全 文 ：秸秆预处理对土壤微生物量及呼吸活性的影响*
李贵桐* * 张宝贵 李保国
(中国农业大学资源与环境学院, 北京 100094)
=摘要> 冬小麦秸秆经 8. 0 g# L- 1 H2O2( pH 11. 0)溶液、12. 5 g#L - 1 NaOH 溶液或 H2SO4 溶液浸泡 8 h 并
80 e 烘干后,与无机 N 一起加入土壤,进行室内 25 e 恒温培养试验, 在不同时间测定土壤微生物量 C、N
和 CO2 释放速率.结果表明, 培养前期,秸秆预处理使土壤微生物量 C数量增加了 1. 0~ 1. 4 倍, 但降低了
土壤微生物的呼吸活性;培养后期, NaOH 和 H2SO4 处理使土壤微生物量 C分别下降了 28%和 42% ,但增
加了土壤微生物的呼吸活性; H2O2 处理则使土壤微生物量 N 增加 90% ;土壤微生物区系中的真菌比例在
不同时刻有所增加. 表明将秸秆预处理后施入土壤, 将对土壤中微生物数量和呼吸活性产生一定影响.
关键词 秸秆预处理 土壤微生物量 土壤微生物呼吸商
文章编号 1001- 9332(2003) 12- 2225- 04 中图分类号 S154. 36 文献标识码 A
Effect of str aw pretreatment on soil microbial biomass and respira tion activity. LI Guitong, ZHANG Baogui,
LI Baoguo ( College of Resource and Environment , China Agr icultur al Univer sity, Beijing 100094, China ) . 2
Chin . J . Appl. Ecol . , 2003, 14( 12) : 2225~ 2228.
Winter wheat straw particles (0. 5~ 2. 0 mm) were soaked with 8. 0 g# L- 1 H2O2 ( pH11. 0) , 12. 5 g#L - 1 NaOH
or H2SO4 solution for 8 h and dr ied at 80 e . Soils amended with the pretr eated straw and inorganic N were in2
cubated aerobically at 25 e for 60 days. The CO2 emission rate and soil microbial biomass C and N were mea2
sured at different time. The results showed that during t he earlier stage of incubation, the pretr eatments of straw
incr eased soil microbial biomass C by 1. 0~ 1. 4 folds, but decreased soil microbial respiration act ivity. During the
later stage of incubation, the NaOH and H2SO4 pretreated straw decreased soil microbial biomass carbon by 28%
and 42% , respectively, while incr eased t he soil microbial respiration activity. The straw pretreated by H2O2 in2
creased soil microbial biomass nitrogen by 90% after the 15th day of incubation. The pretreatments of straw in2
creased the fungi/ bacteria ratio at different special time. It could be concluded that soil microbial biomass and
respiration activit y could be changed after the pretr eated str aw was added into the soil.
Key words Straw pretreatment, Soil microbial biomass, Soil microbial r espiration activity.
* 国家重点基础研究发展规划资助项目( G1999011709) .
* * 通讯联系人.
2001- 03- 29收稿, 2001- 07- 02接受.
1 引 言
作物秸秆的自然分解过程,只能缓慢地为土壤
异养微生物活动提供能源[ 7] . 自然状况下, 秸秆中
木质素与细胞壁多糖之间紧密的物理、化学联合, 限
制了水解酶与细胞壁多糖的接触,纤维素的结晶结
构也减少了其与水解酶的接触位点,导致作物秸秆
的自然分解过程比较缓慢[10, 11] .为加速作物秸秆的
分解,增加秸秆中碳的生物有效性,必须解除上述不
利于秸秆迅速分解的限制因素, 即将与纤维素物质
紧密相联的木质素分解掉;打断木质素与纤维素相
联的氢键;降低纤维素的结晶程度. 一般认为, 氧化
剂(H2O2, O3等)可直接分解木质素[ 10, 11] , 而水解剂
(稀酸、稀碱)则可打破木质素与纤维素的联系,氢氧
化钠(NaOH)还可降低纤维素的结晶程度, 增大秸
秆的比表面积[ 16] .
为了充分发挥作物秸秆还田措施对土壤养分
(特别是 N)的调控作用, 必须改变作物秸秆的自然
分解过程.为此,我们试图通过对秸秆进行预处理来
改变秸秆的分解过程, 进而达到调控土壤 N 转化过
程的目的.本文是该系列研究中室内试验的一部分,
主要报道预处理冬小麦秸秆与无机 N 施入土壤后,
土壤微生物量及呼吸活性的变化情况.
2 材料与方法
21 1 土壤基本性质
试验用土壤采自中国农业大学校园实验地 0~ 20 cm 土
层. 土样过 2 mm筛后, 加适量水在室温 ( 10~ 20 e )下预培
养 10 d.供试土壤的基本性质:砂粒 ( 1~ 0. 5 mm) 600. 2 g#
kg- 1,粘粒 ( < 0. 002 mm) 166. 1 g# kg - 1, CaCO3 23. 1 g#
kg- 1, pH (H2O) 8. 44, 有机碳 5. 38 g# kg- 1, 全 N 0. 523 g#
kg- 1, C. E. C. (+ ) 13. 5 cmol# kg - 1, 速效 P 6. 9 mg# kg - 1, 速
效 N 8. 8 mg# kg- 1.
21 2 秸秆预处理方法
新鲜、成熟的冬小麦秸秆, 65 e 烘干后粉碎成 0. 5~ 2. 0
应 用 生 态 学 报 2003年 12 月 第 14 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Dec. 2003, 14( 12)B2225~ 2228
mm 颗粒.分别在 8. 0 g# L - 1 H2O2 ( pH 11. 0)溶液、12. 5 g#
L - 1 NaOH 溶液和 H2SO4 溶液中浸泡 8 h,液/固比为 12/ 1,
室温为 26~ 31 e . 用自来水冲洗至 pH 在 6. 5~ 7. 0 后, 在
80 e 下烘干备用.
213 培养试验
称取相当于 800 g 干土的湿润土壤,按表 1 所述加入不
同的秸秆 8 g(即风干土的 1% )后,混和均匀. 用微型喷壶均
匀、缓慢地喷入 20 ml含 80 mg N 的 ( NH4) 2SO4 溶液, 再加
蒸馏水 120 ml至土壤田间持水量的 60% , 充分混匀.将湿土
转移至 2 L 塑料瓶中, 加塞后置于 25 ? 0. 5 e 下培养, 培养
期间每天通气5 min. 分别在第2、6、10、14、18、22、28、36、47、
60 d 取样, 用熏蒸浸提法测定土壤微生物量碳(记为 Bc)和
微生物量氮(记为 BN) [ 5, 13] . 另外称取相当于200 g 干土的湿
土,按上述方法同比例加入秸秆、无机 N 和蒸馏水. 在培养
瓶橡皮塞下部悬挂 50 ml三角瓶, 内装 10 ml 1 mol# L - 1
NaOH 溶液以吸收 CO2. 不定期更换 NaOH 溶液.用 BaCl2 沉
淀2酸碱滴定法测定 CO2释放量.
表 1 培养试验的处理内容
Table 1 Treatment in exper iment
代号
Code
处理内容
Treatment
秸秆C/ N
C/ N of
straw
体系 C/ N
C/ N of
whole system
T 土壤 Soil 10. 1
TN 土壤+ (NH4) 2SO4 8. 5
Soil+ ( NH4) 2SO4
TS 土壤+ 原状秸秆 74. 0 16. 4
Soil+ non2pretreated s traw
TSN 土壤+ 原状秸秆+ (NH4) 2SO4 27. 1 14. 0
Soil+ non2pretreated s traw+ (NH4) 2SO4
THSN 土壤+ H2O2 处理秸秆+ (NH4) 2SO4 27. 6 14. 1
Soil+ H2O2 pretreated straw+ (NH4) 2SO4
TNaSN 土壤+ NaOH处理秸秆+ (NH4) 2SO4 34. 0 14. 8
Soil+ NaOH pretreated straw+ (NH4) 2SO4
TH2SN 土壤+ H2SO4 处理秸秆+ (NH4) 2SO4 32. 2 14. 7
Soil+ H2SO4 pretreated straw+ (NH4) 2SO4
无机 N的加入量为 100 mg#kg- 1土,相当于向表层土壤施氮 225 kg# hm- 2 The amount of
inorganic N added to soil was 100 mg#kg- 1, equals to 225 kg#hm- 2.
214 结果计算
21411 微生物量 C(记为 BC) 取 KEC= 0. 38 [ 13] ;微生物量 N
(记为 BN) ,取 KEN= 0. 20 [ 2] .
21412 土壤微生物呼吸商 q(CO2 ) , 为某一时刻 CO2 释放速
率与BC的比, 表明微生物的呼吸活性.计算式为: q( CO2) =
( CO2- C) i/ (BC) i . 其中 (CO2 - C) i 和 ( BC) i 分别表示第 i
时刻的土壤 CO2- C释放速率和土壤微生物 C[ 3] .
21413 微生物死亡商 qD 为微生物量达到峰值后下降期间
的相对死亡比率[ 3, 8] , 计算式为: qD= [ ( BC) max - ( BC) min) /
[ T ( max) - T ( min) ] / ( BC )max, 或 qD = [ ( BN)max - ( BN)min ) /
[ T ( max) - T ( min) ] / ( BN)max. 式中, max 和 min 分别表示相应指
标的最大和最小值, T 表示培养时间( d) .
3 结果与分析
311 土壤微生物量 C(Bc)
由图 1可见,培养过程的前 30 d,加入预处理秸
秆的土壤 Bc 高于原状秸秆处理的, 差别最大时,
H2O2处理的 Bc 是原状秸秆处理的 2. 1 倍(第 18
天) , NaOH 处理的土壤 Bc是原状秸秆处理的 2. 4
倍(第 2天) , 稀 H2SO4 处理的 Bc 是原状秸秆处理
的 2. 0倍(第 18天) ;培养 30 d至结束, NaOH 处理
和H 2SO4处理的土壤 Bc分别比原状秸秆处理的低
28%和 42%,而 H2O2 处理的土壤 Bc基本与原状秸
秆处理的土壤 Bc相近;培养过程的前 30 d,加入预
处理秸秆处理的土壤 Bc也呈现起伏变化趋势:在第
6天出现第 1个高峰,在 14~ 18 d出现第 2个高峰.
图 1 同时加入预处理秸杆及无机 N 对土壤微生物量 C的影响
Fig. 1 Effect of adding pret reated st raw and inorganic N on soil Bc.
1) TSN:原状秸秆+ 无机 N Soil+ intact st raw+ N; 2 ) THSN: H2O2 处理秸杆+ 无机N Soil+ H2O2 straw+ N; 3) TNaSN:处理秸秆+ 无机 N
Soil+ NaOH st raw + N; 4) TH2SN: H2O4 处理秸杆+ 无机 N Soil+
H2SO4 st raw+ N.下同 T he same below.
312 土壤微生物量 N(BN)
由图 2可以看出, 各种加秸秆和无机 N 处理的
土壤 BN 随时间变化的方式相同:加入秸秆和无机
N后,土壤 BN迅速增加, 至 10~ 20 d达到最大值,
然后逐渐下降; NaOH 处理和 H2SO4 处理秸秆的土
壤 BN与原状秸秆处理的土壤 BN相比无明显变化.
H2O2处理秸秆的土壤 BN在 15 d后明显高于其它处
理,培养结束时是原状秸秆处理土壤 BN的 1. 9倍.
图 2 加入预处理秸秆及无机 N 对土壤微生物量 N 的影响
Fig. 2 Effect of adding pret reated st raw and inorganic N on soil BN.
313 土壤微生物量 C/ N
由表 2可见, 土壤对照和土壤+ N 处理的土壤
2226 应 用 生 态 学 报 14卷
表 2 培养过程中各处理土壤微生物体 C/ N的变化
Table 2 Changes of soil microbial biomass C/ N during incubation process
实验处理
T reat2
ment
培养时间 Incubat ion time ( d)
2 6 10 14 18 22 28 36 47 60
CK 3. 4a,A 4. 9a,A 5. 6a, A 4. 2a , A 4. 1a, A 4. 0a,A 6. 7 a,A 5. 9a, A 5. 1a, A 3. 6a,A
TN 3. 1a,A 7. 3a, B 3. 7b,A 5. 1b, A 3. 3a, A 4. 7a,A 6. 9a,B 6. 6a ,B 5. 6a, B 4. 2a,A
TS 3. 8a,A 12. 1c,B 5. 8a,C 6. 0b,C 4. 5a, A 5. 0a,A 4. 7b,A 9. 0b,B 12. 3b, B 13. 1b, B
TSN 7. 1b, A 6. 4b,A 6. 3a, A 5. 0b, A 4. 3a, B 5. 0a, B 7. 1 a,A 7. 5a, A 9. 6b, C 9. 9b, C
TH SN 5. 8b, A 12. 6c,B 6. 0a, A 5. 0b, A 7. 5b,A, 4. 7a,A 4. 3b,A 5. 3a, A 5. 8a, A 5. 6c,A
TNaSN 13. 1c,A 12. 5c,A 8. 3a,B 7. 2b,B 5. 6b, C 5. 3a, C 6. 4a,C 6. 4a ,C 7. 2a, C 7. 6c, C
TH 2SN 6. 4b, A 11. 0c,B 5. 1a, A 6. 0b, A 9. 0c, B 9. 2b, B 6. 7 a,A 5. 8a, A 5. 9a, A 5. 2c,A
试验开始时土壤微生物量 C/ N 为 3. 9.所列数据为 3个重复的平均值.小写字母表示同一时刻不同处理间的比较,大写字母表示同一处理不同
时刻间的比较,不同字母表示差异达到 95%显著水平. T he bio2C/ N rat io is 3. 9 at beginning. The data in the table is the average of 3 replicates.
Small letter and capital letter mean the comparison among different t reatments at same time and between different t imes of a same treatment, respect ive2
ly. The difference letter means that the discrepancy is significant at 95% level.
微生物量 C/ N 基本无变化,始终稳定在 3. 0~ 7. 0
之间;加入秸秆的土壤微生物量 C/ N分别在不同时
刻出现较大值:原状秸秆处理在第 6 天和第 36 天
后;原状秸秆+ 无机 N 处理在 47 d后; H2O2 处理在
第 6天; NaOH 处理在第 2天~ 第 6天; H2SO4 处理
在第 6天和第 18天~ 第 22天;同一时刻不同处理
的土壤微生物量 C/ N 也存在差异. NaOH 处理秸秆
加入土壤后,第 2天~ 第 6天土壤微生物量 C/ N 明
显高于原状秸秆处理的微生物量 C/ N; H2O2 和
H2SO4 处理秸秆加入土壤后, 第 6天土壤微生物量
C/ N 也明显高于原状秸秆处理的微生物量 C/ N. 土
壤微生物量 C/ N 的明显变化,反映出土壤微生物区
系组成(细菌和真菌)的变化.
314 土壤微生物呼吸商( qCO2)
在培养过程中, 所有处理土壤 q (CO2 )的变化
方式均相似,均经历迅速增加- 急剧下降- 缓慢上
升- 缓慢下降的变化过程, 尤其以 NaOH 和 H2SO4
处理的秸秆最为明显(图 3) . 培养过程的前 20 d内,
加入预处理秸秆的土壤 q(CO2 )均低于加原状秸秆
的土壤 q( CO2) . 20 d后, NaOH 和 H 2SO4 处理秸秆
的土壤 q( CO2)在大部分时间内高于原状秸秆处理
的土壤 q(CO2 ) , 而 H2O2 处理秸秆的土壤 q( CO2)
始终与原状秸秆的相似. 上述结果表明,不同的预处
图 3 加入预处理秸秆及无机 N 对土壤呼吸商的影响
Fig. 3 Effect of adding pret reated st raw and inorganic N on soil q( CO2) .
理方法对土壤微生物呼吸活性的影响不同.同时,这
种影响还与时间有关.
315 土壤微生物死亡速率( qD)
不同预处理方法也影响到土壤微生物量 C和
微生物 BN的 qD(表 3) . 只加原状秸秆时, 土壤 BC
下降很快, 初期形成的 BC 只能维持 22 d, 而加入无
机 N 后则可延长到 54 d; NaOH 和H 2SO4预处理秸
秆后, 土壤 Bc 的周转期比原状秸秆的缩短了约 10
d,而 H 2O2 预处理秸秆土壤 Bc 的周转期缩短了 27
d. 比较土壤 Bc和土壤 BN的周转期发现, H2O2 处理
秸秆使土壤 BN 的周转期比土壤 Bc 的周转期延长
了 10 d, 而 NaOH 和H 2SO4处理的土壤 Bc和 BN的
周转速率基本相同.
表 3 土壤微生物量 C、N 达到最大量后的比死亡率 qD 与周转期
Table 3 Specific death rat io and tur nover time of soil microbial biomass
C and N after it reached maximum( @10- 3#d- 1)
处理
Treat2
ment
土壤微生物 C
Soil microbial biomass carbon
时间
Period
(d)
比死
亡率
qD
周转期
Turnover
t ime (d)
土壤微生物 N
Soil microbial biomass nitrogen
时间
Period
(d)
比死
亡率
qD
周转期
Turnover
time ( d)
TS 14~ 28 4. 59a 22 18- 36 3. 43a 29
TSN 14~ 28 1. 86b 54 18- 36 2. 24b 45
THSN 18~ 36 3. 71c 27 14- 36 2. 67c 37
TNaSN 6~ 36 2. 35b 43 14- 36 2. 27c 44
TH 2SN 18~ 36 2. 18b 46 10- 28 2. 30c 43
L. S. D0. 05 0. 66 0. 64
L. S. D0. 01 0. 96 0. 93
4 讨 论
411 秸秆预处理对土壤微生物量的影响
秸秆经稀碱、稀酸和碱性 H2O2 溶液浸泡后饲
喂家畜, 可以提高秸秆中纤维素的消化率[9~ 11, 20] ,
原因在于这种处理方法打破了秸秆中木质素与纤维
素之间紧密的物理、化学联合,增加了纤维素与纤维
素酶的接触位点[ 10, 11] . 同样, 秸秆经相似的处理后
加入土壤,也可以提高秸秆中碳源的生物有效性,为
土壤微生物提供更多、更易利用的碳源,从而使土壤
222712 期 李贵桐等:秸秆预处理对土壤微生物量及呼吸活性的影响
微生物量大幅增加(图 1、图 2) .同时,不同的预处理
方法对秸秆中碳组分的影响不同,提供给土壤微生
物的碳源的生物有效性也必然存在差异, 而土壤微
生物对碳源供给状况的反应又很敏感. 因此, 不同预
处理秸秆加入土壤后, 土壤 Bc和 BN变化方式也不
同(图 1、图 2) .
培养前期形成的土壤微生物量,随着培养的进
行,其死亡的速率也较快(表 3) .因为在新鲜有机物
质分解的后期, 土壤微生物仍然维持着对数生长时
的能荷(Aadenylate Energy Charge, AEC) 和ATP 水
平,而此时如果营养缺乏,将导致AEC和 ATP 水平
下降, 进而影响到微生物量的维持[ 6] . 在本试验中,
加入预处理秸秆的土壤 Bc下降较快,可能是由于培
养后期营养(N)相对不足造成的.这种营养(N)相对
不足,是由于预处理增加了碳源的有效性引起的. 另
外,这种短期形成的微生物群体(发酵性微生物)不
能利用秸秆中的难降解物质[ 12, 18] , 也是其死亡较快
的原因.
412 土壤微生物区系变化
土壤细菌细胞物质的 C/ N 在 3B1~ 5B1 之间,
土壤真菌的 C/ N 在 15B1~ 4. 5B1之间[ 15] . 土壤微
生物区系中细菌和真菌的比例不同,必将导致整个
土壤微生物量 C/ N 的不同[ 4, 17] . 本试验中, 不同处
理的土壤微生物量 C/ N 在培养过程的不同时刻发
生显著变化,说明土壤微生物区系中细菌和真菌的
比例发生了变化. 在培养初期, 加入 NaOH 处理秸
秆的土壤,土壤表面存在大量菌丝的情形,证实了土
壤真菌的大量存在.这种由于土壤施入有机物而引
起土壤微生物体 C/ N 变化的报道很多[ 1, 14] .
预处理秸秆在培养前 20 d 内降低了土壤微生
物的呼吸活性, 也与土壤微生物区系的真菌/细菌比
改变有关.因为细菌的呼吸活性是真菌的 2倍,微生
物群体组成的改变会影响土壤微生物整体比呼吸活
性的大小[ 19] .在本试验中, 加入预处理秸秆的土壤
微生物量 C/ N 在培养初期较高, 表明真菌比例增
大,故而呼吸活性较低.
对作物秸秆进行简单预处理后与无机 N 肥一
起施入土壤,可以使土壤微生物的数量和活性发生
显著的变化.这种变化发生的强度和时间,取决于预
处理的方法. 同时, 这种变化必然对土壤中 N 的矿
化2固持过程产生影响, 也必然影响到土壤向作作物
的供 N 过程.这种影响的具体内容以及在田间情况
下的体现,尚需进一步研究.
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作者简介 李贵桐, 男, 1968 年生, 博士, 副教授. 主要从事
土壤生物化学、土壤生物多样性与生态、土壤养分循环等方
面的研究, 发表论文近 20 余篇. Tel: 010262892963, E2mail:
lgtong@mail. cau. edu. cn
2228 应 用 生 态 学 报 14卷