王明明，李峻成，沈禹穎

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學(xué)重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020)

土壤有機碳含量涉及陸地生態(tài)碳循環(huán)，是評價生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的基礎(chǔ)指標(biāo)之一[1-2]，土壤有機質(zhì)的形成、轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定性依賴于土壤微生物的活性，土壤微生物量碳、氮對土壤肥力的變化敏感，是土壤肥力和土壤健康評價的重要生物學(xué)指標(biāo)之一[3-6]。

我國黃土高原是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)力低，水土流失嚴(yán)重，土壤質(zhì)量退化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，通過適宜的基于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的管理措施，如草田輪作、保護性耕作等，可改善土壤肥力，促進土壤健康。 研究表明，保護性耕作提高了土壤有機碳含量，減少了CO2向大氣的釋放[7-10]，土壤微生物數(shù)量及活性均提高，微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性改善[11]。連續(xù)9年實施免耕+秸稈覆蓋能有效提高冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)表層土壤微生物量51.7%[12]，然而，保護性耕作措施對土地利用強度很高的2年3熟輪作系統(tǒng)的研究尚不多見。本研究以黃土高原西部玉米(Zeamays)-小麥(Triticumaestivum)-大豆(Glycinemax)輪作為對象，研究免耕與秸稈還田等措施對土壤不同形態(tài)碳、氮的影響，旨在闡明保護性耕作措施對土壤健康的提升與影響，其結(jié)果對于黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)山川秀美及富裕安康有積極的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 試驗地位于蘭州大學(xué)慶陽黃土高原試驗站(35°39′ N,107°51′ E)，海拔1 297 m。年平均氣溫8.0～10.0 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫為-22.4 ℃，>5 ℃年平均積溫3 446 ℃·d。無霜期平均為161 d，生長季255 d，年降水量480～660 mm，多集中在7-9月，年平均蒸發(fā)量1 504 mm。自然土壤為黑壚土，有機質(zhì)含量在1%以下，土壤含氮量低于0.1%，pH值為8.0～8.5。

1.2試驗設(shè)計 試驗開始于2001年，共設(shè)4個耕作處理: Ⅰ傳統(tǒng)耕作(t); Ⅱ傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋(ts);Ⅲ免耕(nt); Ⅳ免耕+秸稈覆蓋(nts)。每處理4個重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共16個小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×13 m。作物輪作序列為春玉米-冬小麥-夏大豆。

測試土壤采自2003年(水土保持耕作實施第3年)9月和2007年(水土保持耕作實施第7年)9月玉米作物收獲期，按0～5和5～10 cm利用土鉆分層取樣，每個小區(qū)取樣5次，混合。除去可見有機物，置4 ℃下保存，用于測定土壤微生物量碳和氮。另一部分土樣風(fēng)干，過0.25 mm篩，用于測定土壤全碳、有機碳(OC)和全氮。

1.3土壤全碳、有機碳和全氮的測定 土壤全碳采用燃燒法(德國產(chǎn)Liqui-TOC，Elementar燃燒溫度850 ℃)，土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤全氮采用凱氏定氮法。

1.4土壤微生物量碳和氮的測定 采用氯仿熏蒸提取法[13]。熏蒸所造成的碳增量FC乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)[KN(2.64)]，即得微生物量碳(Cmic，mg/kg) =2.64×FC；熏蒸土壤和未熏蒸土壤提取的氮含量之差(FN)除以轉(zhuǎn)換系數(shù)[KN(0.45)]，即得土壤微生物量氮(Nmic，mg/kg)=FN/0.45。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 用Microsoft Excel進行圖形制作和相關(guān)性分析，用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析，新復(fù)極差法對4個處理間各指標(biāo)進行平均數(shù)的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1保護性耕作下表層土壤全碳、有機碳及全氮含量的變化 實施保護性耕作7年后，0～5 cm層土壤全碳以免耕+秸稈覆蓋處理最高，免耕處理最低，而5～10 cm土層中則以耕作處理為高(表1)。與傳統(tǒng)耕作相比，耕作+秸稈覆蓋、免耕、免耕+秸稈覆蓋增加了土壤0～5 cm層有機碳含量22.9%、25.3%和42.6%，在5～10 cm層則分別增加了26.6%、13.3%和29.9%，特別是耕作+秸稈覆蓋處理下土壤有機碳的增加幅度比免耕下提高1倍，說明耕作使得秸稈被翻耕到下層，使前茬作物的根系分泌物等可均勻分布在耕層,促進了有機碳向下層積累，最終土壤有機碳含量增加[14]，免耕下土壤碳向表層聚集，這與張潔等[15]的研究結(jié)果一致,主要原因是免耕和秸稈覆蓋通過改善土壤溫度和濕度，提高秸稈分解速率，從而增加了土壤有機碳含量[16-17]。土壤有機碳對耕作處理的響應(yīng)比土壤全碳更敏感，在7年時間尺度下，免耕和秸稈還田有利于土壤有機碳含量的增加,秸稈覆蓋措施較單一免耕對土壤有機碳的增加能力更強，保護性耕作能夠有效提高土壤養(yǎng)分狀況，這點從免耕+秸稈還田處理下土壤易氧化,有機碳含量積累顯著并逐年升高的結(jié)論得到佐證[18]。黑壤中小麥-玉米-大豆輪作的土壤有機碳在少耕和免耕下，分別比多耕下提高150%和4.67%[19]，本研究從黑壚土所得到的結(jié)果進一步支持了這個結(jié)果。實施保護性耕作第7年，0～5 cm層土壤全氮含量在3種保護性耕作下分別比傳統(tǒng)耕作增加了43.9%、32.1%和14.4%，以免耕+秸稈覆蓋下最高；5～10 cm層土壤全氮含量與0～5 cm層表現(xiàn)一致，3種保護性耕作比傳統(tǒng)耕作分別增加了55.9%、30.3%和27.9%(表1)，這是因為旱地土壤免耕覆蓋后最顯著的變化就是土壤結(jié)構(gòu)變化，各級水穩(wěn)性團聚體增加，其中大團聚體數(shù)量增加顯著，增大了土壤對環(huán)境水、熱變化的緩沖能力，為植物生長，微生物活動創(chuàng)造良好生境[20]，加快了土壤氮循環(huán)，提高了土壤氮的有效性[21]。傳統(tǒng)耕作處理下土壤全氮、有機碳含量等降低，高強度的輪作加之傳統(tǒng)耕作因擾動頻繁加劇了土壤的退化，不利于土壤健康狀況。

土壤OC/N均介于6～9之間，各處理之間差異不顯著，隨著實施年限的延長，免耕+秸稈覆蓋處理下土壤OC/N下降，說明當(dāng)?shù)赝寥赖幱诳杀谎杆俚V化狀態(tài)，主要是因為耕作處理下土壤全氮含量較低，全碳含量較高，而免耕和覆蓋又顯著增加了土壤全氮含量所致。在免耕和秸稈覆蓋下微生物活性較高, 秸稈覆蓋為土壤微生物提供了充分的食物,有利于土壤微生物的生長,反過來土壤微生物又促進了秸稈的腐化降解[1]，加快了保護性耕作下有機物的周轉(zhuǎn)速率，滿足作物對氮的需求。

保護性耕作實施7年后，保護性耕作下土壤0～5 cm層有機碳較保護性耕作實施第3年平均增加5%，而傳統(tǒng)耕作下則降低6%，5～10 cm層則相應(yīng)增加了8.9%和降低了2.6%。0～5 cm層土壤全氮在傳統(tǒng)耕作、耕作+秸稈覆蓋、免耕、免耕+秸稈覆蓋下2007年較2003年增加5.1%、15.4%、25.6%和28.6%，5～10 cm則表現(xiàn)為減低4.0%，在3個保護性耕作下分別增加15.4%、15.4%和42.7%，說明土壤養(yǎng)分含量隨保護性耕作實施年限的增加而增加，而傳統(tǒng)耕作對土壤進行翻耕外加作物秸稈移出，導(dǎo)致表土暴露和土壤結(jié)構(gòu)的破壞，加速了土壤有機質(zhì)的分解,增加了土壤侵蝕和養(yǎng)分流失,免耕加覆蓋既減少了土壤的擾動又為土壤提供了外加碳源，促進了微生物活性，對于在作物系統(tǒng)中實現(xiàn)從碳源到碳匯的轉(zhuǎn)變有積極的意義[15]。

已有研究表明[22]，有豆科作物(或牧草)參與的輪作系統(tǒng)可有效改善土壤肥力狀況，如小麥- 豌豆輪作系統(tǒng)的土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷等指標(biāo)比小麥連作普遍增加，本研究采用的小麥-玉米-大豆2年3熟輪作系統(tǒng)，雖然利用強度很高，但由于輪作系統(tǒng)中包含豆類作物，因此隨輪作年限的延長，傳統(tǒng)耕作下土壤有機碳的下降并不顯著。

表1 保護性耕作實施不同階段表層土壤全碳、全氮及有機碳含量 mg/kg

2.2土壤微生物量碳、氮含量 0～5 cm層土壤微生物碳以免耕+秸稈覆蓋為最高，比傳統(tǒng)耕作處理下顯著提高21%(P<0.05)(表2)，主要是因為傳統(tǒng)耕作土壤頻繁擾動,通氣性增加,土壤團聚體易遭破壞,微生物與有機物的接觸面增大,從而使外加有機物和土壤原有有機質(zhì)的礦化分解要比免耕土壤強烈,相應(yīng)地土壤微生物量碳也較低[5]。秸稈覆蓋處理下，微生物可利用秸稈提供的碳源物質(zhì)進行自身繁殖，促進將有機秸稈碳同化為微生物量碳[23]，另一方面，秸稈覆蓋下土壤水分狀況得以改善，土壤濕度較高，研究表明在一定范圍內(nèi)土壤微生物量隨著土壤含水量的增加而增加[15,24]。免耕和秸稈覆蓋在夏季能降低地表溫度，在春冬季節(jié)有保溫作用，利于微生物的生長與繁殖。

5～10 cm層土壤微生物量碳表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋>傳統(tǒng)耕作>免耕+秸稈覆蓋>免耕，與土壤全碳含量表現(xiàn)出相同的趨勢，耕作更利于微生物量碳的積累，其原因是表層土壤能較好地與外界進行物質(zhì)與能量交換，進入土壤的有機物質(zhì)最先聚集于表層，土壤微生物因養(yǎng)分條件好而活動旺盛，有利于微生物的繁殖[25]。

0～5 cm層土壤微生物量氮含量在免耕、免耕+秸稈覆蓋和耕作+秸稈覆蓋處理下較傳統(tǒng)耕作分別增加了40.9%、39.6%和14.1%。5～10 cm土層中則為免耕+秸稈覆蓋下最高，免耕與耕作+秸稈覆蓋次之，比傳統(tǒng)耕作下分別增加了54.2%、40.3%和19.6%(表2)。免耕下土壤具有良好的結(jié)構(gòu)，覆蓋又減少了土壤氮素的揮發(fā)，而使土壤有效氮含量較高，此外，覆蓋秸稈補充的有機碳,為土壤微生物提供了一定碳源和能源,在增加土壤微生物數(shù)量的同時也增加了對氮的固持能力,從而使土壤微生物量氮有所提高[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，5～10 cm層微生物量氮高于0～5 cm層，而全氮含量卻相反，這可能是由于保護性耕作與傳統(tǒng)耕作相比，因土壤水分相對高，耕層土壤中氮向下淋溶，在底層累積所致[27]。

表2 保護性耕作實施7年后土壤微生物碳、氮含量

2.3土壤微生物量碳與有機碳及土壤微生物量氮與土壤全氮的相關(guān)關(guān)系 表層0～5 cm層土壤有機碳與微生物量碳呈顯著正相關(guān)，可以代表71%的微生物量碳，5～10 cm土壤有機碳與土壤微生物量碳呈弱正相關(guān)，有機碳僅解釋20%的微生物量碳(圖1)。土壤微生物量氮與土壤全氮表現(xiàn)出較好的正相關(guān)，0～5與5～10 cm的土壤全氮分別解釋了59%和64%土壤微生物量氮(圖2)。已有研究表明土壤微生物量碳與有機碳顯著正相關(guān)，土壤全氮與微生物量氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤微生物量碳氮是表征土壤肥力的敏感因子[28-29]，Brookes等[30]用20種土壤的研究表明，微生物量氮與土壤全氮有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95以上。樊麗琴等[5]研究表明保護性耕作實施早期，土壤微生物量碳、氮含量顯著提高，但土壤微生物量碳與土壤有機碳之間無明顯的相關(guān)性，可以認(rèn)為，本研究條件下短期尺度下土壤微生物量碳、氮是反映耕作變化的敏感指標(biāo)，中期尺度下，土壤有機碳足以敏感反映土壤健康狀況。

圖1 土壤微生物量碳與土壤有機碳的相關(guān)性

圖2 土壤微生物量氮與土壤全氮的相關(guān)性

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