李典鵬，王 輝，孫 濤，劉隋赟昊，李 政，張 凱，賈宏濤

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機械壓實對新疆綠洲農(nóng)田土壤微生物活性及碳排放的影響

李典鵬，王 輝，孫 濤，劉隋赟昊，李 政，張 凱※，賈宏濤

（新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052）

為探究機械壓實對綠洲農(nóng)田土壤微生物活性和碳排放的影響，在參考新疆農(nóng)田耕作層土壤容重分布特征的基礎上，選取1.15（T1.15）、1.30（T1.30）、1.45（T1.45）和1.60 g/cm3（T1.60）4個容重梯度模擬機械壓實土壤程度，測定不同處理0～120 d內(nèi)土壤有機碳、微生物生物量碳、氮、酶活性以及碳排放速率變化特征。結(jié)果表明：1）試驗周期內(nèi)（0～120 d），土壤微生物生物量碳、氮、脲酶和過氧化氫酶活性隨試驗周期的延長而降低，隨土壤容重增加呈先升高后降低趨勢，容重為1.45 g/cm3時最高。2）T1.15、T1.30、T1.45和T1.60處理土壤碳累積排放量分別為557.26、653.48、665.00和522.01 g/m2，也表現(xiàn)出隨容重增加先升高后降低的趨勢，T1.45處理最高。3）土壤碳排放與土壤有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮、脲酶和過氧化氫酶活性顯著正相關（<0.05）。綜上，土壤壓實通過改變土壤微生物生物量和酶活性影響土壤碳排放速率；當綠洲農(nóng)田土壤容重大于1.45 g/cm3時，應進行適當?shù)姆?，使土壤微生物活性達到最佳水平。

土壤；微生物；碳排放；壓實作用；微生物生物量；酶活性；新疆農(nóng)田

0 引 言

土壤壓實是土壤保護的優(yōu)先研究領域[1]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和機械化的發(fā)展，大型機械通常會對農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)造成一定的損傷[2]，其中最明顯的是增加土壤容重、改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)，造成作物減產(chǎn)。這種現(xiàn)象主要在中國東北地區(qū)的商品糧食生產(chǎn)基地、新疆棉花種植區(qū)[3]，以及美國[4]和加拿大西部[5]等地區(qū)較為普遍。機械壓實對農(nóng)田土壤物理性質(zhì)造成的負面影響已經(jīng)有大量研究報道[6-7]，但對農(nóng)田土壤微生物活性和碳排放的影響研究還相對較少。

土壤微生物活性是反映土壤生物肥力的重要指標，但壓實對土壤微生物活性的影響還并不明確。部分研究表明，土壤壓實會降低土壤微生物活性和微生物生物量[7-8]，因為壓實改變了底物的空間分布和有效性，降低土壤水分利用率和通氣量[9]，從而影響土壤微生物數(shù)量和活性。但也有研究發(fā)現(xiàn)，微生物對土壤壓實的響應不顯著，因為壓實改變了土壤孔隙度和大孔隙的連續(xù)性，不利于好氧微生物生長但有益于厭氧微生物生長[7,10]，造成微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而微生物生物量無明顯變化。不同研究結(jié)果的差異可能與土壤性質(zhì)和壓實程度有關，因此明確不同壓實程度對土壤微生物及其活性的影響，將有助于明確不同土壤類型對壓實的響應及壓實效應閾值。

土壤碳排放是大氣CO2的重要來源，與土壤結(jié)構(gòu)和微生物活性密切相關。土壤CO2產(chǎn)生過程主要為生物所驅(qū)動，受土壤微生物群落組成、底物和養(yǎng)分的可利用性以及地上地下環(huán)境的共同影響[11]。研究表明，壓實會降低土壤總孔隙度，改變孔隙分布狀況，使之朝著小孔隙發(fā)展；增強土壤有機質(zhì)的物理保護，抑制土壤微生物主導的碳循環(huán)過程，降低線蟲和原生動物捕食土壤微生物的能力，從而抑制土壤碳排放[12]。但也有研究表明，壓實土壤可促進土壤有機碳礦化[13]或不存在顯著影響[14]。不同研究結(jié)果的差異可能與壓實的程度[15]、土壤耕作制度[16]、放牧以及機械類型[17]等因素有關，但壓實對綠洲農(nóng)田土壤碳排放影響的研究仍無定論[18]。

本研究以典型綠洲農(nóng)田土壤灰漠土為研究對象，在整理分析新疆土壤容重分布規(guī)律的基礎上，通過異位土柱模擬不同機械壓實強度（容重1.15、1.30、1.45和1.60 g/cm3），探究了壓實對新疆綠洲農(nóng)田灰漠土微生物生物量、酶活性和碳排放的影響，旨在探究壓實對影響土壤微生物活性和碳排放的閾值，以及壓實土壤碳排放與微生物活性的相關性，以期為綠洲農(nóng)田的經(jīng)營管理提供基礎參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

土壤樣品采自國家灰漠土肥力與肥料效益觀測試驗站，試驗站位于新疆烏魯木齊以北25 km的新疆農(nóng)業(yè)科學院國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園內(nèi)（43°95′26″N，87°46′45″E）。試驗區(qū)屬典型中亞干旱區(qū)山地綠洲生態(tài)系統(tǒng)，海拔600 m，年均降雨量310 mm，年均蒸發(fā)量2 570 mm；年平均氣溫7.7 ℃，平均日照時數(shù)2 590 h，無霜期156 d。參照土壤發(fā)生分類標準，供試土壤類型為典型灰漠土。

1.2 試驗設計

機械壓實土壤的直接后果是增加了土壤容重，因此，本研究采用土壤容重反映壓實程度。農(nóng)田表層土壤的容重一般介于1.20～1.60 g/cm3，剛翻耕過的農(nóng)田表層土壤容重可能小于1.00 g/cm3，而大型機械壓實的表土容重可達1.80 g/cm3以上。本文所使用土壤容重數(shù)據(jù)主要來自3個方面：1）新疆第二次土壤普查數(shù)據(jù)《新疆土壤》；2）通過在奎屯、昌吉和瑪納斯等地調(diào)查采取的土壤容重數(shù)據(jù)；3）公開發(fā)表的新疆農(nóng)田土壤容重數(shù)據(jù)[19-20]。篩選條件：（1）測定土層為耕作層（0～20 cm）土壤容重；（2）土壤容重為烘干法測定。通過整理分析新疆農(nóng)田土壤容重數(shù)據(jù)可知（圖1），新疆農(nóng)田土壤容重在數(shù)值上符合正態(tài)分布特征（=0.032），介于0.85～1.60 g/cm3之間，平均值和中值分別為1.27、1.35 g/cm3，峰度和偏度分別為?0.15和?0.75。據(jù)此，本研究設置1.15（T1.15）、1.30（T1.30）、1.45（T1.45）和1.60 g/cm3（T1.60）4個壓實（容重）處理。

圖1 新疆農(nóng)田土壤容重分布特征

1.3 研究方法

2016年5月在國家灰漠土肥力與肥料效益觀測試驗站采集0～20 cm耕層土壤，帶回實驗室，去除植物殘體、侵入體和礫石后，過5 mm樣篩備用。為防止水分噴施對土壤容重的影響，在重力壓實前將土壤含水率調(diào)整為田間持水量的60%，然后統(tǒng)一對土壤進行分層壓實。試驗設置1.15、1.30、1.45和1.60 g/cm34個壓實（容重）處理。稱取18.4 kg（相當于干土質(zhì)量15.0 kg）土壤置于底部密封的PVC管（高為50cm，直徑為20cm）內(nèi)，根據(jù)公式=/（為容重g/cm3；為土壤質(zhì)量 g；為土柱體積cm3）求出不同壓實下土壤體積，和公式=/（為土壤厚度cm；為體積cm3；為PVC管橫切面面積m2）求出對應容重下土壤厚度后，采用重力將土壤壓至42、37、33和30cm厚，對應容重分別為1.15、1.30、1.45和1.60 g/cm3。

每個處理設置8個重復，編號為1～8，將裝有土壤的PVC管置于室內(nèi)，室溫控制在20 ℃左右（±1.0 ℃），土壤含水量保持在田間持水量（38%）的60%（3.4 L水），因此土與水的質(zhì)量為18.4 kg。每2 d稱取土柱質(zhì)量，采用差減法計算水分蒸發(fā)量，并用噴施法補充水分，試驗用水為蒸餾水。噴水平衡24 h后測定土壤碳排放，測定時段為每天上午09:00－12:00，測定時期為2016年6月至10月。試驗分為4個時期，分別為開始試驗后的第10、30、60和120天，前10 d土壤碳排放的監(jiān)測頻率為每2 d一次，10 d后為每10 d一次。分別于第10、30、60和120天破壞第5、6、7和8號土柱，將土柱中土壤全部倒出后混勻后用四分法采集新鮮土壤樣品，于實驗室進行分析。新鮮土壤樣品測定土壤微生物生物量碳、氮和酶活性，風干土樣用于土壤有機碳和可溶性有機碳的測定?？杀碚魑⑸锘钚缘闹笜溯^多，包括有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮、脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性等[21]，本文選取具有代表性且前人研究較多的有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮、脲酶和過氧化氫酶活性代表土壤微生物活性指標。

1.4 土壤碳排放測定及理化性質(zhì)分析

土壤碳排放速率采用開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-COR 8100（Li-COR，Lincoln，NE，USA）測定，每次測定1~4號土柱碳排放速率，數(shù)據(jù)采集頻率為2 s記錄一個數(shù)據(jù)，測定時長為180 s；土壤脲酶活性（URE）采用靛酚藍比色法測定，以每克土24 h產(chǎn)生的NH4+-N毫克數(shù)表示；土壤過氧化氫酶活性（CAT）采用高錳酸鉀滴定法，以每克土消耗0.1 mol/L KMnO4毫升數(shù)表示；全碳全氮采用元素分析儀（Euro EA3000-Single, EuroVector, Milan, Italy）測定，可溶性有機碳采用濕氧化法進行測定，土壤pH值用pH計測定（水土比為5:1），土壤有機碳（有機質(zhì)）測定采用重鉻酸鉀外加熱法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬藍比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定，速效氮采用堿解擴散法，全磷全鉀采用碳酸鈉熔融鉬藍比色法和火焰光度計測定，機械組成采用吸管法測定，容重采用環(huán)刀法測定，土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定，具體方法步驟參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[22]，供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤CO2釋放量計算如公式（1）：

×M××（1）

式中為CO2釋放量，g/m2；為CO2釋放速率，mol/(m2·s)；為CO2摩爾質(zhì)量，取值為44 g/mol；為時間, d；在計算累積排放量時，分別取0～10、10～30、30～60和60～120 d土壤碳排放速率平均值；分別為10、20、30和60 d，最后求各處理0～120 d內(nèi)累積排放通量。

為評價壓實對土壤和環(huán)境的影響以及探究壓實度與微生物活性指標（microbial activities indictor，MAI）和碳排放指標（carbon emission indictor，CEI）與容重的相關性，采用min-max 標準化min-max標準化方法是對數(shù)據(jù)進行標準化[23]。設min和max分別為屬性的最小值和最大值，將的一個原始值N通過min-max標準化映射成在區(qū)間[0,1]的值（公式（2））。表征微生物活性指標包括土壤有機碳（SOC）、可溶性有機碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、脲酶（URE）和過氧化氫酶（CAT）活性，對每個指標單獨標準化，最后通過求其平均值代表微生物活性指標（公式（3））。微生物活性指標一般為正效應，而碳排放指標一般為負效應，因此N為正值，N為負值。微生物活性指標（MAI）標準化（N）計算公式為：

碳排放指標（）標準化（N）公式如下：

使用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行記錄和預處理，使用SPSS 20.0對其進行描述性統(tǒng)計分析，并對數(shù)據(jù)進行-正態(tài)分布檢驗。采用單因素方差分析和多重比較（LSD），分析不同壓實下土壤碳排放與微生物生物量碳、氮、酶活性之間的差異。采用Pearson檢驗土壤碳排放、微生物生物量碳、氮、酶活性變量間的相關性，采用Origin 2017（Origin Lab, Northampton, MA 01060, USA）繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實對土壤有機碳和微生物活性的影響

壓實對土壤有機碳、微生物生物量碳和可溶性有機碳的影響不同（圖2、3）。試驗周期內(nèi)，土壤有機碳含量呈下降趨勢，不同時期處理間有機碳差異不顯著。T1.45土壤可溶性有機碳差異顯著高于其他處理（<0.05）；60～120 d 時段T1.15、T1.30、T1.45和T1.60處理可溶性有機碳含量與0～10 d分別降低了35.8%、29.4%、28.7%和32.4%。土壤微生物生物量碳、氮介于127.97～283.66和18.73～36.84 mg/kg之間，不同時期T1.45處理微生物生物量碳、氮最高。壓實處理顯著改變了土壤脲酶和過氧化氫酶活性，即隨容重的增加土壤酶活性呈先增加后下降的趨勢，T1.45處理酶活性顯著高于其他處理。隨試驗周期的延長，土壤酶活性呈下降趨勢（圖2）。T1.30與T1.60處理過氧化氫酶活性差異顯著（<0.05），但脲酶不存在顯著差異（圖3）。T1.45土壤微生物生物量碳/氮顯著高于其他處理（圖3），T1.15、T1.30和T1.60處理間不存在顯著性差異。

圖2 不同壓實程度土壤有機碳、微生物生物量碳氮和酶活性動態(tài)變化

注：不同小寫字母表示在0.05水平存在顯著差異，下同。

2.2 壓實對土壤碳排放的影響

試驗期間內(nèi)（0～120 d）土壤碳排放速率呈下降趨勢（圖4）。0～10 d不同處理間差異顯著，表現(xiàn)為T1.45>T1.30>T1.15>T1.60；30～120 d不同處理間雖存在一定差異，表現(xiàn)為T1.45和T1.30顯著高于T1.15和T1.60；但T1.45與T1.30，T1.15與T1.60不存在顯著差異。相同處理0～10 d土壤碳排放下降速率高于其他3個時期。通過計算不同處理0～120 d內(nèi)土壤碳排放釋放的CO2累積量（圖5），T1.15、T1.30、T1.45和T1.60處理土壤碳累積排放量分別為557.26、653.48、665.00和522.01 g/m2。T1.30與T1.45，T1.15與T1.60處理不存在顯著性差異，但T1.30、T1.45顯著高于T1.15和T1.60（<0.05）。

圖4 土壤碳排放動態(tài)變化

圖5 土壤CO2累積排放量

2.3 壓實土壤微生物活性與碳排放的相關性

土壤碳排放與土壤因子相關分析結(jié)果表明，土壤因子間存在顯著或不顯著的關系（表2），其中微生物生物量碳、氮和可溶性有機碳、微生物生物量氮的顯著相關性（<0.01），相關系數(shù)達0.98；微生物生物量碳/氮與有機碳等因子間不存在顯著相關性。土壤有機碳與可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮存在顯著相關，脲酶與過氧化氫酶顯著相關（<0.05）。土壤碳排放速率與微生物生物量碳/氮不存在相關性，與脲酶活性、過氧化氫酶活性顯著相關（<0.05），與土壤有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮均呈顯著相關（<0.01），土壤碳排放與可溶性有機碳的相關性最高（0.87），其次分別為微生物生物量碳、氮、土壤有機質(zhì)、脲酶活性、過氧化氫酶活性。

表2 土壤微生物生物量碳氮、酶活性與碳排放速率的相關分析

注：表中SOC為土壤有機碳、URE為脲酶活性、CAT為過氧化氫酶活性、 DOC為可溶性有機碳、MBC為微生物生物量碳、MBN為微生物生物量氮、C為土壤碳排放速率。*表示顯著相關＜0.05，**表示極顯著相關＜0.01，雙尾檢驗。

Note: SOM, EU, CAT, DOC, MBC, MBN, MBC/MBN andCrepresent soil organic matter, urease activity, catalase activity, dissolved organic carbon, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and soil C emission rate, respectively. * shows significant differences at<0.05, ** shows significant differences at<0.01.

2.4 土壤微生物活性和碳排放指標與容重的關系

二次函數(shù)能較好的擬合土壤容重（）與生物活性指標（MAI）和碳排放指標（CEI）間的關系（圖6）。當土壤容重小于1.45 g/cm3時，土壤微生物活性隨容重的增加而增加，大于1.45 g/cm3時呈下降趨勢。壓實對土壤碳排放的影響與微生物活性相反，容重小于1.45 g/cm3碳排放增加，大于1.45 g/cm3呈降低趨勢。總言之，當土壤容重小于閾值時，生物活性和碳排放均呈增加趨勢，大于閾值時呈下降趨勢，生物活性指標相對較低。

圖6 土壤微生物活性和碳排放指標與容重的關系

3 討 論

3.1 壓實對土壤微生物活性和碳排放的影響

土壤酶活性能反映微生物內(nèi)部化學反應歷程的有序性，是表征微生物活性的一個重要指標。本研究中，模擬機械壓實改變了土壤微生物生物量碳、氮和酶活性，但土壤有機碳含量差異不顯著（圖2、3）。這與前人試驗結(jié)果一致，即適當增加土壤容重，土壤微生物生物量碳和酶活性會有所提升[24]。這是因為壓實后土壤孔隙度、顆粒排列、溫度和持水性均會發(fā)生改變，從而影響微生物生物量和酶活性[25-27]。土壤微生物生物量碳/氮可反映微生物群落結(jié)構(gòu)，其變化預示著微生物群落結(jié)構(gòu)變化。本研究通過模擬土壤容重的改變，不同處理微生物生物量碳/氮均在5以上（圖3），一般情況下細菌、放線菌和真菌的碳氮比分別在5:1、6:1和10:1，這可能是土壤經(jīng)壓機械實后細菌不是唯一的優(yōu)勢菌，真菌和放線菌也占有相當大的比重，這與Hartmann等[18]研究結(jié)果一致。綜上，模擬機械壓實通過改變孔隙結(jié)構(gòu)從而影響微生物生物量碳、氮和酶活性。

壓實對土壤微生物活性的影響存在梯度效應原因主要包括兩方面。一方面，壓實土壤降低微生物活性主要表現(xiàn)在對微生物生物量碳、氮的影響。研究表明，當森林土壤容重低于1.70 g/cm3時，微生物生物量隨土壤容重增加而升高，當土壤容重大于1.70 g/cm3時微生物生物量碳、氮均顯著低于輕度壓實土壤[28-29]；同時，大型運輸機械的壓實對土壤干擾能顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性及其功能[29]。因此，當土壤容重大于壓實梯度中某一閾值時，微生物生物量碳、氮會發(fā)生顯著變化。另一方面，壓實降低土壤微生物活性主要表現(xiàn)在對土壤酶活性的影響，原位研究結(jié)果表明，不同壓實區(qū)土壤轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶存在顯著差異，較高壓實處理相對較低[30]。這與本研究結(jié)果一致，即壓實對土壤微生物生物量碳/氮和酶活性的影響存在閾值，但其閾值（1.70 g/cm3）高于本研究結(jié)果（1.45 g/cm3），當土壤容重變化導致孔隙和空氣成為限制微生物生長的因子時，底物的可利用性可能是提升微生物活性的重要因子[31]。此外，也可能是由于森林土壤有機碳密度（4.24 kg/m2）普遍地高于農(nóng)田（2.56 kg/m2）[32]，可被微生物直接礦化分解的底物相對較多，從而提高了壓實影響微生物生物量和酶活性的閾值。

土壤碳排放是一個復雜的生物化學過程，受較多環(huán)境因子（溫度、含水量和底物濃度等）影響，而外力機械壓實在很大程度上影響微生物呼吸以及土壤與外界氣體交換速率[33-34]。本研究中，容重的變化顯著改變了土壤碳排放速率，這與前人原位控制試驗結(jié)果相似[35]。這是因為土壤壓實后結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成厭氧環(huán)境，CO2是由微生物分解有機物質(zhì)產(chǎn)生的，在氧氣充足條件下CO2產(chǎn)生量大于缺氧條件，土壤厭氧條件形成后，厭氧微生物會相對占據(jù)優(yōu)勢，但相對而言厭氧微生物的呼吸速率相對較低；此外，壓實后土壤結(jié)構(gòu)更為緊密，微生物可接觸到的有機物增加，可能會加快了底物的礦化速率[36]。長期（3至7 a）壓實試驗表明，與未壓實土壤相比，壓實土壤碳排放降低而有機碳含量顯著增加[37]，這與本研究結(jié)果不一致，試驗期間內(nèi)，不同處理土壤有機碳均不存在顯著性差異，雖T1.45處理可溶性有機碳相對較高，但其變化對總有機碳含量的影響相對較??；此外，也有可能是因為本試驗周期僅為120 d相對較短，長期效應未能體現(xiàn)。

本研究中T1.45土壤碳排放的速率最快，當容重高于1.45 g/cm3時，碳排放速率呈下降趨勢。土壤微生物對干擾事件的反應模式可稱為“hump-back”理論[38-39]，當土壤物理、化學性質(zhì)在受到輕微擾動后將刺激微生物達到最高活性，過度（大于閾值）的擾動將限制微生物的生長和活性，但會產(chǎn)生極為少數(shù)的優(yōu)勢種，而土壤微生物多樣性和碳排放速率都將有所降低[40]。本研究土壤容重閾值低于前人研究結(jié)果，這可能是由于試驗條件不一致造成的，例如Conlin等[41]對長期壓實森林土壤研究結(jié)果表明，未去除凋落物重度壓實處理土壤碳排放速率顯著高于常規(guī)壓實和對照處理，與本研究結(jié)果不一致。這可能由以下2個原因?qū)е?，第一，該試驗僅設置對照、常規(guī)壓實和重度壓實，而在此較高壓實處理下，土壤通透性和微生物活性仍可能維持在一個較為適宜的水平。第二，該試驗處理土壤中的凋落物未去除，凋落物是土壤有機質(zhì)的重要來源，可作為微生物的直接能量來源，從而改變土壤微生物活性和碳排放速率。此外，壓實梯度水平（組距）設置不同也有可能會影響土壤微生物活性和碳排放[42]。

3.2 壓實與土壤環(huán)境綜合評價

土壤微生物和酶活性等是評價微生物活性的綜合性指標，微生物生物量和酶活性是其研究核心，而環(huán)境效應主要指土壤碳排放效應。本研究中，土壤微生物活性和碳排放指標與土壤容重之間存在較好的二次函數(shù)關系（圖6），且在一定容重范圍內(nèi)（1.15～1.45 g/cm3）土壤微生物活性指標隨壓實的增加而上升，碳排放效應增大；大于1.45 g/cm3時，微生物活性降低，碳排放效應也降低。這與大部分研究壓實對土壤微生物和溫室氣體排放的研究結(jié)果相同[43]，但從微生物活性指標和碳排放方面的研究相對較少，在評價體系和方法方面仍存在許多不足，而本文通過生物效應和環(huán)境效應對壓實土壤進行考慮，確定了農(nóng)田較為適合的土壤容重（1.45 g/cm3），可為農(nóng)田土壤管理和綜合評估提供基礎參考。在中國開展大范圍高精度的土壤地力評價相對困難，2006年農(nóng)業(yè)部將耕地地力評價作為測土配方施肥補貼項目重要內(nèi)容之一在全國全面展開[44]，但各地在構(gòu)建耕地地力評價指標體系時，仍有較大的主觀性和不確定性。例如，如廣東省2007年未能將障礙層、容重、CEC等作為耕地評價的基礎指標[45]，不僅忽略容重等對土壤的綜合影響，也未能履行《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術規(guī)程》所提出的指標選取原則[46]，因此，該評價方法可能會對土壤耕地評價產(chǎn)生較大偏差。鑒于前人及本研究土壤容重對微生物活性和碳排放效應的研究結(jié)果，建議將土壤容重納入耕地地力評價指標。

4 結(jié) 論

通過對新疆綠洲農(nóng)田不同壓實度（1.15（T1.15）、1.30（T1.30）、1.45（T1.45）和1.60 g/cm3（T1.60））灰漠土微生物活性和碳排放研究的結(jié)論如下：

1）壓實改變了土壤微生物活性和碳排放速率。T1.45處理土壤酶活性、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮和微生物生物量碳/氮顯著高于其他處理；土壤碳排放速率隨試驗周期的延長而降低，T1.45處理碳排放速率顯著高于T1.15和T1.60，不同時期各處理土壤有機碳含量均不存在顯著差異。

2）土壤碳排放速率與脲酶活性、過氧化氫酶活性顯著相關（<0.05），與土壤有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮均顯著相關（<0.01），與微生物生物量碳/氮不相關；各生物活性指標間存在一定的相關性或不相關。

3）土壤壓實的容重閾值為1.45 g/cm3。當土壤容重小于1.45 g/cm3時，土壤酶活性、可溶性有機碳、微生物生物量碳、氮和碳排放速率呈增加趨勢；當土壤容重為1.45 g/cm3時，生物活性指標最高，碳排放速率最大；當土壤容重大于1.45 g/cm3時，土壤生物活性和碳排放速率呈下降趨勢。

綜合考慮土壤微生物活性和碳排放，新疆綠洲農(nóng)田灰漠土容重應當保持在較適宜的范圍，即當土壤高于1.45 g/cm3時應進行適當?shù)姆?，以維持土壤最大生物活性。

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Effects of mechanical compaction on soil microbial activities and carbon emission of oasis agricultural soils in Xinjiang

Li Dianpeng, Wang Hui, Sun Tao, Liu Suiyunhao, Li Zheng, Zhang Kai※, Jia Hongtao

(830052)

The impact of structural deformations on soil properties controls its function as habitat. Soil compaction is widespread but tends to be most prevalent where heavy machinery is used in forestry and agriculture.Untimely traffic with heavy logging machinery often leads to irreversible damage of soil structure, restricting plant growth, reducing crop yield or decreasing the greenhouse gas emissionsmitigation potential from the farmland.Avoiding soil compaction caused by agricultural management is a key aim of sustainable land management; however, limited understanding exists on how compaction affects the soil carbon process and microbial activities. Thus, we conducted a 120-day laboratory incubation to evaluate the effects of soil compaction mainly in agricultural soils on soil organisms and soil biological processes to identify relevant parameters which are helpful for assessing soil compaction from the soil biological and environmental point of view. We evaluated if threshold values of soil bulk density correspond to impacts on soil microbial fertility and environmental effect on soil. Our literature review showed that bulk density of Xinjiang farmland soil ranges from 0.85-1.60 g/cm3. In this study we usedi) non-compacted reference 1.15 g/cm3T1.15,ii) Treatment 1.30 g/cm3(T1.30), where soil was the median value of bulk density, iii) T1.45, with was 75% of the value, iv) T1.60was the maximum bulk density of the Xinjiang oasis farmland. In this study, we measured the soil carbon emission rate under different bulk density conditions using a Li-8100 automated soil CO2flux system ( LI-COR, Lincoln，Nebraska，USA) from June to October 2016, and soil organic carbon (SOC), urease activity (URE), catalase activity (CAT), dissolved organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass nitrogen (MBN) were also measured. The result showed that during the laboratory incubation time (0-120 d) treatment T1.15, T1.30, T1.45and T1.60, MBC, MBN, URE and CAT decreased with the extension of the test period. Under different bulk density levels, soil MBC, MBN, URE and CAT increased rapidly and then decreased with the increase of soil bulk density, and was the highest when the bulk density was 1.45 g/cm3. Cumulative carbon emission from T1.15, T1.30, T1.45and T1.60treatments was 557.26, 653.48, 665.00 and 522.01 g/m2,respectively. There was a trend of increasing first and then decreasing with increasing soil bulk density, and the highest was T1.45. The correlation analysis showed that soil carbon emissions were significantly correlated with urease and catalase activity (<0.05), and very significantly correlated with soil organic carbon, dissolved organic carbon, and microbial biomass carbon and nitrogen (<0.01). The effects of compaction on soil microbial activities and carbon emissions were weighed. Combined effects of trade-offs and compactions on soil biological activity and carbon emissions revealed that soil carbon emissions were the highest when the microbial activity is the highest, and therefore, the maximum microbial activities will also produce greater environmental effects. In summary, mechanical compaction directly affected microbial activities and carbon emissions by changing soil bulk density and pore structure. Therefore, when the soil capacity of oasis farmland was greater than or equal to or less than 1.45 g/cm3, proper overturning or repression should be carried out to make the soil biologically active at the best level.

soils; microorganisms; carbon emission; mechanical compaction; microbial biomass; enzyme activity; Xinjiang farmland

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.016

S154.1

A

1002-6819(2018)-20-0124-08

2018-04-15

2018-08-20

國家大學生創(chuàng)新訓練計劃項目（201610758009）；國家自然科學基金（41761067）；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金（2017D01A37）資助

李典鵬，主要從事土壤生態(tài)與物質(zhì)循環(huán)方面研究。Email：lldp05120@126.com

張 凱，博士，主要從事農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)等研究。Email：zhangkai4595241@163.com

李典鵬，王 輝，孫 濤，劉隋赟昊，李 政，張 凱，賈宏濤. 機械壓實對新疆綠洲農(nóng)田土壤微生物活性及碳排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(20)：124－131. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.016 http://www.tcsae.org

Li Dianpeng, Wang Hui, Sun Tao, Liu Suiyunhao, Li Zheng, Zhang Kai, Jia Hongtao. Effects of mechanical compaction on soil microbial activities and carbon emission of oasis agricultural soils in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 124－131. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.016 http://www.tcsae.org