設(shè)施鮮秸稈還田條件下土壤特性對碳分解的影響

張敬敏，桑茂鵬，馮 棣，彭佃亮，張建新

(1.濰坊科技學(xué)院，山東壽光 262700；2.曲水縣凈植茂藤農(nóng)業(yè)科技有限公司，西藏曲水 850600)

秸稈還田是秸稈資源化利用的重要方式，也是提高土壤有機(jī)質(zhì)和改善土壤理化特性的重要措施。秸稈還田的關(guān)鍵問題是秸稈能否快速降解，秸稈降解是在微生物作用下完成的。由于秸稈物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，越來越多的研究表明，簡單地將多種微生物進(jìn)行人工組合，對天然木質(zhì)纖維素的降解效果并不理想。秸稈完全降解需要各類微生物共同作用。因此，篩選和構(gòu)建復(fù)合菌系對研究秸稈分解成為研究熱點(diǎn)。

復(fù)合菌系可通過直接篩選和人工組合菌群的方式獲得。直接篩選法篩選出的復(fù)合菌具有菌株組成多樣、復(fù)合菌系間無拮抗、降解效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。劉東陽等以富含纖維素的腐爛稻草、牛糞、中藥渣、豬糞為試材進(jìn)行篩選；王偉等從長期堆放農(nóng)業(yè)秸稈的土壤中富集法分離纖維素分解菌；蘇鑫等以腐爛蘆葦秸稈根部土壤為試材，獲得木質(zhì)素降解復(fù)合菌系；孫苗苗等以腐爛的玉米秸稈為試材篩選到一組玉米秸稈降解復(fù)合菌系。復(fù)合菌系在提高秸稈降解方面的優(yōu)勢也得到了證實(shí)。王小娟等篩選的復(fù)合菌系可使小麥秸稈最高分解率達(dá)75.6%，麥稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素最高減少了94.2%。Wang等篩選獲得的木質(zhì)纖維素快速降解復(fù)合菌系，3 d可完全降解濾紙。王光琴等篩選的復(fù)合菌系使秸稈25 d降解率達(dá)53.35%。崔宗均等以4種高溫堆肥為原料構(gòu)建的纖維素分解菌復(fù)合系，使濾紙?jiān)?2 h時完全崩解。以上研究為秸稈降解復(fù)合菌系的篩選提供了新思路。

土壤是微生物的大本營，存在著復(fù)雜的菌群，有許多可分泌纖維素酶的真菌和細(xì)菌，也是微生物存活的優(yōu)良基質(zhì)。土壤由于耕作制度、種植條件和水肥管理等方面的不同，其理化特性和微生物千差萬別，尤其是設(shè)施種植條件下，土壤集約化利用、管理頻繁，不同設(shè)施土壤差異很大。土壤的差異對還田秸稈分解也產(chǎn)生較大影響，而土壤特性對秸稈分解的影響研究很少涉及。為此，該試驗(yàn)選用易分解的鮮秸稈為試材，將不同設(shè)施土壤與鮮秸稈混合培養(yǎng)，研究土壤理化特性和微生物特性對碳分解的影響，為設(shè)施蔬菜秸稈還田提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

利用濾紙分解試驗(yàn)，篩選出若干濾紙降解能力強(qiáng)的土樣。從濾紙分解能力強(qiáng)的土樣中，隨機(jī)選取4種，于2020年7月夏季休閑期取土壤鮮樣，為供試土樣。4種設(shè)施土壤分別來自壽光洛城北紙坊村(LC1)、洛城東孫家莊村(LC2)、稻田鎮(zhèn)青田湖村1(DT1)、田鎮(zhèn)青田湖村2(DT2)。土壤樣品取回后，部分鮮樣放入-80 ℃冰箱中保存，用于微生物測定和培養(yǎng)試驗(yàn)，其余樣品風(fēng)干用于土壤特性分析。

選取無病害完整番茄植株，洗凈瀝干后切碎至長度小于1 cm備用。

PCS培養(yǎng)基配方：蛋白胨5 g，酵母提取物1 g，NaCl 5 g，KHPO0.25 g，MgSO·7HO 0.01 g，CaCO3 g，溶解在1 L水中。

50 mL PCS液體培養(yǎng)基置于150 mL三角瓶中，滅菌，冷卻，加入5 g切碎的番茄鮮秸稈，再分別加入LC1、LC2、DT1、DT2土樣各3 g(以干重記)，振蕩5 min混勻?？瞻證K只加番茄秸稈，不加土樣。各處理置于30 ℃恒溫箱中培養(yǎng)。每處理6次重復(fù)。14 d后，番茄秸稈已基本降解時，過濾。殘?jiān)娓煞Q重，測定其有機(jī)碳的含量。

土壤有機(jī)質(zhì)和殘?jiān)袡C(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-容量法測定，有關(guān)碳的計(jì)算方法如下：

殘?jiān)偺?殘?jiān)|(zhì)量×殘?jiān)袡C(jī)碳

(1)

分解前總碳=土壤碳+秸稈碳

(2)

碳分解率=100-殘?jiān)偺肌?00 /分解前總碳

(3)

土壤pH采用電位法(水土比為2.5∶1)測定；土壤全鹽采用重量法測定。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)，真菌采用改良馬丁培養(yǎng)基培養(yǎng)，稀釋平板計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)。

采用DPS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

由表1可見，土壤有機(jī)質(zhì)以LC2為最高，分別是LC1、DT1、DT2的1.39、1.41和1.28倍。土壤pH，LC2、DT1、DT2顯著高于LC1。土壤全鹽，LC1最高，分別是LC2、DT1、DT2的7.14、5.31和4.78倍。土壤真菌，LC1分別是LC2、DT1、DT2的2.34、5.80和5.98倍。4種設(shè)施土壤，LC1土樣全鹽、真菌數(shù)量最高，pH和細(xì)菌數(shù)量最低，各指標(biāo)均與其他土壤有顯著差異，呈現(xiàn)酸化和重度鹽漬化退化現(xiàn)象。

表1 4種設(shè)施土壤特性Table 1 Soil characteristics of four greenhouse

由表2可見，CK處理未添加土壤樣品，殘?jiān)|(zhì)量、分解前總碳和碳分解率均最低，殘?jiān)袡C(jī)碳最高，各指標(biāo)與添加土壤樣品處理均差異顯著。4種設(shè)施土壤處理，殘?jiān)|(zhì)量DT2最低；殘?jiān)袡C(jī)碳和殘?jiān)偺季訪C2處理最高，顯著高于LC1、DT1和DT2處理。分解前總碳與土壤有機(jī)質(zhì)規(guī)律一致，從大到小依次為LC2>DT2>LC1>DT1>CK。碳分解率，LC1、LC2、DT1、DT2處理分別是CK的1.22、1.17、1.22和1.23倍。說明添加土壤可顯著促進(jìn)有機(jī)碳的分解。

表2 不同處理殘?jiān)|(zhì)量、碳量和碳分解率Table 2 Residue quality，carbon content and carbon decomposition rate of different treatments

相關(guān)分析。以土壤有機(jī)質(zhì)()、pH()、全鹽()、細(xì)菌()、真菌()為自變量，碳分解率()為因變量，進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。由表3可見，碳分解率與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤pH、全鹽、細(xì)菌和真菌相關(guān)性不顯著。土壤pH與全鹽和真菌呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤全鹽與細(xì)菌呈極顯著負(fù)相關(guān)，與真菌呈極顯著正相關(guān)。

偏相關(guān)分析。多元相關(guān)分析中，由于其他變量的影響或作用，使相關(guān)系數(shù)不能真實(shí)地反映出自變量和因變量之間的相關(guān)性。偏相關(guān)系數(shù)是假定其他變量都取值為均數(shù)，某自變量與因變量的關(guān)系。通過逐步回歸分析，得出土壤有機(jī)質(zhì)()、pH()、全鹽()、真菌()對碳分解率的偏相關(guān)系數(shù)。由表4可見，pH()、全鹽()、真菌()與碳分解率的偏相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著差異。

表3 土壤指標(biāo)和碳分解率的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between soil index and carbon decomposition rate

表4 土壤特性和碳分解率間的偏相關(guān)分析Table 4 Partial correlation analysis between soil properties and carbon decomposition rate

由逐步回歸分析，建立碳分解率與土壤特性指標(biāo)的最優(yōu)線性回歸方程：=1962+021+917+308-238，相關(guān)系數(shù)()為0987 3，決定系數(shù)()為0974 8，說明引入有機(jī)質(zhì)()、pH()、全鹽()、真菌()4個變量，對碳分解率()的解釋作用可達(dá)97.47%。

土壤細(xì)菌與碳分解率不相關(guān)，偏回歸系數(shù)未達(dá)顯著水平，未進(jìn)入回歸方程，說明細(xì)菌對碳分解率沒有影響。土壤pH、全鹽和真菌與碳分解率相關(guān)系數(shù)未達(dá)顯著水平，但其與碳分解率的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平，有統(tǒng)計(jì)意義，應(yīng)引入方程。

通徑分析。為進(jìn)一步明確土壤特性與碳分解率關(guān)系，對土壤特性指標(biāo)和碳分解率進(jìn)行通徑分析。通徑分析可解釋自變量對于因變量的作用方向和作用強(qiáng)度，可將因變量與自變量的相互影響(相關(guān)分析)分解為直接影響(直接通徑系數(shù))和間接影響(間接通徑系數(shù))。直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)之和是自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)。通徑系數(shù)是變量標(biāo)準(zhǔn)化后的偏回歸系數(shù)，某自變量通徑系數(shù)為負(fù)數(shù)時，其對因變量起負(fù)作用。

由表5可見，直接通徑系數(shù)從大到小依次為土壤全鹽>有機(jī)質(zhì)>pH>真菌，土壤全鹽的直接通徑系數(shù)為4.105，其對碳分解率具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。同理，土壤真菌數(shù)量對碳分解率起負(fù)作用。間接通徑系數(shù)，土壤有機(jī)質(zhì)通過全鹽(→→)對碳分解率起負(fù)作用(間接通徑系數(shù)-1907)，通過pH(→→)和真菌(→→)起正作用。同理，土壤pH通過有機(jī)質(zhì)和真菌對碳分解率起正作用，通過全鹽起負(fù)作用。土壤全鹽通過有機(jī)質(zhì)、pH和真菌對碳分解率起負(fù)作用。土壤真菌通過全鹽對碳分解率起正作用。直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)的絕對值均以土壤全鹽最大，其次是土壤真菌，二者是影響碳分解率的重要因素。

表5 土壤特性與碳分解率的通徑分析Table 5 Path analysis of soil properties and carbon decomposition rate

3 討論與結(jié)論

秸稈分解是微生物作用下的生化過程，主要通過調(diào)節(jié)物料C/N比、加入微生物菌劑和改善環(huán)境因素以促進(jìn)秸稈降解，很少關(guān)注土壤本身特性對秸稈降解的作用。而實(shí)際上，土壤本身特性對秸稈的分解具有決定性作用。該試驗(yàn)中，供試的4種設(shè)施土壤，是篩選出的具有濾紙分解能力的土壤。4種設(shè)施土壤LC1、LC2、DT1、DT2處理碳分解率分別為91.39%、87.91%、91.26%和92.45%，顯著高于不加土壤的CK處理，一方面，證明了4種土壤均可促進(jìn)秸稈分解，另一方面，碳分解率的提高與激發(fā)效應(yīng)也有關(guān)系。

相關(guān)性分析表明，碳分解率與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH、全鹽、細(xì)菌和真菌相關(guān)性不顯著。偏相關(guān)分析表明，碳分解率與pH、全鹽和真菌的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著水平。進(jìn)一步通徑分析表明，直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)的絕對值均以土壤全鹽最大，其次是土壤真菌，全鹽和真菌是影響碳分解的重要因素。

研究表明，真菌的降解效果遠(yuǎn)高于細(xì)菌，這與該研究結(jié)果一致，土壤細(xì)菌與碳分解率的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)均不顯著。真菌數(shù)量、菌株比例、培養(yǎng)條件等均可影響秸稈降解效果。該試驗(yàn)中，LC1處理碳分解率與DT1和DT2處理無顯著差異，一方面，或許是由于酸化和鹽漬化土壤中的真菌多為有害真菌，非有益真菌，因而對碳分解率起負(fù)向作用；另一方面，由于鹽漬化土壤礦物離子含量高，為土壤微生物增殖提供充足的養(yǎng)分，碳分解率較高，這也間接說明秸稈還田對鹽漬化土壤具有改良作用。LC2處理，有機(jī)質(zhì)和真菌均較高，全鹽含量較低，加入秸稈后，或許由于其他養(yǎng)分不足或土壤有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，碳分解率顯著低于LC1、DT1和DT2處理。DT1和DT2土壤各指標(biāo)適中，碳分解率較高。因此，土壤本身特性對秸稈降解有顯著影響，全鹽和真菌數(shù)量是重要的影響因子，但影響的方向和作用強(qiáng)度需根據(jù)具體條件來判定。