河西灌區麥茬免耕對春玉米田土壤微生物量碳的影響

摘要：試驗在20 cm留茬壓倒（NPS20）、40 cm留茬壓倒（NPS40）、40 cm立稈留茬（NS40）、20 cm立稈留茬（NS20）和傳統耕作（CT）5個處理的基礎上增加5 400 m3/hm2灌溉量（I1）、3 600 m3/hm2灌溉量（I2）兩種灌溉量，共設計了10個處理，研究了小麥不同留茬高度、不同留茬方式以及不同灌水量對土壤微生物量C季節性變化的影響。結果表明，與傳統耕作相比，留茬免耕一年后土壤微生物量C在休閑期、播種期和收獲期平均增加量分別以40 cm立稈留茬（NS40）、40 cm立稈留茬（NS40）和20 cm留茬壓倒（NPS20）較大；不同灌水量下，留茬免耕兩年后土壤微生物量C以NS40I1最高。

關鍵詞：河西走廊；綠洲灌區；留茬免耕；春玉米；土壤微生物量碳

中圖分類號：S345；S158.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0286-04

河西走廊是西北地區重要的商品糧基地，玉米是該地區僅次于小麥的主要糧食作物。由于地表水和地下水的數量減少、草地退化、人為無節制開墾、大片林木的消失等原因，為沙塵暴提供了豐富的沙塵源，而由沙塵暴引起的土壤風蝕、水蝕等則嚴重影響了該地區的土壤環境，導致綠洲農田土壤肥力下降、土質惡化。近年來，以作物秸稈根茬覆蓋地表、少耕和免耕為核心內容的保護性耕作在河西走廊這一特殊的綠洲氣候條件下開始進行試驗推廣。已有研究證明，保護性耕作由于地面有殘茬、秸稈或牧草覆蓋，土壤少耕或不耕，土壤結構不受或少受擾動，從而能夠大幅度減輕田間揚沙和水土流失，在解決沙塵暴治理土地沙漠化問題中起了突出的作用，是一項切實有效防止風蝕、保持水土、增加土壤肥力的耕作方法[1]。土壤微生物量（MB）是指土壤中體積小于50 μm3的生物總量，它是活的土壤有機質部分，但活的植物體根系不包括在內[2]。土壤微生物是土壤有機質和土壤養分C、N、P、S等轉化和循環的動力，并參與土壤中有機質的分解、腐殖質的形成、土壤養分的轉化循環等過程，土壤微生物對覆蓋與耕作等措施有比較敏感的反應。土壤微生物量的多少反映了土壤同化和礦化能力的大小，是土壤活性大小的標志[3]，也被廣泛作為表征土壤肥力變化的一種有效指標[4]。因此，在河西走廊開展少免耕條件下土壤微生物量的變化的研究，對于提高該地區的土壤自然肥力和推廣保護性耕作具有重要的理論指導價值。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河西走廊凹陷帶張掖盆地的黑河灌區，地理坐標為E100°10′-100°35′，N38°50′-39°09′，海拔1 440～1 600 m。該區屬大陸性干旱氣候，冬夏較長，春秋較短，春季多風少雨，冬季較為寒冷。多年平均氣溫7.0 ℃，最低氣溫-28 ℃，最高氣溫38.5 ℃，年≥10℃的活動積溫3 234.3 ℃；年平均降水量125 mm，年平均蒸發量2 291 mm，年日照時間2 800～3 300 h；平均凍土深度120 cm，年均無霜期148 d。具有日照時間長、太陽輻射強、晝夜溫差大、降水稀少、蒸發強烈、光熱資源豐富等特點，適宜多種農作物生長。試驗地土壤為灌漠土，耕層（0～20 cm）土壤理化性狀為有機質17.98 g/kg，全氮0.77 g/kg，堿解氮49.2 mg/kg， 全磷1.41 g/kg，速效磷9.11 mg/kg，速效鉀93.95 mg/kg，pH 8.83。

1.2 試驗設計

試驗于2003年春小麥收獲后按要求布置留茬，保護性耕作處理加灌水處理共10個處理（表1），3次重復，小區面積92 m2（11.5 m×8.0 m），在各小區之間間隔留0.5 m和1.0 m的走道，以防水分側滲。供試春玉米品種為中單2號，于2005年4月中旬播種。試驗過程中不施農家肥，基肥（純N 213.3 kg/hm2，P2O5 90 kg/hm2）于播種前用免耕播種機施入，追肥于拔節期和灌漿期進行。

冬灌各處理灌水均為1 200 m3/hm2，玉米生育期灌水3次，灌水定額分別為拔節水900 m3/hm2（低灌）、1 500 m3/hm2（高灌）；抽穗水900 m3/hm2（低灌）、1 500 m3/hm2（高灌）；灌漿水600 m3/hm2（低灌）、1 200 m3/hm2（高灌）。

1.3 取樣及測定方法

于春小麥播種期（2004年4月）、收獲期（2004年7月）、留茬休閑期（2004年10月）、春玉米播種前（2005年4月）和收獲后（2005年10月）分5次取樣。取樣時采用口徑6.5 cm的土鉆，在各小區以蛇形取樣法分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 3層隨機選取5點，分層取樣后將各層次的樣制成一個混合樣用保鮮袋保存，并盡快帶回試驗室冷藏備用。

土樣測定前先過2 mm土壤篩，揀去可見有機物。稱取土樣6份，其中3份進行氯仿滅菌，加入0.5 mol/L K2SO4提取液（土∶水=1∶2），在恒溫振蕩器上振蕩60 min，過濾。提取液中的C采用K2Cr2O7-H2SO4消煮，FeSO4滴定法測定[5]。

2 結果與分析

2.1 麥茬免耕對土壤微生物量C的影響

土壤微生物量碳含量變幅較大，每公頃表土為110～2 240 kg碳，與土壤有機質含量呈正相關，一般為土壤有機碳的2%～5%[3]。僅從播種期結果（表2）來看，經過短期留茬免耕后，耕層的土壤微生物量C顯著增加，0～5 cm土層增幅最大的為NPS20（459.06%），其次為NS40、NPS40、NS20，分別增加390.84%、342.43%、331.29%，均達到極顯著水平；整個耕層（0～20 cm）增幅最大的為NS40（422.46%），其次為NP20、NPS40、NS20，分別增加327.38%、304.54%、304.37%，其增幅均低于0～5 cm土層的增幅，但均達到極顯著水平，說明表層土壤微生物增殖速度較深層土壤要快，這主要是由于免耕表土層有大量的可供微生物增殖的碳源。其次，免耕處理由于表層有殘茬覆蓋，從而調節了土壤水分，當土壤干燥時能減少水分的蒸發，降水增多時又可以通過很好的滲流不至使表層積水。另外，在冬季氣溫較低時，免耕由于表層的殘茬覆蓋不致使耕層的氣溫降到很低，從而提供了微生物增殖的良好環境。傳統耕作則是由于早春氣溫回升時，表層無覆蓋加快了表土層的化凍，加速微生物生長，由2004年4月和2005年4月的結果（表2）可看出，傳統耕作的土壤微生物量C均是5～10 cm土層低于0～5 cm土層和10～20 cm土層。

由表2還可知，土壤微生物量C在2004年一年中播種期最高，休閑期次之，收獲期最低。這是由于春種前土壤經過了一段時間的休閑，加之休閑期接納的降水改善了表層土壤環境，另外，留于表層的作物秸稈根茬為微生物的增殖提供了豐富的碳源，從而使播種期的土壤微生物量C處于一個較高水平；前茬作物收獲后較短時間的休閑期，地力仍未能很好地得到恢復，而留于土壤中的作物秸稈根茬還未開始大量腐解，故其土壤微生物量C較之播種期要低；收獲期則是由于經過一季作物的生長，消耗了大量的可供微生物增殖的碳源，加之此時過低的土壤水分，嚴重制約了土壤微生物的增殖。

不同耕作方式相比，休閑期0～5 cm土層土壤微生物量C免耕均高于傳統耕作，處理NS40的最高，與傳統耕作差異顯著；5～10 cm土層和10～20 cm土層NS40與CT均無顯著差異。播種期（2004年4月）0～5 cm土層土壤微生物量C留茬40 cm免耕處理含量相對較高，留茬20 cm免耕處理低于傳統耕作。5～10 cm土層NPS20處理的含量處于最高水平，且顯著高于傳統耕作，10～20 cm土層以NS40處理最高。整個耕層來看，免耕處理均高于傳統耕作，最高的是NS40，其次是NPS20、NPS40、NS20，分別比CT高37.25%、33.20%、31.39%、12.69%。次年播種期（2005年4月）的測定結果也具有相似的趨勢，NS40處理土壤微生物量C明顯高于CT處理，說明采用40 cm立稈留茬方式，經過兩年連續免耕后可明顯增加玉米播種期耕層的土壤微生物量C。

年際間比較，播種期免耕一年的結果是留茬量較大的兩個處理和傳統耕作最高點在0～5 cm土層，而留茬量較小的兩個處理其最高點出現在5～10 cm土層；2005年4月的測定結果與2004年4月相比，免耕各處理其表層土壤微生物量C均增加，且差異均達到極顯著水平；土壤微生物量C免耕一年后的收獲期較休閑期和播種期均表現為降低。

2.2 表土層含水量對耕層土壤微生物量C的影響

小麥收獲期（2004年7月）0～5 cm土層土壤微生物量C免耕處理均高于傳統耕作，最高為NPS40，其余依次為NS20、NS40、NPS20，分別較傳統耕作增加44.74%、42.99%、22.32%、21.44%。此期土壤微生物量C各土層之間變化較為平緩，這主要是由于經過一個春小麥的生長周期，大部分養分已被消耗，且此時正值高溫季節，耕層土壤含水量很低，對微生物的生命活動產生影響。處理NPS40由于較高的產量和較低的表層土壤含水量（圖1，圖2），造成耕層土壤微生物量C低于傳統耕作，進一步說明土壤水分與溫度對微生物量C同化具有較大影響。

2.3 不同灌水量下麥茬免耕對春玉米收獲后土壤微生物量C的影響

表3結果表明，免耕兩年的春玉米收獲后由于灌水量因素的影響，加之此期較為豐富的降水，對微生物活動產生了較為深刻的影響，0～5 cm土層微生物量C NS20I1最高，NPS40I1的最低。在不同灌水量、同一留茬量和留茬方式下，除NPS40外，0～5 cm土層微生物量C均表現為灌水量較大的處理高于灌水量較小的處理，說明土壤含水量對微生物量C的影響在春玉米收獲后居于各影響因素之首。5～10 cm土層，當灌水量較大時NPS20I1的土壤微生物量C最高，灌水量較小時NPS40I2的最高。10～20 cm土層，在灌水量較大和較小時分別以CTI1和NPS20I2的含量處于各處理之首位。縱觀整個耕層，除20 cm留茬壓倒的二處理（NPS20I1、NPS20I2）外，其他處理微生物量C含量均是表層的最高，且高于整個耕層的平均值，而下層則低于耕層平均值，表明留茬免耕有使耕層土壤上肥下瘦的特點。

3 小結與討論

1）留茬免耕由于土壤表層留有大量的作物秸稈、根茬，使0～5 cm土層的土壤微生物性質較下層發生了深刻的變化，5～10 cm土層和10～20 cm土層變化相對較小。留茬免耕一年后，與傳統耕作相比，微生物量C在休閑期和播種期明顯增加，在收獲期變化不大；免耕兩年后，與上年相比，土壤微生物量C極顯著增加。

2） 土壤水分對微生物的增殖產生深刻的影響。微生物量C以播種期最高，且年際間增加顯著，收獲期微生物量C含量相對處于最低水平。這與Franzluebbers等[6，7]對農田土壤微生物量的研究結果較為相似，他認為春季溫度的變動使得根系分泌物增多，土壤微生物獲得較多的C源，導致土壤微生物量增加。

3）土壤含水量對玉米收獲后土壤微生物量C的影響居于各影響因素之首，且此期的微生物量C含量表層土壤高于耕層土壤平均值，下層土壤則低于耕層土壤平均值，表明留茬免耕加上灌水有使耕層土壤上肥下瘦的特點。這與Kandeler等[8]和Gao等[9]關于免耕土壤微生物量變化的結論相似。

4）立稈留茬40 cm連續免耕兩年后可顯著增加土壤表層及耕層的微生物量C，說明留茬量較大且采用立稈方式有助于耕層土壤微生物的增殖，進而對吸收的養分形成固結，減少土壤養分的揮發滲漏，起到培肥土壤的作用。這與陳蓓等[10]的研究結果相似。

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