耕作和秸稈還田對球囊霉素和土壤生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

李揚 張夢歌 王震 石兆勇

關(guān)鍵詞：耕作；秸稈還田；球囊霉素；土壤有機碳；全氮；全磷

近年來，全球氣候變化嚴(yán)重影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，氮肥的不合理利用帶來了嚴(yán)重的土壤環(huán)境問題，除草劑的大量施用及耕地沙化、酸化現(xiàn)象導(dǎo)致農(nóng)田土壤環(huán)境污染、耕作層變薄、滲透性降低、保水保墑能力變差，造成土壤養(yǎng)分流失和耕地質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響耕地土壤的可持續(xù)生產(chǎn)。耕作與秸稈還田都會影響土壤結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分，進而影響到土壤肥力狀況以及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。因此研究耕作和秸稈還田對土壤養(yǎng)分特征的影響尤為重要。

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是研究土壤養(yǎng)分平衡、循環(huán)、限制的一門學(xué)科。土壤碳、氮、磷的含量和分布等是揭示土壤養(yǎng)分狀況、土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，即土壤生態(tài)化學(xué)計量特征是以碳、氮、磷為主要研究指標(biāo)。開展生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究有助于探明土壤養(yǎng)分的有效性及其對土壤環(huán)境變化的響應(yīng)。耕作與秸稈還田影響土壤碳、氮、磷化學(xué)計量特征的研究已經(jīng)成為了近幾年的熱點。傳統(tǒng)作物生產(chǎn)中廣泛采用旋耕、翻耕和深松等方式，秸稈還田主要是直接還田或秸稈覆蓋，國內(nèi)外學(xué)者對耕作和秸稈還田對土壤理化特征及作物生長發(fā)育的影響已有大量研究。而關(guān)于耕作和秸稈還田條件下土壤叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizalfungi．AMF）分泌物——球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（glomalin-related soil protein，GRSP）與生態(tài)化學(xué)計量特性的關(guān)系則知之甚微。

球囊霉素相關(guān)蛋白是由土壤微生物叢枝菌根真菌分泌的一種土壤蛋白，廣泛分布在陸地生態(tài)系統(tǒng)中。根據(jù)提取GRSP的難易程度可將其分為易提取球囊霉素（easily extracted glomalin，EEG）與總球囊霉素（total glomalin，TG）。曹夢等研究表明，GRSP在土壤中性質(zhì)穩(wěn)定，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，是土壤氮庫和碳庫的主要來源。相關(guān)研究表明，不同生態(tài)環(huán)境中土壤GRSP含量存在差異，同樣位于黃土高原林區(qū)的灌木地、撂荒地和油松幼林地中，灌木林土壤團聚體中GRSP濃度要顯著高于撂荒地和油松幼林地。進一步的研究表明，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，GRSP對土壤化學(xué)計量特征的響應(yīng)是不同的，張亞娟等關(guān)于塞北荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究表明，TG和EEG含量與土壤氮、磷含量均呈顯著正相關(guān)，而馬潔怡等關(guān)于鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)的研究則表明，TG和EEG與土壤中的氮含量無顯著相關(guān)關(guān)系，EEG與土壤磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，而TG與土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)。然而關(guān)于耕作與秸稈還田對GRSP含量的影響，以及耕作和秸稈還田條件下的土壤化學(xué)計量特征對GRSP的影響卻鮮見報道。因此，本試驗選取常年免耕、耕作、耕作秸稈還田的農(nóng)場土壤進行研究，試圖闡明土壤GRSP和生態(tài)化學(xué)計量特征變化規(guī)律及其兩者之間的關(guān)系，以期為耕地土壤可持續(xù)利用和作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1采樣地概況及供試材料

試驗地位于河南省洛陽市河南科技大學(xué)試驗場（112.25°E，34.36°N），土壤為壤質(zhì)土。本研究于2022年6月在始于2009年10月的3個麥豆輪作栽培模式試驗田中進行采樣，分別為免耕、耕作和耕作秸稈還田，其中免耕處理是在作物播前及播后不用農(nóng)具進行土地管理：耕作處理是將前茬作物秸稈清出，對土地采取傳統(tǒng)的機械化翻耕、旋耕技術(shù)：耕作秸稈還田處理的耕作播種作業(yè)程序與耕作處理相同，在耕作播種前將前茬作物殘體進行全量均勻還田。2009年試驗開始前0～20cm土層土壤pH值8.0，有機質(zhì)含量30.4mg/g、全氮0.9mg/g、速效磷15.2mg/kg、速效鉀270.5mg/kg。每季所有小區(qū)的施肥、播種均相同。供試小麥品種為洛旱6號，2021年10月中旬播種，2022年6月初收獲。

1.2樣品采集

于2022年6月在試驗區(qū)作物收獲后，把每個處理的60mx3m大樣區(qū)劃分為3個20mx3m的小樣區(qū)，用土鉆在每個小樣區(qū)中用五點法進行取樣（圖1），采樣時先去除土壤表層的廢棄物，取土深度為0～20cm，把每個小樣區(qū)同一土層采集的5個點的土壤合成一份土壤樣品，混勻后裝入袋中進行編號，帶回實驗室，風(fēng)干處理后備用。

1.3測定項目與方法

總球囊霉素（TG）和易提取球囊霉素（EEG）含量根據(jù)Wright、David等的方法測定，土壤有機碳（SOC）含量用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，土壤全氮（TN）含量用凱氏定氮法測定，土壤全磷（TP）含量采用高氯酸一濃硫酸消煮一鉬銻抗比色法測定。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS21.0軟件對不同耕作方式和秸稈還田土壤TG、EEG含量和SOC、TN、TP含量分別進行單因素方差分析，土壤SOC、TN、TP含量對TG、EEG含量變化的貢獻，則采用方差分解分析（variance partitioning analysis，VPA）的方法用RStudio 3.6.3軟件進行分析，用線性回歸模擬TG、EEG與土壤SOC、TN、TP的相關(guān)關(guān)系。

2結(jié)果與分析

2.1耕作和秸稈還田對土壤球囊霉素含量的影響

總體來看，研究區(qū)土壤中TG含量表現(xiàn)為免耕>耕作秸稈還田>耕作：EEG含量表現(xiàn)為耕作秸稈還田>免耕>耕作（圖2）。其中，與耕作土壤相比，免耕土壤TG含量顯著提高5.1%，耕作秸稈還田土壤提高3.6%。EEG含量在三種處理間無顯著差異，免耕和耕作秸稈還田處理較耕作處理EEG含量高4.8%和6.1%。無論TG還是EEG，在耕作土壤中含量均最低，分別為3.9mg/g和0.4mg/g。

2.2耕作和秸稈還田對土壤有機碳、全氮、全磷含量的影響

由表1看出，耕作和秸稈還田顯著影響土壤有機碳、全氮含量和碳氮比。免耕和耕作秸稈還田處理較耕作土壤有機碳含量分別提高14.1%和16.1%。與耕作和耕作秸稈還田相比，免耕土壤的全氮含量顯著提高26.3%和17.3%，但耕作秸稈還田及耕作處理均明顯提高土壤碳氮比，分別較免耕處理提高33.2%（P<0.05）和20.0%。免耕處理較耕作和耕作秸稈還田處理土壤全磷含量增加5.1%和8.8%．氮磷比提高9.8%和10.8%，但土壤全磷含量以及氮磷比在三種處理間均無顯著差異。

2.3耕作和秸稈還田土壤有機碳、全氮、全磷含量與球囊霉素的關(guān)系分析

對耕作和秸稈還田土壤有機碳、全氮、全磷含量與土壤GRSP關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，免耕土壤有機碳、全氮、全磷對土壤TG變化的解釋率為74.5%，耕作秸稈還田為19.5%（圖3）。其中，免耕土壤TG受土壤有機碳和全氮的影響，解釋率分別為68.9%、86.4%，共同作用的解釋率為104.1%；耕作土壤TG主要受全氮的影響，解釋率為9.2%，與土壤有機碳共同作用的解釋率為9.7%：耕作秸稈還田主要受土壤有機碳和全氮的影響，解釋率分別為17.3%、26.0%，共同作用的解釋率為6.0%．

由圖4看出，免耕土壤有機碳、全氮、全磷對土壤EEG含量變化的解釋率為20.1%，耕作為17.3%，耕作秸稈還田為16.6%。其中，土壤全氮含量在免耕處理中對土壤EEG含量的貢獻最大，解釋率為37.5%：土壤有機碳對耕作處理土壤EEG含量影響最大，解釋率為27.2%：土壤全磷對耕作秸稈還田處理土壤EEG含量影響最大，解釋率為23.9%。免耕、耕作、耕作秸稈還田土壤有機碳、全氮、全磷共同作用對土壤EEG的解釋率分別為17.6%、6.7%、3.8%。

進一步分析耕作和秸稈還田土壤有機碳、全氮、全磷含量與球囊霉素的線性相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，免耕土壤有機碳和全氮含量與TG含量呈顯著正相關(guān)，耕作土壤有機碳含量與EEG含量呈顯著正相關(guān)，耕作和耕作秸稈還田土壤TG、EEG含量與全氮、全磷含量均呈線性正相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平（表2）。

3討論

土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量特征指示土壤養(yǎng)分平衡與循環(huán)，它會受到耕作模式的影響。本研究中，免耕土壤有機碳平均含量為17.58mg/g，土壤全氮、全磷平均含量分別為1.49mg/g和1.24mg/g，高于全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)的第三級標(biāo)準(zhǔn)和第二級標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究區(qū)土壤全氮含量屬于一般水平，全磷含量屬于較豐富水平，這可能是由本研究中免耕土壤處于常年免耕狀態(tài)造成的，免耕土壤氮素礦化分解速率較高，大量的有機氮轉(zhuǎn)為無機氮，造成氮含量較低。本研究發(fā)現(xiàn)耕作土壤有機碳、全氮含量顯著低于免耕土壤，而全磷含量在免耕和耕作土壤中無顯著差異，這表明長期耕作主要造成了土壤碳、氮的分解和流失。耕作秸稈還田土壤有機碳平均含量為17.89mg/g，顯著高于耕作土壤，與以往的研究結(jié)果一致。這可能是因為在該模式下，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，土壤有機質(zhì)輸入量提高，從而增加了土壤有機碳含量。

土壤碳氮比和氮磷比與土壤團聚體養(yǎng)分的礦化速率和土壤養(yǎng)分及作物營養(yǎng)吸收的限制性元素有關(guān)。本研究中，耕作秸稈還田土壤碳氮比顯著高于免耕土壤，且高于耕作土壤。免耕土壤碳氮比低的原因可能是土壤有機質(zhì)礦化分解速率高，同時加速氮素的礦化作用，增加了有機碳、全氮含量。本研究還發(fā)現(xiàn)，耕作秸稈還田土壤碳氮比為14.47，接近全球范圍土壤碳氮比平均值14.3和全國土壤碳氮比平均值14.4。這表明，經(jīng)過長期的耕作和秸稈還田，改善了土壤結(jié)構(gòu)，補充了流失的土壤養(yǎng)分和水分，提高了蓄水保墑能力，土壤碳氮比已經(jīng)處于比較平衡的狀態(tài)。本研究中，三種處理土壤氮磷比均小于14，這表明作物生長過程表現(xiàn)為氮限制，因此研究區(qū)在進行后續(xù)的土壤耕作和作物生產(chǎn)過程中應(yīng)加大氮素的施用，尤其是無機氮的供應(yīng)，改善植物的缺氮狀態(tài)。

已有研究表明，有機物料、耕作施肥、氮沉降、鉬礦開采等影響土壤球囊霉素含量。本研究發(fā)現(xiàn)，長期耕作降低了土壤GRSP含量，免耕和耕作秸稈還田較耕作土壤TG含量提高5.1%、3.6%，EEG提高4.8%、6.1%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：耕作造成了土壤有機碳、全氮的大量分解和消耗，AMF賴以生存的碳、氮營養(yǎng)物質(zhì)減少，最終降低了土壤GRSP含量。VPA分析中耕作土壤有機碳、全氮共同作用對TG和EEG的解釋率分別為9.7%和15.8%．也證明了上述觀點。已有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，土壤GRSP與土壤有機碳、全氮有一定的相關(guān)性。本研究中，TG占土壤有機碳的比例為23.4%．這表明GRSP對土壤碳庫有重要的貢獻。VPA分析結(jié)果表明，免耕土壤有機碳、全氮、全磷對GRSP的貢獻率更高，且線性相關(guān)分析表明，免耕土壤有機碳、全氮對GRSP的影響達(dá)到顯著水平，這可能是因為免耕土壤人為擾動較少，AMF群落組成和豐度主要受到土壤理化性質(zhì)的影響。張貴云研究發(fā)現(xiàn)，免耕降低土壤容重，提高土壤養(yǎng)分含量，促進AMF的形成。汪志琴等研究也發(fā)現(xiàn)，免耕影響AMF多樣性指數(shù)和豐富度。AMF的動態(tài)變化進一步影響GRSP的分泌和累積。本研究還發(fā)現(xiàn)，三種處理土壤全磷含量對GRSP均沒有顯著影響，這可能是因為磷素在土壤中以沉積的形式存在，性質(zhì)比較穩(wěn)定，而GRSP在土壤中易受到耕作和土壤有機碳、全氮等因素的影響，導(dǎo)致在不同的耕作和還田處理中，土壤全磷與GRSP的相關(guān)關(guān)系較弱。

4結(jié)論

與耕作相比，免耕和耕作秸稈還田提高了土壤有機碳、全氮含量，長期耕作秸稈還田使土壤碳氮比處于平衡狀態(tài)。另外，長期耕作降低了土壤TG和EEG含量，不利于叢枝菌根真菌分泌物GRSP的產(chǎn)生和累積。