郝雅星, 張立峰,2,*， 韓凱虹， 王偉婧

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 保定　071000

2 農(nóng)業(yè)部張北農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站, 張家口　076450

不同耕作方式下草甸栗鈣土燕麥田土壤微生物特征

郝雅星1, 張立峰1,2,*， 韓凱虹1， 王偉婧1

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 保定071000

2 農(nóng)業(yè)部張北農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站, 張家口076450

摘要:河北壩上地區(qū)高寒半干旱的獨特生態(tài)環(huán)境，土地沙化風(fēng)蝕嚴(yán)重，作物產(chǎn)量低，土壤微生物的活動尚未有深入研究，尤其是人為干擾下的土壤微生物在作物生長季的動態(tài)變化。為了明確耕作方式對草甸栗鈣土土壤微生物性狀的影響特征，依托定位12a的免耕、深松、常規(guī)耕作田間試驗基礎(chǔ)，通過輔助設(shè)置12a免耕、深松后的翻耕處理，監(jiān)測了燕麥田土壤微生物量碳、活躍微生物量和土壤呼吸速率等性狀。結(jié)果表明，土壤微生物量碳與活躍微生物量圍繞燕麥抽穗期為“W型”時序變化，長期免耕與深松下呈現(xiàn)0—10 cm表層土壤富集微生物量碳的空間分布特征。免耕與深松有利于提高0—10 cm土層土壤微生物量，多年免耕和深松后翻耕能使土層間土壤活躍微生物量差異減小。燕麥田土壤呼吸速率呈現(xiàn)“U型”時序變化，免耕0—10 cm土層呼吸速率具有較其他耕作方式更高的趨勢。在燕麥生育期內(nèi)，土壤呼吸商一直處于較低而平穩(wěn)的水平，燕麥?zhǔn)斋@后進(jìn)入土壤微生物的高活性期；0—10 cm土層翻耕與多年免耕與深松后的翻耕處理土壤呼吸商有高于免耕處理的趨勢。翻耕對于促進(jìn)冷涼區(qū)土壤庫存養(yǎng)分的活化與適時供應(yīng)具有重要作用。

關(guān)鍵詞：耕作方式；微生物量碳；活躍微生物；土壤呼吸；草甸栗鈣土

土壤微生物作為一項生物性特征指標(biāo)在評價土壤質(zhì)量中具有重要地位[1- 2]。土壤微生物在土壤形成、有機(jī)質(zhì)代謝、植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和污染物降解，以及陸地生態(tài)系統(tǒng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和能量的代謝中都有不可替代的作用[3- 4]。耕作措施通過直接影響土壤物理結(jié)構(gòu)間接調(diào)控著土壤化學(xué)、生物性狀[5]。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕可有效抑制土壤水分蒸發(fā)而增加土壤水分的有效性[6- 7]。免耕覆蓋方式，由于避免擾亂表層土壤與增加秸稈投入，免耕田具有提高土壤微生物豐富度、增加土壤微生物含量的顯著效果[8]。不同利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)不同，微生物分解其成分的所需水分條件也不一樣[9- 10]。研究表明，土壤微生物量碳雖在土壤有機(jī)質(zhì)中占很小比例，它卻是最為活躍的部分，特別是在土壤碳、氮循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3]，是土壤有機(jī)碳礦化的決定因素[11]。土壤微生物量碳的表現(xiàn)與耕作土壤理化性狀等緊密相關(guān)[12]，土壤理化性質(zhì)的劇烈改變必然引起土壤微生物數(shù)量及活性的顯著變化[13]，土壤養(yǎng)分特別是土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加會大大加快土壤微生物量的累積[14]。

分布于內(nèi)蒙古高原農(nóng)牧交錯帶的草甸栗鈣土，是我國北方重要的農(nóng)作土壤。草甸栗鈣土區(qū)氣候寒旱、晝夜溫差大，土壤瘠薄、風(fēng)蝕嚴(yán)重，作物生長季短、產(chǎn)量低。面對干旱貧瘠、風(fēng)蝕退化的農(nóng)田土壤背景，本文通過對不同耕作方式下燕麥田土壤微生物量碳、活躍微生物量和土壤呼吸速率的研究，深度分析三者之間的關(guān)系機(jī)制，以揭示不同耕作方式對土壤微生物的影響特征，為區(qū)域農(nóng)田蓄墑保土提高水養(yǎng)資源生產(chǎn)效率的耕作技術(shù)選擇與創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試區(qū)概況

試驗于2013年5—10月，在位于內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯帶的河北壩上地區(qū)河北農(nóng)業(yè)大學(xué)張北實驗站12a耕作方式定位試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行，試驗地基本土壤理化性狀如表1，表2。區(qū)域為半干旱地區(qū)，海拔1420 m，年降水量340—450 mm，年均溫2.6 ℃。供試作物為燕麥壩莜一號。 2013燕麥生育期內(nèi)日降水量情況如圖1。試驗設(shè)5個處理，在12a免耕(NT)、深松(P T、翻耕(CT)3處理基礎(chǔ)上，再設(shè)免耕后翻耕(NC)、深松后翻耕(PC)兩個處理。各處理機(jī)械收割后留20 cm高麥茬還田，免耕與深松處理田面立茬，其他處理根茬翻入土壤；深松采用鑿型深松鏟作業(yè)，幅寬為25 cm，深度25 cm；翻耕采用鏵式犁，作業(yè)深度20 cm。翻耕與深松時間為11月15日左右。所有處理隨播種施用肥料，磷酸二銨[(NH4)2HPO4]60 kg/hm2，尿素[CO(NH2)2]15 kg/hm2，不施有機(jī)肥，無灌溉。每處理3次重復(fù)，每處理區(qū)面積25 ×17 m。

表1　0—20 cm土層供試土壤理化性狀

SOM: Soil organic matter; TN: Total nitrogen; TPP: Total phosphorus; AN: Available nitrogen; APP: Available phosphorus; APK: Available potassium;

表2　0—20 cm土層供試土壤容重與硬度

NT:免耕No tillage with high stubble; PT: 深松Subsoiling tillage with high stubble; CT: 翻耕Conventional tillage with straw returning; NC: 免耕后翻耕Conventional tillage after no tillage; PC: 深松后翻耕Conventional tillage after subsoiling tillage

圖1　2013年燕麥生育期內(nèi)日降雨量與溫度分布Fig. 1　Daily rainfall of naked oats growth stage in 2013

1.2試驗材料取樣方法

于2013年的燕麥苗期(6月13日)、分蘗期(7月3日)、拔節(jié)期(7月17日)、抽穗期(8月6日)、收獲期(9月5日)及收獲后的9月15日、10月1日、10月15日分8次取樣。土樣分為0—10 cm和10—20 cm兩個層次。土樣4 ℃冰箱保存, 4 d之內(nèi)測完。

1.3測定項目與方法1.3.1土壤微生物量碳

土壤微生物量碳的測定應(yīng)用基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法。取5 g鮮土，加入5 mL 10 mmol/L葡萄糖溶液和0.025 g滑石粉。22 ℃培養(yǎng)2 h，測定CO2呼吸量[15]。

1.3.2土壤活躍微生物

土壤活躍微生物的測定用呼吸曲線數(shù)學(xué)分析法。取1 g鮮土加入0.4 mL葡萄糖培養(yǎng)基(葡萄糖3.000 g、酵母膏0.750 g、MgSO4· 7H2O 0.300 g、KH2PO40.250 g、水1000 mL)，在20 ℃培養(yǎng)10 h后測定CO2呼吸量[15]。

1.3.3土壤呼吸

土壤呼吸的測定采用CO2釋放量法。取5 g鮮土于試劑瓶中，28 ℃培養(yǎng)24 h后測CO2呼吸量[16]。以上CO2的產(chǎn)生量均用ECA光合儀測定，土壤均以干土重計算。

1.3.4呼吸商的計算

呼吸商是土壤呼吸與土壤微生物量碳間比率，即每單位微生物生物量碳的土壤呼吸速率。

2結(jié)果分析

2.1耕作方式對微生物生物量碳的影響

季節(jié)與耕作方式顯著影響草甸栗鈣土土壤的微生物量碳(圖2)。監(jiān)測表明，從燕麥苗期的6月13日到收獲后的10月15日，5種耕作方式下的土壤微生物量碳圍繞抽穗期(8月6日)呈“W型”時序變化，抽穗期最高，分蘗期(7月3日)與9月15日—10月1日為低谷，9月15日—10月1日土壤微生物量碳最低。抽穗期的土壤微生物量碳最高，與壩上地區(qū)期間水熱豐沛有關(guān)，高額的微生物量加速了養(yǎng)分礦化，提高了土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。

比較表明，免耕處理0—10 cm土層微生物量碳含量顯著高于翻耕，深松處于二者之間。圖2表明，免耕和深松處理在燕麥拔節(jié)期(7月17日)0—10 cm土層微生物量碳達(dá)最大值，分別為33.30mg/100g和26.00 mg/100g，是翻耕的5.68倍和4.44倍。10—20 cm土層免耕處理微生物量碳含量有較翻耕降低的趨勢，抽穗期免耕為翻耕的54.91%，差異顯著；深松趨勢不明顯。免耕與深松處理多年的秸稈地表存留，為土壤微生物生長繁殖提供了營養(yǎng)基質(zhì)，微生物量碳以及相應(yīng)礦化養(yǎng)分的土壤表層富集，成為長期免耕與深松方式下土壤肥力結(jié)構(gòu)演化的重要特征。

試驗監(jiān)測(圖2)表明，長期免耕與深松后的一次翻耕作業(yè)(NC與PC)，微生物量碳土壤表層富集的現(xiàn)象即可消除。翻耕將地表秸稈與富集的微生物均勻地翻入耕層，使土層間的微生物量碳含量差異不顯著。

圖2　不同耕作方式下土壤微生物量碳Fig. 2　Soil microbial biomass C under different tillage treatmentsNT:免耕No tillage with high stubble; PT: 深松Subsoiling tillage with high stubble; CT: 翻耕Conventional tillage with straw returning; NC: 免耕后翻耕Conventional tillage after no tillage; PC: 深松后翻耕Conventional tillage after subsoiling tillage

2.2耕作方式對活躍微生物的影響

不同耕作方式下的土壤活躍微生物量時序變化與微生物量碳相近(圖3)，同樣呈以燕麥抽穗期為核心的“W型”變化特征。從苗期開始，活躍微生物量下降，在分蘗期進(jìn)入第一低谷；之后快速上升于抽穗期達(dá)到第一峰值；之后又下降至成熟期的9月5日—9月15日間進(jìn)入第二低谷；在10月1日達(dá)到第二個高峰。土壤活躍微生物量在燕麥拔節(jié)-抽穗期的快速上升與燕麥群體快速發(fā)育時序吻合，有利于燕麥生產(chǎn)。

免耕和深松處理的土壤活躍微生物量在0—10 cm土層具有明顯優(yōu)勢；而翻耕處理則在10—20 cm土層土壤活躍微生物量相對較高。苗期免耕和深松0—10 cm土層活躍微生物量為12.34mg/kg和10.05mg/kg，是翻耕田的1.76倍和1.43倍。拔節(jié)期和抽穗期翻耕處理10—20 cm土層活躍微生物量分別為14.40mg/kg和27.23 mg/kg，是免耕田的2.63倍和1.79倍。拔節(jié)-抽穗期翻耕處理10—20 cm土層較高的活躍微生物量，為燕麥快速發(fā)育提供了優(yōu)越的土壤肥力資源；相比之下免耕處理最低的土壤活躍微生物量，將成為燕麥生育養(yǎng)分供應(yīng)的限制因素。

分析表明，多年免耕與深松后的土壤翻耕，土壤活躍微生物量土層間含量差異顯著減小，但一次翻耕仍不能使10—20 cm土層活躍微生物量達(dá)到常年翻耕的水平。

圖3　不同耕作方式下土壤活躍微生物Fig. 3　Soil active microbial biomass under different tillage treatments

2.3耕作方式對土壤呼吸的影響

草甸栗鈣土燕麥田不同耕作方式下土壤呼吸速率時序變化如圖4。自燕麥苗期的6月13日至收獲后的10月15日，各耕作方式下的土壤呼吸速率呈現(xiàn)“U型”曲線；期間的拔節(jié)期有一小幅上升，燕麥?zhǔn)斋@后的9月15日為低谷期。同土壤微生物量碳、活躍微生物量比較，土壤呼吸速率沒有出現(xiàn)抽穗期明顯的高峰，其原因可能與抽穗期土壤的高溫干旱有關(guān)，此時水分成為土壤呼吸的限制因素；而9月15日之后土壤呼吸速率的再度上升，可能與燕麥?zhǔn)斋@后還田的秸稈與根系等呼吸基質(zhì)的輸入有關(guān)。

免耕處理0—10 cm土層土壤呼吸速率具有較其他耕作方式更高的趨勢，特別是在燕麥的生育前期。免耕處理苗期與拔節(jié)期土壤呼吸速率分別為0.84 mg kg-1h-1和0.52 mg kg-1h-1，是翻耕處理的1.63倍和1.58倍，差異顯著；其他4種處理間差異不顯著。10—20 cm土層土壤呼吸速率較0—10 cm土層變化比較平緩，監(jiān)測期內(nèi)各處理間差異不顯著。圖4表明，在9月15日—10月1日，各處理土壤呼吸速率快速升高，以多年免耕后的翻耕(NC)和多年深松后的翻耕(PC)增幅最大，期間兩處理分別增長了4.0倍和2.5倍；而深松和翻耕的土壤呼吸速率已明顯超過了苗期。結(jié)果表明，通過秸稈的翻埋還田，有利于促進(jìn)10—20 cm土層的土壤呼吸和根層的養(yǎng)分供應(yīng)。

圖4　不同耕作方式下土壤呼吸速率Fig. 4　Soil respiration rate under different tillage treatment

2.4耕作方式對土壤呼吸商的影響

由圖5可知，在燕麥生育期內(nèi)，土壤呼吸商一直處于較平穩(wěn)的水平，而在燕麥?zhǔn)斋@后呼吸商表現(xiàn)大幅度增長。與土壤微生物量時序變化相比，燕麥田呼吸商在抽穗期進(jìn)入低谷，表明期間存在高額的微生物數(shù)量與低效的微生物活性的雙重特征；而在燕麥?zhǔn)斋@后，土壤呼吸速率出現(xiàn)監(jiān)測期內(nèi)的峰值，土壤呼吸速率較土壤微生物量更快速度的增長標(biāo)志著土壤微生物進(jìn)入高活性期。燕麥?zhǔn)斋@后的存留秸稈與根茬為土壤微生物提供了營養(yǎng)基質(zhì)，成為激發(fā)微生物活性的重要因素。

圖5表明，0—10 cm土層各翻耕處理土壤呼吸商有高于免耕處理的趨勢，特別是在土壤微生物高活性期間的10月1日，免耕后的翻耕(NC)與常年翻耕處理土壤呼吸商達(dá)13.45 μgCO2/mg和7.73 μgCO2/mg，分別為免耕的2.04倍和1.17倍；10—20 cm土層各處理呼吸商變化趨勢與0—10 cm土層相近，翻耕處理在9月15日和10月1日表現(xiàn)出更高的呼吸商，其值分別為9.37 μgCO2/mg和21.72 μgCO2/mg，是免耕的1.33倍和1.29倍。結(jié)果表明，翻耕具有提高土壤微生物活性的作用，這對于促進(jìn)冷涼區(qū)土壤庫存養(yǎng)分的活化與適時供應(yīng)具有重要意義。

圖5　不同耕作方式下土壤呼吸商Fig. 5　Soil respiration quotient under different tillage treatments

3討論

3.1免耕下土壤微生物量碳的表層富集與養(yǎng)分供應(yīng)

土壤微生物量是衡量土壤質(zhì)量、維持土壤肥力和作物生產(chǎn)力的一個重要指標(biāo)[17]。有報道認(rèn)為，土壤微生物量更易受碳和氮的限制，在全球尺度上主要受土壤溫度的影響[18- 19],對外界因素引起的變化較敏感，成為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警指標(biāo)[20]。衡濤等研究認(rèn)為對于高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)，生長季溫度升高對土壤微生物量碳影響不大，增溫但降水減少使底層微生物量碳比例增加[21]。本試驗表明，在壩上寒旱區(qū)草甸栗鈣土燕麥田的整個測定時期內(nèi)，免耕和深松處理0—10 cm土層的土壤微生物量碳明顯高于10—20 cm土層，與WARDLE D A、翟瑞常的研究結(jié)果一致[22- 23]。土壤微生物量碳以及相應(yīng)礦化養(yǎng)分的土壤表層富集，與免耕和深松下植物殘體集中在表層土壤，以及連續(xù)免耕使土壤變硬[24]植物根系多集中分布于表層有關(guān)，如此表層土壤大量的碳和氮源，促進(jìn)了土壤微生物的繁衍[25]。壩上寒旱區(qū)松免耕作有利于抑制農(nóng)田起沙揚(yáng)塵，然而礦化養(yǎng)分的土壤表層積累影響了對作物的有效性，采取松免耕與翻耕定期交換的輪耕方式，有助于實現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)保持與作物穩(wěn)定豐產(chǎn)的兼顧。

3.2土壤活躍微生物的時序活性與養(yǎng)分供應(yīng)

土壤微生物活性受土壤物化因素及人為土壤管理的影響[26]；土壤溫度和含水量被認(rèn)為是決定土壤微生物季節(jié)動態(tài)的最主要因素[27- 28]；土壤水分對微生物的活性有調(diào)節(jié)作用，當(dāng)土壤相對含水量為60%時土壤微生物活性最高[29]。本研究表明，土壤活躍微生物量變化與壩上寒旱區(qū)光溫、降水供應(yīng)及燕麥生育相同步，這為區(qū)域旱作生產(chǎn)、高效利用夏季地氣資源提供了養(yǎng)分保證。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在燕麥?zhǔn)斋@25 d后的10月1日，土壤活躍微生物量達(dá)到第二高峰，期間土壤微生物的高活性應(yīng)與秸稈與根系死亡而添加了土壤有機(jī)碳氮營養(yǎng)有關(guān)，大量衰亡的根系也為微生物提供豐富的能源[30- 31]。Deluca T H[32]與Edwards K A[33]認(rèn)為，土壤凍融交替具有刺激微生物活動作用。由于壩上地區(qū)高寒低溫環(huán)境，特異的喜涼性微生物活動，也可能是凍融期間土壤表現(xiàn)高額微生物活性的原因。

3.3土壤微生物活性與田間土壤呼吸的關(guān)系

土壤呼吸是把植物固定的CO2重新釋放到大氣中的重要環(huán)節(jié)[34]。呼吸商(qCO2)將微生物量與微生物活性有機(jī)聯(lián)系起來，研究認(rèn)為qCO2值大，表明微生物呼吸礦化有機(jī)碳的能力強(qiáng)[35]。不同的土地利用方式，土壤呼吸有顯著差異[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，燕麥田呼吸商在抽穗期進(jìn)入低谷，與土壤微生物量碳、土壤活躍微生物量變化趨勢相反，燕麥抽穗期土壤微生物的高額數(shù)量與活性潛質(zhì)，并沒有在田間實現(xiàn)。研究表明，土壤濕度和溫度是決定土壤呼吸空間變異的重要因子[37]，降雨后土壤呼吸明顯增強(qiáng)[38- 40]，甚達(dá)降雨前的9倍[41]。因此，壩上寒旱區(qū)燕麥抽穗期土壤呼吸商的低谷，與期間的土壤干旱有關(guān)。保持與創(chuàng)造壩上寒旱區(qū)作物生育盛期的農(nóng)田土壤適宜水分，是發(fā)揮土壤微生物質(zhì)量潛勢、提高區(qū)域地氣資源利用效率的關(guān)鍵，也是保護(hù)性耕作技術(shù)研發(fā)的重要方面。

4結(jié)論

草甸栗鈣土燕麥田土壤微生物量碳與活躍微生物量圍繞抽穗期(8月6日)呈 “W型”時序變化；長期免耕與深松處理的微生物量碳與活躍微生物量呈現(xiàn)0—10 cm表層土壤富集的空間特征。燕麥苗期免耕和深松處理0—10 cm土層活躍微生物量是翻耕田的1.76倍和1.43倍；拔節(jié)期微生物量碳達(dá)翻耕的5.68倍和4.44倍。相比之下翻耕提高了10—20 cm土層的微生物量。燕麥田土壤呼吸速率呈現(xiàn)“U型”時序變化，抽穗期土壤的高溫干旱抑制了土壤呼吸；免耕0—10 cm土層呼吸速率具有較其他耕作方式更高的趨勢，苗期與拔節(jié)期土壤呼吸速率分別是翻耕的1.63倍和1.58倍。監(jiān)測表明，在燕麥生育期內(nèi)，土壤呼吸商一直處于較平穩(wěn)的水平，而在燕麥?zhǔn)斋@后進(jìn)入土壤微生物的高活性期。0—10 cm土層翻耕與多年免耕與深松后的翻耕處理土壤呼吸商有高于免耕處理的趨勢。翻耕對于促進(jìn)冷涼區(qū)土壤庫存養(yǎng)分的活化與適時供應(yīng)具有重要作用。

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Characteristics ofmicrobes in loamy meadow chestnut soil planted with naked oats using different tillage methods

HAO Yaxing1, ZHANG Lifeng1,2,*, HAN Kaihong1,WANG Weijing1

1CollegeofAgronomy，AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071000,China2ZhangbeiAgriculturalResourcesandEcologicalEnvironmentKeyFieldResearchStation,MinistryofAgricultureofChina,Zhangjiakou076450,China

Abstract：The Bashang plateau in Hebei Province has a unique ecological environment: high altitude, low temperature, and a semiarid climate, where the arable land shows serious desertification, wind erosion, and low crop productivity. The actions of the soil microbes in this region, especially those in the arable land, during crop growth seasons are still unclear. In this study, we monitored the soil microbial carbon (C), active-microbe amounts, and the soil respiration rate in the field-planted naked oats according to a 12-year permanent-location tillage experiment. We tested the treatments “no tillage” (NT), subsoiling tillage with high stubble (PT), and conventional tillage with straw returning (CT), in order to determine the effects of tillage methods on microbial activities in the meadow chestnut soil. The results showed that the soil microbial biomass C and the active-microbe amount exhibited a change pattern of the “W shape” around the heading stage. After lengthy NT and PT treatments, the soil microbial biomass C in the 0—10 cm soil layer was enriched. The difference in the active microbial amounts among various soil layers between NT and PT was decreased after longer tillage treatments. The soil respiration rate in the field displayed a change pattern of the “U shape” during various tillage treatments. NT yielded higher values in the 0—10 cm soil layer than did PT and CT. Across the whole growth stage, the respiration quotient (qCO2) in the soil was always low during all tillage treatments and significantly increased after the harvest. Nonetheless, in comparison with NC and PC, NT increased qCO2 in the 0—10 cm soil layer. In addition, CT was confirmed to play an important role in activation of the soil nutrient stocks and in promotion of the release of available nutrients in the cold ecological region.

Key Words:tillage methods; soil microbial biomass C; active microbe amount; soil respiration rate; loamy meadow-chestnut soil

基金項目:農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費資助(201003053)

收稿日期:2014- 07- 22; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 07- 22

DOI:10.5846/stxb201407221489

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zlf@hebau.edu.cn

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