黑河流域保護性耕作對農田土壤微生物量碳、氮和有機質的調控

張 鳳 云

(1.菏澤學院 資源與環境系， 山東 菏澤 274000; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤有機質是土壤肥力的物質基礎，而土壤微生物是土壤中活的有機質部分，是土壤有機質和養分循環轉化的驅動力[1-2]。土壤微生物對土壤養分對植物有效性及其在陸地生態系統的循環有深刻的影響。土壤微生物量C(MBC)和土壤微生物量N(MBN)作為表征土壤生態系統中物質和能量流動的重要參數，對土壤環境變化極為敏感，被廣泛用于評價土壤環境質量和微生物群落狀態與功能的變化[3]。研究其變化規律，對了解土壤養分轉化和循環及培肥地力具有重要意義[4]。

黑河流域灌區水資源短缺、土壤沙化嚴重，生態環境極為脆弱，是中國風沙危害最嚴重的地區之一，也是國家進行生態恢復建設的重點區域。免耕大大減少了對地表的人為擾動，同時采用秸稈、殘茬或其他植被覆蓋，以減少蒸發和土壤侵蝕，達到保土、保水、增肥和改善土壤結構的目的。目前，針對旱地保護性耕作的研究主要集中于作物產量[5]、水分效應[6]、土壤養分[7]等方面，有關保護性耕作實施后對土壤微生物量變化的研究相對較少，在水澆地上的研究則更少。本文以黑河流域實施不同保護性耕作措施的農田為研究對象，從土壤微生物學角度分析保護性耕作對農田土壤有機質、土壤微生物量及作物產量和水分利用效率(WUE)的影響，旨在揭示保護性耕作措施對改善土壤質量、提高作物產量的微生物學作用機制，為該地區保護性耕作的適應性評價、農田土壤肥力培育和土地生產力的提高提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2003—2004年在甘肅農業大學保護性耕作定位試驗點甘肅河西走廊的張掖市二十里鋪鄉7號村進行田間試驗。該試驗區位于黑河中游東岸，地理坐標100°26′E，38°55′N，海拔1 440～1 600 m，屬大陸性干旱氣候地帶，年均溫7.3 ℃，多年平均降水量110 mm，蒸發量2 291 mm。全年日照時數2 800～3 300 h，年太陽輻射 620.03 kJ/cm2，≥10 ℃的年積溫3 000～3 200 ℃，晝夜溫差12～16 ℃，平均凍土深度 120 cm，無霜期148 d。

試驗以當地主栽春小麥品種“張春20”為供試作物，3月19號播種，7月19號收獲。試驗地土壤類型為灌漠土，0—20 cm土層土壤養分狀況為：有機質17.36 g/kg，全氮0.77 g/kg，堿解氮49.2 mg/kg，全磷0.014 g/kg，速效磷9.11 mg/kg，速效鉀93.95 mg/kg，陽離子代換量為8.02 cmol/kg，pH值為8.83。

試驗共設5個處理(表1)，3次重復，小區面積192 m2(24 m×8 m)，栽培管理與大田相同。春小麥于3月中旬播種，試驗過程中不施用農家肥，肥料都用作底肥：純N 213.3 kg/hm2，P2O590 kg/hm2。

表1 保護性耕作試驗處理

1.2 測定項目與方法

1.2.1 樣品采集 在小麥收獲期，各小區以蛇形取樣法分三層(0—5，5—10，10—20 cm)多點采集混合土樣，一部分過2 mm篩，用無菌封口塑料袋包裝，置于4 ℃冰箱中保存以備測定土壤微生物量C，N之用；另取部分帶回實驗室風干，過0.25 mm篩，用于測定土壤有機質。

1.2.2 土壤微生物量C,N測定 微生物量C，N(SMBC，SMBN)測定采用氯仿熏蒸浸提法[8]。將待測新鮮土樣裝入燒杯，置于25 ℃的黑暗密閉的容器中預培養7 d，稱取培養后新鮮土樣20 g兩份。一份放入裝有氯仿和堿液的真空干燥器中，用真空泵抽氣至氯仿沸騰，保持氯仿沸騰5 min后關閉真空干燥器閥門，在25 ℃黑暗條件下培養24 h，培養后移走氯仿，抽氣直至無氯仿味；另一份以蒸餾水代替氯仿同條件下培養。然后，用0.5 mol/L的K2SO4提取(土∶水=1∶2)浸提30 min。提取液中有機C的測定用重鉻酸鉀—硫酸消煮，硫酸亞鐵滴定法[9]；有機N采用半微量凱氏定氮法測定；微生物量C，N根據下列計算方法[10]:SMBC=2.64×EC，SMBN=1.85×EN。其中2.64和1.85是轉化系數，EC和EN分別是是熏蒸與未熏蒸土樣K2SO4浸提液中有機C和有機N含量的差值。

1.2.3 土壤有機質測定 采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量[11]。

1.2.4 作物耗水量 作物耗水量采用水量平衡法估算[12]。在作物播種前和收獲后，以20 cm為一層采用烘干法測定2 m土體內土壤含水量，并采用如下公式計算作物耗水量：

ET=SWD+P+I-D+Wg-R

(1)

式中：ET——作物耗水量(mm)； SWD——生育期土壤水分變化量(mm)；P——降雨量(mm)；I——灌溉量(mm)；D——灌溉后土壤水向下層流動量(mm)，受土壤結構和灌水量影響，D=αI,α為轉換系數，本試驗α取0.1；Wg——深層地下水利用量(mm),當地下水位低于4 m以下時，Wg可以忽略；R——地表徑流(mm)。本試驗地地下水位9 m，且無地表徑流，Wg和R均可忽略。

1.2.5 產量、水分利用效率 在收獲期，各小區單打單收，測定小區產量，折合單位面積產量。水分利用效率(WUE)的計算：

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE——水分利用效率(kg/m3)；Y——籽粒產量(kg/hm2)；ET——作物耗水量(mm)。

試驗數據采用Excel 2003和DPS v 6.55分析。

2 結果與分析

2.1 保戶性耕作對農田土壤有機質的影響

保護性耕作顯著影響土壤有機質含量(表2)。NPS40，NS40，NPS20和NS20處理0—20 cm土壤有機質較CT分別提高0.29%，6.74%，11.23%和7.62%。在保護性耕作處理中，隨土層深度增加土壤有機質含量下降，且留茬高度越大，不同土層之間的差異越大。不同處理間有機質含量20 cm留茬處理>40 cm留茬處理>傳統耕作；相同留茬高度的處理中，壓倒殘茬和不壓倒處理土壤有機質含量的變化次序不同。

表2 不同耕作措施下的土壤有機質 %

2.2 農田土壤微生物量C

保護性耕作顯著影響了農田土壤微生物量C的空間分布(表3)。從表3可以看出，保護性耕作處理土壤微生物量C含量隨著土層的加深明顯降低，與傳統耕作相比，同一土層微生物量C表現不同。耕層0—5 cm土壤微生物量C以NPS40最高，較CT增加44.74%，之后依次為NS20，NS40和NPS20，分別較CT增加42.99%，22.32%和21.43%。在5—10 cm，土壤微生物量C較CT有所降低，其中以NS20下降最多，達43.08%，與CT之間差異顯著，其次為NPS40，NPS20和NS40，分別較CT下降20.34%，12.90%和1.07%。10—20 cm除NS20外，保護性耕作其他處理較CT土壤微生物量增大。

表3 不同耕作措施下的土壤微生物量C mg/kg

2.3 土壤微生物量N

表4為不同耕作措施下的土壤微生物量N含量，不同土層土壤微生物量N的變異很大，有明顯的“表聚現象”。保護性耕作農田表層0—5 cm和亞表層5—10 cm土壤微生物量N含量均大于CT，但由于作物和土壤微生物之間N素競爭影響了微生物的N同化，在根系密度較大的5—20 cm，土壤微生物量N含量明顯受作物生長的影響，在留茬高度相同的條件下，壓倒處理土壤微生物量N含量低于立茬處理。

對土壤有機質與微生物體組分之間的相關分析表明，土壤有機質和土壤微生物量C之間顯著正相關(r=0.85，p<0.05)，與土壤微生物量N之間無明顯的相關關系(r=0.47,p>0.05)。

2.4 作物產量和WUE

保護性耕作提高了春小麥的產量。從表5可以看出，NPS20和NPS40增產效果最好，較CT分別增產53.08%和46.59%，與CT之間差異達到極顯著水平；NS40增產40.81%，差異顯著；NS20較CT增產19.93%，差異不顯著。

表4 不同耕作措施下的土壤微生物量N mg/kg

保護性耕作增加了作物的耗水量，但不同處理麥田耗水量差異不大(表5)。3月下旬到7月下旬為作物生長季節，降水較少，蒸發蒸騰強烈，土壤水分大量支出。從表5可以看出，保護性耕作增加了小麥生育期土壤水分支出，保護性耕作各處理作物生育期耗水量均程度不同地高于CT。

表5 不同耕作措施下的春小麥產量和水分利用效率

保護性耕作提高了春小麥的水分利用效率(WUE)。NPS20，NS40，NPS40，NS20水分利用效率分別較CT提高58.02%，43.40%，47.27%和23.78%。

3 討 論

研究結果表明，保護性耕作增加了農田土壤有機質含量，且隨土層深度增加，保護性耕作農田土壤有機質含量減小，而傳統耕作各土層之間有機質含量差異不大。該結果與McQuaid等[13]和Needelman等[14]的研究結果一致。造成這種現象的可能原因有：一是保護性耕作表土層較傳統耕作增加的有機物料為土壤有機質的轉化提供了充足的物質基礎[15]；二是傳統耕作地表有限的秸稈均勻分布在整個耕層，而保護性耕作中轉化形成的有機質主要分布在土壤表層，減小了土壤微生物和地表有機物料的接觸面積，從而導致有機質礦化速度較慢，有利于表土層有機質的積累[16]。但是并非地表覆蓋量越大土壤有機質含量越大。主要是地表留茬后，雖然增加了土壤有機質的物質來源，但隨著留茬高度的增加，秸稈將更多的太陽輻射反射出去，由此引起的土壤溫度變化反過來又影響了有機物料的分解，當地表覆蓋量過大時，土壤溫度成為影響有機質轉化的決定因素；在相同高度留茬處理中，壓倒處理對太陽輻射的反射量大于立茬處理，對土壤溫度的影響更大。

土壤微生物量碳的消長，反映微生物利用土壤碳源進行自身細胞建成并大量繁殖，和微生物細胞解體使有機碳礦化的過程[17]。與Wright等[18]在保護性耕作農田土壤微生物量C含量的研究結果相同，本試驗結果表明保護性耕作能顯著提高0—5 cm土層土壤微生物量C，而降低5—10 cm土壤微生物量C。說明保護性耕作有利于土壤養分調控，在作物需要養分較少的土層能固結較多養分，而在作物根系需要較多養分的土層能釋放養分供作物利用。并且由保護性耕作所引起的土壤微生物量C的變化與土壤含水量的變化有一定程度的一致性。有研究也得出了類似的結論：土壤微生物與土壤含水量呈極顯著正相關[19]。保護性耕作顯著提高土壤微生物量N含量，且受作物生長的影響，在留茬高度相同的條件下，形成產量越高的處理，土壤微生物量N含量越低。

徐陽春等[20]通過長期定位試驗，劉苗等[21]通過對農牧交錯帶不同施肥措施土壤剖面生物量動態變化研究表明，土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳之間均呈極顯著的正相關，但本研究結果表明，土壤有機質和土壤微生物量C之間顯著正相關，與土壤微生物量N之間無明顯的相關關系。這表明土壤有機質是影響土壤微生物量的重要因素，有機質含量高，能夠為微生物在進行自身合成與代謝過程中提供足夠的碳源和能源[22]；土壤有機質和土壤微生物量C可以作為評價土壤質量的有效指標。

保護性耕作較傳統耕作措施有明顯的增產并提高小麥水分利用效率的作用。20 cm留茬壓倒處理由于其對耕層土壤有機質、土壤微生物量C和N的顯著影響，同時具有最高的WUE和最好的增產效果，平均WUE和產量較傳統耕作分別增加58%和53%。

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