免耕覆膜增加中度鹽堿土團(tuán)聚體有機(jī)碳和微生物多樣性

盧 闖，張宏媛，劉 娜，張曉麗，逄煥成，李玉義※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081； 2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097）

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處中國(guó)西北干旱區(qū)，由于特殊的地理環(huán)境和氣候條件，該地區(qū)鹽漬土分布范圍廣、面積大，約39.4×104hm2。依托黃河水灌溉的便利，大水洗鹽成為該地區(qū)主要的鹽堿地改良措施，但由于灌排系統(tǒng)不健全，地下水位極易上升，造成土壤次生鹽漬化，嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。受地下水位和氣候變化的影響，區(qū)域土壤鹽分呈現(xiàn)“春積秋返”的季節(jié)性變化特征，對(duì)此，灌區(qū)大多采用“春耕春灌、秋翻秋澆”的耕作灌溉方法來調(diào)控積鹽[2]，這種耕作方法對(duì)于鹽荒地開墾和重度鹽堿地脫鹽具有重要作用[3]；然而，對(duì)于已經(jīng)熟化的土地，連年頻繁翻耕不僅增加了人力、時(shí)間和機(jī)械成本，也導(dǎo)致了土壤結(jié)構(gòu)變差、碳庫容量降低、微生物量下降等土壤質(zhì)量問題[4]，而且在灌水量大、風(fēng)速快的河套地區(qū)，連年翻耕后土壤抗蝕性減弱，易發(fā)生水蝕和風(fēng)蝕，進(jìn)一步降低耕地質(zhì)量[5]。如何科學(xué)合理的利用鹽漬土資源，在控制鹽分的同時(shí)提升土壤質(zhì)量、改善土壤生態(tài)功能，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

免耕由于減少了對(duì)土壤的擾動(dòng)，在保持水土、培肥土壤、減緩?fù)寥劳嘶确矫婢哂休^大潛力[6]，鹽堿地區(qū)免耕措施對(duì)于改善農(nóng)田土壤水鹽狀況和生態(tài)環(huán)境有較為明顯的促進(jìn)作用，也可以促進(jìn)鹽堿障礙農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳的積累[7-8]；近年來國(guó)內(nèi)將旱地免耕技術(shù)運(yùn)用到西北鹽堿地區(qū)，并在生產(chǎn)中摸索出了免耕“一膜兩用”耕作方法，即通過重復(fù)利用上茬作物收獲后保留的地膜直接免耕播種，這種方法可有效減少地膜殘留、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作物產(chǎn)量，具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益[9-10]，然而目前研究多強(qiáng)調(diào)地膜本身的保溫保墑作用，免耕措施對(duì)鹽堿土壤理化性質(zhì)的調(diào)控效應(yīng)尚不明確。

土壤微生物因其對(duì)土壤環(huán)境的高敏感性而常被用來反映土壤質(zhì)量，有研究表明免耕措施能夠提高微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)[11]，還有研究表明免耕顯著提高了疣微菌門、浮霉菌門、儉菌總門細(xì)菌相對(duì)豐度[12]，在黃土高原研究表明地膜覆蓋提高了真菌菌落數(shù)但降低了細(xì)菌的多樣性和豐富度[13]。鹽堿土壤生態(tài)環(huán)境脆弱，微生物對(duì)不同管理措施可能會(huì)有不同反映，但目前關(guān)于鹽堿土微生物的研究多集中于不同鹽堿化程度對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及組成的影響[14]，針對(duì)免耕覆膜措施下的土壤微生物特征研究未見報(bào)道，因此，本研究基于連續(xù)5 a的田間定位試驗(yàn)，以傳統(tǒng)的翻耕不覆膜措施為對(duì)照，研究了試驗(yàn)第5 年免耕地膜覆蓋后的土壤水鹽分布、團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、團(tuán)聚體有機(jī)碳、微生物區(qū)系等指標(biāo)變化，以期為河套灌區(qū)鹽堿地制定科學(xué)有效的土壤耕作方式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)義長(zhǎng)灌域管理局試驗(yàn)站，試驗(yàn)區(qū)地處41°04′N，108°00′E，海拔1 022 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年降雨量124～222 mm，年蒸發(fā)量2 346～2 999 mm。2015 年試驗(yàn)區(qū)總降水量為124.3 mm，向日葵生育期內(nèi)總降水量64.2 mm，生育期蒸發(fā)量1 080 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粉砂壤土，按鹽土分類為氯化物-硫酸鹽土，試驗(yàn)開始時(shí)0～40 cm 土壤含鹽量為2.88 g/kg，pH 值8.11，0～40 cm 土壤容重為1.45 g/cm3，0～40 cm 土層有機(jī)質(zhì)9.54 g/kg，全氮0.53 g/kg，堿解氮31.89 mg/kg，速效磷3.11 mg/kg，速效鉀 116.42 mg/kg。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深變幅為1.10～1.70 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2010 年10 月至2015 年10 月開展了連續(xù)5 a 的定位試驗(yàn)，共設(shè)4 個(gè)處理，分別為：CT（翻耕不覆蓋地膜），CTP（翻耕+地膜覆蓋），NT（免耕不覆蓋地膜），NTP（免耕+地膜覆蓋），每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)。試驗(yàn)在田間微區(qū)進(jìn)行，每個(gè)微區(qū)面積2 m×2 m=4 m2。微區(qū)于2010 年10月修建，先將各微區(qū)四周開槽深挖至1 m 處，用雙層塑料布阻隔，中間在用土填實(shí)空隙保證微區(qū)間的獨(dú)立性。微區(qū)建成時(shí)＞60～100 cm 土層含鹽量相對(duì)一致，為保證試驗(yàn)條件的一致性，將0～40 cm 土層含鹽量通過人工方法調(diào)至4 g/kg，調(diào)鹽方法為2010 年秋灌前在每個(gè)微區(qū)取8 個(gè)0～40 cm 土樣，混合后測(cè)定其含鹽量作為基礎(chǔ)值，根據(jù)基礎(chǔ)值和目標(biāo)值差值將鹽結(jié)皮均勻撒在地表，并用耙子擋平。

2011—2015 年試驗(yàn)期間，每年5 月中旬，翻耕處理人工用鐵锨深翻25 cm，模擬傳統(tǒng)翻耕措施，免耕處理不進(jìn)行翻耕；地膜覆蓋處理，用70 cm 寬的農(nóng)用塑料薄膜覆蓋，每個(gè)小區(qū)覆2 條膜帶，膜間距20 cm，膜間地表裸露。春季灌水量統(tǒng)一為1 800 m3/hm2，灌溉水源為黃河水（礦化度為0.58 g/L、pH 值 8.23）；播前條施底肥，施入尿素（含N 46.4%）270 kg/hm2，磷酸二銨（含P2O545%，N 15%） 300 kg/hm2，硫酸鉀（含K2O 50%）150 kg/hm2，開溝 10 cm 施肥后覆土；供試驗(yàn)作物為食用向日葵（Helianthus Annuus），種植密度4.90×104株/hm2；每年9 月下旬收獲測(cè)產(chǎn)，10 月中旬將各微區(qū)地膜、秸稈、根茬清除，翻耕處理深翻25 cm，免耕處理不進(jìn)行翻耕；統(tǒng)一進(jìn)行秋灌，灌溉定額2 250 m3/hm2；其他田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 取樣方法與數(shù)據(jù)測(cè)定

1.3.1 土壤水分鹽分

春灌前（2015 年5 月25 日）、春灌后（2015 年6 月1 日）和作物收獲后（2015 年9 月24 日）利用土鉆采集每個(gè)微區(qū)土樣，取樣層次為0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm，采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率；土樣烘干后磨碎，過2 mm 篩，以1:5 的土水比提取土壤溶液上清液，利用電導(dǎo)率儀（DDS-307）測(cè)定土壤電導(dǎo)率（μs/cm）。

參考文獻(xiàn)[15]計(jì)算土壤鹽分含量：

式中S 為土壤含鹽量，g/kg；EC1:5為土水比1:5 時(shí)的電導(dǎo)率，μS/cm；0.064 為換算系數(shù)。

計(jì)算灌溉過程鹽分變化率：

式中I 為灌溉過程鹽分變化率，%，正值表示該土層在灌溉過程中積鹽，負(fù)值表示該土層脫鹽；S1為灌水前土壤含鹽量；S2為灌水后土壤含鹽量。

生育期內(nèi)鹽分變化率：

式中G 為作物生育期內(nèi)鹽分變化率，%，正值表示該土層在生育期內(nèi)積鹽，負(fù)值表示該土層脫鹽；S3為作物收獲后土壤含鹽量。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳

水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定，計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量采用外加熱重鉻酸鉀氧化法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 土壤微生物可培養(yǎng)方法分析

在向日葵收獲后（2015 年9 月24 日）采集0～40cm土樣，將土樣放入牛皮紙袋并迅速保存于4℃冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室。稱取5 g 混勻土樣，加入45 mL 滅菌蒸餾水配置成10-1濃度的土壤懸液，用稀釋法依次配置成10-2、10-3、10-4、10-5濃度的土壤懸液，每個(gè)懸液中加入20 粒玻璃珠并震蕩20 min 以使土壤懸液充分混勻。將土壤懸液分別涂布于牛肉膏蛋白胨、高氏Ⅰ號(hào)、馬丁氏培養(yǎng)基中以對(duì)應(yīng)細(xì)菌、放線菌、真菌的篩選培養(yǎng)，在28℃條件下培養(yǎng)3 d 后統(tǒng)計(jì)各平板上菌落數(shù)，以每個(gè)平板上數(shù)目為30～300 為標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的稀釋倍數(shù)，對(duì)放線菌和真菌延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間至7 d，計(jì)數(shù)結(jié)果與培養(yǎng)時(shí)間3 d 的相同。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)所得到的最佳稀釋倍數(shù)，每種培養(yǎng)基做3 個(gè)重復(fù)，在28 ℃培養(yǎng)3 d 后統(tǒng)計(jì)各平板上的菌落數(shù)。

1.3.4 高通量測(cè)序方法分析

高通量測(cè)序方法參見文獻(xiàn)[16-17]，采用OMEGA Z.Z.N.A. Soil DNA Kit 提取各處理土壤中微生物基因組。以稀釋后的基因組DNA 為模板，對(duì)細(xì)菌16S rRNA 基因的V4 區(qū)高變區(qū)DNA 擴(kuò)增采用通用引物515F（序列GTGCCAGCMGCCGCGGTAA ）， 806R （ 序 列GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。PCR 擴(kuò)增體系包括：DNA 模板10 μL，每種引物2 μL，0.4 mmol/L dd H2O 2 μL及Phusion Master Mix(2X)15 μL。PCR 擴(kuò)增條件為98 ℃預(yù)變性1 min，98 ℃變性10 s，50 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，30 個(gè)循環(huán)，最后72 ℃延伸5 min。

根據(jù)PCR 產(chǎn)物濃度進(jìn)行等濃度混樣，充分混勻后使用1×TAE 濃度2%的瓊脂糖膠電泳純化PCR 產(chǎn)物，選擇主帶大小在400～450 bp 之間的序列，割膠回收目標(biāo)條帶。使用Thermo Scientific 公司Gene JET 試劑盒膠回收。使用New England Biolabs 公司的NEB Next? Ultra? DNA Library Prep Kit for I llumina 建庫試劑盒進(jìn)行文庫的構(gòu)建，構(gòu)建好的文庫經(jīng)過Qubit 定量和文庫檢測(cè)，合格后，使用HiSeq 進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。

對(duì)原始數(shù)據(jù)（raw data）進(jìn)行拼接、過濾，去除掉干擾數(shù)據(jù)（dirty data），得到有效數(shù)據(jù)（clean data）。采用分類計(jì)算法以 97%的相似性對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行 OUTs（operational taxonomic units 分類操作單元）聚類和物種分類分析，對(duì)OUTs 進(jìn)行物種注釋。根據(jù)OTUs 聚類結(jié)果，對(duì)每個(gè)OTU 的代表序列做物種注釋，得到對(duì)應(yīng)的物種信息和基于物種的豐度分布情況。同時(shí)，對(duì)OTUs 進(jìn)行豐度、Alpha 多樣性計(jì)算等分析，得到樣品內(nèi)物種豐富度和均勻度信息、不同樣品或分組間的共有和特有OTUs 信息等。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 office excel2013 進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理，采用Spss13.0 進(jìn)行方差分析，使用CANOCO5.0 軟件進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)與細(xì)菌群落組成的主分量分析（principal component analyses）以及對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和細(xì)菌群落多樣性進(jìn)行了冗余分析（redundancy analyses）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水鹽分布

2.1.1 土壤水分

2014 年秋澆后至2015 年春灌前，試驗(yàn)區(qū)土壤水分以蒸發(fā)上行為主，期間各處理均未覆蓋地膜。如圖1a 所示， 2015 年春灌前，免耕處理（NT、NTP）0～40 cm 土壤平均含水率略低于翻耕處理（CT、CTP）但無顯著差異，在＞40～60 cm 土層，免耕處理平均含水率較翻耕高5.60%（P<0.05），在60～80 cm 土層各處理無顯著差異。春灌后（圖1 b），各處理0～40 cm 土壤含水率差異不大，且從地表向地下均表現(xiàn)為先升高后降低趨勢(shì)，但最高點(diǎn)所在土壤層次不同，免耕處理（NT、NTP）＞40～60 cm層次土壤含水率最高，相對(duì)翻耕提高了5.10%，翻耕處理最高點(diǎn)出現(xiàn)在＞60～80 cm，在＞80～100 cm 土層，免耕處理平均含水率比翻耕高5.18%。

土壤水分經(jīng)作物生長(zhǎng)季節(jié)（6—10 月）強(qiáng)烈蒸發(fā)，至作物收獲后，處理間含水率差異顯著（圖1 c），在0～40 cm 土層，含水率排序及差異（“>”前后處理差異顯著，P <0.05；“( )”內(nèi)處理差異不顯著，P > 0.05，下同）為CTP > (NTP、CT) > NT，NTP 和CT 處理無顯著差異。相同覆膜條件下，CTP 處理較NTP 顯著提高了8.86%（P<0.05），不覆膜時(shí)CT 處理較NT 顯著提高6.92%；在翻耕和免耕2 種耕作方式下，覆膜均提高了土壤含水率，相對(duì)不覆膜分別提高了6.61%、4.71%；60～100 cm 土壤含水率差異和0～40 cm 層次相反，免耕處理高于翻耕。

圖1 2015 年灌溉前后及收獲后剖面土壤含水率 Fig.1 Soil water content in soil profiles under different treatments before irrigation, after irrigation, and at harvest in 2015

2.1.2 土壤鹽分

如圖2a 所示，2015 年春灌前，CT 處理含鹽量除在＞20～40 cm 土層與CTP 無顯著差異外，在1 m 土體內(nèi)的其他土層均顯著高于其他處理（P<0.05），0～20 cm 土壤含鹽量高達(dá)8.29 g/kg；CTP 處理0～20 cm 土壤含鹽量也顯著高于NT 和NTP，說明在冬春季節(jié)翻耕處理地表積鹽強(qiáng)烈；免耕處理（NT、NTP）間無顯著差異，0～40 cm土壤平均含鹽量分別較CT、CTP 降低36.53%、11.66%；CTP、NT、NTP 含鹽量在＞40～100 cm 土層無顯著差異。

春灌后CT 處理各土層含鹽量最高（P<0.05）（圖2 b），免耕處理（NT、NTP）含鹽量差異不大， 0～40 cm 土層 平均含鹽量為2.70 g/kg，較CT 處理低25.27%，但較CTP高13.15%（P<0.05）；表1 顯示了灌溉前至灌溉后(5 月25 日—6 月1 日)各土層含鹽量變化率（正值為積鹽，負(fù)值為脫鹽），在0～20 cm 土層，CT、CTP、NT、NTP 處理土壤鹽分變化率分別為-44.97%、-51.40%、-34.55%、-39.41%，均呈脫鹽狀態(tài)，在＞20～40 cm 土層，僅CTP處理有脫鹽效果，在＞60～100cm 土層，各處理均表現(xiàn)為積鹽，翻耕處理土壤積鹽高于免耕，這是由于更多耕層鹽分被淋洗至深層所致。

收獲后，各處理鹽分剖面分布（圖2 c）及播種至收獲各土層鹽分變化率（表1）不同，CT、CTP 和NT 處理土壤含鹽量隨土層加深有降低趨勢(shì)，NTP 在1 m 土體內(nèi)含鹽量變化不大。從不同層次來看，0～20 cm，CT 處理積鹽率高達(dá)99.16%，翻耕覆膜可極顯著的控制鹽分表聚，CTP處理積鹽率降為26.33%，NT 處理雖未覆膜，含鹽量略高于CTP 處理，但積鹽率較低，為21.18%，NTP 處理含鹽量最低（P＜0.05），鹽分變化率-6.26%，即表層土壤在生育期內(nèi)脫鹽；20～40 cm 土層含鹽量排序及差異為CT > CTP > (NT、NTP)，鹽分變化率分別為48.89%、55.14%、4.71%、3.64%；總體上免耕抑制了0～40 cm 土層生育期內(nèi)返鹽，NT、NTP 含鹽量分別較CT、CTP 降低52.44%、20.65%。在＞40～60 cm 土層，CT、CTP、NT、NTP 處理鹽分變化率分別為-4.4%、-36.95%、4.43%、23.85%，翻耕使得更多鹽分上行到耕層，因此在＞40～60 cm 土層內(nèi)表現(xiàn)為脫鹽，而免耕處理上行鹽分較少，在＞40～60 cm 表現(xiàn)為積鹽。＞60～100 cm，翻耕處理的脫鹽率較高，相對(duì)免耕提高7.72～47.50 個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 2015 年灌溉前后及收獲后各處理剖面土壤含鹽量 Fig.2 Soil salt content in soil profiles under different treatments before irrigation, after irrigation, and at harvest in 2015

表1 2015 年灌溉前至灌溉后（05-25—06-01）及向日葵播種至收獲（06-01—09-24）各處理剖面鹽分變化率 Table1 Change ratio of soil salt content in soil profiles under different treatments during irrigation(05-25—06-01) and at growth period (06-01—09-24) in 2015 %

2.2 團(tuán)聚體有機(jī)碳

由表2 可以看出，2015 年收獲后，0～40 cm 層次土壤粒徑＜0.25 mm 的微團(tuán)聚體含量占比最大，NTP 處理土壤微團(tuán)聚體含量顯著低于CT 和CTP 處理（P<0.05），在2 種耕作方式下，覆蓋地膜對(duì)土壤微團(tuán)聚體含量均無顯著影響；＞0.25 mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體數(shù)量較少，總體來看免耕（NT、NTP）平均較翻耕（CT、CTP）提高53.41%，其中免耕＞0.5～1 mm 粒徑團(tuán)聚體較翻耕顯著提高56.91%（P<0.05），＞1 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序?yàn)镹TP > NT > (CT、CTP)，NTP 和NT 分別較翻耕處理提高160.64%、86.17%（P<0.05），此外，免耕條件下覆膜利于＞1 mm 粒徑團(tuán)聚體形成，NTP 處理較NT 提高40%（P<0.05）。

表2 不同處理0～40 cm 土層土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù) Table 2 Aggregates content in 0～40 cm soils under different treatments %

不同耕作方式下，0～40 cm 土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量如表3 所示，免耕對(duì)＞0.5 mm 粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有顯著提升作用，其中免耕對(duì)＞2 mm 粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳提升幅度最高，NT 處理較CT 顯著提高72.61%，NTP 較CTP顯著提高60.57%（P<0.05）；不同耕作方式下＜0.25 mm 微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異顯著，其中NT 處理較CT 顯著提高了9.65%（P<0.05），NTP 處理較CTP 顯著提高了10.62%。翻耕條件下地膜覆蓋對(duì)＞1～2 mm 粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳影響顯著，CTP 處理較CT 提高了40.12%（P<0.05）。

表3 不同處理0～40 cm 土層各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) Table 3 Content of organic carbon in aggregate under different treatments (g·kg-1)

處理間0～40 cm 土壤總有機(jī)碳含量差異顯著，總體排序?yàn)?NTP、NT) > CTP > CT，NT處理較CT顯著提高16.44%（P<0.05），NTP 處理較CTP 顯著提高15.48%（P<0.05）；在免耕條件下地膜覆蓋對(duì)總有機(jī)碳無顯著影響，而翻耕條件下CTP 處理較CT 顯著提高了7.46%（P<0.05）。

2.3 土壤微生物區(qū)系

2.3.1 可培養(yǎng)微生物數(shù)量

收獲后0～40 cm 土層土壤可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量處理間差異顯著，總體排序?yàn)镹TP > (NT、CTP) > CT（表4），NT和CTP 處理無顯著差異，在覆蓋和不覆蓋地膜2 種條件下免耕處理比翻耕分別顯著提高 18.98%、44.79%（P<0.05），在翻耕和免耕2 種耕作方式下覆膜比不覆膜分別顯著提高42.71%、17.26%；處理間可培養(yǎng)放線菌數(shù)目與細(xì)菌差異不同，排序?yàn)?NTP、CTP) > NT > CT，地膜覆蓋下放線菌數(shù)目顯著提高，可見放線菌更易受地膜覆蓋的影響；各處理真菌數(shù)目排序?yàn)镹TP > CTP > NT > CT，各處理差異均達(dá)到顯著水平。

表4 不同處理0～40 cm 土層土壤微生物數(shù)量 Table 4 Number of microorganism in 0~40 cm soils under different treatments （106 cfu·g-1）

相關(guān)性分析表明（表5），作物收獲后土壤可培養(yǎng)細(xì)菌菌落數(shù)和土壤含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與＞0.25 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤總有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；放線菌菌落數(shù)僅和土壤含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)；真菌則與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性均不顯著。

2.3.2 土壤細(xì)菌多樣性

微生物多樣性是一個(gè)群落穩(wěn)定性的標(biāo)尺，反映環(huán)境的生態(tài)機(jī)制和外界脅迫對(duì)群落的影響。通過表6 所示的不同處理土壤樣品細(xì)菌多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同處理豐富度（ACE 指數(shù)和Chao1 指數(shù)）無顯著性差異，NTP 處理Shannon 指數(shù)則顯著高于CT 和CTP 處理， 由土壤理化性質(zhì)參數(shù)與細(xì)菌群落組成的主分量分析（圖3 a）可知，第一、第二主軸貢獻(xiàn)率分別為77.34%、13.87%。相同處理的土壤都聚集在一起，NT 和NTP 處理的土壤較為接近，土壤水分、土壤鹽分、＞0.25 mm 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤有機(jī)碳4個(gè)因子變量覆蓋了91.21%的土壤環(huán)境信息，通過對(duì)不同處理土壤細(xì)菌群落多樣性與土壤環(huán)境關(guān)系冗余分析（圖3b）發(fā)現(xiàn)，第一、第二主軸解釋比例分別為87.17%、2.1%，4 個(gè)理化因子總共解釋了89.27%的群落變化，影響順序依次為土壤有機(jī)碳>大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)>土壤水分>土壤鹽分，土壤有機(jī)碳和大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微生物群落的Shannon 指數(shù)呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性，分別解釋了50.9%、29.4%的群落變化。

表5 0～40 cm 土層理化性質(zhì)與可培養(yǎng)微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù) Table 5 Correlation analysis between culturable microorganisms and soil properties in 0-40 cm layer

表6 不同處理0～40 cm 土層土壤樣品細(xì)菌多樣性指數(shù)與豐富度指數(shù)差異 Table 6 Microbial abundance and diversity in 0-40 cm layers under different treatments

2.3.3 門水平細(xì)菌相對(duì)含量

門水平分析鑒定出46 個(gè)菌門（圖4），其中已被鑒定的序列中排名前10 的優(yōu)勢(shì)菌門為Proteobacteria（變形菌門，36.99%～49.65%）、Actinobacteria（放線菌門，11.36%～17.23%）、Acidobacteria（酸桿菌門，6.27%～12.16%）、Bacteroidetes （ 擬 桿 菌 門， 4.67% ～13.43% ） 、Gemmatimonadetes（芽單胞菌門，3.80%～5.08%）、Chloroflexi（綠彎菌門，2.46%～5.92%）、Planctomycetes（浮霉菌門，1.71%～4.37%）、Firmicutes（厚壁菌門，2.96%～12.31%）、Thaumarchaeota（奇古菌門，1.07%～1.64%）、Nitrospirae（硝化螺旋菌門，0.92%～1.14%），前10 的菌門序列數(shù)占總序列數(shù)的90.68%～94.71%。不同處理微生物門組成相似，但相對(duì)豐度有明顯差異，免耕處理顯著降低了變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門3 個(gè)菌門的相對(duì)豐度，顯著提高了放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、奇古菌門5 個(gè)菌門的相對(duì)豐度；地膜覆蓋和耕作具有一定的交互作用，在翻耕條件下，地膜覆蓋顯著降低了變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門4 個(gè)菌門相對(duì)豐度，顯著提高了擬桿菌門和厚壁菌門2 個(gè)菌門相對(duì)豐度；免耕條件下和翻耕相反，地膜覆蓋顯著提高了酸桿菌門、綠彎菌們、浮霉菌們、厚壁菌門4 個(gè)菌門相對(duì)豐度，顯著降低了變形菌門和擬桿菌門2 個(gè)菌門的相對(duì)豐度。

圖3 土壤理化性質(zhì)與細(xì)菌群落組成的主分量分析及與細(xì)菌群落多樣性的冗余分析 Fig.3 Principal component analyses (PCA) of bacterial community composition in soils from different treatments and redundancy analyses (RDA) of correlations between soil parameters and bacterial community diversity

圖4 不同處理0～40 cm 土層細(xì)菌群落門水平優(yōu)勢(shì)物種 Fig.4 Dominant bacterial community species in phylum level in 0～40 cm layer under different treatments

3 討 論

灌溉過程中的土壤水鹽運(yùn)動(dòng)受土壤質(zhì)地、水分入滲、溶質(zhì)淋洗效率等多種因素影響，有研究表明翻耕可提高土壤的飽和導(dǎo)水率，而免耕土壤緊實(shí)度高，雨季時(shí)不利于水分入滲[18-19]。本研究中，春灌后翻耕和免耕土壤含水率剖面分布差異較大，這可能和水分入滲速率不同有關(guān)，水分分布的不同勢(shì)必也會(huì)引起溶質(zhì)運(yùn)移的差異，從春灌前后的鹽分變化來看，翻耕土壤在0～20 cm 土層的脫鹽率高于免耕土壤，而＞40～80 cm 積鹽率較高，這是因?yàn)榉幚矸D(zhuǎn)土層并破碎土塊暴露了更多鹽分，使其易被淋洗[20]，另一方面翻耕土壤易于水分入滲，更多表層鹽分被淋洗至深層，可見在春灌階段，翻耕促進(jìn)了表層土壤脫鹽，為作物苗期生長(zhǎng)創(chuàng)造有利環(huán)境。

作物生育期內(nèi)水鹽以蒸發(fā)上行為主，深層水分及其攜帶的鹽分通過毛管作用上升，在補(bǔ)給耕層水分的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生鹽害，影響作物籽粒形成[21-22]。減少水分蒸發(fā)或改變水鹽上行通道均可抑制鹽分表聚。地膜覆蓋是保水控鹽的有效措施，CT 處理頻繁翻耕而且常年不覆蓋地膜，在經(jīng)過連續(xù)4 a（2011—2014 年）的水分入滲、潛水蒸發(fā)、凍融交替作用后，CT 處理0～100 cm 土體鹽分積累總量較大，作物生育期0～20 cm 土壤積鹽率高達(dá)99.16%，而CTP 處理在該層次的積鹽率為26.33%，這說明在翻耕農(nóng)田地膜的作用不可忽視；地膜對(duì)免耕土壤同樣具有保水控鹽效果，作物收獲后NTP 處理未出現(xiàn)鹽分表聚，且0～40 cm 土壤含水率較NT 提高了4.71%，此外，NTP 處理在0～40 cm 土層的鹽分變化率小于NT 處理。有研究表明，免耕可減少1 m 土體累積蒸發(fā)量[23]，本研究中免耕土壤收獲后0～40 cm 土層水鹽含量較低，其中NT 處理雖未覆膜，但0~40 cm 土層生育期積鹽率低于CTP 處理，這可能和免耕下0～30 cm 土壤容重的增加影響毛管水運(yùn)動(dòng)有關(guān)，鐘韻等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重與毛管水補(bǔ)給量、毛管水上升高度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在河套灌區(qū)缺少關(guān)于此方面的研究，同時(shí)，免耕作用下土壤孔隙和導(dǎo)水率也會(huì)發(fā)生變化[25]，因此，下一步還需要加強(qiáng)不同質(zhì)地鹽堿土壤上免耕對(duì)土壤孔隙、導(dǎo)水率和水鹽運(yùn)移的影響及相互關(guān)系研究。翻耕處理在生育期內(nèi)鹽分上行較多，可能是在本試驗(yàn)區(qū)土壤條件下，土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)差，經(jīng)過翻耕灌溉后土壤微團(tuán)聚體增多，微團(tuán)聚體內(nèi)部和之間的毛管孔隙組成水鹽運(yùn)移通道[26]，使得春季和作物生育期內(nèi)鹽分表聚嚴(yán)重。

受高鹽濃度和堿化度等多重因素影響，鹽堿土壤往往理化性質(zhì)惡劣，高電動(dòng)電位使土粒分散并降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性，人為的頻繁翻耕又會(huì)進(jìn)一步破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤抗蝕性，增加土壤有機(jī)碳損失。濱海鹽漬土研究表明，免耕措施使0～10cm 土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加9.3%，并顯著增加0～20 cm 土壤團(tuán)聚體MWD 和GMD值[27]，免耕還可以增加土壤有機(jī)碳量[28]。本研究結(jié)果同樣表明，免耕顯著提高了＞0.5 mm 粒徑的大團(tuán)聚體含量，降低了＜0.25 mm 粒徑的微團(tuán)聚體含量，同時(shí)總有機(jī)碳含量也顯著增加，這是因?yàn)槊飧环矫嫱ㄟ^減少干擾降低了土壤碳的分解，另一方面促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)碳的固持[29]。覆蓋地膜對(duì)土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳可能提高、降低或沒有影響[30-31]，地膜在翻耕和免耕土壤上的作用效果有所差異，在翻耕土壤上，地膜僅提高了＞0.25～0.5 mm 粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在免耕土壤上，地膜有利于促進(jìn)＞1 mm 粒徑團(tuán)聚體形成，可能是因?yàn)榈啬じ采w減小了免耕土壤干濕交替強(qiáng)度，改變了土壤團(tuán)聚體的再分配[30]；從總有機(jī)碳含量來看，地膜在翻耕土壤作用顯著，CTP 處理較CT 顯著提高了7.46%，這主要是因?yàn)镃T 處理鹽分較高，產(chǎn)生鹽害抑制了作物生長(zhǎng)，減小了根生物量及根際碳沉積等外源有機(jī)碳的輸入。本試驗(yàn)區(qū)土壤結(jié)構(gòu)較差，在連續(xù)免耕覆膜后，土壤結(jié)構(gòu)仍以微團(tuán)聚體為主，單靠耕作措施對(duì)鹽堿地的改良作用有限，考慮到土壤質(zhì)量的進(jìn)一步提升，有必要配合以秸稈深還、耕層培肥等其他農(nóng)藝措施，篩選能夠快速改善土壤培肥地力的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。

土壤微生物數(shù)量是反映土壤總微生物活性的一個(gè)重要參數(shù)，與土壤健康及肥力狀況密切相關(guān)，本研究結(jié)果表明，收獲期土壤可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)目與土壤＞0.25 mm 團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤總有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤含鹽量顯著負(fù)相關(guān)，排序?yàn)镹TP > (NT、CTP) > CT，免耕與覆膜2 種措施均顯著提高了細(xì)菌菌落數(shù)：免耕在控制鹽分的同時(shí)也促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體形成并減少有機(jī)碳分解，為細(xì)菌生長(zhǎng)提供碳源和良好生境，另一方面土壤細(xì)菌群落數(shù)增多，菌絲、細(xì)菌殘?bào)w及其產(chǎn)生的胞外聚合物有利于土壤微團(tuán)聚體膠結(jié)，三者間在相互影響過程中使土壤質(zhì)量逐步提升[29,32]；地膜覆蓋通過降低土壤溶液濃度、調(diào)節(jié)滲透壓促進(jìn)了細(xì)菌菌落生長(zhǎng)。本試驗(yàn)相關(guān)分析表明可培養(yǎng)放線菌菌落數(shù)和土壤含鹽量顯著負(fù)相關(guān)，這和樊金萍等研究結(jié)果一致[33]，處理間排序?yàn)?NTP、CTP) > NT > CT，可見地膜覆蓋對(duì)放線菌菌落數(shù)有較大影響。可培養(yǎng)真菌菌落數(shù)與土壤理化指標(biāo)均無顯著相關(guān)關(guān)系，但處理間差異均達(dá)顯著水平，這可能是因?yàn)檎婢m宜在偏酸性環(huán)境中生長(zhǎng)，受到各種其它因素共同影響。

有研究用高通量法對(duì)鹽堿土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明不同鹽堿脅迫對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性指數(shù)（Shannon 和Simpson）和豐富度指數(shù)（Chao1 和ACE）無顯著影響，并認(rèn)為是演替過程中產(chǎn)生了能夠適應(yīng)鹽漬化環(huán)境的優(yōu)勢(shì)菌群[34]，本研究冗余分析結(jié)果同樣表明鹽分對(duì)細(xì)菌多樣性的解釋力有限（2.6%），有機(jī)碳和大團(tuán)聚體含量則與多樣性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，分別解釋了50.9%、29.4%的多樣性變化，Wang 等[35]利用結(jié)構(gòu)方程模型表征了微生物多樣性影響因素，認(rèn)為團(tuán)聚體能夠解釋68.4%微生物群落變化，其中包括38.97%的直接影響，29.43%的間接影響（土壤有機(jī)碳11.17%，水分10.20%，有效磷8.06%）。NTP 處理Shannon 指數(shù)顯著高于CT 和CTP，但各處理豐富度指數(shù)無顯著差異，免耕覆膜措施主要改變了細(xì)菌群落的均勻性，從不同菌門的相對(duì)豐度（圖4）可以看出，免耕和地膜覆蓋顯著降低了占比較大的變形菌門相對(duì)豐度，其它相對(duì)豐度居中（放線菌門、酸桿菌門）和較?。ㄑ繂伟T、綠彎菌門、浮霉菌們、奇古菌門）的菌門則在免耕和覆膜條件下不同程度提高，這和Zhang 等[12]研究結(jié)果一致，說明有機(jī)碳和大團(tuán)聚體含量的提高更有利于豐度低的菌群生長(zhǎng)繁殖，提高細(xì)菌群落均勻性，其中酸桿菌門具有良好的分解凋落物能力，浮霉菌門可以凈化和改善土壤水環(huán)境，奇古菌門可促進(jìn)土壤氮素循環(huán)，這些菌門豐度的提高有利于健康土壤生態(tài)環(huán)境的營(yíng)造，改善鹽堿地土壤的理化和生物性狀[36]。

4 結(jié) 論

1) 采用不同耕作覆膜措施后的第5 年，免耕較翻耕降低了春灌前和收獲后0～40 cm 土壤含鹽量，地膜在翻耕土壤上的抑鹽作用不可忽視，在免耕土壤覆膜可進(jìn)一步提高抑鹽效果；免耕措施還可提高0～40 cm土壤＞0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，平均較翻耕顯著提高53.41%，其中免耕條件下覆膜可提高40%的＞1 mm 團(tuán)聚體數(shù)量；在覆蓋和不覆蓋地膜條件下免耕均能提高土壤有機(jī)碳含量，分別較翻耕提高15.48%、16.44%。

2）免耕結(jié)合地膜覆蓋顯著提高了0～40 cm 土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌及真菌數(shù)目，并顯著提高細(xì)菌Shannon指數(shù)，土壤有機(jī)碳和＞0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體是提高土壤細(xì)菌群落多樣性的主控環(huán)境因子，分別解釋50.9%、29.4%的群落變化。

綜合考量中度鹽堿土壤理化性質(zhì)和微生物區(qū)系變化，免耕地膜覆蓋是河套灌區(qū)兼顧節(jié)本增效、抑鹽改土、提升土壤質(zhì)量的輕簡(jiǎn)化耕作技術(shù)。