植物秸秆腐解特性与微生物群落变化的响应*

张 红 曹莹菲 徐温新 吕家珑

（西北农林科技大学资源环境学院/中国科学院黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100）

农作物秸秆是宝贵的自然资源，它含有大量有机质及植物生长所必需的氮、磷、钾和其他中微量元素。秸秆还田是发展有机可持续农业的有效途径，对于促进作物生长、改善和提高土壤质量具有重要作用[1-4]。作物秸秆在土壤中的腐解是一个复杂的变化过程，其转化速率不仅与秸秆本身的物质构成有关，还与温度、水分、土壤性状等环境条件有关，因此，研究和分析不同环境条件对农业资源合理利用十分重要[5-6]。

微生物是地球化学循环中的重要组成部分，在秸秆腐解过程中发挥着很重要的作用，不同秸秆的性质和环境因素会导致微生物群落多样性的差异[7-9]。目前，植物残体腐解过程中关于养分与能量的动态研究以及不同气候、水热条件、施肥方式对土壤微生物群落代谢特征的影响比较多。秸秆进入土壤在腐解早中期分解有机酸影响其分解率，热重曲线和土壤温度、水分状况也与作物秸秆种类和腐解时期有关[10]；大气CO2浓度和升温程度可以通过植物根系分泌物和根际沉积物影响微生物的生长环境，改变土壤微生物群落的结构和功能[11]；不同施肥种类、施肥方式和土壤性质能影响土壤微生物功能多样性，改善土壤的微生态环境[12]。而关于农田土壤不同秸秆在分解期间其腐解特征与微生物群落多样性的响应机制却鲜见报道。本试验利用网袋法与Biolog 分析研究同一环境下不同秸秆在腐解过程的微生物群落多样性变化，可为秸秆生物质能源发挥最大效益研究奠定基础，并为长期试验地土壤中有机碳转化和科学养地用地研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究在位于黄土高原南部的陕西省杨凌示范区五泉镇（34°17′51″N，108°00′48″E）的国家黄土肥力与肥料效益野外科学观测站进行，该区为渭河三级阶地，属暖温带半湿润易旱气候区，海拔524.7 m，年均气温13℃，≥10℃积温 4 196℃，年均降水量550～600 mm，主要集中在7—9 三个月，年均蒸发量993 mm，无霜期184～216 d。种植方式为冬小麦-夏玉米轮作，一年两熟。

1.2 供试材料

供试土壤为塿土（土垫旱耕人为土）。试验前土壤样地（0～20 cm）的基本理化性质为：pH 8.17，有机质32.25 g·kg-1，碱解氮141.6 mg·kg-1，有效磷37.8 mg·kg-1，速效钾145.8 mg·kg-1，土壤含水量20.7 g·kg-1。

供试植物秸秆为玉米和大豆秸秆，其中玉米秸秆原样的全碳 402.5 g·kg-1，全氮 11.31 g·kg-1，C/N35.59；大豆秸秆原样的全碳373.2 g·kg-1，全氮25.47 g·kg-1，C/N14.65。

1.3 试验设计

选用新鲜的玉米秸秆和大豆秸秆，采用尼龙网袋法在室外农田土壤中进行植物腐解试验。由于新鲜秸秆水分较多，所以实验室内快速将秸秆处理为1～2 cm 大小，在冰箱4℃冷藏保鲜备用。

由于玉米秸秆的C/N 远高于微生物腐解的最佳C/N 为25∶1，为加速腐解进程，玉米秸杆另设计加氮处理，因此本试验共设新鲜豆秸（FB）、新鲜玉米秸（FC）、新鲜玉米秸+氮（FCN）3 个处理。具体操作步骤为：分别称取不同处理的秸秆残体（30 g·袋-1）装入 350 目的尼龙网袋中，加氮处理添加尿素10.34 g·kg-1，封口，于2011年10月31日埋入农田土壤20 cm 深处，同时在20 cm 深处埋入土壤温度记录仪（美国TidbiT v2）。埋入后10、20、30、45、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360 d 采样。每个处理每次取6 袋，装入自封袋后迅速带回实验室冰箱4℃冷藏，部分样品用来测定不同秸秆腐解样品的质量和含水量，为了避免灌溉和降雨对秸秆腐解过程中质量的影响，将取回的样品放在烘箱中烘至恒重计算秸秆的腐解残留率；另一部分样品采用Biolog-Eco 分析方法测定微生物群落多样性变化。

1.4 土壤与植物样品分析方法

土壤含水量用烘箱干燥法测定，pH 采用320 型pH 计测定（水土比2.5∶1），有机质采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮采用硼酸扩散吸收法测定，有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用1.0 mol·L-1乙酸铵-浸提火焰光度法测定。植物秸秆全碳采用重铬酸钾外加热法测定，全氮采用H2SO4-H2O2消煮法测定[13]。

秸秆残体微生物群落功能多样性具体方法：称取相当于 0.10 g 干土重的新鲜秸秆样品，加入到 49.9 mL 0.85%（w/v）的灭菌 NaCl 溶液中，振荡 30 min 后取出以4 000 r·min-1的速度离心1 min，吸取1 mL 上悬液，用灭菌的 0.85% NaCl 溶液稀释 10 倍，吸取稀释液接种到 ECO 板，每孔接种量 150 μL。将接种后的 ECO 板25℃培养，每隔 24 h 时在 590 nm 波长下测定吸光度（OD）值，持续 6 d[7,14]。参照Qian 等[15]的方法计算平均颜色变化率（AWCD）和多样性指数，根据贾夏等[16]的研究结果，选取144h 的数据进行分析和多样性指数的计算。

1.5 数据处理

秸秆腐解残留率（%）=Xt/X0×100% 式中，X0为秸秆腐解前的初始质量，Xt为分解t时的秸秆腐解后剩余质量。

根据Biolog 的分析结果，采用孔的平均颜色变化率 AWCD 测定微生物利用单一碳源的能力。AWCD =Σ（Ci-R）/31，其中Ci为31 种碳源在590 nm的吸收值；R为Eco 板对照孔的吸收值，物种丰富度香农指数（H）、优势度辛普森指数（D）和群落均匀度Mclntosh 指数（E）均采用144h 的测定值计算[15,17]。

测定数据采用 Microsoft Excel 2013 进行处理和制图，采用SPSS 17.0 软件进行主成分分析和方差分析。

2 结 果

2.1 不同腐解期不同秸秆的残留率变化

由图1可知，新鲜秸秆在整个腐解期的腐解残留率分为2 个阶段：0～10 d 迅速下降，10～360 d缓慢下降。FB、FC、FCN 处理的腐解残留率在0～10 d 从初始的100%分别下降至44.48%、29.86%和33.27%，而在10～360 d 呈缓慢降低趋势，360 d 时分别降至原来的30.43%、17.61%和20.58%。

总体而言，随着腐解时间的增加，不同秸秆腐解残留率变化的主要趋势为FB＞FCN＞FC，说明C/N低的新鲜秸秆腐解速度较慢，C/N 高的新鲜秸秆相对腐解速度快，残留率低。

图1 农田不同腐解期残留率的变化 Fig.1 Straws residual rates in farmland relative to decomposition stage

2.2 不同腐解期不同秸秆含水量及土壤温度、土壤含水量的变化

水分状况影响土壤的物理化学性质，其差异导致残体分解率不同[18]。大多数土壤微生物活动的最适温度在25～35℃，因此在热带地区残体降解速率和养分转化较快[19]。温度、水分是影响植物残体矿化的重要环境因子，同时又有一定的互作效应[20-21]。

由图2可以看出，整个腐解期间，土壤温度（ST）呈倒“S”变化，土壤含水量（WS）在腐解前期0～150 d 变化不大，腐解中后期150～360 d 波动变化，3 种秸秆的含水量在0～150 d 上升，150～210 d 下降，210～ 270 d 急剧上升，270～360 d 下降。直到腐解结束，农田土壤含水量较埋入初期高出105.6%，而土壤中FB、FC 和FCN 处理的最终含水量分别较埋入初期高出119.9%、123.2%和111.2%，且整个腐解期土壤含水量相比秸秆含水量波动变化较小。土壤温度的变化随季节温度的变化而变化，而秸秆含水量的高低则与土壤含水量和季节降雨量有关。这可能是由于新鲜秸秆埋在20 cm 深处，秸秆本身的含水量损失较小，在高温雨季时更容易增加秸秆含水量。而随着温度和水分的降低，降解速率也随之减小。新鲜秸秆的含水量较高，容易抑制微生物活性，导致秸秆腐解速率减慢。

2.3 不同秸秆处理对微生物平均颜色变化率AWCD 的影响

图2 农田不同腐解期不同秸秆含水量及土壤含水量、土壤温度的变化 Fig.2 Variation of straw water content，soil water content and soil temperature with type of the straw and decomposition stage in farmland

Biolog-Eco 板是基于氧化还原反应的一种研究环境微生物群落代谢功能的载体[22]，其每孔的平均颜色变化率（AWCD）表征微生物群落碳源利用率， 反映了微生物活性及群落生理功能多样性[16]，是土壤微生物群落利用单一碳源能力的一个重要指标，反映了土壤微生物活性、微生物群落生理功能多样性[23]。值越大表明微生物的活性越高，密度越大。

根据贾夏等[24]的结果，本研究均采用培养144 h的数据来进行分析微生物群落多样性的变化（图3）。可以看出，3 个秸秆处理土壤微生物群落代谢的AWCD 值随培养时间的延长呈现波动变化，尤其在240～300 d 之间随着土壤温度和秸秆含水量的剧烈变化，FB 和FC 处理土壤微生物群落代谢的AWCD值明显较FCN 处理的波动剧烈，这可能是因为FCN处理是加氮处理后的玉米秸秆，在高温、高湿环境中干扰了微生物对其碳源利用能力。农田土壤微生物的AWCD 值在腐解初期0～60 d 相对较低，随着腐解时间的延长呈上下波动变化。整体而言，FB 处理土壤微生物群落代谢的AWCD 值波动幅度最大，说明FB 处理土壤微生物活性低、密度小，其次为FCN 和FC 处理，农田土壤微生物在腐解前期活性低、密度小，随着腐解时间的延长土壤微生物活性升高，表现的越来越稳定。整个腐解期，3 种秸秆处理随着腐解时间的延长AWCD 值不断波动变化，最终均有所降低，至腐解试验结束，FB、FC 和FCN 处理土壤微生物群落代谢的AWCD 值分别降至原来的89.84%、95.88%和98.95%，农田土壤的AWCD 值增至初始值的103.8%。方差分析发现，3 种不同秸秆处理中土壤微生物的AWCD 值均没有显著差异（P＞0.05），而在不同腐解时间差异达到极显著水平（P＜0.01），且秸秆类型与不同腐解时间的交互作用也达到极显著水平（P＜0.01）；农田土壤微生物群落代谢的AWCD 值在不同腐解时间差异达到极显著水平（P＜0.01）[25]。

图3 农田土壤及不同秸秆在平均颜色变化率（AWCD）随腐解时间的变化 Fig.3 Temporal variation of average well color development（AWCD）of the microbial community with the farmland soil and the type of the straw in different decomposition stage

2.4 不同秸秆腐解过程中微生物对6 类碳源的利用率

表征微生物活性的AWCD 值和微生物功能多样性指数仅能反映土壤微生物的总体变化情况，并不能反映微生物群落代谢的详细信息。微生物对不同碳源的利用可以反映微生物的代谢功能类群。为便于比较不同秸秆处理在整个腐解期中微生物对6类碳源的利用率情况，本研究选用秸秆腐解10、90、180、270、360 d 的结果来探讨土壤微生物对六大类碳源利用的变化趋势。由表1可以看出，FB、FC、FCN 处理的土壤微生物群落在腐解前后对芳香化合物的利用差异均不显著，此外，FCN 处理的土壤微生物群落在腐解前后对多胺的利用差异不显著之外，对其他4 种碳源利用差异显著，且FB、FC 处理的土壤微生物群落在腐解前后对氨基酸、羧酸、糖类、多胺以及多聚物类的利用差异达到极显著水平。直至腐解结束，FB、FC、FCN 处理土壤微生物群落对氨基酸的利用分别增至原来的 348.9%、368.1%、367.4%，对羧酸的利用分别增至297.9%、340.9%、229.3%，对糖类的利用分别增至244.4%、288.1%、198.5%，对多胺的利用分别增至333.3%、351.3%、156.5%，对多聚物的利用分别增至181.9%、276.6%、195.8%，对芳香化合物的利用则分别变成原来的144.7%、90.00%、70.45%。根据3 种秸秆处理对6 类碳源的利用情况可以看出，FB 处理土壤微生物群落的优势种群为多聚物和糖类代谢群，FC 处理土壤微生物群落的优势种群为糖类代谢群，FCN处理和农田土壤微生物群落的优势种群均为糖类和多聚物代谢群。

表1 农田土壤腐解过程中不同秸秆处理土壤微生物对六大类碳源的利用（144 h） Table1 Utilization of six categories of carbon sources by the strains of microbe in type of the straws and decomposition stage in farmland soil（144 h）

2.5 不同秸秆处理土壤微生物群落多样性指数

由表2可以看出，3 种不同秸秆处理中土壤微生物的H值（丰富度）在腐解前后波动较大，除了FCN 处理的H值在腐解前后差异显著之外，FB 和FC 处理的H值均在腐解前后差异不大。直至腐解结束，FB、FC、FCN 处理土壤微生物群落的H值分别下降至初始值（10 d）的99.44%、99.16%和95.84%。根据方差分析的结果得出，3 种不同秸秆处理中土壤微生物群落的丰富度在腐解前后差异显著，其中FB处理（平均值3.62）、FC 处理（平均值3.58）之间差异不显著，FCN 处理（平均值3.53）与FB、FC 处理之间差异均显著。农田土壤中不同秸秆处理中土壤微生物群落的丰富度顺序为FB＞ FC＞FCN。

3 种不同秸秆处理中土壤微生物的D值（优势度）变化较小，基本上在0.95～0.96 之间。根据方差分析的结果，除FCN 处理的D值在腐解前后差异比较显著外，FB、FC 处理的D值均在腐解前后差异不大，说明3 种秸秆随着腐解时间的延长土壤微生物群落的优势度变化不明显。

3 种不同秸秆处理中土壤微生物群落的E值（均匀度）与H值的变化比较相似。直至腐解结束，FB、FC、FCN 处理微生物群落的均匀度分别下降到初始阶段（10 d）的98.13%、95.37%和94.50%。说明不同秸秆处理中土壤微生物群落的均匀度也在降低，除了FCN 处理的E值在腐解前后差异显著之外，FB和FC 处理的E值也在腐解前后差异不大。其中FB处理（平均值1.07）、FCN 处理（平均值1.05）之间差异显著，FC 处理（平均值1.06）与FB、FCN处理之间差异均不显著。农田土壤中不同秸秆处理中土壤微生物群落的均匀度顺序为FB＞FC＞FCN。

2.6 土壤性质及不同秸秆处理中土壤微生物群落多样性与秸秆残留率的关系

相关分析表明（表3），3 种秸秆的腐解残留率与土壤pH、有机质、碱解氮含量呈显著正相关关系，与土壤速效钾、土壤温度、氨基酸、多胺呈极显著负相关关系，此外FCN 处理的腐解残留率还与土壤含水量、AWCD 值呈显著负相关关系，与不同秸秆处理中土壤微生物群落的丰富度和均匀度呈极显著相关关系。

表2 农田土壤不同秸秆处理中土壤微生物群落功能多样性指数（144h） Table2 Richness，dominance and evenness indices of the straw microbial community for farmland soil relative to type of the straw returned（144 h）

表3 土壤性质及不同秸秆处理中土壤微生物多样性与不同秸秆腐解残留率的相关性 Table3 Relationships of soil properties and straw microbial diversity with straw residual rate relative to type of the straw

这说明不同秸秆的腐解残留率与不同秸秆处理中土壤微生物群落多样性之间的关系不完全一样，3种秸秆的腐解残留率对土壤有效磷及不同秸秆处理中土壤微生物群落的糖类、羧酸、多聚物、芳香化合物的利用以及微生物群落的优势度无任何相关关系，而对土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、土壤温度、氨基酸和多胺类的碳源利用方面影响较大。C/N 比适中的FCN 处理较FB、FC 处理受到的影响因素更多。

3 讨 论

3.1 秸秆C/N 比对植物残体腐解的影响

秸秆腐解的快慢与其自身的物质条件和所处的环境因素有关。有研究表明，有机物料的C/N 是控制有机物料腐解和养分释放的重要因素，秸秆C/N控制了氮素在土壤中的释放量，影响微生物活性的高低[26-27]。本研究中3 种新鲜秸秆在相同的土壤环境中进行腐解试验，其C/N 的大小顺序为FC＞FCN＞ FB，而3 种秸秆的腐解速度为FC＞FCN＞FB，说明玉米秸秆较大豆秸秆更容易腐解，这可能是因为长期试验站的土壤C/N 在8.3 左右，玉米秸秆较大豆秸秆更容易争夺土壤中的氮素，使附着在秸秆的微生物加快秸秆的腐解速度。FCN 处理加氮处理后，C/N 适合微生物活动的最佳比例，虽然体积比较大，比表面积小，与微生物接触少，影响微生物的分解能力，但这种秸秆会在腐解中后期加快分解，与FB、FC 处理之间的差异逐渐拉开，这与王晓玥等[7]的研究结果是一致的。此外，FCN 处理添加尿素作为微生物的氮源物质，在腐解过程中，可以增加秸秆周围微生物的数量，快速增长微生物群落，提高微生物功能的多样性，这与Hoyle 等[28]研究结果相似。FB 处理由于C/N 比较低，在腐解过程中，自身的氮素可能受到水分的限制释放速度较慢，需要通过尼龙网袋让外界土壤微生物平衡适应到一定程度，刺激腐解微生物对秸秆的分解速度。因此，FB 处理在整个腐解期的腐解残留率最高。

3.2 土壤温度、土壤含水量和秸秆含水量对植物残体腐解的影响

Avrahami 等[29]研究发现微生物群落功能多样性受土壤温湿度的影响，主要表现在影响土壤中一些微生物群落的生长繁殖和生理机能，以及可溶性有机物的含量，秸秆分解速度的快慢，直接造成底物供给差异，导致微生物群落活性和功能不同[30]。土壤温度明显影响3 种秸秆腐解残留率，土壤含水量仅对FCN 处理的腐解残留率有影响，而FB、FC处理的含水量影响其自身的腐解残留率，说明秸秆含水量高并不一定能加快腐解速度，这可能是因为新鲜秸秆质量大，分解需要更多的能量，同时其体积较大，比表面积小，降低了微生物对秸秆的分解作用，所以整个腐解期残留率变化不大，这与Ibrahim 等[31]的研究是一致的。本研究中在秸秆腐解270 d 时，秸秆含水量随着降雨量增加导致土壤含水量达到最大值，秸秆腐解微生物功能多样性指数随着土壤温度升高而降低，秸秆腐解微生物的AWCD值和对六大类碳源的利用相对整个腐解期较高，随着腐解时间的延长，土壤温度、土壤含水量以及秸秆含水量的变化对土壤微生物群落的影响呈波动变化，与周桂香等[32]的研究不太一致。这可能是因为大田试验受到的影响因素更多导致的，在高温高湿环境下，土壤微生物活性较强，秸秆中的养分本应相对释放较快，但是秸秆含水量较高，导致O2不足，不利于土壤与秸秆间可溶性物质的扩散和迁移，影响土壤中好氧微生物对秸秆的分解。

3.3 不同秸秆处理中土壤微生物群落对植物残体腐解的影响

随着腐解时间的增加，易腐解的物质不断减少，难分解的复杂化合物逐渐积累。利用Biolog 法测定微生物活性时发现，秸秆在水热条件好的地区经过分解后其微生物活性不断降低，导致AWCD 值表现出随水热条件增加而降低的趋势[7]。Kemmitt[33]以及Fierer[34]等发现碳中残留的复杂化合物的分解不是由微生物驱动的，而是在长期分解的过程之后，微生物碳源代谢活性随着水热条件增加而降低的趋势逐渐减弱，这与本研究的研究结果是一致的。

通过研究发现，3 种秸秆中只有FCN 处理随腐解时间的延长，整体AWCD 值变化不大，说明FCN处理的土壤微生物活性相对比较稳定，而FB 和FC处理在不同时期下降的程度略有不同。3 种不同秸秆处理中土壤微生物群落的优势种群主要为糖类和多聚物类代谢群，糖类物质组分容易分解，在被微生物分解利用的同时又可以作为次生代谢物产生[2]。研 究发现，微生物群落的优势种群以多聚物类代谢群为主，容易降低微生物群落结构的稳定性[35]，从而导致腐解残留率增加，微生物群落的优势种群以糖类和氨基酸类代谢群为主，土壤微生物可以利用的碳源则趋于稳定[36]，因此FC、FCN 处理比FB 处理的腐解速度要快，这与本研究中不同秸秆腐解残留率变化的主要趋势一致。不同秸秆中最弱碳代谢群落均为芳香化合物代谢群，且芳香化合物不易分解，这与张海涵等[37]的实验结果一致。整个研究结果说明糖类和多聚物类代谢群是这3 种不同秸秆处理中土壤微生物群落变化的敏感碳源，与王静娅等[38]的实验结果相同。随着腐解时间的延长，不同秸秆处理中土壤微生物群落的丰富度最终降低，且不同秸秆处理中土壤微生物群落的均匀度随之下降。Kunito 和Nagaoka[39]指出秸秆类型对微生物群落功能多样性有显著影响，与本研究结论一致。综上所述，多聚物类代谢群成为制约秸秆腐解残留率的关键组分，如何在秸秆还田中进行有效处理，达到资源充分利用值得考虑。

Biolog 技术可以快速测定不同秸秆处理中土壤微生物群落的功能多样性，只能对不同秸秆处理中土壤微生物群落活性与功能进行分析，不能全面反映不同秸秆处理中土壤微生物群落的多样性。因此，结合其他先进技术手段，才能更全面认识到秸秆在腐解过程中微生物群落结构和功能的多样性，从而为秸秆有效还田研究奠定基础，实现科学养地用地提供更有力的依据。

4 结 论

新鲜秸秆腐解速度为玉米秸秆大于大豆秸秆。土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、土壤温度、氨基酸和多胺类的碳源利用方面对秸秆腐解残留率的影响比较大，土壤含水量和秸秆含水量的高低在一定程度上影响不同秸秆的腐解残留率。在腐解过程中3 种不同秸秆处理中土壤微生物的优势种群主要以糖类和多聚物为主，且随着芳香化合物在腐解中后期逐渐累积，基本上表现为对芳香化合物的利用最弱。随着腐解时间的延长，3 种不同秸秆处理中土壤微生物群落稳定性逐渐发生变化。尤其在腐解中后期高温高湿环境下，不同秸秆处理中土壤微生物群落之间的差异越来越明显。在腐解结束时，加氮的FCN 处理土壤微生物群落差异明显大于不加任何处理的秸秆。秸秆还田时，调整秸秆适宜的C/N，筛选降解多聚物类代谢群的微生物菌剂，可以促进秸秆的分解效果，提高秸秆还田的利用率。