一年兩作栽培模式下保護性耕作對土壤團聚體及微生物的影響

梁偉 崔德杰 柳新偉 蔣帥 郭曉冬

摘要：保護性耕作可以提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進團聚體的形成。為了研究保護性耕作對土壤團聚體以及土壤微生物量等的影響，在山東省平度市蘭底鎮(zhèn)進行保護性耕作長期定位試驗，設置保護性耕作下的不同施肥處理，分別為：免耕秸稈還田常規(guī)施肥（T1）;免耕秸稈還田減少10%施肥量（T2）;免耕秸稈還田減少20%施肥量（T3）;傳統(tǒng)耕作無秸稈還田（T0）為對照。研究結(jié)果表明：保護性耕作條件下土壤團聚體的穩(wěn)定性都有一定程度的提高，其中T1平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）經(jīng)過干篩處理和濕篩處理分別較傳統(tǒng)耕作T0提高29.8%、26.4%和25.8%、17.2%。土壤各粒徑團聚體的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀均呈現(xiàn)T1>T2>T3>T0的規(guī)律，各粒徑養(yǎng)分貢獻率從大到小依次為>5 mm、2～5 mm、<0.25 mm、?0.5～?1 mm、?0.25～?0.5 mm、1～2 mm。保護性耕作可以有效提高土壤微生物的數(shù)量，T1處理的細菌、真菌、放線菌數(shù)量較T0分別增加27.9%、9.2%、24.5%;微生物量碳、氮、磷分別較T0處理增加38.4%、35.1%、?21.0%。

關(guān)鍵詞：保護性耕作;土壤團聚體;養(yǎng)分貢獻率;土壤微生物

中圖分類號：S157.4?+2文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）01-0098-07

Effect of Conservation Tillage on Soil Aggregates and

Microorganism under Double Cropping Cultivation Mode

Liang Wei， Cui Dejie， Liu Xinwei， Jiang Shuai， Guo Xiaodong

（College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109，China）

Abstract?Conservation tillage can improve soil fertility and structure and promote the formation of aggregate. In order to investigate the influence of conservation tillage on soil aggregates and soil microbial biomass， the long-term fertilization experiment was conducted in Pingdu， Shandong Province . It set four different fertilization treatments including T0（CK， traditional tillage without straw return）， T1（no-tillage， straw return with conventional fertilization）， T2（no-tillage， straw return with reducing fertilizer application by 10%） and T3（no-tillage， straw return with reducing fertilizer application by 20%）.The results showed that the stability of soil aggregates had a certain degree of improvement under the condition of conservation tillage. The mean of weight diameter （MWD） and geometric mean diameter （GMD） through wet sieve processing and dry sieve processing increased by29.8% and26.4%， 25.8%and17.2%compared with T0， respectively. The soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus and available potassium amounts in the soil aggregates with different particle sizes showed as T1>T2>T3>T0， and the nutrient contribution rate of different particle sizes from more to less was >5， 2～5， <0.25， 0.5～1， 0.25～0.5， 1～2 mm， respectively. Conservation tillage could effectively increase the quantity of soil microorganisms. Compared with T0， the amounts of bacteria， fungi and actinomycetes under T1 treatment increased by 27.9%， 9.2% and 24.5%， respectively;the corresponding amounts of microbial biomass C， N and P increased by 38.4%， 35.1% and 21.0%， respectively.

Keywords?Conservation tillage; Soil aggregates; Nutrient contribution; Soil microorganisms

20世紀美國西部和前蘇聯(lián)都曾因不合理的土壤耕作，引起大規(guī)?！昂陲L暴”，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大損失[1]。不合理的耕作會引起土壤肥力失調(diào)，污染加重，并出現(xiàn)土壤侵蝕、鹽堿化、沙化、石漠化及溫室氣體巨量排放等土壤生態(tài)環(huán)境問題，這些均對生態(tài)環(huán)境安全及人體健康帶來不良影響[2-4]。因此，選用合理的耕作方式很有必要。保護性耕作是通過免耕、少耕、地表覆蓋、合理種植等綜合配套措施，從而減少土壤侵蝕，保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，并獲得最大利益的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)[5]?？蓽p少人為活動對土壤的擾動，并且秸稈直接還田可以提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高保水保肥能力，從而有效地利用土壤、水分、養(yǎng)分以及微生物資源進行綜合管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[6-8]。 劉威等[9]研究表明保護性耕作可以提高土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。杜建滔等[10]研究表明，免耕覆蓋水分利用效率最高。趙小蓉等[11]研究表明，保護性耕作可以提高成都平原小麥的產(chǎn)量。

土壤團聚體是土壤養(yǎng)分的貯存庫和各種土壤微生物的生境[12]。一般將大于0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，小于0.25 mm的稱為微團聚體。土壤團聚體的數(shù)量和質(zhì)量可以直接影響土壤的結(jié)構(gòu)和肥力，大團聚體含量越多說明土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是反映土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，MWD、GWD越大，土壤的穩(wěn)定性以及分布狀況越好。土壤團聚體的形成是一個很復雜的過程[13]，包括各種化學、物理、生物過程。有機碳為土壤中很重要的成分，是土壤團聚體形成的重要膠結(jié)劑[14]。耕作方式會影響團聚體的形成，影響大團聚體與微團聚體之間的相互轉(zhuǎn)化和再分布[15]，進而影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗侵蝕能力。張鵬等[16]研究表明，在寧南半干旱區(qū)采用秸稈還田有利于提高土壤團聚體含量。趙亮等[17]研究有機物料對土壤肥力及團聚體穩(wěn)定性的影響結(jié)果表明，土壤團聚體穩(wěn)定性得到了明顯提高。另外，為了保證產(chǎn)量，過量施肥的現(xiàn)象逐漸增多，影響了小麥的持續(xù)性增產(chǎn)，造成土壤板結(jié)，污染了土壤[18]。本研究以常規(guī)耕作為對照，進行不同處理的保護性耕作長期定位試驗，對土壤團聚體穩(wěn)定性、養(yǎng)分含量及微生物量進行分析，以期為一年兩作小麥玉米輪作條件下的保護性耕作提供參考。

1?材料與方法

1.1?試驗區(qū)概況

試驗開始于2009年，地點是山東省平度市蘭底鎮(zhèn)。位于東經(jīng)119°30′～121°00′，北緯35°35′～37°09′。本地氣候類型屬暖溫帶東亞半濕潤季風區(qū)大陸性氣候，四季分明，春季干旱多風、夏季高溫多雨、秋季干旱少雨、冬季寒冷干燥。年平均氣溫11.9℃，年均降水量680 mm。

1.2?供試材料

供試土壤為砂姜黑土，基本理化性狀：土壤容重為1.46 g/cm3?，pH值 6.16、有機質(zhì)含量11.16 g/kg、土壤全氮142.9 mg/kg、速效磷66.29mg/kg、?速效鉀75.73 mg/kg。供試小麥品種為魯麥23，玉米為鄭單958。

1.3?試驗設計及方法

試驗種植制度為冬小麥-夏玉米，已經(jīng)連續(xù)進行8年，設置4個處理，傳統(tǒng)耕作無秸稈還田（T0）;免耕秸稈還田常規(guī)施肥（T1）;免耕秸稈還田減少10%施肥量（T2）;免耕秸稈還田減少20%施肥量（T3）。小麥玉米秸稈均全部還田，小區(qū)面積330 m2?，每處理重復3次。各試驗小區(qū)的施肥與田間管理相同。保護性耕作秸稈粉碎后全量覆蓋、免耕播種;傳統(tǒng)對照移除秸稈，常規(guī)播種。小麥播種量為225 kg/hm2?。玉米播種量為35kg/hm2。?肥料類型為氮磷鉀含量各為15%的復合肥，施肥量為750 kg/hm2?。

1.4?分析方法

樣品采集時間為2017年5月，分析測定次日進行。

團聚體穩(wěn)定性分別用干篩法和濕篩法測定[19]，其余方法采用常規(guī)方法測定。

團聚體土壤養(yǎng)分的貢獻率 =該級團聚體中養(yǎng)分含量×該級團聚體的含量/土壤養(yǎng)分含量×100%

平均重量直徑MWD和幾何平均直徑GMD的計算方法如下：

MWD=∑?n?i=1?XiWi

GMD=exp∑?n?i=1?（Wi lg?X）?∑?n?i=1?Wi

式中，W?i?為在該粒徑范圍內(nèi)土壤團聚體干重占總干重的百分含量，n為篩子的數(shù)目，X?i?為聚集在每種規(guī)格篩子的平均直徑。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件，不同處理間的差異顯著性水平采用LSD法進行檢驗。

2?結(jié)果與分析

2.1?保護性耕作對土壤團聚體的影響

2.1.1對土壤團聚體粒徑分布的影響?干篩法得到土壤中團聚體總量，包括水穩(wěn)性團聚體和非水穩(wěn)性團聚體。濕篩法得到的是水穩(wěn)性團聚體， 可以很大程度影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由圖1A可明顯看出，不同粒徑水穩(wěn)性團聚體的含量分布呈U字型的兩頭高中間低的趨勢，其中<0.25 mm的微團聚體含量最高，超過了團聚體總量的50%，而粒徑在2～5 mm和1～2 mm粒徑的團聚體含量差異不大，含量在3%～7%之間。這與劉威等[9]的研究結(jié)果基本一致。

由圖1B可知，不同處理的土壤水穩(wěn)性團聚體各粒徑間差異性較大，其中T1處理>5 mm的大團聚體含量最高，相比傳統(tǒng)耕作提高36.0%，說明經(jīng)過免耕和秸稈覆蓋處理，顯著增加了土壤中大團聚體的數(shù)量。但隨著化肥施用量的增加，土壤中大團聚體的含量呈現(xiàn)上升趨勢，其中>5 mm和2～5 mm粒徑的大團聚體提高最為明顯。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在合理施肥區(qū)間，化肥的施用量增大，作物的生物產(chǎn)量增加，返還到土壤中的秸稈量增加，增加了土壤中的有機質(zhì)含量，使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導致大團聚體的數(shù)量增加。各處理的土壤團聚體均以>2 mm 粒徑的為主，占總量的47.46%～63.17%。土壤粒徑>1 mm團聚體含量順序是T1>T2>T3>T0，而<?0.25mm的微團聚體則表現(xiàn)為T1

2.1.2?保護性耕作對團聚體穩(wěn)定性的影響?土壤團聚體的穩(wěn)定性通常用團聚體的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）表述。土壤的MWD和GMD越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強[20]。 由表1可以看出，無論是干篩處理還是濕篩處理，各處理土壤的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）均表現(xiàn)為T1>T2>T3>T0。干篩處理下，T1處理的MWD和GMD數(shù)值最大，較T0分別提高29.8%和?26.4%;?濕篩處理下，各處理與傳統(tǒng)耕作T0相比，MWD和GMD數(shù)值都有明顯提升。其中T1的MWD和GMD數(shù)值最大，比T0提高了25.8%和17.2%。原因可能是秸稈還田增加了土壤中的有機質(zhì)含量，從而促進了土壤中大團聚體的形成。隨著施肥量的減少，土壤的MWD和GMD隨之減少，原因可能是減少施肥降低了土壤的肥力，影響了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。干篩處理的數(shù)值遠高于濕篩處理，這是因為濕篩處理時非水穩(wěn)性團聚體分解的結(jié)果造成的。

2.2?保護性耕作對土壤各粒徑團聚體養(yǎng)分含量的影響

2.2.1?對土壤各粒徑團聚體有機質(zhì)含量的影響?由表2可知，隨著土壤團聚體粒徑的減小，土壤有機質(zhì)含量有增加的趨勢。<0.25 mm粒級的團聚體有機質(zhì)含量最高。這是因為粒徑越小，團聚體的比表面積越大，吸附的有物質(zhì)數(shù)量越多。各處理土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為T1>T2>T3>T0。這是由于秸稈覆蓋為土壤提供大量的有機物質(zhì)，從而提高土壤有機質(zhì)含量。伴隨施肥量的減少，土壤中的養(yǎng)分也相對降低，土壤有機質(zhì)含量受到了影響。

2.2.2?對土壤各粒徑團聚體全氮含量的影響?由表3可知，隨著土壤團聚體粒徑的減少，土壤全氮含量有增加的趨勢。<0.25 mm粒級的團聚體全氮含量最高。造成這種情況的原因是，<0.25 mm粒級團聚體具有較大的比表面積，增大了對NH?+4的吸附能力。各處理土壤全氮含量差異顯著，表現(xiàn)為T1>T2>T3>T0。這是由于秸稈還田為土壤提供了一定量的有機態(tài)氮，從而提高了保護性耕作處理的全氮含量。保護性耕作條件下，隨著化肥施用量的增加，作物生物量增加，還田的秸稈數(shù)量增大，加之使用一定量的氮肥，呈現(xiàn)?T1>T2>?T3的趨勢。

2.2.3?對土壤各粒徑團聚體速效鉀含量的影響?由表4可知，隨著團聚體粒徑的減小，土壤速效鉀含量呈先減少后增大的趨勢。其中含量最多的是<0.25 mm粒級。含量最少的是1～2 mm粒級。在4種處理中速效鉀含量最高的是T1處理，含量最低的是T0。秸稈覆蓋后有部分秸稈灰分進入土壤，從而提高土壤鉀素含量，改善土壤肥力。隨著施肥量的減少，速效鉀含量有降低的趨勢。

2.2.4?對土壤各粒徑團聚體速效磷含量的影響?由表5可以看出，速效磷在土壤團聚體各粒級中的分布比較均勻，說明磷素受粒徑的影響較小，這與鄭子成等[21]的研究結(jié)論基本一致。不同處理土壤中，速效磷含量表現(xiàn)為T1>T2>T3>T0。這是因為秸稈覆蓋處理導致秸稈中的部分磷素進入土壤中，從而提高土壤中的磷素含量，減少施肥降低土壤中的養(yǎng)分含量，使土壤中的速效磷含量降低。另外，免耕處理還可以增加土壤中活性和中穩(wěn)性的有機磷[22]，對土壤速效磷含量也有提升作用。免耕覆蓋秸稈會增加土壤微生物種類及數(shù)量，對磷素的轉(zhuǎn)化起到促進作用。

2.2.5?保護性耕作對土壤團聚體各粒級養(yǎng)分貢獻率的影響?將土壤團聚體各粒徑的含量和各粒徑團聚體中的養(yǎng)分含量一起分析，組成了土壤的養(yǎng)分貢獻率，可以反映土壤各粒徑團聚體提供養(yǎng)分的能力。由表6可知，各處理不同粒徑的土壤團聚體有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的貢獻率表現(xiàn)一致，從大到小依次為：>5 mm、2～5 mm、<?0.25mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、1～2 mm。雖然>2 mm的土壤團聚體的養(yǎng)分含量較低，但是其團聚體含量最高，所以其養(yǎng)分貢獻率占據(jù)優(yōu)勢。這與邱莉萍等[23]的研究結(jié)果較為一致。>5 mm和2～5 mm土壤團聚體的養(yǎng)分貢獻率遠高于其它4個粒徑。團聚體各粒徑含量也呈現(xiàn)出這個規(guī)律，說明團聚體的各粒徑含量是影響其養(yǎng)分貢獻率的主導因素。有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀各級團聚體的貢獻率都呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，可以看出團聚體對有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀有著較好的相關(guān)性。

2.3?保護性耕作對土壤微生物的影響

2.3.1?對土壤微生物數(shù)量的影響?土壤微生物在土壤的生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，是土壤團聚體形成過程中最活躍的生物因素，土壤微生物通過直接改造或物理纏繞、分泌有機物或者改變土壤疏水性等機制影響土壤有機質(zhì)的分解和土壤團聚結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定[24]，由表7可以看出，各處理土壤以細菌為主，約占微生物總量的98%左右。T1處理的真菌、細菌、放線菌的數(shù)量與T0相比多出27.9%、9.2%、24.5%。而且總菌數(shù)T1最高，T0最低，這是由于秸稈為微生物提供了養(yǎng)分和良好的生長環(huán)境，從而增加了微生物的數(shù)量。

2.3.2?對土壤微生物量碳氮磷的影響?土壤微生物量碳氮磷可以很好地反映土壤微生物的活性。由圖2可以看出，各處理微生物量碳氮磷的含量依次為T1>T2>T3>T0，且各處理間差異顯著。其中T1處理的微生物量碳氮磷與T0比較分別增加了38.4%、35.1%、21.0%。說明免耕及秸稈覆蓋處理可以顯著提高土壤微生物的活性。

3?討論與結(jié)論

3.1?保護性耕作改變了土壤的團聚體粒徑組成，提高了其穩(wěn)定性。干篩處理下，土壤中以>0.25 mm粒徑的大團聚體為主，大團聚體是決定土壤機械穩(wěn)定性的主要因素，保護性耕作處理增加了土壤中>0.25 mm 大團聚體的含量，降低了<0.25 mm 微團聚體的含量。傳統(tǒng)耕作時，翻耕會擾亂土層結(jié)構(gòu)，破壞土壤中的團聚體，加快耕層內(nèi)有機質(zhì)的礦化，減少有機-無機復合膠體，導致土壤粘度下降，降低水穩(wěn)性團聚體含量。濕篩處理下，土壤中以<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量最多，微團聚體是決定團聚體水穩(wěn)性的重要因素。保護性耕作處理增加了土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量。

3.2?團聚體的穩(wěn)定性經(jīng)常被作為土壤結(jié)構(gòu)的指示因子[25]。土壤中有機質(zhì)含量會直接影響團聚體的形成，而保護性耕作秸稈還田處理可以有效增加土壤中的有機質(zhì)含量，為大團聚體的形成提供一個良好的環(huán)境。有研究表明秸稈還田配施化肥能促進土壤大團聚體的形成，提高土壤的平均重量直徑。本研究表明保護性耕作處理顯著提高了土壤團聚體的MWD和GMD，提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性。干篩處理下，T1處理的MWD和GMD數(shù)值最大，較T0分別提高29.8%和26.4%;濕篩處理下，各處理與傳統(tǒng)耕作T0相比，MWD和GMD數(shù)值都有明顯提升，其中T1的MWD和GMD數(shù)值最大，分別比T0提高25.8%和17.2%。

3.3?保護性耕作處理土壤養(yǎng)分含量較傳統(tǒng)耕作處理提高顯著，土壤團聚體的各粒徑中，由于粒徑降低，提高了土壤的比表面積，從而吸附更多養(yǎng)分，因此，粒徑減小，養(yǎng)分含量增大。各處理土壤團聚體不同粒徑的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的貢獻率從大到小均依次為>5 mm團聚體、2～5 mm團聚體、<0.25 mm團聚體、0.5～1 mm團聚體、0.25～0.5 mm團聚體、1～2 mm團聚體。說明>2 mm的團聚體是提供土壤養(yǎng)分的主要群體。

3.4?保護性耕作處理增加了土壤中微生物的數(shù)量，土壤中的真菌、細菌、放線菌較傳統(tǒng)耕作均有顯著提高，微生物量碳氮磷也有顯著提高。因為土壤是微生物的生存場所，保護性耕作使土壤綜合生態(tài)因子得到改善，作物生長更趨良好，土壤微生物的活性更趨活躍，有利于微生物的生長與繁殖[26]。

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