補(bǔ)灌對(duì)旱作集雨下麥田微生物呼吸與熵值的影響

徐悅悅 王楹鑫 馬向成 蔡 鐵 賈志寬

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，太原 030031；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

0 引言

我國(guó)旱作耕地面積占總耕地面積約1/3，其中黃土高原半干旱區(qū)作為我國(guó)最為典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，擁有全國(guó)近40%的旱作農(nóng)田[1]。小麥?zhǔn)窃摰貐^(qū)重要糧食作物，種植面積占全國(guó)小麥的27%～30%，其生產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)丶Z食結(jié)構(gòu)安全具有重要意義[2]。然而，該地區(qū)年降雨量?jī)H為300～600 mm，且60%以上降水主要集中在7—9月，與小麥生長(zhǎng)需求嚴(yán)重錯(cuò)位，降水資源利用率不高，干旱缺水是該地區(qū)糧食增產(chǎn)的主要限制因素[3]。為解決干旱半干旱區(qū)缺水和季節(jié)性干旱的問題，近年來，溝壟集雨種植技術(shù)以其顯著的增溫保墑作用被廣泛采用[4]。該技術(shù)采用壟上覆膜進(jìn)行集雨，溝內(nèi)種植作物的方式[5]，可以收集無效降雨，還可以降低地面無效蒸發(fā)，增加農(nóng)田及作物根域土壤含水量，顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[6]。值得關(guān)注的是，溝壟集雨技術(shù)在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，土壤水熱改變和地膜使用影響土壤基礎(chǔ)呼吸、土壤有機(jī)碳含量和微生物量碳含量，進(jìn)而影響土壤微生物熵和代謝熵[7]。土壤微生物熵是土壤微生物量碳含量占土壤有機(jī)碳含量的比例，主要用來反映單位資源所能支持的微生物生物量[8]。土壤微生物熵通過反映土壤養(yǎng)分及養(yǎng)分利用效率的差異變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)土壤環(huán)境的微妙變化，土壤微生物熵越大，表明土壤養(yǎng)分積累越大，相反土壤養(yǎng)分損失越大。土壤代謝熵可以表征微生物活性對(duì)環(huán)境因子或者生存條件的響應(yīng)，是直接反映微生物對(duì)碳源利用效率的指標(biāo)[9]。基于這樣的特性，土壤微生物熵和土壤代謝熵可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)[10]。LUO等[11]在陜西省長(zhǎng)武4年的春玉米試驗(yàn)表明，0～40 cm土壤有機(jī)碳在覆膜下表現(xiàn)出一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，與不覆膜相比，顯著增加了輕組有機(jī)碳含量，降低了20～40 cm微生物碳含量。然而，DONG等[12]在西北黃土高原麥玉輪作試驗(yàn)表明，覆膜增加了0～10 cm土層的總有機(jī)碳含量及微生物碳含量，降低了可溶性有機(jī)碳含量，這說明目前有關(guān)覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳含量和微生物量碳含量的影響尚未有統(tǒng)一的結(jié)果。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，根據(jù)作物的需水規(guī)律在作物不同生育時(shí)期科學(xué)合理灌水，最大限度地利用有限的水資源，是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵所在[13]。

因此，本研究在溝壟集雨種植技術(shù)下在作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行限量補(bǔ)灌，以傳統(tǒng)畦灌為對(duì)照，通過分析監(jiān)測(cè)溝壟集雨下土壤有機(jī)碳、微生物量碳、土壤微生物呼吸及其熵值(土壤代謝熵、微生物熵)的變化來監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤質(zhì)量演變特征，探究溝壟集雨補(bǔ)灌技術(shù)下冬小麥田土壤質(zhì)量演變規(guī)律及如何在節(jié)水的前提下保證土壤的可持續(xù)發(fā)展，為評(píng)價(jià)溝壟集雨補(bǔ)灌技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗(yàn)站的作物控水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)。該地位于關(guān)中平原(34°20′N，108°04′E)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，海拔524 m，年均溫12.9℃，多年平均降雨量550～600 mm，降雨多集中在7—9月，冬小麥生育期相對(duì)較少，平水年為200 mm左右。

作物控水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)建有種植區(qū)，每小區(qū)面積6.7 m2(3.15 m×2.13 m)，深3 m，小區(qū)四周均為17 cm厚的水泥墻，用以防止水分水平交換，種植區(qū)中固定有TDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)，底部設(shè)有濾層(0.5 m厚沙子和石子)和排水管，以防種植區(qū)底部積水。遇雨雪電控蓋棚，全年防雨水進(jìn)入。種植區(qū)內(nèi)土壤選取當(dāng)?shù)卮硇酝寥?，根?0～30 cm)基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比11.97 g/kg，全氮質(zhì)量比1.31 g/kg，全磷質(zhì)量比0.83 g/kg，全鉀質(zhì)量比6.18 g/kg，速效氮質(zhì)量比53.12 mg/kg，速效磷質(zhì)量比22.34 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比97.37 mg/kg，pH值7.59，容重1.25 g/cm3，灌溉水為地下水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2017年10月—2020年6月連續(xù)3年進(jìn)行。供試品種為“西農(nóng)979”。冬小麥于每年10月1日進(jìn)行人工整地、起壟、覆膜、施肥，第2年6月中旬收獲，收獲后至次年播種前為農(nóng)田休閑期。播種前施純氮225 kg/hm2、P2O575 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2。10月上旬播種，播種量2.25×106粒/hm2，行距20 cm。播前底墑統(tǒng)一調(diào)整為0～2 m土層土壤貯水量400 mm。

小麥生育期模擬降雨量分別為豐水年275 mm(P1)、平水年200 mm(P2)和干旱年125 mm(P3)，各月降雨分布情況根據(jù)當(dāng)?shù)?982—2014年小麥生育期降水資料計(jì)算而得，降水分布見表1。在每個(gè)降雨水平下設(shè)置兩種補(bǔ)灌方式：溝壟集雨(圖1)和傳統(tǒng)畦灌，兩種補(bǔ)灌方式的補(bǔ)灌量設(shè)4個(gè)水平，分別為150、75、37.5、0 mm，在冬小麥越冬期和拔節(jié)期分兩次平均灌溉。為便于區(qū)分，在降雨量為275 mm時(shí)，壟溝集雨下各處理名稱分別為P1R150、P1R75、P1R37.5和P1R0。在傳統(tǒng)平作制度下，處理名稱分別為P1T150、P1T75、P1T37.5和P1T0。當(dāng)降雨量為200、125 mm時(shí)，處理名稱同上表述。為了精確控制降雨量及灌溉量，種植區(qū)均配置了灌溉控制系統(tǒng)，各月不同模擬雨量也通過該系統(tǒng)控制實(shí)施，以保證模擬雨量及灌水的適時(shí)、均勻。本試驗(yàn)共24個(gè)處理，每個(gè)處理各設(shè)3個(gè)重復(fù)。

表1 冬小麥生長(zhǎng)季降水模擬分布

圖1 溝壟集雨種植示意圖

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

分別于冬小麥分蘗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期進(jìn)行取樣(選取研究期間每個(gè)處理在作物各生育時(shí)期的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析)，采樣深度為0～20 cm和20～40 cm。每次取樣時(shí)，于每個(gè)小區(qū)按S形選擇5個(gè)點(diǎn)，同一土層土樣混合成一個(gè)復(fù)合樣品。取樣后除去雜物和石塊，迅速混合放入無菌袋內(nèi)并裝入帶冰塊的取樣箱中運(yùn)回。在實(shí)驗(yàn)室將土樣除去可見的土壤動(dòng)物和植物殘?bào)w，將新鮮土壤過2 mm篩，放置于4℃冰箱內(nèi)，用于測(cè)定土壤微生物生物量碳(MBC)含量。

土壤總有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[14]。土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸浸提法[15]測(cè)定。具體操作如下：稱取新鮮土樣10 g置于真空干燥器中，經(jīng)氯仿熏蒸后，于25℃的黑暗條件下培養(yǎng)24 h后，用抽真空方法反復(fù)去除真空泵中殘存的氯仿。熏蒸的同時(shí)，稱取等量新鮮土壤。然后將熏蒸及未熏蒸的土壤樣品用40 mL 0.5 mol/L的K2SO4溶液震蕩浸提30 min后，使用定量濾紙過濾。浸提液中有機(jī)碳(SOC)含量的測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法。土壤微生物生物量碳(MBC)含量計(jì)算公式為

CMBC=EC/KEC

(1)

式中CMBC——土壤微生物生物量碳含量(質(zhì)量比)

EC——熏蒸與未熏蒸土樣有機(jī)碳含量的差值

KEC——轉(zhuǎn)換系數(shù)，取0.45

土壤微生物呼吸強(qiáng)度MR采用密閉堿液吸收滴定法測(cè)定。具體操作如下：稱取20 g新鮮土樣于500 mL廣口瓶上懸掛尼龍小網(wǎng)袋中，以0.1 mol/L NaOH吸收微生物呼吸釋放的CO2，25℃恒溫箱培養(yǎng)24 h，用0.1 mol/L HCl滴定剩余NaOH，以計(jì)算土壤微生物呼吸強(qiáng)度。每個(gè)處理重復(fù)3次。

土壤代謝熵Q1計(jì)算公式為

Q1=MR/CMBC

(2)

式中MR——土壤微生物呼吸強(qiáng)度，mg/(kg·h)

微生物熵Q2計(jì)算公式為

Q2=CMBC/CSOC×100%

(3)

式中CSOC——土壤總有機(jī)碳(SOC)質(zhì)量比，g/kg

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Origin 2021繪制圖表，SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行差異顯著比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝壟集雨條件下限量補(bǔ)灌對(duì)冬小麥田不同土層土壤微生物呼吸的影響

不同降雨量下各處理0～20 cm和20～40 cm土層微生物呼吸強(qiáng)度均呈現(xiàn)苗期至越冬期急劇下降，越冬期至開花期緩慢上升，開花期后緩慢下降的規(guī)律(圖2，圖中數(shù)據(jù)均為3年平均數(shù)據(jù)。TS表示分蘗期；RWS表示越冬期；GS表示返青期；JS表示拔節(jié)期；FS表示開花期；GFS表示灌漿期；Average表示生育期平均值，下同)。降雨量相同時(shí)，同一補(bǔ)灌量下，溝壟集雨處理的微生物呼吸強(qiáng)度略高于傳統(tǒng)畦灌處理(圖2)。深層土壤的土壤微生物呼吸強(qiáng)度高于淺層土壤(圖2)，且不同補(bǔ)灌處理對(duì)拔節(jié)期和開花期土壤基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度影響較大。在0～20 cm土層，冬小麥生育期降雨量275 mm下，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)補(bǔ)灌處理土壤微生物呼吸強(qiáng)度增加2.47%～21.67%，其中只有不進(jìn)行補(bǔ)灌的處理達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。降雨量200 mm下，在開花期，不同補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)補(bǔ)灌處理土壤微生物呼吸增加3.90%～7.69%。其中處理P2R150 較P2T150和P2R75顯著提高4.93%和6.25%(P<0.05)，而P2T150和P2R75二者間差異不顯著。125 mm降雨量下，不同補(bǔ)灌量下溝壟集雨補(bǔ)灌較傳統(tǒng)畦灌開花期3年平均土壤微生物呼吸強(qiáng)度顯著增加4%～14.29%(P<0.05)。

圖2 不同降雨年型下0～20 cm和20～40 cm土層土壤微生物呼吸強(qiáng)度

在20～40 cm土層，冬小麥生育期降雨量275、200 mm下，在開花期，不同溝壟集雨補(bǔ)灌處理較傳統(tǒng)補(bǔ)灌土壤微生物呼吸強(qiáng)度分別增加3.28%～7.10%和4.35%～14.29%。其中P2R37.5和P2T37.5、P2R0和P2T0處理間差異達(dá)到顯著(P<0.05)，其余補(bǔ)灌量處理均未達(dá)到顯著性差異。降雨量125 mm下，不同補(bǔ)灌量下溝壟集雨補(bǔ)灌較傳統(tǒng)畦灌開花期3年平均土壤微生物呼吸強(qiáng)度顯著增加11.39%～24.59%(P<0.05)。

2.2 溝壟集雨條件下限量補(bǔ)灌對(duì)冬小麥田不同土層土壤微生物量碳含量和有機(jī)碳含量的影響

由圖3和圖4(圖中RF表示溝壟集雨補(bǔ)灌，TF表示傳統(tǒng)畦灌，下同)可以看出，溝壟集雨補(bǔ)灌可顯著提高土壤0～20 cm和20～40 cm微生物量碳含量。溝壟集雨處理的土壤微生物量碳從苗期至開花期持續(xù)上升，開花期至灌漿期下降。而傳統(tǒng)畦灌處理呈現(xiàn)從苗期至越冬期下降，越冬期至開花期緩慢上升的趨勢(shì)。冬小麥生育期降雨量275 mm下，在0～20 cm和20～40 cm土層，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理的微生物量碳分別增加10.10%～12.30%和4.11%～6.12%(圖3、4)。降雨量200 mm下，在0～20 cm和20～40 cm土層，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理分別增加10.49%～15.86%和4.37%～7.63%。降雨量125 mm下，在0～20 cm和20～40 cm土層，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理分別增加8.89%～15.07%和6.80%～11.80%。其中在0～20 cm土層溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理的土壤微生物量碳含量均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

圖3 不同降雨年型下0～20 cm土層微生物量碳含量

圖4 不同降雨年型下20～40 cm土層微生物量碳含量

圖5和圖6為溝壟集雨和傳統(tǒng)畦灌處理的0～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)碳含量在冬小麥整個(gè)生育時(shí)期的動(dòng)態(tài)變化。由圖5、6可以看出，與土壤微生物量碳含量的變化趨勢(shì)相反，隨著降雨量及補(bǔ)灌量的增加，土層0～20 cm和20～40 cm的有機(jī)碳含量下降，且當(dāng)降雨量及補(bǔ)灌量相同時(shí)，溝壟集雨處理的有機(jī)碳含量低于傳統(tǒng)畦灌(圖5、6)。冬小麥生育期降雨量275 mm下，在0～20 cm和20～40 cm土層，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理的有機(jī)碳分別降低11.12%～15.49%和8.94%～11.51%。降雨量200 mm下，在0～20 cm和20～40 cm土層，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨的有機(jī)碳較傳統(tǒng)畦灌處理分別降低0.42%～4.26%和3.34%～5.09%。降雨量125 mm下，在0～20 cm和20～40 cm土層，同一補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理分別降低4.40%～7.15%和7.27%～11.52%。

圖5 不同降雨年型下0～20 cm土層有機(jī)碳含量

圖6 不同降雨年型下20～40 cm土層有機(jī)碳含量

2.3 溝壟集雨條件下限量補(bǔ)灌對(duì)冬小麥田不同土層土壤代謝熵的影響

土壤代謝熵是土壤呼吸強(qiáng)度與微生物生物量碳的比值，反映了單位生物量的微生物在單位時(shí)間里的呼吸強(qiáng)度。對(duì)不同處理下土壤代謝熵進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明(表2、3)，土壤代謝熵在不同處理下呈現(xiàn)明顯的垂直變化特征，表現(xiàn)為深層土壤大于淺層土壤。在P1、P2和P3降雨量下，不同補(bǔ)灌量處理的土壤代謝熵均值深層土壤是淺層的1.39～1.44倍。且在0～20 cm和20～40 cm土層，土壤代謝熵隨著降雨量及補(bǔ)灌量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。對(duì)同一降雨量下不同補(bǔ)灌處理顯著性分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)畦灌對(duì)比，溝壟集雨補(bǔ)灌對(duì)土壤代謝熵影響不顯著。

表2 不同降雨年型下冬小麥田0～20 cm土層代謝熵

表3 不同降雨年型下冬小麥田20～40 cm土層代謝熵

2.4 溝壟集雨條件下限量補(bǔ)灌對(duì)冬小麥田不同土層微生物熵的影響

由表4、5可以看出，土壤微生物熵在不同處理下呈現(xiàn)明顯的垂直變化特征，表現(xiàn)為淺層土壤大于深層土壤。且在0～20 cm和20～40 cm土層，土壤微生物熵隨著降雨量及補(bǔ)灌量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在0～20 cm土層，冬小麥生育期降雨量275 mm下，與傳統(tǒng)畦灌相比，溝壟集雨補(bǔ)灌處理的微生物熵顯著增加22.08%～27.05%(P<0.05)。處理P1R150和P1R75顯著高于其他處理，且這二者之間差異不顯著。降雨量200 mm下，同一補(bǔ)灌量下，溝壟集雨補(bǔ)灌較傳統(tǒng)畦灌處理的微生物熵顯著增加9.09%～18.49%(P<0.05)。降雨量125 mm下，溝壟集雨補(bǔ)灌較傳統(tǒng)畦灌處理的微生物熵增加13.16%～22.96%(P>0.05)，但并未達(dá)到顯著性差異。其中處理P3R150顯著高于其他處理。

表4 不同降雨年型下冬小麥田0～20 cm土層微生物熵

在20～40 cm土層，降雨量275 mm下，補(bǔ)灌量為150、75 mm時(shí)，與傳統(tǒng)畦灌相比，溝壟集雨補(bǔ)灌處理的微生物熵分別顯著增加20.27%和18.86%(P<0.05)。補(bǔ)灌量為37.5、0 mm時(shí)，溝壟集雨處理的微生物熵較傳統(tǒng)畦灌處理分別增加17.65%和21.43%，但并未達(dá)到顯著性差異。降雨量200 mm下，補(bǔ)灌量相同時(shí)，溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理的微生物熵增加11.90%～17.48%，且隨著補(bǔ)灌量的增加，微生物熵增加的幅度越大，但處理間差異并不顯著。降雨量125 mm下，補(bǔ)灌量為150 mm時(shí)，溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理微生物熵顯著增加20.74%(P<0.05)。補(bǔ)灌量小于150 mm時(shí)，與傳統(tǒng)畦灌相比，溝壟集雨處理的微生物熵增加20.97%～24.76%。

表5 不同降雨年型下冬小麥田20～40 cm土層微生物熵

3 討論

3.1 溝壟集雨條件下限量補(bǔ)灌對(duì)土壤微生物量碳、有機(jī)碳以及微生物呼吸的影響

土壤微生物生物量碳既是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力，又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)，其對(duì)土壤環(huán)境因子的變化極為敏感，土壤中微小的改變均會(huì)引起其活性變化，常被作為評(píng)價(jià)土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)[16]。本研究中，在不同降雨量及補(bǔ)灌量下，溝壟集雨補(bǔ)灌處理不同土層的土壤微生物量碳均高于傳統(tǒng)畦灌。這可能是由于覆膜改變了土壤內(nèi)部微環(huán)境，提高了土壤微生物活性，加速了土壤呼吸，進(jìn)而影響了微生物量。趙彤等[17]、劉爽等[18]研究不同植被對(duì)土壤微生物量碳的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)MBC與土壤含水量呈顯著正相關(guān)。在本研究中，同一降雨量和補(bǔ)灌量下溝壟集雨處理的MBC均大于傳統(tǒng)畦灌，這可能是由于溝壟集雨顯著的增加了土壤水分含量[19]，進(jìn)而影響了土壤微生物量碳含量。然而，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[20]，在濕地環(huán)境中，水分環(huán)境與微生物量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于在土壤水分高于田間持水量時(shí)，土壤通氣性隨著水分增加而降低，土壤鹽度增加，土壤生存環(huán)境惡化，微生物量碳減少。本研究中溝壟集雨處理較傳統(tǒng)平作的微生物呼吸增加幅度在干旱年型較豐水年更為明顯證明了此觀點(diǎn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，溝壟集雨和傳統(tǒng)畦灌處理的MBC在0～20 cm土層均達(dá)到顯著性差異，說明溝壟集雨對(duì)淺層土壤的微生物量碳影響更為顯著。這可能是由于覆膜對(duì)耕層土壤的溫度影響更大[21]，較高的溫度使植株和根部生長(zhǎng)更為旺盛，土壤微生物量碳隨之增加，這與RAMIREZ等[22]的研究結(jié)果一致。

有研究表明，覆膜可導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量提高，其原因可能是覆膜導(dǎo)致土壤溫度升高，進(jìn)而提高初級(jí)生產(chǎn)力，能夠增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[23]。然而在本研究中，溝壟集雨處理不同土層的土壤有機(jī)碳含量略低于傳統(tǒng)畦灌處理，這與KAHLON等[24]的研究結(jié)果不一致。這可能是由于地膜覆膜雖然改變了土壤生態(tài)環(huán)境[25]，改善了土壤理化性質(zhì)，還會(huì)增加土壤微生物和酶的活性[1]，但同時(shí)溝壟集雨補(bǔ)灌也增加了土壤水分含量[26]，加速了土壤有機(jī)碳的礦化[27]，不利于土壤有機(jī)碳的積累。在作物生育期土壤有機(jī)碳含量由小到大依次為豐水年、平水年、干旱年，也說明了土壤含水量較高時(shí)微生物可利用的碳源豐富，提高了土壤有機(jī)碳的礦化速率[28]。

土壤呼吸強(qiáng)度是表征土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)，尤其是土壤微生物呼吸強(qiáng)度反映了土壤的生物活性和土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng)度[29]。影響土壤呼吸作用的因素有很多，如不同的耕作、施肥、栽培方式、水熱環(huán)境等[30]。本研究中，溝壟集雨補(bǔ)灌處理在不同土層的土壤微生物呼吸強(qiáng)度均高于傳統(tǒng)畦灌。這是由于溝壟集雨處理土壤環(huán)境中有機(jī)碳含量低于傳統(tǒng)畦灌，微生物對(duì)有機(jī)碳的競(jìng)爭(zhēng)更為激烈，呼吸速率較高[31]。SONNENHOLZNER等[32]也發(fā)現(xiàn)土壤呼吸隨著土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性的增加而減少，這與本研究結(jié)果一致。同時(shí)，有研究表明，土壤微生物呼吸和微生物量碳呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[33]，本研究中溝壟集雨的土壤微生物量碳含量高于傳統(tǒng)畦灌處理正說明了這一點(diǎn)。而且，溝壟集雨處理較傳統(tǒng)平作的微生物呼吸增加幅度在干旱年型下更為明顯，這也說明溝壟集雨技術(shù)在降雨較為貧瘠的地區(qū)集雨效果更為顯著。此外，土壤微生物呼吸在一定范圍內(nèi)隨土壤含水量的增大而增強(qiáng)，在接近田間持水量的一定范圍內(nèi)，在飽和或永久萎蔫含水量時(shí)，土壤微生物呼吸停滯[34]。在本研究中，在作物降雨豐水年間，當(dāng)補(bǔ)灌量超過75 mm時(shí)，土壤微生物呼吸呈現(xiàn)平緩的趨勢(shì)，且隨著降雨量及補(bǔ)灌量的減少，溝壟集雨較傳統(tǒng)畦灌處理的土壤微生物呼吸強(qiáng)度增幅越為明顯，說明溝壟集雨補(bǔ)灌由于增加了土壤水分含量進(jìn)而增強(qiáng)了土壤微生物呼吸，但過高的土壤含水量會(huì)導(dǎo)致其他環(huán)境因子也發(fā)生變化，如土壤溫度、土壤通氣性、pH值等也會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生不同程度的影響，土壤水分條件對(duì)微生物的影響減弱。

3.2 溝壟集雨補(bǔ)灌對(duì)土壤微生物熵和代謝熵的影響

土壤微生物熵能充分反映土壤中活性有機(jī)碳所占的比例，并可表示土壤總碳庫(kù)的可利用程度[12]。有研究表明土壤微生物熵越高，表征土壤有機(jī)碳的活性程度越高，土壤中有機(jī)碳向微生物生物量轉(zhuǎn)化的速率越快。周正虎等[35]整合19個(gè)生態(tài)演替過程中土壤微生物熵的變化，發(fā)現(xiàn)土壤微生物熵在84%的生態(tài)演替序列中表現(xiàn)出隨著生態(tài)演替進(jìn)程而增加，表明土壤微生物熵的變異很大程度上可以反映土壤質(zhì)量的演變。在本研究中，在同一降雨量及補(bǔ)灌量下，溝壟集雨補(bǔ)灌處理的土壤微生物熵均大于傳統(tǒng)畦灌。且隨著降雨量和補(bǔ)灌量的增加，土壤微生物熵增加越為顯著，說明溝壟集雨補(bǔ)灌處理提高了土壤質(zhì)量。其原因可能是溝壟集雨補(bǔ)灌的水分狀況優(yōu)于傳統(tǒng)畦灌處理[31]，有利于改善根際土壤生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)微生物活性[36]，增加微生物生物量，有機(jī)碳周轉(zhuǎn)快，從而增加了土壤微生物熵[37]。通過對(duì)比不同降雨量下土壤微生物熵變化特征發(fā)現(xiàn)，隨著降雨量的減少，土壤微生物熵呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這說明在土壤水分充足的情況下，有機(jī)碳向微生物量轉(zhuǎn)化的速率較快。尤其在干旱年間，同一補(bǔ)灌量條件下，溝壟集雨較傳統(tǒng)補(bǔ)灌的微生物熵增加顯著，這與土壤微生物增加的規(guī)律保持一致。本研究結(jié)果還表明，溝壟集雨對(duì)微生物熵的影響淺層大于深層，說明與深層土壤相比，溝壟集雨對(duì)表層土壤的微環(huán)境影響更為顯著。這與ROWINGGS等[38]和SCHAUFLER等[39]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

土壤代謝熵可以表征微生物活性對(duì)環(huán)境因子或者生存條件的響應(yīng)，是直接反映微生物對(duì)碳源利用效率的指標(biāo)[10]。GREGO等[40]通過探究肥料使用對(duì)土壤代謝熵的影響得出“土壤質(zhì)量提高，土壤代謝熵有減少的趨勢(shì)”的結(jié)論，土壤代謝熵越大說明微生物將更多的碳源用于呼吸作用而非微生物自身細(xì)胞建造，對(duì)碳源利用效率低下，不利于土壤質(zhì)量的提升[8]。本研究結(jié)果表明，降雨量及補(bǔ)灌量一致時(shí)，在0～20 cm土層，溝壟集雨處理的土壤代謝熵較傳統(tǒng)畦灌均有所下降。說明在淺層土壤，溝壟集雨處理較傳統(tǒng)平作對(duì)碳源利用效率更高，這與本研究結(jié)果土壤溝壟集雨對(duì)淺層土壤的微生物量碳影響更為顯著保持一致。在20～40 cm土層，當(dāng)降雨量及補(bǔ)灌量一致時(shí)，溝壟集雨處理的土壤代謝熵較傳統(tǒng)畦灌均小幅度的提高，但并未達(dá)到顯著性差異，但均顯著低于表層土壤，這可能是由于深層土壤可利用有機(jī)質(zhì)較少，微生物需保持較高的碳利用效率完成自身生存[41]。而在不同降雨年型下，與土壤微生物熵的變化特征相反，隨著降雨量的減少，土壤代謝熵呈現(xiàn)小幅度增加的趨勢(shì)，尤其在干旱年型下，溝壟集雨補(bǔ)灌措施雖然增加了土壤水分含量，但在嚴(yán)重水分脅迫下，補(bǔ)充灌溉緩解了作物生長(zhǎng)面臨的水分需求[42]，但土壤環(huán)境仍不利于微生物對(duì)碳源的利用。

4 結(jié)論

(1)在0～20 cm和20～40 cm土層，冬小麥生育期降雨量275 mm下，不同補(bǔ)灌量下溝壟集雨較傳統(tǒng)平作種植的土壤微生物呼吸強(qiáng)度分別增加2.47%～21.67%和3.28%～7.10%，微生物量碳含量分別增加10.10%～12.30%和4.11%～6.12%，而有機(jī)碳含量分別降低11.12%～15.49%和8.94%～11.51%；降雨量200 mm下，溝壟集雨處理與傳統(tǒng)平作間的差異在冬小麥開花期最為顯著，土壤微生物呼吸強(qiáng)度分別增加3.90%～7.69%和4.35%～14.29%，微生物量碳含量分別增加10.49%～15.86%和4.37%～7.63%，有機(jī)碳含量分別降低0.42%～4.26%和3.34%～5.09%；降雨量125 mm下，與傳統(tǒng)平作相比，在不同補(bǔ)灌量下溝壟集雨的土壤微生物呼吸強(qiáng)度在0～20 cm和20～40 cm土層分別增加4.00%～14.29%和11.39%～24.59%，微生物量碳含量分別增加8.89%～15.07%和6.80%～11.80%，有機(jī)碳含量分別減少4.40%～7.15%和7.27%～11.52%。

(2)在0～20 cm和20～40 cm土層，在不同補(bǔ)灌處理中，與傳統(tǒng)平作相比，溝壟集雨種植均顯著提高了土壤微生物熵，而對(duì)土壤代謝熵影響不顯著。