雙免耕覆蓋對(duì)旱地土壤微生物、酶活性和冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

邵運(yùn)輝，李俊紅，岳俊芹，丁志強(qiáng)，張德奇，方保停，楊 程，李向東

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，河南鄭州 450002； 2.洛陽(yáng)農(nóng)林科學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院洛陽(yáng)旱農(nóng)試驗(yàn)基地，河南洛陽(yáng) 471023)

在豫西旱區(qū)，干旱少雨且水土流失嚴(yán)重，自然降水是作物生產(chǎn)的主要水資源[1]。保護(hù)性耕作主要指秸稈還田、免耕播種和殘茬覆蓋等耕作手段，可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，調(diào)節(jié)土壤的C/N、溫度和水分變化，對(duì)作物有一定的增產(chǎn)效果[2]。免耕等保護(hù)性耕作基本上不擾動(dòng)土層，秸稈和根茬等有機(jī)物腐解后的殘茬和根系分泌物主要積累在表層土壤中，為土壤微生物的生命活動(dòng)提供了足夠的能源[3]。土壤微生物通過(guò)分解動(dòng)植物殘?bào)w參與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，其數(shù)量是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤酶則主要來(lái)源于活體植物、死亡植株殘?bào)w，直接參與植物與土壤之間的物質(zhì)循環(huán)和土壤中生物的生化反應(yīng)，可提高土壤養(yǎng)分的可用性，其活性大小直接影響土壤肥力[4]。保護(hù)性耕作可增加和維護(hù)土壤微生物種類(lèi)和數(shù)量，提高土壤酶的活性，改善作物根區(qū)環(huán)境，提高作物抗逆性，促進(jìn)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，并提高土壤質(zhì)量和改善生態(tài)環(huán)境[5-6]。土壤微生物和土壤酶共同影響并推動(dòng)著土壤的代謝過(guò)程，二者的活性關(guān)系密切[7]。土壤酶活性、土壤微生物的代謝和種類(lèi)與植物根系生長(zhǎng)狀況有一定關(guān)系。林雁冰等[6]認(rèn)為，冬小麥根系生理代謝對(duì)根區(qū)土壤微生物數(shù)量和種類(lèi)有顯著影響，覆蓋可以提高土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。土壤酶活性高，則小麥根系衰老較慢，冬小麥根系的生長(zhǎng)狀況直接影響地上部生長(zhǎng)狀況和抗旱能力，最終影響其產(chǎn)量[8-11]。冬小麥產(chǎn)量的物質(zhì)來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一是花后光合同化物的直接輸入，另一個(gè)是花前貯藏在營(yíng)養(yǎng)器官的光合同化物的再運(yùn)轉(zhuǎn)。王征宏等[9]研究發(fā)現(xiàn)，干旱對(duì)冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)有較大的影響，灌漿前期干旱會(huì)導(dǎo)致花前貯藏物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量降低。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)保護(hù)性耕作下土壤微生物、酶活性及干物質(zhì)積累等方面研究有較多的報(bào)道，但有關(guān)旱作區(qū)雙免耕覆蓋對(duì)冬小麥土壤微生物和酶活等的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究擬對(duì)雙免耕覆蓋下旱地冬小麥田土壤微生物、酶活及冬小麥花前、花后干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行深入研究，旨在為旱作區(qū)冬小麥增產(chǎn)提供理論依據(jù)，為選擇合理有效的保護(hù)性耕作模式提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在洛陽(yáng)農(nóng)科院旱農(nóng)基地防滲精確水分池，土壤為潮褐土，質(zhì)地中壤，耕層容重1.53 g·cm-3，田間相對(duì)持水量23.48%，飽和含水量 33.36%。該區(qū)域年均輻射量491.5 kJ·cm-2，年均氣溫14 ℃，日平均溫度超過(guò)10 ℃的天數(shù)約210 d，大于10 ℃的積溫可達(dá)4 000 ℃，年蒸發(fā)量 1 841.7 mm。土壤耕層有機(jī)質(zhì)為15.8 g·kg-1，堿解氮(N)為62.7 mg·kg-1，速效磷(P2O5)為10.39 mg·kg-1，速效鉀(K2O)為166.0 mg·kg-1。種植模式為冬小麥、玉米一年兩 熟制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2013年10月—2014年6月進(jìn)行。設(shè)2個(gè)處理：(1)雙免耕覆蓋(NT)，冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)留茬35～40 cm，秸稈脫粒后還田并覆蓋于地表，不翻耕土壤，鐵茬播種玉米；玉米收獲后留根茬，其秸稈覆蓋于冬小麥行間，冬小麥采用人工開(kāi)溝種植，盡量少擾動(dòng)土壤，等行播種；(2)傳統(tǒng)耕作(CK)，即深翻耕25～30 cm(冬小麥、玉米秸稈均不還田)。小區(qū)面積為4 m×4 m。供試冬小麥品種為洛旱7號(hào)，種植密度13.5×104株·hm-2。玉米品種為洛玉7號(hào)，種植密度為4.5×104株·hm-2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土樣采集

在冬小麥苗期(seedling stage，SS)、越冬期(over winter stage，OS)、拔節(jié)期(jointing stage，JS)、灌漿期(filling stage，F(xiàn)S)、成熟期(maturation stage，MS)的晴天上午10:00左右，每個(gè)小區(qū)按五點(diǎn)法取土樣，每點(diǎn)取土深度為0～60 cm，每10 cm取一次，剔除石塊、植物殘根、蚯蚓等雜物后裝袋，樣品風(fēng)干后經(jīng)研磨，過(guò)1 mm篩，采用四分法選取待測(cè)樣品。

1.3.2 土壤相關(guān)酶活性測(cè)定[7]

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法測(cè)定。

1.3.3 土壤微生物數(shù)量測(cè)定[4]

細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基平板計(jì)數(shù)法測(cè)定；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基平板計(jì)數(shù)法測(cè)定；放線菌采用淀粉銨鹽培養(yǎng)基平板計(jì)數(shù)法測(cè)定。

1.3.4 冬小麥干物質(zhì)積累相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

在冬小麥開(kāi)花期和成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取10株具代表性植株地上部，開(kāi)花期取樣后將植株分為葉片、莖桿+葉鞘和穗三部分，成熟期取樣后將植株分為葉片、莖稈+葉鞘、穎殼+穗軸、籽粒四部分。將樣品于105 ℃殺青15 min，65 ℃烘干至恒重，測(cè)定干物質(zhì)積累量。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下[12]：

花前同化物轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期植株干重-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干重

(1)

花前同化物轉(zhuǎn)運(yùn)效率=花前同化物轉(zhuǎn)運(yùn)量/開(kāi)花期植株干重×100%

(2)

花前同化物對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=花前同化物轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干重×100%

(3)

花后同化物積累量=成熟期籽粒干重-花前同化物轉(zhuǎn)運(yùn)量

(4)

花后同化物對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率=花后同化物積累量/成熟期籽粒干重×100%

(5)

1.3.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測(cè)定

在冬小麥?zhǔn)斋@期，按一般方法調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)，測(cè)定千粒重，整區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙免耕覆蓋對(duì)麥田土壤中微生物數(shù)量的 影響

2.1.1 對(duì)麥田土壤中細(xì)菌數(shù)量的影響

從圖1可知，隨著冬小麥生育進(jìn)程的推進(jìn)，不同土層的細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；以越冬期最少，拔節(jié)期最多，拔節(jié)期以后逐漸減少。雙免耕覆蓋下0～10 cm土層細(xì)菌數(shù)量在冬小麥不同生育時(shí)期均顯著高于傳統(tǒng)耕作(圖1A)，尤其是成熟前，二者差異達(dá)極顯著水平，雙免耕覆蓋下細(xì)菌數(shù)量平均較傳統(tǒng)耕作高94.7%。雙免耕覆蓋下10～20 cm土層冬小麥不同生育時(shí)期細(xì)菌數(shù)量在苗期和越冬期顯著高于傳統(tǒng)耕作外，之后二者差異達(dá)極顯著水平(圖1B)，雙免耕下細(xì)菌數(shù)量平均較傳統(tǒng)耕作高53.3%。這種現(xiàn)象可能與秸稈覆蓋能保存較充足的土壤水分和維持適宜的土壤溫度有較大關(guān)系。

相同時(shí)期圖柱上不同小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母分別表示處理間差異達(dá)5%和1%顯著水平。下同。

2.1.2 對(duì)麥田土壤中真菌數(shù)量的影響

土壤中的真菌參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，在土壤腐殖質(zhì)的合成、氨化作用以及團(tuán)聚體的形成等過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，可直接影響土壤肥力[6]。 由圖2可知，0～20 cm土層土壤真菌數(shù)量在越冬期最低，拔節(jié)期和灌漿期較高；雙免耕覆蓋下麥田土壤真菌數(shù)量均不同程度高于傳統(tǒng)耕作。0～10 cm土層，雙免耕處理土壤中真菌數(shù)量均顯著或極顯著高于傳統(tǒng)耕作(圖2A)，拔節(jié)期和灌漿期分別較傳統(tǒng)耕作高23.4%和34.1%。除拔節(jié)期外雙免耕覆蓋處理下10～20 cm土層土壤 中真菌數(shù)量均顯著或極顯著高于傳統(tǒng)耕作 (圖2B)。

圖2 兩種耕作模式對(duì)麥田不同生育時(shí)期土壤真菌數(shù)量的影響

2.1.3 對(duì)麥田土壤中放線菌數(shù)量的影響

放線菌能分解土壤腐殖質(zhì)中最穩(wěn)定的有機(jī)化合物，提高土壤肥力。從圖3可以看出，0～20 cm土層土壤中的放線菌數(shù)量以苗期最高，0～10 cm(圖3A)和10～20 cm土層(圖3B)，雙免耕覆蓋較傳統(tǒng)耕作分別高28.5%和74.7%，差異均達(dá)極顯著水平；越冬期土壤中放線菌的數(shù)量最少。從越冬期至成熟期，雙免耕覆蓋0～20 cm土層中放線菌數(shù)量有不同程度的增加；不同時(shí)期雙免耕覆蓋土壤中放線菌數(shù)量均顯著高于傳統(tǒng)耕作。

圖3 兩種耕作模式對(duì)麥田不同生育時(shí)期土壤中放線菌數(shù)量的影響

2.1.4 雙免耕覆蓋下麥田土壤中微生物總量的垂直分布

由圖4可知，雙免耕覆蓋和傳統(tǒng)耕作下，冬小麥土壤中微生物總量(細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量之和)隨土層深度的增加均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。雙免耕覆蓋下冬小麥土壤微生物總量在不同土層均極顯著高于傳統(tǒng)耕作，0～60 cm土層較傳統(tǒng)耕作平均高 68.2%。雙免耕覆蓋下冬小麥土壤0～40 cm土層中微生物總量迅速遞減，而傳統(tǒng)耕作則在0～20 cm土層呈現(xiàn)迅速遞減趨勢(shì)。

圖4 兩種耕作模式對(duì)麥田土壤微生物總量垂直分布的影響

2.2 雙免耕覆蓋對(duì)麥田土壤酶活性的影響

2.2.1 對(duì)冬小麥不同生育期土壤酶活性的影響

從圖5可知，冬小麥不同生育時(shí)期0～20 cm土層土壤中蛋白酶活性的變化幅度較為緩和(圖5A)，脲酶活性在越冬期最低(圖5B)，其余生育時(shí)期的變化與蛋白酶的活性變化表現(xiàn)一致，均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸減小。雙免耕覆蓋下，冬小麥不同生育期土壤中的兩種酶活性均高于傳統(tǒng)耕作。在冬小麥全生育期內(nèi)，雙免耕覆蓋下0～20 cm土層土壤中蛋白酶活性較傳統(tǒng)耕作平均增加了33.6%，差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。土壤中蛋白酶活性以苗期最高，較傳統(tǒng)耕作增加了15.0%，拔節(jié)期次之，成熟期最低，成熟期雙免耕覆蓋仍較傳統(tǒng)耕作高27.6%(圖5A)。

雙免耕覆蓋下土壤中脲酶活性在冬小麥全生育期較傳統(tǒng)耕作平均高28.6%，除成熟期外，其他生育期二者差異均達(dá)極顯著水平(圖5B)。土壤脲酶活性在冬小麥苗期最大，雙免耕覆蓋較傳統(tǒng)耕作高28.8%。越冬期脲酶活性急劇下降，在冬小麥整個(gè)生育期中為最低，此期雙免耕覆蓋較傳統(tǒng)耕作高55.3%。這可能因?yàn)殡p免耕覆蓋有利于提高地溫，從而有利于提高土壤酶活性。拔節(jié)期土壤脲酶活性逐漸上升，雙免耕覆蓋較傳統(tǒng)耕作高28.6%，灌漿期又迅速下降，成熟期二者差異不顯著。

圖5 兩種耕作模式對(duì)冬小麥不同生育時(shí)期土壤酶活性的影響(0～20 cm)

2.2.2 雙免耕覆蓋下麥田土壤中酶活性的垂直分布

從表1可以看出，在0～60 cm土層，雙免耕覆蓋下麥田土壤中蛋白酶和脲酶的活性均隨著土層深度的增加逐漸降低，蛋白酶和脲酶活性分別較傳統(tǒng)耕作平均增加了27.3%和32.7%。雙免耕覆蓋下蛋白酶活性在0～10 cm和40～60 cm分別較傳統(tǒng)耕作高31.5%和37.7%，脲酶活性在10～20 cm和40～60 cm土層均較傳統(tǒng)耕作高35.9%和36.4%，差異均達(dá)極顯著水平。這表明在干旱條件下，雙免耕覆蓋有利于提高耕層土壤的酶活性。

表1 兩種耕作模式下麥田土壤酶活性分布

2.3 雙免耕覆蓋對(duì)冬小麥開(kāi)花前后干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

灌漿期是冬小麥籽粒干物質(zhì)積累的主要時(shí)期，大約有70%～90%的籽粒干物質(zhì)來(lái)自于灌漿期的光合同化物[13]。從表2可以看出，雙免耕覆蓋下，冬小麥較傳統(tǒng)耕作增產(chǎn)18.4%，差異極顯著；花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率均極顯著高于傳統(tǒng)耕作；花后干物質(zhì)積累量對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為44.2%，較傳統(tǒng)耕作高 61.9%。傳統(tǒng)耕作冬小麥花前干物質(zhì)積累量對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為72.7%，顯著高于雙免耕覆蓋，但干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率顯著低于雙免耕覆蓋。整體而言，冬小麥籽粒干物質(zhì)主要源自開(kāi)花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，雙免耕覆蓋較傳統(tǒng)耕作提高了旱地冬小麥開(kāi)花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，為雙免耕覆蓋下冬小麥獲得高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

表2 旱作區(qū)兩種耕作模式對(duì)冬小麥開(kāi)花前后干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 雙免耕覆蓋對(duì)冬小麥土壤微生物的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，雙免耕覆蓋下冬小麥土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量均顯著高于傳統(tǒng)耕作，這與趙亞麗等[2]、張星杰等[3]和王 靜等[5]的研究結(jié)果基本一致，但土壤中微生物數(shù)量的多少和種類(lèi)是否受秸稈還田量及還田年限的影響還需進(jìn)一步研究。免耕覆蓋可提高微生物增長(zhǎng)的空間，可明顯提高微生物種群數(shù)量，尤其是耕層微生物更為活躍[13-16]。隨土壤深度的增加，微生物數(shù)量逐漸減少，這可能與土壤含水量、溫度等條件的變化有關(guān)。雙免耕覆蓋下，微生物數(shù)量的變化在冬小麥各生育期不同深度土層的表現(xiàn)不完全一致，細(xì)菌數(shù)量以拔節(jié)期最多，真菌數(shù)量以拔節(jié)期和灌漿期較多，放線菌數(shù)量以苗期最多，這可能與冬小麥根系生長(zhǎng)狀況、土壤含水量、溫度及微生物生長(zhǎng)所需環(huán)境等有關(guān)。

3.2 雙免耕覆蓋對(duì)冬小麥土壤酶活性的影響

雙免耕覆蓋下冬小麥土壤中蛋白酶和脲酶的活性均隨著土層深度的增加逐漸降低，雙免耕覆蓋下冬小麥土壤中酶活性均極顯著高于傳統(tǒng)耕作，這是因?yàn)樵谠ノ骱底鲄^(qū)，干旱是影響作物生長(zhǎng)的主要因素，與傳統(tǒng)耕作相比，雙免耕覆蓋有利于提高土壤水分含量，有利于作物根系的生長(zhǎng)，提高土壤酶活性。這與王 靜等[5]、林雁冰等[6]和邱現(xiàn)奎等[14]的研究結(jié)論一致。雙免耕覆蓋有利于冬小麥耕層土壤酶活性的增加，這與秸稈覆蓋后保持土壤水分有較大關(guān)系[17]，但秸稈類(lèi)型、還田量及腐解速率對(duì)土壤酶活性的影響還需繼續(xù)研究。

3.3 雙免耕覆蓋對(duì)冬小麥花前花后干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

雙免耕覆蓋下冬小麥花后干物質(zhì)積累量和對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均高于傳統(tǒng)耕作，雙免耕覆蓋下冬小麥產(chǎn)量極顯著高于傳統(tǒng)耕作，可能因?yàn)殡p免耕覆蓋可延緩植株衰老[18]，提高冬小麥花后干物質(zhì)積累，提高花前干物質(zhì)積累和花后同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，有利于冬小麥產(chǎn)量的提高，這與雷鈞杰[8]和王健波[10]研究結(jié)論較為一致。但不同降水年型下雙免耕覆蓋對(duì)冬小麥花前、花后干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響還有待做深入研究。