土壤有机质、速效养分和微生物是农田耕层土壤循环系统的关键组分，其含量或数量对不同农业措施有不同的响应。秸秆焚烧作为对废弃秸秆常见的处理方法，是农田生态系统中一种常见的火干扰形式，土壤环境的物理、化学及生物特性可因火烧的加热及氧化等作用而改变^[1]，对农田小气候具有不容忽视的影响。目前我国对火干扰条件下土壤环境变化的研究多集中在草原与森林生态系统方面，而焚烧处理对农田土壤生物化学的效应研究较少。

秸秆作为农业生产系统中重要的副产品，具有较高的利用价值。伴随粮食增产，我国每年各类秸秆总产量达7亿t左右^[2]。近年来，随着科技进步和认识水平的提高，我国在作物秸秆的综合利用方面取得了较快的发展。但在小麦、玉米等作物的收获季节，秸秆焚烧现象仍然频发、多发，且呈现出逐年增多的趋势^[3]。目前对秸秆焚烧的报道和研究主要集中在对农田大气环境的影响方面，对土壤有机质、微生物及土壤养分的影响的研究较少。本研究通过设置不同小麦秸秆焚烧量，探究焚烧的即时效应，及玉米各生育期内秸秆焚烧对表层土壤有机质含量、微生物数量、速效养分含量的影响，以期为客观评价农田秸秆焚烧对土壤环境的影响提供科学理论依据。

试验样地位于陕西省三原县西北农科技大学三原试验站(108°52′E，34°36′N)，种植制度为冬小麦-夏玉米一年二熟轮作制。该地区位于关中平原中部，属于暖温带大陆性气候，年平均气温12.9 ℃，年平均降雨量526.5 mm。年日照时数2095 h，无霜期218 d左右。试验田土壤为半淋溶土纲中红油土，耕层土壤基本理化性状如下：pH 8.11，容重1.35 g/cm³，有机质、全氮含量分别为17.96、0.95 g/kg，速效钾、速效磷含量分别为185.36、8.36 mg/kg，粘粒28.7%，粉粒65.4%，砂粒5.9%。

试验于2013年6月中旬至2013年10月上旬进行。目前在关中平原地区存在3种小麦秸秆焚烧现象：(1)低茬收割后焚烧，秸秆随收割机移动平铺地表，秸秆量约为全量；(2)高留茬收割后焚烧，秸秆量约为全量的一半；(3)少量的人工收割后堆放焚烧，秸秆量为全量的1.5倍左右。因此本试验采用单因素随机设计，设置不同小麦秸秆焚烧量：空白对照(CK)，秸秆不焚烧，移出小区；减量焚烧(A1)，秸秆焚烧量为平均秸秆产量的50%(0.24 kg/m²)；全量焚烧(A2)，秸秆焚烧量为平均秸秆产量(0.48 kg/m²)；增量焚烧(A3)，秸秆焚烧量为平均秸秆产量的150%(0.72 kg/m²)。各试验小区面积为25 m²，每个处理重复3次，各处理间用田埂隔开，试验田周围设置宽2.0 m保护行。2013年6月12日进行小麦收割及秸秆焚烧。收割时留茬10 cm，焚烧秸秆前样地平整。将小麦秸秆均匀覆盖在小区土壤表面后进行焚烧。对秸秆残留较多的部分进行补充焚烧，以保证不同处理的秸秆焚烧完全。

夏玉米于2013年6月14日种植，品种为“农华50”，播种量约39 kg/hm²，行距60 cm，株距30 cm，玉米生育期内各小区田间管理保持一致，2014年10月8日收获玉米。施用肥料为普通尿素和磷酸氢二胺，施肥量，N180 kg/hm²(6月14日基肥、7月13日苗期追肥、8月20日喇叭口期追肥，施肥量分别为60、75、45 kg/hm²)，P₂O₅ 25 kg/hm²，作为基肥一次性施入(6月14日)。分别在拔节期和抽雄期各灌水50 mm，必要时进行人工除草。其他管理与当地措施保持一致。

试验共采集土样4次，时期分别为：秸秆焚烧完成1 d后(6月13日)、玉米苗期(7月10日)、玉米大喇叭口期(8月15日)和玉米成熟期(10月8日)。按S形采集土样，重复3次。用直径5 cm的土钻在各小区采取表层0—5 cm土样(样地未翻耕)，每个小区分10点采集，新鲜土样用于测定土壤微生物数量，风干土样用于测定土壤有机质含量和土壤全效、速效养分含量。

土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法(外加热法)^[4]。土壤微生物数量采用稀释平板法测定^[5]，真菌用马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)，放线菌用改良的高氏一号培养基，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基。土壤硝态氮和铵态氮用KCl浸提，AA3型连续流动分析仪进行测定。土壤速效磷测定采用0.5 mol/L NaHCO₃法，速效钾测定采用NH₄OAc浸提，火焰光度法^[4]。土壤全氮、全磷、全钾分别采用凯式定氮法、H₂SO₄-HClO₄消煮法、NaOH熔融法测定。

采用SPSS 18.0对数据进行方差分析和差异性检验，Origin 8软件绘制图表。

有机质转化分解产生的无机态养分是土壤速效养分的重要来源^[6]。由图 1可知，各时期土壤有机质(SOM)含量均表现出CK>A1>A2>A3的趋势。秸秆焚烧1 d后，相对于CK，A1、A2、A3的SOM含量分别降低11.0%、15.5%、22.1%。在玉米苗期，A1、A2、A3与CK相比分别降低8.8%、17.7%、24.4%。在焚烧1 d后和玉米苗期，CK与A1、A2及A3之间差异均达显著水平(P<0.05)。在玉米大喇叭口期，与CK相比A1、A2、A3的SOM含量分别降低12.3%、12.8%、15.2%。在玉米成熟期，与CK相比A1、A2、A3的SOM含量分别降低9.1%、10.7%、12.1%。在大喇叭口期与成熟期，A1、A2、A3与CK之间差异达显著水平(P<0.05)。

图 1 秸秆焚烧对土壤有机质的影响 Fig.1 Effect of straw burning on soil organic matter 不同字母分别表示差异达5%显著水平

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土壤微生物作为陆地生态系统中生物化学循环的重要组分，在土壤有机质的转化与分解、养分的形成与吸收等方面具有重要意义，是土壤环境变化的灵敏指标^[7]。由图 2—图 4可知，秸秆焚烧1 d后，与CK相比A1、A2、A3的微生物数量均显著降低(CK>A1>A2>A3；P<0.05)，其中真菌数量依次减少30.8%、45.6%、56.1%，细菌数量依次减少50.6%、65.6%、72.6%，放线菌数量依次减少46.9%、56.3%、68.3%。A1、A2、A3之间差异达显著水平(P<0.05)。在玉米苗期，A1、A2、A3与CK相比，真菌数量依次降低8.9%、13.2%、15.5%，细菌数量依次降低12.6%、17.5%、22.2%，放线菌数量依次降低9.4%、12.4%、14.0%，CK与A1、A2、A3之间均呈差异显著水平(P<0.05)。焚烧处理之间，A1分别与A2和A3间呈显著差异(P<0.05)。在玉米大喇叭口期和成熟期，CK与A1、A2、A3均无显著性差异(P>0.05)。

图 2 秸秆焚烧对土壤真菌数量的影响 Fig.2 Effect of straw burning on fungus

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图 3 秸秆焚烧对土壤细菌数量的影响 Fig.3 Effect of straw burning on bacteria

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图 4 秸秆焚烧对土壤放线菌数量的影响 Fig.4 Effect of straw burning on actinomyces

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秸秆焚烧1 d后，各处理的土壤全效养分含量如表 1所示，秸秆焚烧使表层土壤全效养分含量获得不同程度的增加。A1、A2、A3与CK相比，全磷含量分别增加6.5%、10.4%、12.9%，全钾含量分别增加4.6%、12.6%、18.1%，全氮含量分别增加2.6%、6.6%、13.2%。除A1的全氮含量与CK间差异不显著外，各全效养分在不同处理间均表现出显著差异(P<0.05)。

磷是作物生长、发育和生理活动必须的营养元素之一，与土壤有机质的分解关系密切，在评价土壤供磷能力及磷肥施用状况等方面具有重要意义^[8]。由图 5可知，各时期土壤速效磷含量均呈现出A3>A2>A1>CK的趋势，各处理间差异达显著水平(P<0.05)。秸秆焚烧1 d后，A1、A2、A3的速效磷含量分别比CK增加9.8%、28.3%、39.1%，在玉米苗期，A1、A2、A3分别比CK增加13.4%、23.8%、37.4%，在玉米大喇叭口期，A1、A2、A3分别比CK增加14.9%、30.7%、35.5%，在玉米成熟期，A1、A2、A3分别比CK增加24.5%、27.2%、36.0%。

图 5 秸秆焚烧对土壤速效磷含量的影响 Fig.5 Effect of straw burning on available phosphorus

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作物生长对钾的吸收量很大，钾元素参与作物生长发育的诸多过程，在作物稳产、高产和提高粮食品质等方面意义重大。由图 6可知，各时期土壤速效钾含量均呈现出A3>A2>A1>CK的趋势。秸秆焚烧1 d后，A1、A2、A3处理的土壤速效钾含量分别比CK增加13.2%、19.9%、39.1%，在玉米苗期，A1、A2、A3分别比CK增加13.1%、18.3%、41.9%，在玉米大喇叭口期，A1、A2、A3分别比CK增加4.0%、13.9%、24.5%，在玉米成熟期，A1、A2、A3分别比CK增加6.9%、20.4%、33.1%。各时期不同处理间差异均达显著水平(P<0.05)。

图 6 秸秆焚烧对土壤速效钾含量的影响 Fig.6 Effect of straw burning on available potassium

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硝态氮和铵态氮是土壤中速效氮素的主要形式，又是表征土壤氮素供应水平的重要指标^[9]。由图 7可知，各时期土壤铵态氮含量均表现出A3>A2>A1>CK的趋势。秸秆焚烧1 d后，A1、A2、A3处理的土壤铵态氮含量分别比CK增加8.6%、17.9%、38.7%，各处理间呈显著差异(P<0.05)。在玉米苗期，A1、A2、A3分别比CK增加7.0%、18.0%、21.4%，A2、A3分别与A1和CK间均呈显著差异(P<0.05)。在玉米大喇叭口期，A1、A2、A3分别比CK增加8.0%、24.4%、36.9%，各处理间均呈显著差异(P<0.05)。在玉米成熟期，A1、A2、A3分别比CK增加5.9%、21.9%、32.7%，CK、A1分别与A2和A3间呈差异显著水平(P<0.05)。

图 7 秸秆焚烧对土壤铵态氮含量的影响 Fig.7 Effect of straw burning on ammonium nitrogen

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由图 8可知，各时期土壤硝态氮含量均表现出A3>A2>A1>CK的趋势。秸秆焚烧后，A1、A2、A3处理的土壤硝态氮含量分别比CK增加1.4%、5.9%、9.2%，A1、CK分别与A2和A3间呈显著差异(P<0.05)。在玉米苗期，A1、A2、A3分别比CK增加7.3%、23.4%、31.9%，在玉米大喇叭口期，A1、A2、A3分别比CK增加11.0%、19.2%、27.3%，在玉米成熟期，A1、A2、A3分别比CK增加10.0%、18.8%、30.6%。在玉米苗期、大喇叭口期和成熟期，各处理间差异均达显著水平(P<0.05)。

图 8 秸秆焚烧对土壤硝态氮含量的影响 Fig.8 Effect of straw burning on nitrate nitrogen

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本研究表明，表层土壤中有机质含量在秸秆焚烧后(1 d)显著降低(SOM含量平均降低16.2%)，降低幅度随焚烧量增多而增大。在玉米苗期、大喇叭口期和成熟期，焚烧处理的平均有机质含量相对于焚烧初期有所恢复(平均恢复5.6%)，其中以A3处理的恢复速率最大(A3>A2>A1)。这与土壤样品中混有未完全分解的根茬有关。焚烧量越大，残茬剩余量越少，因此火后(1d)A3处理的土壤有机质含量最低。经过玉米生育期，在微生物的作用下，土壤中残留的根茬分解趋于完全，各处理的有机质含量的差异减小，所以A3处理的有机质含量随着玉米生育期进程的变化幅度最大。

秸秆焚烧后(1 d)土壤微生物数量随焚烧量的增加而显著减少。焚烧处理的土壤微生物数量(真菌、细菌和放线菌)平均减少54.7%。由秸秆焚烧产生的热辐射使表层土壤温度迅速升高，达到乃至超过大多数微生物的致死温度(70 —80℃)，造成微生物大量死亡^[10]。与有机质含量的变化相类似，火后土壤微生物数量表现不同程度的恢复。在玉米大喇叭口期和成熟期，各处理的微生物数量与CK间已无显著差异。这表明经过火后数月时间，土壤微生物数量基本恢复到了与CK相当的水平，其中细菌数量的恢复速率最快。Fritze等^[11]研究发现火后土壤微生物数量恢复到正常水平需要12—15a，本研究结果与之不一致，这与火烧强度以及火后植被状况等试验条件的不同有关。秸秆焚烧在杀死微生物的同时产生了利于微生物代谢繁殖的条件，如对不同养分的竞争程度减少，土壤中水溶性化合物含量的增加，为残留和新进入土壤的微生物提供了利于代谢的化合物，促进微生物繁殖^[12]。细菌对水溶性化合物具有更强的利用能力，因而其恢复速率最快^[12]。同时，伴随玉米生长发育，其根系分泌物增多，改善微生物生存环境，为微生物繁殖与代谢提供了碳源和能源^[13]。

秸秆焚烧对土壤速效磷、钾的即时效应表现为二者含量获得不同程度增加(平均增量分别为9.73%、19.0%)，增加幅度呈现出A3>A2>A1>CK的趋势。灰渣的富集是火后土壤养分水平升高的主要原因。秸秆焚烧后生成的灰渣中含有大量P、K等阳离子及其氧化物，使土壤中速效磷、钾含量迅速增加。同时，秸秆灰渣提升土壤pH，使土壤阳离子交换能力增强^[12]；此外，土壤中部分有机态的磷和钾养分受热分解成无机态(如有机态的磷转化为植物可利用的正磷酸盐)，也为速效磷及速效钾含量增加提供了有利条件。土壤中磷和钾具有较高的挥发温度(>700℃)，小麦秸秆焚烧的火烧强度相对较小，所以二者在焚烧过程中损失很少，伴随速效磷、钾含量水平的升高，全效磷和全效钾含量也表现出增多的趋势。与火后速效P、K变化原因有所不同的是，秸秆灰渣中无机氮含量较少，土壤铵态氮和硝态氮含量增加的主要原因是火烧驱使土壤氮由有机态向无机态的分解作用加强。秸秆灰渣中含有较多的有机氮，为火后土壤无机氮的生成提供了丰富的氮源。因受热而死亡的土壤微生物的残体也会向土壤释放出部分无机氮^[14]。虽然土壤氮的挥发温度相对较低(200℃)，但小麦秸秆焚烧过程持续时间较短，土壤水分未完全蒸发，而水分的存在抑制了土壤温度的升高^[15]，土壤氮的挥发量较小。因此，在加热与灰渣富集共同作用下全氮含量获得增加，这与Schoch等^[16]研究结果相似。秸秆焚烧量增大，火后生成的灰渣量随之增多，P、K离子的富集程度升高，为无机氮的生成提供有机氮源的能力增强，同时土壤中由有机态转化生成的无机养分增多，因而焚烧后(1 d)土壤全效和速效养分含量的增加幅度随焚烧量的增加而增大。

本研究中，在玉米各生育期焚烧处理的速效养分含量始终高于CK，但差异的变化规律不明显。如焚烧处理的速效K的平均含量与CK间的差异呈现出先减小再增大的趋势，铵态氮则呈现减小、增大、再减小的趋势。其原因是本试验研究时期较短，淋溶和降雨过程对土壤速效养分进行再分布的作用较小，而地表植物生长对速效养分含量变化的影响较大。在玉米苗期和大喇叭口期，对速效钾的需求量较大，导致焚烧处理与CK间的差异有所减小，而在成熟期出现增加。这与Limon-Ortega等^[17]对焚烧后玉米生育期内土壤养分的研究及Hernández等^[18]对火后9个月内土壤化学性质变化的研究结果相似。

本研究条件下，土壤有机质含量和微生物数量在小麦秸秆焚烧作用下显著降低，而土壤全效和速效氮、磷、钾含量则显著增加，且各指标变化幅度随秸秆焚烧量的增加而增大。在玉米生育期内，焚烧处理的有机质含量和微生物数量得到不同程度的恢复，其中细菌的恢复速率最快；焚烧处理显著增加了土壤中速效养分(速效P、速效K、硝态N、铵态N)的含量。鉴于焚烧秸秆对土壤生物化学特性影响的复杂性，焚烧对土壤有机质、微生物和养分含量的影响还需进行更长时间跨度的田间定位试验来探讨。

致谢：王钰、施明新参与田间试验工作,姬强帮助写作,特此致谢。