有机物料还田土壤碳、氮及微生物量动态影响研究

谷月， 吴景贵

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

有机物料是指农业生产、农产品制作加工、畜禽养殖等人类活动产生的各类富含有机质的物质总称。近年来，有机物料的数量急剧上升，由于有机物料中富含碳、氮、磷、钾及多种微量元素，处理不当会造成严重的环境污染。因此,有机物料的回收利用刻不容缓[1]。有机物料可提高土壤有机质、改善土壤结构，是农业生产中改良土壤性质的有效措施之一[2-3]。研究表明，有机物料还田可以稳定土壤孔隙结构，促进水分入渗，增加土壤团聚体稳定性，促进有机质积累[4-6]。由于土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）含量在短期内变化较小，因此，具有灵敏、周转速率更快等特点的土壤微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）被广泛用来反映土壤肥力变化[7]。研究表明，秸秆还田有助于土壤微生物量碳、氮含量的增加[8-9]。但对于物料还田后，土壤微生物量在玉米生育期内含量的变化在不同研究中呈现出不同的结果，吴荣美等[10]发现，秸秆还田后表层土壤微生物量呈现出先上升后持续下降的趋势；贾会娟[11]发现施用秸秆后，土壤微生物量在玉米生育期内呈先上升后下降再略微回升的趋势，且成熟期较种植前期有所增加；而薛菁芳等[12]和于树等[13]研究发现，土壤微生物量的变化趋势呈先上升后下降再上升再下降的波动变化。因此，本研究拟探究不同类型有机物料还田后对土壤碳、氮含量的动态影响。除此之外，目前的研究主要为单一地膜覆盖或单一滴灌技术下施用有机物料[14-15]，而覆膜滴灌技术是结合了地膜覆盖以及滴灌的优点形成的一套完善的灌溉技术，适宜多种农作物[2]。因此，本研究将覆膜滴灌技术与有机物料耦合在一起，观测物料还田对土壤碳、氮的增加效应。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

试验于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗图牧吉镇（E 123°00′，N 46°17′）进行，该地属于半干旱地区。年平均气温3.24℃，年降雨量300～400 mm，年平均日照时数2 592 h，年太阳辐射总量5 362.46 MJ·m-2，≥10℃有效积温2 700～3 300℃，无霜期120～140 d。供试土壤为栗钙土，土壤基本理化性质详见表1。

表1 试验地基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the test

1.2 试验设计

试验于2019年4月进行，分别设置施用玉米秸秆（maize straw,MS）、牧草（forage grass,FG）和羊粪（sheep manure,SM），以不施用外源物为空白对照（CK）。羊粪来源于内蒙古图牧吉镇养羊场，以绵羊为主；秸秆为玉米秸秆；牧草来源于扎赉特旗牧场，以羊草为主。不同物料基本化学性质见表2。根据等碳原则（依据秸秆还田碳量）施入，其中，秸秆 1.36万 kg·hm-2，牧草 1.68万 kg·hm-2，羊粪3.18万kg·hm-2。将秸秆和牧草粉碎、羊粪腐熟后进行还田；在大垄行间0～30 cm进行开沟施入物料后覆土。采用随机区组设计，每处理3次重复。各重复小区面积均为5 m×10 m，采用机械化覆膜滴灌的栽培方式，所用地膜为白地膜，厚8µm，宽80 cm。玉米种植密度均为6.75万株·hm-2，各处理除添加物料外，均配施化肥，于播种前期施用二胺（N 64%）37.5 kg·hm-2作为口肥；施用450 kg·hm-2的复合肥（N-P-K=15-15-15）作为底肥；分别在玉米的拔节期、大喇叭口期、抽雄前期使用尿素（N 46%）90 kg·hm-2作为追肥（共270 kg·hm-2）。

表2 不同来源有机废弃物的基本性质Table 2 Basic properties of agricultural waste materials from different sources

1.3 项目测定及方法

1.3.1 样品采集 分别于播种后30（苗期）、60（拔节期）、90（大喇叭口-抽雄期）、120（灌浆期）和150 d（成熟期）按“S”形5点取样法采集玉米生育期内0—20 cm土层土壤样品，混合后去除作物残渣和碎石，分成2份：一份过2 mm筛，于4℃保存，用于测定土壤微生物量碳、土壤微生物量氮；另一份风干后磨碎，过0.25 mm筛，用于测定土壤有机碳及全氮含量。

1.3.2 指标测定 土壤养分含量测定采用常规分析方法[16]，木质素和纤维素的测定采用范氏酸性洗涤剂法[17]，土壤MBC、MBN测定采用氯仿熏蒸浸提法[18]，并计算土壤微生物碳熵（quotient of microbial biomass carbon，qMBC）、土壤微生物氮熵（quotient of microbial biomass nitrogen，qMBN）和土壤代谢熵（soil metabolic quotient，qCO2）[18]。

1.4 数据分析

采用Excel 2016、SPSS 21.0及Origin2017进行数据处理和作图，采用一般线性模型进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机物料还田对SOC、TN的影响

在玉米生育期内不同处理SOC含量如图1所示，随着玉米生育进程，土壤中SOC含量呈递增趋势。与对照相比，施用有机物料增加了SOC含量，表现为SM＞MS＞FG。在播种后60 d时，SM和MS处理显著高于FG和CK处理；在播种后90 d，SM处理显著高于FG和CK处理；在播种后120 d时，SM处理显著高于MS、FG和CK处理。相同物料施用条件下，不同时期SOC含量不同，与播种后30 d相比，播种后150 d时FG处理SOC含量增加10.9%、MS处理增加9.1%、SM处理增加12.8%、CK增加4.4%。

图1 不同处理土壤有机碳含量Fig.1 SOC contents of different treatments

在玉米生育期内不同来源有机物料下土壤TN含量如图2所示。试验初始时，土壤TN含量为1.18 g·kg-1（表1），施用有机物料后，土壤TN含量在玉米生育期内均高于CK。SM处理土壤TN含量在各生育期均为最高，在播种后60 d时显著高于FG和CK处理；在播种后120 d时显著高于CK；在播种后150 d时显著高于FG和CK处理。在玉米生育期，SM、MS和CK处理土壤TN含量均呈现先降低后上升的趋势；FG则呈现先降低再上升再下降的波动趋势，与播种后30 d相比，SM处理在播种后150 d时的土壤TN含量增加了2.94%。

图2 不同处理的土壤全氮含量Fig.2 TN contents of different treatments

2.2 不同有机物料还田对MBC、MBN的影响

土壤微生物量碳（MBC）是土壤有机质中较为活跃的部分，其变化可以敏感地反映出土壤有机碳含量的变化。在玉米生育期内施用有机物料后MBC含量如图3所示。试验初始时，MBC含量为54.21 mg·kg-1（表1），施用有机物料后土壤MBC含量在各时期均有所增加，表现为MS＞SM＞FG＞CK。随着玉米的生长发育，MBC含量表现出先升高后降低的趋势，在播种后90 d时达到峰值，其中，MS处理最高，为118.24 mg·kg-1，且MS处理在不同时期间变幅最大。

图3 不同处理的土壤微生物量碳含量Fig.3 MBC contents of different treatments

不同处理在玉米生育期内土壤MBN含量如图4所示。试验初始时，土壤MBN含量为11.35 mg·kg-1（表1），施用有机物料后，各处理土壤MBN含量均有所增加，表现为MS＞SM＞FG＞CK。土壤MBN含量在玉米生育期内先增高后降低，在播种后90 d时达到峰值，其中，MS处理最高，为41.21 mg·kg-1，且MS处理在不同时期的土壤MBN变幅最大。

图4 不同来源有机物料下土壤的微生物量氮含量Fig.4 MBN content of organic materials from different sources

2.3 不同有机物料还田对MBC/MBN、qMBC及qMBN的影响

与CK处理相比，在玉米生育期内施用有机物料后MBC/MBN值降低，降幅为2.19～7.22。随着玉米的生长生育，CK处理的MBC/MBN值先升高后降低再升高；而FG、SM、MS处理呈现先下降后上升的趋势，且各处理间的差异逐渐减弱。玉米生育期内，土壤qMBC值的变化如表3所示，各处理qMBC为0.42%～0.78%。与CK相比，有机物料还田均在不同程度上增加了土壤qMBC。随着玉米的生长发育，各处理qMBC均表现为先升后降，在播种后90 d时qMBC值达到峰值，其中，播种后30～150 d，MS处理的增幅最大，为11.76%。各处理土壤qMBN值为0.98%～5.99%（表3），各处理均呈先升后降的趋势，在播种后60 d时达到峰值；MS处理在各时期的qMBN值均高于其他处理，在播种后30～150 d，qMBN增加6.95%。

表3 不同有机物料还田下土壤微生物量碳氮比、qMBC及qMBNTable 3 Soil microbial biomass carbon to nitrogen ratio，qMBC and qMBN under different organic materials returned to the field

2.4 不同有机物料还田对土壤代谢熵（qCO2）的影响

土壤代谢熵（qCO2）反映了土壤微生物对碳源的利用效率，其值越大说明微生物对土壤有机质分解时将更多碳分配于呼吸作用，导致其对碳源的利用效率降低。由表4可知，播种后30 d时，MS处理土壤qCO2值较高；60～120 d时，CK处理较高；150 d时，MS处理较高；但不同处理间差异均不显著（P＞0.05）。

表4 不同处理的土壤代谢熵Table 4 Soil qCO2 of different treatments

2.5 不同有机物料还田各指标之间相关性分析

由表5可知，土壤SOC与TN呈极显著正相关；MBC与MBN、qMBC以及qMBN呈极显著正相关，与MBC/MBN呈极显著负相关；MBN与qMBC、qMBN呈极显著正相关，与MBC/MBN呈极显著负相关；MBC/MBN与qMBC、qMBN呈极显著负相关；qMBC与qMBN呈极显著正相关。尽管SOC和TN与MBC和MBN相关不显著，但却存在正效应，即物料还田为微生物提供了充足的碳、氮元素，提高了MBC、MBN含量，与前人研究结果一致[19-20]。

表5 土壤微生物量碳氮与土壤有机碳、全氮的相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil microbial biomass carbon and nitrogen with soil organic carbon and total nitrogen

3 讨论

有机物料含有作物生长需要的营养元素，还田后在微生物的作用下释放，增加土壤养分。本研究探讨了有机物料还田后土壤SOC、TN、MBC、MBN、MBC/MBN、qMBC、qMBN以及qCO2在玉米生育期内的变化趋势，结果表明，与CK相比，有机物料还田增加了SOC含量；3种物料中，SM较FG和MS效果更优，可能是由于有机物料的不同来源以及腐解周期的长短影响了土壤有机碳含量[21]。SM分解周期短，在短时间内使得土壤中较小的颗粒胶结成较大粒径的团聚体，使得碳元素得到物理保护。研究表明，等碳量还田时粪肥对土壤有机碳含量的提升效果好于MS和FG还田[22]。

除SOC外，有机物料还田还能增加土壤TN含量。在3种有机物料中，SM还田效果最优。有机物料进入土壤后，在微生物的作用下腐解，为土壤补充氮素，提高土壤中全氮含量。研究表明，玉米在不同生育阶段对养分的需求量存在较大差异，如在快速生长和生殖生长期，根系会吸收大量氮素以满足植株生长需求，从而导致土壤TN含量下降；而当生长停止时，对土壤氮素需求量较小，且在该阶段，施入的废弃物料充分腐解，氮素供应能力趋于平缓[23-24]。本研究结果与前人研究结果一致，土壤TN含量呈现波动变化；而不同物料处理间的差异可能是由于自身物质的组成差异，也可能受气温、降水、土壤水热状况、微生物等多种因素影响[25]。

有机物料还田显著增加了土壤MBC、MBN含量，与周元等[26]、Li等[27]研究结果一致。MBC、MBN含量在播种后90 d时达到峰值，一方面可能是由于播种后90 d时的土壤温度、湿度更适宜微生物的生长和繁殖，有利于碳、氮的固定；另一方面可能是随着时间的推移，物料腐解速率达到最大，可供微生物利用的碳、氮达到最大量，且微生物数量最多，因此，土壤MBC和MBN含量最高[28]。不同物料处理的土壤MBC和MBN含量存在差异，但差异均不显著，一方面可能是由于试验当年的降雨、温度、湿度等环境条件较好，且试验采取覆膜滴灌技术，水热等条件较为稳定，所以土壤微生物活性较为稳定[29]；另一方面可能是由于不同物料释放碳、氮的速率存在差异，具体原因仍需要进一步探讨。

MBC/MBN、qMBC、qMBN能够有效反映有机物料还田后土壤碳素和氮素的活性变化。MBC/MBN反映了土壤微生物群落的结构信息，一般细菌为 5∶1；放线菌为6∶1[30]。本研究表明，不同处理在玉米各生育期土壤MBC/MBN值为2.19～7.22，说明土壤微生物群落以细菌和放线菌为主。有机物料还田处理的MBC/MBN值低于CK，一方面可能是由于作物的生长发育加速了土壤中碳的消耗[31]；另一方面可能是由于外源有机物料的施入增加了土壤中微生物量氮含量，导致MBC/MBN下降。qMBC能够反映土壤有机质的变化[32]。3种有机物料还田后，SM处理的qMBC和qMBN值低于其他物料还田，说明SM不易被土壤中微生物利用，更多的以SOC、TN含量贮存在土壤中；MS处理的qMBC和qMBN值高于其他物料还田，说明MS被微生物利用后，更多的以活性微生物量有机质在土壤中积累。

土壤代谢熵（qCO2）能够反映微生物的活性，是联系微生物活性、生物有机质以及微生物功能的纽带[33]。在生育中期（播种后60～120 d），CK处理的土壤代谢熵最高，可能是由于物料的加入，一方面改善了土壤结构和通气透水的性能[34]，使土壤微生物的群落组成和酶活性发生变化[35-37]；另一方面，有机物料腐解物具有表面积大、疏松多孔等特征，易与土壤形成团聚体，将土壤有机质保护起来，降低微生物的利用率[38]。