有機(jī)物料還田土壤碳、氮及微生物量動(dòng)態(tài)影響研究

谷月， 吳景貴

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

有機(jī)物料是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品制作加工、畜禽養(yǎng)殖等人類活動(dòng)產(chǎn)生的各類富含有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)總稱。近年來，有機(jī)物料的數(shù)量急劇上升，由于有機(jī)物料中富含碳、氮、磷、鉀及多種微量元素，處理不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此,有機(jī)物料的回收利用刻不容緩[1]。有機(jī)物料可提高土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中改良土壤性質(zhì)的有效措施之一[2-3]。研究表明，有機(jī)物料還田可以穩(wěn)定土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水分入滲，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)積累[4-6]。由于土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）含量在短期內(nèi)變化較小，因此，具有靈敏、周轉(zhuǎn)速率更快等特點(diǎn)的土壤微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）被廣泛用來反映土壤肥力變化[7]。研究表明，秸稈還田有助于土壤微生物量碳、氮含量的增加[8-9]。但對(duì)于物料還田后，土壤微生物量在玉米生育期內(nèi)含量的變化在不同研究中呈現(xiàn)出不同的結(jié)果，吳榮美等[10]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后表層土壤微生物量呈現(xiàn)出先上升后持續(xù)下降的趨勢(shì)；賈會(huì)娟[11]發(fā)現(xiàn)施用秸稈后，土壤微生物量在玉米生育期內(nèi)呈先上升后下降再略微回升的趨勢(shì)，且成熟期較種植前期有所增加；而薛菁芳等[12]和于樹等[13]研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量的變化趨勢(shì)呈先上升后下降再上升再下降的波動(dòng)變化。因此，本研究擬探究不同類型有機(jī)物料還田后對(duì)土壤碳、氮含量的動(dòng)態(tài)影響。除此之外，目前的研究主要為單一地膜覆蓋或單一滴灌技術(shù)下施用有機(jī)物料[14-15]，而覆膜滴灌技術(shù)是結(jié)合了地膜覆蓋以及滴灌的優(yōu)點(diǎn)形成的一套完善的灌溉技術(shù)，適宜多種農(nóng)作物[2]。因此，本研究將覆膜滴灌技術(shù)與有機(jī)物料耦合在一起，觀測(cè)物料還田對(duì)土壤碳、氮的增加效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟扎賚特旗圖牧吉鎮(zhèn)（E 123°00′，N 46°17′）進(jìn)行，該地屬于半干旱地區(qū)。年平均氣溫3.24℃，年降雨量300～400 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 592 h，年太陽輻射總量5 362.46 MJ·m-2，≥10℃有效積溫2 700～3 300℃，無霜期120～140 d。供試土壤為栗鈣土，土壤基本理化性質(zhì)詳見表1。

表1 試驗(yàn)地基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the test

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年4月進(jìn)行，分別設(shè)置施用玉米秸稈（maize straw,MS）、牧草（forage grass,FG）和羊糞（sheep manure,SM），以不施用外源物為空白對(duì)照（CK）。羊糞來源于內(nèi)蒙古圖牧吉鎮(zhèn)養(yǎng)羊場(chǎng)，以綿羊?yàn)橹?；秸稈為玉米秸稈；牧草來源于扎賚特旗牧場(chǎng)，以羊草為主。不同物料基本化學(xué)性質(zhì)見表2。根據(jù)等碳原則（依據(jù)秸稈還田碳量）施入，其中，秸稈 1.36萬 kg·hm-2，牧草 1.68萬 kg·hm-2，羊糞3.18萬kg·hm-2。將秸稈和牧草粉碎、羊糞腐熟后進(jìn)行還田；在大壟行間0～30 cm進(jìn)行開溝施入物料后覆土。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理3次重復(fù)。各重復(fù)小區(qū)面積均為5 m×10 m，采用機(jī)械化覆膜滴灌的栽培方式，所用地膜為白地膜，厚8μm，寬80 cm。玉米種植密度均為6.75萬株·hm-2，各處理除添加物料外，均配施化肥，于播種前期施用二胺（N 64%）37.5 kg·hm-2作為口肥；施用450 kg·hm-2的復(fù)合肥（N-P-K=15-15-15）作為底肥；分別在玉米的拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄前期使用尿素（N 46%）90 kg·hm-2作為追肥（共270 kg·hm-2）。

表2 不同來源有機(jī)廢棄物的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of agricultural waste materials from different sources

1.3 項(xiàng)目測(cè)定及方法

1.3.1 樣品采集 分別于播種后30（苗期）、60（拔節(jié)期）、90（大喇叭口-抽雄期）、120（灌漿期）和150 d（成熟期）按“S”形5點(diǎn)取樣法采集玉米生育期內(nèi)0—20 cm土層土壤樣品，混合后去除作物殘?jiān)退槭?，分?份：一份過2 mm篩，于4℃保存，用于測(cè)定土壤微生物量碳、土壤微生物量氮；另一份風(fēng)干后磨碎，過0.25 mm篩，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳及全氮含量。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定 土壤養(yǎng)分含量測(cè)定采用常規(guī)分析方法[16]，木質(zhì)素和纖維素的測(cè)定采用范氏酸性洗滌劑法[17]，土壤MBC、MBN測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法[18]，并計(jì)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）和土壤代謝熵（soil metabolic quotient，qCO2）[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016、SPSS 21.0及Origin2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用一般線性模型進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)物料還田對(duì)SOC、TN的影響

在玉米生育期內(nèi)不同處理SOC含量如圖1所示，隨著玉米生育進(jìn)程，土壤中SOC含量呈遞增趨勢(shì)。與對(duì)照相比，施用有機(jī)物料增加了SOC含量，表現(xiàn)為SM＞MS＞FG。在播種后60 d時(shí)，SM和MS處理顯著高于FG和CK處理；在播種后90 d，SM處理顯著高于FG和CK處理；在播種后120 d時(shí)，SM處理顯著高于MS、FG和CK處理。相同物料施用條件下，不同時(shí)期SOC含量不同，與播種后30 d相比，播種后150 d時(shí)FG處理SOC含量增加10.9%、MS處理增加9.1%、SM處理增加12.8%、CK增加4.4%。

圖1 不同處理土壤有機(jī)碳含量Fig.1 SOC contents of different treatments

在玉米生育期內(nèi)不同來源有機(jī)物料下土壤TN含量如圖2所示。試驗(yàn)初始時(shí)，土壤TN含量為1.18 g·kg-1（表1），施用有機(jī)物料后，土壤TN含量在玉米生育期內(nèi)均高于CK。SM處理土壤TN含量在各生育期均為最高，在播種后60 d時(shí)顯著高于FG和CK處理；在播種后120 d時(shí)顯著高于CK；在播種后150 d時(shí)顯著高于FG和CK處理。在玉米生育期，SM、MS和CK處理土壤TN含量均呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)；FG則呈現(xiàn)先降低再上升再下降的波動(dòng)趨勢(shì)，與播種后30 d相比，SM處理在播種后150 d時(shí)的土壤TN含量增加了2.94%。

圖2 不同處理的土壤全氮含量Fig.2 TN contents of different treatments

2.2 不同有機(jī)物料還田對(duì)MBC、MBN的影響

土壤微生物量碳（MBC）是土壤有機(jī)質(zhì)中較為活躍的部分，其變化可以敏感地反映出土壤有機(jī)碳含量的變化。在玉米生育期內(nèi)施用有機(jī)物料后MBC含量如圖3所示。試驗(yàn)初始時(shí)，MBC含量為54.21 mg·kg-1（表1），施用有機(jī)物料后土壤MBC含量在各時(shí)期均有所增加，表現(xiàn)為MS＞SM＞FG＞CK。隨著玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，MBC含量表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在播種后90 d時(shí)達(dá)到峰值，其中，MS處理最高，為118.24 mg·kg-1，且MS處理在不同時(shí)期間變幅最大。

圖3 不同處理的土壤微生物量碳含量Fig.3 MBC contents of different treatments

不同處理在玉米生育期內(nèi)土壤MBN含量如圖4所示。試驗(yàn)初始時(shí)，土壤MBN含量為11.35 mg·kg-1（表1），施用有機(jī)物料后，各處理土壤MBN含量均有所增加，表現(xiàn)為MS＞SM＞FG＞CK。土壤MBN含量在玉米生育期內(nèi)先增高后降低，在播種后90 d時(shí)達(dá)到峰值，其中，MS處理最高，為41.21 mg·kg-1，且MS處理在不同時(shí)期的土壤MBN變幅最大。

圖4 不同來源有機(jī)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 不同有機(jī)物料還田對(duì)MBC/MBN、qMBC及qMBN的影響

與CK處理相比，在玉米生育期內(nèi)施用有機(jī)物料后MBC/MBN值降低，降幅為2.19～7.22。隨著玉米的生長(zhǎng)生育，CK處理的MBC/MBN值先升高后降低再升高；而FG、SM、MS處理呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，且各處理間的差異逐漸減弱。玉米生育期內(nèi)，土壤qMBC值的變化如表3所示，各處理qMBC為0.42%～0.78%。與CK相比，有機(jī)物料還田均在不同程度上增加了土壤qMBC。隨著玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，各處理qMBC均表現(xiàn)為先升后降，在播種后90 d時(shí)qMBC值達(dá)到峰值，其中，播種后30～150 d，MS處理的增幅最大，為11.76%。各處理土壤qMBN值為0.98%～5.99%（表3），各處理均呈先升后降的趨勢(shì)，在播種后60 d時(shí)達(dá)到峰值；MS處理在各時(shí)期的qMBN值均高于其他處理，在播種后30～150 d，qMBN增加6.95%。

表3 不同有機(jī)物料還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 不同有機(jī)物料還田對(duì)土壤代謝熵（qCO2）的影響

土壤代謝熵（qCO2）反映了土壤微生物對(duì)碳源的利用效率，其值越大說明微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解時(shí)將更多碳分配于呼吸作用，導(dǎo)致其對(duì)碳源的利用效率降低。由表4可知，播種后30 d時(shí)，MS處理土壤qCO2值較高；60～120 d時(shí)，CK處理較高；150 d時(shí)，MS處理較高；但不同處理間差異均不顯著（P＞0.05）。

表4 不同處理的土壤代謝熵Table 4 Soil qCO2 of different treatments

2.5 不同有機(jī)物料還田各指標(biāo)之間相關(guān)性分析

由表5可知，土壤SOC與TN呈極顯著正相關(guān)；MBC與MBN、qMBC以及qMBN呈極顯著正相關(guān)，與MBC/MBN呈極顯著負(fù)相關(guān)；MBN與qMBC、qMBN呈極顯著正相關(guān)，與MBC/MBN呈極顯著負(fù)相關(guān)；MBC/MBN與qMBC、qMBN呈極顯著負(fù)相關(guān)；qMBC與qMBN呈極顯著正相關(guān)。盡管SOC和TN與MBC和MBN相關(guān)不顯著，但卻存在正效應(yīng)，即物料還田為微生物提供了充足的碳、氮元素，提高了MBC、MBN含量，與前人研究結(jié)果一致[19-20]。

表5 土壤微生物量碳氮與土壤有機(jī)碳、全氮的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil microbial biomass carbon and nitrogen with soil organic carbon and total nitrogen

3 討論

有機(jī)物料含有作物生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)元素，還田后在微生物的作用下釋放，增加土壤養(yǎng)分。本研究探討了有機(jī)物料還田后土壤SOC、TN、MBC、MBN、MBC/MBN、qMBC、qMBN以及qCO2在玉米生育期內(nèi)的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，與CK相比，有機(jī)物料還田增加了SOC含量；3種物料中，SM較FG和MS效果更優(yōu)，可能是由于有機(jī)物料的不同來源以及腐解周期的長(zhǎng)短影響了土壤有機(jī)碳含量[21]。SM分解周期短，在短時(shí)間內(nèi)使得土壤中較小的顆粒膠結(jié)成較大粒徑的團(tuán)聚體，使得碳元素得到物理保護(hù)。研究表明，等碳量還田時(shí)糞肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量的提升效果好于MS和FG還田[22]。

除SOC外，有機(jī)物料還田還能增加土壤TN含量。在3種有機(jī)物料中，SM還田效果最優(yōu)。有機(jī)物料進(jìn)入土壤后，在微生物的作用下腐解，為土壤補(bǔ)充氮素，提高土壤中全氮含量。研究表明，玉米在不同生育階段對(duì)養(yǎng)分的需求量存在較大差異，如在快速生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)期，根系會(huì)吸收大量氮素以滿足植株生長(zhǎng)需求，從而導(dǎo)致土壤TN含量下降；而當(dāng)生長(zhǎng)停止時(shí)，對(duì)土壤氮素需求量較小，且在該階段，施入的廢棄物料充分腐解，氮素供應(yīng)能力趨于平緩[23-24]。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，土壤TN含量呈現(xiàn)波動(dòng)變化；而不同物料處理間的差異可能是由于自身物質(zhì)的組成差異，也可能受氣溫、降水、土壤水熱狀況、微生物等多種因素影響[25]。

有機(jī)物料還田顯著增加了土壤MBC、MBN含量，與周元等[26]、Li等[27]研究結(jié)果一致。MBC、MBN含量在播種后90 d時(shí)達(dá)到峰值，一方面可能是由于播種后90 d時(shí)的土壤溫度、濕度更適宜微生物的生長(zhǎng)和繁殖，有利于碳、氮的固定；另一方面可能是隨著時(shí)間的推移，物料腐解速率達(dá)到最大，可供微生物利用的碳、氮達(dá)到最大量，且微生物數(shù)量最多，因此，土壤MBC和MBN含量最高[28]。不同物料處理的土壤MBC和MBN含量存在差異，但差異均不顯著，一方面可能是由于試驗(yàn)當(dāng)年的降雨、溫度、濕度等環(huán)境條件較好，且試驗(yàn)采取覆膜滴灌技術(shù)，水熱等條件較為穩(wěn)定，所以土壤微生物活性較為穩(wěn)定[29]；另一方面可能是由于不同物料釋放碳、氮的速率存在差異，具體原因仍需要進(jìn)一步探討。

MBC/MBN、qMBC、qMBN能夠有效反映有機(jī)物料還田后土壤碳素和氮素的活性變化。MBC/MBN反映了土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)信息，一般細(xì)菌為 5∶1；放線菌為6∶1[30]。本研究表明，不同處理在玉米各生育期土壤MBC/MBN值為2.19～7.22，說明土壤微生物群落以細(xì)菌和放線菌為主。有機(jī)物料還田處理的MBC/MBN值低于CK，一方面可能是由于作物的生長(zhǎng)發(fā)育加速了土壤中碳的消耗[31]；另一方面可能是由于外源有機(jī)物料的施入增加了土壤中微生物量氮含量，導(dǎo)致MBC/MBN下降。qMBC能夠反映土壤有機(jī)質(zhì)的變化[32]。3種有機(jī)物料還田后，SM處理的qMBC和qMBN值低于其他物料還田，說明SM不易被土壤中微生物利用，更多的以SOC、TN含量貯存在土壤中；MS處理的qMBC和qMBN值高于其他物料還田，說明MS被微生物利用后，更多的以活性微生物量有機(jī)質(zhì)在土壤中積累。

土壤代謝熵（qCO2）能夠反映微生物的活性，是聯(lián)系微生物活性、生物有機(jī)質(zhì)以及微生物功能的紐帶[33]。在生育中期（播種后60～120 d），CK處理的土壤代謝熵最高，可能是由于物料的加入，一方面改善了土壤結(jié)構(gòu)和通氣透水的性能[34]，使土壤微生物的群落組成和酶活性發(fā)生變化[35-37]；另一方面，有機(jī)物料腐解物具有表面積大、疏松多孔等特征，易與土壤形成團(tuán)聚體，將土壤有機(jī)質(zhì)保護(hù)起來，降低微生物的利用率[38]。