覆蓋與種植模式對土壤呼吸速率和玉米根際微生物數量的影響

李 強,王 琦,張恩和,劉青林

(1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農業大學 農學院,甘肅 蘭州 730070)

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覆蓋與種植模式對土壤呼吸速率和玉米根際微生物數量的影響

李 強1,王 琦1,張恩和2,劉青林2

(1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農業大學 農學院,甘肅 蘭州 730070)

研究覆蓋材料(普通地膜覆蓋、生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋)與種植模式(玉米單作、玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆)對土壤呼吸速率和玉米根際微生物數量的影響，結果表明：土壤呼吸日變化曲線因覆蓋與種植模式而異，峰值出現時間也各不相同；同一種植模式下，玉米生育期平均土壤呼吸速率由高到低依次為普通膜>生物膜>裸露種植>秸稈，玉米根際土壤微生物總數由高到低依次為秸稈>生物膜>普通膜>裸露種植；不同種植模式，與玉米單作相比，玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆的全生育期平均土壤呼吸速率分別提高35%和25%，根際土壤微生物總數提高38.14%和84.75%；經相關分析，土壤呼吸與根際微生物數量呈不顯著正相關關系，即土壤呼吸速率受根際微生物的影響，但根際微生物不是影響土壤呼吸的主要因子。試驗表明，秸稈覆蓋降低土壤呼吸速率，提高根際微生物數量；間作不同程度提高土壤呼吸速率和根際微生物數量。

覆蓋；種植模式；土壤呼吸速率；根際微生物數量

土壤呼吸作用是陸地向大氣釋放CO2的重要生物學途徑，其微小變動就能夠對全球碳循環產生顯著影響[1-2]。在陸地生態系統中，農田生態系統占據重要地位，受自然因素和人為活動的影響較大。河西灌區農田是我國農田生態系統的主要類型之一，該區降水量稀少，光熱充足，主要依靠地下水灌溉[3]。近年來，隨著常規漫灌及對水資源不合理利用，使地區區域水資源缺乏[4]。如何緩解缺水和充分利用光熱資源是該區域農業發展面臨的難題。

間作是我國精細農業的重要組成部分，能夠充分利用光熱水資源，提高群體產量和經濟效益[5-6]，由于間作能引起土壤水熱的變化，進而影響土壤呼吸[7]。陳吉等[8]研究發現，黃土丘陵區白羊草與達烏里胡枝子混播草地土壤呼吸速率由高到低依次為單播白羊草、白羊草和達烏里胡枝子間作和單播達烏里胡枝子。地表覆蓋是旱地農業的一項重要栽培技術[9]。覆蓋后土壤水熱及理化性質和土壤微生物均發生了顯著改變[10-12]，對土壤CO2釋放過程也必然會產生影響，從而影響農田生態系統的碳平衡[13]。

國內外對覆蓋和種植方式的研究主要集中于土壤水熱與土壤呼吸的關系[14-16]，對土壤呼吸和根際微生物數量變化的研究相對較少。以田間試驗為基礎，研究覆蓋與種植模式對土壤呼吸速率和玉米根際微生物數量的影響，旨在確定不同覆蓋和種植方式下農田土壤呼吸速率和根際微生物變化規律，為區域農業可持續發展提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地基本概況

試驗于2014年3月20日～ 9月29日在位于河西灌區的甘肅農業大學武威試驗站進行，該區平均海拔1 531 m，依賴石羊河水和地下水灌溉。年均降水量160 mm，年潛在蒸發量2 400 mm，干燥度5.85，年均氣溫7.7℃，≥0℃年積溫3 513.4℃，≥ 10℃年積溫2 985.4℃。全年無霜期156 d，絕對無霜期118 d，年日照時數2945 h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質，土層深厚，田間持水量為21.5 %，試驗區0～20 cm 土層土壤全氮、全磷、全鉀和有機質平均含量為0.95、0.48、7.70和14.29 g/kg，速效磷和速效鉀平均含量為33.80和253.95 mg/kg，pH為8.76。作物生育期降水量188 mm。

1.2 試驗設計

試驗以玉米(Zeamays)(先玉335)、箭筈豌豆(Viciasativa)(蘇箭3號)和豌豆(隴碗1號)為供試作物。采用完全隨機裂區設計，種植方式為主處理，覆蓋方式為副處理。3個種植模式分別為玉米單作、玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆，4個覆蓋方式分別為普通膜、生物膜、秸稈和裸露種植。主處理中玉米單作作為對照，副處理中裸露種植作為對照，共有12個處理，重復3次，共有36個小區。

試驗采用半地面覆蓋，即玉米種植帶進行覆蓋，空行帶和豆科作物種植帶不進行覆蓋。小區面積為8 m×5 m。主區之間設置1.5 m走廊，副區之間設置1.0 m走廊。

箭筈豌豆和豌豆播種時間為2014年4月6日，玉米播種時間為2014年4年17日，箭筈豌豆和豌豆采用條播，播種量分別為150和250 kg/hm2，玉米按穴播種，玉米單作播種密度為82 500株/hm2，玉米行距為0.3 m，株距為0.3 m，帶寬1.4 m，種植4行玉米，箭筈豌豆和毛苕子(Viciavillosa)行距為0.15 m，帶寬0.6 m，種植4行箭筈豌豆(豌豆)，邊行玉米至邊行豆科牧草的距離為0.15 m。在播種前10 d劃分小區，各小區翻地和礳地各1次，播種前磷肥和鉀肥作為基肥1次性施入，基礎肥用量分別為純P 150 kg/hm2(過磷酸鈣，含16% P2O5)和純K 40 kg/hm2(硫酸鉀，含30 % K2O)。玉米整個生育期氮肥用量純N 430 kg/hm2(普通尿素，含純氮46.4%)，其中基肥、玉米拔節期、大喇叭口期和抽雄-吐絲期追肥用量分別占總施氮量的30%、21%、42%和7%，基肥和追肥只施加于玉米種植帶，間作玉米和玉米單作的施肥方式、施肥時間和施肥量相同，并且每1小區灌水時間和灌水量相同，在灌溉前進行追肥。灌水量分別為82、110、110、110和110 mm。箭筈豌豆、豌豆和玉米收獲時間分別為2014年8月10日、2014年7月15日和2014年9月29日。

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 土壤呼吸的測定 土壤呼吸速率使用Li-8100開路式土壤碳通量測定系統測定。并于玉米拔節、抽雄吐絲期、灌漿期和成熟期選擇天氣狀況良好的一天，10∶00開始測定，同時，在玉米抽雄吐絲期選擇天氣狀況良好的一天，從8∶00開始，每間隔2 h測定1 次，至20∶00，觀測土壤呼吸日變化動態。測定前在每個小區內安置測定基座(去除基座內的一切活體)。為了減少安置測定基座對土壤系統的破壞，在基座安置24 h 后再進行測定，避免由于安置基座對土壤擾動造成的短期呼吸速率波動。

1.3.2 玉米根際土壤微生物數量測定 在玉米收獲期按對角線取樣法選取植株，先去掉0～5 cm表土，輕輕抖落根系周圍土壤后，用毛刷輕輕刷下黏附在根表面的根際土壤。采集的土樣用無菌封口袋包扎密封，置于冰盒中帶回實驗室，保存在4℃冰箱內待測定。真菌、細菌和放線菌計數采用稀釋平板法[17]，菌落培養條件：真菌用馬丁氏培養基，放線菌用高氏1號培養基，細菌用牛肉膏蛋白胨培養基，在28℃條件下細菌和真菌培養3～4 d,放線菌培養3～5 d。

1.4 統計分析

采用SPSS 17.0與Excel進行方差分析和顯著性檢驗；方差分析多重比較采用Duncan法(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 覆蓋與種植模式對玉米土壤呼吸日變化的影響

土壤呼吸日變化因覆蓋與種植方式的不同呈現不同的變化趨勢。玉米單作時，不同處理土壤呼吸日變化趨勢均呈單峰曲線，但峰值出現的時間卻不同。普通膜、生物膜和裸露種植土壤呼吸速率峰值出現于14∶00，秸稈的土壤呼吸速率峰值出現于16∶00。玉米間作豌豆時，普通膜和生物膜土壤呼吸日變化呈雙峰曲線，秸稈和裸露種植呈單峰曲線，普通膜峰值出現于10∶00和16∶00，生物膜峰值出現于12∶00和16∶00，秸稈峰值出現于16∶00，裸露種植峰值出現于12∶00，普通膜、生物膜、秸稈和裸露種植日平均土壤呼吸速率分別為7.09、6.73、6.60和6.29 g/(m2·d)；玉米間作箭筈豌豆時，土壤呼吸日變化趨勢與玉米間作豌豆類似，但是峰值時間各不相同，普通膜、生物膜、秸稈和裸露種植日平均土壤呼吸速率分別為10.40、10.00、9.57和9.52 g/(m2·d)。就不同覆蓋方式的平均值而言，玉米間作豌豆土壤呼吸日變化微高于玉米間作箭筈豌豆，玉米間作箭筈豌豆明顯高于玉米單作，玉米單作、玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆日平均土壤呼吸速率分別為6.68，9.87和9.85 g/(m2·d)。覆蓋使大氣和土壤表面形成隔離層，及不同種植模式作物相互之間的遮蔽效應，兩者共同影響土壤水分和光熱的交換，進而影響土壤呼吸，使不同處理土壤溫度變化存在差異，從而使不同覆蓋與種植模式的日平均土壤呼吸率出現差異和土壤呼吸速率日變化峰值出現時間各不相同(圖1)。

圖1 覆蓋與種植模式下玉米土壤呼吸日變化Fig.1 Effect of film mulching and planting methods on variation of diurnal soil respiration

2.2 覆蓋與種植模式對玉米不同生育時期土壤呼吸速率的影響

玉米抽雄吐絲期土壤呼吸速率在玉米生育期為最高，拔節期次之，灌漿期和成熟期最低；玉米抽雄吐絲期(7月)氣溫最高，同時是玉米植物生長最旺盛的時段，也是植株根系、土壤微生物和有機質最活躍時段，使玉米抽雄吐絲期土壤呼吸速率處于玉米生育期最高；隨著玉米生育期的推移，氣溫逐漸下降，土壤呼吸速率也隨著減小。在同一種植模式下，不同覆蓋方式土壤呼吸速率的排列次序為普通膜>生物膜>裸露種植>秸稈，由于覆蓋能有效調節土壤溫度，從而使普通膜、生物膜土壤呼吸速率明顯高于裸露種植，裸露種植高于秸稈。玉米單作時，普通膜、生物膜、秸稈和裸露種植各生育時期平均土壤呼吸速率分別為4.50、4.09、3.61和3.81 g/(m2·d)，玉米間作豌豆時，普通膜、生物膜、秸稈和裸露種植各生育時期平均土壤呼吸速率分別為5.81、5.47、5.12和5.18 g/(m2·d)，玉米間作箭筈豌豆時，普通膜、生物膜、秸稈和裸露種植各生育時期平均土壤呼吸速率分別為5.44、5.17、4.62和4.77 g/(m2·d)。就各生育時期不同種植模式的平均值而言，土壤呼吸速率排列順序依次為玉米間作豌豆>玉米間作箭筈豌豆>玉米單作，玉米單作、玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆的土壤呼吸速率分別為4.00，5.40和5.00 g/(m2·d)。玉米和豆科作物間作，因根系分布的交錯，改變土壤微環境，提高土壤呼吸，使玉米單作的土壤呼吸速率明顯低于玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆(圖2)。

2.3 覆蓋與種植方式對玉米根際微生物數量的影響

不同覆蓋與種植方式玉米根際土壤微生物區系中細菌是優勢種群，放線菌次之，真菌最少(表1)。在同一種植模式下，根際土壤細菌數量由高到低依次為秸稈、生物膜、普通膜和裸露種植，根際土壤真菌數量由高到低依次為裸露種植、生物膜、普通膜和秸稈；根際土壤放線菌數量由高到低依次為裸露種植、生物膜、普通膜和秸稈，根際土壤微生物總數的變化規律與細菌一致，與裸露種植相比，普通膜、生物膜和秸稈根際土壤微生物總數分別提高了15.20%，73.30% 和131.98%。各不同種植模式的平均值，玉米單作土壤細菌、真菌和放線菌分別為1.95×106，5.20×103和4.11×105，玉米間作豌豆土壤細菌、真菌和放線菌分別為2.33×106，8.80×103和9.18×105，玉米間作箭筈豌豆土壤細菌、真菌和放線菌分別為3.23×106，11.6×103和11.25×105，根際土壤微生物數量由高到低依次為玉米間作箭筈豌豆、玉米間作豌豆和玉米單作。根際土壤微生物總數量，與玉米單作相比，玉米間作箭筈豌豆、玉米間作豌豆分別提高38.14%和84.75%。

圖2 覆蓋與種植模式下玉米不同生育時期土壤呼吸速率Fig.2 Effect of film mulching and planting methods on soil respiration of maize in different growth periods

種植模式覆蓋方式細菌數106真菌104放線菌105總數106單作玉米普通膜1.09c0.25b3.23b1.41c生物膜1.83b0.54b4.39ab2.28b秸稈2.92a0.22b6.68a3.59a裸露種植1.10c1.08a2.16b1.32c玉米間作豌豆普通膜1.94b0.74b7.55b2.70b生物膜2.41ab0.83b12.52a3.67ab秸稈2.67a0.49b14.56a4.13a裸露種植2.31ab1.47a2.10c2.53b玉米間作箭筈豌豆普通膜2.38bc0.65b5.18b2.90b生物膜3.36b1.41a10.84a4.46a秸稈4.58a0.82b11.66a5.75a裸露種植1.74c1.77a4.37b2.20b平均值單作玉米1.95a0.52a4.11a2.36a玉米間作豌豆2.33a0.88a9.18a3.26a玉米間作箭筈豌豆3.23a1.16a11.25a4.36a

注：根據Duncan多重比較,同一種植模式同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05 )

2.4 玉米根際微生物數量與土壤呼吸速率相關分析

土壤呼吸與玉米根際微生物數量呈正相關關系，但是相關性不顯著，說明土壤呼吸受根際微生物數量的影響，但是根際微生物數量不是影響土壤呼吸的主要因子；微生物總數與細菌、真菌和放線菌呈正相關關系，且細菌和放線菌是相關性極顯著，說明細菌和放線菌對根際微生物總數的貢獻量最大；細菌與放線菌呈極顯著正相關，即細菌與放線菌存在促進作用；細菌與放線菌成負相關關系，但不顯著，即細菌與放線菌之間存在間接影響(表2)。

表2 玉米根際微生物數量與土壤呼吸相關系數Table 2 Relationship between rhizosphere microbe population and soil respiration

注：*和**分別表示5%和1%水平差異顯著

3 討論

間作和覆蓋對土壤呼吸和根際微生物數量的影響效果因土壤類型、間作作物種類和覆蓋材料的不同而不同。孟平等[18]研究表明，石榴間作綠豆系統和單作系統在整個觀測時期內的平均土壤呼吸速率分別為2.99和2.38 g/(m2·d)；覃瀟敏等[19]研究表明，馬鈴薯間作玉米改變了根際微生物群落結構組成,提高根際微生物群落功能多樣性。試驗發現，與玉米單作相比，玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆的全生育期平均土壤呼吸速率分別提高35%和25%，根際土壤微生物總數提高38.14%和84.75%；經相關分析發現，土壤呼吸與玉米根際微生物數量呈不顯著正相關關系，即土壤呼吸受根際微生物數量的影響，但根際微生物數量不是影響土壤呼吸的主要因子。

孫小花等[20]研究發現，覆蓋措施較傳統耕作能不同程度地降低土壤呼吸，其中免耕秸稈覆蓋優勢最明顯。張桂玲[21]研究發現，生草和秸稈覆蓋均能顯著提高桃園根際土壤的氨化細菌、真菌和放線菌數量，其中白三葉草和紫花苜蓿覆蓋的土壤氨化細菌和真菌數量的平均升幅均較高。研究表明，河西綠洲灌區土壤呼吸日變化曲線因覆蓋與種植模式而異，峰值出現時間也各不相同；玉米全生育時期土壤呼吸速率為抽雄吐絲期>拔節期>灌漿期>成熟期；同一種植模式下，與裸露種植相比，普通膜、生物膜和秸稈的全生育期平均土壤呼吸速率分別提高12.16%，5.60%和-1.16%，根際土壤微生物總數分別提高15.20%，73.30% 和131.98%。

綜上所述，秸稈覆蓋既降低土壤呼吸速率，也提高根際微生物總數；間作均提高土壤呼吸速率和根際微生物總數。

4 結論

河西綠洲灌區土壤呼吸日變化曲線因覆蓋與種植模式而異，峰值出現時間也各不相同；玉米不同生育時期土壤呼吸速率為抽雄吐絲期>拔節期>灌漿期>成熟期；同一種植模式下，與裸露種植相比，普通膜、生物膜和秸稈的全生育期平均土壤呼吸速率分別提高了12.16%，5.60%和-1.16%，根際土壤微生物總數分別提高15.20%，73.30% 和131.98%。就不同種植模式而言，與玉米單作相比，玉米間作豌豆和玉米間作箭筈豌豆的全生育期平均土壤呼吸速率分別提高35%和25%，根際土壤微生物總數提高38.14%和84.75%；經相關分析發現，土壤呼吸與玉米根際微生物數量呈不顯著正相關關系，即土壤呼吸受根際微生物數量的影響，但根際微生物數量不是影響土壤呼吸的主要因子。綜上所述，秸稈覆蓋既降低土壤呼吸速率，也提高根際微生物總數；間作均提高土壤呼吸速率和根際微生物總數，為該區域農業生產提供理論依據。

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Effects of mulching and planting methods on soil respiration rate and rhizosphere microbes of maize

LI Qiang1,WANG Qi1,ZHANG En-he2,LIU Qing-lin2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China；2.CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

The effects of film mulching(common plastic film,biodegradable film,straw film and CK) and planting methods(monoculture maize,maize/common vetch intercropping and maize/hairy vetch intercropping) on soil respiration rate and rhizosphere microbes were studied.The result indicated that the diurnal variation of soil respiration rate and peak value varied with film mulching and planting methods.The order of average soil respiration rate in maize growth periods was common plastic film mulching,biodegradable film mulching,no film mulching and straw film mulching with the same planting method,while the order of average rhizosphere microbe population was straw film mulching,biodegradable film mulching,common plastic film mulching and no film mulching.Compared with monoculture,the soil respiration rates in maize/pea and maize/common vetch were increased by 35% and 25% respectively.While the total rhizosphere microbe populations were increased by 38.14% and 84.75 % respectively.Correlation analysis showed that the soil respiration rate was positively correlated with rhizosphere microbe population(not significantly),which suggested that the rhizosphere microorganisms affected soil respiration rate,but it was not a main factor.It could be concluded that the straw film mulching decreased the soil respiration rate but increased the rhizosphere microbe.And the intercropping increased the soil respiration rate and rhizosphere microbial populations at different degrees.

mulching;planting method;soil respiration rate;rhizosphere microbe

2016-03-14；

2016-04-11

國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B10)；國家牧草產業技術體系項目(CARS-35)資助

李強(1990- )，男，甘肅隴西人，在讀碩士。

E-mail：992956250@qq.com

S 154

A

1009-5500(2016)05-0046-06

張恩和為通訊作者。