張德喜， 吳 卿

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系，河南鄭州 450008； 2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450036)

農(nóng)民為了基本的生活必然須要進(jìn)行耕種、施肥、犁地甚至噴灑農(nóng)藥等一系列耕作，這些耕作直接對土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分等產(chǎn)生重要影響，適度的耕作方式能夠保持土壤的活性，不同的土壤耕作利用途徑能夠帶來差異顯著的土壤結(jié)構(gòu)，同時對微生物活動及其分布產(chǎn)生不容忽視的影響[1-2]。不同地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分含量等特性不同，但都必然受到耕作方式的直接制約，最主要的影響表現(xiàn)在土壤養(yǎng)分含量及活性方面，且呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性[3]。土壤作為土生作物生長的必備條件，為作物生長提供必需的養(yǎng)分，其肥力及結(jié)構(gòu)變化直接影響作物的生長，因此在生態(tài)循環(huán)過程中處于核心傳遞區(qū)域，植物及土壤在水、氣的共同影響下對環(huán)境產(chǎn)生多變性的影響，這也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分之一。土生植物依賴于土壤養(yǎng)分才能生存，否則就成為了無本之木，而養(yǎng)分是氣候、土質(zhì)構(gòu)造作用下的直接產(chǎn)物，同時受人為因素的深入影響，進(jìn)而對土壤質(zhì)量形成制約[4]。土壤酶在微生物及腐殖質(zhì)等共同作用下形成，是土壤重要的活性成分，直接影響土壤質(zhì)量，它參與有機質(zhì)分解及能量轉(zhuǎn)移，間接對作物生長產(chǎn)生影響[5]，可反映土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的強度等，能夠作為較準(zhǔn)確的土壤活性及質(zhì)量指標(biāo)之一。隨著土壤污染的日益嚴(yán)重，土壤質(zhì)量備受關(guān)注，關(guān)于這方面的研究也越來越多，通過研究發(fā)現(xiàn)，不同的耕作條件可對土壤酶產(chǎn)生顯著影響，且呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異性，因此土壤酶在土壤研究中成為重要主題，也是評價土壤污染的指標(biāo)之一[6]。不同耕作方式對土壤酶活性及養(yǎng)分含量具有重要影響[7]，因此研究土壤酶活性及養(yǎng)分含量對耕作方式的響應(yīng)具有重要的現(xiàn)實意義。

江漢平原憑借大面積的平原耕作成為湖北省小麥主產(chǎn)區(qū)之一，擁有多達(dá)25萬hm2的耕種面積，全省1/3的小麥播種集中在該平原，但該平原面臨著單產(chǎn)低的問題，且該問題已成為該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大制約因素[8]。長期以來，該區(qū)域以傳統(tǒng)壟耕為主，加之不合理的施肥撒藥等問題，最終導(dǎo)致土壤的可耕層大大變淺，土壤養(yǎng)分含量降低，而犁底層變得更厚更硬，這樣極易導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，因此研究江漢平原耕作方式對土壤的影響成為現(xiàn)實問題，只有通過改良耕作方式提升土壤酶活性及質(zhì)量來提升作物單產(chǎn)[4，9]。有研究表明，農(nóng)田的免耕及少耕等處理方式能夠較好地恢復(fù)土壤酶活性及養(yǎng)分含量，在很大程度上降低風(fēng)蝕和水蝕問題，對于改良土壤結(jié)構(gòu)、提升單產(chǎn)起到明顯的作用[10]。有學(xué)者認(rèn)為，免耕有利于土壤堿解氮含量的提升，進(jìn)而增強土壤質(zhì)量，對土壤進(jìn)行深松處理能夠進(jìn)一步拓深犁底層，為根系生長提供更疏松的環(huán)境，從而利于根系生長發(fā)育[11]?？傊?，不同的耕作方式對土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分含量的影響也不盡相同，必須以合理的耕作方式來開發(fā)利用土壤，因此研究江漢平原耕作方式對土壤酶活性及養(yǎng)分含量的影響具有現(xiàn)實意義和緊迫性，以期為合理開發(fā)土壤提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

于2016年5—10月在湖北省華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地設(shè)置試驗，該地區(qū)年平均氣溫19.8 ℃，年平均降水量 1 320 mm，全年無霜期236～257 d，降水主要集中在夏季，溫差較大，四季分明。氣候類型屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，土壤類型是棕壤，供試農(nóng)田小麥品種為鄭麥9203，試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置3種耕作方式處理，分別為旋耕、翻耕、免耕。每個處理3次重復(fù)，每小區(qū)8行，行長50 m，行距 0.65 m，小區(qū)面積為260 m2。氮(純N)、磷(P2O5)、鉀肥(K2O)施用量分別為240、120、90 kg/hm2，所用肥料分別為尿素(46% N)、磷酸二銨(46% P2O5、18% N)和硫酸鉀(50% K2O)，其中70%氮肥和全部磷肥、鉀肥作為基肥隨播種一次性施入，剩余30%氮肥于拔節(jié)期施入。5月10日播種，種植密度 7.5萬株/hm2，其他田間管理措施均同大田常規(guī)栽培。

1.2 土壤養(yǎng)分含量和酶活性測定

于玉米成熟期，在各試驗小區(qū)采用“S”形隨機取點法用土鉆分別在行間取0～10 cm土樣用于土壤養(yǎng)分含量的測定。

土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，去除植物根系等雜物過2 mm篩，土壤pH值的測定采用電極電位法(2.5 ∶1.0水土比浸提液)；土壤電導(dǎo)率的測定采用電導(dǎo)法；采用元素分析儀(Element，意大利)測定有機碳含量和全氮含量；全磷含量的測定采用NaOH堿溶-鉬銻抗比色法；有效磷含量的測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的測定采用靛酚藍(lán)比色法[10-11]。

采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法測定4 ℃保存的新鮮土樣的土壤微生物量碳、氮含量。

土壤蔗糖酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法；土壤酸性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉法；土壤脫氫酶活性的測定采用分光光度法。

土壤微生物數(shù)量的測定采用平板梯度稀釋法，其中細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏一號瓊脂培養(yǎng)基；固氮菌培養(yǎng)基為棕色固氮菌M-15培養(yǎng)基；纖維素菌培養(yǎng)基為木霉培養(yǎng)基。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2003和SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 9.2作圖，單因素方差(One-way ANOVA)進(jìn)行分析，顯著性分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤粒徑組成及理化性質(zhì)的影響

由表1可知，0.05(含)～1.00 mm土壤所占比例為15.12%～19.25%，具體表現(xiàn)為翻耕>免耕>旋耕，其中翻耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于旋耕(P<0.05)；0.002(含)～0.050 mm土壤所占比例為51.75%～63.21%，具體表現(xiàn)為旋耕>翻耕>免耕，不同耕作方式差異顯著(P<0.05)；<0.002 mm 土壤所占比例為21.67%～29.95%，具體表現(xiàn)為免耕>翻耕>旋耕，其中免耕顯著大于翻耕和旋耕(P<0.05)，翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)；土壤容重的變化范圍為0.76～1.03 g/cm3，具體表現(xiàn)為免耕>翻耕>旋耕，其中免耕顯著高于翻耕和旋耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤pH值變化范圍為6.05～7.02，具體表現(xiàn)為免耕>旋耕>翻耕，其中免耕顯著高于翻耕和旋耕(P<0.05)；土壤電導(dǎo)率的變化范圍為65.23～85.62 μS/cm2，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，且不同耕作方式間差異顯著(P<0.05)。

表1 不同耕作方式對土壤粒徑組成及理化性質(zhì)的影響

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表3至表5同。

2.2 不同耕作方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，在不同耕作方式下，土壤養(yǎng)分(有機碳、全氮、全磷)含量和有效養(yǎng)分(有效磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)含量變化均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕的土壤有機碳、全氮含量與旋耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于免耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤全磷含量變化范圍為0.84～0.85 g/kg，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕=免耕，不同耕作方式土壤全磷含量差異不顯著(P>0.05)；不同耕作方式土壤有效磷含量變化范圍為10.78～15.32 mg/kg，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤有效磷含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤硝態(tài)氮含量變化范圍為5.12～8.23 mg/kg，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著高于免耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤銨態(tài)氮含量變化范圍為2.13～3.02 mg/kg，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于翻耕(P<0.05)。

2.3 不同耕作方式對土壤微生物量的影響

從表3可以看出，不同耕作方式土壤微生物量碳(MBC)含量和微生物量氮(MBN)含量變化均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕；不同耕作方式土壤微生物量碳含量變化范圍為278.03～562.31 mg/kg，不同耕作方式土壤微生物量碳含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤微生物量氮含量變化范圍為25.78～58.94 mg/kg，不同耕作方式土壤微生物量氮含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤微生物量碳含量/微生物量氮含量則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，具體表現(xiàn)為翻耕<旋耕<免耕，變化范圍為9.54～10.78，不同耕作方式土壤微生物量碳含量/微生物量氮含量差異不顯著(P>0.05)。

2.4 不同耕作方式對土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物的數(shù)量分布不僅可以敏感地反映土壤質(zhì)量的變化，而且是土壤中生物活性的具體體現(xiàn)。由表4可知，不同耕作方式下土壤各類群微生物數(shù)量與總微生物數(shù)量均存在較大差異，其中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量與微生物總數(shù)量的變化趨勢相一致，細(xì)菌、放線菌、真菌為組成微生物種群的三大類，其中細(xì)菌數(shù)量處于絕對優(yōu)勢地位。不同耕作方式土壤細(xì)菌數(shù)量的變化范圍為1.09×105～1.53×105CFU/g，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于免耕(P<0.05)；土壤放線菌數(shù)量的變化范圍為 0.76×105～1.13×105CFU/g，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于翻耕(P<0.05)；土壤真菌數(shù)量變化范圍為0.35×103～0.86×103CFU/g，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于免耕(P<0.05)；土壤固氮菌數(shù)量的變化范圍為6.25×103～9.32×103CFU/g，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式下土壤固氮菌數(shù)量差異顯著(P<0.05)；土壤纖維素菌數(shù)量的變化范圍為1.85×103～3.02×103CFU/g，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于翻耕(P<0.05)；微生物總數(shù)量與細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量變化趨勢相一致。

表2 不同耕作方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

表3 不同耕作方式對土壤微生物量的影響

表4 不同耕作方式對土壤微生物數(shù)量的影響

2.5 不同耕作方式對土壤酶活性的影響

土壤酶活性能夠靈敏地反映土壤管理措施的變化，可用于表征土壤養(yǎng)分循環(huán)速率。由表5可知，不同耕作方式下土壤酶活性存在較大差異，其中土壤蔗糖酶活性的變化范圍為98.74～135.62 mg/(g·d)，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤蔗糖酶活性差異顯著(P<0.05)；脫氫酶活性的變化范圍為0.53～0.85 mg/(g·d)，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著高于免耕(P<0.05)；脲酶活性的變化范圍為 0.51～0.72 mg/(g·d)，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著高于免耕(P<0.05)；酸性磷酸酶活性的變化范圍為187.04～243.21 mg/(g·d)，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式下酸性磷酸酶活性差異顯著(P<0.05)。

2.6 土壤養(yǎng)分含量與酶活性之間的相關(guān)性

由表6可知，土壤有機碳、全氮含量與蔗糖酶、脫氫酶、酸性磷酸酶活性和細(xì)菌數(shù)量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤養(yǎng)分為土壤微生物提供了重要碳源和氮源。土壤有效養(yǎng)分與土壤微生物量碳含量、蔗糖酶活性和纖維素菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)，說明土壤微生物量碳仍是有效養(yǎng)分的主要來源，其中土壤pH值對土壤微生物量、微生物數(shù)量和酶活性貢獻(xiàn)為負(fù)，土壤養(yǎng)分對土壤微生物量、微生物數(shù)量和酶活性貢獻(xiàn)為正，這是造成不同耕作方式土壤微生物量、微生物數(shù)量和酶活性差異的重要原因，其中有機碳和全氮是土壤微生物量、微生物數(shù)量和酶活性的主要養(yǎng)分來源。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量與微生物量氮含量和固氮菌數(shù)量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明固氮菌數(shù)量主要依賴于土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。

表5 不同耕作方式對土壤酶活性的影響

3 討論與結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)，耕作方式的不同會給土壤帶來明顯的影響，主要體現(xiàn)在土壤結(jié)構(gòu)、酶活性及養(yǎng)分含量方面[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式造成不同的土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分含量，其中土壤容重表現(xiàn)為免耕>翻耕>旋耕，土壤養(yǎng)分(有機碳、全氮)含量和有效養(yǎng)分(有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量變化均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，具體表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，由此可

表6 土壤養(yǎng)分與酶活性之間的相關(guān)性

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著(雙尾)。

知，土壤的利用方式對其理化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重大影響，進(jìn)而影響土壤肥力。

土壤pH值與土壤養(yǎng)分含量之間具有明顯相反的變化趨勢，土壤pH值不僅對土壤全量養(yǎng)分含量產(chǎn)生直接影響，同時影響有效養(yǎng)分含量，根系通過分泌有機酸來增強其對土壤養(yǎng)分的吸收，有機酸具有一定的溶解性，pH值降低的情況下能夠加速養(yǎng)分的溶解，從而為土壤養(yǎng)分含量的增加創(chuàng)造條件。不同的耕作方式會對土壤水溶性養(yǎng)分含量產(chǎn)生直接影響，翻耕和深耕能夠增加土壤孔隙度，直接進(jìn)行土質(zhì)疏松，有利于微生物富集，在綜合作用下使水溶性較高的養(yǎng)分不斷增加，在這種情況下，微生物作用能夠促進(jìn)養(yǎng)分快速礦化而被作物高效吸收，因此與免耕相比，這2種耕作方式下的土壤具有更高的養(yǎng)分含量[13]。但土壤全磷含量受耕作方式的影響并不明顯，這主要是由于磷具有很強的沉積性[13]，其分解速度相對較慢，因此差異并不明顯；與免耕相比，翻耕和旋耕作用下硝態(tài)氮含量顯著增加，主要是由于這2種耕作方式能夠促進(jìn)銨態(tài)氮的分解，并加速硝態(tài)氮的淋溶，在作物生長和微生物活動的共同作用下硝態(tài)氮和銨態(tài)氮能夠被有效吸收利用。

土壤酶活性代表土壤微生物的新陳代謝能力，同時代表碳素循環(huán)效率，是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一；不同的土壤耕作利用途徑能夠帶來具有顯著差異的土壤結(jié)構(gòu)，同時對微生物活動及其分布產(chǎn)生不容忽視的影響。高明等認(rèn)為，免耕方式下的真菌數(shù)量低于翻耕處理條件下，但細(xì)菌等分解菌數(shù)量卻明顯較高[14]。張磊等認(rèn)為，翻耕與免耕條件下土壤微生物在不同的季節(jié)具有不同的數(shù)量，但免耕方式下的數(shù)量相對來說更為穩(wěn)定[15]。另外，翻耕和旋耕能夠促進(jìn)腐殖質(zhì)分解，在很大程度上增加土壤肥力，主要是由于翻耕能夠疏松下層土壤，在氧氣和秸稈作用下微生物分泌與氮循環(huán)相關(guān)的土壤酶效果增強。與免耕相比，翻耕和旋耕能夠促進(jìn)土壤微生物量氮、微生物量碳的增加。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分不僅與土壤酶活性息息相關(guān)，還與微生物數(shù)量密不可分，土壤有機碳能夠促進(jìn)微生物活動并提高酶活性；土壤微生物量碳能夠促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分的積累，而土壤pH值較高則不利于土壤微生物數(shù)量和酶活性的提升。綜合來看，翻耕和旋耕能夠顯著提升表層土壤有機碳、全氮含量，對有效養(yǎng)分含量的增加以及水解酶活性的增強起著不可忽視的影響。

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