试验于2022年6月1日至8月15日在华北水利水电大学农业高效用水试验田(34° 47'6″N, 113° 46'54″E)进行, 共持续60 d。 试验区属温带季风气候, 年均气温14.3 ℃, 无霜期约200 d。

试验共设置4个处理(见图1), 不施肥(CK)、 全量秸秆还田(J)、 施加鸡粪(M)、 全量秸秆还田配施鸡粪(JM), 每个小区面积为3 m× 9 m, 每个小区之间挖出30 cm沟用于排水, 同时设置畦埂以去除边缘效应, 每个小区共种植6行玉米, 每行种植27株玉米, 种植行距为0.4 m, 株距为0.3 m, 所有小区玉米全生育期灌水量均为250 mm。 种植作物前, 秸秆还田和秸秆还田配施鸡粪需要进行秸秆还田处理, 采用收割机将小麦秸秆切碎, 不施肥和鸡粪不进行秸秆还田的处理将小麦秸秆人工割除, 鸡粪和秸秆还田配施鸡粪处理均匀撒施有机肥, 有机肥的施加量为45 t· hm^-2。 秸秆切碎或割除和有机肥施加后将所有小区用旋耕机旋耕, 以保证土壤与秸秆、 有机肥的充分混合, 耕作土层为0~20 cm。 同时为了测定秸秆还田配施鸡粪和秸秆还田处理下秸秆腐解特征, 取25 g烘干的小麦秸秆, 剪至每段长2~3 cm后放入100目的尼龙网袋, 在秸秆还田配施鸡粪和秸秆还田处理所在小区按照五点法埋设放有小麦秸秆的尼龙网袋, 每个点分别埋设5袋秸秆, 埋设深度为10 cm。

图1

Fig.1

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	图1 研究区域地理位置及大田实验布置图Fig.1 Geographic map of the research area and field experiment layout map

大田试验作物为浙江科诚种业有限公司提供的“ 浙甜11号” 玉米, 有机肥采用当地新鲜鸡粪堆肥腐熟无害化处理制成。 秸秆为在冬小麦夏玉米轮作模式中, 从小麦季中收获的秸秆。 耕作层土壤、 有机肥、 秸秆基础理化性质如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 供试土壤、 鸡粪、 秸秆基础理化性质 Table 1 Physical and chemical parameters of soil, organic fertilizer and wheat straw 基础理化性质 土壤 鸡粪 小麦秸秆 容重/(g· cm-3) 1.28 - pH 6.88 6.89 - 有机质/(g· kg-1) 16.9 240.23 5.31 总氮/(g· kg-1) 3.29 17.22 0.83 总磷/(g· kg-1) 0.42 8.66 1.42 速效氮/(mg· kg-1) 97.3 175.33 - 速效磷/(mg· kg-1) 42.01 88.53 - 速效钾/(mg· kg-1) 0.98 1.41 - 土壤田间持水量/% 19 - -

表1 供试土壤、 鸡粪、 秸秆基础理化性质 Table 1 Physical and chemical parameters of soil, organic fertilizer and wheat straw

于2022年6月1日埋设装有干稻草的尼龙网袋, 于第15、 31、 45、 61和76 d从每个地块随机抽取3袋。 用蒸馏水冲洗, 待水不再浑浊后, 从包装袋中取出秸秆, 60 ℃干燥至恒重。 参考文献[31]计算秸秆的质量损失率、 碳释放率和总氮释放率。 对烘干后的秸秆进行研磨, 测定有机碳和总氮含量。 有机碳采用重铬酸钾体积法测定^[32], 总氮采用凯氏定氮法测定^[33]。

按五点法在每个地块耕作层取样, 样品于4 ℃保存, 24 h内测定相关指标。 取待测土样5 g加入100 mL锥形瓶中, 并加入50 mL水, 将土样和水摇匀后, 放入恒温振荡培养箱中, 在20 ℃下以180 r· min^-1振荡12 h后, 4 000 r· min^-1离心振荡5 min, 离心振荡结束后, 取上清液抽滤, 过0.45 μ m玻璃纤维滤膜, 所得滤液即为DOM提取液^[34]。

土壤DOM含量以溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)浓度表示, 由TOC分析仪(VC TM1 Shimadzu, Japan)测定。 土壤微生物碳(microbial biomass carbon, MBC)、 微生物氮(microbial biomass nitrogen, MBN)采用氯仿熏蒸萃取法测定^[35]。

土壤DOM的三维荧光光谱用F-4600荧光分光光度计扫描, 激发波长(Ex)为220~450 nm, 发射波长(Em)为280~550 nm。 激发发射狭缝宽度为5 nm, 扫描间隔为5 nm, 扫描速度为12 000 nm· min^-1。

以Miller-Q超纯水为空白, 进行拉曼散射和瑞利散射校正。 DOMFluor工具箱用于执行PARAFAC成分识别^[36]。 生物源指数(biogenic index, BIX)和腐殖化指数(humification index, HIX)参考文献[37]计算。

采用变差分解分析(variance partitioning analysis, VPA)定量解释DOM组分对微生物碳氮和秸秆养分释放的影响。 通过R studio的vegan软件包进行VPA分析。 不同处理间的差异在SPSS 18.0中采用单因素方差分析进行检验。

秸秆分解特征可分为两个阶段, 第1天至第45天为快速分解期, 第46天至第76天为慢速分解期[图2(J, JM)]。 快速分解阶段的平均分解速率较缓慢分解阶段高出1.09%· d^-1。 实验结束时, 秸秆还田配施鸡粪处理的累积秸秆质量损失率比秸秆还田处理显著下降了4.25%(p< 0.05)。 研究中秸秆腐解也出现这种先快后慢的现象^[38]。 主要与秸秆的成分和结构有关, 秸秆中不仅有许多容易分解的物质(如脂肪族化合物、 酰胺类化合物和糖类, 等)还有一些难降解的生物质 (如木质素、 单宁和蜡, 等)^{[39, 40, 41]}。 在秸秆分解过程中, 微生物会优先分解这些易分解的物质, 随着秸秆中易分解物质的减少, 微生物开始分解难降解物质, 导致秸秆分解速度缓慢^{[42, 43]}。

图2

Fig.2

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	图2 秸秆积累质量损失率的动态变化规律 (注: 不同小写字母之间表示存在显著性差异, p< 0.05; 虚线为快速分解期和慢速分解期的分隔线)Fig.2 Dynamic change rule of straw accumulation mass loss rate

秸秆碳氮释放率的变化趋势与秸秆累积质量损失率的变化趋势一致(图2), 快速分解期秸秆碳氮平均释放率比缓慢分解期分别高0.96%· d^-1和0.86%· d^-1。 试验结束时, 与秸秆单独还田相比, 秸秆还田联合鸡粪处理下碳氮释放率显著提高了4.25%和5.56% [图3(a, b), p< 0.05]。 结果表明秸秆的碳氮释放率与秸秆累积质量损失率均存在先快后慢的变化趋势, 秸秆与鸡粪的配施有效促进了秸秆分解和养分释放。 这与先前的研究相一致, 如Jin^[44]等发现与单一秸秆还田相比, 秸秆添加猪粪后质量损失率上升了17.1%。

图3

Fig.3

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	图3 (a)秸秆碳释放率; (b)秸秆氮素释放率 (注: 不同小写字母之间表示存在显著性差异, p< 0.05; 虚线为快速分解期和慢速分解期的分隔线)Fig.3 (a) carbon release rate of straw; (b) nitrogen release rate of straw

在不同施肥措施下, 微生物碳和微生物氮呈现上升趋势[图4(a, b)]。 各处理条件下的微生物碳含量存在显著差异, 表现为秸秆还田配施鸡粪> 鸡粪> 秸秆还田> 不施肥。 与秸秆还田相比, 秸秆还田配施鸡粪处理下微生物碳、 微生物氮分别显著提高12.44%和56.98%(p< 0.05)。 说明秸秆还田配施鸡粪处理显著增加了土壤中微生物碳氮的含量。 关于秸秆还田过程中配施粪便后土壤微生物碳氮变化规律的研究结果存在差异。 Jin等^[44]在使用覆膜管理时发现施加粪肥促进了微生物生物量积累。 也有研究出现相反的结果, Bei等^[45]发现与单一秸秆还田相比, 秸秆添加粪肥对微生物碳的影响不大。 本研究中微生物量上升的原因可能是鸡的消化道短, 消化吸收能力低, 因此鸡粪中含有丰富的蛋白质和微量元素等营养物质, 有利于微生物的繁殖^[46], 增加微生物的丰度^{[47, 48]}。

图4

Fig.4

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	图4 不同施肥处理下微生物碳氮含量的变化 (a): MBC; (B): MBN注: 不同小写字母之间表示存在显著性差异(p< 0.05)Fig.4 Changes of microbial carbon and nitrogen content under different fertilization treatments (a): MBC; (B): MBN

通过PARAFAC解析土壤DOM的三维荧光光谱^[49], 根据对半分析、 残差分析和核一致性检验, 土壤DOM分为3个组分[图5(a, b, c)]组分荷载图[图5(d, e, f)]。 第一个组分(C1)为植物源陆生腐殖酸(λ _ex/em=270/435 nm)^[50]。 第个二组分(C2)主要来源于微生物活性及其代谢产物的类蛋白质(λ _ex/em=278/331 nm)。 第三个组分(C3)有两个峰(λ _ex/em=260/489 nm和370/489 nm), 属于典型腐殖酸, 主要来源于微生物活动。 虽然C3和C1都是腐殖质类酸, 但C3的荧光峰发射波长(489 nm)高于C1 的荧光峰(435 nm)。 这说明C3的分子相对分子量更高, 结构更复杂。

图5

Fig.5

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	图5 基于PARAFAC模型解析的DOM荧光成分 (a), (b), (c): C1, C2, C3组分光谱; (d), (e), (f): C1, C2, C3组分的激发和发射光谱Fig.5 Fluorescence components of DOM identified by PARAFAC model (a), (b), (c): C1, C2, C3 component spectra; (d), (e), (f): Excitation and emission spectra of C1, C2, C3 components

与不施肥处理相比, 秸秆还田、 鸡粪和秸秆还田配施鸡粪处理的DOC含量的增幅分别为66.01%、 110.13%和127.45% (p< 0.05), 其中秸秆还田配施鸡粪处理下DOC含量的增幅最大。 有关粪便联合秸秆还田后对土壤DOC的影响报道结果存在差异。 Zhou等^[51]使用鸡粪和玉米秸秆还田后DOC含量上升, Ge等^[52]秸秆还田时使用猪粪代替部分化肥发现土壤DOC呈现下降趋势, 在试验结束时低于不施肥和施加化肥处理。 上升的原因可能是秸秆残茬分解过程中配施的肥料提供的可用碳源和能量, 促进了土壤有机碳的分解和释放DOC^[53]。 下降的原因可能是配施的有机肥释放养分的速度较慢^[54]。 本研究施加鸡粪出现上升现象, 原因可能是鸡粪的化学成分与猪粪相比纤维素的量较低, 分解和养分释放的速度较快。

以往研究集中于探究DOC含量的变化, 本研究进一步探究了DOM组成的变化, 三个组分的变化趋势[图6(a, b, c)]与DOC存在差异[图6(d)]。 说明仅关注DOC变化无法获得关于DOM降解、 转化和稳定性等重要信息, 不能全面了解DOM在环境中的动态变化和环境行为。 单独添加鸡粪土壤DOM类腐殖质组分C1呈现下降趋势, 单独添加秸秆类蛋白质组分C2在腐解慢速期变化趋于平稳, 鸡粪联合秸秆后C1和C2均呈现持续上升趋势。 表明当鸡粪和秸秆一起施用时, 促进了类蛋白质和类腐殖质的合成与积累, 说明联合施用鸡粪和秸秆在增加土壤DOM组分方面具有协同增效作用。 与前人的研究结果相似, Zhang等^[55]的研究发现, 采用矿物肥料、 粪肥和秸秆按2∶ 1∶ 1比例混合后还田后, 土壤DOM的类腐殖质组分含量明显高于单独施用矿物肥料或秸秆还田配施1∶ 1比例混合矿物肥料。

图6

Fig.6

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	图6 不同施肥措施下土壤DOC及DOM各荧光组分含量 (a), (b), (c): 组分相对含量; (d): DOC相对含量Fig.6 Contents of soil DOC and DOM fluorescence components under different fertilization measures (a), (b), (c): The relative contents of components; (d): The relative content of DOC in soil

根据前人研究结果HIX值与土壤有机质积累呈正相关关系, BIX值可反映DOM的生物利用度, 数值越高表示DOM的生物可利用性越强^[56]。 在秸秆还田、 鸡粪还田和秸秆配施鸡粪处理中, HIX值分别比对照组提高了58.68%、 97.22%和119.10% (表2, p< 0.05)。 与不施肥处理相比, 鸡粪处理和秸秆还田处理的BIX值分别降低了28.74%、 33.33%和43.68%(表2, p< 0.05)。 表明秸秆还田配施鸡粪处理下DOM的腐殖质化程度最高, 说明秸秆还田配施鸡粪后加速了DOM组分周转和腐殖化过程。 关于DOM组分的演化方向的报道存在差异, Tu等^[57]发现河流网络中微生物可以促进类络氨酸和类色氨酸产生, 黄腐酸的腐解。 Yu等^[58]在研究鸡粪和稻壳共堆肥过程中发现, DOM优先按照由小分子到大分子的顺序形成。 本研究中可能因为鸡粪的施用增加了微生物的数量, 微生物可以将结构简单的DOM成分塑造成顽固的DOM成分, 促进了腐殖质化过程。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 土壤DOM的荧光参数 Table 2 Fluorescence parameters of soil DOM 处理 HIX BIX CK 2.88± 0.21d 0.87± 0.11a J 4.57± 0.38c 0.62± 0.06b M 5.68± 0.52b 0.58± 0.20c JM 6.31± 0.11a 0.49± 0.03d 注: 表中数值=平均值± 标准差。 不同小写字母之间表示存在显著性差异(p< 0.05)

表2 土壤DOM的荧光参数 Table 2 Fluorescence parameters of soil DOM

为了阐明土壤DOM演化规律和土壤微生物生物量对秸秆碳氮释放速率的影响, 对DOM组分、 MBC和MBN进行了VPA分析。 VPA结果表明, MBC和MBN的联合作用对秸秆碳释放的正向影响最大(45%), MBC对秸秆氮释放的正向影响最大[36.7%; 图7(e— f)]。 这表明土壤微生物碳氮在释放秸秆养分方面发挥了重要作用, 说明微生物活性对土壤有机质分解和养分释放过程中的关键作用。 有研究也出现类似现象, 发现在覆膜条件下施加有机肥也出现微生物量上升, 秸秆分解速度加快^[44]。

图7

Fig.7

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图7 变差分配分析结果 (a): DOM组分对秸秆碳释放速率的相对贡献; (b): DOM组分对秸秆氮素释放速率的相对贡献; (c): DOM组分对MBC的相对贡献; (d): DOM组分对MBN的相对贡献; (e): MBC和MBN对秸秆碳释放率的相对贡献; (f): MBC和MBN对秸秆氮素释放率的相对贡献注: 交叉部分代表多种变量的联合作用, 其余代表每一类变量的单独作用Fig.7 Results of variation partitioning analyses (a): Relative contributions of DOM components to straw carbon release rate; (b): Relative contributions of DOM components to straw nitrogen release rate; (c): Relative contributions of DOM components to MBC; (d): Relative contributions of DOM components to MBN; (e): Relative contributions of MBC to straw carbon release rate; (f): Relative contributions of MBN to straw nitrogen release rate

DOM中的类腐殖质组分C1对MBC的正向影响最大(6.3%), 类蛋白质组分C2对MBN的正向影响最大[5.2%, 图7(c— d)]。 表明DOM中的不同组分对微生物碳氮的释放有不同的贡献。 Lehmann研究发现水溶性不稳定的化合物是微生物吸收的主要贡献者^[59]。

DOM组分对秸秆碳氮释放速率变化的贡献(98.4%、 90.9%)大于微生物组分对秸秆碳氮释放速率的贡献[74%、 72%; 图7(a— d)]。 DOM组分的联合作用对秸秆碳释放速率的正向影响最大(36.8%), DOM组分中类腐殖质C1组分的单一作用对秸秆氮释放率的正向影响最大[42%; 图7(a, b)]。 结果表明, 土壤中的DOM组分可以通过影响微生物量从而调控秸秆的养分释放释放过程。 结合本研究中与其他处理相比鸡粪添加显著增加了DOM和C1的相对含量, 说明添加鸡粪可以通过上述途径加速秸秆养分释放。 以往研究表明在温暖和潮湿的条件下, 增加不稳定土壤溶解有机碳的产生将提高生物体的高基质利用效率, 导致更多作物秸秆碳残基进入有机质中固存^[59], 证明了这一点。