耕層重構(gòu)對棉田土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量與酶活性的影響

王燕，張謙，王樹林，韓碩，馮國藝，董明，錢玉源，祁虹*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室/國家棉花改良中心河北分中心，石家莊 050051；2.河北省邢臺廣播電視大學(xué)，河北 邢臺 054000）

棉花是河北省主要經(jīng)濟作物之一，主要在河北省中南部種植，耕地方式以傳統(tǒng)旋耕為主。連年旋耕導(dǎo)致土壤耕層變薄、土壤緊實化、養(yǎng)分分布不均等，影響棉花的生長發(fā)育[1-3]。為解決這一問題，王樹林等[4-5]提出耕層重構(gòu)這一新的土壤耕作方式，是將0～20 cm與20～40 cm土壤互換，同時松動40 cm以下土壤，重新構(gòu)筑耕層。前期研究發(fā)現(xiàn)，土壤耕層重構(gòu)可以降低土壤容重，平衡土壤養(yǎng)分垂直分布，提高深層土壤蓄水保墑能力[6]，改善棉花的生長環(huán)境，促進棉花根系的下扎和延伸[4,7]，顯著緩解常年旋耕導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)問題。但是，耕層重構(gòu)對棉田土壤微生態(tài)環(huán)境的影響尚不明確。

土壤微生物是土壤環(huán)境的重要組成部分，對其生存的土壤環(huán)境非常敏感，能對土壤生態(tài)功能變化和環(huán)境脅迫迅速做出反應(yīng)，可以作為反映土壤耕作方式和環(huán)境變化的重要指標(biāo)[8]。土壤酶活性可以表征土壤的綜合肥力及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程，反映土壤中各種生化過程的強度和方向，可作為土壤質(zhì)量的生物學(xué)評價指標(biāo)。土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤酶活性等微生態(tài)環(huán)境受耕作模式影響[9-11]。前人研究發(fā)現(xiàn)，與免耕相比，傳統(tǒng)旋耕會降低0～20 cm土層真菌數(shù)量和土壤微生物生物量碳含量[12]，而深松和深翻等土壤耕作方式會顯著增加土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量[13]。與旋耕和免耕相比，深耕和深松可打破土壤犁底層，降低土壤容重[14]，提高土壤脲酶活性[12]。也有研究表明，相比傳統(tǒng)耕作，保護性耕作能顯著提高土壤總體酶活性[15]。作為一種新的土壤耕作方式，研究耕層重構(gòu)對棉田土壤微生態(tài)環(huán)境的影響對明確其作用機理具有重要意義。

本研究以常年旋耕處理為對照，研究耕層重構(gòu)對棉田土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量和酶活性的影響，并進行相關(guān)性分析，明確耕層重構(gòu)技術(shù)對土壤微生態(tài)環(huán)境的影響，為耕層重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年在河北省威縣試驗站（威縣棗元鄉(xiāng)東張莊村）進行。試驗田為連作棉田，土壤為砂壤土，中等肥力，土壤的基礎(chǔ)地力為0～20 cm土層含有機質(zhì)11.3 g·kg－1、全氮0.9 g·kg－1、速效磷45.6mg·kg－1、速效鉀200.8mg·kg－1。供試材料為河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所選育的冀棉315。

常規(guī)旋耕（Rotary tillage）為對照（CK），旋耕深度15 cm。耕層重構(gòu)（Restructuring soil layers treatment,T）是將0～20 cm土層土壤與20～40 cm土層土壤互換，同時鏟松40～60 cm土層土壤，然后旋耕。具體做法是用鐵鍬先將0～20 cm土壤移至一處，再將20～40 cm土壤移至另一處，用鐵鍬鏟松40～60 cm土壤，然后先回填0～20 cm土壤，再回填20～40 cm土壤。采用隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)長8m，寬6m，面積48m2，3次重復(fù)。4月16日小區(qū)撒施復(fù)合肥（N、P2O5、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、13%、17%）750 kg·hm－2，并灌底墑水，灌水量為1 200 m3·hm－2；4月24日CK和T處理用微耕機旋耕，所有小區(qū)耙耱后播種。4月25日播種，采用地膜覆蓋，76 cm等行距種植棉花，留苗密度為7.5 萬株·hm－2，10月30日收獲。田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

分別于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期對土壤取樣，每個小區(qū)采用五點法取樣，在棉花行間先刮去表層土，然后用土鉆分別取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm土樣，隨機取5個點混合裝袋?；靹蜻^篩后，分為2份：一部分放入冰盒中帶回實驗室，放入4℃冰箱暫存，用于測定土壤微生物數(shù)量；另一部分經(jīng)常溫風(fēng)干后磨細(xì)過篩，用于測定土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性。

1.2 測定項目及方法

1.2.1土壤養(yǎng)分測定。土壤全氮含量測定采用濃硫酸消煮-半微量凱氏法，堿解氮含量測定采用堿解擴散法；全磷含量測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，速效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；全鉀含量測定采用碳酸鈉熔融-火焰光度計法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法。有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[16]。

1.2.2土壤微生物數(shù)量測定。微生物數(shù)量測定用稀釋平板計數(shù)法。細(xì)菌、真菌和放線菌分別用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和高氏Ⅰ號培養(yǎng)基[17]。用涂抹法接種，在28℃條件下分別培養(yǎng)2 d、3 d和7 d，培養(yǎng)結(jié)束后取出，選擇菌落總數(shù)為10～200的培養(yǎng)皿進行統(tǒng)計和計算。

1.2.3耕層重構(gòu)處理土壤微生物數(shù)量。耕層重構(gòu)處理將0～20 cm土層和20～40 cm土層土壤互換，因此計算0～20 cm和20～40 cm土層微生物數(shù)量時引入修正系數(shù)r以消除本底差異。T處理土壤微生物數(shù)量＝土壤微生物的測定數(shù)量×修正系數(shù)。其中T處理0～20 cm土層的修正系數(shù)r＝苗期CK處理20～40 cm土層的微生物數(shù)量/苗期T處理0～20 cm土層的微生物數(shù)量，T處理20～40 cm土層的修正系數(shù)r＝苗期CK處理0～20 cm土層的微生物數(shù)量/苗期T處理20～40 cm土層的微生物數(shù)量。

1.2.4土壤酶活性測定。脲酶活性測定采用苯酚鈉次氯酸鈉顯色法，堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[18]。

1.2.5棉花產(chǎn)量及生物量測定。各小區(qū)單獨收獲測產(chǎn)。在棉花收獲期每小區(qū)隨機取5株棉花地上部，于105℃殺青30m in，然后85℃烘干至恒重測定地上部生物量。

1.3 統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用M icrosoft Excel2003和SPSS 19.0 軟件進行處理和分析，均采用t測驗分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層重構(gòu)對土壤養(yǎng)分含量的影響

耕層重構(gòu)對吐絮期棉田土壤養(yǎng)分含量的影響如表1所示。與CK相比，吐絮期T處理棉田0～20 cm土層的全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量顯著降低27.3 8%、25.4 7%、33.6 8%、64.7 8%、34.6 3%和29.6 3%，20～40 cm土層的全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量顯著增加5.2 6%、16.9 0%、5.7 5%、71.4 1%、29.8 5%和56.7 6%，40～60 cm土層的全氮、全磷、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量顯著增加5.3 6%、6.3 5%、163.3 8%、19.5 6%和23.8 5%，60～80 cm土層的全氮、全鉀、堿解氮和速效鉀含量顯著增加6.2 5%、4.9 4%、7.7 0%和21.1 9%。T處理棉田20～40 cm土層的全磷、堿解氮、速效磷和有機質(zhì)含量均高于0～20 cm土層，而對照20～40 cm土層的養(yǎng)分含量低于0～20 cm土層。說明耕層重構(gòu)顯著增加了20～40 cm土層除全鉀外的養(yǎng)分含量，深層土壤（60～80 cm）的養(yǎng)分含量也有增加趨勢，解決了常年旋耕導(dǎo)致的營養(yǎng)物質(zhì)富集在表層的問題，使土壤養(yǎng)分含量分布更加均勻。

2.2 耕層重構(gòu)對土壤微生物數(shù)量及分布的影響

2.2.1細(xì)菌。細(xì)菌是土壤微生物的主要組成部分，一般認(rèn)為土壤細(xì)菌數(shù)量的增加是土壤肥力提高的重要生物學(xué)標(biāo)志。耕層重構(gòu)對棉田土壤細(xì)菌數(shù)量（以菌落形成單位，即colony form ing units,cfu計算）的影響如表2所示。在0～20 cm土層中，棉花蕾期和花鈴期T處理細(xì)菌數(shù)量比CK的顯著降低55.7 3%和56.4 4%；在20～40 cm土層，棉花蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的細(xì)菌數(shù)量分別是CK的2.30 、5.09 和1.99 倍，差異均達(dá)到顯著水平；在40～60 cm土層中，棉花花鈴期T處理的細(xì)菌數(shù)量比CK顯著增加350.3 9%；在60～80 cm土層中，棉花花鈴期T處理的細(xì)菌數(shù)量比CK的顯著增加117.3 8%。CK處理的土壤細(xì)菌主要集中在0～20 cm土層，而T處理20～40 cm土層的細(xì)菌數(shù)量大量增加。說明與傳統(tǒng)旋耕相比，耕層重構(gòu)降低了表層土壤細(xì)菌數(shù)量而增加了較深土層細(xì)菌數(shù)量，改變了細(xì)菌的垂直分布。這是因為耕層重構(gòu)處理把細(xì)菌含量高的表層土翻到下面，增加了20～40 cm土層的細(xì)菌數(shù)量；另外，耕層重構(gòu)改變了土壤的理化性狀，提高了20～40 cm土層的養(yǎng)分含量，更利于細(xì)菌的生長。

表2 耕層重構(gòu)對棉田土壤細(xì)菌數(shù)量的影響Table 2 Effect of restructuring soil layers on bacterial quantity in different soil layers of cotton field(107 cfu·g－1)

2.2.2真菌。真菌在土壤微生物區(qū)系中數(shù)量最少，卻是許多作物病害的病原菌，與作物土傳病害的發(fā)生直接相關(guān)，在土壤中作用不容忽視。耕層重構(gòu)對棉田土壤真菌數(shù)量的影響如表3所示。在0～20 cm土層中，棉花蕾期和吐絮期時，T處理的真菌數(shù)量比CK分別顯著降低31.9 6%和40.8 4%；在20～40 cm土層中，棉花蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的真菌數(shù)量分別是CK的2.49倍、4.04 倍和2.83 倍，差異均達(dá)到顯著水平；在40～60 cm土層中，棉花蕾期和花鈴期T處理的真菌數(shù)量分別是CK的10.93 倍和11.38 倍，差異均達(dá)到顯著水平。與CK處理真菌主要集中在0～20 cm土層中不同，T處理中20～40 cm土層也含一定數(shù)量真菌。說明耕層重構(gòu)降低了表層土壤真菌數(shù)量而增加了較深土層真菌數(shù)量，改變了土壤真菌的垂直分布。

表3 耕層重構(gòu)對棉田土壤真菌數(shù)量的影響Table 3 Effect of restructuring soil layers on fungi quantity in different soil layers of cotton field(105 cfu·g－1)

2.2.3放線菌。放線菌能分解土壤中多數(shù)細(xì)菌和真菌不能分解的化合物。土壤放線菌數(shù)量的多少，關(guān)系著土壤代謝強度的高低。耕層重構(gòu)對棉田土壤放線菌數(shù)量的影響如表4所示。在0～20 cm土層中，棉花蕾期T處理的放線菌數(shù)量比CK顯著降低53.7 1%；在20～40 cm土層中，棉花蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的放線菌數(shù)量比CK顯著增加72.9 4%、87.1 4%和79.5 3%；在40～60 cm土層中，棉花蕾期和花鈴期T處理的放線菌數(shù)量比CK顯著增加67.2 1%和197.5 0%。CK處理的土壤放線菌主要集中在0～20 cm土層，而T處理20～40 cm土層的放線菌數(shù)量大幅增加，與細(xì)菌和真菌變化一致。說明耕層重構(gòu)降低了表層土壤放線菌數(shù)量而增加了較深土層放線菌數(shù)量，改變了放線菌的垂直分布。

表4 耕層重構(gòu)對棉田土壤放線菌數(shù)量的影響Table 4 Effect of restructuring soil layers on actinomycetes quantity in each layer of cotton field(107 cfu·g－1)

2.3 耕層重構(gòu)對土壤酶活性的影響

2.3.1脲酶。脲酶能分解有機物生成氨和二氧化碳，其活性反映土壤的氮素供應(yīng)狀況。耕層重構(gòu)對棉田土壤脲酶活性的影響如表5所示。在0～20 cm土層中，棉花苗期、花鈴期和吐絮期T處理的脲酶活性分別比CK顯著降低44.5 6%、37.5 5%和32.7 8%；在20～40 cm土層中，棉花苗期、花鈴期和吐絮期T處理的脲酶活性分別比CK顯著增加26.4 3%、58.4 5%和11.4 6%；在40～60 cm土層中，棉花蕾期和花鈴期T處理的脲酶活性分別比CK顯著增加12.3 4%和42.6 2%；在60～80 cm土層中，棉花蕾期和吐絮期T處理的脲酶活性分別比CK顯著增加22.6 5%和16.4 0%。說明耕層重構(gòu)處理降低了表層土壤脲酶活性，而提高了深層土壤脲酶活性。CK處理的脲酶活性隨著土壤深度的增加而呈降低趨勢，隨著棉花生育時期的推進呈先降低后升高趨勢（20～40 cm土層除外）。除蕾期外，T處理脲酶活性隨著土壤深度的增加呈先上升后下降趨勢，其中20～40 cm土層脲酶活性最高，可能與20～40 cm土層微生物數(shù)量和養(yǎng)分含量的升高有關(guān)。

表5 耕層重構(gòu)對棉田土壤脲酶活性的影響Table 5 Effect of restructuring soil layers on the urease activity in each layer of cotton field (U·g－1)

2.3.2堿性磷酸酶。堿性磷酸酶是能催化土壤有機磷化合物礦化的酶，其活性是評價土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強度的指標(biāo)。耕層重構(gòu)對棉田土壤堿性磷酸酶活性的影響如表6所示。與CK相比，在0～20 cm土層中，棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的堿性磷酸酶活性分別顯著降低52.2 8%、38.8 2%、52.2 3%和45.1 3%；在20～40 cm土層中，棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的堿性磷酸酶活性分別比CK顯著增加90.0 8%、19.0 5%、23.4 6%和30.8 4%；在40～60 cm土層中，棉花苗期和吐絮期T處理的堿性磷酸酶活性分別比CK顯著增加289.9 4%和14.0 0%；在60～80cm土層中，棉花苗期T處理的堿性磷酸酶活性較CK顯著增加29.7 9%。說明耕層重構(gòu)處理降低了表層土壤堿性磷酸酶活性而提高了深層土壤堿性磷酸酶活性。CK處理的堿性磷酸酶活性隨著土壤深度的增加而呈降低趨勢。T處理的堿性磷酸酶活性隨著土壤深度的增加而呈先增加后下降趨勢，可能與土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量的垂直分布改變有關(guān)。

表6 耕層重構(gòu)對棉田土壤堿性磷酸酶活性的影響Table 6 Effect of restructuring soil layers on the alkaline phosphatase activity in each layer of cotton field(U·g－1)

2.3.3蔗糖酶。蔗糖酶能夠把蔗糖水解為單糖從而被機體吸收，蔗糖酶是評價土壤肥力的重要指標(biāo)。耕層重構(gòu)對棉田土壤蔗糖酶活性的影響如表7所示。在0～20 cm土層中，棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的蔗糖酶活性分別比CK顯著降低73.1 8%、25.6 3%、43.4 9%和53.5 3%；在20～40 cm土層中，棉花蕾期、花鈴期和吐絮期T處理的蔗糖酶活性分別比CK顯著增加134.7 2%、116.5 4%和72.4 2%；在40～60 cm土層中，棉花吐絮期T處理的蔗糖酶活性比CK顯著增加45.0 3%。與土壤脲酶和堿性磷酸酶變化趨勢相似，耕層重構(gòu)處理降低了表層土壤蔗糖酶活性而提高了較深土層蔗糖酶活性。

表7 耕層重構(gòu)對棉田土壤蔗糖酶活性的影響Table 7 Effect of restructuring soil layers on the sucrase activity in each layer of cotton field(U·g－1)

2.4 相關(guān)性分析和回歸分析

采用SPSS 19.0 軟件對土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分進行簡單相關(guān)性分析和回歸分析。設(shè)X1為細(xì)菌數(shù)量（107cfu·g－1），X2為真菌數(shù)量（105cfu·g－1），X3為放線菌數(shù)量（107cfu·g－1），X4、X5和X6分別為脲酶活性、堿性磷酸酶活性和蔗糖酶活性（U·g－1），Y1為全氮含量（g·kg－1），Y2為全磷含量（g·kg－1），Y3為全鉀含量（g·kg－1），Y4為有機質(zhì)含量（g·kg－1），Y5為堿解氮含量（mg·kg－1），Y6為速效磷含量（mg·kg－1），Y7為速效鉀含量（mg·kg－1），進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表8。土壤中的全氮含量與脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性顯著正相關(guān)，全磷含量與細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性顯著正相關(guān)，有機質(zhì)含量、堿解氮含量和速效鉀含量與真菌數(shù)量、脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性均顯著正相關(guān)，速效磷含量與真菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、脲酶活性、堿性磷酸酶活性和蔗糖酶活性顯著正相關(guān)。土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性和蔗糖酶活性三者之間呈極顯著正相關(guān)。這說明本研究中的3種酶在促進土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換時，不僅顯示其專有特性，還存在共性關(guān)系，也說明土壤中含氮有機物、有機碳和磷素的轉(zhuǎn)化之間是相互影響的。此外，細(xì)菌數(shù)量與蔗糖酶活性顯著正相關(guān)，真菌和放線菌數(shù)量均與脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性顯著正相關(guān)。

表8 土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性Table 8 Correlative coefficient between m icrobial quantities,soil enzyme activities and soil nutrients in restructuring soil layers

進一步進行回歸分析，得出以下較理想的回歸 模 型：Y1＝0.232 ＋0.000209 X4，R2＝0.708**，F(xiàn)＝14.541 ；Y2＝0.476 ＋0.06 X2＋0.03X5，R2＝0.994 *，F(xiàn)＝427.048 ；Y4＝3.52 ＋0.709X5，R2＝0.722 **，F(xiàn)＝15.595 ；Y5＝5.375 ＋0.021X4，R2＝0.885 **，F(xiàn)＝46.349 ；Y6＝－26.32 ＋7.536X5，R2＝0.925 **，F(xiàn)＝74.117 ；Y7＝－28.663 ＋0.08X4，R2＝0.721 **，F(xiàn)＝15.521 。

上述模型R2數(shù)值后的*和**分別表示在0.05 和0.01 水平上顯著相關(guān)。由此可知，土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量與土壤脲酶活性顯著正相關(guān)，有機質(zhì)和速效磷含量與堿性磷酸酶活性顯著正相關(guān)，全磷含量與真菌數(shù)量和堿性磷酸酶活性顯著正相關(guān)，土壤全鉀含量與土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性沒有顯著相關(guān)關(guān)系。土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性和真菌數(shù)量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。

2.5 耕層重構(gòu)對棉花產(chǎn)量和生物量的影響

T處 理 的 籽 棉 產(chǎn) 量（4 500.64 kg·hm－2）和CK（4 605.05 kg·hm－2）沒有顯著差異，但是T處理的棉花地上部生物量（11 733.05 kg·hm－2）比CK（10 773.05 kg·hm－2）增加8.9 1%，差異達(dá)到顯著水平。說明耕層重構(gòu)可以促進棉花生長，提高棉花地上部生物量。

3 討論

3.1 耕層重構(gòu)對棉田土壤養(yǎng)分含量的影響

耕作方式會對土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分等產(chǎn)生深刻的影響，還會改變土壤微生物群落特征，決定了土壤質(zhì)量變化的方向和程度[19]。目前中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多種耕作方式并存，比較常見的有免耕、少免耕、旋耕、翻耕、深松、壟作、秸稈還田覆蓋，且不同耕作方式、耕翻深度及年際可以變化組合，而不同耕作方式及組合對土壤的影響是不同的[1]。研究發(fā)現(xiàn)，保護性耕作下土壤耕作層的氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量顯著提高，且在0～10 cm土層富集，但在10～30 cm土層沒有顯著變化[1,20]。也有研究發(fā)現(xiàn)，翻耕處理下土壤養(yǎng)分含量最高，其次是旋耕處理，而免耕處理下土壤養(yǎng)分含量最低，且土壤容重越高則土壤養(yǎng)分含量越低[21]。王樹林等認(rèn)為耕層重構(gòu)處理降低了20～40 cm土層的容重，增加了該土層的養(yǎng)分含量[7]。在本研究中，耕層重構(gòu)處理將0～20 cm土層和20～40 cm土層互換，同時松動40～60 cm土層，降低了20～40 cm土層容重，同時把土壤養(yǎng)分富集的表層土轉(zhuǎn)置到下層，把養(yǎng)分含量不高的下層土轉(zhuǎn)置到上層，從而使0～20 cm土壤養(yǎng)分含量低于對照，而20～80 cm土壤養(yǎng)分含量高于對照，與前人研究結(jié)果[7]一致。說明耕層重構(gòu)后增加較深土層的養(yǎng)分含量，打破了常年旋耕導(dǎo)致的營養(yǎng)物質(zhì)在表層的富集，使土壤養(yǎng)分垂直分布更加均勻。

3.2 耕層重構(gòu)對棉田土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物在土壤中參與有機質(zhì)和各種養(yǎng)分的分解轉(zhuǎn)化，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一，其數(shù)量受土壤環(huán)境如土壤耕作措施的影響[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)母鞔胧┤缟钏珊头軌蚪档屯寥廊葜兀黾油寥揽紫抖群秃?，促進植株根系生長，有利于增加土壤氣體交換，從而增加土壤微生物總體含量，提高深層土壤微生物數(shù)量，改善土壤微生態(tài)環(huán)境[25-27]。本研究中，在引入修正系數(shù)消除土層互換引起的本底差異時，由于沒有測定土壤重構(gòu)處理后到棉花播種前土壤的微生物的數(shù)量，故用棉花苗期的微生物數(shù)量計算修正系數(shù)。結(jié)果表明，與旋耕相比，耕層重構(gòu)處理后0～20 cm土層微生物數(shù)量降低，而20 cm以下土層微生物數(shù)量增加，原因可能是土壤的微生物主要集中在0～20 cm土層，耕層重構(gòu)將0～20 cm土層和20～40 cm土層互換，減少了表層土微生物的集聚，并將微生物數(shù)量較多的0～20 cm土層翻轉(zhuǎn)下去，增加了深層土的微生物數(shù)量；另外耕層重構(gòu)改善了耕層下部土壤物理結(jié)構(gòu)，降低下部土壤容重[4]，增加透氣性和儲水量[28]，增加耕層下部土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分的積累，促進棉花根系下扎[7]，深層根系分泌物和脫落物的增加為微生物繁殖提供了有機質(zhì)等養(yǎng)分，利于微生物繁殖，從而影響20 cm以下土層的土壤微生物數(shù)量。土壤中真菌數(shù)量與植物病害發(fā)生密切相關(guān)，前期研究表明耕層重構(gòu)降低了棉花的黃萎病病情指數(shù)[7]，本研究中耕層重構(gòu)顯著降低了0～20 cm土層的真菌數(shù)量，可能會減輕棉花病害的發(fā)生。

3.3 耕層重構(gòu)對棉田土壤酶活性的影響

酶是土壤新陳代謝的重要因素，參與土壤的許多重要的生物化學(xué)和物質(zhì)循環(huán)過程，與土壤理化特性、肥力狀況和農(nóng)業(yè)措施有著顯著的相關(guān)性，也是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤酶的活性易受耕作措施影響，原因可能是耕作措施改變了土壤的理化性質(zhì)和微生物的群落結(jié)構(gòu)等。胡心意等認(rèn)為，與淺耕相比，深耕可提高耕層土壤磷酸酶和β-葡萄糖苷酶的活性[29]。前人研究表明，不同耕作方式下相關(guān)土壤酶活性表現(xiàn)為翻耕＞旋耕＞免耕[30]。雖然不同耕作方式對土壤酶活性的影響不同，但是土壤酶活性都表現(xiàn)為從上層土壤到下層土壤逐漸降低[31]。本研究表明，與旋耕對照相比，耕層重構(gòu)后棉田土壤0～20 cm土層的脲酶活性、蔗糖酶活性和堿性磷酸酶活性降低，而20 cm以下土層的土壤酶活性升高。其原因可能是耕層重構(gòu)后轉(zhuǎn)深土層的養(yǎng)分含量提高，為土壤酶提供豐富的底物；另外耕層重構(gòu)能增加深層土壤的微生物數(shù)量，促進植株根系下扎[7]，增加土壤酶的來源。耕層重構(gòu)處理后20～40 cm土層與0～20 cm土層的土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性差異不顯著或顯著升高，說明耕層重構(gòu)技術(shù)打破了土壤養(yǎng)分、微生物和酶在土表層的富集，可改善土壤的生態(tài)環(huán)境。而耕層重構(gòu)改善土壤生態(tài)環(huán)境的持續(xù)時間，需要進一步研究。

3.4 土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

前人研究表明，土壤微生物、酶與相關(guān)土壤肥力指標(biāo)有著密切的關(guān)系，土壤微生物和土壤酶對外界環(huán)境的變化更為敏感，可以將其與土壤養(yǎng)分相結(jié)合對土壤肥力進行評估。王燦等認(rèn)為，土壤中脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和堿性磷酸酶活性之間呈極顯著正相關(guān)，與土壤全磷含量、硝態(tài)氮含量和速效磷含量也存在相關(guān)性[32]。也有相關(guān)研究表明，土壤微生物數(shù)量與土壤有機質(zhì)、有效氮、有效磷、有效鉀含量呈正相關(guān)，與土壤pH呈負(fù)相關(guān)[33-34]。劉艷等認(rèn)為，土壤脲酶、過氧化氫酶活性和土壤有機質(zhì)及多種養(yǎng)分含量顯著正相關(guān)，過氧化物酶活性和土壤有機質(zhì)及多種養(yǎng)分含量顯著負(fù)相關(guān)[35]。本研究中相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤微生物、土壤酶與土壤肥力相關(guān)指標(biāo)關(guān)系密切；進一步回歸分析結(jié)果表明，真菌數(shù)量、土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性與土壤肥力相關(guān)指標(biāo)呈顯著線性關(guān)系，是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤微生物數(shù)量增多，土壤酶活性增強，有利于全氮、全磷、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等含量的提高，對養(yǎng)分的分解和轉(zhuǎn)化具有積極作用；另外，養(yǎng)分也可通過改變微生物的生存環(huán)境調(diào)節(jié)微生物的數(shù)量和酶活性。

3.5 耕層重構(gòu)對棉花產(chǎn)量和地上部生物量的影響

前期研究發(fā)現(xiàn)，耕層重構(gòu)處理打破犁底層，使0～60 cm土層土壤容重顯著降低，便于棉花根系下扎與土壤水分下滲，在灌水與大雨后使水分更多地蓄積在下層土壤中，達(dá)到蓄水保墑的目的，可促進棉花生長；耕層重構(gòu)處理在干旱年份可以提高棉花產(chǎn)量，而在多雨年份增產(chǎn)效果不明顯[7]。在本研究中，耕層重構(gòu)處理對籽棉產(chǎn)量影響不顯著，但可以顯著提高棉花地上部生物量。這可能是因為耕層重構(gòu)處理后棉田深層土壤養(yǎng)分含量增加，微生物數(shù)量和土壤酶活性提高，養(yǎng)分代謝增強，更利于棉花對營養(yǎng)的吸收和利用，促進棉花生長發(fā)育。

4 結(jié)論

與旋耕相比，耕層重構(gòu)處理增加了棉田20～80 cm土層的養(yǎng)分含量，打破了由于常年旋耕導(dǎo)致的營養(yǎng)物質(zhì)在表層的富集，使土壤養(yǎng)分垂直分布更加均勻。耕層重構(gòu)處理導(dǎo)致表層土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性降低，而使20～40 cm土層微生物數(shù)量和土壤酶活性增加，可提高土壤養(yǎng)分代謝強度；耕層重構(gòu)處理可以提高棉花地上部生物量。相關(guān)分析和回歸分析表明，土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性和真菌數(shù)量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。因此，耕層重構(gòu)可以提高20～40 cm土層的養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量和土壤酶活性，提高較深土層的養(yǎng)分代謝強度，是改良土壤微生態(tài)環(huán)境的有效措施。