豆科秸稈、氮肥配施玉米秸稈還田對秸稈礦化和微生物功能多樣性的影響

李濤，葛曉穎，何春娥，歐陽竹*

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

豆科秸稈、氮肥配施玉米秸稈還田對秸稈礦化和微生物功能多樣性的影響

李濤1，2，葛曉穎1，何春娥1，歐陽竹1*

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

基于施入物料的C/N比，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了苜蓿秸稈或者氮肥配施玉米秸稈在相同C/N（25∶1）下施入土壤對秸稈礦化和土壤微生物功能多樣性的影響。結(jié)果表明：相比于玉米秸稈單施和氮肥配施玉米秸稈，苜蓿秸稈配施玉米秸稈提高了CO2累積釋放量，降低了施入有機碳的礦化率，提高了土壤有機碳含量，有利于碳的存儲。苜蓿秸稈或者氮肥配施玉米秸稈施入土壤提高了土壤無機氮含量，緩解了對土壤氮素固持作用；苜蓿秸稈配施玉米秸稈相比于氮肥配施玉米秸稈，延長了氮素的可利用性。秸稈施入提高了土壤微生物群落的生理代謝活性，但對微生物功能多樣性指數(shù)沒有顯著性影響。氮輸入量與土壤無機氮含量顯著影響了群落生理代謝活性。

豆科秸稈；玉米秸稈；C/N比；碳氮礦化；土壤微生物

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，也是我國農(nóng)村的傳統(tǒng)能源[1]。隨著農(nóng)村能源問題的轉(zhuǎn)變，秸稈的地位發(fā)生了很大的改變。由秸稈總量供應(yīng)緊缺變?yōu)槭Ｓ?，由生活能源和動物飼料變成了一種廢棄物，秸稈處理已成為一大難題。秸稈還田是合理利用秸稈資源、培肥土壤和提高作物產(chǎn)量的重要手段[2-3]，特別是隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，秸稈還田被大力推廣。秸稈還田對農(nóng)田土壤的碳氮過程具有決定性的作用，尤其影響接茬作物生長過程中的氮素礦化（固持）進程[4-5]。氮是影響農(nóng)作物生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子，秸稈還田后，保障氮素供應(yīng)與作物需求同步對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。秸稈還田后在微生物的參與下被逐漸分解，秸稈的質(zhì)量，諸如C/N、氮素含量以及木質(zhì)素含量，是影響秸稈分解和營養(yǎng)元素釋放的重要因子，C/N比低，施入土壤后分解較快，并且能夠提高氮素的礦化量以及土壤微生物活性；相反，C/N比高，施入土壤后分解緩慢并且導(dǎo)致對土壤氮素的固持，影響土壤氮素供應(yīng)[6-7]。禾本科作物（如小麥和玉米）秸稈C/N比一般較高，因此秸稈直接還田后要補施氮肥以彌補秸稈降解過程中土壤微生物對氮素的固持，從而保證氮素的供應(yīng)[8]。

間套作作為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)措施，在充分利用土地資源和提高糧食產(chǎn)量上有著重要作用。禾本科、豆科間作是一種典型的間作系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生兩種類型的秸稈，即高質(zhì)量（低C/N）的豆科秸稈和低質(zhì)量（高C/N）的禾本科秸稈。豆科作物秸稈如蠶豆秸稈，C/N低，施入土壤后分解速率較禾本科秸稈快。有研究表明豆科秸稈施入土壤后具有與化學(xué)氮肥相媲美的供氮能力[9-11]。在自然界中，陸地生態(tài)系統(tǒng)是多物種的共同體，因而在生態(tài)系統(tǒng)中植物殘體也是多物種的集合體。在多物種混合的情況下，比如森林生態(tài)系統(tǒng)，由于物種之間的相互作用，可能會改變植物凋落物（樹葉）的降解速率以及養(yǎng)分動態(tài)[12]，Schwendener等[13]發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量的植物凋落物（樹葉）和低質(zhì)量的植物凋落物（樹葉）共同施用時，前者釋放的氮素會被固持并保留在這種混合體的速效氮庫中，在后者降解時被利用?；旌蠚報w之所以改變了秸稈的分解速率和養(yǎng)分動態(tài)，主要在于秸稈之間的相互作用改變了分解微環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物過程，從而影響微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)，因此直接或間接地影響了植物凋落物的降解速率[14-15]。同時，土壤中存在“遺留效應(yīng)”（Legacy effect），Marschner等[16]發(fā)現(xiàn)在施入低質(zhì)量的秸稈（小麥）之前施入高質(zhì)量的秸稈（狼尾草），相比于兩次施入同樣低質(zhì)量的小麥秸稈，明顯提高了土壤呼吸、土壤微生物生物量和活性以及土壤養(yǎng)分的可利用性。雖然還田秸稈的質(zhì)量決定了還田后秸稈的養(yǎng)分動態(tài)，可秸稈自身的組成特性是不易改變的，但我們可以通過高質(zhì)量秸稈和低質(zhì)量秸稈的組合來提高土壤養(yǎng)分的可利用性。

一般認為C/N比為25∶1是決定秸稈還田后對土壤氮素固持與否的關(guān)鍵拐點[17]。國內(nèi)外學(xué)者針對添加外源氮對秸稈降解的影響做了大量研究，結(jié)果表明添加外源氮促進了秸稈的分解，提高了土壤無機氮含量[18-19]。但添加的外源氮往往為無機氮肥，而無機氮肥的大量施用不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且導(dǎo)致了土壤質(zhì)量下降和水環(huán)境污染問題[20-21]。目前針對添加外源有機氮（如高質(zhì)量豆科秸稈）對禾本科秸稈降解過程中無機氮含量的影響報道較少。因此，本試驗在可控條件下，研究了豆科作物秸稈（苜蓿：紫花苜蓿）或氮肥與玉米秸稈共同還田對碳氮礦化和土壤微生物的影響，并比較豆科作物秸稈或者氮肥配施玉米秸稈在相同C/N（25∶1）下還田對土壤供氮和土壤微生物功能多樣性的影響。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品和植物秸稈的采集

土壤樣品采集于中國科學(xué)院禹城綜合試驗站（禹城站）農(nóng)田耕層（0～20 cm）。禹城站位于山東省禹城市（116°36′E，36°57′N，海拔21.2 m），是典型的黃淮海平原引黃灌溉區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。年均溫度13.1℃，降水偏少且集中，年均降水量593.2 mm，降水季節(jié)差異明顯，夏季（6—8月）降水量占全年的68%，冬春只占15%左右，春旱明顯。主要栽培作物為冬小麥、夏玉米，作物種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，一年兩熟。地下水位一般在1.5～4.0 m，地下水資源豐富。地貌類型為黃河沖積平原，土壤母質(zhì)為黃河沖擊物，土壤以潮土和鹽化潮土為主，表土質(zhì)地為輕、中壤土。

土壤樣品采集后風(fēng)干、過2 mm篩，并去除肉眼可見的植物殘體和小砂礫，備用。土壤基本理化性質(zhì)（表1）的測定參考魯如坤[22]方法。土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀采用堿溶-火焰光度法測定，土壤速效氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）采用比色法測定，土壤速效磷采用Olsen法測定，土壤速效鉀采用火焰光度法測定，土壤pH采用電位法測定。

表1 0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of the tested soil in 0～20 cm

玉米秸稈和苜蓿秸稈均采自于禹城站，所用均是地上部分。玉米秸稈和苜蓿秸稈采集后于60℃殺青、烘干，剪成約2 cm的小段備用。所用玉米、苜蓿秸稈的全碳和全氮含量分別為453.5、433.9 g·kg-1和9.6、31.3 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

在試驗開始前，測定所用土壤的田間持水量并調(diào)節(jié)所用土壤至田間持水量的65%，于生化培養(yǎng)箱中25℃下預(yù)培養(yǎng)7 d，以恢復(fù)土壤微生物活性。本試驗共包括4個處理：玉米秸稈單獨還田（M），苜蓿秸稈配施玉米秸稈還田（MM），氮肥（尿素）配施秸稈還田（MF）以及一個不加秸稈的對照（CK）。每個處理重復(fù)3次。各處理碳源、氮源的施入量見表2。

表2 不同處理碳源、氮源施入量Table 2 Carbon and nitrogen content added in each treatment

稱取相當(dāng)于80 g風(fēng)干土的土壤于培養(yǎng)瓶中，加水調(diào)節(jié)到土壤田間持水量的65%，然后根據(jù)試驗處理加入不同量的植物秸稈樣品，在培養(yǎng)瓶中放入一個盛有20 mL 1 mol·L-1NaOH溶液的小瓶以吸收培養(yǎng)期間釋放的二氧化碳，25℃下恒溫培養(yǎng)。培養(yǎng)瓶用塑料膜密封，為了保持培養(yǎng)瓶內(nèi)的氧氣供應(yīng)，在塑料膜上留幾個小孔保證氣體交換。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、7、9、13、16、19、23、27、32、39、53、74、104、134、164、194、224、270 d更換NaOH溶液，將取出的NaOH溶液完全洗入三角瓶中，加入1 mol·L-1的BaCl2溶液2 mL及酚酞指示劑2滴，用0.1 mol·L-1鹽酸滴定至紅色消失，根據(jù)鹽酸的消耗量計算培養(yǎng)過程中CO2釋放量[22]。測定碳素礦化時再加一無土對照，同時也加入盛有20 mL 1 mol·L-1NaOH溶液的小瓶以吸收來自空氣的CO2。在本試驗條件下，根據(jù)對照和空白對照計算添加秸稈處理的CO2釋放量，添加秸稈釋放的CO2與對照釋放的CO2的差值為秸稈中有機碳的凈礦化量[23]。CO2累積釋放量為培養(yǎng)初至取樣時累積釋放量，C礦化率為某時刻累積釋放量除以施入的有機碳量。在培養(yǎng)的第1、3、7、15、30、60、90、120、150、 210、270 d取樣測定土壤無機氮含量，為了保證土壤樣品量能夠滿足樣品測定時需要，采集土壤樣品時采用破壞性取樣，每次取樣時采集其中3個培養(yǎng)瓶的土壤樣品。在培養(yǎng)結(jié)束時測定土壤微生物功能多樣性。為了保持培養(yǎng)過程中的土壤濕度，每周以稱量法補充水分。

1.3 土壤樣品分析

1.3.1 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定

稱取一定質(zhì)量的新鮮土壤，按照水土比為10∶1用2 mol·L-1KCl溶液浸提，在往復(fù)式振蕩機上振蕩30 min后過濾。濾液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮根據(jù)魯如坤[22]的方法測定。

1.3.2 土壤微生物功能多樣性的測定

土壤微生物功能多樣性根據(jù)Hitzl等[24]的方法采用BiologTMECO微平板測定（Biolog Inc.，Hayward，CA，USA）。稱取10 g新鮮土樣，置于盛有90 mL無菌NaCl溶液（0.85%）的三角瓶中，振蕩30 min后靜置15 min取上清液。在超凈工作臺上，用無菌NaCl溶液（0.85%）將上清液稀釋1000倍，用8通道加樣器將稀釋液接種到BiologTMECO微平板，此時每孔接種150 μL稀釋后的土壤懸濁液。將接種好的微平板置于生化培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng)，每隔24 h用BiologTMStation讀取培養(yǎng)板在590 nm和750 nm下的吸光值。用平均每孔顏色變化率（Average Well Color Development，AWCD）來描述土壤微生物群落總體代謝活性，根據(jù)Zak等[25]計算方法，計算公式如下：

式中：C為微平板上某種碳源的吸光值；R為對照孔的吸光值；31為碳源數(shù)量。當(dāng)（C-R）為負值時記為零。

根據(jù)培養(yǎng)期間AWCD曲線的變化趨勢，選擇某培養(yǎng)時刻的數(shù)據(jù)計算土壤微生物群落對不同碳源的代謝能力，以及群落的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)。依據(jù)碳源的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，按照Garland等[26]的分類，將BiologTMECO微平板碳源分為6大類：糖類、羧酸類、氨基酸類、胺類、聚合物類和其他類。根據(jù)Zak等[25]計算方法計算Shannon多樣性指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（E），計算公式如下：

式中：Pi為第i孔的相對吸光值與所有整個微平板的相對吸光值總和的比值。

式中：H為Shannon多樣性指數(shù)；S為微平板上陽性

孔的數(shù)目，吸光值＞0.25的即為陽性孔。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Duncan檢驗比較不同處理對土壤無機氮、不同碳源利用率和土壤微生物功能多樣性指數(shù)的影響。采用重復(fù)測量方差分析法分析不同處理對培養(yǎng)期間土壤無機氮含量的影響。所用分析均利用SPSS軟件（SPSS 14.0，Chicago，USA）進行，顯著性水平為P＜0.05。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，利用Sigmaplot軟件（Sigmaplot 12.5，California，USA）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理秸稈有機碳的礦化特性

在本試驗條件下，培養(yǎng)過程中，添加秸稈釋放的CO2與對照釋放的CO2的差值為秸稈中有機碳的凈礦化量。從累積CO2釋放量來看，苜蓿秸稈或氮肥配施玉米秸稈提高了添加秸稈中有機碳的累積CO2釋放量（圖1A），并且苜蓿秸稈配施玉米秸稈顯著提高了添加秸稈中有機碳的累積CO2釋放量（P＜0.05）。從添加秸稈有機碳的礦化率來看（圖1B），與玉米秸稈單施相比，氮肥配施玉米秸稈顯著提高了有機碳礦化率（P＜0.05），促進了玉米秸稈降解；其次是玉米秸稈單施處理；苜蓿秸稈配施玉米秸稈的有機碳礦化率最低，顯著低于玉米秸稈單施處理。這可能與苜蓿秸稈配施玉米秸稈處理施入的碳源量最高有關(guān)（表2）。

2.2 不同處理對土壤中無機氮含量的影響

土壤無機氮含量一定程度上反應(yīng)了土壤的供氮能力，不同處理培養(yǎng)過程中無機氮含量的變化規(guī)律基本一致（圖2），呈現(xiàn)先升高、再降低、最后又升高的變化規(guī)律。培養(yǎng)開始后，各處理無機氮含量逐漸升高，除MF處理在培養(yǎng)的第7 d無機氮含量達到最高外，其余3個處理均在培養(yǎng)的第3 d無機氮含量達到最高，隨后各處理無機氮含量逐漸降低，在培養(yǎng)第90 d時達到最低，之后各處理無機氮含量逐漸升高。從整個培養(yǎng)過程來看，M處理無機氮含量最低，MM處理無機氮含量最高。雙因素方差分析表明，苜蓿秸稈或者氮肥配施顯著提高了土壤無機氮含量（F=46.79，P＜0.001），苜蓿配施玉米秸稈處理的無機氮含量顯著高于氮肥配施玉米秸稈。從整個培養(yǎng)過程來看，M、MM和MF 3個處理土壤無機氮含量均值分別為81.73、105.51、116.46 mg·kg－1。由圖2可以看出，在整個培養(yǎng)進程中，M處理無機氮含量均低于CK處理，說明單施玉米秸稈造成了對土壤無機氮的固持，MM處理從培養(yǎng)的第7 d無機氮含量低于CK處理，從培養(yǎng)的第120 d開始無機氮含量高于CK處理，MF處理從培養(yǎng)的第15 d無機氮含量低于CK處理，從培養(yǎng)的第210 d開始無機氮含量高于CK處理，這表明相比于玉米秸稈單施，苜蓿秸稈或者氮肥配施玉米秸稈均緩解了對土壤氮素的固持作用，而從時間上看這兩個處理又有所不同，氮肥配施的相比于苜蓿秸稈配施的延長了對土壤氮素的固持作用。

圖1 不同處理對CO2累積排放量與秸稈中有機碳礦化率的影響Figure 1 Effects of different treatments on cumulative CO2emission and mineralization rate of carbon in straw

2.3 不同處理對土壤微生物功能多樣性的影響

培養(yǎng)期間平均每孔顏色變化率（AWCD）反映了接種微生物對微平板上碳源的代謝能力，代表了接種微生物群落的總體活性。不同處理對AWCD的影響如圖3。各處理在培養(yǎng)的第24 h，AWCD值變化不大，之后開始快速升高。培養(yǎng)結(jié)束時，各處理AWCD值的大小順序為MM＞MF＞M＞CK。苜蓿秸稈或氮肥配施玉米秸稈處理相比于玉米秸稈單施處理顯著提高了AWCD值，但苜蓿秸稈配施或氮肥配施玉米秸稈對AWCD值的影響差異不顯著。這表明施入秸稈提高了微生物群落的代謝活性，相比于玉米秸稈單施處理，苜蓿秸稈配施或氮肥配施玉米秸稈處理顯著提高了微生物群落的代謝活性。采用培養(yǎng)96 h數(shù)據(jù)計算了土壤微生物群落對不同碳源的代謝能力（表3）以及群落的多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)。除糖類和聚合物類外，不同處理顯著影響了土壤微生物對碳源的利用能力（P＜0.05），各處理土壤微生物主要利用糖類、羧酸類、氨基酸類和聚合物類碳源，對胺類和其他類碳源利用率比較低。與玉米秸稈單施處理相比，苜蓿秸稈配施或氮肥配施玉米秸稈均提高了土壤微生物對6類碳源的利用能力。苜蓿秸稈配施處理相比氮肥配施處理均提高了除氨基酸類外的5類碳源的利用能力，表明配施可能改變了土壤中有機物組成，從而導(dǎo)致培養(yǎng)期間土壤微生物對微平板中碳源利用能力的不同。

圖2 不同處理對土壤無機氮含量的影響Figure 2 Effects of different treatments on soil mineral N

圖3 不同處理培養(yǎng)期間平均每孔顏色變化率（AWCD）以及培養(yǎng)168 h時平均每孔顏色變化率Figure 3 Average well color development（AWCD）of metabolized substrates in BiologTMECO plate during incubation and at 168 h incubation of different treatments

表3 不同處理對土壤微生物群落六類碳源利用率的影響Table 3 Substrate utilization rate of microbial communities in different treatments

不同處理對Shannon多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的影響如圖4所示。秸稈施入顯著提高了微生物群落多樣性指數(shù)，雖然苜蓿秸稈配施或者氮肥配施玉米秸稈處理相比于玉米秸稈單施處理提高了微生物群落多樣性指數(shù)，但3個處理之間影響差異不顯著。各處理對微生物群落Shannon均勻度指數(shù)影響差異不顯著。

圖4 不同處理對Shannon多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的影響Figure 4 Functional diversity indexes of soil microbial communities under different treatments

3 討論

3.1 不同配施處理對碳、氮礦化的影響

在本試驗條件下，與玉米秸稈單施處理相比，苜蓿秸稈或氮肥配施玉米秸稈處理提高了土壤累積CO2釋放量。秸稈施入土壤后，在土壤中的礦化可分為三個階段，即前期快速礦化，然后逐漸緩慢，最后達到相對穩(wěn)定的階段，這與秸稈的化學(xué)組成有關(guān)。秸稈中的有機碳可分為易分解部分（如淀粉、葡萄糖）和難分解部分（如木質(zhì)素）[17]，在培養(yǎng)的前期由于大量易分解碳源的加入刺激了土壤微生物的生長，大幅提高了CO2釋放量，隨著培養(yǎng)時間的推進，易分解組分逐漸消耗完畢，CO2釋放量逐漸降低，達到一個相對平衡的階段。從最終的CO2累積釋放量來看，MM處理顯著提高了CO2累積釋放量，MF處理相比于M處理亦提高了CO2累積釋放量，但差異不顯著。相比于其他處理，MM處理提高了微生物群落生理代謝活性，因此MM處理顯著提高CO2累積釋放量可能與MM處理微生物活性最高有關(guān)。MM處理中高微生物活性原因可能在于玉米秸稈和苜蓿秸稈的混合分解效應(yīng)，植物凋落物的種類顯著影響了凋落物的降解[14，27]，而且相比于單一凋落物，混合凋落物通過混合組分中凋落物之間的交互效應(yīng)影響了土壤微生物活性[27]；此外，氮的可利用性限制了土壤中的微生物活性，從而限制了土壤微生物對秸稈碳的礦化[28-29]，在整個培養(yǎng)進程中MM處理無機氮含量最高，無機氮含量的提高使得土壤微生物活性提高，促進了CO2的釋放。從最終的有機碳礦化率來看，MM處理顯著低于MF和M處理，可能與MM處理高的碳輸入量有關(guān)，因為碳的輸入量會影響碳的降解率[30-31]。圖5為培養(yǎng)結(jié)束時施入秸稈處理的土壤有機碳含量，MM處理有機碳含量最高，MF處理最低，表明苜蓿秸稈配施玉米秸稈處理提高了土壤有機碳含量，這對土壤碳存儲是有利的。

圖5 不同處理培養(yǎng)結(jié)束時土壤有機碳含量Figure 5 Soil organic carbon content at the end of incubation under different treatments

玉米秸稈單施處理在整個培養(yǎng)期間表現(xiàn)為對氮素的固持作用，苜蓿秸稈或者氮肥配施玉米秸稈處理均提高了土壤無機氮含量，緩解了固持作用。這與前人的研究結(jié)果類似[13，29-30，32]，即高質(zhì)量秸稈或者氮肥配施低質(zhì)量秸稈施入土壤會緩解對土壤氮素的固持。從整個培養(yǎng)進程上看，玉米秸稈單施處理無機氮含量始終低于對照，表現(xiàn)為強烈的對土壤氮素的固持作用，苜蓿配施或氮肥配施玉米秸稈處理均緩解了土壤微生物對氮素的固持作用，在時間上表現(xiàn)為培養(yǎng)的前期和后期。但是兩個處理又有所不同，苜蓿秸稈配施處理從培養(yǎng)的第7 d開始表現(xiàn)為對氮素的固持作用，氮肥配施從第15 d開始表現(xiàn)為對氮素的固持作用，苜蓿秸稈配施和氮肥配施對氮固持時間上的差異可能會降低氮素的淋溶損失。在培養(yǎng)的中后期，苜蓿秸稈配施處理相比于氮肥配施處理提前了氮素的礦化作用，苜蓿配施處理從培養(yǎng)的第120 d開始，而氮肥配施處理從第210 d開始，表明苜蓿秸稈配施相對于氮肥配施在前期延緩了氮素的釋放，而在后期延長了氮的可利用性（后期凈氮礦化量持續(xù)時間長），在種植作物的情況下，這種效應(yīng)會使氮的釋放與作物對氮的需求更加同步。雖然MF和MM處理碳氮源施入量均是在C/N比為25∶1施入，但是苜蓿秸稈既含氮源又含碳源，使得苜蓿秸稈配施處理施入碳氮總量高于氮肥配施處理，從而增強了土壤微生物活性，提高了無機氮含量，延長了氮的可利用性。

3.2 不同處理對微生物量氮和微生物功能多樣性的影響

BiologTMECO微平板分析法是一種基于微生物群落生理代謝的方法，能夠表征土壤微生物群落的功能多樣性，已被廣泛用于土壤微生物功能多樣性的測定[33]。秸稈施入后為微生物提供了豐富的碳源、氮源和能源，刺激了微生物的生長，從而提高了微生物生物量和活性[33-34]。在本試驗中，施用秸稈的處理提高了AWCD和Shannon多樣性指數(shù)，對Shannon均勻度指數(shù)沒有影響。施入秸稈處理中MM處理的AWCD最高，其次是MF處理，M處理最低。相關(guān)性分析表明AWCD與氮輸入量（r=0.715，P<0.05）和無機氮含量（r=0.82，P<0.01）呈正相關(guān)關(guān)系，這表明氮的輸入量和氮的可利用性顯著影響了土壤微生物群落活性。苜蓿秸稈或者氮肥配施玉米秸稈處理提高了土壤無機氮含量，從而提高了AWCD，并且苜蓿秸稈配施延長了土壤中氮的可利用性，所以AWCD最高。這表明相比于氮肥配施處理，苜蓿秸稈配施處理為微生物提供了更多的碳源和氮源，延長了營養(yǎng)的供給，提高了微生物的活性[35]。一些研究也表明，相比于施用化肥或者谷物秸稈，施用高氮含量的豆科秸稈提高了微生物生物量和活性[36-37]。對于Shannon多樣性指數(shù)來說，雖然苜蓿秸稈或氮肥配施處理高于玉米秸稈單施處理，但是玉米秸稈單施處理與配施玉米秸稈處理之間并沒有顯著性差異。Bending等[38]發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量秸稈施入土壤后最終并沒有導(dǎo)致土壤微生物功能多樣性的不同，他們認為群落生理代謝在秸稈降解過程中有趨同現(xiàn)象。取樣時間也可能影響Shannon多樣性指數(shù)，本研究中測定Shannon多樣性指數(shù)所采用的為培養(yǎng)結(jié)束時的土壤，此時施入的秸稈剩余的未分解部分多是難降解物質(zhì)。對于Shannon均勻度指數(shù)來說，秸稈施入并沒有影響微生物群落均勻度指數(shù)，包括對照在內(nèi)各處理之間并沒有顯著性差異。施入秸稈提高了微生物群落Shannon多樣性指數(shù)，但對均勻度卻沒有影響，可能與秸稈施入改變了群落結(jié)構(gòu)多樣性有關(guān)[37]，而且不同處理改變了土壤微生物對不同碳源的利用率。這表明施入秸稈的處理可能改變了群落的組成，從而使得均勻度指數(shù)沒有顯著提高。

4 結(jié)論

通過270 d的培養(yǎng)試驗，我們發(fā)現(xiàn)苜蓿秸稈配施提高了碳礦化量，降低了施入有機碳的礦化率，提高了土壤有機碳含量。單施玉米秸稈導(dǎo)致了對土壤的氮素固持作用，苜蓿秸稈或者氮肥配施玉米秸稈在相同C/N（25∶1）下施入土壤均緩解了對土壤氮素的固持作用，提高了土壤無機氮含量，并且以苜蓿秸稈配施處理最高，苜蓿秸稈配施相比于氮肥配施延長了氮素的可利用性。秸稈施入提高了微生物群落的生理代謝活性，但對微生物功能多樣性指數(shù)影響不顯著。

[1]閆麗珍,閔慶文,成升魁.中國農(nóng)村生活能源利用與生物質(zhì)能開發(fā)[J].資源科學(xué),2005,27（1）：8-13.

YAN Li-zhen,MIN Qing-wen,CHENG Sheng-kui.Energy consumption and bio-energy development in rural areas of China[J].Resource Science,2005,27（1）：8-13.

[2]柏彥超,陳國華,路平,等.秸稈還田對稻田滲漏液DOC含量及土壤Cd活度的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,30（12）：2491-2495. BAI Yan-chao,CHEN Guo-hua,LU Ping,et al.Effect of wheat straw return in percolating water and Cd activity in rice soil[J].Journal of A－gro-Environment Sciences,2011,30（12）：2491-2495.

[3]湛方棟,陳建軍,秦麗,等.鎘鉛污染的玉米秸稈還田對蠶豆生長、養(yǎng)分和鎘鉛含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,35（4）：661-668.

ZHAN Fang-dong,CHEN Jian-jun,QIN Li,et al.Effects of applying Cd/Pb contaminated maize stalks on growth and nutrient and Cd and Pb content of faba bean[J].Journal of Agro-Environment Sciences,2016, 35（4）：661-668.

[4]Jensen L S,Salo T,Palmason F,et al.Influence of biochemical quality on C and N mineralization from a broad variety of plant materials in soil [J].Plant and Soil,2005,273（1/2）：307-326.

[5]Hadas A,Kautsky L,Goek M,et al.Rates of decomposition of plant residues and available nitrogen in soil,related to residue composition through simulation of carbon and nitrogen turnover[J].Soil Biology and Biochemistry,2004,36（2）：255-266.

[6]Fang M,Motavalli P P,Kremer R J,et al.Assessing changes in soil microbial communities and carbon mineralization in Bt and non-Bt corn residue-amended soils[J].Applied Soil Ecology,2007,37（1/2）：150-160.

[7]Yanni S F,Whalen J K,Simpson M J,et al.Plant lignin and nitrogen contents control carbon dioxide production and nitrogen mineralization in soils incubated with Bt and non-Bt corn residues[J].Soil Biology and Biochemistry,2011,43（1）：63-69.

[8]Bhupinderpal-Singh,Rengel Z.The role of crop residues in improving soil fertility[M]//Nutrient Cycling in Terrestrial Ecosystems.Springer Berlin Heidelberg,2007：183-214.

[9]Schroth G,Teixeira W G,Seixas R,et al.Effect of five tree crops and a cover crop in multi-strata agroforestry at two fertilization levels on soil fertility and soil solution chemistry in central Amazonia[J].Plant andSoil,2000,221（2）：143-156.

[10]Thippayarugs S,Toomsan B,Vityakon P,et al.Interactions in decomposition and N mineralization between tropical legume residue components[J].Agroforestry Systems,2008,72（2）：137-148.

[11]Jensen L S,Salo T,Palmason F,et al.Influence of biochemical quality on C and N mineralisation from a broad variety of plant materials in soil [J].Plant and Soil,2005,273（1/2）：307-326.

[12]Schweitzer J A,Bailey J K,Hart S C,et al.Nonadditive effects of mixing cottonwood genotype on litter decomposition and nutrient dynamics [J].Ecology,2005,86（10）：2834-2840.

[13]Schwendener C M,Lehmann J,Camargo P B D,et al.Nitrogen transfer between high-and low-quality leaves on a nutrient-poor Oxisol determined by15N enrichment[J].Soil Biology and Biochemistry,2005,37（4）：787-794.

[14]Gartner T B,Cardon Z G.Decomposition dynamics in mixed-species leaf litter[J].Oikos,2004,104（2）：230-246.

[15]Chapman S K,Newman G S.Biodiversity at the plant-soil interface：Microbial abundance and community structure respond to litter mixing [J].Oecologia,2010,162（3）：763-769.

[16]Marschner P,Hatam Z,Cavagnaro T R.Soil respiration,microbial biomass and nutrient availability after the second amendment are influenced by legacy effects of prior residue addition[J].Soil Biology and Biochemistry,2015,88：169-177.

[17]Goh K M,Kumar k.Nitrogen release from crop residues and organic amendments as affected by biochemical composition[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2003,34（17）：2441-2460.

[18]丁雪麗,何紅波,李小波,等.不同供氮水平對玉米秸稈降解初期碳素礦化及微生物量的影響[J].土壤通報,2008,39（4）：784-788.

DING Xue-li,HE Hong-bo,LI Xiao-bo,et al.Effect of nitrogen level on carbon mineralization and microbial biomass during initial decomposition of maize straw[J].Chinese Journal of Soil Science,2008,39（4）：784-788.

[19]Abro S A,Tian X,Wang X,et al.Decomposition characteristics of maize（Zea mays L.）straw with different carbon to nitrogen（C/N）ratios under various moisture regimes[J].African Journal of Biotechnology,2011,10（50）：10149-10156.

[20]李東坡,武志杰.化學(xué)肥料的土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2008,19（5）：1158-1165.

LI Dong-po,WU Zhi-jie.Impact of chemical fertilizers application on soil ecological environment[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2008,19（5）：1158-1165.

[21]Lebauer D S,Treseder K K.Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed[J].Ecology,2008, 89（2）：371-379.

[22]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000：156-161.

LU Ru-kun.Soil and agricultural chemistry analysis[M].Beijing：China Agriculture ScienTech Press,2000：156-161.

[23]陳興麗,周建斌,劉建亮,等.不同施肥處理對玉米秸稈碳氮比及其礦化特性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,20（2）：314-319.

CHEN Xing-li,ZHOU Jian-bin,LIU Jian-liang,et al.Effects of fertilization on carbon/nitrogen ratio of maize straw and its mineralization in soil[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2009,20（2）：314-319.

[24]Hitzl W,Rangger A,Sharma S,et al.Separation power of the 95 substrates of the BIOLOG system determined in various soils[J].FEMS Microbiology Ecology,1997,22（3）：167-174.

[25]Zak J C,Willig M R,Moorhead D L,et al.Functional diversity of microbial communities：A quantitative approach[J].Soil Biology and Biochemistry,1994,26（9）：1101-1108.

[26]Garland J L,Mills A L.Classification and characterization of heterotrophic microbial communities on the basis of patterns of community-level sole-carbon-source utilization[J].Applied and Environmental Microbiology,1991,57（8）：2351-2359.

[27]Handa I T,Aerts R,Berendse F,et al.Consequences of biodiversity lossforlitterdecomposition across biomes[J].Nature,2014,509（7499）：218-221.

[28]Schimel J P,Cates R G,Ruess R.The role of balsam poplar secondary chemicals in controlling soil nutrient dynamics through succession in the Alaskan taiga[J].Biogeochemistry,1998,42（1）：221-234.

[29]Henriksen T M,Breland T A.Nitrogen availability effects on carbon mineralization,fungal and bacterial growth,and enzyme activities during decomposition of wheat straw in soil[J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31（8）：1121-1134.

[30]Sakala W D,Cadisch G,Giller K E.Interactions between residues of maize and pigeonpea and mineral N fertilizers during decomposition and N mineralization[J].Soil Biology and Biochemistry,2000,32（5）：679-688.

[31]Majumder B,Kuzyakov Y.Effect of fertilization on decomposition of14C labelled plant residues and their incorporation into soil aggregates[J]. Soil and Tillage Research,2010,109（2）：94-102.

[32]Chen L,Zhang J B,Zhao B Z,et al.Carbon mineralization and microbial attributes in straw-amended soils as affected by moisture levels[J]. Pedosphere,2014,24（2）：167-177.

[33]Partey S T,Preziosi R F,Robson G D.Improving maize residue use in soil fertility restoration by mixing with residues of low C-to-N ratio：Effects on C and N mineralization and soil microbial biomass[J].Journal of Soil Science and Plant Nutrition,2014,14（3）：518-531.

[34]Islam M R,Chauhan P S,Kim Y,et al.Community level functional diversity and enzyme activities in paddy soils under different long-term fertilizer management practices[J].Biology and Fertility of Soils,2011, 47（5）：599-604.

[35]Yang Q,Wang X,Shen Y,et al.Functional diversity of soil microbial communities in response to tillage and crop residue retention in an eroded Loess soil（Soil biology）[J].Soil Science and Plant Nutrition, 2013,59（3）：311-321.

[36]Muhammad S,Muhammad T S.Comparative use of organic substrates and mineral fertilizers in growing maize（Zea mays L.）for maintaining soil fertility in rainfed area of Pakistan[J].Pakistan Journal of Botany, 2007,39（6）：1953-1959.

[37]Nair A,Ngouajio M.Soil microbial biomass,functional microbial diversity,and nematode community structure as affected by cover crops and compost in an organic vegetable production system[J].Applied Soil E－cology,2012,58：45-55.

[38]Bending G D,Turner M K,Jones J E.Interaction between crop residue and soil organic matter quality and the functional diversity of soil microbial communities[J].Soil Biology and Biochemistry,2002,34（8）：1073-1082.

Effects of straw retention with mixing maize straw by alfalfa straw or N fertilizer on carbon and nitrogen mineralization and microbial functional diversity

LI Tao1,2,GE Xiao-ying1,HE Chun-e1,OUYANG Zhu1*
（1.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China：2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

Based on C/N ratio,an indoor-incubation experiment was used to study the effect of applying maize straw with high quality alfalfa straw or N fertilizer on C and N mineralization and microbial functional diversity under the same C/N ratio（25∶1）.Four incubation experiments were：soil with no addition（CK）;soil amended with maize straw（M）;soil amended with alfalfa straw and maize straw with an adjusted C/N ratio of 25∶1（MM）;soil amended with inorganic nitrogen fertilizer and maize straw with an adjusted C/N ratio of 25∶1（MF）.The incubation was conducted at 25℃in the whole experiment duration.The results showed that:compared to treatments of M and MF,MM treatment improved cumulative CO2emissions,but leaded to a lowest C mineralization rate.MM treatment had the highest of SOC content among the three treatments.Maize straw leaded to a N immobilization during the 270 d of incubation.Combined application of alfalfa and maize straw and combined application mineral N fertilizer alleviate the N immobilization and increase soil mineral N content.Compared to MF treatment,MM treatment prolonged N availability during the incubation.Straw retention improved the community-level metabolic activity,but straw retention had little impact on soil microbial functional diversity.The content of added N and soil mineral N content significantly affected the community-level physiological profile.

legume straw;maize straw;C/N ratio;C and N mineralization;soil microorganism

X712

A

1672-2043（2016）12-2377-08

10.11654/jaes.2016-0539

李濤，葛曉穎，何春娥，等.豆科秸稈、氮肥配施玉米秸稈還田對秸稈礦化和微生物功能多樣性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,35（12）：2377-2384.

LI Tao,GE Xiao-ying,HE Chun-e,et al.Effects of straw retention with mixing maize straw by alfalfa straw or N fertilizer on carbon and nitrogen mineralization and microbial functional diversity[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（12）：2377-2384.

2016－04－19

國家863計劃項目（2013AA102903）

李濤（1985—），山東莘縣人，博士研究生，主要從事土壤微生物生態(tài)方面的研究。E-mail：tllcu@126.com

*通信作者：歐陽竹E-mail：ouyz@igsnrr.ac.cn