添加秸秆对水稻产量和土壤碳氮及微生物群落的影响

管方圆，刘 琛，傅庆林※，李 鹏，林义成，郭 彬

（1. 浙江农林大学环境与资源学院，杭州 310021；2. 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021）

0 引 言

中国是一个农业大国，但耕地质量总体偏低，中低产田占中国耕地总面积的70%。提高中低产田地力的主要措施之一是秸秆还田，一方面可以有效增加养分和有机碳的输入，另一方面可以改善土壤的结构，调节微生物种群，激发微生物活性。中国每年生产的农作物秸秆数量接近10亿t，占据了世界总产量的1/4，然而有研究表明，由于秸秆腐解慢，秸秆直接还田后当季养分无法得到有效释放，播种时部分种子被秸秆压住，影响作物出苗。鉴于此，提高土壤中秸秆腐解速率的秸秆腐熟剂成为国内外学者进一步改进秸秆还田技术的研究热点。

秸秆腐熟剂是一种可以降解并加速有机物料腐熟的农用微生物菌剂，近年来，大部分秸秆腐熟剂产品都是针对不同堆置情况下秸秆混合有机物料腐熟降解而规模化制作，但因为受外界环境条件的影响制约了现有腐熟剂的应用。未来腐熟剂产品的发展方向逐渐趋于对秸秆降解专用微生物菌剂、低温腐熟菌剂的研究。秸秆腐熟剂中有许多能够分解木质纤维素类高分子聚合物的细菌和生物酶，如木霉菌、芽孢杆菌、放线菌、纤维素酶和蛋白酶等。有研究表明，在秸秆还田时配施秸秆腐熟剂可以显著提高秸秆腐解速率，并能提升土壤肥力。宋时丽等研究认为秸秆配施腐熟剂能够快速有效地提高土壤速效氮、磷、钾等基础养分。但目前大部分研究集中于秸秆还田配施腐熟剂对于作物产量以及土壤速效养分的研究，关于秸秆还田配施腐熟剂对土壤腐殖质组分变化以及土壤微生物影响的研究较少。

秸秆除了直接还田外，还将秸秆收获后通过高温制备成生物炭再施入土壤也是改良中低产田的重要方式。Wang等研究表明，生物炭特殊的构造可以提高土壤有机质，增强土壤对养分的吸附和保留；改善土壤的微生物群落结构。但生物炭的制备过程复杂，时间成本和经济成本较高。

本研究在秸秆还田配施腐熟剂处理下，研究土壤碳氮含量和胞外酶活性的变化、腐殖质含量与组分的变化以及微生物群落结构的变化，同时与秸秆生物炭处理相比较，明确秸秆还田配施腐熟剂对土壤微生态环境的影响，期望为秸秆还田技术的推广与腐熟剂的使用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤来自于浙江省兰溪市（29°12′N，119°27′E）水稻田耕作层，土壤为第四纪红色黏土发育而来的黄筋泥田，土壤pH值6.8，有机质4.1 g/kg，全氮0.5 g/kg，碱解氮81.78 mg/kg、速效磷20.9 mg/kg、速效钾60.90 mg/kg。土壤质地为粉砂质黏壤土。采集的土壤经风干过2 mm筛后备用。试验用秸秆为水稻秸秆，养分含量为全碳385.35g/kg、全氮5.95 g/kg、全磷0.60 g/kg、全钾0.99 g/kg，粉碎为长1 cm备用。试验用腐熟剂1号为安徽全民环保科技有限公司生产的环微牌有机物腐熟剂，主要成分包括芽孢杆菌属、放线菌数、酵母菌数、木霉菌属等多种有益微生物，有效活菌数≥100亿/g，养分含量为全氮9.87 g/kg、全磷2.60 g/kg、全钾3.22 g/kg；腐熟剂2号为山东君德生物科技有限公司生产的微生物有机肥发酵粉剂，主要成分包括木霉菌、芽孢杆菌、放线菌、假单胞菌、乳酸菌、酵母菌、纤维素酶和蛋白酶等，有效活菌数20亿/g，养分含量为全氮8.69 g/kg、全磷3.1g/kg、全钾3.59 g/kg。水稻品种为浙江省农业科学院提供的浙优18。

试验用生物炭制备：原料为水稻秸秆，将水稻秸秆自然风干后剪成5 cm长的小段，放入马弗炉专用托盘内进行低氧炭化，400 ℃炭化2 h，升温速度为20 ℃/min，冷却后得到生物炭，将其粉碎并过0.150 mm（100目）筛备用；得到的生物炭pH值9.13、电导率5.01 mS/cm、全碳569.4 g/kg、全氮4.1 g/kg、全磷166 mg/kg、全钾292 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2020年8月20日至11月20日在浙江省农业科院环境资源与土壤肥料研究所实验楼温室大棚内进行。盆栽试验设5个处理，即对照为不添加秸秆和生物炭（CK）、添加秸秆处理（ST）、添加秸秆和腐熟剂1号（SB1）、添加秸秆和腐熟剂2号（SB2）、秸秆生物炭处理（SC），每个处理4次重复。处理中秸秆添加量为风干土壤质量的2%，腐熟剂添加量为添加秸秆质量的0.1%，添加的生物炭与添加的秸秆为等碳量。将各处理添加物、基肥与土壤混匀后装入盆中，每盆装相当于风干土7 kg。具体施肥量如表1所示，各处理每千克干土施入养分量N 0.8 g，PO0.4 g，KO 0.05 g。其中添加的氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。磷肥和钾肥做基肥一次施入，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=6∶2∶2施入。水稻成熟后，采集植株样品与土壤样品。土壤样品一部分风干后过筛用于养分分析，一部分冷冻干燥后保存于-80℃冰箱内用于微生物磷脂脂肪酸分析。

表1 盆栽试验施肥方案 Table 1 Fertilization schedule for pot experiment

1.3 测定指标与方法

土壤有机质与全氮测定采用元素分析仪（Vario Isotope Cube，德国Elementar）。

土壤胞外酶活性（-葡萄糖苷酶、-纤维二糖水解酶、亮氨酸氨基肽酶以及过氧化物酶）测定采用苏州梦犀生物医药科技有限公司（Suzhou Michy Biomedical Technology Co.，Ltd）的检测试剂盒。-葡萄糖苷酶单位为每天每克土产生对-硝基苯酚mol；-纤维二糖水解酶单位为每克土样每分钟催化产生葡萄糖g；亮氨酸氨基肽酶单位为每天每克土生成对硝基苯胺mol；过氧化物酶单位为每天每克土产生紫色没食子素mg。

土壤腐殖质的组分提取采用腐殖质组成修改法。分离得到腐殖物质（Humus）、胡敏酸（Humic Acid，HA）、富里酸（Fulvic Acid， FA)和胡敏素（Humin）。各组分的含碳量采用TOC分析仪（MultiN/C3100，德国耶拿）以及元素分析仪（Vario Isotope Cube，德国Elementar）测定。

微生物磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acid，PLFA）提取采用修正的Bligh-Dyer方法，使用Aligent6890气象色谱仪进行测定，使用MIDI Sherlock微生物鉴定系统对磷脂脂肪酸图谱进行成分鉴定。微生物磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acid，PLFA）的分类参考Xue等的分类方法，确定真菌PLFA、细菌PLFA、好氧菌PLFA、厌氧菌PLFA、革兰氏阳性菌PLFA、革兰氏阴性菌PLFA、甲烷氧化细菌PLFA、放线菌PLFA和原生动物PLFA。

1.4 统计分析

所有数据均为4次重复值的平均值，采用Excel 2019软件和SPSS 25.0软件进行数据统计分析。对不同处理之间土壤碳氮含量、胞外酶活性（-葡萄糖苷酶、-纤维二糖水解酶、亮氨酸氨基肽酶以及过氧化物酶）、腐殖质各组分含量以及磷脂脂肪酸总量、各菌种磷脂脂肪酸含量等数据开展单因素方差分析，并进行处理间差异显著性（<0.05）检验。图表中显示的数据为平均值±标准偏差。

2 结果与分析

2.1 稻谷产量

由表2可以看出，相比CK，ST、SB1、SB2和SC均提高了水稻稻谷产量和每穗有效粒数（<0.05）。其中秸秆配施腐熟剂2号产量最高，其理论产量为138.48 g/盆，增产了55.73%。秸秆配施腐熟剂的两组处理有效穗数相同，且高于其他3组处理。由此表明，秸秆配施腐熟剂是通过增加水稻的每穗粒数，进而显著提高稻谷产量，其增产效果优于直接添加秸秆和秸秆生物炭。

表2 不同处理下水稻稻谷产量 Table 2 Rice grain yield under different treatments

2.2 土壤碳、氮含量

不同处理下土壤全氮和全碳含量变化如表3所示。与CK相比，ST、SB1、SB2和SC均提高了土壤全碳含量，其中SC的土壤全碳含量最高，其值达到了10.22 g/kg，增加31.36%；而土壤的全氮含量提升最多的为SB2，提升了40%，但SB2与SB1无显著性差异（0.05），其次为SC和ST。土壤碳氮比是反映土壤质量的重要指标，能够有效反映土壤氮素的矿化能力。从表3可以看出，土壤 碳氮比最小的为SB1，说明土壤氮素的矿化能力SB1最强。

表3 不同处理土壤全碳、全氮和碳/氮比 Table 3 Soil carbon to nitrogen ratio under different treatments

2.3 土壤腐殖质组成

不同处理的土壤腐殖质各组分有机碳含量如表4所示。ST、SC、SB1和SB2的土壤腐殖质各组分含量较CK均有提升（<0.05）。其中腐殖物质、富里酸、胡敏酸含量均为秸秆配施腐熟剂的两组处理（SB1、SB2）最高，且两组处理之间无显著性差异，其余依次为SC、ST和CK，其中SB1腐殖物质含量比CK高50.01%；而土壤胡敏素含量最高者为SC，其余依次为SB1、SB2、ST和CK，其中SC胡敏素含量比CK高44.64%。这表明秸秆还田能够显著提高土壤腐殖质各组分含量，并且秸秆配施腐熟剂的土壤腐殖质增加幅度最大。

表4 不同处理下土壤腐殖质组成的变化 Table 4 Changes of soil humus composition under different treatments

在土壤有机质腐殖化的过程中，胡敏酸和富里酸的比值（HA/FA）是一个表征腐殖质活性的重要指标，比值越大则腐殖质活性越高，腐殖质质量越好。从表4可知，ST、SB1、SB2和SC的HA/FA比值显著高于CK，其中最高者为SB1，其比值比CK提高了20%，说明在这5个处理中SB1的土壤腐殖质活性最高，腐殖质质量最好。

2.4 土壤胞外酶活性

不同处理土壤胞外酶活性如表5所示，与CK相比，ST、SC、SB1和SB2的4种胞外酶活性均有提升（<0.05）。SB2的亮氨酸氨基肽酶、-葡萄糖苷酶和过氧化物酶等3种酶活性最高，比CK分别增加了51.75%、114.31%和48.35%；SC的-纤维二糖水解酶活性最高，比CK提升了75.84%。与ST相比，SB1和SB2的4种胞外酶活性也均有显著增加，如亮氨酸氨基肽酶活性、-葡萄糖苷酶活性、过氧化物酶活性和-纤维二糖水解酶活性分别提升了14.18%和42.38%、32.01%和69.87%、29.92%和 31.99%以及33.92%和51.29%。

表5 不同处理下土壤胞外酶活性的变化 Table 5 Changes of soil extracellular enzyme activities under different treatments

2.5 土壤微生物群落结构变化

不同处理土壤各菌群PLFA含量与总PLFA如表6所示，各处理间不同菌群PLFA含量与总PLFA均存在显著性差异。与CK相比，ST、SC、SB1和SB2均提高了土壤中细菌PLFA、真菌PLFA与总PLFA，其中SB1和SB2的细菌PLFA、真菌PLFA、放线菌PLFA、原生生物PLFA以及总PLFA均为最高，相比于CK增加了86.49%～401.59%，比ST也提高了34.41%～146.58%。但是，ST与SC之间的细菌PLFA、甲烷氧化细菌PLFA和总PLFA均没有显著差异（0.05）。

表6 不同处理下土壤磷脂脂肪酸总量及各菌群磷脂脂肪酸含量变化 Table 6 The changes of total Phospholipid Fatty Acid (PLFA) and PLFA of each flora under different treatments（nmol·g-1）

较低革兰氏阳性菌/阴性菌比值能反映出土壤中易分解有机碳的含量较为充足，而较高的真菌/细菌比值则表示该土壤具有良好的生态缓冲能力和更高的土地利用能力。从图1可以看出，SB1和SB2有着最高的真菌/细菌比值和最低的革兰氏阳性菌/阴性菌，与CK相比，SB1和SB2的真菌/细菌比值提高了80.95%和革兰氏阳性菌/阴性菌比值降低了51.28%，说明秸秆配施腐熟剂处理的土壤有着更好的养分情况以及更强的生态缓冲能力。

图1 不同处理下土壤革兰氏阳性菌/阴性菌和真菌/细菌 Fig.1 Soil gram-positive/ gram-negative bacteria and fungi/bacteria under different treatments

如图2所示，土壤磷脂脂肪酸含量的主成分分析，其中主成分1（PCA1）和主成分2（PCA2）分别解释方差贡献率为42.39%和13.10%，两者的总方差贡献率为55.49%，也就是说PCA1和PCA2共同解释了样品土壤中55.49%的微生物群落结构的变化。图2还表明，在PCA1轴正方向上，秸秆还田（ST、SB1、SB2和SC）4组处理与对照（CK）在空间分布中有着明显的差异，说明了秸秆还田对土壤微生物群落组成有显著性的影响，有利于土壤微生物活性的提升；在PCA2轴正方向上秸秆配施腐熟剂（SB1和SB2）和秸秆生物炭处理（SC）在空间分布中差异不大，但三者与秸秆直接还田（ST）有着显著差异，这说明相比于秸秆直接还田，秸秆配施腐熟剂处理和秸秆生物炭处理对土壤微生物群落结构的影响更大。

图2 土壤微生物群落结构的主成分分析 Fig.2 Principal Component Analysis (PCA) of soil microbial community structure

3 讨 论

3.1 添加秸秆促进了土壤碳氮变化和活性腐殖质积累

研究显示，秸秆配施腐熟剂处理显著提高水稻产量，这与前人的研究结果相似。研究还表明，秸秆还田能够显著提高土壤碳、氮含量，而秸秆配施腐熟剂的土壤碳、氮含量显著高于秸秆还田的，进一步证实了张亚丽等的研究结论，这是因为一方面秸秆进入土壤后经过腐解，外源添加物的进入增强了土壤中微生物活性，微生物的矿化固定过程得以增强，秸秆中的碳氮养分在土壤中得到有效的积累；另一方面秸秆腐熟剂含有相当多的活性微生物，因而其进入土壤后，增加了土壤中可降解秸秆的微生物数量，显著加快了秸秆的腐解进程，从而提高了土壤碳、氮含量。研究也发现，秸秆生物炭处理土壤碳含量显著高于秸秆配施腐熟剂处理，这是秸秆腐解过程中，一部分新鲜碳源通过土壤呼吸作用而损失，而生物炭的结构极其稳定，但与对照相比，秸秆生物炭处理和秸秆配施腐熟剂处理均能显著增加土壤碳含量。

土壤碳氮比是作物生长发育的重要影响因素，低的土壤碳氮比能够增加土壤中有效养分的释放，而高的土壤碳氮比会限制土壤中有效养分的释放，影响植物的正常生长。研究表明，秸秆配施腐熟剂显著降低土壤的碳氮比，但生物炭处理的土壤出现高的碳氮比值，说明秸秆配施腐熟剂可以显著提高土壤的养分供应能力；而由于生物炭的稳定结构，使其比秸秆还田等处理更趋于碳累积。

土壤腐殖质是土壤、沉淀物和水中有机质的重要组成成分，在一定程度上对土壤养分循环以及土壤结构调节有着重要影响。土壤腐殖质分为腐殖物质和非腐殖物质，而腐殖物质分为胡敏素、富里酸和胡敏酸3种。研究表明，秸秆还田显著增加土壤腐殖物质、胡敏素、富里酸和胡敏酸含量，这是因为添加秸秆后，秸秆在土壤微生物的作用下，先经过快速的矿化分解过程，然后进行缓慢的矿化过程并成为难以分解的腐殖物质，从而有助于土壤腐殖物质的积累，并且秸秆配施腐熟剂处理腐殖物质的积累量高于秸秆直接还田处理，万晓晓等的研究也证实了这一结果。研究还显示，与对照相比，秸秆配施腐熟剂的HA/FA比值高于秸秆生物炭和秸秆直接还田等处理，而秸秆生物炭处理中HA/FA比值的增加并不明显，这可能是因为腐熟剂加快了秸秆的腐解速度，从而促进了土壤中活性腐殖质如类富里酸物质的大量积累；而秸秆生物炭虽然能够带给土壤中充足的碳源，但由于秸秆生物炭结构极稳定，其对于腐殖质活性的促进作用较弱。

3.2 添加秸秆改善了土壤养分供给能力和生态缓冲能力

土壤细胞外酶由土壤微生物合成和分泌的，是有机物形成、分解和调节C、N和P循环的重要因子，其活性对评价土壤养分水平有着重要意义。研究显示，秸秆还田和生物炭都显著提高土壤亮氨酸氨基肽酶、-葡萄糖苷酶和过氧化物酶和-纤维二糖水解酶活性，并且秸秆配施腐熟剂处理能进一步提高土壤亮氨酸氨基肽酶、-葡萄糖苷酶和过氧化物酶等酶活性，而生物炭的亮氨酸氨基肽酶、-纤维二糖水解酶和过氧化物酶等酶活性比秸秆还田的高。这是因为秸秆还田后，一方面为土壤中微生物的活动提供载体，另一方面为土壤中相关微生物的活动提供了能量原料，从而导致土壤酶活性的提高，而腐熟剂能够加快秸秆腐熟过程，更快速地提升土壤酶活性；生物炭也为微生物提供活动场所和能源，促进了微生物分泌酶，从而提高了相关酶的活性。

秸秆是一种天然物质，其添加到土壤中不仅能为微生物活动提供了载体与能源，提高了微生物活性，而且还将会引起微生物群落结构的变化。已经有研究显示，秸秆还田提高了土壤中细菌、真菌、放线菌群体数量，而秸秆配施腐熟剂加快了秸秆的腐解速度，增加了土壤微生物群落的多样性指数和物种丰富度。本文研究表明，秸秆还田显著增加了土壤细菌PLFA含量、真菌PLFA含量、放线菌PLFA含量和总PLFA含量，并且秸秆配施腐熟剂进一步提高真菌PLFA、细菌PLFA与总PLFA含量，降低了革兰氏阳性菌/阴性菌比值和提高了真菌/细菌比值；但是生物炭与秸秆还田之间的细菌PLFA、甲烷氧化细菌PLFA和总PLFA均没有显著差异。已有研究发现，革兰氏阳性菌喜欢利用腐殖化程度更高的有机质，革兰氏阴性菌则更喜欢利用较为新鲜的植物碳源，因此较低的革兰氏阳性菌/阴性菌比值则可以说明土壤中易分解有机碳的储备更为充足，而较高的真菌/细菌比值表明土壤具有良好的生态缓冲能力和更高的土地利用能力。因此，秸秆配施腐熟剂有助于提高土壤微生物群落活性与多样性，改善了土壤养分供给能力和增强了土壤生态缓冲能力。

4 结 论

通过添加秸秆对黄筋泥田水稻产量、土壤碳氮和微生物学特性的影响研究，得出主要结论如下：

1）添加秸秆增加水稻产量，其中SB2增产55.73%；提高了土壤腐殖物质含量和胡敏酸HA/富里酸FA比值，其中SB1腐殖物质含量增加50.01%、胡敏酸HA/富里酸FA比值提高20%。因此添加秸秆能够促进土壤腐殖物质的积累，从而提高土壤肥力。

2）添加秸秆对土壤碳氮相关酶活性和微生物具有协同效应，即添加秸秆提高土壤的-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性，其中SB2的-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性分别增加114.31%和51.75%；同时提高了土壤各菌群磷脂脂肪酸含量以及总磷脂脂肪酸含量和真菌/细菌比值，并降低了革兰氏阳性菌/阴性菌比值，其中SB1和SB2的各菌群磷脂脂肪酸含量和总磷脂脂肪酸含量提高34.41%～401.59%， SB2的真菌/细菌比值提高80.95%，而SB2的革兰氏阳性菌/阴性菌比值降低51.28%。因此，添加秸秆改善土壤微生物群落结构，增强了土壤的养分供给能力和生态缓冲能力。

3）秸秆生物炭能够增加土壤全碳含量31.36%，-纤维二糖水解酶活性提高75.84%，但秸秆生物炭的土壤胡敏酸/富里酸（HA/FA）的比值均低于SB1和SB2，从而减弱了其对腐殖质活性的促进作用。

综上所述，秸秆还田可作为中低产黄筋泥田地力提升的重要措施之一。