引用本文
李玖燃, 丁红利, 任豫霜, 张磊. 不同用地土壤有机质和微生物对添加秸秆的响应. 草业科学, 2017,34(5):958-965
Li Jiu-ran, Ding Hong-li, Ren Yu-shuang, Zhang Lei. Effect of cornstalk addition on soil organic matter dynamics and microorganism under different land use patterns. Pratacultural Science,2017,34(5): 958-965  
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不同用地土壤有机质和微生物对添加秸秆的响应
李玖燃, 丁红利, 任豫霜, 张磊
西南大学资源环境学院,重庆 400715
通信作者：张磊(1967-),女,重庆北碚人,副教授,博士,主要从事农业与环境微生物、土壤学研究。E-mail:[email protected]

第一作者:李玖燃(1994-),女,黑龙江海林人,在读硕士生,主要从事土壤环境微生物研究。E-mail:[email protected]

收稿日期: 2017-03-23
基金: 基金项目:国家级“三峡库区水环境监测与模拟国际科技合作基地” 中央高校基本科研业务费(XDJK2016D042)
摘要

选取采集于国内17个省(区)的不同利用方式下的85个土样为研究对象,定量添加玉米( Zea mays)秸秆置于相同温度培养90 d,分析土壤有机质(soil organic matter,SOM)含量变化特征及其驱动因子。结果表明,添加玉米秸秆后,不同用地的SOM变化存在较大差异,63.5%的土壤样品的SOM增加,36.5%的减少;SOM含量相对变化率与其初始SOM含量呈显著负相关关系( P<0.05),说明在短期内添加秸秆并不一定意味着土壤有机质会提高。试验土样来源于4种不同用地方式中,采集于播种粮食旱地的88%的土样,其SOM含量增加;采集于水稻田的土样,其SOM含量均减少;采集于林地和菜地的土样,其SOM含量有增有减。添加秸秆后,各土样的可培养微生物数量均增加,增加量表现为水稻田>林地>菜地>粮食旱耕地,真菌>放线菌>细菌。磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)分析显示细菌/真菌与G+/G-均表现为水稻田>粮食旱耕地>林地>菜地,比值越小说明土壤生态系统越稳定;A/B和iso/anteiso、C/A均表现为菜地>粮食旱耕地>林地>水稻田,比值越小代表养分和环境胁迫越严重。因此,4种用地方式中,水稻田土壤生态系统稳定性较差,受养分和环境胁迫程度高。

关键词: 秸秆还田; 土壤有机质; 土壤含水量; 土地利用方式; 土壤微生物; PLFA
中图分类号:S154.3 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)05-0958-08 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0248
Effect of cornstalk addition on soil organic matter dynamics and microorganism under different land use patterns
Li Jiu-ran, Ding Hong-li, Ren Yu-shuang, Zhang Lei
College of Resource and Environment, SouthwestUniversity, Chongqing 400715, China
Corresponding author:Zhang Lei E-mail:[email protected]
Abstract

85 soil samples under different land use pattern were collected from 17 provinces in China.Then each soil sample was added with cornstalk and cultivated under natural condition for 90 d in order to understand the dynamics and motivation of soil organic matter (SOM) after the cornstalk addition.The results showed that the original land use pattern significantly affected SOM of soil samples with stalk.63.5% soil samples had shown an increase of SOM,while SOM of 36.5% soil samples decreased,which indicates that cornstalk addition did not necessarily lead to SOM increasing within a short period of time. SOM of 88% soil samples from crop dry land had increased while it decreased all samples from paddy soils, and SOM in soils from forest lands and vegetable fields did not have obvious trend. After cornstalk addition, the number of cultivable bacteria, fungi and actinomycetes of all soil samples increased in the following orders:paddy field> forest> vegetable>crop dry land, and fungi>actinomycetes>bacteria. According to phospholipid fatty acids (PLFA), the smaller bacteria/fungi and G+/G-, the more stable soil micro-ecosystem is; the smaller A/B,ios/anteiso and C/A are, the more unstabilitythe environment in soilis. PLFA analysis shows that soil micro-ecosystem stability increases in the following series:paddy field,crop dry land, forest land and vegetable land; the environmental and soil nutrient stress increases in the following series: vegetable land,crop dry land, forest land and paddy field. Therefore, paddy field had the worst soil micro-ecosystem stability and suffered the most nutrient and environment stress than all the other soils in this study.

Keyword: straw-amended soil; soil organic matter; soil moisture content; land use pattern; micro flora; PLFA

土壤有机质(soil organic matter, SOM)是土壤重要组成物质, 为植物生长提供了必要的营养元素, 是土壤肥力的重要指标, 对改善土壤物理、化学性质起着重要作用[1]。秸秆还田是公认的能够提高SOM的有效途径之一[2]。但对于秸秆还田短期内能否提高土壤肥力的问题则存在争议。在有机碳含量较高或有效氮含量过高的土壤中添加有机物料, SOM含量产生不增加或下降的现象[3]; 当土壤达到碳饱和度时, 额外添加有机碳源将只能增加碳矿化总量, 不能持续提高土壤有机碳水平, SOM含量维持不变或降低[4]。Jindaluang等[5]也证明不论是田间条件还是室内培养条件, 秸秆还田后的土壤固碳效应都会因土壤类型和性质而异。

目前, 不少学者对不同地区的秸秆分解、腐殖质化以及有机质积累推动力方面进行了研究, 分析了有机物料还田后SOM含量减少的潜在因子[4, 6, 7, 8, 9, 10]。有机物质的输入及其引起的土壤环境的变化, 改变了土壤已有的平衡, 为了实现新的平衡, SOM含量会出现持续减少、持续增加或维持在动态稳定水平的不同反应[6]。也有学者发现SOM减少的现象在土地利用方式转化, 如旱地转换为水稻田、荒地等方式时尤为明显[11], 水分条件的改变可能是重要外因。土壤中有机质的分解转化, 依赖于微生物所产生的酶来推动[12], 而微生物的活动则依赖于水分。目前对不同环境条件下添加秸秆对土壤微生物群落以及SOM积累动态的影响的研究还不多。因此, 本研究对指导秸秆还田、有机农业乃至降低温室效应等方面有重要的意义。

为了准确有效地探讨不同用地方式及不同地区土壤在加入秸秆后有机质积累和土壤微生物群落的反应, 本研究采集了全国各地大量的土样, 从中随机选取来自国内17个省、自治区及直辖市的85个土样为研究对象, 添加玉米(Zea mays)秸秆后进行培养, 利用磷脂脂肪酸(PLFA)方法测定土壤样品中微生物区系以及分析与SOM变化间的关系, 以期揭示变化发生的机理, 为秸秆还田提供理论指导。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

本研究于2014年1月-3月在全国范围内采集土样, 并从中随机抽取样品作为试验材料。所抽取样品来自我国17个省、自治区和直辖市, 共85个土壤样品。分别包括重庆(14个)、云南(5个)、四川(6个)、贵州(5个)、湖南(3个)、湖北(6个)、河南(14个)、广东(3个)、广西(6个)、山东(4个)、河北(4个)、内蒙古(3个)、山西(3个)、甘肃(4个)、安徽(3个)、新疆(1个)、福建(1个)。原土地利用方式主要分为4种, 分别为播种粮食作物的旱作耕地(下称“ 粮食旱耕地” )、林地、种植蔬菜作物旱作耕地(下称“ 菜地” )和水稻田, 各占37.6%、24.7%、23.5%和14.2%。研究区气候类型复杂, 包括热带季风、温带大陆性及温带季风气候带。土壤类型多样, 主要有紫色土、黄壤、红壤和水稻土等。

各个样品采用五点采样法, 弃去表面动植物残体及大型固体颗粒, 采集1-20 cm土层土样, 混和均匀后立即装入对应编号的自封袋中。用于测定土样养分的土样在室内风干, 分别过1.5和2 mm筛后备用; 用于分析土壤微生物指标的样品置于4 ℃冰箱保存, 一周内测定。土壤初始SOM含量见表1, 土壤基本理化性质:pH 4.4~9.1、总氮0.4~7.9 g· kg-1、总磷0.2~0.8 g· kg-1、总钾4.4~24.1 g· kg-1、碱解氮18.5~360.7 mg· kg-1、速效磷6.2~54.0 mg· kg-1、速效钾0.05~4.5 g· kg-1。

表1 供试土壤初始土壤有机碳含量 Table 1 Statistic summary of the original soil organic matter of soil samples

供试玉米秸秆采集于成熟后地上部分, 70 ℃烘干后剪至3 cm待用; 玉米秸秆养分含量为(干基):全磷0.231%、全氮1.068%、全钾1.40%; 试验所用培养容器规格为高10 cm、直径8 cm, 并带有封口膜的玻璃容器。

1.2 试验设计

采取室内模拟恒温培养方法, 85个土样分别称取150 g, 装入各自独立玻璃容器中, 有气孔薄膜封口。将玉米秸秆分别添加并混合均匀, 秸秆总用量为每瓶4 g, 以无秸秆添加为对照, 每个土样设置3个重复。置于温室进行培养(30 ℃)。培养过程中采用重量控制法控制水分, 即保持培养体系重量与初始重量一致, 每7 d添加蒸馏水至初始重量。培养90 d后分别测定添加秸秆前后土壤含水量、SOM含量和微生物指标[13, 14]。

1.3 测定方法

测定时去掉土壤样品中未分解的有机残体, 土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法(K2Cr2O7-H2SO4法)[15];

有机质含量相对变化率计算:

有机质相对变化率=(秸秆添加后SOM含量-初始SOM含量)/初始SOM含量× 100%。

土壤水分含量的测定采用常规方法[15]:

(湿基)水分=[(土样+烘干盒重)-(烘干的土+盒重)]/[(土样+烘干盒重)-烘干盒重]× 100%。

土壤可培养微生物数量测定采用平板稀释法[16], 其中细菌用牛肉膏蛋白胨培养基; 真菌用加入孟加拉红的马铃薯葡萄糖培养基; 放线菌用高氏一号培养基。磷脂脂肪酸(PLFA)采用White等的方法[17]。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件对所测数据统计分析, 用平均值和标准误表示测定结果, 分别对4种土地利用方式下可培养微生物数量及增加量、不同类群PLFA比值进行单因素方差分析, 并用Duncan法对各测定数据进行多重比较; 采用Excel 2012制图。

2 结果
2.1 添加玉米秸秆对SOM含量的影响

添加玉米秸秆后, 不同地区土样对外源有机物质输入的响应情况不同:供试的85个土样中, SOM含量增加的土样有54个, 变化范围为0.25~193.31 g· kg-1, 大多采集于湖北、重庆、四川、山东等地; SOM含量减少的土样有31个, 变化范围为-112.30~-0.30 g· kg-1, 大多采集于河南、重庆等地。这表明秸秆还田短期内并不一定使有机质增加, 且短期内有机质消长情况无明显地带性分布(图1)。

2.2 添加玉米秸秆后SOM含量变化的驱动因素

2.2.1 添加玉米秸秆后土壤初始SOM含量与SOM含量变化间关系 添加玉米秸秆后, 其SOM初始含量是影响其变化趋势的重要因素之一。85个土样的SOM含量相对变化率与其初始SOM含量呈显著(P< 0.05)负相关关系, 二者较好地符合对数关系(图2)。表现为对不同的土样而言, 其自身有机碳含量越低, 则越有利于外源碳的输入, 即碳素的固定。

2.2.2 土壤水分含量对添加秸秆后SOM含量变化的影响 土壤含水量是影响SOM变化趋势的重要因素之一, 土壤含水量具有较好的梯度分布, 根据土壤样品中水分梯度进行分组分析(表2)。其中土壤含水量为11%~20%的土样最少, 仅占14%, 称为A组; 原有土壤含水量为21%~30%的土样占67%, 为B组; 土壤含水量为31%~40%的土样占19%, 为C组。添加秸秆后, 3组水分梯度下, SOM含量均出现了增加或者减少的现象。A、B和C三组SOM平均增加量分别为5.74、11.86和35.61 g· kg-1, A组的增加量低于B组和C组; 就SOM变化率而言, A、B和C三组平均增加率分别为23.55%、37.12%、38.59%, 表明SOM变化率随着土壤含水量增加而增加。

表2 不同用地土样的土壤含水量分布及相应的有机质变化量 Table 2 Moisture of soil samples and related rate of SOM variation

2.2.3 添加玉米秸秆后土地利用方式与SOM含量变化的关系 在相同的水分梯度下, 添加秸秆后, SOM含量变化趋势不同, 说明除水分因素外, 还受到其它因子影响, 进一步探讨相同水分梯度, 土地利用方式对SOM含量产生的影响。添加秸秆后(图1), 粮食旱耕地类型中共24个土样, SOM相对变化率增加的有21个土样, 较初始SOM含量增加最大的, 增加了345.6%, 仅有3个土样的SOM相对变化率减少, 平均减少了12.8%; 水稻田用地方式中SOM含量均减少, 较初始SOM含量减少最多的, 减少了59.1%; 林地用地方式和菜地用地方式SOM相对变化率有正有负, 但林地中, 增加的土样(除HUB-2和GS-2外)较初始含量增加了的平均不足10%, 但减少的土样较初始含量去平均减少24.79%; 菜地类型中SOM含量增加和减少的土样各占50%, SOM含量平均增加和减少量分别为23.36%和26.49%。4种土地利用方式的SOM含量变化受初始SOM含量影响明显, 粮食旱耕地初始SOM平均值最低, SOM平均增加量最高, 增幅达36%。

图1 玉米秸秆添加后SOM初始含量及变化量
注:样品名称中的字母代表来源省份, 即AH-安徽、CQ-重庆、FJ-福建、GD-广东、GS-甘肃、GX-广西、GZ-贵州、HEB-河北、HEN-河南、HUB-湖北、HUN-湖南、NMG-内蒙古、SC-四川、SD-山东、SX-山西、XJ-新疆、YN-云南; * 代表该土样水分含量为21%~31%。Fig. 1 SOM variation valae after adding cornstalk and its initial SOM content
Note: Alphabet of samples stands for coming province of the related soil samples. AH-Anhui, CQ-Chongqing, FJ-Fujian, GD-Guangdong, GS-Gansu, GX-Guangxi, GZ-Guizhou, HEB-Hebei, HEN-Henan, HUB-Hubei, HUN-Huanan, NMG-Neimenggu, SC-Sichuan, SD-Shandong, SX-Shanxi, XJ-Xinjiang, YN-Yunan; * indicate the soil samples with 21%~31% moisture.

图2 SOM含量相对变化率与初始值的关系Fig. 2 Relationship between the relative change after addition of cornstalk and its initial content of SOM

2.2.4 添加玉米秸秆后土壤可培养微生物数量和PLFA特征 分析水分含量21%~30%土样的可培养微生物可知(表3), 在添加秸秆后4种用地方式的土壤可培养微生物数量均大幅增加, 增加量表现为水稻田> 林地> 菜地> 粮食旱耕地。水稻田的可培养细菌初始值极显著高于林地、菜地和粮食旱耕地(P< 0.01); 可培养真菌数量表现为粮食旱耕地> 林地> 菜地> 水稻田; 可培养放线菌数量表现为林地> 水稻田> 菜地> 粮食旱耕地。添加玉米秸秆后, 与细菌、放线菌相比, 可培养真菌增加幅度最大, 达503%, 4种用地的增加量表现为水稻田> 林地> 粮食旱耕地> 菜地, 可培养细菌增加量表现为水稻田> 菜地> 粮食旱耕地> 林地, 可培养放线菌的增加量表现为林地> 菜地> 水稻田> 粮食旱耕地, 细菌、真菌和放线菌的增加量在4种用地间均形成极显著差异。水稻田原始土样中可培养细菌数在各土样中最高, 可培养真菌数最低。经过处理过程, 水稻田可培养真菌数量增加量极显著地高于其它处理, 而可培养细菌数的增加量在各土样中居中, 即处理前后, 水稻田的可培养细菌/真菌下降且SOM含量下降, 由此推断可培养细菌/真菌下降不利于有机质的积累。相反地, 粮食旱耕地的上述各指标在4种用地方式中变化最小。

表3 含水量21%~30%土样添加秸秆后4种用地的可培养微生物数量及其增加量 Table 3 Number of cultivable microorganisms and their variation under four land use patterns in 21%~30% moisture soil samples after adding cornstalk

添加玉米秸秆后4种用地的细菌/真菌与G+/G-比值越小说明土壤生态系统越稳定(表4)。水稻田的上述值显著高于其它土地利用方式(P< 0.05), 说明菜地土壤微环境稳定性最好, 林地和粮食旱耕地次之, 水稻田最差; A/B和iso/anteiso、C/A值越小代表受养分和环境胁迫越严重, A/B和iso/anteiso表现为菜地> 粮食旱耕地> 林地> 水稻田, 水稻田的iso/anteiso显著低于菜地、粮食旱耕地和林地(P< 0.05), 水稻田土壤C/A值也显著低于菜地、粮食旱耕地和林地, 表明水稻田土壤微生物活性受环境胁迫和养分胁迫程度高于其它用地。

表4 4种用地添加玉米秸秆后土壤微生物PLFA特征值 Table 4 Characteristic PLFA values of soil microorganisms under for land use patterns after adding cornstalk
3 讨论

秸秆添加到土壤中, 分解转化为有机质与土壤水分、土地利用方式、微生物种类、数量等条件有关[18]。水分条件是秸秆分解转化为SOM的一个决定性因素[19]。土壤含水量通过影响土壤微生物的活动、土壤通气性等条件, 从而影响秸秆分解以及SOM形成[20]。土壤中的水分过多时导致土壤微生物(好氧菌)缺氧而分解作用降低甚至停止; 水分不足时或干旱时[21], 分解作用亦是如此。保持适宜的土壤水分含量, 才能保证土壤中水分和氧气的协调和平衡, 最大限度地发挥土壤微生物的作用[22]。本研究中, 有机质增加的土壤中土壤含水量(土壤适宜的水分范围)越高, 土壤微生物活性越强, 可以加速土壤微生物的代谢能力, 有利于微生物分解秸秆, 促进有机质的形成, 有机质增加量越高。

SOM形成是极为复杂的过程, 是土壤有机质和外来有机质在复杂的条件下腐殖化和矿化作用的动态结合[23]。玉米秸秆添加到土壤中后, 首先, 在秸秆分解初期, 无芽孢细菌和霉菌生长最为旺盛, 分解双糖和单糖等物质; 其次, 无芽孢细菌逐渐减少, 纤维素分解菌大量生长, 两者共同作用分解蛋白质、果胶类和纤维素等; 最后, 放线菌可以将秸秆中难分解的木质素和单宁等物质分解, 形成转化为有机质[24]。与此同时, 微生物数量的增加短期内会引起土壤原有土壤中有机碳矿化, 有机质的形成量小于矿化量会造成有机质减少[25, 26]。本研究中, 4种用地方式中, 添加秸秆后采集的所有水稻田土壤样品SOM均减少, 水稻田原始土样中可培养细菌数在各土样中最高, 可培养真菌数最低。经过处理, 水稻田可培养真菌数量增加量极显著地高于其它处理, 而可培养细菌数的增加量在各土样中居中, 真菌增加量极显著地高于其它利用方式土壤, 在原有淹水的环境条件下, 细菌为优势类群, 真菌处于竞争劣势[27], 所以原水稻田样品细菌数量高于其它土壤, 而真菌数量低于其它用地方式土壤样品。添加秸秆改善了淹水状态下的通气条件, 新增秸秆以及氧气条件刺激真菌大幅度增长, 真菌具有较强的降解有机质的能力[28, 29], 消耗土壤原有SOM, 土壤矿化速率的加快[30], 使得SOM形成量小于矿化量, 导致SOM含量减少。土壤通气条件使得氧化稳定性差有机质发生了氧化分解[31], 造成水稻田SOM在添加秸秆后减少。所以, 正如PLFA结果显示, 水稻田原有的淹水条件使得土壤微生态环境较其它用地方式的脆弱, 易受环境和养分的胁迫。水稻田添加秸秆后应该保持较高含水量, 以便保持土壤原有环境条件使SOM得到积累。

4 结论

添加玉米秸秆后, 秸秆还田短期内并不一定使有机质增加, 短期内有机质消长情况无明显地带性分布。不同用地的SOM变化存在差异。4种用地方式中水稻田SOM减少最多。添加秸秆后, 水稻田可培养真菌数量增加量极显著地高于其它用地方式, 真菌数量大幅度的增加, 促使秸秆分解和矿化加快, 致使SOM水平降低。

添加秸秆, 水稻田的细菌/真菌与G+/G-值大, A/B和iso/anteiso、C/A值小, 表明水稻土壤生态系统稳定性差, 受养分和环境胁迫程度高。

4种用地方式添加秸秆后的SOM均受初始SOM影响, 粮食旱地初始平均SOM最低, 添加秸秆后增加量最高, 初始有机质SOM含量越低, 越有利于有机质积累。

(责任编辑 苟燕妮)

The authors have declared that no competing interests exist.

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