保護性耕作對土壤團聚體及微生物特性影響研究概況

李 彥，李廷亮，焦 歡，何 冰，高繼偉

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801）

耕作改變土壤孔隙結構，使土壤有機碳氮以及土壤微生物環(huán)境的分布改變，影響土壤有機質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和消耗。因此，耕作一定會對土壤團聚體產(chǎn)生影響。團聚體是土壤有機質(zhì)以及各種膠結劑形成直徑小于10 mm的基本結構單元，它的形成、穩(wěn)定性都與微生物存在密切關聯(lián)。作為土壤肥力的中心調(diào)節(jié)因子，土壤團聚體協(xié)調(diào)土壤水分、肥料、氣體和熱量，保持和穩(wěn)定土壤松散層，對土壤碳氮平衡和各種土壤酶活性有一定的影響。土壤團聚體的變化反映在微生物的活動中，團聚體分布和養(yǎng)分在團聚體中的分布變化與耕作有關。不同團聚體的理化性質(zhì)和養(yǎng)分保持、供應能力均存在差異，這也直接影響了土壤微生物量和多樣性。

筆者在前人研究的基礎上，綜述了不同耕作方式對土壤團聚體和微生物特性的影響，旨在明確耕作措施對農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響原理，為山西采煤塌陷區(qū)地的生態(tài)修復提供理論基礎和技術支持。

1 耕作方式對土壤團聚體結構的影響

1.1 耕作方式對土壤團聚體數(shù)量及分布特征的影響

根據(jù)團聚體的多級團聚形成理論，微團聚體聚合形成較大的聚集體，大團聚體可以分解微團聚體，二者互為基礎、互為消長。通常，＞0.25 mm的大團聚體稱為土壤團粒結構體，團粒結構存在于耕層土壤，其團聚程度與土壤有機碳（SOC）密切相關[1]。聚集體的數(shù)量和質(zhì)量與土壤肥力有很好的一致性。水穩(wěn)性團聚體在穩(wěn)定土體結構和提高耐腐蝕性方面起著重要的作用。目前，土壤團聚體采用干篩分法和濕篩分法進行分類。

不同耕作措施對土壤團聚體大小以及分布狀況具有不同影響。研究表明，與傳統(tǒng)翻耕相比，連續(xù)不同保護性耕作措施（旋耕和免耕）4 a土壤團聚體分布發(fā)生顯著的變化，免耕可促進0～10 cm土層0.25 mm團聚體形成，平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）高于旋耕、翻耕處理[2]。通過在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的研究得出，免耕、免耕覆蓋可增加土壤大團聚體含量，其中，免耕覆蓋處理更容易產(chǎn)生5 mm水穩(wěn)性團聚體[3]。丘陵區(qū)水稻土研究表明，保護性耕作對水稻土中的大團聚體有機碳含量提高有更明顯的作用[4]。其他試驗也均表明，免耕可以促進黏粒團聚，減少微團聚體數(shù)量，增加土壤大團聚體數(shù)量，進而增加有機碳，改善土壤團粒結構[5]。

KASPER等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，少耕有利于水穩(wěn)性團聚體增加。王海霞等[8]對渭北旱塬研究表明，免耕秸稈還田能增加0.25 mm粒級團聚體數(shù)量，還能提高團聚體的穩(wěn)定性，說明秸稈還田能改善土壤結構、提高土壤的穩(wěn)定性，進而提升土壤肥力[9]。原因可能是由于一方面耕作造成機械擾動，破壞了大團聚體結構，暴露出原先被團聚體保護的土壤有機碳，進而加速土壤有機碳分解速率[10]；另一方面秸稈還田增加了有機質(zhì)含量，加速團聚體形成，從而改善了土壤結構狀況[11]。

通過9 a不同耕作定位試驗得出，連年深松對0～20 cm耕層中2 mm團聚體數(shù)量的增加具有更加顯著的作用；隔1 a深松相比于連年深松更有利于0～30 cm土層2 mm團聚體含量和0～40 cm土層0.25～2.00 mm團聚體含量的增加，隔年深松對大團聚體形成與穩(wěn)定具有更加明顯的作用，并減少了微團聚體的含量[12]。通過15 a在豫西丘陵地區(qū)的耕作試驗表明，深松（小麥收獲后間隔60 cm深松30～35 cm）結合小麥秸稈覆蓋措施能夠增加大于2 mm粒級團聚體的相對含量，減少小于0.053 mm粒級團聚體的相對含量[13]。常規(guī)翻耕的耕作頻率高，導致土壤受到劇烈擾動，土壤有機碳礦化速率加快，造成團聚體穩(wěn)定膠結劑的減少，耕層大團聚體的數(shù)量減少，進而降低土壤團聚體團聚度和穩(wěn)定性[14]。

綜合來看，免耕和深松以及深松秸稈覆蓋可以增加不同地區(qū)耕作制度下大團聚體數(shù)量，其中，耕層（0～20 cm）土壤＞0.25 mm粒級團聚體含量增加在免耕處理下作用更加明顯[15]。深松可以提高0～40 cm土層大于2 mm粒級的團聚體含量，同時減少微團聚體數(shù)量。秸稈還田改善了土壤有機質(zhì)狀況，降低了大團聚體的周轉(zhuǎn)速度，促進了團聚體的形成和提高了團聚體的穩(wěn)定性[16-19]。

1.2 耕作方式對土壤團聚體水穩(wěn)性的影響

土壤中大團聚體可分為水穩(wěn)定性和非水穩(wěn)定性2種，其中，各級水穩(wěn)性團聚體的比例可以更好地反映土壤團聚體的質(zhì)量，在提高土壤碳儲量和增強土壤穩(wěn)定性以及保持土壤肥力中具有重要作用。水穩(wěn)性聚集體的穩(wěn)定性由平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）表示，2個指標的數(shù)值越大，表示其穩(wěn)定性越好。

耕作方式對不同土層團聚體的水穩(wěn)定性影響不同。免耕可提高表層水穩(wěn)性大團聚體MWD和GMD的值[20]。也有研究表明，免耕和常規(guī)翻耕在20～40，40～60 cm土層的MWD值無明顯差別[21]。于愛忠等[17]研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層中，免耕秸稈覆蓋措施土壤團聚體MWD值均顯著高于傳統(tǒng)耕作（前茬作物收獲后深耕25 cm，滅茬，耙耱整平，不覆蓋）措施，而20～30 cm土層的則差異不顯著。秸稈還田下，＞0.25 mm土壤粒徑的團聚體百分含量以及MWD和GMD值均最高，表明秸稈還田更能改善土壤結構[9]。田慎重等[22]研究表明，20～30 cm水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性在免耕或免耕秸稈覆蓋下明顯提高，但是在深松處理下顯著降低，0～10 cm土層大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量與穩(wěn)定性在免耕/深松保護性輪耕模式下顯著提高，說明保護性耕作能改善旱地土壤結構，而深松結合翻耕、翻耕結合免耕的輪耕模式由于隔年翻耕對土壤的強烈擾動，對土壤結構改善效果不明顯[23]。土壤的強烈擾動，對土壤結構改善效果不顯著[23]。

總體來看，耕作導致水穩(wěn)定團聚體分布的差異，是由于對耕作深度、擾動造成的影響不同，免耕處理下SOC的積累僅在表層（＜10 cm），秸稈還田對表層的貢獻要大于對亞表層的貢獻[24]，免耕、秸稈還田處理下土壤表層團聚體數(shù)量以及MWD和GMD顯著高于常規(guī)耕作措施，表明保護性耕作對土壤水穩(wěn)性團聚體的分布以及穩(wěn)定性具有更加明顯的促進作用。深松與免耕結合一定程度上提高了表層土壤水穩(wěn)性團聚體數(shù)量，但深松降低了亞表層水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性。

2 耕作方式對土壤微生物特性的影響

2.1 耕作方式對土壤微生物區(qū)系的影響

土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及土壤可持續(xù)生產(chǎn)中起著重要的作用。土壤微生物中的真菌，對大團聚體的形成以及穩(wěn)定性具有重要作用，真菌菌根可有效提高土壤結構和土壤團聚體穩(wěn)定性，在團聚體形成中，微生物種類的作用最大的是真菌。

不同耕作方式對土壤微生物有不同的影響，導致細菌、放線菌和真菌數(shù)量差異較大。研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物的活性和數(shù)量在長期免耕處理下顯著高于翻耕[25]。汪金平等[26]研究發(fā)現(xiàn)，免耕處理下土壤0～5 cm土層細菌和真菌數(shù)量明顯多于翻耕，而放線菌數(shù)量則低于翻耕土壤，5～25 cm土層細菌和放線菌對耕作方式的響應不明顯。李雙喜等[27]研究也表明，免耕措施下，0～5 cm土層細菌數(shù)量大幅增加，明顯高于常規(guī)旋耕，且0～5 cm土層細菌、放線菌和真菌數(shù)量均高于5～20 cm土層。鐘文輝等[28]研究表明，少耕秸稈覆蓋可提高表層土壤細菌總量，增加土壤微生物的多樣性。顧愛星等[29]利用稀釋涂布平板培養(yǎng)法研究表明，秸稈單純覆蓋下土壤微生物總數(shù)增加，細菌、真菌的數(shù)量隨秸稈覆蓋量的增加而增加，而放線菌數(shù)量則無顯著變化。但洪艷華等[30]研究表明，在秸稈還田情況下，土壤中微生物總數(shù)增加不明顯，而有利于耕層土壤中放線菌數(shù)量的增加。LIANG等[31]研究表明，深松可以提高細菌、放線菌以及微生物總量，改善深層土壤的微生態(tài)環(huán)境，進而有利于培肥地力；也有研究表明，在0～20 cm隔年深松與連年深松及傳統(tǒng)翻耕相比，細菌數(shù)量增多；真菌數(shù)量在連年深松的處理下數(shù)量較多；連年深松相對于免耕及傳統(tǒng)翻耕，放線菌數(shù)量較多[32]。

總的來看，耕作方式能改變土壤中水分、養(yǎng)分、溫度和通氣狀況，進而影響微生物生長繁殖。免耕可以明顯增加0～5 cm土層細菌和真菌數(shù)量，而對5 cm以下土壤中微生物總量影響不大。深松較免耕可影響深層土壤微生物環(huán)境，微生物區(qū)系變化與深松頻率有關。

2.2 耕作方式對土壤微生物量的影響

不同耕作措施導致微生物變化不僅表現(xiàn)在微生物區(qū)系上，還表現(xiàn)在微生物生物量碳、氮和磷上。土壤微生物量碳作為土壤有機質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，能表征土壤養(yǎng)分有效狀況和生物活性，進而影響土壤肥力。研究發(fā)現(xiàn)，免耕相對于翻耕可提高表層土壤微生物量碳，降低亞表層微生物量碳。有研究也表明，免耕或少耕處理下土壤微生物量碳含量高于旋耕和傳統(tǒng)耕翻；在0～7.5，0～15 cm土層土壤微生物量碳在免耕秸稈還田處理下明顯高于秸稈不還田；在0～10 cm土層中，秸稈還田麥季保護性耕作可提高土壤微生物生物量碳，因為秸稈還田能夠給微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，為作物提供豐富營養(yǎng)，進而提高根系分泌物的含量，因此，微生物得到了豐富的能源，使得生長繁殖加快、土壤微生物生物量碳含量增加。

微生物生物量氮在土壤養(yǎng)分供應以及有機無機養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著非常大的作用，雖然數(shù)量比較少，但是土壤氮素的一個重要儲備庫。有研究認為，土壤微生物氮含量在免耕處理下顯著高于傳統(tǒng)耕翻，且在0～10 cm土層深度富集。長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，長期保護性耕作顯著增加了0～20 cm土壤微生物氮含量，其中，免耕可提高表土層土壤微生物量氮，表層土中秸稈還田比不還田的微生物量氮的含量高。但免耕覆草、免耕處理微生物量氮含量較傳統(tǒng)耕作顯著增加，因為秸稈覆蓋可提高土壤持水能力，土壤干濕交替趨于緩和，更有利于土壤微生物活動，并且覆蓋可有效降低土壤氮素的揮發(fā)，使土壤中的有效氮相對比較高。

目前，土壤微生物生物量碳、氮的研究相對于微生物生物量磷的研究比較多[33]。微生物生物量磷是土壤微生物生物量的重要組成部分，因其在養(yǎng)分循環(huán)過程中周轉(zhuǎn)快，所以是植物有效磷的主要來源。郭曉霞等[34]研究表明，土壤的微生物量磷含量隨著免耕留茬覆蓋的年限增加而增加，但對土壤微生物生物量磷含量的影響不顯著。也有研究表明，耕作方式對微生物量磷含量變化的影響不明顯，免耕相對于翻耕0～5 cm土層微生物量磷的影響較高，秸稈還田對不同土層土壤微生物量磷有促進作用。

免耕和秸稈還田對土壤微生物量碳、氮的提高有很大促進作用，在微生物量磷方面，免耕與傳統(tǒng)翻耕相比影響差異不顯著，但免耕結合秸稈還田一定程度上能夠提高表層土壤微生物量磷，這2種處理所包含的養(yǎng)分大部分是緩效的，導致微生物分解速率較慢[35]，因為翻耕改進土壤通氣狀況，加快土壤中水分擴散，改變土壤中團粒結構，造成微生物和有機物接觸面積的擴大，使有機質(zhì)的礦化分解加快，微生物生物碳、氮、磷生物量相應減少。翻耕使土壤中微生物的多樣性低于免耕，因為由于土壤大團聚體結構被破壞，使土壤表層碳流失，進而對微生物的分布以及數(shù)量產(chǎn)生影響。綜合來看，免耕、秸稈還田較傳統(tǒng)翻耕能顯著改變土壤微生物構成，同時提高微生物生物量，改善土壤肥力狀況。

2.3 耕作方式對土壤微生物多樣性的影響

一些研究證明，長期保護性耕作對于維持良好的土壤生態(tài)環(huán)境、促進微生物群落演替、提高微生物多樣性具有明顯的作用[36-37]。同時，一些研究也指出，短期耕作處理對土壤微生物群落結構和多樣性并不能產(chǎn)生影響。DONG等[38]通過BIOLOG法獲得培養(yǎng)基 AWCD（Average Well ColorDevelopment），通過AWCD值表征土壤微生物群落的結構變化，結果表明，免耕措施土壤的AWCD值和Shannon多樣性指數(shù)最高，免耕措施提高了土壤中微生物活性以及多樣性。LUPWAYI等[39]采用BIOLOG法對免耕和作物輪作處理下的土壤微生物多樣性和群落結構變化的研究表明，免耕和作物輪作可提高土壤微生物群落多樣性，秸稈還田能顯著提高土壤微生物豐度，秸稈還田結合深翻亦可促進土壤微生物種群結構多樣性。HELGASON等[40]采用PCR-DGGE方法對加拿大3個不同草場進行土壤群落結構分析，得出免耕處理顯著提高了真菌種群多樣性。向新華等[41]研究也表明，免耕與少耕可以顯著提高真菌的多樣性，對細菌多樣性的影響不顯著，同時利用主成分分析得出，少耕和旋松細菌群落具有較高的相似性，而真菌群落結構在免耕、少耕和旋松3種耕作處理存在明顯差異。顧美英等[42]在對沙化土壤微生物多樣性的研究表明，秸稈還田方式顯著提高沙化土壤微生物活性和功能多樣性。

免耕、少耕和秸稈還田等耕作制度，為土壤微生物生長繁殖提供了良好的生境條件，保護了土壤表層的有機質(zhì)，提高了微生物量，同時產(chǎn)生了大量的根系分泌物，提高了微生物種群豐富度，有利于微生物多樣性的提高?？傮w來看，保護性耕作可提高土壤微生物的多樣性，特別是顯著增加了真菌種群多樣性。

3 結論

保護性耕作條件下，土壤團聚體和微生物之間相互依存、相互影響，協(xié)同促進土壤肥力的提升。保護性耕作對團聚體以及微生物特性的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：免耕可提高0～20 cm土壤中＞0.25 mm粒級團聚體含量；深松可提高0～40 cm土層＞2 mm粒級的團聚體數(shù)量；秸稈還田降低了大團聚體的周轉(zhuǎn)速度，進而促進了團聚體的形成和改善大團聚體穩(wěn)定性。免耕、秸稈還田和深松處理下表層土壤的MWD和GMD值均顯著高于常規(guī)耕作措施，對土壤結構改善效果較優(yōu)。土壤中大團聚體中以真菌為主，微團聚體中以細菌為主，保護性耕作可以增加大團聚體的數(shù)量，進而改善微生物區(qū)系。保護性耕作可提高土壤微生物碳、氮、磷量，增加土壤固碳能力和氮庫存儲量，以及微生物多樣性，尤其是真菌群落結構的多樣性。

除耕作方式外，不同施肥處理特別是施有機肥也有利于團聚體的產(chǎn)生及微生物活性的提高，由于土壤肥力特征及生境條件的差異，不同施肥耕作措施對不同粒級團聚體以及微生物特性影響不同，也需進一步探討。另一方面，土壤團聚體與其包含的微生物之間的關系也是一個需要探索的問題，應進一步了解不同粒級團聚體中微生物的組合與分布、微生物之間的差異以及功能、遺傳、基因方面在不同團聚體中的變化，從不同角度了解土壤微生物物種多樣性、遺傳多樣性、結構多樣性和功能多樣性在不同團聚體中的變化，利用分子生物學手段，獲得關于團聚體與微生物特性的全面信息。

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