利用微生物辅助玉米残渣还田作为改善土壤结构和提升养分水平的可持续策略

《Ecological Engineering》：Microbial-assisted corn residue return as a sustainable strategy for soil structural and nutrient enhancement

玉米秸秆不同管理策略对土壤机械及理化性质的影响研究表明，切碎秸秆结合微生物接种可显著改善土壤结构及肥力，堆肥处理（CRC和CRMC）在提升剪切强度、紧实度及有机质含量方面效果最优，主成分分析和随机森林模型揭示有机质是土壤质量提升的核心驱动因素，且与剪切强度、颗粒几何平均直径呈强相关性，为旱作农业可持续管理提供了科学依据。

　　本研究旨在探讨不同玉米秸秆管理策略对土壤机械和理化性质的影响。通过设置六种不同的处理方式，包括自然残留分解（NRD）、切碎秸秆直接还田（CRI）、切碎秸秆结合微生物接种（CRMI）、堆肥秸秆直接还田（CRC）、堆肥秸秆结合微生物接种（CRMC）以及无残留对照（CK），研究人员系统地评估了土壤的各项性质。这些性质包括剪切强度、紧实度、饱和含水量、颗粒几何平均直径、可蚀性因子、pH值以及有效氮、磷、钾和有机质含量。研究采用了单因素方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）、Mantel检验和随机森林模型等方法进行综合分析。

研究结果显示，切碎秸秆并结合微生物接种的处理方式显著改善了土壤的机械和理化性质。其中，涉及堆肥处理（CRC和CRMC）的实验组在剪切强度、紧实度和有机质含量方面取得了最为显著的提升。主成分分析进一步验证了CRC和CRMC处理组在土壤性质上的明显区分，突显了其对土壤特性产生的深远影响。随机森林分析则指出，有机质是推动土壤质量改善的最关键因素。Mantel检验表明，剪切强度、颗粒几何平均直径和有机质之间存在显著的正相关关系。研究结论认为，微生物接种的堆肥秸秆还田是一种有效改善干旱农业系统土壤健康的方法。该方法不仅为可持续土壤管理提供了可行路径，也为农业废弃物的高效利用和绿色农业转型提供了有价值的参考。

土壤质量是农业生产的基础，直接影响作物生长、农业产出的稳定性以及生态环境的健康。随着全球性挑战如气候变化和土地退化的加剧，提升土壤质量已成为确保农业可持续性和生态稳定性的关键议题。土壤的物理、化学和生物性质与作物生长和生态平衡密切相关，因此需要实施有效的土壤改良策略以提升其整体性能。当前，全球农业和生态研究领域对土壤质量的改善愈发重视，特别是在应对日益严峻的环境问题时，如气候变化、土地退化和水资源短缺，土壤质量的提升成为研究的重中之重。

从农业角度出发，土壤肥力——包括pH值、氮、磷、钾含量以及有机质——是衡量土壤生产力的重要指标。在农业机械领域，研究的重点则转向土壤的物理和机械性质，特别是剪切强度和紧实度，这些性质直接影响耕作性能，并指导农业设备的设计和开发。相比之下，生态研究更关注土壤结构，尤其是分形维数和可蚀性因子等指标。这些指标对于评估土壤和水的保持能力以及土壤侵蚀的易发性至关重要。土壤侵蚀不仅会导致肥力流失，还可能对生态系统和水资源造成严重影响。在干旱和半干旱地区，土壤的物理机械性质（如剪切强度和紧实度）、颗粒结构以及化学成分常常受到显著限制，这为农业生产带来了更大的挑战。因此，综合考虑多种土壤指标的土壤健康管理方法变得尤为重要，这不仅有助于提升农业生产力，也有助于保护生态系统的稳定性。

玉米作为全球最重要的粮食作物之一，其秸秆含有丰富的有机质，被视为一种重要的土壤改良资源。以往研究表明，将玉米秸秆切碎并直接还田能够有效改善土壤结构，提高土壤有机质含量，并促进微生物活动，从而增强土壤肥力和水分保持能力。秸秆还田已被证明能够显著增加土壤有机碳储量，提高土壤团聚体的稳定性，并增强土壤的持水能力。将秸秆转化为生物炭用于土壤改良不仅能够实现长期碳封存，还能显著改善土壤孔隙结构。然而，不同还田方法对土壤性质的影响机制，尤其是与耕作机械操作直接相关的机械性质，仍存在复杂性和不确定性。此外，自然分解过程是一种缓慢的途径，尤其在干旱和半干旱地区，这一问题更为突出。

随着微生物技术的进步，微生物接种在土壤改良中的应用受到广泛关注。作为一种有效的土壤改良工具，这些微生物能够加速有机质的分解，提高土壤肥力，并改善土壤结构。将秸秆处理与微生物应用相结合可能会产生协同效应，特别是在改善土壤结构和营养供应方面。例如，枯草芽孢杆菌能够增强土壤酶的合成和活性，并促进土壤有机质的积累，而黏质芽孢杆菌则分泌能够分解硅酸盐矿物的酶，释放钾、磷和硅等矿物营养。然而，现有的研究大多集中于单独评估秸秆处理或微生物接种的效果，缺乏对两者结合应用的综合性研究。此外，大多数研究从农业角度出发，关注秸秆还田对土壤理化性质和作物产量的影响，而对土壤机械性质以及生态指标（如剪切强度、水分保持能力、土壤颗粒几何形态和土壤侵蚀）的全面研究仍然较少。

因此，本研究旨在从农业、农业工程和生态学等多学科角度出发，全面评估不同秸秆管理策略与微生物接种对土壤性质的综合影响。为了实现高效的秸秆分解和土壤改良，本研究选用了一种复合微生物接种剂，其中包括有效微生物（EM）、枯草芽孢杆菌、乳酸菌属和黏质芽孢杆菌。研究设计并评估了六种不同的玉米秸秆处理方式，包括自然残留分解、切碎秸秆直接还田、切碎秸秆结合微生物接种、堆肥秸秆直接还田、堆肥秸秆结合微生物接种以及无残留对照。通过系统分析这些处理方式对土壤机械和理化性质的影响，研究试图揭示在这些处理条件下不同土壤特性之间的复杂关系，并进一步阐明秸秆管理与微生物接种结合时土壤改良的潜在机制。最终，本研究希望为土壤健康管理以及农业废弃物的资源利用提供科学依据，从而推动土壤质量的改善和农业的可持续发展。

实验地点位于中国内蒙古农业大学呼和浩特校区的试验农场，实验时间从2024年至2025年。该地区年均降水量为350至400毫米，主要集中在7月和8月。由于气候干旱，降水分布不均，导致呼和浩特地区的土壤含水量普遍较低，因此该地区成为研究水管理和土壤改良技术的理想场所。研究通过实地实验，观察和记录不同处理方式对土壤性质的具体影响，为后续的分析和结论提供可靠的数据支持。

研究结果表明，不同处理方式对土壤机械性质产生了显著影响。通过单因素方差分析可以发现，不同的玉米秸秆管理策略在土壤机械指标上表现出显著的差异，说明这些策略对土壤机械性质有重要的作用。特别是在涉及秸秆切碎和微生物接种的处理方式中，堆肥秸秆直接还田（CRC）和堆肥秸秆结合微生物接种（CRMC）的实验组在土壤机械性质方面表现尤为突出。这表明，在干旱地区，结合微生物接种的堆肥处理不仅能够有效改善土壤的结构和理化性质，还能够显著提升土壤的机械性能，为农业生产的可持续发展提供有力保障。

此外，研究还发现，土壤的机械性质和理化特性之间存在复杂的相互作用。通过主成分分析可以进一步确认，这些处理方式对土壤性质的影响具有明显的特征。例如，CRC和CRMC处理组在土壤的剪切强度、紧实度和有机质含量等方面表现出显著的提升，这表明在改善土壤质量的过程中，微生物接种的加入可以起到关键作用。Mantel检验的结果进一步表明，剪切强度、颗粒几何平均直径和有机质之间存在较强的正相关关系，这为理解土壤性质的改善机制提供了重要的线索。

研究的结论认为，结合微生物接种的堆肥秸秆还田是一种有效的土壤改良策略，特别是在干旱农业系统中。这种方法不仅能够提高土壤的机械和理化性质，还能够改善土壤的持水能力和抗侵蚀能力，为农业生产的可持续发展提供支持。通过本研究的分析，研究人员能够更全面地了解不同处理方式对土壤性质的影响，并为未来的研究和实践提供科学依据。同时，该研究也为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路，有助于推动绿色农业的发展。

本研究的作者贡献如下：马雪杰负责撰写原始稿件和概念设计；于智宏负责资金获取；苏强负责撰写和审阅修改；刘文航负责软件支持。作者声明不存在已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。本研究得到了中国国家自然科学基金（52265035）、内蒙古自治区自然科学基金（2022MS05049）以及内蒙古农业大学研究生科研创新项目（DC2400000900）的资助。同时，感谢匿名评审人员提出的建设性意见，帮助提高了本文的质量。