龐 緒，何文清，* ，嚴(yán)昌榮，劉恩科，劉 爽，殷 濤

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081;2.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點開放實驗室，北京 100081)

土壤微生物是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的動力，土壤微生物量是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中一個重要的活性庫或源，對土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分的有效性及在陸地生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)產(chǎn)生深刻的影響。土壤微生物生物量碳(SMBC，也稱土壤微生物量碳)被用作評價土壤肥力和土壤質(zhì)量早期變化的有效指標(biāo)［1-3］。國內(nèi)外研究表明:農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物量碳的變化直接或間接地受溫度和水分兩大環(huán)境因子的控制，由于不同耕作措施輸入的有機質(zhì)數(shù)量不同和對土壤的擾動程度不同，改變了土壤的溫度、水分環(huán)境因素和土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而影響到土壤微生物量碳含量及其在各土層中的分布，Sugihara等研究表明土壤含水量是土壤微生物量碳季節(jié)變化的主要限制因子［4］，而Ross在新西蘭的草地和牧場上的研究表明土壤水分與土壤微生物生物量之間呈負(fù)相關(guān)，土壤水分和溫度短期的波動會影響微生物生物量中碳含量［5］。Verburg等發(fā)現(xiàn)較高土壤溫度下微生物活性增強［6］，Domisch等則得到相反的結(jié)論，當(dāng)土壤溫度較高時，泥炭土壤中微生物生物量碳呈降低趨勢［7］，Arunachalam等研究表明土壤微生物群體在溫度和濕度較低時較小，在雨季達(dá)到峰值［8］。國內(nèi)就不同耕作措施下土壤微生物量碳在作物生育期間動態(tài)變化與其環(huán)境因子關(guān)系研究較少［9-12］，研究耕作措施對土壤微生物量碳的影響對于土壤管理具有重要意義。為此本試驗依托國家旱農(nóng)試驗基地自2003年4月開始的保護(hù)性耕作長期定位試驗，對長期采用不同耕作措施后土壤的微生物量碳的動態(tài)變化以及土壤水熱動態(tài)變化進(jìn)行了研究，旨在為北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的有效運用提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)在農(nóng)業(yè)部壽陽旱作農(nóng)業(yè)重點野外科學(xué)觀測試驗站，位于山西省壽陽縣宗艾鎮(zhèn)，地理位置為北緯37°51'，東經(jīng)113°05'，海拔1130 m，屬中緯度暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度7.4℃，年降雨量474 mm，年蒸發(fā)量1 714 mm。保護(hù)性耕作長期定位試驗始于2003年一直到2011年。土壤為褐土，輕壤。

試驗設(shè)3個耕作處理:(1)全量秸稈還田(ASRT)，作物收獲后，利用機械將全部秸稈直接翻耕到0—20 cm的土壤中，次年春天機械淺耙鎮(zhèn)壓后人工播種，秸稈量為300—400kg/666.7m2左右;(2)免耕秸稈覆蓋，作物收獲后，將全部秸稈直接覆蓋在農(nóng)田表面，翌年春天人工免耕播種;(3)常規(guī)耕作，作物收獲后將全部秸稈移出，然后在冬前進(jìn)行機械深翻，深度為20 cm左右，第2年春天機械淺耙鎮(zhèn)壓后人工進(jìn)行播種。

每個處理設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)面積為10 m×8 m=80 m2。一年一熟，種植作物為春玉米，品種為強盛31號，施純氮75kg/hm2，P2O575kg/hm2，所有肥料均作為基肥在播種時施入，2011年5月1日播種，2011年10月9日收獲。

1.2 取樣方法

分別在玉米苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期進(jìn)行田間取樣，用土鉆按0—5、5—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm層次采集土壤，每個小區(qū)各層行間隨機采集5點混勻，3次重復(fù)。土樣帶回實驗室除去植物殘體和石塊過2 mm篩，于小于4℃冰箱中儲存或直接測定土壤微生物量碳。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤微生物量碳的測定

土壤微生物量碳采用Jorgensen和Mueller［13］及Vance等［14］的氯仿熏蒸K2SO4浸提法，浸提液中的微生物量碳采用K2Gr2O7加熱氧化，F(xiàn)eSO4滴定法。每個土樣重復(fù)3次測定，稱取相當(dāng)于烘干土重20 g濕土，放入100 mL的小燒杯中，連同盛有60 mL左右無酒精氯仿的小燒杯(里面放入少量抗暴沸磁片)，一起放入真空干燥器內(nèi)，真空干燥器底部加入少量水和稀堿(1 mol/L NaOH)。用真空泵抽成真空，使氯仿沸騰，并持續(xù)3 min，關(guān)閉真空干燥器的閥門，將真空干燥器放入25℃的暗室中，保持24 h。熏蒸結(jié)束取出氯仿，除盡干燥器底部的堿，再用真空泵反復(fù)抽氣，直到土壤聞不到氯仿味為止。然后加入80 mL 0.5 mol/L K2SO4提取液保持土水比為1∶4，在往復(fù)式震蕩其中震蕩(300r/min)提取30min，迅速用中速濾紙過濾，濾液立即測定。在熏蒸開始時，取等量的土壤用80ml 0.5 mol/L K2SO4溶液浸提。土壤微生物量碳Bc(mg/kg)=Ec/Kc，式中Ec為熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液的碳含量差值，Kc為轉(zhuǎn)化系數(shù)等于0.38［14-15］。

1.3.2 土壤有機碳的測定

土壤樣品在干燥通風(fēng)處自然風(fēng)干，前處理后研磨過100目篩，用重鉻酸鉀容量法測定有機碳含量［16］。

1.3.3 土壤溫度的測定

采用HIOKI3633溫度儀連續(xù)測定土壤埋深5、15cm和25cm處土壤溫度，每30min測定1次，數(shù)據(jù)采集儀自動記錄，所得數(shù)據(jù)按不同層次平均。

1.3.4 土壤水分的測定

土壤含水量使用時域反射儀(TDR)測定，每 15d 測定1 次，測定深度分別為:20、40、60、80、100、120、140、160、180cm，每次降雨以后加測1次。

作物生育期內(nèi)土壤貯水量根據(jù)如下公式計算:

式中，H為土壤貯水量，單位為mm，Qi為第i層土壤體積含水量，用(%)表示，hi為第i層土壤厚度，單位為cm，i為測土壤體積含水量時的層序，i從 1到 9分別表示土壤深度為 0—20，20—40，40—60，…，160—180 cm。

1.3.5 土壤緊實度的測定

土壤緊實度采用SC900土壤緊實度儀(美國)測定2.5、5、7.5、…、45cm處土壤緊實度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施下土壤水分、溫度、緊實度動態(tài)變化

2.1.1 不同耕作措施下土壤水分動態(tài)

免耕覆蓋與全量還田處理均明顯的提高不同深度的土壤含水量(圖1)。在玉米生育區(qū)內(nèi)，土壤含水量呈上升趨勢，前期(5—6月份)降雨較少土壤含水量低，后期(7—9月份)降雨量多土壤水分含量高，尤其是7月份降雨量144mm、9月份降雨量110mm。除灌漿期表層土壤水量大于底層以外，其余各時期，表層土壤都低于底層，這主要是旱區(qū)總降雨量少土壤表面蒸發(fā)的結(jié)果，免耕覆蓋與秸稈還田可以有效的減少土壤表面蒸發(fā)提高表層土壤含水量。在降雨較少的播前與苗期(5—6月份)，免耕覆蓋與秸稈還田處理0—180 cm土壤水貯量顯著高于常規(guī)耕作處理。

免耕覆蓋處理顯著提高了耕層(0—20 cm)土壤含水量，播前和苗期較常規(guī)耕作平均提高了17%，這有助于玉米的出苗，在拔節(jié)、灌漿至成熟期比常規(guī)耕作提高了20%以上，特別是灌漿期比常規(guī)耕作提高了30%。全量還田處理下耕層(0—20 cm)由于翻耕而疏松，秸稈分散在該土層，較常規(guī)耕作土壤含水量高，但保水效果低于免耕覆蓋處理。在20—100 cm土層范圍內(nèi)，全量還田處理下土壤含水量在播前、苗期、拔節(jié)期和成熟期明顯大于免耕覆蓋處理。

2.1.2 不同耕作措施下土壤溫度動態(tài)變化

不同耕作措施顯著影響土壤的溫度，尤其在玉米前期。3種耕作措施下表層5、15cm以及耕層下25cm處日平均溫度的變化趨勢大體相同，且與氣溫之間的變化情況一致，前期溫度低，隨著生育期遞進(jìn)開始升高，到后期又降低(圖2)。在苗期表層不同耕作措施對土壤溫度的影響差異達(dá)到顯著水平，5cm處常規(guī)耕作處理日平均溫度最高，達(dá)19.44℃，全量還田處理次之，為18.76℃，免耕覆蓋最低，為18.12℃，免耕覆蓋和全量還田處理平均溫比常規(guī)耕作分別低1.32℃和0.69℃，15cm處免耕覆蓋和全量還田比常規(guī)耕作分別低1.34℃和0.9℃，25 cm處免耕覆蓋和全量還田處理比常規(guī)耕作分別低1.57℃和0.19℃，因此在苗期免耕覆蓋與全量還田處理有“降溫效應(yīng)”。隨著生育期的推進(jìn)，大氣溫度升高各處理間差異逐漸變小，拔節(jié)期、灌漿期各處理之間沒有顯著性差異。到成熟期大氣溫度開始降低，各耕作處理之間差異又開始變大，此時全量還田處理具有一定的“增溫作用”。

圖1 不同耕作措施下土壤含水量變化Fig.1 Soil volumetric moisture content under different tillage practice

2.1.3 不同耕作措施下土壤緊實度變化

土壤的緊實度是反映土壤物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，也是土壤微生物量一個重要的影響因素。研究結(jié)果顯示(圖3)，不同耕作措施下不同層次和不同時期土壤緊實度存在較大的差異。播前，耕層(0—20cm)土壤緊實度以免耕覆蓋處理最高，平均為1240 kPa，全量還田與常規(guī)耕作分別為350 kPa和540 kPa，隨著土壤深度的增加，土壤緊實度逐漸增加，在20—45cm土層，全量還田與常規(guī)耕作處理土壤緊實度均較表層土壤明顯增大，常規(guī)耕作處理最高，為1 800 kPa。玉米生育期內(nèi)，耕層(0—20cm)土壤緊實度大小依次為，免耕覆蓋＞常規(guī)耕作＞全量還田，20—45 cm表現(xiàn)為常規(guī)耕作＞全量還田＞免耕覆蓋。玉米收獲時，耕層(0—20cm)土層緊實度仍以免耕覆蓋處理最高，但是處理間差異不顯著，20—45cm土壤緊實度表現(xiàn)為常規(guī)耕作＞全量還田＞免耕覆蓋。

因此免耕覆蓋措施對土壤緊實度的影響主要表現(xiàn)在表層，對深層的土壤結(jié)構(gòu)是具有一定的改善作用，常規(guī)耕作措施主要是表層土壤的疏松措施較多，故表層土壤緊實度較小，深層土壤緊實度由于壓實而增高。

圖2 不同深度土壤溫度動態(tài)變化(2011)Fig.2 Soil temperature dynamics at 5 cm，15cm and 25cm depths(2011)

2.2 不同耕作措施對土壤有機碳的影響

土壤有機碳是土壤系統(tǒng)中重要的功能物質(zhì)，具有穩(wěn)定和改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤持水性，減少土壤侵蝕，為作物提供碳源，提高產(chǎn)量的功能。研究結(jié)果顯示(表1)，不同耕作措施下土壤有機碳含量表現(xiàn)出一定規(guī)律性。不同層次間有機碳含量差異明顯，0—20 cm土層內(nèi)，NTSM處理下有機碳含量隨著土層深度增加逐層遞減，ASRT和CT處理下SOC在0—20cm內(nèi)無顯著差異，20cm以下逐層遞減。與CT處理相比，0—5cm內(nèi)，ASRT處理下SOC含量提高3.6%，NTSM顯著提高24.8%;5—10 cm內(nèi)，NTSM處理下SOC含量顯著提高15.3%，ASRT處理下增加4.2%，NTSM處理下SOC含量顯著高于ASRT處理;10—20cm內(nèi)，ASRT處理下SOC含量提高5%，NTSM處理下SOC含量顯著提高10%。20—60cm內(nèi)，3種處理下SOC含量趨于一致，無顯著差異。

圖3 不同耕作措施對土壤緊實度的影響Fig.3 The soil compaction in different tillage treatments

表1 不同耕作措施對土壤有機碳含量的影響Table 1 Effect of tillage practices on soil organic carbon/(g/kg)

2.3 不同耕作措施下土壤微生物量碳的變化

土壤微生物量碳的多少反映了土壤同化和礦化能力的大小，是土壤活性大小的標(biāo)志。土壤微生物量碳對不同的耕作制度表現(xiàn)極為敏感［17-18］。研究結(jié)果表明(表2)，所有處理的土壤微生物量碳在玉米生育期內(nèi)皆表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即隨著生育期的推進(jìn)，土壤微生物量碳首先迅速上升，在玉米生育高峰期即拔節(jié)期達(dá)到高峰，然后逐漸下降趨于平緩。不同耕作措施下土壤微生物量碳隨土壤深度呈遞減的趨勢。

表2 不同耕作措施下的土壤微生物量碳/(mg/kg)Table 2 Soil microbial biomass under different tillage

耕層(0—20 cm)免耕覆蓋處理各生育期顯著高于傳統(tǒng)耕作與全量還田處理，全量還田處理顯著高于傳統(tǒng)耕作處理;20 cm以下土層在苗期與拔節(jié)期各處理之間差異不顯著，在灌漿期免耕覆蓋顯著高于全量還田與傳統(tǒng)耕作，全量還田與傳統(tǒng)耕作之間無顯著差異，在成熟期免耕覆蓋與全量還田處理無顯著差異，兩個處理均顯著高于傳統(tǒng)耕作處理。

不同耕作處理顯著影響土壤微生物量碳的含量與分布，免耕覆蓋處理下土壤表層微生物量碳在苗期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期分別比傳統(tǒng)耕作處理高70%、40%、85%和30%，全量還田處理分別比傳統(tǒng)耕作處理高出10%、20%、15%和15%，總體上不同耕作處理在耕層對土壤微生物量碳影響顯著，耕層以下影響不顯著。

表3 土壤微生物量碳、有機碳、水分、溫度、緊實度之間相關(guān)分析Table 3 Correlation between soil microbial biomass carbon and soil organic carbon，soil volumetric moisture content，soil temperature and soil compaction

3 討論

免耕覆蓋與全量還田處理可顯著提高各土壤層次的體積含水量，起到明顯的蓄水保墑作用，在玉米前期降雨量少有助于玉米的生長，在生育后期隨降雨的增多，免耕覆蓋與全量還田儲存更多的土壤水。免耕覆蓋能夠提高土壤含水量，主要是由于免耕秸稈覆蓋，在作物播種期可以減少表層水分蒸發(fā)，顯著增加表層土壤含水量，起到明顯的保水保墑作用。但隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，作物覆蓋度增加，蒸騰作用在蒸散量中占據(jù)主導(dǎo)地位，秸稈覆蓋的抑蒸效果逐漸減弱，這時也是降雨最多的時期(7—9月)，免耕覆蓋處理蓄水能力較常規(guī)耕作顯著高，這是因為免耕覆蓋由于其土壤結(jié)構(gòu)較好，有利于土壤上下層的水流運動和氣體交換，而常規(guī)耕作處理深層土壤緊實度較大，蓄水性能低［19］。不同耕作措施對溫度的影響主要體現(xiàn)在前期，免耕覆蓋與全量還田處理在玉米前期有顯著的“降溫效應(yīng)”，全量還田在后期大氣溫度降低后具有“增溫作用”。免耕覆蓋處理在玉米苗期平均降低1.32℃，全量還田處理降低0.69℃，其原因可能是秸稈覆蓋能在土壤表面形成一道物理阻隔層，攔截和吸收太陽輻射，阻礙土壤與大氣間的水熱交換，土壤溫度日變化平緩。土壤溫度的降低可能會降低土壤礦化，有利于有機質(zhì)積累，但是溫度的降低不利于微生物的生存。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物量碳在作物生育期內(nèi)動態(tài)變化主要受環(huán)境條件(干濕、氣溫)和植物生長等因子的綜合影響。植物和微生物的許多生命活動需要水分的參與，微生物產(chǎn)生的胞外酶和有機物的擴(kuò)散都需要在液相中進(jìn)行，因此當(dāng)含水量低時會降低微生物的移動導(dǎo)致微生物量的減少，而當(dāng)土壤含水量過高時，土壤大孔隙則會充滿水，此時氧氣的擴(kuò)散就會受到抑制不利于微生物的活動也會降低微生物的量。有不少研究者曾嘗試將土壤水分與土壤微生物量之間的關(guān)系數(shù)量化。李香真沿著水分梯度采集了蒙古高原不同草原類型表層土壤樣品144個，分析了土壤微生物量C、N含量及其與年平均溫度和降雨量的關(guān)系，結(jié)果表明蒙古高原草原土壤微生物量碳與降雨量表現(xiàn)出了很好的相關(guān)性［20］。微生物的生命活動都是由一系列生物化學(xué)反應(yīng)組成的，而這些反應(yīng)受溫度影響又極其明顯，故溫度成了影響微生物生長繁殖的重要因素之一，土壤中微生物需要的溫度范圍在25—34℃之間，因此土壤溫度影響有機質(zhì)的積累與分解，養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和水氣運動等。但有關(guān)溫度對微生物生物量碳影響的結(jié)論各不相同［21］，Verburg等發(fā)現(xiàn)較高土壤溫度下微生物活性增強［6］，Domisch等則得到相反的結(jié)論，當(dāng)土壤溫度較高時，泥炭土壤中微生物生物量碳呈降低趨勢［7］，Joergensen等認(rèn)為，除土壤溫度的間接作用外(如影響植物生長)，只有當(dāng)其處于較低(低于6℃)或較高(35℃以上)的情況下，才會對土壤微生物生物量產(chǎn)生大的影響，成為土壤微生物活動的主要限制因子，引起微生物生物量碳的大幅度下降［22］。本研究中，微生物量碳與水分的相關(guān)性極顯著，因此可以說免耕覆蓋與全量還田處理顯著提高土壤水分有助于土壤微生物量碳含量的提高。土壤微生物量碳與溫度的相關(guān)性顯著(表3)，表明土壤微生物量碳隨土壤溫度升高而變大。土壤微生物量隨季節(jié)性變化與有機物的供應(yīng)和植物生長狀況及溫、濕等環(huán)境因素有關(guān)，多年免耕覆蓋使表層土壤緊實度增加，致使玉米在耕層的根系更加發(fā)達(dá)。

各生育期免耕覆蓋的表層土壤微生物量碳都高于傳統(tǒng)耕作，是由于土壤微生物以異養(yǎng)型種群為主，其生命活動過程需要消耗一定的能量，免耕不擾動土層，植物殘體主要積累在表土層中，相應(yīng)地可供微生物維持生命活動的能量充足。同時連續(xù)免耕使土壤耕層變淺，植物根系多集中分布于表土層，根的殘茬及大量的低分子量的根系分泌物也加劇了土壤微生物的繁衍，使其生命活動旺盛，土壤微生物量碳與土壤水分、溫度之間存在顯著的相關(guān)性(表3)。而傳統(tǒng)耕作條件下，土壤受到頻繁擾動，通氣性增加，土壤團(tuán)聚體易遭破壞，微生物與有機物的接觸面增大，從而使土壤原有有機質(zhì)礦化分解，相應(yīng)地土壤微生物量碳也較低。全量還田處理經(jīng)過翻耕處理秸稈均勻分散在耕層，能夠提高表層的有機質(zhì)含量而且比傳統(tǒng)耕作保水效果高，土壤微生物量碳高，這與前人研究結(jié)果基本一致［23-27］。土壤微生物量碳在整個生育期的動態(tài)變化是:首先迅速上升，在玉米生育高峰期(拔節(jié)期)達(dá)到最高峰，然后開始下降，成熟期趨于平緩，與前人研究相似在拔節(jié)期土壤溫度也是整個生育期最高時段［28］，土壤含水量也是伴隨著降雨量急劇升高，環(huán)境因子的改善與土壤微生物量碳的增加表現(xiàn)出一致性。土壤微生物量碳的動態(tài)變化同樣與作物生長有著一定關(guān)系，隨著玉米生育期的推進(jìn)土壤微生物量碳急劇增加，土壤微生物量碳在拔節(jié)期達(dá)到高峰期正是玉米生育的旺盛時期，該時期是土壤釋放易吸收可利用養(yǎng)分最多時期，又是作物吸收養(yǎng)分最多時期，微生物量碳的增加有利于碳和氮的轉(zhuǎn)化與循環(huán)。玉米生育后期，根系的分泌物和死亡的根是微生物豐富的能源物質(zhì)，微生物量碳維持在一定的水平上。

4 結(jié)論

免耕覆蓋與全量還田處理顯著提高土壤含水量，與常規(guī)耕作相比表層土壤體積含水量在玉米苗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期分別高出18%、22%、29%、21%和3%、10%、12%、13%，具有保水保墑的作用。土壤溫度隨大氣溫度變化在拔節(jié)期達(dá)到生育期內(nèi)最高溫度隨后開始下降，苗期不同耕作措施對土壤溫度的影響達(dá)到顯著水平，其中免耕覆蓋具有降溫作用，5 cm處免耕覆蓋、全量還田與常規(guī)耕作處理土壤溫度依次為:18.12、18.76℃和19.44℃，免耕覆蓋和全量還田處理平均溫度比常規(guī)耕作分別低1.32℃和0.69℃。土壤微生物量碳在整個生育期動態(tài)變化是:首先迅速上升，在玉米生育高峰期(拔節(jié)期)達(dá)到最高峰，然后開始下降，成熟期趨于平緩;免耕覆蓋與全量還田處理下玉米各生育期土壤表層微生物量碳顯著高于常規(guī)耕作，在苗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期分別比常規(guī)耕作高出70%、40%、85%、30%和10%、20%、15%、15%。微生物量碳與水分的相關(guān)性極顯著，免耕覆蓋與全量還田處理能顯著提高土壤水分，從而有助于土壤微生物量碳含量的提高。土壤微生物量碳與溫度的相關(guān)性顯著，表明土壤微生物量碳隨土壤溫度升高而增加。

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