不同耕作方式對(duì)綠洲區(qū)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體中微生物生物量碳、氮含量的影響

王翠麗 王軍強(qiáng) 陳亮 欒倩倩 李彥榮 趙旭

摘要：為了更好地研究不同耕作方式下綠洲區(qū)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮含量之間的關(guān)系，選擇4種耕作方式（免耕、少耕、深松、秋翻），對(duì)不同土層（0～20、20～40 cm）的土壤進(jìn)行樣品采集和分析，研究各粒級(jí)（粒徑>2.00 mm、>1.00～2.00 mm、0.25～1.00 mm、<0.25 mm）土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮含量的變化特征。結(jié)果表明，在4種耕作方式下，在0～20 cm土層4種粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體中，粒徑>2.00 mm的土壤團(tuán)聚體的微生物量碳、微生物量氮含量最高，免耕、少耕、秋翻處理的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高。對(duì)同一粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體而言，0～20 cm土層有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮含量高于20～40 cm土層。隨團(tuán)聚體粒級(jí)變小，土壤微生物量碳、微生物量氮含量逐漸降低;在秋翻方式下，土壤有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮含量均最高，說(shuō)明對(duì)該地區(qū)土壤翻動(dòng)處理，可改善土壤微環(huán)境、增強(qiáng)土壤肥力，可作為改善綠洲區(qū)農(nóng)田土壤的合理措施。

關(guān)鍵詞：綠洲農(nóng)田;耕作方式;團(tuán)聚體;有機(jī)碳;微生物量碳;微生物量氮

中圖分類(lèi)號(hào)： S151.9+3;S153文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）12-0246-06

收稿日期：2021-08-19

基金項(xiàng)目：蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：lzujbky-2021-kb12）;甘肅省級(jí)引導(dǎo)科技創(chuàng)新發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2019ZX-06）;國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41867013、31560170）。

作者簡(jiǎn)介：王翠麗（1989—），女，甘肅會(huì)寧人，碩士，助理研究員，從事設(shè)施蔬菜栽培生理與生長(zhǎng)調(diào)控研究。E-mail：wangcl1116@163.com。

通信作者：趙 旭，副研究員，博士，從事農(nóng)田生態(tài)和微生物生理生化研究。E-mail：zhaoxu512@163.com。

土壤團(tuán)聚體是在土壤形成過(guò)程中，由土壤礦質(zhì)顆粒吸收鈣的腐殖質(zhì)凝結(jié)而成的，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[1]。土壤團(tuán)聚體中各種微生物的活性受到耕作方式、土壤類(lèi)型及氣候條件的影響，使不同粒級(jí)團(tuán)聚體中碳、氮含量發(fā)生變化[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，微生物的快速生長(zhǎng)對(duì)微團(tuán)聚體（粒徑<0.25 mm）中微生物群落結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)高于大團(tuán)聚體（粒徑>2.00 mm）[3]。單位體積土壤中的微生物量隨著團(tuán)聚體粒級(jí)的減小而增加，導(dǎo)致大團(tuán)粒來(lái)自植物的外源有機(jī)質(zhì)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而微小粒級(jí)團(tuán)聚體中來(lái)自微生物代謝的有機(jī)物占優(yōu)勢(shì)[4]。團(tuán)聚體粒級(jí)大小不同，其微生物數(shù)量和種群也不相同，有研究發(fā)現(xiàn)，在0～30 cm土層，有機(jī)質(zhì)含量在粒徑為0.5～2 mm的團(tuán)聚體中低于粒徑≤0.005 mm 的團(tuán)聚體中[5];還有研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量碳、氮含量在粒徑>2 mm團(tuán)聚體中的含量相對(duì)高于粒徑<0.25 mm的團(tuán)聚體[6]。

土壤團(tuán)聚體與土壤有機(jī)碳、土壤微生物量碳、微生物量氮含量三者之間有著密切關(guān)系，土壤微生物連接作物根系與土壤微生物量碳、微生物量氮的循環(huán);土壤中碳素、氮素養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化離不開(kāi)土壤微生物量碳、氮，土壤微生物量碳可以反映土壤微生物活性和土壤肥料狀況[7]。因此，研究團(tuán)聚體中土壤微生物量碳、微生物量氮含量的變化有助于了解土壤肥力的變化，可為改良土壤養(yǎng)分提供一定的理論和技術(shù)指導(dǎo)。

本研究以民勤綠洲農(nóng)田的4種不同耕作方式為研究對(duì)象，對(duì)不同耕作方式、不同土壤深度下土壤團(tuán)聚體粒級(jí)、土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮、全氮含量進(jìn)行比較，并明確不同耕作方式、不同深度下這些指標(biāo)的分布特征及它們之間的關(guān)系，以期為提高該地區(qū)農(nóng)田高效的耕作方式提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省武威市民勤縣蘇武鄉(xiāng)泉水村（103°07′16″ E，33°37′10″N），海拔為 1 98～1 936 m，該地區(qū)氣候類(lèi)型為溫帶干旱荒漠氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，晝夜溫差可達(dá)25.2 ℃。氣象站的數(shù)據(jù)顯示，該地年均溫為7.8 ℃，最低氣溫僅為 -30.8 ℃，高溫溫度為40.0 ℃，年均無(wú)霜期為 162 d，光照充足，全年日照時(shí)數(shù)為3 073.5 h，平均日照時(shí)數(shù)為2 779.40 h。該地區(qū)降水主要在7—9月，年均降水量約113.2 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 644 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于2015年10月，試驗(yàn)地種植玉米，共設(shè)置4種耕作方式：（1）免耕（Tn），土地不耕翻，地膜一直到試驗(yàn)結(jié)束才更換[8];（2）少耕（Tm），土壤從第1年收獲后到第2年播種前不進(jìn)行任何翻動(dòng)，在第2年播種前1周左右旋耕整地，深翻土壤7.5～10.0 cm;（3）深松（Ts），秋收后深翻30 cm，春季再翻1次;（4）秋翻（Tf），每年秋收后耕翻土層約為 0 cm，春季深翻土壤7.5～10.0 cm。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)面積為24.75 hm2。

1.3 取樣及指標(biāo)測(cè)定

2020年6月用土鉆取土，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，分別采集0～20、20～40 cm 個(gè)土層的土樣，混合成1個(gè)樣后現(xiàn)場(chǎng)過(guò)篩（孔徑為5 mm），用手將大土塊掰開(kāi)，過(guò)完篩后剔除土壤中可見(jiàn)的植物根系和雜物。將樣品一分為三，冷藏于冰盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室后儲(chǔ)存到4 ℃冰箱中。

參照Bach等的方法[9]，采用干篩法將土壤團(tuán)聚體按不同顆粒進(jìn)行分級(jí)，將置于4 ℃冰箱的土樣進(jìn)行篩分處理，篩孔直徑分別為2、1、0.25 mm，篩分方法為垂直上下振蕩（5 cm高度），振蕩頻率 1次/s，振蕩時(shí)長(zhǎng)1 min，篩分出粒徑>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00、<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體，稱(chēng)質(zhì)量，然后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3.1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的測(cè)定 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸消化法。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體微生物量碳、微生物量氮含量的測(cè)定 將用干篩法分離的不同粒徑的團(tuán)聚體、原狀土的濕度調(diào)節(jié)至田間持水量的50%，在25 ℃預(yù)培養(yǎng)7 d后，用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提，稱(chēng)取3份相當(dāng)于風(fēng)干土壤質(zhì)量20 g的新鮮土壤于小燒杯中，將土樣與盛有50 mL無(wú)乙醇三氯甲烷的燒杯共同放入真空干燥箱中，抽真空至三氯甲烷持續(xù)沸騰后，關(guān)緊閥門(mén)，于25 ℃培養(yǎng)24 h后取出三氯甲烷，再次反復(fù)抽真空至完全去除土壤中殘余的三氯甲烷，加入50 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液，于25 ℃充分振蕩30 min。另外稱(chēng)取3份土壤，直接加入50 mL K2SO4溶液進(jìn)行浸提測(cè)定。

微生物量碳含量（MBC）的計(jì)算公式：MBC=2.64Ec[10];

微生物量氮含量（MBN）的計(jì)算公式：MBN=0.54Ec;

土壤微生物熵=有機(jī)碳/微生物碳。

式中：2.64、0.54分別為用三氯甲烷熏蒸殺死的微生物體的碳、氮被硫酸鉀浸提出的比例;Ec為熏蒸、未熏蒸浸提液中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值。

1.3.4 土壤團(tuán)聚體全氮測(cè)定 采用全自動(dòng)凱氏定氮法（丹麥FOSS Analytical A/S公司）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，用SPSS 19.0軟件的Duncans法進(jìn)行方差分析與差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

土壤中有機(jī)碳含量反映土壤有機(jī)質(zhì)平衡和礦化速率的變化。在0～20 cm土層，免耕、少耕、秋翻3種耕作方式的土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為>2.00 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，分別為11.61、14.83、18.96 g/kg;<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最低，分別為7.37、11.77、12.08 g/kg。在不同耕作方式下，秋翻時(shí)粒徑>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00、<0.25 mm 的4種團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量高于其他3種處理。對(duì)于有機(jī)碳含量最高的>2.00 mm 粒徑，有機(jī)碳含量排序?yàn)榍锓?gt;少耕>免耕>深松;對(duì)于有機(jī)碳含量最低的<0.25 mm粒徑，有機(jī)碳含量排序?yàn)榍锓?gt;少耕>免耕>深松。在0～40 cm土層，少耕方式下>2.00、>1.00～2.00 mm這2個(gè)粒級(jí)的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，分別為11.99、12.13 g/kg，該層土壤有機(jī)碳含量低于 0～20 cm土層，>2.00 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高（圖1）。

2.2 耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體中微生物量碳的影響

圖2顯示，在0～40 cm土層，免耕、少耕、深松、秋翻4種耕作方式的土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中微生物量碳含量的變化規(guī)律相同。在不同耕作方式處理下，各粒級(jí)團(tuán)聚體的微生物量碳含量變化不同。在0～20 cm土層，秋翻微生物量碳含量最高，為 1 401.52 mg/kg，少耕微生物含量最低，為 1 146.30 mg/kg。同一粒級(jí)不同耕作方式間的土壤團(tuán)聚體微生物量碳含量也不同，其中粒徑>2.00 mm團(tuán)聚體的微生物量碳含量最高，粒徑<0.25 mm團(tuán)聚體的微生物量碳含量最低。隨著土層深度加深，各粒級(jí)團(tuán)聚體中有微生物量碳含量降低。

2.3 耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體中微生物量氮含量的影響

由圖3可知，土壤團(tuán)聚體中的微生物量氮含量與微生物量碳含量的變化趨勢(shì)相似，呈現(xiàn)為隨著團(tuán)聚體粒級(jí)變小，微生物量氮含量降低。隨著土層深度增加，微生物量氮含量降低。在不同耕作方式下，0～20 cm土層土壤中各粒級(jí)團(tuán)聚體的微生物量氮含量排序?yàn)榍锓?gt;免耕>少耕 >深松，其中秋翻>2.00 mm粒徑團(tuán)聚體的微生物量氮含量最高，為15.33 mg/kg。在0～40 cm土層，免耕處理各粒級(jí)團(tuán)聚體微生物量氮含量最高，分別為10.00、7.25、6.99、5.27 mg/kg。在同一粒級(jí)的不同耕作方式下，粒徑>2.00 mm團(tuán)聚體的微生物量氮含量最高，粒徑<0.25 mm 團(tuán)聚體的微生物量氮含量最低。

2.4 不同耕作方式下土壤團(tuán)聚體中的微生物量 C/N 值

由圖4可知，在不同耕作方式處理下，免耕、深松處理的團(tuán)聚體C/N值變化趨勢(shì)相似，各粒級(jí)團(tuán)聚體C/N值由高到低為>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00 mm、<0.25 mm，秋翻處理的C/N值最高，免耕處理的C/N值最低。對(duì)于同一團(tuán)聚體粒級(jí)，不同耕作方式處理的C/N值不同，其中少耕處理的>1.00～2.00 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的C/N值最高，為37.43%;深松處理 <0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的 C/N 值最高，為7.05%。

2.5 土壤團(tuán)聚體中微生物量氮占全氮的比例

由圖5可知，在不同耕作方式下，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的生物量氮占全氮的比例為13.49%～85.59%。在表層（0～20 cm）土壤，少耕處理的團(tuán)聚體微生物量氮占全氮的比例最高，免耕處理最低。在同一耕作方式下，0～20 cm土層的少耕、深松、秋翻團(tuán)聚體微生物量氮占全氮的比例排序?yàn)?>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00、<0.25 mm。在20～40 cm土層，免耕、深松和秋翻各級(jí)團(tuán)聚體中氮含量占總氮含量比例的變化規(guī)律相同。

2.6 耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體中微生物熵的分布的影響

由表1可知，底層（20～40 cm）土壤的微生物熵高于表層（0～20 cm）土壤，對(duì)于深松處理，>2.00 mm 粒徑團(tuán)聚體的微生物熵最大（0.33%、0.64%）;在0～20 cm土層，少耕處理中粒徑 <0.25 mm 團(tuán)聚體的微生物熵最小，為0.09%;在20～40 cm土層，其他處理的微生物熵在0.2%～0.6%之間。

3 討論

土壤團(tuán)聚體反映土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[11]，粒徑不同，土壤團(tuán)聚體所表現(xiàn)的孔隙度大小不同，而孔隙度特征可以有效積累土壤內(nèi)部有機(jī)碳含量[12]。本研究表明，4種耕作方式影響土壤各粒徑團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以 >2.00 mm 粒徑的團(tuán)聚體較高，<0.25 mm 粒徑的土壤團(tuán)聚體含量均最低，這與高明等的研究結(jié)果[13]一致。隨著土壤深度加深，團(tuán)聚體粒級(jí)越小，有機(jī)碳含量越低。不同耕作方式的土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量差異很大，這與試驗(yàn)地種植的玉米根系分布及根系分泌物有關(guān)，與羅有進(jìn)等的研究結(jié)果[14]一致。在免耕處理下，團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量明顯降低;深松處理土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量明顯升高，且大團(tuán)聚體含量顯著高于免耕處理，可能與種植作物根系分泌物及試驗(yàn)地土壤以沙土為主有關(guān)。綜上，深松后土壤有機(jī)碳含量升高，且大粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高，表層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳含量高于底層（20～40 cm）土壤中的有機(jī)碳含量。土壤有機(jī)碳含量越高，穩(wěn)定性越好，能促進(jìn)土壤中養(yǎng)分含量的提高，因此可以通過(guò)機(jī)械作業(yè)加強(qiáng)土壤養(yǎng)分含量，從而提高綠洲區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存量。

土壤微生物量碳占土壤有機(jī)碳庫(kù)的1%～4%，可以反映土壤微生物活性和土壤肥力狀況[15]。土壤微生物量碳含量與土壤有機(jī)碳含量具有顯著的相關(guān)性，在一定條件下，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤微生物量碳含量就越高[10]。本研究結(jié)果表明，在相同耕作方式下，0～20 cm土層土壤微生物量碳含量高于20～40 cm土層土壤微生物量碳含量，>2.00 mm粒徑的團(tuán)聚體微生物量碳含量高于 <0.25 mm 粒徑的團(tuán)聚體。在不同耕作方式下，秋翻表層土壤（0～20 cm）的微生物量碳含量顯著高于其他耕作方式，且大團(tuán)聚體中微生物量碳含量最高，說(shuō)明秋季機(jī)械翻動(dòng)土壤會(huì)增加土壤大團(tuán)聚體（>2 mm）微生物量碳含量，這與趙亞麗等的研究結(jié)果[16]一致。有研究表明，通過(guò)機(jī)械化翻耕可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量，使土壤微生物量氮含量增加[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，免耕土壤微生物量氮含量最高，并且隨著土壤深度不斷加大，微生物量氮含量減小，土壤發(fā)生明顯的“上富下貧”現(xiàn)象，表明微生物量氮含量易受耕作方式的影響。對(duì)于同一粒級(jí)的團(tuán)聚體，隨著團(tuán)聚體粒徑變小，微生物量氮含量減小。該研究結(jié)果與Balota等的研究結(jié)果[18]一致。

通常認(rèn)為，當(dāng)微生物碳與氮的比值低于25時(shí)，有機(jī)質(zhì)更易分解，并且會(huì)出現(xiàn)凈氮礦化的現(xiàn)象[19]。在本研究中，不同耕作方式下各團(tuán)聚體土壤碳氮比為7.05%～37.70%，土壤碳氮比在0～20 cm 土層以秋翻處理最高，少耕處理最低，說(shuō)明不同耕作方式使土壤碳氮比出現(xiàn)差異。>2.00 mm粒徑團(tuán)聚體在土壤團(tuán)聚體中所占比例最高。微生物熵是土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳的比值，能夠反映土壤肥力。本研究結(jié)果表明，在4種耕作方式下，微生物熵隨著團(tuán)聚體粒級(jí)的降低而減小。秋翻土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、微生物量碳含量較高，微生物熵較大，說(shuō)明秋翻不利于土壤中碳的固定。免耕微生物熵卻較低，土壤長(zhǎng)期未被翻動(dòng)，造成土壤微生物種類(lèi)和數(shù)量較少，土壤肥效較低。該結(jié)果與徐云蕾等在森林土上得出的研究結(jié)果[9]相似。

4 結(jié)論

在4種耕作方式下，有機(jī)碳、微生物量碳及微生物量氮含量隨著土壤團(tuán)聚體粒級(jí)變小而降低，隨著土層深度增加而減小。對(duì)于秋翻方式，>2.00 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳、微生物量碳、微生物量氮含量均最高，表明秋翻可以提高土壤微生物碳氮量和養(yǎng)分含量，可用于綠洲農(nóng)田作物種植。

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