秸稈集中溝埋還田對土壤氮素分布及微生物群落的影響

許明敏，馮金俠，陳衛(wèi)平，楊海水，劉建，卞新民*，陸巍*

（1.南京農業(yè)大學生命科學學院，南京210095；2.南京農業(yè)大學農學院，南京210095；3.江蘇沿江地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇南通226541）

秸稈集中溝埋還田對土壤氮素分布及微生物群落的影響

許明敏1，馮金俠2，陳衛(wèi)平2，楊海水2，劉建3，卞新民2*，陸巍1*

（1.南京農業(yè)大學生命科學學院，南京210095；2.南京農業(yè)大學農學院，南京210095；3.江蘇沿江地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇南通226541）

秸稈集中溝埋還田（DB-SR）是一種新型土壤耕作方式，能夠形成特殊的“秸稈層”結構。通過研究秸稈層及其界面土壤的氮素含量和微生物群落結構，以期闡明秸稈層對土壤氮素分布以及微生物群落的影響。設置秸稈溝埋還田深度為20 cm、40 cm以及對照（秸稈不還田）3個處理，測定秸稈層及其界面土層（±5 cm）的NH+4-N與NO-3-N含量，分析微生物量碳（MBC）及群落結構特征。研究發(fā)現，“秸稈層”對氮素具有滯留作用，并能夠持續(xù)60個月。在20 cm埋深下，秸稈層提高了其界面上下土層的MBC，但對多樣性指數的影響不顯著；在40 cm埋深下，水稻秸稈層界面土壤MBC隨時間先減小后增大，多樣性指數隨時間延長而增加；小麥秸稈層界面土壤MBC隨時間先增大后減小，多樣性指數隨時間先減小后增大。微生物群落碳源利用主成分分析表明，秸稈層微生物能很好地利用各類碳源，其界面土壤的微生物代謝活性也比CK處理有所提高。對應分析表明，小麥秸稈在20 cm埋深下，NH+4-N、NO-3-N與界面土層微生物群落具有相關性，MBC與秸稈層微生物群落顯著相關；在40 cm埋深下，NH+4-N、NO-3-N和MBC與秸稈層微生物群落變異顯著相關。綜上可知，“秸稈層”能有效滯留氮素，減少土壤氮素淋失，增加土壤微生物群落功能多樣性。

秸稈溝埋還田；秸稈層；氮素分布；土壤微生物

秸稈還田一直是循環(huán)農業(yè)的研究熱點。研究表明，秸稈還田能夠有效改善農田土壤生態(tài)過程［1］。傳統(tǒng)秸稈還田大多采取秸稈切碎后旋耕還田的方式，而這種還田方式會對作物產生不利影響［2］。例如，秸稈集中在土壤淺層，秸稈腐解導致微生物與作物根系競爭氮素，影響作物苗期生長［3］。因此，許多學者對此提出質疑，并積極探討解決策略［4］。目前，已有研究者提出了“秸稈深還（CSDI）”，該還田方式在解決玉米秸稈難以處理的同時有效地改善了土壤狀況［5-6］。

針對稻麥輪作區(qū)，本課題組提出了秸稈集中溝埋還田［7］。秸稈集中溝埋還田是一種將當季收獲的作物秸稈以秸稈全量集中埋于占全田面積10%的深溝中，通過逐季輪換挖溝位置，實現全田漸進式深翻的新型土壤耕作技術。由于秸稈集中深埋，秸稈腐解速率迅速降低，一定時間內秸稈得以保留在土壤中，形成特殊“秸稈層”結構。秸稈的性質異于其鄰近土層，有研究表明，秸稈對土壤氮素有較好的攔截效果［8］。因此，通過研究大田試驗的秸稈層及其界面土層有效態(tài)氮素的分布情況，有助于理解在生產中秸稈層結構的實際作用。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡的關鍵因素，對土壤中有機物、養(yǎng)分的轉化和循環(huán)起重要作用［9］，與作物生長也有很大聯系［10］，輸入的秸稈在腐解過程中對微生物群落結構、功能和演替變化規(guī)律起著重要調控作用［11］。因此，分析秸稈層際土壤微生物群落結構及功能，對理解集中溝埋還田影響土壤生態(tài)過程及闡明作物增產機理非常重要。

本文通過研究秸稈層及其界面土層的氮素分布和微生物群落結構的狀況，闡明秸稈集中溝埋還田中“秸稈層”在土壤氮素分布方面的作用，以及土壤微生物群落對秸稈集中溝埋還田的響應情況。旨在為該新型秸稈還田技術提供理論依據。

圖1 小區(qū)埋草溝示意圖Figure 1 Straw ditch distribution in experimental plot

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗始于2008年11月，在南通市農科院試驗田進行，試驗開始的前茬作物為水稻。供試土壤類型為潮土，0～20 cm土壤主要理化性質：容重1.40 g·cm-3，總孔隙度47.07%，毛管孔隙度40.46%，有機質20.45 g·kg-1，總氮1.62 mg·kg-1，速效磷12.75 mg·kg-1，速效鉀44.41 mg·kg-1，pH 7.5。

1.2 試驗設計

設置三個處理：還田深度為20 cm（DB-SR-20）、40 cm（DB-SR-40）以及免耕不還田（CK），每個處理重復三次。小區(qū)面積為3 m×6 m，每個小區(qū)設三條相同埋草溝，溝間距為2 m，溝寬0.2 m，溝長3 m。第1條埋草溝埋入2008年10月收獲的水稻秸稈，第2條埋草溝埋入2009年6月收獲的小麥秸稈，兩條溝間距為1 m，埋草溝開挖及輪換次序如圖1所示。當小區(qū)預定埋草溝全部埋完時，從第1條埋草溝重新開始，即完成一個周期（5年）。以當地水稻秸稈量10 000 kg·hm-2，小麥秸稈量5000 kg·hm-2為參照還田量，折算為水稻秸稈溝埋量為6 kg·溝-1，小麥3 kg·溝-1。覆土完畢，對全田地面進行淺旋（約5 cm）。試驗采用稻麥兩熟種植制度，水稻品種為南粳44，小麥品種為揚麥13。田間管理按當地常規(guī)生產管理。

1.3 研究方法

1.3.1 采樣方法

于2014年6月小麥收獲后，在試驗區(qū)開挖剖面，每條埋草溝取樣，以秸稈層為0參照，分別采集DBSR-20和DB-SR-40的秸稈層及其上下0～5 cm土層樣品；對照樣品采自與DB-SR-20和DB-SR-40相同深度土層。每條埋草溝采集三個樣品并混合，三次重

復。一部分鮮土存于4℃冰箱，用于土壤微生物群落分析；另一部分土樣風干后測定土壤氮素。

1.3.2 測定方法

采用納氏試劑比色法［12］測定，雙波長分光光度法［13］測定NO-3-N。選取埋入水稻秸稈6、30、54個月以及小麥秸稈12、36、60個月的埋草溝樣品，用Biolog EcoPlateTM法［14］分析微生物群落特征（秸稈層對照為生理鹽水），氯仿熏蒸浸提法［15］測定MBC。

1.4 數據分析

實驗數據用Microsoft Excel 2013進行整理，用SPSS 22以及R-3.3.0進行分析，用Origin 8.0繪制圖表。本文圖表中的誤差線表示測定重復值的標準偏差，不同小寫字母表示差異顯著（單因素方差分析，LSD多重比較，P＜0.05）。

香農多樣性指數（H）按下式計算：

Pi=每個孔吸光度/所有吸光度之和［14］

將Biolog EcoPlateTM中的31種碳源分為6類后，依據微生物對碳源的利用情況進行主成分分析（Principal component analysis，PCA），加入環(huán)境因子和MBC進行對應分析（Correspondence analysis，CA）。其中PCA及CA均采用R語言的Vegan 2.3-5軟件包［16］。

N H+4-N、N O-3-N

2 結果與分析

2.1 土壤氮素分布情況

2.2 微生物群落

2.2.1 微生物量碳（MBC）和香農多樣性指數

水稻秸稈層際MBC和香農多樣性指數如表1所示。DB-SR-20處理不同時期秸稈層MBC均比其界面土層高，還田6個月時界面上土層顯著高于其他時期及CK；秸稈層與界面下土層的MBC均隨時間顯著減小，下土層顯著大于CK。DB-SR-40處理的秸稈層與其界面上土層的MBC含量差異較小，均顯著高于下土層；秸稈層MBC隨還田時間先增后減，界面土層的變化規(guī)律相反，但顯著高于CK。DB-SR-20和DBSR-40處理各時期秸稈層的微生物多樣性指數差異不顯著，均高于其界面土層，DB-SR-20處理秸稈界面土層與CK無顯著差異，DB-SR-40處理秸稈界面上土層在還田6個月時低于其他時期及CK，下土層均顯著高于CK。

小麥秸稈層際MBC和香農多樣性指數如表1所示。DB-SR-20處理秸稈層與其界面土層的MBC隨還田時間變化顯著，秸稈層與界面上土層先減后增，界面下土層變化規(guī)律相反，均顯著高于CK；DB-SR-40處理秸稈層的MBC隨還田時間顯著增加，界面土層的MBC隨還田時間先增后減，均顯著高于CK。DB-SR-20和DB-SR-40處理各時期秸稈層的微生物多樣性指數差異不顯著，均高于其界面土層。DBSR-20處理各時期秸稈界面土層的微生物多樣性指數無顯著變異，與CK亦無顯著差異；DB-SR-40處理秸稈界面土層的微生物多樣性指數隨還田時間先減后增，變化顯著，還田36個月時界面土層微生物多樣性指數顯著低于CK，在還田60個月后恢復到對照水平。

圖2 不同時期水稻（a-b、e-f）和小麥（c-d、g-h）秸稈層及其界面土層的NH+4-N與NO-3-N含量Figure 2 NH+4-N and NO-3-N in the straw layer of rice（a-b，e-f）and wheat（c-d，g-h）as well as their neighbor soil layers under DB-SR-20 and DB-SR-40 with different decomposing time

水稻秸稈層與其界面土層的微生物群落存在顯著分異。秸稈層樣點分布在PC1正方向，DB-SR-20處理的樣點隨還田時間在PC2方向變化顯著（圖3 a），而DB-SR-40處理的樣點相對集中（圖3 b）；兩個埋深處理的秸稈界面土層的樣點都主要分布在PC1負方向且較為集中。各類碳源在PC1和PC2上的貢獻得分（表2）表明秸稈層的微生物均能較好地利用各類碳源，其中DB-SR-20處理的秸稈層微生物對各類碳源的利用偏好隨還田時間發(fā)生了顯著變化，由開始的糖類轉為氨基酸類，最后恢復平衡。界面土層微生物代謝活性要弱于秸稈層微生物，但均強于CK，對碳源的利用偏好也無顯著的變化。微生物群落與N素以及MBC的對應分析發(fā)現，在DB-SR-20與DBSR-40處理中和MBC均與秸稈層微生物群落有較強的相關性的作用最大，與界面土層的微生物群落負相關，并且與CK距離最遠。

小麥秸稈層與其界面土層的微生物群落也分異顯著。秸稈層樣點在PC1正方向，分布特點也是隨還田時間的變化樣點在DB-SR-20處理中比DB-SR-40處理分異更大；不同的是，DB-SR-20處理中小麥秸稈層微生物樣點隨還田時間的延長逐漸從PC2正方向移至負方向（圖3 c）。碳源在PC1和PC2上的貢獻得分說明，小麥秸稈層微生物在初期偏向于利用糖類，后隨還田時間的延長逐漸轉變?yōu)槠渌惖奶荚?。界面土層的樣點主要集中在負方向，微生物群落的代謝活性比CK強，在成分坐標系中無顯著分異。微生物群落與MBC以及土壤環(huán)境中的N素對應分析發(fā)現；在DB-SR-20處理中，MBC與秸稈層微生物群落對應相關，N素與界面土層的群落對應相關；在DBSR-40處理中，秸稈層微生物群落與和MBC均對應相關，還田時間較短的與有較強的對應關系，而界面土層微生物群落與MBC及N素負相關。

表1 不同時期秸稈層及其界面土層的微生物量碳（MBC）、香農多樣性指數（H）Table 1 Microbial biomass carbon（MBC）and Shannon diversity index（H）in straw layer and its neighbor soil layers under DB-SR-20 and DB-SR-40 with different decomposing time

3 討論

研究發(fā)現，集中溝埋還田的“秸稈層”結構，具有以下功能：一是能夠較長時間地滯留氮素，減少土壤氮素淋失；二是能夠改變土壤微生物群落結構，增加微生物群落的功能多樣性。

首先，秸稈層能滯留土壤中的有效態(tài)N素，但水稻與小麥秸稈層的滯留效果不同。水稻秸稈層在DBSR-20和DB-SR-40處理中對NH+4-N、NO-3-N都有

圖3 水稻秸稈層和界面土層微生物群落主成分分析及其與N、MBC的對應分析Figure 3 PCA of microbial community in straw layer and its neighbor soil layers，and CA of microbial community to N and MBC

表2 各類碳源在PC1和PC2的得分Table 2 Scores of carbon source in the PC1 and PC2

其次，秸稈層能顯著提高其界面土層的MBC，對微生物多樣性指數的影響差異較大。DB-SR-20處理的秸稈層對界面土層微生物多樣性指數的影響較小，與CK無顯著差異，而DB-SR-40處理的秸稈層對界面土層微生物多樣性指數的影響較大，且隨還田時間變化顯著。微生物碳源利用主成分分析表明，秸稈層微生物代謝活性較強，也顯著提高了其界面土層微生物的代謝活性。對應分析表明，N素和MBC與秸稈層微生物對應相關，與界面土層相關性弱；小麥與水稻秸稈不同，在20 cm埋深下，N素與界面土層微生物群落有相關性，40 cm埋深下，N素和MBC與秸稈層對應相關，其中作用較顯著。主要可能原因如下：第一，相對于CK處理，秸稈本身提供了充足的碳源，加上秸稈層對N素等營養(yǎng)物質的滯留，使秸稈層及其界面土壤微生物活性顯著增強；第二，本課題組吳俊松等［20］研究表明，挖溝深翻以及秸稈層結構增加了土壤孔隙度，這能改善土壤通氣狀況，使土壤微生物活動增強，在40 cm埋深情況下這種作用尤為顯著；第三，水稻與小麥秸稈性質的差異（如C/N值、Si含量）能顯著影響微生物對利用碳源種類的選擇，但其中的具體機制還有待進一步研究。因此，集中溝埋還田條件下秸稈層對土壤微生物群落變化的影響，需結合其他手段開展更多的研究。

總之，秸稈集中溝埋還田對土壤生態(tài)過程具有較好的改良效應，為稻麥兩熟制秸稈的有效處理提供了有益參考。然而，該技術的推廣應用需要配套機械，但是，目前相關機械還未成型。因此，未來研究工作需要集中精力研發(fā)集秸稈撿拾、開溝、埋草、覆土于一體的該型技術的配套機械。

4 結論

（1）“秸稈層”對氮素具有滯留作用，且這種滯留作用至少能維持一個耕作周期。水稻與小麥秸稈層的滯留能力不同，水稻秸稈在埋深20 cm和40 cm條件下對均有較強的滯留效果，而小麥秸稈在埋深40 cm條件下對的滯留作用較弱，對滯留效果較強。

（2）秸稈層能夠提高MBC與微生物多樣性指數。在20 cm埋深下，秸稈界面土層MBC顯著提高，但微生物多樣性指數變化不顯著；在40 cm埋深下，秸稈層對界面土層土壤微生物的影響具有滯后性，水稻秸稈界面土層MBC隨時間先減小后增大，微生物多樣性指數隨時間增加而增加，小麥秸稈界面土層MBC隨時間先增大后減小，而微生物多樣性指數隨時間先減小后增大。

（3）秸稈層微生物能夠很好地利用各類碳源，顯著增強土壤微生物的代謝活性。還田初期秸稈層微生物偏向于利用糖類，后期對各類碳源利用均衡。N素和MBC與水稻秸稈層微生物對應相關性較強，與界面土層相關性較弱。小麥秸稈20 cm埋深下，N素與界面土層微生物群落有相關性；40 cm埋深下，N素和MBC與秸稈層對應相關，其中作用關鍵。

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Effects of ditch-buried straw return on nitrogen distribution and microbial community in the straw-soil interface

XU Ming-min1，FENG Jin-xia2，CHEN Wei-ping2，YANG Hai-shui2，LIU Jian3，BIAN Xin-min2*，LU Wei1*
（1.College of Life Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.College of Agriculture，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；3.Institute of Agricultural Science along Yangtze River in Jiangsu，Nantong 226541，China）

Ditch-buried straw return（DB-SR）is a novel soil tillage practice which forms a special"straw layer"structure.In order to elaborate the role of straw layer on soil nitrogen distribution and microbial community，a field experiment was conducted under DB-SR with three burial depths（20 cm：DB-SR-20；40 cm：DB-SR-40 and CK）.NH+4-N，NO-3-N，microbial biomass carbon（MBC）and community level physiological profile（CLPP）were determined in the straw layer and its interface soil layers under different treatments.Results showed that the structure of"straw layer"had positive effect on nitrogen retentions.In DB-SR-20，the straw layer increased MBC at the interface of straw layer，but no significant effect was found for the functional diversity.In DB-SR-40，MBC decreased at first and then increased at the interface of rice straw layer，but the pattern was reversed for wheat straw layer.Microbial diversity index（H）increased for rice straw but decreased at first and then increased for wheat straw layer over time.CLPP suggested that the microorganisms of straw layer could utilize various carbon sources，and their metabolic activity was higher than CK.In DB-SR-20 for wheat straws，NH+4-N and NO-3-N were significantly related to variation of microbial community in the straw-soil interface，but MBC was correlated to the microbial community in the straw layers.In DBSR-40，NH+4-N、NO-3-N and MBC were significantly correlated to the variation of microbial communities in the straw layers.This study suggested that the"straw layer"could effectively increase soil N retention，and increase the functional diversity of soil microbial community.

ditch-buried straw returning；straw layer；nitrogen distribution；soil microorganisms

X712

A

1672-2043（2016）10-1960-08

10.11654/jaes.2016-0533

許明敏，馮金俠，陳衛(wèi)平，等.秸稈集中溝埋還田對土壤氮素分布及微生物群落的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（10）：1960-1967.

XU Ming-min，FENG Jin-xia，CHEN Wei-ping，et al.Effects of ditch-buried straw return on nitrogen distribution and microbial community in the straw-soil interface［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（10）:1960-1967.

2016-04-18

國家自然科學基金項目（31400373）；南通市科技計劃關鍵技術研究項目（MS22015040）作者簡介：許明敏（1989—），男，江西贛縣人，碩士研究生。E-mail：2013116030@njau.edu.cn

*通信作者：卞新民E-mail：bjxlml@163.com；陸巍E-mail：luw@njau.edu.cn