玉米秸秆深翻还田改善耕地质量的响应机制研究

　　土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分之一。微生物数量和土壤酶活性等可以作为评价土壤肥力的重要指标之一。细菌是土壤物质转化的主要动力,许多细菌类群可增加土壤中可给性 N 素和 P素的含量,提高土壤肥力。张星杰等研究保护性耕作对土壤细菌、真菌、放线菌的影响。研究结果表明,大田施入玉米秸秆量相同的情况下,施腐熟秸秆显著增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量。慕平研究表明,玉米秸秆还田可使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少,放线菌和好气性细菌数量增加; 秸秆还田 +耕翻使土壤真菌和嫌气性细菌数量减少,好气性细菌数量增加。前人的研究大多集中在不同保护性耕作或长期施肥对土壤主要微生物区系组成的影响; 而对内蒙古灌溉农业区玉米秸秆深翻还田对土壤有益微生物影响的研究鲜有报道。

　　据此,文中试验研究了在灌溉条件下内蒙古玉米秸秆深翻还田对土壤有益微生物和土壤酶活性动态变化的影响状况,以期揭示玉米秸秆深翻还田改善耕地质量的响应机制,为采取玉米秸秆深翻还田措施进而保障耕地的可持续生产提供科学依据。

　　1、 材料与方法

　　1. 1 试验样地基本情况

　　试验地设在内蒙古农业大学科技示范园区(土默特右旗萨拉齐镇) 秸秆还田定位试验田,沙壤土。试验区属半干旱中温带大陆性季风气候,年均气温 6℃ ~8℃,年降水总量 400mm,无霜期140d,海拔1015m,年日照时数 2806h,年活动积温为 3000 ~3500℃。试验地有机质含量 20. 03g/kg,碱解氮 57. 74mg/kg,速效磷7. 77mg/kg,速效钾89. 33mg/kg; 施纯 N475kg/hm2,P2O5210kg / hm2,K2O 202. 5kg / hm2; 其中,N 按3:7 分别于拔节期、大喇叭口期追施,P2O5和 K2O 作种肥一次性施入,其他管理同大田。

　　1. 2 试验设计

　　试验于 2011 年和 2012 年进行,设玉米秸秆深翻还田一年(SF - Ⅰ) 、连续两年玉米秸秆深翻还田(SF- Ⅱ) 和常规旋耕秸秆不还田(CK) 3 个处理,3 次重复,玉米秸秆还田为全量(折干物质 450kg / 亩) 还田。供试作物为春玉米,其他管理普通大田。

　　1. 3 取样方法

　　在春玉米播种期、苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期进行取样。采用 5 点取样法,在田间用取样器取0 ~20cm 土层土壤,混合均匀后,按四分法取100g 土壤样品装入已灭菌的自封袋中,将新鲜土样分别过1mm 筛和2mm 筛,过1mm 筛的土样用于土壤微生物数量的测定; 过2mm 筛的土样放在阴凉处风干,剔除植物残体和其他杂物进行酶活性测定。

　　1. 4 测定方法

　　1. 4. 1 土壤含水率的测定

　　采用烘干法,取供试土壤 10g 在105℃ 烘 10h ~ 12h 至恒重,每个土样重复 3 次。计算公式: 水分% = (湿土重- 烘干土重) / 湿土重 × 100% ,水分系数 =1/(1 - 水分%) 。

　　1. 4. 2 土壤有益微生物分离及界定

　　土壤有益微生物分离所用培养基及界定标准(表 1) 。

　　

　　各培养基配方及制作方法参照周德庆编著的《微生物学教程》。土壤微生物的计数: 采用稀释平板涂布法。土壤悬浮液稀释成 10- 6、10- 5、10- 4,3 个浓度接种培养基平板,每 1 处理设 3 个重复。接种后倒置于 28℃恒温培养箱内培养 1d ~7d,进行计数,根据土样含水率计算每克干土中的细菌数量,公式为: 菌落数/克干土 = 计数皿平均菌落数 × 计数皿稀释倍数 × 水分系数。

　　1. 4. 3 土壤酶活性

　　的测定过氧化氢酶活性: 高锰酸钾滴定法,用 0. 1mol/L KMnO4mL / (g·24h) 表示。转化酶活性:3、5 - 二硝基水杨酸比色法,用 C6H6O6mg / (g·24 h) 表示。脲酶活性: 苯酚钠 - 次氯酸钠比色法,用 NH3- N mg / (100g·24 h) 表示。纤维素酶活性 - 用 3、5 - 二硝基水杨酸比色法,用 C6H6O6mg / (g·72h) 表示。

　　1. 4. 4 数据的处理采用 DPS 统计软件和 Excel 软件完成。

　　2、 结果与分析

　　2. 1 秸秆深翻还田对土壤有益微生物数量的影响

　　2. 1. 1 秸秆深翻还田对自生固氮菌数量的影响

　　

　　由图 1 可知,玉米全生育期内,各处理土壤自生固氮菌数量的动态变化均表现为: 播种期至苗期有所下降,苗期后缓慢上升至灌浆期达到高峰,之后下降,至成熟期达到最低。不同处理土壤自生固氮菌数量表现为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK,且大喇叭口期和灌浆期,各处理间差异显著(P <0. 05) ,其中,灌浆期 SF -Ⅱ土壤自生固氮菌数量达到 227. 1 × 106,较 SF - Ⅰ和 CK 分别增加 42. 18%和 157. 61%; SF - Ⅰ比 CK 增加 81. 18%。方差分析表明,玉米大喇叭口期和灌浆期,处理间自生固氮菌数量均达到显著差异(P <0. 05) ,其高低排列顺序为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK。

　　2. 1. 2 秸秆深翻还田对硅酸盐细菌数量的影响

　　由图 2 可知,各处理硅酸盐细菌数量的季节动态变化规律不尽一致,CK 和 SF - Ⅰ表现为从播种期开始逐渐上升,至灌浆期达到高峰,成熟期下降; 而 SF - Ⅱ在播种期硅酸盐细菌数量处于较高的水平,苗期开始下降,之后缓慢上升,至灌浆期达到高峰,成熟期回落。播种期处理间差异显著(P <0. 05) ,其中 SF -Ⅱ最高,达到 31. 68 × 102,较 SF - Ⅰ和 CK 分别增加 25. 94%,122. 80%; SF - Ⅰ比 CK 增加 76. 91%。苗期和成熟期,SF - Ⅱ与 SF - Ⅰ硅酸盐细菌数量差异不明显,但明显高于 CK。拔节至灌浆期各处理硅酸盐细菌数量差异均不显著。

　　2. 1. 3 秸秆深翻还田对解磷细菌数量的影响

　　(1) 秸秆深翻还田对无机磷细菌数量的影响。各处理无机磷细菌数量季节动态变化表现为: 先上升后下降趋势(图 3) ,高峰出现在苗期; 玉米全生育期,各处理无机磷细菌数量表现为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ >CK; 且在苗期,各处理间差异显著(P < 0. 05) ,其中,SF - Ⅱ的无机磷细菌数量比 SF - Ⅰ和 CK 增加 14.03% 和 31. 44% ; SF - Ⅰ的无机磷细菌数量比 CK 增加 15. 27% 。

　　(2) 秸秆深翻还田对有机磷细菌数量的影响。随着春玉米生育期的推进,各处理有机磷细菌数量均呈现先上升后下降趋势,大喇叭口期达到高峰,随后降低(图 4) ; 不同处理间表现为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ >CK。大喇叭口期,SF - Ⅱ有机磷细菌数量比 CK 增加 58. 91% ,比 SF - Ⅰ增加 55. 66% ,差异达到显著水平(P <0. 01) ; SF - Ⅰ较 CK 的有机磷细菌数量增加 5. 47%,二者间差异不显著。

　　

　　2. 2 秸秆深翻还田对土壤酶活性的影响

　　2. 2. 1 秸秆深翻还田对土壤过氧化氢酶活性的影响

　　过氧化氢酶与土壤有机质的转化有密切的关系。图 5 可以看出,玉米全生育期内,各处理土壤过氧化氢酶活性变化趋势均为先下降后上升,呈"v"形变化,最低值出现在拔节期,最大值出现在成熟期。玉米全生育期内,各处理土壤过氧化氢酶活性表现为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK; SF - Ⅱ土壤过氧化氢酶活性比 SF- Ⅰ增加 9. 49% ,比 CK 增加 13. 07% ; SF - Ⅰ土壤过氧化氢酶活性比 CK 增加 4. 23% 。

　　2. 2. 2 秸秆深翻还田对土壤脲酶活性的影响

　　图 6 可知,玉米全生育期内,各处理土壤脲酶活性变化趋势呈"M"形,拔节期和灌浆期出现两个活性高峰,最高值出现在拔节期。玉米播种期至苗期,各处理脲酶活性大小顺序为 SF - Ⅰ > SF - Ⅱ > CK; 拔节期至成熟期,各处理脲酶活性则表现为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK,此阶段 SF - Ⅱ的脲酶活性比 CK 增加40. 12% 、比 SF - Ⅰ增加 15. 74% ; SF - Ⅰ脲酶活性比 CK 增加 21. 07% 。玉米全生育期内,CK 土壤脲酶活性分别与 SF - Ⅱ和 SF - Ⅰ差异均显著(P <0. 05) 。

　　2. 2. 3 秸秆深翻还田对土壤转化酶活性的影响

　　土壤转化酶活性反映了土壤中碳元素的转化与呼吸强度。玉米全生育期内各处理转化酶活性如图 7所示,其变化趋势均呈"M"形,拔节期和灌浆期出现两个活性高峰,最高活性值出现在拔节期。除了播种期,玉米其余生育时期内,各处理土壤转化酶活性表现为 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK,SF - Ⅱ与 CK 土壤转化酶活性间存在显著差异(P <0. 05) ,SF - Ⅰ与 CK 差异不显著。玉米整个生育期内,SF - Ⅱ土壤转化酶比CK 增加 32. 15% 、比 SF - Ⅰ增加 4. 95% ; SF - Ⅰ土壤转化酶比 CK 增加 25. 92% 。

　

　　2. 2. 4 秸秆深翻还田对土壤纤维素酶活性的影响

　　各处理土壤纤维素酶活性季节动态变化规律存在差异(图 8) ,SF - Ⅰ和 CK 土壤纤维素酶活性变化规律均呈"M"形,苗期和灌浆期出现两个活性高峰,最高值出现在灌浆期。SF - Ⅱ土壤纤维素酶活性变化趋势呈现先上升后下降的趋势,活性高峰出现在拔节期。灌浆期前,各处理土壤纤维素酶活性基本表现为SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK; 灌浆期后则表现为 SF - Ⅰ > SF - Ⅱ > CK。玉米全生育期内,SF - Ⅱ与 CK 土壤纤维素酶活性间差异显著(P <0. 05) ,CK 与 SF - Ⅰ差异不显著。SF - Ⅱ土壤纤维素酶活性比 CK 增加34. 43% ,比 SF - Ⅰ增加 9. 39% ; SF - Ⅰ土壤纤维素酶活性比 CK 增加 22. 89% 。

　　3、 讨论

　　全量玉米秸秆深翻还田处理下,大量有机碳源的投入给土壤微生物的生长提供了碳和能源,并有效改善土壤物理性状,激发各种酶的活性,改善土壤犁底层孔隙状况,维持耕层土壤结构的相对稳定,给土壤微生物创造了更为有利的生长繁殖环境,并且腐解的秸秆能促使土壤脲酶活性增加。

　　文中研究表明,与常规旋耕秸秆不还田处理相比,秸秆深翻还田能提高土壤有益微生物和土壤酶活性,特别是秸秆深翻还田两年的效果更明显。土壤中大多数磷为无效态磷,作物无法吸收利用。施入土壤的磷肥极易与土壤中的金属离子结合、形成难溶性的磷酸盐沉淀、使有效性下降。但在解磷微生物作用下,难溶性磷转变为可溶性磷; 同时磷细菌还具有一定的固氮和分泌生长激素的能力,可明显地促进农作物的生长。试验表明,解磷菌的溶磷作用是中低肥力土壤上促进植物生长最重要的机制之一(Chabot R. ,1996) 。国内外的大量试验研究表明,解磷细菌提高磷肥的有效性,还可以活化土壤中的固态磷,提高磷素利用率。本研究中,秸秆深翻还田两年显著提高了土壤解磷细菌数量。

　　硅酸盐细菌(Silicate bacteria) 是土壤中的一种重要功能菌,能将土壤矿物中无效态的钾释放出来,供作物生长发育,并且具有微弱的固氮能力。秸秆深翻还田处理与常规旋耕秸秆不还田处理在播种期和成熟期差异最为显著; 可能是由于在播种期和成熟期时,当地气温低,秸秆深翻还田可以起到明显的保温作用,从而保持土壤硅酸盐细菌的繁殖活性,使其数量增加。

　　土壤酶活性拐点均出现在拔节期,此时期玉米根系发育较快,以根系建成为主,根系分泌物较多,气温回升,地温也呈现上升趋势。地温是影响土壤酶活性的一个重要因素,在一定范围内,温度的升高可以增加酶与底物(玉米秸秆) 的接触,增强酶与底物的亲和力,从而也增加酶的活性。另一方面,拔节期施肥使得土壤 C/N 比下降,土壤中有效氮相对增多,从而增加土壤酶活性,说明化肥的施加有利于秸秆在土壤中的腐解。全生育期 SF - Ⅱ与 CK 间土壤酶活性差异显著(P <0. 05) ,说明 SF - Ⅱ土壤中有机物质的转化最为强烈。有研究表明,土壤酶活性随底物浓度的增高而增强。

　　玉米生长后期,土壤过氧化氢酶呈现上升趋势,该结果与前人对小麦、玉米等的研究结果并不一致,可能与土壤类型、肥料种类、肥料量、施肥方式不同有关。成熟期,玉米呼吸作用减弱,秸秆深翻还田的农田养分有一定的积累,因此,造成土壤过氧化氢酶活性的回升; 常规旋耕秸秆不还田处理也出现同样的变化趋势。玉米生长后期,玉米下部叶片衰老脱落,增加土壤有机物质,以至氧化反应增加,使过氧化氢酶活性在成熟期有回升的趋势。秸秆深翻还田能明显提高土壤有益微生物的数量和土壤酶活性,有利于维持土壤养分平衡,改善土壤理化性状。

　　4、 结论

　　(1) 秸秆深翻还田显著增加土壤有益细菌数量。玉米全生育期内,3 个处理土壤有益微生物数量为SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK。其中秸秆深翻还田对自生固氮菌和硅酸盐细菌数量的增幅较大; 比 CK,SF - Ⅱ增幅为 157. 61%和 122. 80%,SF - Ⅰ增幅为 81. 18%和 76. 91%。

　　(2) 土壤有益微生物季节变化规律大致相同,呈先上升后下降趋势; 但高峰出现时期不同,土壤硅酸盐细菌和土壤无机磷细菌数量在播种期和苗期较高,土壤有机磷高峰在大喇叭口期,自生固氮菌数量灌浆期达到峰值,体现了土壤微生物的多样性。

　　(3) 秸秆深翻还田显著增加土壤酶活性。玉米全生育期内,各处理土壤酶活性表现为 SF - Ⅱ > SF -Ⅰ > CK。秸秆深翻还田,不同程度提高土壤过氧化氢酶活性、转化酶活性、脲酶活性和纤维素酶活性; 比CK,SF -Ⅱ增幅分别为 13. 07% 、32. 15% 、40. 12% 和 34. 43% ,SF - Ⅰ增幅分别为 4. 23% 、25. 92% 、21.07% 和 22. 89% 。

　　(4) 玉米全生育期内,土壤酶活性变化规律不尽相同。各处理过氧化氢酶活性变化趋势均为先下降后上升,呈"v"形变化,最低值出现在拔节期,最大值出现在成熟期。土壤脲酶活性、土壤转化酶活性和土壤纤维素酶活性变化规律均为"M"型,拔节期出现活性高峰。

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