2011年10月至2016年6月连续5个冬小麦生长季, 在山东农业大学兖州实验站(山东兖州)进行大田定位试验。种植方式为冬小麦-夏玉米轮作, 冬小麦收获后秸秆全部移除。2011年10月冬小麦播种前, 试验田0~30 cm土层pH值为7.92, 含有机质12.3 g kg^-1、全氮0.91 g kg^-1、硝态氮16.93 mg kg^-1、铵态氮5.64 mg kg^-1、速效磷 8.6 mg kg^-1、速效钾57.5 mg kg^-1。

试验品种为济麦22, 种植密度为2.25× 10⁶株 hm^-2, 行距25 cm。采取随机区组设计, 3次重复。玉米秸秆还田量为9000 kg hm^-2, N、P₂O₅和K₂O含量分别为0.65%、0.30%和0.50%。设置4种耕作模式, 即连续5年旋耕秸秆不还田(RT); 连续5年旋耕秸秆还田(RS); 连续5年深耕秸秆还田(DS); 前2年旋耕秸秆还田后第3年深耕秸秆还田(TS)。具体操作流程, RT为先将玉米秸秆清理出农田, 再撒施基肥, 然后旋耕2遍, 耕作深度10 cm; RS为玉米秸秆粉碎还田后, 撒施基肥旋耕2遍, 耕作深度10 cm; DS为玉米秸秆粉碎还田后, 撒施基肥, 然后深翻土壤, 耕作深度25 cm, 旋耕2遍; TS为玉米秸秆还田基础上实施2年旋耕后进行1年深耕, 再进行2年旋耕, 如此循环。

各处理施肥量均为纯氮225 kg hm^-2, 耕地时施入50%氮肥(尿素)、105 kg hm^-2 P₂O₅ (过磷酸钙)和75 kg hm^-2 K₂O (氯化钾), 其余氮肥于拔节期开沟追施。小区面积为4 m × 15 m = 60 m², 小区间隔为1 m。夏玉米季免耕播种, 施纯氮240 kg hm^-2、P₂O₅ 120 kg hm^-2、K₂O 150 kg hm^-2, 其他管理同一般大田生产。成熟期收获每小区3 m², 脱粒后晾干称重, 计算产量。

2016年6月13日, 随机选取各小区5个点, 分别采集0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤, 去除秸秆残体、小麦断根及石块, 充分混匀, 过10目筛。一部分置4℃冰箱, 用于土壤酶活性及土壤无机氮的测定; 另一部分自然风干, 过100目筛, 用于测定土壤有机碳。

采用重铬酸钾容量法测定土壤总有机碳; 用333 mmol L^-1高锰酸钾氧化法测定土壤活性有机碳; 土样经1 mol L^-1 KCl浸提后, 用AA3连续流动分析仪(SFA CAF FIA BRAN+LUEBBE III)测定土壤硝态氮及铵态氮含量, 两者之和即为土壤无机氮含量; 用碳酸氢钠浸提— 钼锑抗比色法测定土壤速效磷; 用醋酸铵浸提— 火焰光度法测定土壤速效钾^[16]。

采用上海邦奕生物科技有限公司的ELISA试剂盒(批号201603)的Labsystems Multiskan MS 352型酶标仪(芬兰)测定土壤酶活性。

取0.50 g土样, 按QIAamp DNA Stool Mini Kit (Qiagen, 美国)试剂盒说明书步骤提取土壤总DNA, 用Illumina MiSeq平台对细菌16SrRNA基因V4 (515F-806R)进行测序, 将测序的原始序列上传至NCBI的SRA数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK47529/, SRP062512), 在门水平分析微生物多样性及群落组成^[17]。

在系统发生学研究或遗传学研究中, 人为给某一个分类单元设置同一标志, 将序列间相似度达到97%的归类为一个小组, 称operational taxonomic unit (OTU), 即一个菌种。对各样本测序序列进行OTU分析, 基于分类学信息, 在门水平进行微生物多样性及微生物群落相对丰度分析。

连续5年秸秆还田和采用相同的耕作模式, 土壤系统基本达到稳定状态。因此, 将第5年土壤相关指标作为该耕作系统的土壤指标。采用Microsoft Excel 2007整理数据, 用DPS7.05进行统计方差分析, 用LSD法进行多重比较。采用SigmaPlot 10.0绘制柱形图。

秸秆还田处理显著提高0~30 cm土层土壤无机氮含量, 0~10、10~20和20~30 cm土层分别平均提高18.2%、30.6%及34.1%。在0~10 cm土层, RS的土壤无机氮含量显著高于DS和TS, 但在10~20 cm及20~30 cm土层, 却显著低于DS和TS。与RT相比, 秸秆还田显著提高0~30 cm土层土壤速效磷与速效钾含量, 且不同土层下变化趋势与土壤无机氮一致(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 耕作模式对不同土层土壤有效养分含量的影响 Table 1 Effects of tillage pattern on soil available nutrients in different soil layers 处理 Treatment 无机氮 Mineral nitrogen (mg kg-1) 速效磷 Available phosphorus (mg kg-1) 速效钾 Available potassium (mg kg-1) 0-10 cm 10-20 cm 20-30 cm 0-10 cm 10-20 cm 20-30 cm 0-10 cm 10-20 cm 20-30 cm RT 26.37 c 23.06 d 20.97 c 13.17 d 10.33 c 7.50 d 99.83 d 85.33 c 64.17 c RS 33.43 a 27.83 c 24.63 b 23.50 a 16.50 b 12.67 c 135.17 a 103.17 b 80.67 b DS 29.60 b 32.53 a 30.98 a 18.50 c 19.67 a 16.50 a 115.17 c 123.00 a 101.17 a TS 30.46 b 29.96 b 28.78 a 21.17 b 19.17 a 16.00 a 124.50 b 109.17 b 95.00 a Different letters after measured data indicate significant difference among treatments at P < 0.05. 数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05)。

表1 耕作模式对不同土层土壤有效养分含量的影响 Table 1 Effects of tillage pattern on soil available nutrients in different soil layers

秸秆还田显著提高土壤有机碳及活性有机碳含量, 增幅分别为17.5%~26.6%及51.0%~71.4%; 耕作模式对土壤有机碳在土层之间的分布影响显著(图1)。在0~10 cm土层, RS比DS和TS提高土壤有机碳含量4.8%和16.9%, 提高活性有机碳含量2.8%和5.5%, 但在10~30 cm土层则呈相反趋势。

图1

Fig. 1

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	图1 耕作模式对不同土层土壤有机碳(SOC)及活性有机碳(LOC)含量的影响Fig. 1 Effects of tillage pattern on soil organic carbon (SOC) and labile organic carbon (LOC) contents in different soil layers

与秸秆不还田的RT相比, 秸秆还田显著提高了0~30 cm土层土壤蔗糖酶(16.0%)、蛋白酶(27.6%)、脲酶(40.3%)和硝酸还原酶(19.6%)活性。RT、RS及TS的土壤酶活性随土层加深呈下降趋势, 而DS的土壤酶活性则表现为10~20 cm土层最高; 在0~10 cm土层, 土壤酶活性均表现为RS最高, 而在10~20 cm和20~30 cm土层, DS及TS的土壤酶活性显著高于RS (图2)。

图2

Fig. 2

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	图2 耕作模式对不同土层土壤酶活性的影响 Inv: 蔗糖酶; Pro: 蛋白酶; Ure: 脲酶; NR: 硝酸还原酶。Fig. 2 Effects of tillage pattern on soil enzyme activities in different soil layers Inv: invertase; Pro: protease; Ure: urease; NR: nitratase.

耕作模式显著影响土壤微生物多样性及其在不同土层间的分布(图3)。在0~10 cm土层, 土壤微生物多样性表现为RS > TS > DS > RT, 与RT相比, RS、TS和DS分别提高43.2%、22.2%及30.2%。在10~20 cm和20~30 cm土层, 土壤微生物多样性则表现为DS > TS > RS > RT; 其中, DS与TS之间无显著差异。耕作模式显著影响土壤微生物群落组成(图3)。秸秆还田显著提高了变形菌门、硝化螺旋菌门及放线菌门的相对丰度, 酸杆菌门丰度显著降低, 且3个土层一致。

图3

Fig. 3

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图3 耕作模式对不同土层土壤微生物多样性及群落组成的影响 Prot: 变形菌门; Acid: 酸杆菌门; Firm: 厚壁菌门; Gemm: 芽单胞杆菌; Bact: 拟杆菌; Nitr: 硝化螺旋菌; Acti: 放线菌; Chlo: 绿弯菌门; Plan: 浮霉菌门; Verr: 疣微菌门。Fig. 3 Effects of tillage pattern on soil microbial diversity and community composition in different soil layers Prot: Proteobacteria; Acid: Acidobacteria; Firm: Firmicutes; Gemm: Gemmatimonadetes; Bact: Bacteroidetes; Nitr: Nitrospirae; Acti: Actinobacteria; Chlo: Chloroflexi; Plan: Planctomycetes; Verr: Verrucomicrobia.

相关分析表明, 土壤微生物多样性与土壤蔗糖酶、蛋白酶、脲酶及硝酸还原酶活性之间均极显著正相关(图4)。

图4

Fig. 4

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	图4 土壤微生物多样性与土壤酶活性的相关性(n=36) Inv: 蔗糖酶; Pro: 蛋白酶; Ure: 脲酶; NR: 硝酸还原酶。Fig. 4 Correlation between soil microbial diversity and soil enzyme activities (n=36) Inv: invertase; Pro: protease; Ure: urease; NR: nitratase.

秸秆还田显著提高冬小麦产量, 增幅达6.0%~31.3%。前2年各秸秆还田处理间产量未表现显著差异; 但在后3年, DS和TS处理较RS处理显著提高了冬小麦产量, 分别为10.5%、13.8%、17.3%及11.7%、13.0%、16.6%。连续旋耕的RT和RS导致冬小麦产量在后3年表现下降趋势, 减产率分别为1.6%和0.9%; 而进行深耕的DS和TS则表现产量连续提高, 增产率分别为3.2%和3.8% (表2)。相关分析表明, 在10~20 cm及20~30 cm土层, 土壤养分含量、酶活性及微生物多样性与冬小麦产量极显著正相关(图5)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同耕作模式对冬小麦产量的影响 Table 2 Effects of different tillage patterns on grain yields of winter wheat (t hm-2) 处理Treatment 2011-2012 2012-2013 2013-2014 2014-2015 2015-2016 平均Average RT 7.52 b 7.66 b 7.27 c 7.17 c 7.04 c 7.33 c RS 8.48 a 8.65 a 8.04 b 7.95 b 7.89 b 8.20 b DS 8.19 a 8.65 a 8.88 a 9.05 a 9.25 a 8.80 a TS 7.97 ab 8.13 ab 8.98 a 8.99 a 9.20 a 8.65 a Different letters after measured data indicate significant difference among treatments at P < 0.05. 数据后不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05)。

表2 不同耕作模式对冬小麦产量的影响 Table 2 Effects of different tillage patterns on grain yields of winter wheat (t hm-2)

图5

Fig. 5

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	图5 冬小麦5年平均产量与土壤生物活性和有效养分的相关性 Inv: 蔗糖酶; Pro: 蛋白酶; Ure: 脲酶; NR: 硝酸还原酶。Fig. 5 Correlations between average yield of winter wheat across five years and soil bioactivity and available nutrient Inv: invertase; Pro: protease; Ure: urease; NR: nitratase.

在农田生态系统中, 土壤微生物参与有机物料分解与养分生态循环, 其多样性及群落组成对土壤质量保持具有重要作用^[9]。Zhao等^[8]通过30年秸秆还田定位试验研究发现, 秸秆还田显著提高了0~20 cm土层土壤微生物多样性, 优化了微生物群落结构。这与本研究中秸秆还田显著提高0~30 cm土层土壤微生物多样性的结果相符合。本研究中, 秸秆还田显著提高了土壤变形菌门、硝化螺旋菌门及放线菌门的相对丰度。放线菌为革兰氏阳性菌, 且大部分是腐生菌, 在土壤中主要起分解植物残体的作用, 因此, 秸秆还田可以相应增加放线菌门类微生物的数量^[18]。变形菌与硝化螺旋菌属于革兰氏阴性菌, 其丰度水平对土壤氮含量响应显著^[8], 究其可能的原因, 秸秆还田提高了土壤氮库, 满足了其活动对氮素营养的需求^{[19, 20]}。在0~10 cm土层, 与深耕还田相比, 旋耕还田具有较高的土壤微生物多样性, 但在10~20 cm及20~30 cm土层则表现较低。这可能是耕作方式引起耕层土壤温度、水分及通气状况等环境条件的差异, 影响秸秆腐解速率, 进而调控土壤微生物垂直分布与微生物群落组成的变化^[21]。此外, 深耕掩埋秸秆和基肥较深, 有利于促进下层土壤有机质积累和结构改善, 适宜土壤微生物活动, 进而提高了10~30 cm土层土壤微生物多样性^[13]。

土壤酶参与土壤养分循环过程中特异的催化反应, 其活性水平是衡量土壤质量重要的生物学指标^[21]。与单施化肥相比, 秸秆还田显著提高0~20 cm土层土壤酶活性, 且秸秆还田量越大土壤酶活性越高^{[6, 7, 8]}。本试验条件下, 秸秆还田显著提高0~30 cm土层土壤蔗糖酶、蛋白酶、脲酶及硝酸还原酶活性。究其原因, 秸秆还田后土壤有机碳氮含量提高, 微生物多样性及群落结构得以改善, 土壤微生物需要分泌更多碳氮循环相关酶来满足自身生长对养分的需求, 这为土壤酶活性提高奠定了物质基础^{[22, 23]}。持续旋耕条件下, 土壤酶活性随土层加深而明显降低, 这可能是“ 表面活化效应” 的结果^[24]。DS与TS处理土壤酶活性在10~20 cm与20~30 cm土层表现较高。这可能是由于不同耕作方式造成了土壤微生物活动及土壤有机养分积累的空间异质性^[25], 从而影响土壤酶活性在耕层的垂直分布。

土壤有机碳含量显著影响土壤物理、化学及生物性状, 是土壤质量的主要组成之一^[26]。Pinheiro等^[27]研究表明土壤扰动及秸秆移除引起的土壤团聚效应及有机碳水平降低是土壤衰退的主要因素。本试验研究结果表明, 相对于未还田, 秸秆还田显著提高了土壤有机碳及其活性组分含量, 这与前人研究结果一致^{[25, 28, 29]}。同时, 本研究表明秸秆还田显著提高0~30 cm土层土壤无机氮、速效磷及速效钾含量, 这与He等^[30]的结果相吻合。究其原因, 秸秆还田提高了土壤C/N比, 提高了土壤微生物数量与活性, 引发土壤养分矿化的正激发效应, 促进了土壤养分有效性^[31]。秸秆还田条件下, 土壤养分含量、土壤微生物多样性及酶活性变化规律呈现一致性。这可能是由于土壤微生物需要分泌较多的碳氮相关酶来满足自身活动对碳氮养分的需求^{[32, 33]}, 进而促进了土壤养分的转化^{[34, 35]}。然而, 亦有报道指出, 与单施化肥相比, 秸秆还田并没有显著提高稻田土壤速效氮含量, 这可能是土壤类型与养分状况、还田秸秆种类及气候条件等差异引起的^[36]。

土壤质量显著影响作物产量^[37]。因此, 适宜的农田土壤管理措施可以有效促进和支撑作物增产及农业生产的可持续性^{[38, 39, 40]}。本研究旋耕与深耕秸秆还田处理在前2年产量无显著差异, 这与郑成岩等^[41]和孔凡磊^[42]等的报道一致, 然而本研究持续旋耕至第3年, 无论秸秆还田与否, 冬小麦产量在后3个生长季表现持续下滑趋势。究其原因, 一是长期旋耕造成土壤耕层变浅, 容重增加, 孔隙度下降^[43], 阻碍根系下扎^[44], 影响稳产高产; 二是长期旋耕导致土壤养分“ 上富下贫” , 不利于作物根系对养分的均衡吸收与利用, 进而影响产量^{[45, 46]}。10~30 cm土层土壤肥力是决定冬小麦产量的重要因素(图5), 土壤深耕显著提高了该土层的有效养分及生物活性, 均衡了耕层土壤生物活性及养分分布, 改善了下层土壤物理性状, 促进根系下扎^[47], 有利于小麦对养分的吸收, 进而促进了持续增产。就5年平均产量而言, TS与DS处理之间无显著差异, 但TS处理有效简化了农机作业流程, 减少了能源消耗^[1], 更有利于提高农业经济效益。