保護(hù)性耕作對(duì)黃土旱塬玉米土壤呼吸及微生物數(shù)量的影響

楊 倩，張清平，蔣海亮，楊德雄，王先之，沈禹穎

（草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020）

土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過(guò)程，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要過(guò)程，也是土壤碳庫(kù)的主要輸出途徑［1］。土地利用方式、土壤理化性狀及溫度、水分、施肥、耕作等多種因素都會(huì)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響［2-5］，其中土壤呼吸和溫度具有良好的相關(guān)性，存在明顯的季節(jié)差異［6］。保護(hù)性耕作通過(guò)秸稈添加，增加了土壤有機(jī)碳含量，有效提高了水分利用效率，促進(jìn)了作物生長(zhǎng)，對(duì)土壤CO2釋放過(guò)程產(chǎn)生影響。研究表明，免耕留茬覆蓋較傳統(tǒng)耕作能顯著降低土壤呼吸速率，且隨秸稈添加量的增加而降低［7-8］，但仍有研究發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作措施可提高土壤呼吸［9］，且灌溉條件下，隨著秸稈還田量的增加，土壤呼吸通量增加［10］。為了明確在黃土高原長(zhǎng)期旱作條件下，秸稈還田和免耕對(duì)土壤呼吸作用的影響及微生物活性在土壤呼吸中的作用，本研究以進(jìn)行十余年保護(hù)性耕作的玉米（Zeamayscv.Zhongdan No.2）-小麥（Triticumaestivumcv.Xifeng No.24）-大豆（Glycinemaxcv.Fengshou No.12）輪作系統(tǒng)為對(duì)象，探討保護(hù)性耕作下春玉米主要生育期土壤呼吸和土壤微生物數(shù)量動(dòng)態(tài)及其相互關(guān)系，以評(píng)價(jià)不同耕作措施對(duì)降低或減緩?fù)寥繡O2排放效果，以期為黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)不同耕作措施的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇 研究地點(diǎn)位于蘭州大學(xué)慶陽(yáng)黃土高原試驗(yàn)站（35°40′N(xiāo)，107°51′E），行政區(qū)域?qū)俑拭C省慶陽(yáng)市西峰區(qū)什社鄉(xiāng)，海拔1 297m。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℃年均積溫為3 446℃·d。無(wú)霜期平均為161d，生長(zhǎng)季255d，年降水量480～660mm，多集中在7-9月，年平均蒸發(fā)量1 504mm。自然土壤為黑壚土，有機(jī)質(zhì)含量在1%以下，土壤含N量低于0.1%，pH值為8.0～8.5。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：傳統(tǒng)耕作（T），傳統(tǒng)耕作＋秸稈還田（TS），免耕（NT），免耕＋秸稈還田（NTS）。每處理4個(gè)重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列，共16個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為4m×13m。輪作序列為春玉米-冬小麥-夏大豆。玉米于4月上旬播種（行距50cm，株距33cm），9月中下旬收獲，玉米收獲后立即播種小麥（播量225kg·hm-2、行距15 cm），第2年6月底收獲，隨后立即播種大豆（行距25cm、株距25cm），10月收獲，土地休閑，到翌年4月播種玉米，即為一個(gè)完整的輪作體系。此輪作系統(tǒng)開(kāi)始于2001年。

1.3 土壤呼吸速率測(cè)定 土壤呼吸速率采用LICOR-6400便攜式光合作用儀連接6400-09土壤葉室測(cè)定（Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA）。每次測(cè)定時(shí)，齊地面剪去管中的綠色植被。測(cè)定所用PVC基座直徑10cm、高5cm，提前24h嵌入土中約3 cm，每個(gè)小區(qū)2個(gè)重復(fù)，測(cè)定土壤呼吸速率的同時(shí)，用LI-6400光合系統(tǒng)自帶的土壤溫度探針垂直插入PVC環(huán)附近的土壤10cm，記錄10cm深度的土壤溫度，每重復(fù)需4～5min。選擇在2010年7月底（玉米花期）和9月底（玉米收獲期）的晴天09：00-11：00進(jìn)行田間測(cè)定，持續(xù)進(jìn)行2d，求其算術(shù)平均值。

1.4 土壤微生物數(shù)量的測(cè)定 土壤樣品于每次土壤呼吸測(cè)定后采集，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5株玉米，從土壤中小心地采集其根系，輕輕抖落附在根上的土壤，將剩下的根系和土壤在無(wú)菌自封袋中輕輕抖動(dòng)大約1min，作為根際土［11］。所有新鮮土樣揀出可見(jiàn)碎石、植物殘?bào)w、根系及土壤動(dòng)物，過(guò)2mm不銹鋼篩后立即測(cè)定微生物。微生物數(shù)量采用稀釋涂布平板計(jì)數(shù)法測(cè)定。其中，細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；放線菌培養(yǎng)采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基；真菌培養(yǎng)采用馬丁氏孟加拉紅培養(yǎng)基，培養(yǎng)3～6d進(jìn)行觀察計(jì)數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析 用Excel（V2003）、Genstat Discovery Edition 2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，雙因素方差分析檢驗(yàn)耕作和秸稈還田效應(yīng)以及兩者的互作效應(yīng)。且本研究通過(guò)雙因素分析得到免耕（NT和NTS）和耕作（T和TS）處理去除了秸稈利用方式對(duì)耕作方式的影響；秸稈還田（TS和NTS）和秸稈移除（T和NT）去除了耕作和免耕對(duì)秸稈利用方式的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)玉米花期和收獲期土壤呼吸以及10cm地溫的影響 實(shí)施保護(hù)性耕作10年后，各處理下玉米花期土壤呼吸速率和土壤溫度均高于收獲期。2個(gè)生長(zhǎng)階段，不同耕作處理下10 cm地溫的變化趨勢(shì)與土壤呼吸速率變化趨勢(shì)基本一致（表1）。

雙因素方差分析顯示，免耕、秸稈還田以及兩者互作對(duì)玉米花期土壤呼吸速率影響極顯著（P＜0.001），土壤呼吸速率在T處理下最高，免耕較耕作土壤呼吸速率降低8.3%（P＜0.05），秸稈還田使土壤呼吸速率比秸稈移除下顯著降低7.8%。無(wú)秸稈條件下，T比NT處理的土壤呼吸速率顯著提高15.2%，秸稈還田后，TS和NTS處理的呼吸速率無(wú)差異，均為3.69μmol CO2·m-2·s-1。因此，秸稈還田掩蓋了耕作效應(yīng)對(duì)土壤呼吸速率的提高作用，反映了秸稈還田降低生長(zhǎng)季土壤呼吸的效應(yīng)?；ㄆ?0cm土壤溫度波動(dòng)在20.11～22.23℃，T處理下10cm地溫比TS、NT、NTS處理分別顯著高出6.7%、7.0%和10.5%（P＜0.001）。耕作、秸稈及其互作差異極顯著（P＜0.001）。耕作處理的土壤溫度在沒(méi)有秸稈條件下比免耕顯著增加了7.0%；秸稈還田后，無(wú)論耕作與否（TS和NTS），10cm土壤溫度之間無(wú)顯著差異（表1）。

與花期相比，收獲期各處理下土壤呼吸速率分別降低了57.5%、56.9%、57.8%和63.7%，仍以T處理下土壤呼吸速率最高，NTS處理下最低。雙因素方差分析表明，免耕較耕作降低土壤呼吸速率15.5%，秸稈還田較秸稈移除降低13.6%（P＜0.05），但耕作和秸稈的互作效應(yīng)不顯著（P＞0.05）。收獲期各處理下10cm地溫在16.0～16.9℃，明顯低于花期同層土壤溫度，且變幅降低，仍以T處理下的地溫最高（16.88℃），NTS處理下最低（16.01℃）。免耕處理比耕作處理顯著降低土壤溫度2.8%，秸稈還田較秸稈移除顯著降低2.5%，未見(jiàn)顯著的免耕與秸稈交互效應(yīng)（表1）。

2.2 保護(hù)性耕作下根際土壤微生物數(shù)量分布玉米花期4個(gè)耕作措施下根際土壤細(xì)菌數(shù)量大小依次為T(mén)＜TS＜NTS＜NT（表2），免耕顯著增加了玉米花期根際細(xì)菌的數(shù)量，比耕作下顯著提高28.1%（P＜0.001）。NT和NTS處理根際真菌數(shù)量在玉米花期明顯高于T處理（P＜0.05），免耕下根際土壤中真菌的數(shù)量比耕作顯著提高了39.4%，秸稈還田也提高了根際土壤中真菌的數(shù)量，但是與秸稈移除條件下差異不顯著（P＞0.05）。免耕和秸稈還田效應(yīng)對(duì)玉米花期根際放線菌數(shù)量的影響顯著，免耕較耕作下放線菌數(shù)量提高20.6%，秸稈還田下較秸稈移除提高16.5%，但兩者間無(wú)顯著的互作效應(yīng)。

表1 保護(hù)性耕作下玉米花期和收獲期土壤呼吸速率和10cm地溫的變化Table 1 Soil respiration and 10cm ground temperature in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

表2 保護(hù)性耕作下玉米花期和收獲期3類(lèi)土壤微生物數(shù)量的變化Table 2 Soil microorganism in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

收獲期根際土壤細(xì)菌的數(shù)量較花期有所下降，免耕和秸稈還田提高根際土壤細(xì)菌數(shù)量的效應(yīng)顯著，分別比耕作和去除秸稈提高9.9%和11%（P＜0.05），NTS處理下細(xì)菌數(shù)量比T處理下顯著提高22.7%，耕作和秸稈間無(wú)顯著的交互效應(yīng)。根際真菌數(shù)量在T處理下最低，僅為8.45×104cfu·g-1，分別比其他3個(gè)處理顯著降低了22%、28.5%和31.8%，免耕比耕作顯著提高收獲期玉米根際真菌數(shù)量25.6%。收獲期根際放線菌數(shù)量的變化規(guī)律為NTS＞TS＞NT＞T，且NTS處理下放線菌的數(shù)量比T處理下顯著增加了25.8%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，秸稈還田能顯著提高根際放線菌數(shù)量，比秸稈移除條件下增加了17.8%（P＜0.05）。

2.3 保護(hù)性耕作下3類(lèi)土壤微生物數(shù)量比例的變化 在玉米花期和收獲期，根際土壤中細(xì)菌、真菌以及放線菌數(shù)量之間的相互比值在各個(gè)處理間基本是一致的，耕作和秸稈效應(yīng)以及兩者之間的互作效應(yīng)均不顯著（表3）。

2.4 保護(hù)性耕作下土壤微生物數(shù)量和10cm地溫與土壤呼吸速率的相關(guān)性分析 對(duì)玉米花期的土壤呼吸速率與根際微生物數(shù)量及10cm地溫相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析（表4），結(jié)果表明，玉米花期土壤呼吸速率與根際土壤中3類(lèi)微生物數(shù)量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。且玉米花期10cm地溫與土壤呼吸速率極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。玉米收獲期土壤呼吸速率與根際微生物數(shù)量相關(guān)關(guān)系與玉米花期表現(xiàn)一致，土壤呼吸速率隨著三大類(lèi)根際土壤微生物數(shù)量的增加而降低，但是均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。但是土壤呼吸速率與10cm地溫極顯著正相關(guān)（P＜0.01）（表4）。

表3 保護(hù)性耕作下玉米花期和收獲期3類(lèi)土壤微生物數(shù)量的比值Table 3 Ratios among three kinds microorganism in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

表4 玉米花期和收獲期土壤呼吸速率與微生物數(shù)量、10cm地溫之間的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between soil respiration and soil microorganism，and 10cm ground temperature in maize anthesis and harvesting stage

3 討論

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要過(guò)程，也是土壤碳庫(kù)的主要輸出途徑。本研究測(cè)定了保護(hù)性耕作10年后玉米田的土壤呼吸速率，結(jié)果表明，免耕和秸稈還田均能顯著降低土壤呼吸速率，這與眾多研究［8，12-14］在不同試驗(yàn)條件下所得到的結(jié)論一致，主要是因?yàn)檗r(nóng)田秸稈還田后，在地面和空氣之間形成了一個(gè)疏松的隔離層，切斷了土壤與大氣的直接聯(lián)系，阻擋了土壤水分向大氣的自由逸散，通過(guò)深松蓄水保墑，有效改變了土壤濕度狀況，從而減少土壤干濕交替變化，導(dǎo)致土壤呼吸量降低［15］。當(dāng)土壤受到耕作擾動(dòng)時(shí)，土壤耕層通透性得到改善，土壤有機(jī)質(zhì)加速分解，土壤呼吸速率也隨之加快［16］。在玉米花期，秸稈和耕作的交互作用顯著影響了土壤呼吸速率，說(shuō)明免耕和秸稈還田措施同時(shí)使用，并不是簡(jiǎn)單的疊加效應(yīng)。同時(shí)呼吸速率對(duì)溫度高度敏感，在多種不同類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤呼吸速率往往都是隨土壤溫度增加而增大［6，17］。本研究也發(fā)現(xiàn)，10cm地溫和土壤呼吸速率在不同處理下變化趨勢(shì)一致，達(dá)到極顯著正相關(guān)，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)。

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分（C、N、P、S等）轉(zhuǎn)化和循環(huán)的重要組分［18］，在一定程度上支配著通過(guò)土壤呼吸所進(jìn)行的C釋放［19-20］。通常情況下，真菌首先分解凋落物，隨著細(xì)菌數(shù)量的增加，細(xì)菌的分解功能加強(qiáng)，同時(shí)分解真菌死亡的菌絲，而放線菌則對(duì)土壤中腐殖酸的形成起著重要作用［21］。保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作相比，顯著增加了根際土壤細(xì)菌、真菌和放線菌三大類(lèi)微生物的數(shù)量，主要由于免耕和秸稈還田可以減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，營(yíng)造一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的微生物生態(tài)系統(tǒng)，從而有利于土壤微生物的生長(zhǎng)與繁殖。土壤呼吸作為衡量土壤生物活性的指標(biāo)，一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力［22］，但是通過(guò)微生物數(shù)量與土壤呼吸的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸和10 cm地溫極顯著正相關(guān)，與根際土壤中細(xì)菌、真菌以及放線菌的數(shù)量無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明溫度可能是影響土壤呼吸的主要因子。這與不同刈割年限天然草地上的研究結(jié)果［23］不同，原因是土壤環(huán)境非常復(fù)雜，土壤呼吸是一種復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，受到多種因素的影響。土壤呼吸組分中，約50%來(lái)源于活根和菌根的呼吸，40%來(lái)源于新碳的分解，僅10%左右來(lái)源于不易分解的碳［8，12，24-25］，其中植物的根系呼吸是土壤呼吸中最重要的一部分，玉米根際呼吸占土壤呼吸比例為91%～95%［26］，微生物呼吸僅占很小一部分。因此，本研究中土壤微生物和土壤呼吸沒(méi)有顯著的相關(guān)性，也可能與研究地點(diǎn)的地理位置、氣候、環(huán)境條件等之間的差異有關(guān)，因此，仍需對(duì)根系呼吸以及其他環(huán)境因子做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，傳統(tǒng)耕作（T處理）土壤呼吸速率在玉米花期和收獲期均顯著高于其他各保護(hù)性耕作措施（TS、NT和NTS處理）。免耕和秸稈還田均能顯著地降低土壤呼吸速率以及10cm處地溫，表現(xiàn)出顯著的耕作和秸稈效應(yīng)。免耕和秸稈還田能不同程度地提高玉米各生育期根際土壤中細(xì)菌、真菌以及放線菌的數(shù)量，但各時(shí)期三大類(lèi)微生物數(shù)量的比值在不同處理下保持一致。玉米各生育期下，土壤呼吸速率與10cm地溫極顯著正相關(guān)，但呼吸速率和根際土壤中細(xì)菌、真菌以及放線菌的數(shù)量均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。

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