连年秸秆覆盖对玉米产量及土壤微生物残体碳积累的影响

刘 肖，胡国庆，何红波，张旭东

（1. 鲁东大学农学院，烟台 264025； 2. 山东农业大学资源与环境学院，土肥资源高效利用国家工程实验室，泰安 271018；3. 中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016； 4. 沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，沈阳 110016）

0 引 言

土壤有机碳含量的高低决定着土壤肥力和农田生态系统的整体功能[1]，同时关系着全球气候变化和区域环境变化[2]。然而近年来，中国粮食主产区—东北地区的农田土壤呈现退化趋势。根据中国科学院战略性先导科技专项数据，东北农田土壤有机碳在 1980－2011年平均下降20%。为解决这一问题，该地区目前普遍推行一种保护性耕作方式—秸秆覆盖，已有研究表明秸秆覆盖6 a后，土壤理化性状得到改善，土壤表层有机碳含量提高[3]。然而，长期秸秆覆盖条件下土壤有机碳积累的机制并不清楚。微生物是土壤有机碳积累的重要驱动力[4]，理解微生物在其中发挥的作用对于减少土壤温室气体排放、调控土壤有机碳固持、提高土壤肥力和养分有效性等至关重要[5]。

秸秆覆盖土壤之后，微生物首先分解所接触到的秸秆并同化分解过程中产生的部分低分子量化合物（如碳水化合物、蛋白质等）以满足自身的生长，在这个过程中将秸秆转化为微生物生物量[6]。然后，通过自身的进一步代谢将微生物生物量转化为微生物残体[7-8]。与微生物生物量相比，微生物残体周转较慢，且占土壤有机碳的比例较大（＞50%）[9-10]，因此微生物残体对土壤有机碳的积累具有重要贡献[11-12]。了解长期秸秆覆盖条件下微生物残体积累的动态特征，能够为阐明秸秆覆盖过程中微生物对土壤有机碳积累作用奠定基础。

氨基糖是微生物残体的重要组成成分，主要由死亡的微生物细胞壁构成[13]。目前土壤中已定量氨基糖有 4种，分别是氨基葡萄糖（GluN）、胞壁酸（MurN）、氨基半乳糖（GalN）、氨基甘露糖（ManN）[13]。相对于其他细胞质成分，氨基糖能在土壤中保存更长时间[14-16]。因此，氨基糖可以作为整合时间的反映土壤微生物残体积累的生物标识物[17-18]。然而，氨基糖只是微生物残体的一部分且对有机碳的贡献较小。Liang等[19]利用1996－2018年已发布的氨基糖数据，结合生态系统方法及元素碳氮化学计量学，实现微生物残体碳的定量，为阐明土壤有机碳积累的微生物过程机制提供方法支持。

Ding等[20]利用玉米、小麦和大豆秸秆在黑土土壤上连续覆盖21 a后，发现这些秸秆的施用确实显著提高了微生物残体在土壤中积累。然而，关于这21 a秸秆覆盖过程中土壤中微生物残体的积累特征并不清楚。考虑到秸秆降解受到复杂组分构成的影响具有快速和慢速 2个阶段[21]，其初始覆盖会显著提高土壤微生物活性[22]，而长期覆盖可能会引起微生物对特定刺激产生逐步适应[23]，因此推断相对于不覆盖秸秆处理，连年覆盖秸秆可能会导致微生物在过程水平上的响应，而这种过程响应可能会使得秸秆覆盖一定年限之后土壤有机碳和微生物残体积累达到平衡。同时考虑到秸秆施用方式为表面覆盖，因此推断秸秆覆盖处理可能对土壤有机碳和微生物残体积累存在层次差异。

基于以上推断，本文以不覆盖秸秆处理为对照，研究连续8 a秸秆覆盖过程中土壤有机碳和微生物残体碳及两者比例的变化。以期从微生物残体角度，阐明秸秆覆盖对土壤有机碳积累的微生物过程机制，为推广秸秆覆盖保护性耕作技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验始于2007年4月，地点位于辽宁沈阳农田生态系统国家野外研究站（41°32′ N，122°23′ E）。试验区属于温带半湿润大陆性气候，年均温度为7～8 ℃，年均降水量为650～700 mm，年总辐射量为504～567 KJ/cm2，土壤类型为潮棕壤，基本理化性质见表1。在本试验开始之前，土壤经历多年以玉米（Zea maysL.）连作为主的传统耕作，收获后地上部分全部从地表移出，留茬10 cm。

表1 试验开始前土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil before trial

1.2 试验设计

试验小区采用随机区组设计。小区（1.6 m×1.3 m）由 PVC板围成，PVC板插入地下 35 cm并高出地上15 cm。小区之间相距2.5 m。本试验设置2个处理：每年不覆盖玉米秸秆（对照处理，CK）和每年覆盖玉米秸秆（秸秆覆盖处理，SM），每个处理3次重复。对照处理中，小区土壤中存有上一年的玉米残茬，约500 kg/(hm2·a)；秸秆覆盖处理中，除了上一年的玉米残茬之外，再将上一年秋季收获的秸秆量的一半（约5 800 kg/(hm2·a)，平均 C/N=51.9）被切割成10 cm长，经过风干晾晒之后，在第 2年的春天播种玉米之后覆盖于地表。每一小区中，玉米（富友1号）播种12棵，每年5月份底肥施用N、P、K分别为50、30、68 kg/hm2，7月份玉米拔节期进行第一次追施氮肥为100 kg/hm2，8月份玉米吐丝期进行第二次追施氮肥为50 kg/hm2。试验开始后，所有小区的耕作方式由之前的传统耕作改为免耕。试验截至2014年，已有8 a历史。

1.3 样品采集与测定

每年玉米收获期，采集每个小区中的玉米，用网袋置于阴凉干燥处风干后测定质量。同时，利用土钻（直径3 cm）取土，采样深度为0～10、＞10～20 cm。此外，采集2006年玉米收获期土壤（0～10、＞10～20 cm）作为初始土壤。每个小区按照 3点采样法采集，然后将相同层次的 3个重复样品进行混合后装于自封袋中带回实验室，在阴凉环境下风干后去除可见的作物秸秆及根系、石块，过0.25 mm筛以备土壤氨基糖测定。

土壤有机碳的测定：采用元素分析仪。

土壤样品中氨基糖含量的测定：采用糖精乙酰酯衍生气相色谱技术测定[24]。将含有约0.3 mg N的土壤样品至水解瓶中，加入10 mL HCl（6 mol/L），在105 ℃下水解8 h冷却后，加入100 uL肌醇（内标）振荡摇匀过滤，用旋转蒸发仪蒸干后，将残余物溶于约15 mL蒸馏水中，经KOH（0.4 mol/L）调节pH值至6.6～6.8后，离心（3 000 r/min）去除沉淀。上清液用冷冻干燥机冻干后，残留固体物质用4 mL无水甲醇溶解后再次离心。最后将上清液转移到5 mL衍生瓶中，在45 ℃下用氮气吹干后加入1 mL蒸馏水，用冷冻干燥机冻干后，利用0.3 mL衍生试剂（40 mg/mL 4-二甲基氨基吡啶和32 mg/mL盐酸羟胺由1:4甲醇-吡啶溶液溶解）及1 mL乙酸酐进行醛糖腈乙酸酯衍生，经二氯甲烷萃取和三次水洗后，在45 ℃下用N2吹干，溶于200 uL乙酸乙酯-正己烷混合溶液（体积比1:1）到气相色谱进行测定（GC - 6890, Agilent, USA;HP - 5毛细色谱柱30 m×0.25 mm×0.25 um），恒定柱流量0.8 mL/min，进样口温度为45 ℃，分流比为10:1，柱温采用程序升温，利用氢火焰离子化检测器（FID）进行检测并以峰面积进行定量。

1.4 数据计算

1.4.1 微生物残体碳含量

微生物残体碳含量（MRC, g/kg）的计算公式[19]为

式中CGluN为氨基葡萄糖（GluN）的质量分数，mg/kg；CMurN为胞壁酸（MurN）的质量分数，mg/kg。

1.4.2 描述有机碳、微生物残体碳及两者比例的一阶动力学方程

长期特定的农田管理模式中土壤有机碳和微生物残体碳的积累通常会在一定年限内达到平衡[25-26]，因此可以假设零阶输入和单位时间比例质量损失都是恒定的，即两者的动态符合一阶动力学模型[27]，即：

式中t是从试验经历的年数，Ct是在某一年数对应的某指标的值，I为恒定的输入速率，K为恒定的输出速率。然后求解上述非齐次一阶线性常微分方程，得到：

式中C0是相应指标在第0年的值。当相应指标的年际增长小于0.1%时，认为该指标达到平衡状态，则此时的时间和对应的指标值称为平衡时间和最大值[27]。

1.5 数据统计分析

试验数据（土壤有机碳、微生物残体碳以及两者的比例）的正态性通过Shapiro和Wilk’s W进行检验。对照处理和秸秆覆盖处理之间随时间变化的显著性差异通过重复测定方差分析（SPSS 16.0）。两处理中试验数据的动态变化通过非线性回归模型进行描述（Origin 8.6）。

2 结果与分析

2.1 玉米产量

在两处理中，玉米产量先随时间逐渐上升，在第 6年时达到最大值而后下降（图1）。与CK相比，秸秆覆盖处理SM 的玉米产量在前5 a并没有表现出显著差异（P＞0.05），而在第6～8年，SM中的玉米产量分别达到1.49×103、1.25×103、1.34×103kg/hm2，平均是 CK 的 1.05倍。这与前人开展的长期秸秆覆盖试验的结果相同[28]，说明短期秸秆覆盖并不能达到显著提高玉米产量的效果，可能与秸秆完全分解所需的时间有关。在东北地区，由于气候原因，覆盖在土壤表面的秸秆需要3～5 a才能分解完全[29]。两处理间玉米产量的差异之所以存在这样的变化，与土壤有机质的动态有直接关系。

图1 玉米产量随时间变化Fig.1 Variation of maize yield with time

2.2 土壤有机碳含量变化

2种处理下0～10 cm土壤的有机碳含量都随着时间逐渐增加，且在SM中的增加显著高于CK（P＜0.05，图2a）。利用一阶指数方程拟合发现，2种处理中有机碳的积累动态具有显著差异（表2）。CK中因为耕作方式由原来的传统耕作转变为免耕，仅有第一年土壤有机碳表现出显著增加，所以土壤有机碳积累达到平衡的时间是2.1 a，最大值为11.35 g/kg。而在SM中，土壤有机碳积累达到平衡的时间和最大值为15.4 a、12.67 g/kg，比CK延长了13 a且提高了12%。在＞10～20 cm土壤层次，2种处理的土壤有机碳含量虽然都随着时间逐渐增加，但处理之间没有显著差异（P＞0.05，图2b），2种处理中土壤有机碳积累达到平衡的平均时间是 1.7 a，平均最大值为10.37 g/kg（表2）。

图2 土壤各层次中有机碳质量分数随时间变化Fig.2 Variation of soil organic carbon content with time

2.3 土壤微生物残体碳含量变化

在0～10 cm土壤层次，土壤微生物残体碳含量在2种处理中都随着时间逐渐增加（图3a），但2种处理中微生物残体碳的积累动态具有显著差异（P＜0.05，表2）。CK中土壤微生物残体碳积累在 14.2 a后达到最大值8.11 g/kg。而在SM中，土壤有机碳积累在26.3 a后达到最大值11.26 g/kg，比CK延长了12 a且提高了39%。在＞10～20 cm土壤层次，土壤微生物残体碳含量在2种处理中虽然都随着时间逐渐增加，但 2种处理之间没有显著差异（P＞0.05，图3b），2种处理中土壤微生物残体碳积累达到平衡的平均时间是 8.8 a，平均最大值为6.82 g/kg（表2）。

图3 土壤各层次中微生物残体碳含量随时间变化Fig.3 Variation of microbial necromass carbon content with time

表2 微生物残体碳对土壤有机碳积累作用评价指标的非线性模型参数Table 2 Calculated parameters of the nonlinear model for the indices of the role of microbial necromass carbon (MRC) to SOC accumulation.

2.4 微生物残体碳占土壤有机碳的比例变化

在0～10 cm土壤层次，微生物残体碳占土壤有机碳的比例在2种处理中都随着时间逐渐增加（图4a），但 2种处理中微生物残体碳占土壤有机碳比例的变化具有显著差异（P＜0.05，表2）。在CK中，微生物残体碳占土壤有机碳的比例增加至最大值 72.57%需要的时间为24.1a。而在SM中，最大值和平衡时间分别为76.94%、26.7a，分别比CK增加了6%、延长了2.5 a。在＞10～20 cm土壤层次，微生物残体碳占土壤有机碳的比例在 2种处理中虽然都随着时间逐渐增加，但 2种处理之间没有显著差异（P＞0.05，图4b），2种处理中这一比例的平均最大值为 67.61%，达到平衡的平均时间为16.2 a（表2）。

图4 土壤各层次中微生物残体碳占土壤有机碳的比例随时间变化Fig.4 Variation of the proportion of microbial necromass carbon to soil organic carbon with time

3 讨 论

3.1 秸秆覆盖条件下土壤有机碳和微生物残体碳的动态

虽然在试验开始的前2～3 a，秸秆覆盖并没有显著提高土壤表层的土壤有机碳和微生物残体碳含量，但当将这8 a的动态利用一阶动力学方程拟合之后发现，2种处理中土壤有机碳和微生物残体碳的积累都符合非线性模型，即土壤有机碳和微生物残体碳动态表现出初始很快增长而后逐渐达到平衡的特征（图2和图3）。

根据非线性模型参数结果得知，表层土壤 SM 中土壤有机碳和微生物残体碳的最大值都显著高于 CK中的（表2）。这是因为相对于CK中仅有的地上根茬，SM中还有每年施入的玉米秸秆。这些秸秆一方面会通过直接途径将微生物不能利用的植物源碳贡献于有机碳[8,11]，另一方面会通过微生物体内周转途径为土壤微生物生长提供可利用养分（如碳水化合物、蛋白质等）用以转化为微生物残体碳贡献于有机碳[6-7]。因此，连续秸秆覆盖显著增强了表层土壤中土壤有机碳和微生物残体碳的含量。同时，表层土壤 SM 中土壤有机碳和微生物残体碳达到平衡的年限都显著高于CK，分别为15.4和26.3 a（表2）。West 和 Post在分析了全球 67个秸秆覆盖替代传统耕作的长期定位试验后发现，在替代之后的最初 5～10 a间土壤有机碳的变化最大，而后在15～20 a达到平衡[30]。这与此研究中连续秸秆覆盖处理中有机碳达到平衡的年限相一致。与土壤有机碳达到平衡的时间相比，微生物残体碳达到平衡的时间相对较长。这是因为微生物残体并不是完全稳定的，而是要参与土壤有机碳周转，为微生物提供碳氮[31]。微生物残体碳积累实质上是其合成和分解速率达到平衡的结果。秸秆覆盖不仅会显著提高微生物的生物量以增加微生物残体，同时能够缓解碳限制而降低微生物残体的分解[32]。因此，连续秸秆覆盖显著延长了表层土壤中土壤有机碳和微生物残体碳达到平衡的时间。

3.2 秸秆覆盖条件下微生物残体碳对土壤有机碳积累贡献的动态

尽管土壤中活体微生物生物量碳对有机碳的直接贡献很少（＜2%），但微生物主要通过体内周转（增殖-死亡过程）后以微生物残体形式稳定存在于土壤中，这对土壤有机碳的积累具有重要作用[33]。本研究中，表层土壤CK和SM中微生物残体碳占土壤有机碳的比例随时间逐渐增大（图 4a），这说明相对于土壤中其他有机碳组分，微生物残体更加稳定，由于微生物残体更容易被土壤矿物表面吸附或者形成团聚体而相对稳定的保留在土壤中[34]，从而有助于微生物残体在有机碳中的积累。经过22～24 a之后，2种处理中微生物残体碳占土壤有机碳的比例达到最大值分别为72.57%和76.94%，这一结果不仅符合以往通过马尔科夫链模型估算理想状态下微生物残体碳对有机碳的贡献的范围（46%～80%）[35]，也符合利用实测数据估算温带土壤中微生物残体碳对有机碳贡献范围（＞50%）[19]。同时，与 CK相比，SM 显著提高了微生物残体占土壤有机碳比例的最大值，且缩短了两者比例达到平衡的时间（表2），这说明了秸秆覆盖一方面加快了微生物残体在有机碳中的积累速度，同时也增加了微生物残体对土壤有机碳积累的贡献，进而也解释了秸秆覆盖处理中有机碳显著积累的原因。

3.3 秸秆覆盖造成的表底层差异

秸秆覆盖对土壤有机碳、微生物残体碳及两者比例的显著提高作用仅限于表层土壤，而在底层土壤中并未表现出显著差异（图2～4和表2）。这与秸秆的施用方式有直接关系，在表层土壤中，连续覆盖的秸秆在分解过程中形成“热点”[36]，能为微生物提供可利用的碳源、养分和能源[37]。而在底层土壤中，仅有根系分泌物能为微生物生长提供可利用养分，且在本研究中CK和SM土壤中＞10～20 cm的根系质量并没有显著差异，前人研究结果也说明秸秆覆盖对深层夏玉米根系密度没有显著提高作用[38]，因此秸秆覆盖对土壤有机碳、微生物残体碳及两者比例造成表底层的差异。同时，在其他秸秆覆盖的试验中，也发现秸秆覆盖的表层富集效应[39]。尽管秸秆覆盖没有影响底层土壤有机碳的积累，但是显著提高了整个耕层土壤（0～20 cm）的有机碳含量，进而有利于土壤碳的固存，减少碳损失。

4 结 论

本研究初步揭示了长期秸秆覆盖对玉米产量和土壤微生物残体碳积累的影响。与不覆盖秸秆相比，覆盖秸秆前2～5 a并未显著提高玉米产量、土壤有机碳及微生物残体碳的积累，而从第 6年开始，产量显著提高。利用一阶动力学模型参数得到，秸秆覆盖处理不仅显著提高了表层土壤有机碳、微生物残体碳以及两者比例的最大值，较不覆盖秸秆处理分别高 12%、39%、6%，而且显著延长了它们达到最大值的时间，较不覆盖秸秆处理分别多出13、12和2.5 a。然而秸秆覆盖处理并没有显著影响下层土壤中有机碳、微生物残体碳及两者比例的变化。这种层次效应与秸秆的施用方式有直接关系，覆盖在土壤表层的秸秆在分解过程中能为微生物提供可利用的碳源、养分和能源，进而起到刺激微生物生长、提高微生物残体积累的作用。农业生产中，秸秆覆盖模式可以实现提高耕层土壤有机碳的目标，对东北地区农业生产的合理耕作措施具有一定的借鉴和指导意义。