胡月華

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘 476100)

活性有機(jī)碳是農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中土壤結(jié)構(gòu)與功能的重要組成部分，能夠敏感地指示評價(jià)土壤肥力及碳庫指數(shù)的變化[1-2]。農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳受人類活動(dòng)影響較大，不同土地利用方式如耕作、秸稈還田等人為措施都能夠較大程度地影響土壤碳庫及組分的動(dòng)態(tài)平衡[3-4]。研究表明，傳統(tǒng)的精耕細(xì)作不僅會(huì)使得土壤活性有機(jī)碳快速降低，還會(huì)導(dǎo)致土壤肥力及土地生產(chǎn)力下降，較大程度地制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-8]。而為緩解人類活動(dòng)對農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來的壓力，近年來，我國大力推廣諸如免耕、秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作制度[9-10]。大量研究表明，保護(hù)性耕作主要通過免耕或少耕，結(jié)合秸稈覆蓋等措施，盡可能地減少土壤擾動(dòng)，減輕風(fēng)蝕、水蝕，能夠有效地提高土壤上層有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，對土壤活性有機(jī)碳的形成、轉(zhuǎn)化和分解具有深遠(yuǎn)的影響[11-14]。因此，通過本研究不同耕作制度下土壤有機(jī)碳及微生物功能多樣性的變化對于了解和提高土壤有機(jī)碳組分，改善土壤微生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

翻耕、旋耕是華北平原主要的耕作方式，然而由于農(nóng)田長期進(jìn)行擾動(dòng)性耕作，不僅破壞了土壤結(jié)構(gòu)，減少有機(jī)碳的形成與轉(zhuǎn)化，還改變了土壤原有穩(wěn)定的微生態(tài)環(huán)境，使得微生物群落結(jié)構(gòu)失調(diào)，功能多樣性降低[9，15-17]。研究表明，保護(hù)性耕作是解決目前困境的方向之一[18-19]。目前，有關(guān)保護(hù)性耕作的研究主要集中在土壤有機(jī)碳或土壤微生物群落結(jié)構(gòu)方面[20-21]，而關(guān)于免耕和不同秸稈覆蓋量配套對土壤有機(jī)碳組分、微生物代謝功能及其相關(guān)性的研究并不多，且免耕覆蓋對土壤碳組分及微生物代謝功能的影響受多種環(huán)境因子如土壤類型、氣候條件以及試驗(yàn)?zāi)攴莸裙餐萍s[22]，因此單個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)或特定區(qū)域的研究結(jié)果也許并不適用于其他地區(qū)。本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，通過研究不同耕作方式與秸稈覆蓋量配套對土壤碳組分、碳源利用能力及功能多樣性方面的影響，以期明確它們之間的關(guān)聯(lián)性，找到適宜的配套模式，為我國華北平原地區(qū)保護(hù)性耕作制度的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)示范基地(116°15′E，39°28′N)位于河南省東部，屬典型暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.0 ℃，年平均日照時(shí)長 2 200 h，無霜期212 d，年積溫(≥0 ℃)4 500～ 5 500 ℃·d，年降水量600～700 mm。供試土壤為黃潮土黏土質(zhì)，0～30 cm土層土壤基礎(chǔ)肥力：堿解氮含量48.34 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量7.96 g/kg、速效磷含量55.16 mg/kg、速效鉀含量158.24 mg/kg、pH值8.12。試驗(yàn)地點(diǎn)常年小麥與玉米輪作種植。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年6月至2021年9月進(jìn)行。設(shè)免耕秸稈不覆蓋(T1)、免耕秸稈半量覆蓋(T2)、免耕秸稈全量覆蓋(T3)、旋耕秸稈不覆蓋(T4)、旋耕秸稈半量覆蓋(T5)、旋耕秸稈全量覆蓋(T6)等6個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積80 m2(8 m×10 m)，隨機(jī)排列分布。免耕處理不進(jìn)行土壤翻耕，旋耕處理先犁后旋，播種時(shí)均通過播種機(jī)進(jìn)行播種。半量覆蓋指收獲時(shí)移走地上部50%秸稈，其余秸稈粉碎后撒勻，全量覆蓋指秸稈全部還田。小麥品種為濟(jì)麥22，由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供；玉米品種為鄭單958，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。小麥種植密度為麥種120 kg/hm2，玉米種植密度為 52 500株/hm2。小麥季施肥量：純氮(N) 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2；玉米季施肥量：純N 300 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2。小麥全生育期為10月10日至6月8日，玉米全生育期為6月15日至9月30日。2021年9月30日采集 0～30 cm土層土壤樣品進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.3 指標(biāo)測定與方法

1.3.1 土壤有機(jī)碳 土壤有機(jī)碳(SOC)含量測定采用重鉻酸鉀容量法[23]；輕組有機(jī)碳(LOC)、重組有機(jī)碳(HOC)含量測定均采用相對密度法[24]。

1.3.2 土壤微生物功能多樣性測定 土壤微生物功能多樣性測定采用 Biolog-Eco微孔板法。按照費(fèi)裕翀等的操作步驟[25]，稱取10 g新鮮土樣，加入到100 mL滅菌的生理鹽水(0.9%)中，經(jīng)過振蕩混勻后吸取1 mL稀釋1 000倍，靜置10～15 min后通過移液槍吸取150 μL接種到 Biolog-Eco板中，放入 28 ℃ 的恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)168 h，每隔24 h在 590 nm 波長處讀數(shù)1次，每個(gè)樣品重復(fù)3次。其中平均顏色變化率(AWCD)、香農(nóng)指數(shù)(H)、多樣性指數(shù)(U)、辛普森指數(shù)(D)計(jì)算公式如下[26-27]：

AWCD=∑(Ci-C1)/31；

(1)

H=-∑Pi(lnPi)；

(2)

U=H/(lnS)；

(3)

(4)

式中：Ci為非對照孔的吸光度；C1為對照孔的吸光度；Pi為第i個(gè)孔的相對吸光度與總吸光度的比值；S為生態(tài)板中顏色變化孔的數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用 WPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析與多重比較，采用Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理措施對土壤活性有機(jī)碳含量的影響

由圖1可知，不同耕作和秸稈覆蓋措施處理土壤活性有機(jī)碳含量表現(xiàn)出不同的變化。其中T3處理土壤有機(jī)碳含量最高，較T1、T2、T4、T5處理分別顯著提高7.10%、3.73%、12.46%、5.83%，與T6處理無顯著性差異，T4處理的有機(jī)碳含量最低，較其他處理顯著降低4.76%～11.08%，土壤有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理。從圖1還可以看出，耕作方式相同時(shí)，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為秸稈全量覆蓋處理>秸稈半量覆蓋處理>秸稈不覆蓋處理；秸稈覆蓋量相同時(shí)，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為免耕處理>旋耕處理，其中除秸稈全量覆蓋時(shí)無顯著性差異，秸稈不覆蓋或半量覆蓋時(shí)，免耕處理均顯著高于旋耕處理。

2.2 不同處理措施對土壤輕組有機(jī)碳含量的影響

由圖2可知，不同措施條件下土壤輕組有機(jī)碳含量存在顯著差異。相同耕作方式下，秸稈全量覆蓋處理的土壤輕組有機(jī)碳含量顯著高于秸稈半量覆蓋或不覆蓋處理，其中T3處理輕組有機(jī)碳含量較T1、T2處理分別顯著提高25.93%、 12.26%，T6處理輕組有機(jī)碳含量較T4、T5處理分別顯著提高32.90%、16.29%，土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為秸稈全量覆蓋處理>秸稈半量覆蓋處理>秸稈不覆蓋處理。秸稈覆蓋量相同時(shí)，免耕處理的輕組有機(jī)碳均高于旋耕處理，其中T1處理較T4處理顯著提高10.18%，T2處理較T5處理顯著提高8.14%，T3處理與T5處理差異顯著。土壤輕組有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理，與土壤總有機(jī)碳含量變化較一致。

2.3 不同處理措施對土壤重組有機(jī)碳含量的影響

由圖3可知，不同措施條件下土壤重組有機(jī)碳含量呈現(xiàn)較大差異。相同耕作方式下，土壤重組有機(jī)碳含量表現(xiàn)為秸稈全量覆蓋處理>秸稈半量覆蓋處理>秸稈不覆蓋處理；秸稈覆蓋量相同時(shí)，土壤重組有機(jī)碳含量表現(xiàn)為免耕處理>旋耕處理。土壤重組有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理，其中T3處理的重組有機(jī)碳含量較T1、T2、T4、T5處理分別顯著提高3.90%、2.13%、8.24%、3.11%，與T6處理相比無顯著性差異。T6處理重組有機(jī)碳含量顯著高于T1、T4、T5處理，與T2處理相比無顯著性差異。T4處理重組有機(jī)碳含量最低，較其他處理顯著降低4.00%～7.61%。

2.4 不同處理措施對土壤微生物碳源代謝活性的影響

由圖4可知，不同措施條件下土壤微生物平均顏色變化率(AWCD)均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸提高。其中培養(yǎng)0～24 h，各處理AWCD變化不明顯，培養(yǎng)24～120 h，AWCD快速增長，此時(shí)期為微生物生長旺盛期，120～168 h，AWCD增長速度減緩，直至趨于平穩(wěn)。培養(yǎng)0～48 h，T6處理的AWCD最大，但與T3處理差異不大，從培養(yǎng)72 h開始直至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，T3處理的AWCD均高于T6處理，其中培養(yǎng)120 h時(shí)，各處理的AWCD在0.625～0.935之間，AWCD表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理。不同措施條件下的AWCD表現(xiàn)為秸稈全量覆蓋處理>秸稈半量覆蓋處理>秸稈不覆蓋處理，免耕處理>旋耕處理。

2.5 不同處理措施對土壤微生物代謝碳源類型的影響

由表1可知，不同處理?xiàng)l件下土壤微生物對不同碳源的利用能力存在顯著差異。T3處理土壤微生物對碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最強(qiáng)，較其他處理分別提高6.33%～47.37%、5.19%～39.66%、9.76%～28.57%、3.23%～50.00%，其中除對氨基酸的利用能力與T1處理無顯著差異外，其余指標(biāo)均與T1處理差異顯著，T1處理對羧酸化合物的利用能力以及T4處理對碳水化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最弱。T6處理對胺類化合物的利用能力最強(qiáng)，較其他處理提高2.68%～22.34%，顯著高于T1處理，但與其他處理均無顯著性差異。T1處理對芳香化合物的利用能力最強(qiáng)，顯著高于T2、T3、T5、T6處理。就總體利用情況而言，不同措施條件下土壤微生物對多聚化合物、胺類化合物的利用能力最強(qiáng)，其次是碳水化合物、羧酸化合物，對氨基酸、芳香化合物的利用能力最弱。

表1 不同處理對土壤微生物代謝碳源類型的影響

2.6 不同處理措施對土壤微生物功能多樣性的影響

由表2可知，T3處理的香農(nóng)指數(shù)、多樣性指數(shù)最高，較其他處理分別提高5.52%～24.03%、2.36%～13.06%，香農(nóng)指數(shù)顯著高于T1、T2、T4、T5處理，多樣性指數(shù)顯著高于T1、T4、T5處理，T4處理的香農(nóng)指數(shù)、多樣性指數(shù)最低，均顯著低于T2、T3、T6處理，與其他處理無顯著性差異。T1處理的辛普森指數(shù)最高，較其他處理提高6.24%～37.21%，顯著高于T4、T5、T6處理，與其他處理無顯著性差異，T6處理的辛普森指數(shù)最低，顯著低于T1、T2、T3處理。

表2 不同處理對土壤微生物功能多樣性的影響

2.7 土壤微生物碳源代謝能力與土壤活性有機(jī)碳組分的多元分析

利用培養(yǎng)120 h時(shí)土壤微生物對31類碳源的AWCD與土壤有機(jī)碳組分進(jìn)行RDA，結(jié)果(圖5)表明，排序軸1、2能夠在累計(jì)貢獻(xiàn)率53.34%上解釋不同處理?xiàng)l件下土壤微生物對各類碳源利用情況的差異。圖中各處理點(diǎn)較為分散，說明不同處理?xiàng)l件改變了土壤微生物對各類碳源的利用能力。土壤微生物對碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、胺類化合物、多聚化合物的利用能力與土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量均呈正相關(guān)關(guān)系，對芳香化合物的利用能力與土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且基于土壤微生物對各類碳源利用情況的排序軸與基于土壤有機(jī)碳組分的排序軸之間關(guān)聯(lián)性(pseudo-F=8.6，P=0.004)較好。由此可見，不同處理?xiàng)l件能夠通過影響土壤有機(jī)碳組分改變土壤微生物對各類碳源的利用情況。

2.8 土壤微生物功能多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)碳組分的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步明確土壤微生物代謝功能與土壤有機(jī)碳組分的關(guān)系，本研究分析了土壤微生物功能多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性。其中土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量與香農(nóng)指數(shù)、多樣性指數(shù)呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，而土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量與辛普森指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，重組有機(jī)碳含量與辛普森指數(shù)呈正相關(guān)，但均無顯著相關(guān)(表3)。說明土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳是土壤微生物功能多樣性的重要環(huán)境因子，而不同措施條件下土壤有機(jī)碳組分含量發(fā)生較大變化，會(huì)影響土壤微生物功能多樣性。

表3 多樣性指數(shù)與有機(jī)碳組分的相關(guān)性分析

3 討論

輕組有機(jī)碳是土壤碳庫的活性部分，易被土壤微生物轉(zhuǎn)化分解與利用，對人類活動(dòng)諸如耕作、秸稈還田等措施響應(yīng)敏感，是衡量土壤碳庫質(zhì)量的重要指標(biāo)[28]。重組有機(jī)碳是輕組有機(jī)碳分解后聚合形成的，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分解緩慢，不易被土壤微生物轉(zhuǎn)化分解與利用，是土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定部分，可用于指示評價(jià)土壤有機(jī)碳的固存性能[29]。相關(guān)研究表明，合理的保護(hù)性耕作措施能夠提高土壤微生物的活性，改善土壤輕組、重組有機(jī)碳組分之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化[30-32]。本研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為耕作方式相同時(shí)，秸稈全量覆蓋處理>秸稈半量覆蓋處理>秸稈不覆蓋處理；秸稈覆蓋量相同時(shí)，免耕處理>旋耕處理；整體表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理，可知免耕秸稈全量覆蓋處理表現(xiàn)最優(yōu)，旋耕秸稈不覆蓋處理表現(xiàn)最差，這與田慎重等的研究結(jié)果[33]較為一致。分析認(rèn)為，與旋耕措施相比，免耕能夠減少水分流失，增加有機(jī)質(zhì)的累積[15]，能夠減少土壤擾動(dòng)，增強(qiáng)土壤微生物的穩(wěn)定性，進(jìn)而減少微生物群落對土壤有機(jī)碳的分解，更有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。秸稈還田能夠?yàn)橥寥牢⑸锎x活動(dòng)提供充足的碳源[34]，從而加速土壤有機(jī)碳的礦化，不僅可以提高土壤微生物代謝活性，還能夠明顯提高土壤有機(jī)碳含量，改善土壤輕組、重組有機(jī)碳組分之間的比例。

平均顏色變化率通常用來表征土壤微生物對各類碳源的利用能力，是指示評價(jià)土壤微生物活性的重要指標(biāo)[35-36]。研究表明，合理的耕作措施與秸稈還田方式能夠提高土壤微生物碳源代謝利用能力以及微生物功能的多樣性[37-38]。本研究結(jié)果表明，AWCD整體表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理。不同措施條件下AWCD表現(xiàn)為秸稈全量覆蓋處理>秸稈半量覆蓋處理>秸稈不覆蓋處理，免耕處理>旋耕處理。免耕秸稈全量覆蓋處理土壤微生物對碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最強(qiáng)，較其他處理分別提高6.33%～47.37%、5.19%～39.66%、9.76%～28.57%、3.23%～50.00%，其中除對氨基酸的利用能力與T1處理無顯著差異外，其余指標(biāo)均與T1處理差異顯著。免耕與秸稈全量覆蓋處理的香農(nóng)指數(shù)、多樣性指數(shù)最高，較其他處理分別提高5.52%～24.03%、2.36%～13.06%，T1處理的辛普森指數(shù)最高，較其他處理提高6.24%～37.21%，顯著高于T4、T5、T6處理，與T2、T3處理均無顯著性差異。分析認(rèn)為，與免耕不覆蓋或旋耕不覆蓋處理相比，秸稈還田能夠?yàn)橥寥牢⑸锎x活動(dòng)提供充足的底物，使其代謝功能高于秸稈不覆蓋處理，其中秸稈全量覆蓋處理土壤微生物代謝活性高于秸稈半量覆蓋處理，與免耕處理相比，旋耕處理改變了土壤結(jié)構(gòu)以及土壤空隙的透氣性、透水能力等，改變了土壤原有的基質(zhì)環(huán)境，使得微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性發(fā)生改變，且不同耕作與還田措施改變了土壤微生物對各類碳源的利用程度，土壤微生物加強(qiáng)了對多聚化合物、胺類化合物的利用能力，減弱了對氨基酸、芳香化合物的利用能力。

冗余分析結(jié)果表明，土壤微生物對碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、胺類化合物、多聚化合物的利用能力與土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量均呈正相關(guān)關(guān)系，且基于土壤微生物對各類碳源利用情況的排序軸與基于土壤有機(jī)碳組分含量的排序軸之間關(guān)聯(lián)性(pseudo-F=8.6，P=0.004)較好。說明土壤微生物碳源利用能力與土壤有機(jī)碳組分之間保持緊密相關(guān)的聯(lián)系，且在進(jìn)一步了解土壤微生物代謝功能多樣性與土壤有機(jī)碳組分的相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳是土壤微生物功能多樣性變化的的重要驅(qū)動(dòng)因子。由此可知，不同耕作方式與秸稈覆蓋量對土壤有機(jī)碳組分、微生物功能多樣性產(chǎn)生了不同的影響。

4 結(jié)論

不同耕作方式與秸稈覆蓋量能夠顯著改變土壤有機(jī)碳組分含量，其中免耕與秸稈全量覆蓋處理的有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳含量均最高。

不同耕作方式與秸稈覆蓋量能夠改變土壤微生物群落功能多樣性，其中免耕與秸稈全量覆蓋處理土壤微生物對碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最強(qiáng)，AWCD表現(xiàn)為T3>T6>T2>T5>T1>T4處理。免耕與秸稈全量覆蓋處理香農(nóng)指數(shù)、多樣性指數(shù)最高，較其他處理分別提高5.52%～24.03%、2.36%～13.06%。

土壤微生物碳源代謝能力、功能多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)碳組分變化之間具有緊密相關(guān)的聯(lián)系。