耕作方式對稻田土壤微生物量碳氮的動態影響

唐先亮，魏甲彬，周玲紅，徐華勤，鄒應斌，唐劍武（湖南農業大學農學院，長沙410128）

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耕作方式對稻田土壤微生物量碳氮的動態影響

唐先亮，魏甲彬，周玲紅，徐華勤*，鄒應斌，唐劍武
（湖南農業大學農學院，長沙410128）

摘 要：為了探討不同耕作方式對稻田土壤微生物量碳氮動態變化的影響，本研究就長期免耕和常規翻耕兩種耕作方式，針對水稻不同生育期稻田0～20 cm土層土壤微生物量碳氮含量變化進行了分析。結果表明，免耕處理土壤有機質顯著增加了13.09%。翻耕處理水稻各生育期土壤微生物量碳氮含量基本高于免耕處理。翻耕處理土壤微生物量碳含量在水稻種植前和收割后兩個時期分別比免耕高20.58%和16.79%，差異顯著，其他時期差異不明顯；翻耕處理土壤微生物量氮含量在水稻分蘗后期、孕穗期、黃熟期、收割后四個時期分別比免耕高31.70%、38.42%、41.82%和98.96%，差異顯著。免耕處理土壤微生物量碳氮比率基本高于翻耕處理。因此，免耕有利于土壤有機質的積累，而翻耕方式更有利于微生物活動，提高土壤微生物量碳、氮含量，并且翻耕處理有利于提高土壤氮素有效性。

關鍵詞：稻田；耕作方式；土壤微生物量碳；土壤微生物量氮

土壤微生物生物量碳（SBMC）是土壤有機碳最活躍的成分，一般只占土壤有機碳總量的1%～3%［1］。土壤微生物生物量氮（SBMN）是指土壤中活的微生物體內固持的氮素，一般為20～200 mg/ kg，受不同土壤類型及生態環境條件影響很大［2］。土壤微生物量能夠靈敏、及時、準確地反映土壤質量的變化狀況及不同耕作措施導致的土壤差異性［3］，所以它們常作為土壤對環境響應的重要指示指標。

免耕作為保護性耕作的重要內容，在國內已有大量研究，包括有免耕對產量影響、免耕對土壤理化特性的影響和免耕年限造成的影響等多方面，但得出的結論不盡相同。長期免耕存在有機碳和養分表層富集、層化現象明顯等土壤質量問題，并且也影響土壤微生物在農田土壤中的分布。目前有關免耕土壤微生物量的研究，多數還是關于旱地的，并且較多研究者針對土壤分層進行研究。比如免耕可提高表土層（0～5 cm）土壤微生物量碳、氮含量，土壤微生物量受季節影響等［4～6］。目前有關免耕對土壤微生物量碳、氮的影響研究報道不少。一般認為，免耕使土壤表層土壤微生物增加較多，而深層土壤增加則不明顯。Kuldip等［7］研究發現，高度干擾的耕作制度較低度干擾的耕作制度可降低土壤微生物量碳、氮、磷含量。張麗華等［8］研究表明，免耕使表層土壤（0～5 cm）土壤微生物的生物量高于翻耕土壤。徐陽春等［4］的長期免耕與施用有機肥對土壤微生物量碳的影響研究表明，免耕條件下表土層（0～5 cm）微生物量碳氮顯著地高于翻耕土壤，但亞表層（5～10 cm）微生物量碳氮與翻耕土壤差異不明顯。還有研究認為，免耕處理的土壤微生物集中于0～5 cm土層，該層微生物數量約占0～30 cm土層總量的57%，翻耕處理土壤微生物則相對均勻分布于0 ～10 cm土層［9］。

國內南方稻作區許多關于土壤微生物的研究都是以土壤分層為依據，而忽視了水稻根系大部分分布于耕作層（0～20 cm）的這一整體性和前茬作物對稻田土壤的影響，并且以往對土壤微生物量的研究多數集中在單一時間點上，缺少對水稻不同生育期稻田土壤微生物量碳氮動態變化的研究。本研究選擇南方長期免耕稻油兩熟制稻田，通過對比不同耕作方式和水稻不同生育期對0～20 cm土層土壤微生物量碳、氮的影響，探討不同耕作方式對稻田土壤微生物量碳、氮含量的影響及土壤微生物對水稻需肥的響應規律。這不僅可豐富土壤養分轉化理論，也為水稻栽培合理施肥提供基礎理論參考，以期為可持續性農業發展提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗設計

本研究基于稻油兩熟制免耕長期定位試驗田（始于2003年），位于湖南省長沙市湖南農業大學耘園試驗基地（28°11′N，113°04′E）。試驗土壤為潮泥田，試驗田前茬為板田免耕移栽種植油菜，收獲后清除秸稈。以兩系雜交水稻兩優培九作單季晚稻，設免耕移栽（NT）和翻耕移栽（CT）兩個處理。隨機區組排列，4次重復，小區面積為30 m2。兩個處理的施肥量和施肥方法相同，氮肥、磷肥和鉀肥用量分別為135 kg/ hm2（以N計）、90 kg/ hm2（以P2O5計）和180 kg/ hm2（以K2O計），氮肥按基肥∶分蘗肥= 2∶1（質量比）施入，磷肥和鉀肥作基肥一次性施入。

晚稻于2014年6月12日移栽，10月5日收割。水稻移栽行株距為20 cm×20 cm，大田自分蘗初期起保持田面3～5 cm水層，直到成熟前20 d左右停灌，任其自然落干，田間精細管理，及時控制病蟲害。

1.2取樣方法

土壤采樣采用5點蛇形法，分別采集水稻種植前（5月8日）、水稻分蘗初期（7月1日）、分蘗后期（7月24日）、孕穗期（8月6日）、揚花期（8月27日）、黃熟期（9月21日）和水稻收割后（10月8日）這幾個時期的土壤樣品，采樣深度為0～20 cm耕層。一部分土樣采集之后保鮮帶回冷藏供測定土壤微生物量碳、氮用。另一部分土樣室內風干，過篩，用于土壤理化指標測定。

1.3測定項目

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸- K2SO4浸提法測定［10］；土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法［11］。

土壤微生物量碳SMBC（mg/ kg）= EC/0.33，土壤微生物量氮SMBN（mg/ kg）= 5.0×EN。其中0.33和5.0分別為土壤微生物量碳和氮的系數，EC 和EN分別為熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液中有機碳和全氮含量的差值。

1.4數據處理

試驗數據采用Excel 2007和SPSS18.0軟件進行單因素方差分析及顯著性檢驗（p < 0.05），并采用Excel 2007做圖。

2　結果與分析

2.1土壤有機質

從表1可以看出，兩種耕作處理水稻種植階段土壤有機質變化不同。水稻收割后免耕處理土壤有機質含量相比水稻種植前增加13.09%，差異顯著（p <0.05）；而翻耕處理土壤有機質增加了9.36%，差異不明顯。相比而言，水稻種植階段免耕處理有機質增加量比翻耕高3.73%，說明免耕方式在水稻種植階段更有利于土壤有機質的積累。

表1　水稻種植階段土壤有機質含量變化

2.2土壤微生物量碳

圖1　水稻種植階段土壤微生物量碳的動態變化

從圖1可以看出，兩種耕作方式下土壤微生物量碳含量變化趨勢基本一致，且翻耕處理土壤微生物量碳含量高于免耕處理。土壤微生物量碳大體呈“W”型變化趨勢，即在分蘗后期和揚花期土壤微生物量碳含量較低，而在孕穗期時有所反彈。這說明兩種耕作方式對土壤微生物量碳的影響方向基本一致。免耕處理土壤微生物量碳含量變動范圍為208.80～299.70 mg/ kg，而翻耕處理變動范圍為254.90～339.25 mg/ kg。這兩種處理土壤微生物量碳含量變動幅度相當，說明免耕處理和翻耕處理土壤微生物量碳含量變動的穩定性相當。在水稻揚花期，免耕和翻耕處理土壤微生物量碳含量達到最小值，分別為208.80和254.90 mg/ kg。方差分析表明，在水稻種植前、收割后兩時期翻耕處理土壤微生物量碳含量分別比免耕高20.58%和16.79%，差異顯著（p < 0.05）。而在分蘗初期、分蘗后期、孕穗期、揚花期、黃熟期等時期，翻耕處理與免耕處理土壤微生物量碳含量差異不明顯，說明在水稻生長期間，兩種耕作方式對土壤微生物量碳的影響差異不明顯。

方差分析表明，免耕條件下，分蘗后期土壤微生物量碳含量顯著低于分蘗初期、孕穗期（p <0.05）；孕穗期顯著高于分蘗后期、揚花期和黃熟期（p < 0.05）；揚花期顯著低于水稻種植前、分蘗初期、孕穗期和水稻收割后（p < 0.05）；其他時期兩兩之間差異不明顯。而翻耕條件下，分蘗后期、孕穗期、揚花期和黃熟期土壤微生物量碳含量顯著低于水稻種植前、分蘗初期和水稻收割后（p <0.05）；其他各時期兩兩間差異不明顯。這說明在不同生育期，水稻對土壤微生物量的影響不同，且在水稻分蘗后期、孕穗期和揚花期這三個時期表現尤為明顯。

2.3K2SO4浸提碳

K2SO4浸提碳包括游離的有機碳［12］。不同耕作方式和不同水稻生育期的土壤K2SO4浸提碳含量都存在一定程度的差異（圖2）?？傮w上，免耕處理各生育期土壤K2SO4浸提碳含量略高于翻耕處理，且K2SO4浸提碳含量在不同生育期變化趨勢基本一致。翻耕處理和免耕處理K2SO4浸提碳含量在水稻孕穗期時同時達到最小值，分別為142.07和140.96 mg/ kg，而水稻分蘗初期時同時達到最大值，分別為264.17和282.54 mg/ kg。

圖2　水稻種植階段土壤K2SO4浸提碳的動態變化

2.4土壤微生物量氮

從圖3可以看出，免耕和翻耕這兩種處理對土壤微生物量氮的影響趨勢基本一致，且翻耕處理土壤中微生物量氮含量基本上高于免耕處理。土壤微生物量氮含量隨水稻生長進程逐漸上升，孕穗期時稍有反彈下降，即從水稻移栽到黃熟期土壤微生物量氮含量基本呈上升趨勢，水稻收割后再下降。這說明翻耕和免耕兩種耕作方式對土壤微生物量氮影響方向大致相同。免耕處理土壤微生物量氮含量變動范圍為23.29～47.34 mg/ kg，而翻耕處理變動范圍為31.55 ～67.15 mg/ kg，翻耕處理下土壤微生物量氮含量變動幅度高于免耕，說明免耕處理土壤微生物量氮含量變動比翻耕處理穩定。方差分析表明，在水稻分蘗后期、孕穗期、黃熟期和收割后這4個時期翻耕處理微生物量氮含量顯著高于免耕處理，分別比免耕高31.70 %、38.42%、41.82%和98.96%（p <0.05）；其他時期翻耕處理與免耕處理土壤微生物量氮含量差異不明顯。這說明土壤微生物量氮含量受耕作措施的影響較為明顯，尤其在水稻分蘗后期、孕穗期、黃熟期和收割后4個時期表現突出。

圖3　水稻種植階段土壤微生物量氮的動態變化

比較水稻不同生育期土壤微生物量氮含量。免耕處理條件下，土壤微生物量氮含量最大值出現在黃熟期，為47.34 mg/ kg，顯著高于其他各時期（p < 0.05）；揚花期顯著高于孕穗期（p < 0.05），其余時期兩兩之間差異不明顯。而翻耕處理條件下，分蘗后期、揚花期和收割后這3個時期微生物量氮含量顯著高于分蘗初期和水稻種植前，其中分蘗初期出現最小值，為31.55 mg/ kg；黃熟期土壤微生物量氮含量出現最大值，為67.15 mg/ kg，顯著高于其他時期；其他時期兩兩之間差異不明顯。這說明水稻不同生育期土壤微生物量氮含量不同，且水稻生長后期土壤微生物量氮顯著增加。

2.5K2SO4浸提氮

K2SO4浸提氮包括游離的有機含氮物質和無機氮素，可視為土壤速效氮［13］，一般占全氮比例較低。供試土壤的K2SO4浸提氮含量在8.92～36.53 mg/ kg（圖4）。在水稻孕穗期，翻耕處理K2SO4浸提氮含量顯著高于免耕（p < 0.05），而其他時期差異不明顯，其原因和意義有待深入研究。

圖4　水稻種植階段K2SO4浸提氮的動態變化

2.6土壤微生物生物量碳氮比

土壤微生物生物量碳氮比（SMBC/ SMBN）可作為土壤氮素供應能力和有效性的評價指標，它的高低反映了土壤氮素供應能力。當SMBC/ SMBN值較小時，土壤氮素的生物有效性比較高［12］。從圖5中可知，免耕處理SMBC/ SMBN值變動范圍為5.26～11.19，而翻耕處理變動范圍為3.86～10.34。免耕條件下SMBC/ SMBN值高于翻耕，這說明翻耕處理土壤氮素有效性比較高。

圖5　水稻種植階段土壤微生物量碳氮比率的動態變化

2.7SMBC與SMBN、K2SO4浸提碳和K2SO4浸提氮的關系

相關性分析表明（表2），SMBC與K2SO4浸提碳有顯著正相關關系，相關系數為0.613。SMBN與K2SO4浸提氮、SMBC無明顯相關關系。

表2　SMBC與SMBN、K2SO4浸提碳和K2SO4浸提氮的相關系數

3　討論與結論

3.1不同耕作方式對土壤有機質的影響

免耕方式在水稻種植階段更有利于土壤有機質的積累，這可能與翻耕下土壤有機質被微生物較快分解有關［14］。高明等［15］的長期田間定位試驗結果表明，稻田連續免耕10年后土壤表層（0～20 cm）有機質含量提高。區惠平等［16］的稻田土壤短期免耕試驗結果也表明，在整個水稻生育周期免耕處理提高了0～5 cm和0～20 cm土層有機碳含量。本研究結果與其一致。

3.2不同耕作方式對土壤微生物量碳、氮的影響

在整個水稻生育周期內，翻耕處理土壤微生物量碳含量總體上比免耕處理高，但差異不明顯。其原因可能是相比免耕，翻耕一定程度上加速了有機物分解，增加了土壤中有可供微生物繁殖利用的有效養分含量［17］，進而微生物數量增多。張磊［18］的研究也表明，耕作農田土壤微生物量碳含量始終顯著高于未耕作土壤（p < 0.01）。這與本研究結果類似。

翻耕處理土壤微生物量氮含量均高于免耕處理。這可能是因為翻耕加速了土壤有機質分解，增大了土壤中有機碳含量比例，進而促進土壤微生物固持氮素。張潔等［19］的保護性耕作試驗結果表明，免耕相比傳統耕作顯著增加了0～20 cm土層中土壤微生物碳、氮含量，認為免耕表層作物殘余物累積，增加了土壤表層微生物活性和生物量。路怡青等［20］的免耕和秸稈還田對潮土酶活性及微生物量碳氮的影響試驗結果也表明，在0～20 cm土層內，土壤微生物量碳、氮均為免耕處理大于翻耕處理。這些都與本研究結果不同。土壤微生物量對環境條件非常敏感，施肥、耕作措施等都會影響土壤微生物量［21］，同時土壤免耕年限［22］、土壤深度［23］也會影響到土壤微生物量。所以免耕和翻耕耕層（0～20 cm）土壤中土壤微生物量變化規律仍有待進一步研究。而在水稻分蘗后期、孕穗期、黃熟期、收割后4個時期土壤微生物量氮含量兩者差異顯著，原因可能在于這4個時期作物土壤中根系分泌物和凋落物等有機物相對較多。

3.3不同水稻生育期土壤微生物量碳、氮變化

土壤微生物量碳含量自分蘗初期開始降低，孕穗期時出現反彈上升，揚花期之后一直上升，這可能與水稻生長對土壤養分的需求有關。羅蘭芳［24］研究發現，土壤微生物量碳隨著水稻生長進程下降，至成熟期回升。而曾路生等［25］研究表明，土壤微生物量碳隨著水稻生長發育而逐漸下降，移栽50 d（分蘗期）后隨著水稻繼續生長而漸漸上升。這些與本研究結論大體相同。作物不同生育期對土壤養分的需求不同。土壤微生物量碳含量隨著水稻生長進程下降，這是因為隨著作物的生長發育，根系對土壤養分吸收作用強烈，與微生物競爭土壤養分，從而抑制微生物活動，甚至通過礦化微生物體，釋放被微生物固持的營養元素，以緩解土壤養分供應矛盾［26］。由于作物生長后期根系脫落物和分泌物的增加為微生物繁殖提供了有機質［27］，所以水稻揚花期后微生物量碳升高。而土壤微生物量碳在水稻孕穗期出現反彈上升，原因可能是分蘗后期土壤中無效分蘗死亡脫落物大增，為微生物提供了更多有機質來源，促使微生物量增多。

隨水稻生長發育，土壤微生物量氮含量基本呈現上升趨勢。出現這種情況可能與土壤中有效氮素供應有關。曾路生等［25］研究發現，水稻在生長前期，根系對土壤養分吸收能力弱，土壤微生物量增長，但隨著根系生長完善，水稻與微生物競爭吸收氮磷鉀等養分，導致微生物量氮減少。水稻成熟期時，根系與土壤微生物的競爭減弱，微生物量氮回升。李東坡等［26］在旱地玉米研究時也發現，玉米在生殖生長期間因吸氮量迅速增加而微生物量氮含量下降，蠟熟期時微生物量氮增加。這些與本研究結果相同。在水稻生長期間，稻田土壤微生物量氮含量在不斷變化，這種變化與水稻生長需肥特點相吻合。水稻收割后田間排水落干，土壤失去蔭蔽環境，直接暴露在空氣中，干濕交替顯著，降低了土壤微生物量氮［28］。

3.4結論

不同的耕作方式，通過直接作用于土壤結構，改變土壤有機質、土壤微生物量碳和土壤微生物量氮?？偟膩砜矗飧欣谕寥烙袡C質的積累，原因在于免耕下土壤有機質被微生物分解的速率較慢。翻耕處理土壤微生物量碳氮含量基本高于免耕。土壤微生物量碳含量大體呈“W”型變化趨勢，即在分蘗后期和揚花期土壤微生物量碳含量較低，而在孕穗期時有所反彈。翻耕處理土壤微生物量碳含量在水稻種植前和收割后兩個時間顯著高于免耕，其他時期差異不明顯。而土壤微生物量氮含量隨水稻生長進程逐漸上升，孕穗期時稍有下降，即從水稻移栽到黃熟期土壤微生物量氮含量基本呈上升趨勢，水稻收割后再下降。翻耕處理土壤微生物量氮含量在水稻分蘗后期、孕穗期、黃熟期、收割后4個時期顯著高于免耕。這說明相比免耕，翻耕條件更有利于微生物生長。翻耕擾動下，提高了土壤透氣性，促進了有機質分解，增加了土壤中有效養分的含量，為微生物創造了良好的生存環境。免耕處理土壤微生物量碳氮比率基本高于翻耕處理，說明翻耕處理土壤氮素有效性比較高。

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The Dynamic Effect of Different Tillage Methods on Soil Microbial Carbon and Nitrogen in Rice Paddy

TANG Xianliang，WEI Jiabin，ZHOU Linghong，XU Huaqin*，ZOU Yingbin，TANG Jianwu
（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Abstract：To study the dynamic effect of different tillage methods on the soil microbial biomass carbon（SMBC）and soil microbial biomass nitrogen（SMBN）in rice paddy，long-term no-tillage（NT）and conventional tillage（CT）methods were used to analyze the content change of soil microbial biomass carbon and nitrogen in different growth stages on rice.The results showed that the soil organic matter（SOM）content of the NT treatment increased 13.09% compared with the CT；the SMBC and SMBN contents of the CT treatment was higher than that of the NT treatment.The SMBC content of the CT treatment，before the rice planting and after harvesting is significantly higher than no-tillage treatment by 20.58% and 16.79% respectively；while the difference is not significant during the rice growing stages.The SMBN content of the CT treatment is significantly higher than that of the NT treatment in late tillering stage（by 31.70%），booting stage（by 38.42%），yellow ripening stage（by 41.82%），and after harvesting（by 98.96%）.The soil microbial biomass carbon/ nitrogen ratio in NT treatment is higher than that in CT treatment.Results suggest that no-tillage method is beneficial to SOC accumulation，conventional tillage method is good for the increasing of soil microbial，SMBC and SMBN content，and enhancing biological effectiveness of soil nitrogen.

Keywords：rice paddy；tillage method；soil microbial biomass carbon；soil microbial biomass nitrogen

中圖分類號：S344

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5280（2016）03-0282-06

DOI：10.16848/ j.cnki.issn.1001-5280.2016.03.12

收稿日期：2016- 02- 29

作者簡介：唐先亮（1990 -），男，碩士研究生，Email：xuehuanshi@ 139.com。*通信作者：徐華勤，副教授，主要研究方向土壤生態學，Email：xu7541@163.com。

基金項目：湖南省科技計劃項目（2014RS4002）；教育部博士點基金（20134320110004）；國家自然科學基金（31100382）。