耕作措施對(duì)玉米田耕層土壤微生物群落功能多樣性的影響

陸思旭，賀麗燕，王旭東,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中最重要的活躍組分[1-2]，參與土壤中的生化反應(yīng)，是衡量土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一[3-4]。豐富的微生物群落能夠維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，但土壤微生物易受到土壤環(huán)境的影響，尤其是耕作措施的改變?cè)谡{(diào)控土壤理化性質(zhì)的同時(shí)，常會(huì)對(duì)土壤微生物多樣性產(chǎn)生不同的影響，這主要是由群落代謝功能的差異引起的。因此，耕作方式對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響也越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注。

渭北旱塬位于黃土高原南部臺(tái)塬和殘?jiān)珳羡謪^(qū)，該地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)的耕作以傳統(tǒng)翻耕為主，不僅加速土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，造成土壤肥力降低，而且也容易引起水蝕和風(fēng)蝕，不利于土壤水分的保持[5]和作物的生長(zhǎng)。為了降低長(zhǎng)期翻耕帶來(lái)的不利因素，免耕、深松和秸稈還田等保護(hù)性耕作在該地區(qū)逐漸推廣應(yīng)用，并且在蓄水保墑、培肥地力、作物增產(chǎn)方面已產(chǎn)生了較好的效果[5-6]，土壤耕作在改變土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)常會(huì)對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生影響，因此研究保護(hù)性耕作下土壤微生物多樣性的變化，對(duì)渭北旱區(qū)農(nóng)田土壤的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)耕作措施對(duì)微生物多樣性的影響已有大量研究，黃國(guó)勤[7]、楊江山[8]和Lynne[9]等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，免耕、少耕等措施有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，秸稈覆蓋在地表既可以為土壤微生物提供能源又減少了土壤水分的蒸發(fā)，為微生物的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的生境條件，并可在一定程度上增加土壤表層微生物量及大量的根系分泌物，增加土壤微生物群落的豐富度和多樣性，增強(qiáng)土壤微生物群落的穩(wěn)定性[10]。張志政[11]、何潤(rùn)兵[12]和李景[13]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)深松可以降低土壤容重，增強(qiáng)土壤通透性，改變土壤的物理結(jié)構(gòu)，引起土壤水、肥、氣、熱等變化，進(jìn)而影響土壤微生物學(xué)特性，增加微生物數(shù)量和活性。而傳統(tǒng)的翻耕措施對(duì)土壤翻動(dòng)頻率高、強(qiáng)度大，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤大團(tuán)聚體數(shù)量，加速了土壤呼吸作用和土壤水分的蒸發(fā)，降低土壤有機(jī)質(zhì)含量[14]，導(dǎo)致微生物活性降低。

不同耕作影響到土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低，而有機(jī)質(zhì)和微生物方面存在著相互影響。因此，本文以渭北旱塬玉米田長(zhǎng)期不同耕作定位試驗(yàn)為研究對(duì)象，運(yùn)用Biolog-ECO微平板方法研究分析了不同耕作模式下(單一耕作模式如翻耕、免耕、深松；輪耕模式如免耕/深松、深松/翻耕、翻耕/免耕)土壤微生物功能多樣性的變化，同時(shí)探討了微生物碳源代謝多樣性與土壤有機(jī)碳及其活性組分之間的相關(guān)關(guān)系，揭示不同耕作方式對(duì)土壤微生物多樣性的影響，以期從微生物角度為旱作農(nóng)田耕作模式的優(yōu)化以及構(gòu)建合理的耕層土壤結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本定位試驗(yàn)位于渭北旱塬東部的陜西省合陽(yáng)縣甘井鎮(zhèn)(106°04′E ,35°19′N)。試驗(yàn)區(qū)屬典型的黃土殘塬溝壑半濕潤(rùn)易旱區(qū)，年均氣溫11.5℃，年降水量500～600 mm，降雨年際和季節(jié)變異性較大，主要集中在7—9月，是典型的黃土高原旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，全年無(wú)灌溉，土壤類型為黑壚土，屬于中壤土，黃土母質(zhì)疏松、深厚并含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分，蓄水保肥能力強(qiáng)。試驗(yàn)前0～10 cm土層土壤理化性質(zhì)為：土壤pH值7.9，容重1.38 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)7.1 g·kg-1，全氮0.74 g·kg-1，堿解氮40.62 mg·kg-1，速效磷3.77 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2007—2018年進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，采用春玉米連作一年一熟制的種植制度。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在作物收獲后秸稈全部粉碎還田基礎(chǔ)上實(shí)施6種耕作處理：連年翻耕(C/C)、連年深松(S/S)、連年免耕(N/N)、免耕/深松輪耕(N/S)、深松/翻耕輪耕(S/C)和翻耕/免耕輪耕(C/N)。其中，翻耕(C)處理為采用傳統(tǒng)鏵式犁(型號(hào)為1LF-230型雙向反轉(zhuǎn)二鏵犁，耕寬60 cm，耕深20～30 cm)將土壤全面翻耕20～25 cm，秸稈翻埋于土壤中，地表疏松裸露度過(guò)休閑期；深松(S)處理采用深松機(jī)(型號(hào)為1S2200，耕寬50 cm，耕深30～40 cm)進(jìn)行深松，深度為30～35 cm，秸稈覆蓋地表度過(guò)休閑期；免耕(N)處理在玉米收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表度過(guò)休閑期，不采取任何土壤耕作措施。每種耕作處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為112.5 m2(22.5 m×5 m)，2007—2018年土壤耕作順序見(jiàn)表1。

春玉米每年在4月下旬播種，9月下旬收獲。供試品種為鄭單958，播種量為75 kg·hm-2，種植密度為67 500株·hm-2。各耕作處理的施肥量相同。施肥量為：N 150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，其中氮、磷、鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。50%氮肥、全部磷肥和鉀肥在播前施用，剩余50%氮肥在大喇叭口期追施。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

表1 2007—2018年土壤耕作次序

1.3 土壤樣品的采集與分析

于2018年春玉米收獲后，用土鉆采集0～10 cm土層的樣品，其中每個(gè)小區(qū)按“S”形采樣法采集6個(gè)點(diǎn)，去除土壤中石礫和植物殘茬等雜物現(xiàn)場(chǎng)混勻?yàn)?份土壤樣品，3個(gè)重復(fù)小區(qū)采集3個(gè)重復(fù)樣品。置于密封袋放入冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后分成兩份：一份過(guò)2 mm篩后置于4℃冰箱保存，用于測(cè)定微生物功能多樣性、微生物量碳和水溶性有機(jī)碳含量；另一份置于通風(fēng)、干燥、陰涼的室內(nèi)風(fēng)干，將風(fēng)干樣過(guò)0.25 mm和1 mm篩用于測(cè)定有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量。

1.3.1 土壤因子測(cè)定 土壤微生物量碳用氯仿熏蒸浸提法[15]測(cè)定；水溶性碳用去離子水浸提法[16]測(cè)定；易氧化有機(jī)碳用333 mmol·L-1KMnO4氧化法[17]測(cè)定；土壤顆粒有機(jī)碳的提取采用六偏磷酸鈉分散法[18]測(cè)定，土壤總有機(jī)碳用重鉻酸鉀-外加熱法[19]測(cè)定。

1.3.2 土壤微生物群落功能多樣性的測(cè)定 土壤微生物功能多樣性采用Biolog-ECO平板法測(cè)定，具體操作步驟參照Classen[20]等的方法。稱取相當(dāng)于5.0 g風(fēng)干土壤的新鮮土壤樣品置于無(wú)菌三角瓶中，加入45 mL 0.85%滅菌的NaCl溶液，封口，震蕩30 min(160 r·min-1)，靜置后去其上清液，在超凈工作臺(tái)上，采用十倍稀釋法，用無(wú)菌NaCl溶液(0.85%)稀釋至10-3，隨后用8通道移液器將上述稀釋液加入Biolog-ECO微平板(ECO Micro Plate, 美國(guó)Marix Technologies Corporation)上，每孔150 μL。將接種好的微平板放入25℃條件下培養(yǎng)，每24 h用Biolog微生物自動(dòng)讀數(shù)裝置讀取Biolog-ECO微平板在590 nm波長(zhǎng)下的吸光值，連續(xù)測(cè)定10 d。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

Biolog-ECO平板每孔的平均顏色變化率(average well color development,AWCD)是反映土壤中可培養(yǎng)微生物對(duì)不同底物(碳源)的利用能力，在一定程度上反映了土壤微生物的代謝活性，AWCD值越大，表示土壤微生物利用碳源的能力越強(qiáng)，代謝活性越高[21]，計(jì)算公式如下：

AWCD=∑(Ci-R)/n

(1)

式中，Ci為各反應(yīng)孔的吸光值；R為對(duì)照孔的吸光值；Ci-R<0的反應(yīng)孔在計(jì)算中默認(rèn)為零；n為碳源數(shù)目，為31。

土壤微生物群落豐富度指數(shù)(S)表征土壤微生物的豐富度，其值越高表明微生物群落越豐富，采用反應(yīng)孔(吸光值≥0.25則代表該孔的碳源被利用)的數(shù)目表示。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)和Simpson指數(shù)(D)表征微生物多樣性程度，計(jì)算公式如下：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：

H=-∑(Pi×lnPi)

(2)

式中，Pi表示第i孔相對(duì)吸光值與整板平均相對(duì)吸光值總和的比值，即：

Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R)

(3)

均勻度指數(shù)(E)：

E=H/lnS

(4)

Simpson指數(shù)(D)：

D=1-∑(Pi)2

(5)

本試驗(yàn)采用培養(yǎng)168 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤微生物功能多樣性的計(jì)算.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行初步處理分析，采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析及差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)和主成分分析，Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余(RDA)分析，圖形采用Origin 8.5、Canoco 5.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理下土壤微生物群落的碳源代謝活性

6種耕作處理的土壤AWCD值均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)(圖1)。0～24 h內(nèi)各處理的AWCD值一直趨近于零，表明碳源在24 h之內(nèi)基本未被利用，處于微生物適應(yīng)期；培養(yǎng)24～168 h內(nèi)，AWCD值呈現(xiàn)急速上升趨勢(shì)，表明土壤微生物逐漸適應(yīng)了Biolog微平板的基質(zhì)環(huán)境，進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，此時(shí)碳源被微生物快速消耗，微生物代謝活性較強(qiáng)；培養(yǎng)168 h后，各處理的AWCD值增長(zhǎng)速度逐漸減緩，土壤微生物的生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。不同耕作處理間土壤微生物群落的AWCD值在培養(yǎng)48 h開(kāi)始出現(xiàn)顯著差異，N/S和N/N處理的AWCD值在48～96 h內(nèi)接近，均顯著高于S/S、S/C、C/N和C/C處理，在120 h時(shí)N/S處理的AWCD值達(dá)到最高，顯著高于其他處理。在168 h處微生物進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期，此時(shí)N/S處理的AWCD值較N/N、S/S、S/C、C/N和C/C處理分別高出9.51%、21.90%、29.89%、37.13%和54.54%(P<0.05)。同時(shí)，N/N、S/S、S/C和C/N處理的AWCD值也較C/C處理顯著提高41.12%、26.78%、18.98%和12.70%。因此，少耕和免耕的耕作方式可以顯著提高土壤微生物的碳源代謝活性，且N/S處理的效果最佳。

2.2 不同耕作處理下土壤微生物群落的功能多樣性指數(shù)

不同的多樣性指數(shù)反映了土壤微生物群落功能多樣性的不同方面。Shannon-Wiener指數(shù)和均勻度指數(shù)越高表明微生物群落的多樣性越高；Simpson指數(shù)越大，表示微生物群落內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種越突出。由表2可知不同耕作措施下的土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定差異。與AWCD值相似，N/S、N/N可以提高土壤的豐富度指數(shù)(S)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)和Simpson指數(shù)(D)，且均與C/C處理達(dá)到顯著差異(P<0.05)，而均勻度指數(shù)(E)較C/C處理有所降低(P<0.05)。表明N/S和N/N處理的土壤微生物種群豐富，優(yōu)勢(shì)種群突出，對(duì)碳源的利用程度較高，但降低了群落的均勻度指數(shù)。

2.3 不同耕作處理下土壤微生物的碳源利用特征

根據(jù)Biolog-ECO微平板上碳源官能團(tuán)的不同將31種碳源劃分為6類，包括糖類(10種)、氨基酸類(6種)、羧酸類(7種)、多聚物類(4種)、多酚化合物類(2種)和多胺類(2種)[22]。本試驗(yàn)對(duì)168 h處的吸光值進(jìn)行土壤微生物碳源利用特征的計(jì)算，結(jié)果表明(圖2)：各處理土壤微生物對(duì)6類碳源的利用程度依次為：氨基酸類>糖類>羧酸類>多聚物類>多胺類>多酚化合物類，可見(jiàn)氨基酸類、糖類和羧酸類物質(zhì)是該地區(qū)土壤微生物利用的主要碳源。其中N/S、N/N和S/S處理土壤微生物對(duì)6類碳源的利用能力均大于C/C處理。與C/C處理相比，S/C和S/S處理顯著提高了對(duì)糖類、多聚物類和多胺類碳源的利用能力；N/N處理顯著提高了對(duì)糖類、羧酸類、多聚物類和多胺類碳源的利用能力；C/N處理顯著提高了對(duì)多胺類碳源的利用能力；N/S處理顯著提高了對(duì)各類碳源的利用能力。同時(shí)，N/S處理對(duì)氨基酸類、多聚物類、多酚化合物類和多胺類碳源的利用能力也顯著高于N/N、S/C和C/N處理。

注：圖中不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間點(diǎn)不同耕作處理間差異顯著(P<0.05)。Note：Different lowercase letters in the figure indicate that there are significant differences (P<0.05) between different tillage treatments at the same time point.圖1 不同耕作處理下土壤微生物群落的平均顏色變化率Fig.1 AWCD of the microbial community in different treatments

表2 不同耕作處理的土壤微生物功能多樣性指數(shù)

注：不同小寫(xiě)字母表示同一碳源在不同耕作處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant differences among tillage treatments in the same carbon sources (P<0.05).圖2 不同耕作處理下土壤微生物對(duì)六類碳源的利用狀況Fig.2 The utilization of six kinds of carbon sourcesin different treatments

2.4 土壤微生物碳源利用的主成分分析

采用主成分分析來(lái)研究不同耕作處理下土壤微生物群落對(duì)31種碳源的利用情況。根據(jù)主成分個(gè)數(shù)的提取原則(相對(duì)應(yīng)特征值大于1的主成分)共提取了前10個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到90.71%，可以解釋大部分原變量特征。其中第一主成分(PC1)的貢獻(xiàn)率為27.34%，權(quán)重最大；第二主成分(PC2)次之，貢獻(xiàn)率分別為12.71%，第3～10主成分的貢獻(xiàn)率較小，分別為3.65%～10.57%，因此本文選取前2個(gè)主成分來(lái)表征微生物群落的碳源代謝特征。

主成分分析還表明不同耕作處理的土壤微生物群落在PC軸上有明顯的分布差異(圖3)。在PC1軸上，S/S、N/S和N/N處理分布在正方向，C/C、C/N和S/C處理分布在負(fù)方向。在PC2軸上，N/N、N/S、S/C和C/C處理主要分布在正方向，C/N和S/S處理主要分布在負(fù)方向。進(jìn)一步進(jìn)行方差分析(表3)可知不同耕作處理在PC1和PC2上的得分系數(shù)出現(xiàn)顯著差異。在PC1軸上，N/S、N/N、S/S、S/C處理與C/C處理的分布差異顯著，表明碳源利用方式不同。在PC2軸上，N/S、S/C、C/N、N/N處理與C/C處理的分布差異不顯著，表明碳源利用方式相近。

2.5 土壤微生物碳源利用與環(huán)境因子的冗余分析

選取土壤總有機(jī)碳(SOC)及其活性組分指標(biāo)(易氧化有機(jī)碳EOC、水溶性有機(jī)碳WSOC、微生物量碳MBC、顆粒有機(jī)碳POC)作為環(huán)境因子變量與土壤微生物碳源利用特征進(jìn)行冗余分析(RDA)。表4是不同耕作措施下土壤有機(jī)碳及活性組分指標(biāo)，基本表現(xiàn)為免耕、深松以及兩者相結(jié)合輪耕模式下的有機(jī)碳及其活性組分的含量高于傳統(tǒng)翻耕措施，其中N/S處理下的EOC、MBC和POC與C/C處理相比均達(dá)到顯著性差異。

注：同一耕作處理的3個(gè)點(diǎn)代表3個(gè)重復(fù)。Note: Three points of the same tillage treatment represent three duplicates.圖3 不同耕作處理下土壤微生物群落主成分分析Fig.3 Principal component analysis of soil microbialcommunity in different treatments

表3 不同耕作處理的主成分得分系數(shù)

冗余分析結(jié)果顯示Axis1和Axis2的累積解釋率達(dá)到65.69%，特征根分別為0.611和0.046，相關(guān)系數(shù)分別為0.915和0.815，兩排序軸對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量對(duì)于響應(yīng)變量的解釋貢獻(xiàn)均達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平。如圖4所示，Axis1與SOC、EOC、WSOC、MBC和POC均呈正相關(guān)，Axis2與WSOC、POC和MBC呈正相關(guān)，與SOC和EOC呈負(fù)相關(guān)。5個(gè)碳指標(biāo)的箭頭連線均較長(zhǎng)，且SOC和EOC與Axis1軸的夾角較小，表明土壤微生物碳源代謝與這兩個(gè)碳指標(biāo)的相關(guān)性較大，其中SOC、EOC對(duì)碳源利用類型具有顯著影響。MBC和POC與羧酸類碳源的相關(guān)性較大，SOC、EOC與糖類、氨基酸類和多酚化合物類碳源的相關(guān)性較大，但WSOC與各類碳源的夾角相對(duì)較大，相關(guān)度較低。

表4 不同耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響

注：實(shí)線代表土壤微生物對(duì)6類碳源的利用，虛線代表環(huán)境因子(土壤有機(jī)碳及其組分指標(biāo))。SOC：土壤有機(jī)碳；EOC：易氧化有機(jī)碳；WSOC：水溶性有機(jī)碳；MBC：微生物量碳；POC：顆粒有機(jī)碳。Note：The solid line represents the utilization of 6 types of carbon sources by soil microorganisms, and the dotted line represents environmental factors (soil organic carbon and its fractions). SOC: Soil organic carbon; EOC: Easily oxidizing organic carbon; WSOC: Water soluble organic carbon; MBC: Microbial biomass carbon; POC: Particulate organic carbon.圖4 土壤微生物功能多樣性的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis on the functional diversityindexes of soil microbial community

3 討 論

微生物在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用，其結(jié)構(gòu)和功能的多樣性在一定程度上反映了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基本狀況[4]。本研究發(fā)現(xiàn)，免耕和少耕等輪耕的耕作方式較傳統(tǒng)翻耕顯著提高了土壤微生物的碳源代謝活性(圖1)，碳源代謝活性較高的土壤也具有較高的微生物多樣性指數(shù)，N/S和N/N處理的Shannon-Wiener指數(shù)、豐富度指數(shù)和Simpson指數(shù)均較高(表2)。這主要與土壤擾動(dòng)程度引起的土壤環(huán)境變化以及秸稈的還田量有關(guān)。有研究表明[23]，土壤耕作對(duì)土壤含水量、容重、pH值和土壤全氮等有顯著影響，土壤理化性質(zhì)等的變化影響著微生物生存的微環(huán)境，進(jìn)而影響土壤微生物群落的種類、活性和分布的關(guān)鍵因素。C/C處理長(zhǎng)期頻繁地?cái)_動(dòng)土壤，加快了表層土壤有機(jī)質(zhì)的礦化[24]，導(dǎo)致大團(tuán)聚體比例降低[25]，同時(shí)會(huì)引起水分的大量損失，破壞了微生物生存的土壤環(huán)境，使微生物的代謝活性降低。免耕和深松措施較翻耕減少了對(duì)土壤的擾動(dòng)，改善了土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，有效降低耕作層的土壤容重，增加毛管孔隙的比例，使土壤能夠容納更多的水分，進(jìn)而提高了微生物的代謝活性[26]。N/S處理的輪耕模式既避免了對(duì)耕層土壤過(guò)度擾動(dòng)，也對(duì)土壤的通氣以及透水性等理化性狀和生物性狀起到調(diào)控作用[27]，更大程度地保持了土壤原有的結(jié)構(gòu)體，有利于土壤微生物代謝活性的維持，且N/S的秸稈還田量(14 433 kg·hm-2)高于其他處理(12 636～14 205 kg·hm-2)，大量秸稈覆蓋于地表，為土壤微生物提供了豐富的碳源和物質(zhì)來(lái)源，因此微生物的碳源代謝活性達(dá)到最高。這與姬艷艷[28]和邵泱峰[29]等研究結(jié)果相似。但也有研究認(rèn)為，過(guò)高的秸稈還田量(13 000 kg·hm-2)會(huì)對(duì)土壤微生物碳源代謝活性產(chǎn)生不利影響[30]，這與試驗(yàn)地的土壤類型、土壤肥力、氣候條件等有關(guān)，東北地區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量高，秸稈還田量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致土壤碳、氮比例失調(diào)，從而抑制了微生物代謝活性，而在本試驗(yàn)西北半濕潤(rùn)易旱區(qū)，黑壚土有機(jī)質(zhì)含量低，接近全量秸稈還田后，可以增加土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和全氮含量，繼而增加微生物活性。土壤微生物多樣性的變化也通常受到土壤理化因子等環(huán)境因素的驅(qū)動(dòng)[31-33]，前人研究結(jié)果顯示[5-6]，西北黑壚土區(qū)秸稈還田后的少耕和免耕措施可以有效增加土壤有機(jī)碳含量，改善土壤理化性質(zhì)，減少土壤中水分的蒸發(fā)，使植物生長(zhǎng)代謝加快、根系分泌物增多，因此會(huì)促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)，增加其多樣性。土壤微生物量與微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著相關(guān)性[34]。一些研究也表明，免耕土壤的微生物Shannon-Wiener指數(shù)、豐富度指數(shù)和Simpson指數(shù)都顯著高于傳統(tǒng)耕作[35-36]。如Balota等[37]研究認(rèn)為耕作強(qiáng)度的降低會(huì)增加土壤微生物多樣性。張志政等[11]的研究也發(fā)現(xiàn)，深松改善了耕層土壤物理結(jié)構(gòu)，使土壤的微生物Shannon-Wiener指數(shù)、豐富度指數(shù)和Simpson指數(shù)都顯著提高。所以在秸稈還田下，少耕、免耕等耕作措施比傳統(tǒng)翻耕更有利于維持土壤微生物的活性及多樣性。

微生物對(duì)不同類型碳源的相對(duì)利用程度可以反映微生物的代謝功能類群[38]。主成分分析結(jié)果顯示，在秸稈還田基礎(chǔ)上的6種耕作措施下土壤微生物利用的主要碳源為氨基酸類、糖類和羧酸類物質(zhì)(圖2)，可能是因?yàn)榻斩掃€田后顯著增加了氨基酸和單糖等物質(zhì)的含量[39]，進(jìn)而促進(jìn)了以偏好氨基酸類、單糖類物質(zhì)為碳源的微生物群落的生長(zhǎng)發(fā)育，這與李春格[40]和邵麗[41]等的研究結(jié)果一致。根據(jù)已有研究認(rèn)為玉米根系分泌物組分有利于土壤中偏好羧酸類碳源的微生物種群增長(zhǎng)[38,42]。不同耕作處理在PC軸坐標(biāo)上的分布存在顯著差異與在該軸上的碳源利用能力是相互對(duì)應(yīng)的[43]。其中N/S對(duì)氨基酸類、糖類和羧酸類碳源利用能力的顯著提高是導(dǎo)致其代謝活性最強(qiáng)的原因之一，而N/N僅顯著提高了對(duì)糖類和羧酸類碳源利用能力，S/S和S/C僅顯著提高了對(duì)糖類碳源的利用能力，這也是導(dǎo)致其碳源代謝活性較強(qiáng)的原因之一。充分說(shuō)明氨基酸、糖類和羧酸這3類碳源是導(dǎo)致微生物代謝呈現(xiàn)差異的敏感碳源，這與吳迪等[44]的研究結(jié)果一致。冗余分析結(jié)果表明，耕作方式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響；SOC和EOC主要通過(guò)影響土壤微生物對(duì)糖類、多酚化合物類和氨基酸類碳源的利用來(lái)影響土壤微生物的碳源代謝特征，而土壤有機(jī)碳是影響微生物群落結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因素[45]，所以以糖類、多酚化合物類和氨基酸類碳源為主要能源物質(zhì)的微生物較活躍。這與Li等[46]的研究結(jié)果一致，即土壤有機(jī)碳是引起微生物碳源代謝發(fā)生分異的重要因素。Chen等[34]研究發(fā)現(xiàn)，總有機(jī)碳和微生物生物量碳是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素，土壤有機(jī)碳能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┴S富的碳源，影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果與其相一致，也表明微生物碳源代謝與SOC的相關(guān)性較好，在一定條件下，土壤中較高的有機(jī)碳含量與較高的微生物活性和生物量是一致的。

4 結(jié) 論

秸稈還田基礎(chǔ)上，免耕、少耕的土壤微生物碳源代謝活性顯著高于翻耕，且相應(yīng)的微生物多樣性指數(shù)(豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù))也顯著高于翻耕處理，其中N/S處理的土壤微生物代謝活性和多樣性指數(shù)均較高。土壤微生物對(duì)碳源利用的偏好因耕作方式不同有所差異，其中氨基酸類、糖類和羧酸類物質(zhì)是微生物主要利用的碳源，SOC和MBC主要通過(guò)影響土壤微生物對(duì)糖類、氨基酸類和羧酸類碳源的利用來(lái)影響土壤微生物的碳源代謝，其中N/S輪耕處理對(duì)各類碳源的利用率都高于C/C處理。所以，N/S輪耕是適宜該地區(qū)的推薦耕作模式。