全 文 ：中国生态农业学报 2016年 4月 第 24卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Apr. 2016, 24(4): 489498


* 公益性行业(农业)科研专项经费项目(201503136)、国家自然科学基金项目(41161055, 41261059)、新疆维吾尔自治区科技支撑计划项
目(201431108)和新疆自治区公益性科研院所基本科研业务经费项目(ky2012059)资助
** 通讯作者: 徐万里, 主要从事农业废弃物资源化利用的研究。E-mail: wlxu2005@163.com
顾美英, 主要从事土壤微生物生态方面的研究。E-mail: gmyxj2008@163.com
收稿日期: 20150804 接受日期: 20151217
* Supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503136), the National Natural Science
Foundation of China (41161055, 41261059), Xinjiang Key Technology Support Program (201431108) and Xinjiang Special Fund for
Agro-scientific Research in the Public Interest (ky2012059)
** Corresponding author, E-mail: wlxu2005@163.com
Received Aug. 4, 2015; accepted Dec. 17, 2015
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DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150882
不同秸秆还田方式对和田风沙土土壤微生物
多样性的影响*
顾美英1 唐光木2 葛春辉2 马海刚2 张志东1 徐万里2**
(1. 新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室/绿洲养分与水土资源高效利用重点实验室
乌鲁木齐 830091; 2. 新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所 乌鲁木齐 830091)
摘 要 秸秆还田是有效利用秸秆资源的重要途径, 能够提高土壤养分含量、调节土壤微生物的群落结构和多
样性, 但目前还缺乏不同秸秆还田方式对新疆沙化土壤肥力和微生物多样性影响的系统报道。为探索新疆沙化
土壤肥力可持续提升模式, 于 2010—2012 年在和田风沙土土壤上设置秸秆直接还田(NPKS)、过腹还田(NPKM,
15.0 thm2)和炭化还田(NPKB1, 2.5 thm2; NPKB2, 15.0 thm2)定位试验, 研究不同秸秆还田处理对和田风沙
土土壤养分、微生物数量、土壤酶活性和 Biolog碳源利用的影响。结果表明: 1)与单施化肥(NPK)相比, 不同
秸秆还田方式均能显著提高风沙土土壤养分含量, 其中 NPKM 处理效果最好, 其次是 NPKB2 处理, NPKS 和
NPKB1处理分别为第 3和第 4。2)不同秸秆还田方式对土壤微生物数量影响差异显著, 均增加了土壤中细菌、
放线菌和生理菌群的数量, 与 NPK处理相比, 细菌数量 NPKB2处理最高, 放线菌数量 NPKM处理最高, 分别
显著提高了 413.16%和 574.19%。但 NPKB1 和 NPKB2 处理对生理菌群数量的提升效果好于 NPKS 处理和
NPKM 处理。土壤酶活性, 不同秸秆还田方式总体好于 NPK 处理, NPKM 处理的提升效果最好。3)Biolog 碳
源利用分析表明不同秸秆还田方式均能提高风沙土土壤微生物活性和丰富度指数。主成分分析表明, 不同秸
秆还田方式土壤微生物群落明显不同, 起分异作用的碳源主要为羧酸类和糖类。聚类分析显示 NPKB2 和
NPKM处理之间、NPKB1和 NPKS处理之间土壤微生物功能相似。由此可以看出, 不同秸秆还田方式均能显
著提高和田沙化土壤微生物活性和功能多样性, 但不同方式的增效不同。从 3年定位试验结果看, 秸秆过腹还
田和炭化还田的效果较好, 秸秆直接粉碎还田有增加土传病害的风险。该结果将为南疆沙化土壤肥力可持续
提升提供一定的理论指导。
关键词 秸秆还田方式 土壤微生物活性 土壤微生物多样性 土壤养分 土壤酶 风沙土
中图分类号: S154.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)04-0489-10
Effects of straw incorporation modes on microbial activity and functional
diversity in sandy soil*
GU Meiying1, TANG Guangmu2, GE Chunhui2, MA Haigang2, ZHANG Zhidong1, XU Wanli2**
(1. Institute of Microbiology, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences / Xinjiang Laboratory of Special Environmental
Microbiology / Key Laboratory of Nutrient and Water Resources Efficient Utilization of Oasis, Urumqi 830091, China;
2. Institute of Soil and Fertilizer and Agricultural Sparing Water, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China)
Abstract Straw incorporation to soil is an effective way to utilize plant straw resource. It improves soil fertility and regulates
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soil microbial community structure and diversity. Despite this, there are few reports on the effect of different straw
incorporation modes on soil fertility and microbial diversity in sandy soils in Xinjiang. Field trials were conducted with direct
straw incorporation (NPKS), abdomen-digested straw incorporation (sheep manure application, NPKM, 15.0 thm2) and
carbonized straw incorporation (biochar application, NPKB1, 2.5 thm2 and NPKB2, 15.0 thm2) to the field to evaluate the
effects of different straw incorporation modes on soil nutrient, microbial quantity, enzyme activity and microbial carbon
utilization in sandy soils in southern Xinjiang during the period of 2010–2012. The results showed that: 1) Compare with the
control (chemical fertilization, NPK) treatment, different straw incorporation modes significantly improved soil nutrient
of sandy soils. NPKM treatment was the best, followed by NPKB2 treatment, NPKS treatment and then NPKB1 treatment.
2) Different straw incorporation modes had considerable effect on soil microbial population. The treatments increased the
populations of soil bacteria and actinomycete and the number of physiological groups of bacterial. Compared with NPK
treatment, the population of bacteria was highest under NPKB2 treatment while the population of actinomycete was highest
under NPKM treatment; increasing significantly by 413.16% and 574.19%, respectively. The number of physiological groups
of bacterial under NPKB1 and NPKB2 treatments was higher than that under NPKS treatment. Soil enzymes activities of
different straw incorporation modes were generally higher than that under NPK treatment, and NPKM treatment had the best
effect on soil enzymes activities. 3) Biolog carbon resources utilization analysis showed that different straw incorporation
modes improved soil microbial activity and richness index. Principal component analysis showed that obvious differences in
soil microbial community among different straw incorporation modes. The differences in carbon resources utilization were
mostly caused by carboxylic acids and carbohydrates. Cluster analysis showed that between NPKB2 and NPKM, and between
NPKB1 and NPKS had similar microbial functions. The results indicated that different straw incorporation modes significantly
improved soil microbial activity and functional diversity in sandy soils. However, the effect of soil improvement was different
for different modes. The 3-years (2010–2012) experimental results suggested that abdomen-digested straw incorporation and
carbonized straw incorporation to the field had better effects, while direct straw incorporation to the field increased the risk of
soil borne diseases. The results added to the existing theoretical guidance on establishing modern eco-efficient fertilization
modes in sandy soils in southern Xinjiang.
Keywords Straw incorporation mode; Soil microbial activity; Soil microbial diversity; Soil nutrient; Soil enzyme; Sandy soil
新疆和田地区位于塔克拉玛干大沙漠南缘, 生
态环境脆弱, 气候干燥、降雨量小、风沙危害严重,
属极端干旱区 , 风沙土是其主要的土壤类型 [1], 是
新疆主要农业耕作土壤和低产土壤之一。由于该类
土壤颗粒粗大、质地松散、水肥易流失, 潜在养分
含量低, 限制了农业的可持续发展。因此增施有机
肥、秸秆还田或绿肥, 以提高土壤有机质含量, 逐步
改善土壤肥力是改良风沙土的主要措施[2]。
研究表明 , 秸秆还田既可充分利用秸秆资源 ,
提高土壤有机质含量 , 又可减轻焚烧秸秆对生态
环境的负面影响 , 是发展有机可持续农业的有效
途径 [34]。传统的秸秆还田方式中, 秸秆过腹还田虽
可增加土壤养分含量和微生物活性, 但用量需取决
于当地农牧业的生产水平 [56]; 秸秆粉碎直接还田
是目前主要的秸秆利用方式, 能提高肥力、丰富微
生物多样性和增加产量[79], 但存在肥效缓慢、化感
物质积累、病虫害风险加重、重金属和抗生素等的
污染风险[1012]。近年来, 秸秆炭化还田作为新型秸
秆还田方式日益受到人们的关注[1315]。秸秆炭化后
生成的生物炭(biochar)是生物质在缺氧或有限氧气
供应和相对较低温度下(<700 )℃ 热解得到的富碳固
体产物, 由于具有多孔性、高阳离子交换量和低容
重, 能改善土壤的理化性质、提高微生物多样性, 在
土壤性状改良、环境污染修复、节能减排等方面发
挥着重要作用[1619]。
目前关于不同秸秆还田方式的培肥效果及对土
壤微生物的增效作用已有很多报道[2022], 但传统的
秸秆还田方式与炭化还田相比, 对土壤养分和微生
物差异等的研究还较少[23]。在新疆和田持水保肥能
力较差的沙化土壤和枣农间作模式条件下, 这几种
秸秆还田方式的培肥效果和对微生物多样性的提升
作用还不是很清楚, 值得进行深入研究。本文以新
疆和田农业科学研究所枣麦间作模式下沙化土壤改
良效果定位试验为依托, 采用测定可培养微生物、
Biolog 碳源利用及土壤酶相结合的方法, 对不同秸
秆还田方式下沙化土壤微生物多样性进行研究, 为
优化秸秆还田方式对沙化土壤肥力培育、微生态系
统健康演替和作物产量提高等方面提供科学的理论
依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于 2010年 4月—2012年 9月在和田地区农
业科学研究所试验田(37°16N, 79°90E)进行。该试
第 4期 顾美英等: 不同秸秆还田方式对和田风沙土土壤微生物多样性的影响 491


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验田位于新疆南疆塔里木盆地南缘, 气候属典型暖
温带极端干旱荒漠气候 , 夏季炎热 , 冬季寒冷 , 四
季分明, 热量丰富, 昼夜温差大, 无霜期长, 降水稀
少, 蒸发强烈, 空气干燥, 日照时间长(年日照时间
达 2 500~3 500 h), 降水量少, 空气干燥, 年平均降
水量为 150 mm 左右 , 农业栽培以核桃 (Carya
illinoensis Koch.)、红枣(Ziziphus jujube L.)与小麦
(Triticum aestivum L.)间作种植为主, 土壤类型为风
沙土。
1.2 试验设计及供试材料
试验种植模式为和田地区典型红枣间作冬小麦,
小麦收获后复播绿豆[Vigna radiata (Linn.) Wilczek.]
的模式。红枣株距 1.0 m, 行距 6.0 m, 小麦区面积
180 m2。试验在小麦绿豆间作区设置 5个处理, 分
别为 : 1)对照(NPK), 常规化肥处理 ; 2)对照+秸秆
(NPKS), 小麦秸秆和绿豆秆粉碎后直接还田; 3)对
照+常量秸秆炭(NPKB1), 生物炭施用量 2.5 thm2,
全量小麦秸秆 7.5 thm2转化为生物炭, 转化率约为
1/3计算; 4)对照+增量秸秆炭(NPKB2), 生物炭施用
量 15.0 thm2; 5)对照+秸秆过腹还田(羊粪有机肥)
处理(NPKM), 羊粪有机肥施用量 15.0 thm2。每个
处理面积 180 m2, 大区试验, 不设重复。小麦复播绿
豆区 5 个处理化肥用量均一致, 即基肥为磷酸二铵
375.0 thm2, 硫酸钾 75 thm2; 尿素作为追肥, 分
别在小麦返青、拔节和扬花孕穗期, 分 3次追入, 施
入量分别为 75 thm2、120 thm2和 120 thm2。
试验前取基础土壤, 测定砂粒、粉粒和黏粒含量
分别为 40.52%、52.82%和 6.66%; 有机质 7.20 gkg1,
速效氮 28.60 mgkg1, 速效磷 8.2 mgkg1, 速效钾
90.0 mgkg1, pH 8.20。对供试材料养分进行分析,
小麦秸秆炭含有机质(有机碳换算)670 gkg1, 速效
磷 82.2 mgkg1, 速效钾 1 590 mgkg1, pH 9.85; 热
解温度 350~550 , ℃ 裂解时间 4~8 h。将生物炭磨碎
并通过 2 mm 筛, 使其混合均匀后施入 0~20 cm 土
层。小麦秸秆含 N 0.67%, P2O5 0.30%, K2O 0.58%。将
小麦秸秆粉碎为 2.0~8.0 cm长度后翻压入 5~20 cm土
层。绿豆秆含 N 1.30%, P2O5 0.32%, K2O 0.50%; 羊
粪含有机质 24.2%, N 0.72%, P2O5 0.45%, K2O
0.50%。腐熟的羊粪均匀抛洒后翻压施入 0~20 cm
土层。
1.3 土样的采集及测定方法
1.3.1 土样的采集
2012年 8月采集绿豆收获期 0~20 cm根际土壤
样品。采用抖土法采集, 挖取 0~20 cm 土层绿豆完
整根系, 并除去根围附近较大的土壤团块, 轻轻抖
下绿豆根表面的土壤作为根际土壤。每个处理均匀
划分为 3段, 分别采集 3个土样, 每个土样至少随机
采集 7个点混合。将土壤样品混合均匀后分成两份,
一份鲜样于 4 ℃保存 , 进行微生物数量计数和
Biolog 测定; 另一份风干过筛后用于测定土壤养分
和土壤酶。
1.3.2 土壤养分的测定
按照常规方法进行土壤有机质、全氮、速效氮、
速效磷、速效钾的测定[24]。有机质测定采用重铬酸钾
容量法, 全氮测定采用半微量开氏法, 速效氮测定采
用碱解扩散法, 速效磷测定采用碳酸氢钠浸提钼锑
抗比色法, 速效钾测定采用醋酸铵浸提火焰光度法。
1.3.3 土壤微生物数量测定
细菌、放线菌和真菌采用稀释平板涂抹培养计
数法分析 [25]。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基 ,
放线菌采用改良的高氏一号培养基(每300 mL培养
基中加3%重铬酸钾1 mL), 真菌采用PDA培养基(每
100 mL培养基加1%链霉素溶液0.3 mL)。微生物生理
菌群数量均采用最大或然计数法(MPN法)计数[25]。
好氧性自生固氮菌采用阿须贝无氮培养基, 纤维素
分解菌采用赫奇逊氏培养基, 氨化细菌用蛋白胨液
体培养基, 亚硝化细菌用铵盐培养基, 反硝化细菌
采用柠檬酸钠培养基。
1.3.4 土壤酶活性测定
土壤酶活性测定[26]: 磷酸酶采用磷酸苯二钠法,
蔗糖酶采用 3,5-二硝基水杨酸比色法, 脲酶采用苯
酚次氯酸钠比色法 , 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴
定法, 蛋白酶采用茚三酮比色法。
1.3.5 土壤微生物群落碳源代谢利用测定
采用 Biolog ECO 微平板法进行[25]。称取 10 g
鲜土加入 l00 mL 灭菌的生理盐水(0.85%)中, 摇匀,
静止片刻, 然后将土壤样品稀释至 103。取 150 μL
菌悬液接种到生态板的每一个孔中, 25 ℃恒温培养,
每隔 24 h分别在 590 nm波长下读数, 连续培养 7 d。
取 120 h的平均光密度值进行主成分分析。
1.4 数据处理及统计分析
微平板孔中溶液吸光值平均颜色变化率(average
well color development, AWCD)用于描述土壤微生物
代谢活性, 计算公式如下:
AWCD=  (CiRi)/n (1)
式中: Ci为每个有培养基孔的吸光值; Ri为对照孔的
吸光值; n为培养基孔数, Biolog Eco板 n值为 31。
采用 Simpson、Shannon和 McIntosh 3个指数来表征
土壤微生物群落功能多样性。其中 Simpson指数(D)
用于评估某些最常见种的优势度, Shannon 指数(H)
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用于评估物种的丰富度, McIntosh指数(U)用于评估
群落物种均匀度。计算公式如下:
Simpson指数(D): D= 1 ( 1)
( 1)
i in n
N N

 (2)
Shannon指数(H): H=  pi(lnpi) (3)
McIntosh指数(U): U= iN n
N N


 (4)
式中: pi为第 i孔的相对吸光值与所有整个微平板的
相对吸光值总和的比值[(CiRi)/  (CiRi)], ni为第 i
孔的相对吸光值(CiRi)。
采用DPS v9.50版软件对所得到的数据进行方
差分析、平均吸光值(AWCD)、多样性指数、主成分
分析和聚类分析等。采用单因素方差分析(one-way
ANOVA)、最小显著差数法(LSD)进行多重比较差异
显著性检验(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 不同秸秆还田方式对风沙土土壤养分的影响
从表 1可以看出, 5种秸秆还田方式对风沙土土
壤养分含量影响差异显著。与 NPK处理相比, 土壤
有机质和全氮含量秸秆还田处理(NPKS)和常量秸秆
炭处理(NPKB1), 除 NPKB1处理有机质含量显著提
高 14.63%外, 其他差异不显著。增量秸秆炭和秸秆
过腹还田处理均呈显著升高趋势, NPKM和 NPKB2
处理有机质含量分别提高 17.07%和 37.80%, 全氮含
量分别提高 33.33%和 16.67%。
与 NPK 处理相比, 土壤速效氮含量 NPKS 和
NPKB1 处理均呈显著下降趋势, 分别降低 4.39%和
9.40%; NPKM处理显著提高 64.58%, 而 NPKB2处
理则显著下降 16.93%。速效磷含量 NPKS处理显著
升高 10.58%, 而 NPKB1 处理则显著降低 5.58%;
NPKM 处理显著提高 21.15%, 而 NPKB2 处理则显
著下降 9.33%。速效钾含量 NPKS处理和 NPKB1处
理分别显著升高 48.57%和 13.33%; NPKB2 处理和
NPKM处理分别显著提高 8.57%和 20.95%。总体而
言, 秸秆直接还田和常量秸秆炭处理并没有显著增
加全氮和速效氮的含量, 增量秸秆炭和过腹还田处
理则增效明显。
表 1 不同秸秆还田方式对风沙土土壤养分含量的影响
Table 1 Effects of different straw incorporation modes on nutrient contents of sandy soil
处理
Treatment
有机质
Organic matter (gkg1)
全氮
Total N (gkg1)
速效氮
Available N (mgkg1)
速效磷
Available P (mgkg1)
速效钾
Available K (mgkg1)
NPK 0.82±0.01d 0.54±0.01c 31.90±2.25b 10.40±0.50c 105.00±8.72d
NPKS 0.85±0.01cd 0.54±0.01c 30.50±1.46c 11.50±0.20b 156.00±7.55a
NPKB1 0.94±0.03bc 0.54±0.01c 28.90±1.44d 9.82±0.12cd 119.00±6.08bc
NPKB2 1.13±0.04a 0.63±0.01b 26.50±1.87e 9.43±0.15d 114.00±4.58cd
NPKM 0.96±0.01b 0.72±0.03a 52.50±1.27a 12.60±0.56a 127.00±6.56b
NPK: 对照, 常规化肥处理; NPKS: 对照+秸秆处理, 小麦秸秆和绿豆秸秆粉碎后直接还田; NPKB1: 对照+常量秸秆炭处理, 生物炭施用
量 2.5 thm2; NPKB2: 对照+增量秸秆炭处理, 生物炭施用量 15.0 thm2; NPKM: 对照+秸秆过腹还田(羊粪有机肥)处理, 羊粪有机肥施用量
15.0 thm2。同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。NPK: normal chemical fertilizer application; NPKS: normal chemical fertilizer application
with powdered wheat, mung bean straws incorporation; NPKB1: normal chemical fertilization plus cotton stalk biochar at 2.5 thm2 application;
NPKB2: normal chemical fertilization plus cotton stalk biochar at 15.0 thm2 application; NPKM: normal chemical fertilization with sheep manure at
15.0 thm2 application. Different letters in the same column indicate significant difference at P < 0.05. The same below.

2.2 不同秸秆还田方式对风沙土土壤微生物群落
结构的影响
从图 1 可看出, 与 NPK 处理相比, 不同秸秆还
田方式土壤细菌和放线菌数量差异显著, 均呈增高
趋势。其中 NPKB2处理细菌数量显著提高 413.16%,
NPKM 处理放线菌数量显著提高 574.19%。真菌数
量除 NPKS 处理显著提高外, 其余处理土壤差异不
显著 , NPKB1 和 NPKM 处理则分别降低 30%和
10.00%。
从图 1可看出不同秸秆还田方式显著影响风沙
土土壤生态, 引起土壤中生理菌群数量的变化, 且
差异显著。NPK 处理除自生固氮菌数量最高外
(5.00×105 cfug1), 其余 4 种生理菌群数量均处于
较低水平。5 种生理菌群数量的增加幅度随有机肥
种类不同而不同。与 NPK 处理相比 , NPKS 处理显
著增加了土壤氨化细菌和纤维素分解菌数量 , 分
别增加 566.67%和 450.00%。秸秆炭化后 NPKB1
处理增加了亚硝化细菌、反硝化细菌和纤维素
分解菌数量 , 分别增加 80.00%、 328.57%和
450.00%。NPKB2 处理显著增加了氨化细菌、亚
硝化细菌、反硝化细菌和纤维素分解菌数量 , 分
别增加 900.00%、80.00%、542.86%和 450.00%。
NPKM 处理显著增加了土壤中反硝化细菌数量 ,
增加 185.71%。
第 4期 顾美英等: 不同秸秆还田方式对和田风沙土土壤微生物多样性的影响 493


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图 1 不同秸秆还田方式对土壤微生物数量的影响
Fig. 1 Effects of different straw incorporation modes on soil microbial quantity
研究表明, 与 NPK 相比, 不同秸秆还田方式均
提高了土壤细菌和放线菌数量, NPKS处理显著提高
了土壤真菌数量; 与秸秆还田和过腹还田相比, 秸
秆炭多孔结构对养分的持留作用更有利于生理菌群
数量的增长, 尤其是亚硝化细菌、反硝化细菌和纤
维素分解菌的数量。
2.3 不同秸秆还田方式对风沙土土壤酶活性的影响
从表 2 不同秸秆还田方式对风沙土土壤酶活性
的影响趋势来看, 不同处理之间存在一定的差异。
与 NPK化肥处理相比, NPKS和 NPKB1处理过氧化
氢酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和磷酸酶活性分别升
高 6.51%和 13.36%、10.12%和 29.37%、11.76%和
11.76%、0.00%和 22.32%、26.92%和 28.85%, 但两
处理间差异不显著。MPKB2 和 NPKM 处理 5 种土
壤酶活性均高于 NPK处理, 过氧化氢酶、蔗糖酶、
脲酶、蛋白酶和磷酸酶活性分别升高 8.47%和
12.38%、16.95%和 60.43%、5.88%和 17.65%、32.47%
和1.24%、19.23%和 32.69%; 但两处理间除蛋白酶
外其余差异不显著。由此可见, 不同秸秆还田方式
总体上能提高风沙土土壤酶活性。常量秸秆炭比秸
秆直接还田处理土壤酶活性更高, 但增量秸秆炭的
土壤酶活性较秸秆过腹还田低。
表 2 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响
Table 2 Effects of different straw incorporation modes on soil enzymes activities
处理
Treatment
过氧化氢酶 Catalase
[mL(KMnO4)g120min1]
蔗糖酶 Invertase
[mL(C6H6O )g124h1]
脲酶 Urease
[mg(NH3-N)g124h1]
蛋白酶 Protease
[mg(NH2-N)mg124h1]
磷酸酶 Alkaline phosphatase
[mL(P2O5)100g12h1]
NPK 3.07±0.08c 13.04±2.92b 0.17±0.02c 8.87±0.83ab 0.52±0.03c
NPKS 3.27±0.10bc 14.36±1.09ab 0.19±0.02bc 8.87±1.17ab 0.66±0.06ab
NPKB1 3.48±0.08ab 16.87±2.93ab 0.19±0.01bc 10.85±1.00ab 0.67±0.07ab
NPKB2 3.33±0.29abc 15.25±1.60ab 0.18±0.01bc 11.75±1.52a 0.62±0.08bc
NPKM 3.45±0.05abc 20.92±1.62a 0.20±0.01abc 8.76±0.94b 0.69±0.07ab

2.4 不同秸秆还田方式对风沙土土壤微生物碳源
利用的影响
2.4.1 平均颜色变化率
平均颜色变化率(AWCD)反映微生物对碳源的
利用率, AWCD 值越大, 表明对碳源利用强度越强,
微生物的代谢活性越高。从图 2 可以看出, 不同秸
秆还田方式土壤的AWCD值随培养时间的延长而提
高。不同处理土壤 AWCD值在开始的 24 h变化不明
显, 说明碳源基本未被利用; 而在 24~96 h内表现出
快速增长的趋势, 微生物活性进入对数增长期, 随
后增长缓慢, 趋于稳定, 直到 168 h 培养结束。从
AWCD 值可以看出, 与 NPK 处理相比, 除 NPKB1
处理显著降低外, 其余则显著升高, 但 3 个处理间
差异不显著。由此可见, 秸秆还田、增量秸秆炭和
秸秆过腹还田土壤微生物的代谢活性高于单施化肥
处理, 但这 3个处理之间差异不显著。
494 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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图 2 不同秸秆还田方式土壤微生物群落平均颜色变化率
Fig. 2 Average well color development (AWCD) of soil microbial
communities under different straw incorporation modes
2.4.2 多样性指数分析
根据不同处理碳源利用情况, 综合考虑其变化
趋势, 选取光密度趋于稳定, 且不同处理之间有较
好分形的 144 h的 AWCD值进行土壤微生物群落代
谢多样性分析(表 3)。多样性指数显著性分析结果显
示, Simpson优势度指数和McIntosh均匀度指数各处
理间差异均不显著(P>0.05)。而 Shannon丰富度指数
各处理间差异显著(P<0.05)。NPK 处理丰富度指数
最低, 不同秸秆还田方式均能提高风沙土土壤微生
物丰富度, 说明这几种处理方式利用碳源的种类较
多; 其中 NPKS处理最高, NPKB1、NPKB2和 NPKM
处理次之, 但这 3个处理间差异不显著(P>0.05)。由
此可见, 作为土壤微生物的营养源和能源, 向土壤
中施加秸秆、炭化和过腹的秸秆增加了土壤中碳素
含量, 能够调控土壤微生物群落的代谢功能和结构,
改善土壤质量 , 其中不处理的秸秆提供了更多的
碳源。
表 3 不同秸秆还田方式土壤微生物群落功能多样性指数
Table 3 Diversity indexes of soil microbial communities under different straw incorporation modes
处理
Treatment
平均颜色变化率
Average well color development (AWCD)
Simpson指数
Simpson index
Shannon指数
Shannon index
McIntosh指数
McIntosh index
NPK 1.52±0.03b 0.98±0.01a 3.23±0.03c 0.93±0.01a
NPKS 1.64±0.02a 0.98±0.01a 3.33±0.01a 0.94±0.01a
NPKB1 1.41±0.01c 0.98±0.01a 3.30±0.02b 0.94±0.01a
NPKB2 1.65±0.01a 0.98±0.00a 3.31±0.02b 0.94±0.01a
NPKM 1.65±0.01a 0.98±0.02a 3.31±0.04b 0.94±0.02a

2.4.3 主成分分析
利用培养 144 h的 AWCD值, 对不同秸秆还田
方式土壤微生物利用单一碳源特性进行主成分分
析。选取方差贡献率最高的前两个主成分 PC1(第 1
主成分)和 PC2(第 2 主成分)进行微生物群落功能多
样性分析。主成分分析表明(图 3), 不同秸秆还田方式
碳源利用在 PC轴上差异显著, 在 PC1轴上, NPKS、

图 3 不同秸秆还田方式土壤微生物群落主成分分析
Fig. 3 Principal component analysis of soil microbial
communities under different straw incorporation modes
NPKM 和 NPKB2 分布在正方向上 , 而 NPK 和
NPKB1 处理分布在负方向上; 在 PC2 轴上, NPK、
NPKB1和 NPKS处理分布在正方向上, 而 NPKM和
NPKB2处理分布在负方向上。
初始载荷因子反映主成分与碳源利用的相关
系数 , 载荷因子越高 , 表示该碳源对主成分的影
响越大。表 4 显示 , 对 PC1 贡献较大的碳源有 6
种 , 主要包括糖类(3 种)、羧酸类(2 种)和聚合物类
(1 种); 而对 PC2 贡献较大的碳源有 5 种 , 主要包
括氨基酸类(1 种)、羧酸类(2 种)、聚合物类(1 种)
和其他类(1 种)。羧酸类和糖类是微生物利用的主
要碳源。
2.4.4 聚类分析
本研究采用欧式距离中的最短距离法, 对培养
144 h的碳源利用情况进行聚类分析。结果表明, NPK
处理单独聚为一类, 与不同秸秆还田方式土壤微生
物群落碳源利用差异显著。不同秸秆还田方式可聚
为两类, NPKB2和 NPKM处理被归为一类, NPKB1
和 NPKS处理被归为另一类(图 4)。说明增量生物炭
和秸秆过腹还田处理之间、常量秸秆炭和秸秆还田
处理之间具有相似的微生物群落碳源利用模式。
第 4期 顾美英等: 不同秸秆还田方式对和田风沙土土壤微生物多样性的影响 495


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表 4 不同秸秆还田方式 Biolog-Eco板碳源在 PC1和
PC2上的载荷值(︱r︱>0.8)
Table 4 Loaded values of different carbon source utilization
with PC1 and PC2 (︱r︱> 0.8) under different straw
incorporation modes
碳源类型 Type of carbon source PC1 PC2
氨基酸 Amino acids L-精氨酸 L-arginine 0.27 0.91
D-木糖 D-xylose 0.93 0.18
N-乙酰基-D-葡萄胺
N-acetyl-D-glucosamine
0.96 0.20
糖类
Carbohydrates
I-赤藻糖醇 I-erythritol 0.8 0.45
衣康酸 Itaconic acid 0.84 0.14
D-苹果酸 D-malic acid 0.96 0.28
D-葡萄胺酸
D-glucosaminic acid
0.30 0.87
羧酸类
Carboxylic acids
D-半乳糖内酯
D-galactonic acidy-lactone
0.09 0.87
a-环式糊精 a-cyclodextrin 0.35 0.84 聚合物类 Polymers
吐温 40 Tween 40 0.80 0.17
其他类 Miscellaneous D,L-a-甘油 D,L-a-glycerol 0.39 0.86

3 讨论
新疆和田地区地处塔克拉玛干沙漠南缘, 风沙
土是其主要土壤类型。风沙土有机质含量低、供肥
保肥保水能力差, 采用秸秆还田、增施牛羊粪等有
机肥是培肥土壤的主要途径。本研究表明, 几种秸
秆还田方式中秸秆直接还田腐解速度慢, 对风沙土
土壤养分的提升作用不显著, 这与在新疆灰漠土的
研究结果一致[27]。而秸秆炭和羊粪有机肥对土壤养
分的影响随施加量的增加逐渐增高[28]。因此秸秆直
接还田和常量秸秆炭处理没有显著增加风沙土土
壤养分含量, 而增量秸秆炭处理和过腹还田处理由
于添加了较高的有机质, 增加了土壤有效营养元素,
对风沙土土壤肥力的提升作用好于秸秆直接还田
处理。
土壤微生物在秸秆腐解和营养元素释放过程中
起着关键作用, 同时秸秆还田方式、还田数量也会

图 4 不同秸秆还田方式土壤微生物群落碳源利用的聚类分析图
Fig. 4 Cluster analysis of carbon source utilization of soil microbial communities under different straw incorporation modes
对土壤微生物产生较大的影响[29]。本研究表明不同
秸秆还田方式(秸秆直接还田、过腹还田、炭化还田)
对风沙土土壤生理菌群数量和土壤酶活性均有一定
促进作用。较多文献报道认为施用粪便类有机肥和
作物秸秆还田, 增加了土壤有机物数量, 对土壤微
生物和土壤酶起促进作用[3033]。但也有少量相反报
道[34]。生物炭养分组成中含有 38%~76%的碳, 其他
养分(氮、磷、钙、镁)含量也较高; 同时生物炭表面
复杂的孔隙结构、丰富的含氧官能团和较高的阳离
子交换能力, 形成了生物炭良好的吸附特性以及对
酸碱的缓冲能力, 可起到改善土壤理化性质, 调控
土壤微生物生态等作用[3538]。本研究表明秸秆炭与
其他几种秸秆还田方式相比更有利于风沙土土壤生
理菌群数量的增长, 尤其是亚硝化细菌、反硝化细
菌和纤维素分解菌的数量。常量秸秆炭处理比秸秆
直接还田土壤酶活性更高, 但增量秸秆炭酶活性较
秸秆过腹还田处理低。
目前秸秆直接还田、过腹还田、炭化还田这几
种秸秆还田方式对土壤微生物影响的比较研究报道
较少。李卉等[39]研究表明水稻秸秆添加对微生物生
物量有促进作用, 其促进程度高于生物炭。陈利军
等[40]的研究表明施用等碳的秸秆、猪粪和生物炭处
理细菌群落结构相似, 但与单施化肥有显著差异。
本研究也显示秸秆直接还田对土壤肥力的提升效果
仅好于单施化肥处理, 与秸秆炭化还田相当。与单
施化肥相比, 秸秆直接还田和炭化还田均可以提高
土壤微生物数量, 但由于这两种处理所含养分多是
缓效的 , 微生物分解慢 [34,41], 不能快速提升土壤肥
力。该试验还需进行长期定位监测。
土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分 ,
土壤微生物与作物根系分泌物、残留物及地上部生
长关系密切。杨金娟等[42]研究表明不同秸秆还田方
式可增加农田残茬、枯落物及植物根系分泌物, 导
致土壤碳、氮增加, 土壤微生物可利用碳源增加, 从
而增加土壤微生物活性, 增强对土壤碳水化合物、
氨基酸、胺类化合物等碳源的利用能力。许文欢等[43]
研究发现不同施肥方式在碳源利用上差异不明显 ,
表明微生物群落功能稳定, 短期施肥没有改变微生
物碳源代谢多样性, 而生物炭虽然可以显著提高土
壤微生物代谢活性, 但并没有显著改变其碳源代谢
多样性, 高浓度的生物炭添加会促进喜食聚合物的
微生物群落生长, 并具有改变土壤微生物多样性的
496 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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潜力。本研究采用红枣/小麦复播绿豆间作模式, 不
同作物根系分泌物的相互作用复杂, 土壤环境将发
生很大改变。Biolog 主成分分析表明, 不同秸秆还
田方式对土壤微生物群落有显著促进作用, 起分异
作用的碳源主要为羧酸类和糖类。
4 结论
1)秸秆直接还田、过腹还田和炭化还田对土壤
养分均有提升作用 , 其中秸秆过腹还田效果最好 ,
其次是增量秸秆炭处理, 秸秆直接还田和常量秸秆
炭处理效果较低。
2)不同秸秆还田方式对土壤微生物数量影响显
著。与单施化肥相比, 秸秆直接还田、过腹还田和
炭化还田均提高了土壤细菌、放线菌和生理菌群的
数量, 但秸秆直接还田提高了土壤真菌数量, 增加
了土传病害风险; 秸秆炭化还田对土壤生理菌群数
量的提升效果好于秸秆直接还田和过腹还田; 不同
秸秆还田方式均对土壤酶活性有提高作用。
3)Biolog 分析表明, 与单施化肥相比, 不同秸
秆还田方式均能显著提高风沙土壤微生物的代谢活
性和丰富度指数, 但这几种秸秆还田方式之间差异
不显著。聚类分析表明增量秸秆炭和过腹还田处理
之间、常量秸秆炭化还田和秸秆直接还田处理之间
土壤微生物功能相似。
总之, 不同秸秆还田方式均能显著提高和田沙
化土壤微生物活性和功能多样性, 但不同方式的增
效不同, 从 3 年定位试验结果看, 秸秆过腹还田和
炭化还田的效果较好, 秸秆直接粉碎还田有增加土
传病害的风险。该结果将为南疆沙化土壤肥力可持
续提升提供一定的理论指导。
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