黑河流域保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤微生物量碳、氮和有機(jī)質(zhì)的調(diào)控

張 鳳 云

(1.菏澤學(xué)院 資源與環(huán)境系， 山東 菏澤 274000; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，而土壤微生物是土壤中活的有機(jī)質(zhì)部分，是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)力[1-2]。土壤微生物對(duì)土壤養(yǎng)分對(duì)植物有效性及其在陸地生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)有深刻的影響。土壤微生物量C(MBC)和土壤微生物量N(MBN)作為表征土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動(dòng)的重要參數(shù)，對(duì)土壤環(huán)境變化極為敏感，被廣泛用于評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量和微生物群落狀態(tài)與功能的變化[3]。研究其變化規(guī)律，對(duì)了解土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)及培肥地力具有重要意義[4]。

黑河流域灌區(qū)水資源短缺、土壤沙化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是中國風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是國家進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。免耕大大減少了對(duì)地表的人為擾動(dòng)，同時(shí)采用秸稈、殘茬或其他植被覆蓋，以減少蒸發(fā)和土壤侵蝕，達(dá)到保土、保水、增肥和改善土壤結(jié)構(gòu)的目的。目前，針對(duì)旱地保護(hù)性耕作的研究主要集中于作物產(chǎn)量[5]、水分效應(yīng)[6]、土壤養(yǎng)分[7]等方面，有關(guān)保護(hù)性耕作實(shí)施后對(duì)土壤微生物量變化的研究相對(duì)較少，在水澆地上的研究則更少。本文以黑河流域?qū)嵤┎煌Ｗo(hù)性耕作措施的農(nóng)田為研究對(duì)象，從土壤微生物學(xué)角度分析保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量及作物產(chǎn)量和水分利用效率(WUE)的影響，旨在揭示保護(hù)性耕作措施對(duì)改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量的微生物學(xué)作用機(jī)制，為該地區(qū)保護(hù)性耕作的適應(yīng)性評(píng)價(jià)、農(nóng)田土壤肥力培育和土地生產(chǎn)力的提高提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2003—2004年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)點(diǎn)甘肅河西走廊的張掖市二十里鋪鄉(xiāng)7號(hào)村進(jìn)行田間試驗(yàn)。該試驗(yàn)區(qū)位于黑河中游東岸，地理坐標(biāo)100°26′E，38°55′N，海拔1 440～1 600 m，屬大陸性干旱氣候地帶，年均溫7.3 ℃，多年平均降水量110 mm，蒸發(fā)量2 291 mm。全年日照時(shí)數(shù)2 800～3 300 h，年太陽輻射 620.03 kJ/cm2，≥10 ℃的年積溫3 000～3 200 ℃，晝夜溫差12～16 ℃，平均凍土深度 120 cm，無霜期148 d。

試驗(yàn)以當(dāng)?shù)刂髟源盒←溒贩N“張春20”為供試作物，3月19號(hào)播種，7月19號(hào)收獲。試驗(yàn)地土壤類型為灌漠土，0—20 cm土層土壤養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)17.36 g/kg，全氮0.77 g/kg，堿解氮49.2 mg/kg，全磷0.014 g/kg，速效磷9.11 mg/kg，速效鉀93.95 mg/kg，陽離子代換量為8.02 cmol/kg，pH值為8.83。

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)，小區(qū)面積192 m2(24 m×8 m)，栽培管理與大田相同。春小麥于3月中旬播種，試驗(yàn)過程中不施用農(nóng)家肥，肥料都用作底肥：純N 213.3 kg/hm2，P2O590 kg/hm2。

表1 保護(hù)性耕作試驗(yàn)處理

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 樣品采集 在小麥?zhǔn)斋@期，各小區(qū)以蛇形取樣法分三層(0—5，5—10，10—20 cm)多點(diǎn)采集混合土樣，一部分過2 mm篩，用無菌封口塑料袋包裝，置于4 ℃冰箱中保存以備測(cè)定土壤微生物量C，N之用；另取部分帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，過0.25 mm篩，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。

1.2.2 土壤微生物量C,N測(cè)定 微生物量C，N(SMBC，SMBN)測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法[8]。將待測(cè)新鮮土樣裝入燒杯，置于25 ℃的黑暗密閉的容器中預(yù)培養(yǎng)7 d，稱取培養(yǎng)后新鮮土樣20 g兩份。一份放入裝有氯仿和堿液的真空干燥器中，用真空泵抽氣至氯仿沸騰，保持氯仿沸騰5 min后關(guān)閉真空干燥器閥門，在25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)24 h，培養(yǎng)后移走氯仿，抽氣直至無氯仿味；另一份以蒸餾水代替氯仿同條件下培養(yǎng)。然后，用0.5 mol/L的K2SO4提取(土∶水=1∶2)浸提30 min。提取液中有機(jī)C的測(cè)定用重鉻酸鉀—硫酸消煮，硫酸亞鐵滴定法[9]；有機(jī)N采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；微生物量C，N根據(jù)下列計(jì)算方法[10]:SMBC=2.64×EC，SMBN=1.85×EN。其中2.64和1.85是轉(zhuǎn)化系數(shù)，EC和EN分別是是熏蒸與未熏蒸土樣K2SO4浸提液中有機(jī)C和有機(jī)N含量的差值。

1.2.3 土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定 采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[11]。

1.2.4 作物耗水量 作物耗水量采用水量平衡法估算[12]。在作物播種前和收獲后，以20 cm為一層采用烘干法測(cè)定2 m土體內(nèi)土壤含水量，并采用如下公式計(jì)算作物耗水量：

ET=SWD+P+I-D+Wg-R

(1)

式中：ET——作物耗水量(mm)； SWD——生育期土壤水分變化量(mm)；P——降雨量(mm)；I——灌溉量(mm)；D——灌溉后土壤水向下層流動(dòng)量(mm)，受土壤結(jié)構(gòu)和灌水量影響，D=αI,α為轉(zhuǎn)換系數(shù)，本試驗(yàn)α取0.1；Wg——深層地下水利用量(mm),當(dāng)?shù)叵滤坏陀? m以下時(shí)，Wg可以忽略；R——地表徑流(mm)。本試驗(yàn)地地下水位9 m，且無地表徑流，Wg和R均可忽略。

1.2.5 產(chǎn)量、水分利用效率 在收獲期，各小區(qū)單打單收，測(cè)定小區(qū)產(chǎn)量，折合單位面積產(chǎn)量。水分利用效率(WUE)的計(jì)算：

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE——水分利用效率(kg/m3)；Y——籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；ET——作物耗水量(mm)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DPS v 6.55分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保戶性耕作對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的影響

保護(hù)性耕作顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)含量(表2)。NPS40，NS40，NPS20和NS20處理0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)較CT分別提高0.29%，6.74%，11.23%和7.62%。在保護(hù)性耕作處理中，隨土層深度增加土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，且留茬高度越大，不同土層之間的差異越大。不同處理間有機(jī)質(zhì)含量20 cm留茬處理>40 cm留茬處理>傳統(tǒng)耕作；相同留茬高度的處理中，壓倒殘茬和不壓倒處理土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化次序不同。

表2 不同耕作措施下的土壤有機(jī)質(zhì) %

2.2 農(nóng)田土壤微生物量C

保護(hù)性耕作顯著影響了農(nóng)田土壤微生物量C的空間分布(表3)。從表3可以看出，保護(hù)性耕作處理土壤微生物量C含量隨著土層的加深明顯降低，與傳統(tǒng)耕作相比，同一土層微生物量C表現(xiàn)不同。耕層0—5 cm土壤微生物量C以NPS40最高，較CT增加44.74%，之后依次為NS20，NS40和NPS20，分別較CT增加42.99%，22.32%和21.43%。在5—10 cm，土壤微生物量C較CT有所降低，其中以NS20下降最多，達(dá)43.08%，與CT之間差異顯著，其次為NPS40，NPS20和NS40，分別較CT下降20.34%，12.90%和1.07%。10—20 cm除NS20外，保護(hù)性耕作其他處理較CT土壤微生物量增大。

表3 不同耕作措施下的土壤微生物量C mg/kg

2.3 土壤微生物量N

表4為不同耕作措施下的土壤微生物量N含量，不同土層土壤微生物量N的變異很大，有明顯的“表聚現(xiàn)象”。保護(hù)性耕作農(nóng)田表層0—5 cm和亞表層5—10 cm土壤微生物量N含量均大于CT，但由于作物和土壤微生物之間N素競(jìng)爭(zhēng)影響了微生物的N同化，在根系密度較大的5—20 cm，土壤微生物量N含量明顯受作物生長的影響，在留茬高度相同的條件下，壓倒處理土壤微生物量N含量低于立茬處理。

對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)與微生物體組分之間的相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物量C之間顯著正相關(guān)(r=0.85，p<0.05)，與土壤微生物量N之間無明顯的相關(guān)關(guān)系(r=0.47,p>0.05)。

2.4 作物產(chǎn)量和WUE

保護(hù)性耕作提高了春小麥的產(chǎn)量。從表5可以看出，NPS20和NPS40增產(chǎn)效果最好，較CT分別增產(chǎn)53.08%和46.59%，與CT之間差異達(dá)到極顯著水平；NS40增產(chǎn)40.81%，差異顯著；NS20較CT增產(chǎn)19.93%，差異不顯著。

表4 不同耕作措施下的土壤微生物量N mg/kg

保護(hù)性耕作增加了作物的耗水量，但不同處理麥田耗水量差異不大(表5)。3月下旬到7月下旬為作物生長季節(jié)，降水較少，蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)烈，土壤水分大量支出。從表5可以看出，保護(hù)性耕作增加了小麥生育期土壤水分支出，保護(hù)性耕作各處理作物生育期耗水量均程度不同地高于CT。

表5 不同耕作措施下的春小麥產(chǎn)量和水分利用效率

保護(hù)性耕作提高了春小麥的水分利用效率(WUE)。NPS20，NS40，NPS40，NS20水分利用效率分別較CT提高58.02%，43.40%，47.27%和23.78%。

3 討 論

研究結(jié)果表明，保護(hù)性耕作增加了農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量，且隨土層深度增加，保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量減小，而傳統(tǒng)耕作各土層之間有機(jī)質(zhì)含量差異不大。該結(jié)果與McQuaid等[13]和Needelman等[14]的研究結(jié)果一致。造成這種現(xiàn)象的可能原因有：一是保護(hù)性耕作表土層較傳統(tǒng)耕作增加的有機(jī)物料為土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]；二是傳統(tǒng)耕作地表有限的秸稈均勻分布在整個(gè)耕層，而保護(hù)性耕作中轉(zhuǎn)化形成的有機(jī)質(zhì)主要分布在土壤表層，減小了土壤微生物和地表有機(jī)物料的接觸面積，從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)礦化速度較慢，有利于表土層有機(jī)質(zhì)的積累[16]。但是并非地表覆蓋量越大土壤有機(jī)質(zhì)含量越大。主要是地表留茬后，雖然增加了土壤有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)來源，但隨著留茬高度的增加，秸稈將更多的太陽輻射反射出去，由此引起的土壤溫度變化反過來又影響了有機(jī)物料的分解，當(dāng)?shù)乇砀采w量過大時(shí)，土壤溫度成為影響有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的決定因素；在相同高度留茬處理中，壓倒處理對(duì)太陽輻射的反射量大于立茬處理，對(duì)土壤溫度的影響更大。

土壤微生物量碳的消長，反映微生物利用土壤碳源進(jìn)行自身細(xì)胞建成并大量繁殖，和微生物細(xì)胞解體使有機(jī)碳礦化的過程[17]。與Wright等[18]在保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤微生物量C含量的研究結(jié)果相同，本試驗(yàn)結(jié)果表明保護(hù)性耕作能顯著提高0—5 cm土層土壤微生物量C，而降低5—10 cm土壤微生物量C。說明保護(hù)性耕作有利于土壤養(yǎng)分調(diào)控，在作物需要養(yǎng)分較少的土層能固結(jié)較多養(yǎng)分，而在作物根系需要較多養(yǎng)分的土層能釋放養(yǎng)分供作物利用。并且由保護(hù)性耕作所引起的土壤微生物量C的變化與土壤含水量的變化有一定程度的一致性。有研究也得出了類似的結(jié)論：土壤微生物與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)[19]。保護(hù)性耕作顯著提高土壤微生物量N含量，且受作物生長的影響，在留茬高度相同的條件下，形成產(chǎn)量越高的處理，土壤微生物量N含量越低。

徐陽春等[20]通過長期定位試驗(yàn)，劉苗等[21]通過對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同施肥措施土壤剖面生物量動(dòng)態(tài)變化研究表明，土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機(jī)碳之間均呈極顯著的正相關(guān)，但本研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物量C之間顯著正相關(guān)，與土壤微生物量N之間無明顯的相關(guān)關(guān)系。這表明土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤微生物量的重要因素，有機(jī)質(zhì)含量高，能夠?yàn)槲⑸镌谶M(jìn)行自身合成與代謝過程中提供足夠的碳源和能源[22]；土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物量C可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的有效指標(biāo)。

保護(hù)性耕作較傳統(tǒng)耕作措施有明顯的增產(chǎn)并提高小麥水分利用效率的作用。20 cm留茬壓倒處理由于其對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量C和N的顯著影響，同時(shí)具有最高的WUE和最好的增產(chǎn)效果，平均WUE和產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作分別增加58%和53%。

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