CN117084019A

CN117084019A - 一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法

Info

Publication number: CN117084019A
Application number: CN202311059488.0A
Authority: CN
Inventors: 蔡岸冬; 徐明岗; 王斌; 任成杰; 周正虎; 万运帆; 李玉娥
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2023-08-22
Filing date: 2023-08-22
Publication date: 2023-11-21

Abstract

本发明公开了一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，具体包括以下步骤：先将秸秆粉碎后还田，然后向土壤中施入氮素和磷素，补充微生物利用秸秆碳所缺乏的土壤氮素和磷素，最后调整土壤含水量，有助于微生物有效地进行秸秆降解和自身生长；其中，秸秆的最佳粉碎粒级为0.25mm，氮素和磷素的最佳施入量为164kg/ha和25kg/ha(比值为6.5:1)，土壤含水量的最佳值为土壤饱和含水量的50％。本发明秸秆还田配施水肥能够显著提高土壤微生物碳利用效率。

Description

一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法

技术领域

本发明涉及农田土壤技术领域，更具体的说是涉及一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法。

背景技术

“作物秸秆还田”是被广泛认可的农田土壤有机碳提升主要农田管理措施之一。秸秆中的有机碳转化为土壤有机碳的能力取决于土壤微生物碳利用效率(土壤微生物生物量碳的变化量与吸收秸秆中有机碳量的比率)。较高的土壤微生物碳利用效率表明土壤微生物能够高效地利用秸秆中的有机碳，将其转化为自身的生物量碳，从而有助于增加土壤微生物的数量和活性，相对更多的秸秆有机碳被稳定地储存在土壤中，促进土壤有机质的积累，从而提高土壤肥力和改善土壤质量。

目前，秸秆还田对我国西北农田土壤有机碳的提升幅度较低，甚至并不明显，主要是因为我国西北地区属于干旱半干旱地区，土壤水分是微生物生活和代谢的重要条件之一，常年降雨量较少会导致土壤水分不足，这会限制微生物的生长和繁殖及微生物酶的活性、导致土壤中养分的扩散速率减慢，进而降低了微生物对秸秆中有机碳的利用率。秸秆中的有机碳与养分的化学计量比是微生物碳利用效率的重要影响因素。当必需元素相对于碳的可用性低于其微生物最佳生长所需的临界比率时，微生物生长就会受到养分的限制。一般而言，农田作物秸秆的化学计量比高于土壤本身的化学计量比和土壤微生物的化学计量比，而我国西北地区土壤养分含量低、共计能力较差，限制性养分更能影响微生物碳利用效率。

因此，在我国西北地区有限水资源较低的情况下，如何提供一种驱动微生物更大程度的利用秸秆碳来提升土壤有机碳含量的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，以解决现有技术中的不足。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，具体包括以下步骤：先将秸秆粉碎后还田，然后向土壤中施入氮素和磷素，最后调整土壤含水量。

进一步，上述秸秆粉碎至粒级为0.25mm。

进一步，上述氮素和磷素的施入量之比为(6-7):1。更进一步，上述氮素的施入量为164kg/ha(吨/公顷)，磷素的施入量为25kg/ha(吨/公顷)。

进一步，上述调整土壤含水量为土壤饱和含水量的40％-80％。更进一步，上述调整土壤含水量为土壤饱和含水量的50％。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明先将秸秆粉碎后还田，然后向土壤中施入氮素和磷素，补充微生物利用秸秆碳所缺乏的土壤氮素和磷素，最后调整土壤含水量，有助于微生物有效地进行秸秆降解和自身生长。本发明秸秆还田配施水肥能够显著提高土壤微生物碳利用效率。

附图说明

图1为不同水分梯度处理下土壤微生物呼吸速率；

图2为不同水分梯度处理下土壤微生物生长速率；

图3为不同水分梯度处理下土壤微生物碳利用效率；

图4为土壤微生物碳利用效率与氮磷养分比例的关系；

图5为土壤微生物碳利用效率与氮素施用量的关系。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，具体包括以下步骤：先将秸秆粉碎至粒级为0.25mm后还田，然后向土壤中施入氮素164kg/ha和磷素25kg/ha，最后调整土壤含水量为土壤饱和含水量的50％。

实施例2

秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，具体包括以下步骤：先将秸秆粉碎至粒级为0.25mm后还田，然后向土壤中施入氮素164kg/ha和磷素25kg/ha，最后调整土壤含水量为土壤饱和含水量的60％。

实施例3

秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，具体包括以下步骤：先将秸秆粉碎至粒级为0.25mm后还田，然后向土壤中施入氮素164kg/ha和磷素25kg/ha，最后调整土壤含水量为土壤饱和含水量的70％。

性能测试

一、试验设计1：确定最优水分管理

1、土壤样点的选择：

2021年6月15号，采集位于黄土高原南部的陕西省杨凌国家农业高新技术产业示范区渭河三级阶地(34°45′N，111°10′E，海拔487m)的土壤样品。该地处暖温带半干旱区，年均气温14.5℃，年均降水量约540mm，年均蒸发量约1010mm，土壤属于人为土，黄土母质。该地区种植制度为冬小麦-夏玉米轮作，一年两熟种植制度，其中，小麦季施肥量平均为N:165kg/ha和P:60kg/ha；玉米季施肥量平均为N:190g/ha和P:25kg/ha。

2、土壤样品的采集：

用土钻采样土壤样品，土壤样品的采集按照S型5点采样法，样品采集的深度为0～17.5cm(耕层)；在每个采样点，首先清除表面有机物(作物小麦残茬)季碎石，其次，每个采样点采集两钻(防止土壤压实)，最后，把采集的大颗粒土壤样品进行手动掰碎，并使用无菌镊子清除土壤表面的杂质和植被；样品采集设置3个重复；将每个重复的样品进行重复混匀，然后将样品一分为二，其中一份进行自然风干，过2mm筛后装入密封的玻璃瓶中，另外一份直接放到保温箱中，并在其中放置冰袋，以确保样品温度保持在4℃以下，运到试验室后放进-20℃的冰箱进行保存。

3、土壤水分设置：

为了控制土壤水分，需要测定土壤饱和含水量。从所采集的土壤样品中取100g干重的新鲜土壤并将其在105℃下烘干至恒定重量，得到土壤的干重，另外取100g干重的新鲜土壤并将其干燥后(该过程在3天内以4℃进行)，得到风干土壤饱和含水量约8％；将干燥后的土壤样品均匀地填充到土柱中(17.5cm)，确保土壤填充密实，将填充好的土柱浸泡在水中，让土壤充分吸收水分，并保持浸泡24h；在土柱上方设置一个水箱或容器，通过重力作用，向土柱中加入水，使土柱中的孔隙全部被水填满，直至土柱表面的水开始渗出，测量土柱上方水箱中加入的水量，这个水量即为土壤饱和含水量，该土壤样品的最大土壤饱和含水量为52％。

土壤设置7个水分梯度：处理一：20％W，土壤饱和含水量的20％、处理二：30％W，土壤饱和含水量的30％、处理三：40％W，土壤饱和含水量的40％、处理四：50％W，土壤饱和含水量的50％、处理五：60％W，土壤饱和含水量的60％、处理六：70％W，土壤饱和含水量的70％、处理七：80％W，土壤饱和含水量的80％。

注：经测定，该地区水的pH为6.5，偏酸性；用15mol/L的NaOH溶液调至水的pH约为8.2(与所供试土壤pH一致)。

4、准备¹³C标记的玉米秸秆：

供试¹³C标记玉米秸秆是通过脉冲标记法获得。简要步骤：将¹³C标记的CO₂气体通过气体管道或其他方式导入植物生长的环境中，使玉米植株能够在光合作用中吸收¹³C同位素。标记玉米整个生长周期。玉米成熟后，收集玉米植株的秸秆，为¹³C标记的玉米秸秆样品。其中，δ¹³C值为384‰。将玉米秸秆剪成1cm后用粉碎机粉碎，过60目筛(0.25mm)备用。

5、室内培养试验：

5.1、从采集的土壤样品中称取50g风干(土壤饱和含水量约8％)的土壤样品七份，放置在250mL的玻璃瓶中，利用喷雾瓶向玻璃瓶中加pH为8.2的水调整土壤样品含水量为土壤饱和含水量的20％(处理一)、30％(处理二)、40％(处理三)、50％(处理四)、60％(处理五)、70％(处理六)和80％(处理七)，并进行充分混匀，用通气薄膜密封置于培养箱；将上述七份土壤样品在14.5℃下进行7天的预培养；预培养结束后，向上述培养瓶子添加2.00g已粉碎的¹³C标记的秸秆，分别与培养土壤充分混匀，放置在培养箱中进行培养；

5.2、培养箱采取变温培养，平均温度设置为14.5℃，并在12h内使培养箱的温度从9.5℃逐渐升高到19.5℃，然后在12h内再从19.5℃逐渐降低到9.5℃；

5.3、每三天进行一次称重，根据每个瓶子的重量与起始重量的差值进行补充水平，使整个培养过程始终保持所设置的土壤样品含水量；

5.4、培养时间以模拟当地整个生长周期100天(6月20号至9月30号)：分别在第1、2、3、5、7、14、28、42、56、70、84和100天采集不同水分梯度下二氧化碳气体，测定土壤总二氧化碳的量及¹³C丰度值；

5.5、每个水分梯度处理进行3次重复；

6、土壤微生物生长计算方法：

6.1、计算秸秆来源的微生物生物量碳(MBC)占土壤总微生物生物量碳的百分比

式(1)中，和/>分别为熏蒸和未熏蒸样品提取物对应的同位素值(‰)，C_F和C_NF为分别为熏蒸样品和未熏蒸样品提取物的DOC(mg kg^-1soil)。

6.2、利用δ13MBC值，秸秆来源的微生物生物量碳占土壤总微生物生物量碳的百分比(P_RMBC，％)计算如下：

式(2)中，和/>分别为添加秸秆和对照处理的同位素值(‰)；/>是秸秆残渣随时间变化的同位素值(‰)。因此，通过将该比例乘以添加残渣的处理中的总微生物生物量碳(mg kg^-1soil)来计算秸秆来源的微生物生物量碳(mg kg^-1soil)。

7、土壤微生物碳利用效率计算方法：

CUE＝¹³MBC/(¹³MBC+¹³CO₂-C) (3)

式(3)中，¹³MBC是指掺入微生物量的秸秆衍生碳量(mg kg^-1soil)，¹³CO₂是指随着时间推移呼吸作用导致的累积秸秆衍生的CO₂-C释放量(mg kg^-1soil)。

8、具体指标测定方法：

8.1、采用pH计测定法直接测定水中的pH；采用pH计测定法(水土比为2.5:1)测定土壤样品的pH；

8.2、土壤含水量采用烘干称重法测定；

8.3、培养试验中采集气体中二氧化碳的浓度同位素气相色谱-质谱仪测定；

8.4、通过氯仿熏蒸-萃取法测定微生物生物量的底物掺入；

9、数据分析：

将收集到的试验数据进行统计分析，采样方差分析(ANOVA)确定处理效应的显著性水平。

10、结果分析

10.1试验土壤(0～17.5cm)的基本理化性状

结果如表1所示(注：平均值±标准误)。

表1试验土壤(0～17.5cm)的基本理化性状

由表1可知，供试的土壤样品pH为8.21，为碱性土壤。土壤有机碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷和土壤容重分别为10.69g/kg、1.37g/kg、1.09g/kg、115.30mg/kg、28.52mg/kg和1.21g/cm³。

10.2不同水分梯度处理下土壤微生物属性

不同水分梯度处理下土壤微生物呼吸速率如图1所示。不同水分梯度处理下土壤微生物生长速率如图2所示。

由图1可知，不同水分梯度下土壤呼吸速率存在显著差异。其中，50％W处理下土壤微生物呼吸速率显著高于其它处理，为9.54mg C kg day^-1；其次为40％W处理下土壤微生物呼吸速率，为7.51mg C kg day^-1；60％W和70％W处理下土壤微生物呼吸速率之间并没有显著差异，但显著高于20％W、30％W和80％W处理下土壤微生物呼吸速率；30％W处理下土壤微生物呼吸速率为4.32mg C kg day^-1，显著低于其它处理下的土壤微生物呼吸速率。

由图2可知，不同水分处理下土壤微生物生长速率和呼吸速率大致规律基本一致。其中，50％W处理下土壤微生物生长速率显著高于其它处理，为4.21mg C kg day^-1；其次为40％W和60％W处理下土壤微生物生长速率，分别为2.74mg C kg day^-1和2.73mg C kg day^-1；20％W和80％W处理下土壤微生物生长速率之间并没有显著差异，分别为1.75mg C kgday^-1和1.82mg C kg day^-1，但显著高于30％W处理下土壤微生物生长速率；30％W处理下土壤微生物生长速率为1.07mg C kg day^-1，显著低于其它处理下的土壤微生物生长速率。

10.3不同水分梯度下土壤微生物碳利用效率

不同水分梯度处理下土壤微生物碳利用效率如图3所示。

由图3可知，不同水分梯度下土壤微生物碳利用效率存在显著差异。其中，30％W处理下土壤微生物碳利用效率为0.1995，显著低于其它处理；50％W和60％W处理下的土壤微生物碳利用效率分别为0.3022和0.2940，显著高于20％W、40％W和80％W处理下土壤微生物碳利用效率(0.2315、02606和0.2655)。相对于30％W处理，20％W、40％W、50％W、60％W、70％W和80％W下土壤微生物碳利用效率分别提高了16％、30％、51％、47％、43％和33％。

二、试验设计2：确定最优氮磷养分配比

1、养分溶液

氮磷养分以硝酸铵、磷酸二氢钾和硫酸铵配置的溶液添加，该溶液添加之前用15mol/L的NaOH溶液调至pH为8.2(当地土壤pH)。

2、试验处理设置

将玉米秸秆的添加量设置为3.9kg^-1soil(全量还田)，相当于0～17.5cm土体7.1tha^-1的秸秆全部还田(土壤容重为1.11g/cm³)。假设P的施用量不变(25kg/ha，当地平均施用量)，调整氮素的施用量，以满足不同的氮磷比。设置六个处理：不添加养分(CK)，另外五个氮磷比分别为4:1(4NP)、5:1(5NP)、6:1(6NP)、7:1(7NP)和8:1(8NP)。

3、室内培养试验

从采集的土壤样品中称取100g风干(土壤饱和含水量约8％)的土壤样品六份，放置250mL的玻璃瓶中；根据设置的氮磷比，分别向五个处理中加入对应的氮和磷溶液，然后再用pH为8.2的水进行补充，调整土壤样品含水量为土壤饱和含水量的50％，并进行充分混匀，用通气薄膜密封置于培养箱；将上述六份土壤样品在14.5℃下进行7天的预培养；预培养结束后，加入0.39g过60目筛(0.25mm)同位素标记的玉米秸秆，与培养土壤充分混匀，放置在培养箱中进行培养。

4、每三天进行一次称重，根据每个瓶子的重量与起始重量的差值进行补充水平，保证每个瓶子的土壤样品含水量为最大饱和持水量的50％；

5、其余步骤均与“试验设计1”一致。

6、结果分析

在土壤含水量为最大土壤饱和含水量的50％时，不同养分配比处理下土壤微生物碳利用效率如表2所示(注：提高幅度指相对于CK，养分添加对微生物碳利用效率的提高幅度)，土壤微生物碳利用效率与氮磷养分比例的关系如图4所示。

表2不同养分配比条件下土壤微生物碳利用效率

由表2可知，CK处理下土壤微生物碳利用效率为0.3030，显著低于其它添加养分处理。6NP处理下土壤微生物碳利用效率最高，为0.4066。与CK相比，4NP、5NP、6NP、7NP和8NP处理下微生物碳利用效率分别增加了11.64％、16.81％、25.48％、23.23％和20.02％。

由图4可知，土壤微生物碳利用效率与氮磷养分比例呈现一元二次抛物线的关系，氮磷养分比例为6.5:1时土壤微生物碳利用效率最高。而当地玉米季施肥量平均为N:190g/ha和P:25kg/ha，外源输入的N:P比为7.6:1，只考虑秸秆碳转化效率，当地氮磷比并不是最佳的比例。

三、试验设计3：确定最优氮磷施用量

1、养分溶液

与“试验设计2”一致。

2、试验处理设置

将玉米秸秆的添加量设置为3.9kg^-1soil(全量还田)，相当于0～17.5cm土体7.1tha^-1的秸秆全部还田(土壤容重为1.11g/cm³)。氮肥施用量设置五个梯度调整氮素和磷素的施用量，以满足氮磷比为6.5:1。因此，共设置五个处理：120NP(120kg/haN和18.32kg/haP)、140NP(140kg/haN和21.53kg/ha P)、160NP(24.62kg/haN和18.32kg/ha P)、180NP(180kg/haN和27.69kg/haP)和200NP(200kg/haN和30.77kg/haP)。

3、室内培养试验

从采集的土壤样品中称取100g风干(土壤饱和含水量约8％)的土壤样品六份，放置250mL的玻璃瓶中；根据设置的氮磷施用量，分别向五个处理中加入对应的氮和磷溶液，然后在用pH为8.2的水进行补充，调整土壤样品含水量为土壤饱和含水量的50％。并进行充分混匀，用通气薄膜密封置于培养箱；将上述五份土壤样品在14.5℃下进行7天的预培养；预培养结束后，加入0.39g过60目筛(0.25mm)同位素标记的玉米秸秆，与培养土壤充分混匀，放置在培养箱中进行培养。

4、其余步骤均与“试验设计1”和“试验设计2”一致。

5、结果分析

在土壤含水量为最大土壤饱和含水量的50％及氮磷养分添加符合6.5:1的条件下，不同养分用量处理下土壤微生物碳利用效率如表3所示，土壤微生物碳利用效率与氮素施用量的关系如图5所示。

表3不同养分用量条件下土壤微生物碳利用效率

由表3可知，120NP处理下土壤微生物碳利用效率为0.4103，显著低于其它添加养分处理。140NP和160NP处理下土壤微生物碳利用效率显著高于其它处理，分别为0.4603和0.4567。180NP和200NP处理下土壤微生物碳利用效率并没有显著差异，分别0.4420和0.4366。

由图5可知，土壤微生物碳利用效率与氮素添加量呈现一元二次抛物线的关系，氮素施用量为164kg/ha时土壤微生物碳利用效率最高。

综上，对于西北干旱地区，在保持土壤含水量为土壤饱和含水量的50％，在秸秆全部还田的条件下，配施氮素和磷素分别为164kg/ha和25kg/ha时，秸秆碳转化为土壤微生物碳的效率最高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：先将秸秆粉碎后还田，然后向土壤中施入氮素和磷素，最后调整土壤含水量。

2.根据权利要求1所述的一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，其特征在于，所述秸秆粉碎至粒级为0.25mm。

3.根据权利要求1所述的一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，其特征在于，所述氮素和磷素的施入量之比为(6-7):1。

4.根据权利要求3所述的一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，其特征在于，所述氮素的施入量为164kg/ha，所述磷素的施入量为25kg/ha。

5.根据权利要求1所述的一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，其特征在于，所述调整土壤含水量为土壤饱和含水量的50％-70％。

6.根据权利要求5所述的一种秸秆还田配施水肥提高土壤微生物碳利用效率的方法，其特征在于，所述调整土壤含水量为土壤饱和含水量的50％。