明，在玉米出苗的前50 d之内，秸秆还田对玉米干物质积累无显著影响，随着生育期的延长，其积极影响逐渐显现，至出苗75 d，秸秆还田处理(SR1、SR2)玉米干物质积累量均显著大于CK，表现为SR2 > SR1 > CK。这种玉米干物质积累的优势一直保持至玉米成熟期(出苗125 d)，且随着生育期的延长，SR2处理干物质积累量较CK增幅逐渐增大。图3

研究表明，三个处理玉米株数、千粒重差异均未达到显著水平，但与CK相比，SR2显著增加了玉米穗粒数，增幅达8.01%，玉米产量CK > SR1 > SR2，与CK相比，SR1、SR2分别增产5.48%和13.56%。表3

图3 玉米干物质积累动态
Fig.3 Dry matter dynamic accumulation of maize表3 玉米产量及产量构成Table 3 yield and yield component of maize

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

研究表明，在秸秆还田条件下，玉米籽粒品质较秸秆不还田均有所提高，各处理淀粉含量SR2、SR1较CK分别提高2.11%、1.94%，但均未达到显著水平；脂肪含量SR2较CK显著提高了0.39%，SR1较CK提高了0.25 %但差异不显著；蛋白质含量SR2、SR1较CK分别提高了0.43%、0.20%，且各处理之间差异达到显著水平。表4

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

处理Treatment蛋白质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 讨 论

土壤微生物群落平均颜色变化率(AWCD值)表征微生物利用碳源的整体综合能力，其值越高说明土壤微生物群落代谢活性越强[14]，许多研究表明，秸秆还田能够增加土壤微生物的多样性，从而改善土壤环境，形成土壤-微生物-作物的良性生态系统[15]。研究中，与秸秆不还田相比，18和9 t/hm2的秸秆还田均能显著增加土壤微生物AWCD值，说明秸秆还田能够增加土壤微生物对碳源的利用能力，是改善土壤微生物环境的有效措施。可能主要是因为秸秆作为一种丰富的养分和有机质来源，还田之后能够为微生物的生长和繁殖提供大量的碳源和能源[16]，研究中秸秆还田量为18和9 t/hm2时，为土壤微生物提供了不同量的碳源、能源，对土壤微生物AWCD值影响程度不同，也在一定程度上验证了此观点。

在利用Biolog-Eco方法对土壤微生物多样性进行评估时，Richness丰富度指数、Shannon多样性指数、McIntosh均匀度指数、Pielou均匀度指数是几个常用指数，可用以表征土壤微生物物种的多样性及群落物种的均匀度[17]。研究条件下，进行量为18和9 t/hm2的秸秆还田，二者之间土壤微生物Richness丰富度指数、Shannon多样性指数差异不显著，但均显著大于秸秆不还田，说明秸秆还田对土壤微生物多样性造成了显著的积极影响，这与于寒[18]的研究结果相似。可能与秸秆还田后复杂的物质变化有关，如纤维素可降解为单糖、纤维二糖、纤维寡糖[19]，在特殊的环境中，纤维素结构中的羟基经一系列反应，也可改性为酯类纤维素、醚类纤维素等[20]；半纤维素可降解产生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]；木质素可降解为含带酚羟基含苯环的单体、二聚体或低聚酚类化合物[22]。复杂的物质变化为不同碳源利用类型微生物的生长、繁殖提供了丰富的物质基础，使土壤微生物物种多样性得到提高，使得土壤微生物群落中原本功能较为单一的物种逐渐变得丰富，进而使群落物种均匀度得到提高。McIntosh、Pielou均匀度指数在秸秆18 t/hm2还田条件下显著大于秸秆不还田，也从侧面解释了这一现象。

主成分分析(PCA)是对Biolog-Eco数据处理过程中最常用到的分析方法[23]。在主成分轴上分布的不同可以反映各处理土壤微生物群落对碳源利用的差异[24]，研究中不同秸秆还田量处理在两个主成分轴上分布的差异说明各处理土壤微生物群落对碳源利用能力不同，与大多数研究结果相似。其原因一方面是上文所述不同秸秆还田量为土壤微生物所提供的碳源、能源的量不同，另一方面，秸秆还田量及还田与否对土壤性质的影响不同。如秸秆还田能够改善土壤水分状况[25]，尤其研究在干旱区滴灌条件下进行，土壤水分对微生物的影响更为显著；秸秆还田能够提高土壤温度，降低其日较差[26]，为土壤微生物的生长、繁殖提供适宜且稳定的环境条件。总之，研究中秸秆还田通过对土壤各类理化性质的影响，进而使土壤微生物群落对碳源利用出现差异。研究条件下，这种差异主要表现在对碳水化合物类、多聚物类、氨基酸类碳源的利用程度上。

高产、优质是农业生产追求的首要目标，直接决定了耕地经济效益，干物质积累作为产量形成的前期过程，对作物产量、品质有显著的影响[27-28]。前人研究表明，充足的土壤养分供应能够显著增加作物干物质积累量[29]，研究在统一施肥量的前提下研究不同秸秆还田量对玉米干物质积累的影响，发现玉米出苗75 d后各秸秆还田处理较秸秆不还田处理均能显著增加玉米干物质积累量，且秸秆还田量为18 t/hm2时增幅较大。排除施肥的影响，说明秸秆还田能够提高土壤养分供应能力。这一方面是因为秸秆本身作为养分资源，含有农作物生长所需要的多种营养元素[30]，如氮、磷、钾、钙、镁、硫，还田后可显著增加土壤养分含量[31]；另一方面秸秆作为有机物料，还田可显著增加农田土壤有机质含量[32]，改善土壤容重、团聚体含量等土壤物理性状，进而提高土壤养分有效性[33]；研究条件下发现秸秆还田增加了土壤微生物群落功能多样性，也是土壤养分供应能力得到提高的一个重要原因[34]。而玉米出苗后的50 d之内，各处理玉米植株干物质积累量无显著差异，可能是因为研究区秋季降温迅速，冬季严寒且漫长，秸秆还田后至第二年温度回升后才开始快速分解，且秸秆作为养分资源，其肥效并非立竿见影。研究表明，秸秆一般在还田后60 d后完成养分的快速释放[35]，加之玉米秸秆碳氮比较高，分解初期易发生微生物“掘氮效应”[36]，使得本地区秸秆还田不能在生育期早期对玉米干物质积累产生显著影响，而越靠近生育期后期，18 t/hm2秸秆还田较秸秆不还田对玉米干物质积累量增幅越大。这种干物质积累优势为玉米高产优质提供了更为充分的物质准备，研究中，18和9 t/hm2秸秆还田较秸秆不还田玉米产量分别增了13.56%和5.48%，玉米籽粒脂肪含量分别提高了0.39%和0.25%、蛋白质含量分别提高了0.43%、0.20%，达到了提质增产的效果。

4 结 论

秸秆还田能够提高土壤微生物对碳源的程度，增加土壤微生物物种的多样性和群落物种的均匀度。秸秆还田造成的土壤微生物群落功能多样性的差异主要表现在对碳水化合物类、多聚物类、氨基酸类碳源的利用程度上。秸秆还田能够提高土壤养分的供应能力，在生育期的中后期显著增加玉米干物质积累量。玉米秸秆还田量为18和9 t/hm2较秸秆不还田分别增产13.56%和5.48%。与秸秆不还田相比18 t/hm2秸秆还田可显著增加玉米籽粒蛋白质含量和脂肪含量，分别增加0.43%和0.39%。