不同耕作措施對黃土高原區域大豆根際土壤微生物量、酶活性和養分的影響

林 玥, 郝嘉琪,王維鈺,馮永忠

(1.西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100;2.陜西省循環農業工程技術研究中心，陜西楊凌 712100)

土壤微生物是土壤生命活體的主要組成部分，參與了土壤發生發育的全過程，并為植物提供可利用的養分[1]。土壤微生物量廣義上的定義是體積小于5×103μm3的土壤中總生物量[2]，包括細菌、真菌、放線菌和一些小型動物等等。土壤微生物量促使土壤有機質和營養養分兩者的轉變和循環[3]，參與土壤中有機質的分解和腐殖質的形成。土壤微生物量碳、氮也被大量研究者作為體現土壤微生物活性和土壤肥力狀況的一個重要指標[4]。土壤酶主要來源于微生物、動植物殘體及其代謝過程中產生的分泌物[5]，在土壤生態系統中發揮著積極的作用，在土壤營養物質轉化、有機質分解等過程中扮演重要的角色[6]。

根系是農田生態系統重要及地下組成部分，具有吸收、合成和儲存養分及有機物的功能，是作物與土壤的動態界面[7]。根際微生物在土壤生態系統中物質循環和能量流動起重要作用，在參與養分循環的同時，也影響著土壤有機質的轉化[8-9]。同時，根際土壤酶的活性及種類同樣決定土壤養分的利用情況，從而關系到作物對養分的吸收與利用[10]，由于根際土壤微生物及酶的作用所產生的根際效應使根際土壤養分狀況發生變化[11-12]，有研究顯示，植物根際對土壤養分具有“截留效應”，這種效應在土壤養分含量較貧瘠的區域內尤為明顯[13]。有研究指出不同農田管理措施能夠影響土壤根際和非根際區域的微環境，進而影響土壤養分狀況、土壤微生物及酶活性。昌龍然等[14]的研究發現壟作免耕的方式可以顯著增加根際土壤有機碳和顆粒有機碳的含量，有利于土壤有機碳組分的穩定；宋霄軍等[15]研究表明長期深松處理能夠有效增加根際土壤的有機碳和全氮含量，提高根際土壤的β-葡糖苷酶、β-纖維二糖苷酶等活性；也有研究者指出保護性耕作能夠提高根際土壤真菌、細菌及放線菌的數量，并促進根際土壤磷酸酶及多酚氧化酶的活性[16]?？傮w而言，研究不同農田管理措施對根際土壤養分循環、微生物特性及酶活性的影響，有利于進一步探究土壤養分，尤其是土壤碳氮與土壤微生物及酶活性的相互關系，對于闡述農田生態系統功能對農田管理措施的響應具有重要的意義。

黃土高原是世界最大的黃土沉積區，位于中國西北部地區，該地區是中國重要的農業區之一，一直以來人們對資源的長期不合理利用以及傳統耕作技術的使用，使該區表層土壤結構疏松，嚴重制約了黃土高原旱區農業持續發展[17]，采用合理的耕作措施，對于促進坡耕地的農業長遠發展有重要意義。近年來，對該區域內土壤養分、微生物特性及酶活性影響的研究逐漸受到重視，但有關土壤微生物及養分特征的研究多集中在不同植被類型下[18-19]，保護性耕作對根際土壤養分及生物學特性的研究尚不多見。本研究以傳統耕作為對照，選取免耕、秸稈覆蓋、地膜覆蓋和起壟覆膜4種保護性耕作措施，通過分析長期的保護性耕作之后的根際和非根際土壤微生物量、酶活性以及土壤養分的變化趨勢，探討不同微域土壤對保護性耕作模式的響應，為黃土丘陵溝壑區運用合理的耕作方式，選擇和評價保護性耕作措施，改善土壤環境和提高土壤養分效率提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選擇中國科學院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環境試驗站作為試驗地，試驗站地處于陜西省神木縣六道溝小流域(110°21′～110°23′E, 38°46′～48°51′N)。該流域地處黃土高原與鄂爾多斯高原的結合部，呈現片沙覆蓋的黃土丘陵地貌，是晉陜蒙水蝕風蝕交錯帶強烈侵蝕中心，是非常典型的生態脆弱區。該流域面積為6.9 km2，屬于中溫帶半干旱氣候，年平均氣溫為8.4 ℃，無霜期為169 d，歷史平均降雨量為437.9 mm，平均干燥度為1.8，降雨多發生在每年夏季，其中6至9月降雨量占全年降雨量的77%以上，且多以暴雨形式出現。試驗期間當地氣候條件見圖1。

圖1 試驗區氣溫與降雨量變化Fig.1 Monthly changes of air temperature and precipitation in research area

1.2 試驗設計

本試驗屬長期定位試驗，始于2008年5月初，在試驗開始前，當地農民在該地塊內種植土豆，坡度為12.5°(春季至秋季為農用地，冬閑期間為撂荒地)。該地2008年試驗初始耕層土壤的基本性狀如下：有機碳3.73 g·kg-1，全氮0.50 g·kg-1，全磷0.44 g·kg-1，全鉀6.70 g·kg-1，堿解氮10.56 mg·kg-1，速效磷3.10 mg·kg-1，速效鉀62.90 mg·kg-1。

采用隨機區組設計，設置傳統耕作(CT)、免耕(NT)、秸稈覆蓋(SM)、地膜覆蓋(PM)、起壟地膜覆蓋(RPM)共5個處理(表1)。每種處理各設4個重復小區，小區面積1.5 m×15 m。供試大豆品種為‘晉豆21’，播種期為每年4月中旬(本研究為2018-04-18播種)，大豆行距 20 cm，均勻撒播，生長過程中均不施用農藥和化肥，其余田間管理措施均依照當地常規田間管理。5個處理均在同日播種，地膜覆蓋和秸稈覆蓋也在播種當日完成[20]。

表1 試驗處理Table 1 The description of treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土樣采集 2017年7月采集根際與非根際土壤。采集時采用S形取樣法在各處理試驗小區內選取植株，挖取有完整根系的土體，采用抖落法收集根際土，輕輕抖動植株，落下不含根系的土壤視為非根際土，然后用軟毛刷將根表面附著的不易抖落的土壤收集至樣品袋中作根際土。將各小區的土壤樣品混合均勻后放入保溫箱，帶回實驗室過2 mm篩：部分土樣保存于4 ℃冰箱, 用于測定土壤微生物生物量、硝態氮、銨態氮和土壤酶活性；另一部分室溫風干后研磨，過0.15 mm 篩，用于測定土壤全量養分。

1.3.3 數據分析 采用SPSS 22.0軟件對所得數據進行ANOVA方差分析、多重比較(Duncan’s)和相關性分析，用Origin 9.3作圖。

2 結果與分析

2.1 不同耕作處理土壤微生物量碳氮質量分數的差異

分析發現，各耕作處理方式下的土壤根際的微生物量碳、氮質量分數全部高于非根際土壤。從圖2看出，與傳統耕作(CT)相比，其他處理根際的土壤微生物碳質量分數顯著提高(P<0.05),其中，起壟覆膜(RPM)和秸稈覆蓋(SM)根際的土壤微生物碳質量分數分別提高了51.78%和24.62%，非根際土壤中4種保護性耕作處理的微生物碳質量分數均高于CT，體現為：RPM>NT>PM>SM>CT，除RPM之外各處理差異不明顯。比較各耕作處理，RPM的根際、非根際微生物碳質量分數總體高于其他各處理，呈現出良好的根際富集作用，富集率為17.5%。從各處理土壤微生物氮質量分數分布來看：與傳統耕作(CT)相比，RPM和SM處理的根際土壤微生物量氮質量分數顯著增加(P<0.05)，其中RPM處理和SM處理的富集率分別達到48.13%和46.04%。非根際土壤微生物量氮質量分數與根際的趨勢相似，表現為RPM>SM>PM>NT>CT。

2.2 不同耕作處理土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性的差異

由圖3可知，不同耕作措施下土壤酶活性存在一定差異，各處理根際土壤中保護性耕作農田的3種主要酶活性均高于非根際土壤。對于根際土壤而言，保護性耕作處理NT、SM、RPM較CT處理均顯著增強了過氧化氫酶和蔗糖酶活性(P<0.05)，其中SM、RPM、NT的過氧化氫酶活性分別提高了10.63%、8.62%、8.08%，蔗糖酶活性分別提高了113.35%、113.10%、74.75%。對于非根際土而言，SM、RPM、NT、PM較CT處理均顯著增強了過氧化氫酶活性，增幅分別為9.70%、6.79%、6.61%和5.09%；然而，僅RPM處理顯著增強了非根際土蔗糖酶活性，其余處理間差異均不顯著；與此同時，不同處理間根際土和非根際土的脲酶活性差異均不大。

圖柱上不同大寫字母表示不同處理間非根際土差異顯著性(P<0.05)；不同小寫字母表示不同處理間根際土差異顯著性(P<0.05)，下同

Different capital letters mean the significant difference between different treatments in non-rhizosphere soil; different lowercase letters mean the significant difference between different treatments in rhizosphere soil, respectively.The significant levels is 0.05,the same below

圖2不同耕作處理根際和非根際土壤微生物量碳、氮質量分數
Fig.2Massfractionsofsoilmicrobialcarbonandnitrogenbiomassinrhizosphereandnon-rhizospheresoilunderdifferenttillagetreatments

圖3 不同耕作處理根際和非根際土壤酶活性比較Fig.3 Soil enzyme activity in the rhizosphere and non-rhizosphere soils under different tillage treatments

2.3 不同耕作措施對土壤碳氮質量分數和pH的影響

由表2和表3可以看出，根際土壤的全氮、銨態氮、硝態氮和有機碳質量分數均高于非根際土壤，且各處理根際土壤對養分截存效應明顯。而pH則表現為根際土壤低于非根際土壤。通過比較不同耕作處理下土壤全氮質量分數的差異得出，RPM和SM處理不同微域的土壤全氮質量分數均顯著高于傳統耕作(P<0.05)，且各處理的根際土壤對土壤全氮質量分數均有一定的富集效果，其中以RPM處理最高，富集率為16.9%，PM處理最小，為5.52%。在根際微生境中土壤銨態氮質量分數表現為SM>RPM>NT>PM>CT，其中SM和RPM處理的質量分數均顯著高于CT處理，為5.54 mg·kg-1和4.75 mg·kg-1，SM處理的富集程度同樣為處理間最大，較CT組提高22.71%，同時，RPM和SM這2種處理方式都顯著提高了非根際土壤中的銨態氮質量分數，較CT處理分別提高1.27 mg·kg-1和1.21 mg·kg-1。而硝態氮質量分數在根際土壤中表現為：RPM>SM>NT>PM>CT，其中RPM和SM處理與CT處理間差異均顯著，非根際土壤有相似的趨勢，硝態氮水平高低依次為RPM>SM>PM>NT>CT。RPM處理的有機碳質量分數在不同微域的土壤中均為最高，顯著高于CT處理，分別高出24.87%(根際)、29.94% (非根際)，其次為SM處理，其有機碳質量分數同樣顯著高于CT處理。pH方面，NT、SM、RPM處理均顯著降低根際土壤pH，與此同時，僅RPM處理顯著降低了非根際土的pH。總體來說，與NT和PM處理相比，RPM和SM處理對于根際和非根際土壤養分質量分數的提高和土壤肥力的增強均有更明顯的效果，并且降低了土壤pH。

表2 不同耕作處理下根際與非根際土壤的養分質量分數與Table 2 Mass fraction of nutrient and pH in rhizosphere and non-rhizosphere soils under different tillage treatments

表3 不同耕作處理下土壤養分的富集率Table 3 Enrichment rate of soil nutrient under different tillage treatments %

2.4 根際和非根際土壤養分、微生物量及酶活性間的相關性

3 討 論

3.1 不同耕作措施對土壤根際微生物量的影響

土壤微生物生物量一般被看成是土壤活性有機物的一部分，作為土壤養分循環與周轉的中間物質，盡管其僅占土壤有機質的很小一部分，但起的作用很大，在營養物質的轉化和供應等過程中扮演重要的角色[22]。土壤微生物量碳(MBC)和土壤微生物量氮(MBN)不僅是土壤微生物量的重要表征，同時也是有機碳靈敏指示因子和氮素礦化的重要組分[23]。前人的研究表明，根際土壤受到根系的影響較大，由于根系代謝所分泌的碳水化合物是根際微生物的主要碳源和能量來源，使根際微區中的土壤獲得了充足的有機物質和營養物質，進而使根際土壤的微生物量增大[24]。本研究表明，不同耕作方式下根際土壤的MBC和MBN均比非根際高，體現出明顯的根際正效應，與前人的研究結果基本一致[25-26]。在本研究中，由于大豆生育期內未施用化肥，根際微生物活動所需的能量主要來源于作物根系代謝活動所釋放的低分子量有機物和土壤中的養分[26-27]，CT處理中根系代謝能力較弱，所釋放的有機物質有限，除此之外根系自身的生長同樣需要土壤中的養分，致使根際微生物數量降低，根際土壤MBC和MBN也均處于較低的水平。相反，RPM和SM處理的根際微生物量顯著性增高。這是因為秸稈在土壤腐解過程中釋放有機質及其他營養物質，為土壤中微生物生長和繁殖給予了適宜的條件，刺激了微生物的生長，同時，秸稈覆蓋下的表層土壤由于積累了大量來源于秸稈的有機質，能與外界進行物質和能量交換，為微生物提供了大量的碳源和能量，促進了土壤中微生物旺盛的活動[28-29]。起壟覆膜的微生物量遠高于覆膜處理的原因可能為在水土流失更易發生的坡耕地，起壟覆膜阻隔了土壤和大氣之間的交換，減少了熱量和水分的散失[30]。充足的水分是影響微生物生長必須的環境條件之一，而起壟覆膜具有良好的蓄水保墑的效果，促進了微生物的生長活動，進而提高了土壤微生物量。

表4 根際與非根際土壤養分、微生物量和酶活性的相關性分析Table 4 Correlation analysis between soil nutrients, microbial biomass and enzymeactivities in rhizosphere and non-rhizosphere soils

注：“**”表示在0.01水平顯著相關，“*”表示在0.05水平顯著相關。右上方為根際土壤養分和酶活性間的相互關系，左下方為非根際土壤養分和酶活性間相互關系。

Note:“**” indicates a significant difference at 0.01 level;“*” indicates a significant difference at 0.05 level, respectively. The top-right of table showed the correlation analysis between soil nutrients with enzymes ability in rhizosphere soil, and bottom-left of table showed the correlation analysis between soil nutrients with enzymes ability in non-rhizosphere soils, respectively.

3.2 不同耕作措施對根際土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于土壤微生物的活動[31]，參與土壤肥力的形成和演化過程，是土壤中具有生物活性的蛋白質。土壤酶活性顯著受到水分、溫度等的影響。前人的研究結果已經表明，土壤酶活性的根際分布特征均表現為以植物根系為中心，向四周逐漸減小的變化規律，表現出根際土壤酶活性比非根際土壤更強的趨勢[32-33]。在本研究中，與非根際土壤相比，各處理根際土壤的脲酶、蔗糖酶及過氧化氫酶的活性均有所增強，這是由于根系分泌了大量有機物，這些分泌物有效促進了微生物的活動，使得根際微域中有更多更豐富的微生物存在，從而促進了根際土壤更頻繁的物質交換活動[34]。

通過分析不同處理間根際土壤土壤酶活性可知，RPM和SM處理顯著增強了根際土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性，該結果與前人的研究基本一致[35-36]。相比常規耕作措施，秸稈還田和起壟覆膜具有較強的蓄水保墑能力，間接調控了土壤的酶活性，適宜的土壤水熱條件提高了土壤微生物的代謝產酶能力，并最終引起土壤酶活性的提高[37-38]。此外，由于秸稈還田后，為微生物供應額外的能源，提高了土壤微生物生物數量和微生物生物量的碳氮質量分數，同時也刺激了更多的包括土壤酶在內的一些分泌物的產生，從而大大提高了土壤酶的活性[39]。

3.3 不同耕作措施對土壤理化特性及其相關性的影響

前人對于秸稈還田、免耕、起壟覆膜等保護性耕作措施改良土壤理化性質，調節土壤水、肥、氣、熱之間關系等方面已經開展了大量的研究[40-41]，本研究同樣表明，秸稈還田和起壟覆膜處理顯著提高了土壤根際及非根際土壤碳氮質量分數，并降低了土壤pH。

本研究發現，不同耕作處理下的植物根際土壤的全氮、銨態氮、硝態氮和有機碳質量分數的富集水平有所區別。由于試驗地處于水土資源和土地生產力破壞和損失較大的區域，土壤養分的質量分數較低，通過長期的保護性耕作措施，植物的根際效應更為明顯。這主要是因為在條件比較惡劣的環境下，植物需要吸收土壤中更多的養分以維持自身的正常生長[42]。銨態氮和硝態氮作為土壤無機態氮的重要組成部分，是作物能夠吸收利用的有效態氮。本研究認為，保護性耕作加速了土壤氮素礦化，尤其在根際范圍內，使得硝態氮的質量分數均有升高且根際的升高更加明顯，說明根際土壤能夠富集一定量的無機氮素，這與多數研究結果一致[42-43]。此外，本研究中不同耕作處理根際土壤的有效養分(硝態氮、銨態氮)的變化幅度高于全量養分，說明在土壤養分循環的過程中，有效態養分較全量養分對于根際的變化有著更加敏感的響應。

土壤微生物和酶共同影響土壤的相關物質轉化和能量流動，是一個評估土壤肥力的重要相關性指標[44]。很多研究認為土壤養分質量分數和酶活性以及微生物量之間普遍存在顯著相關性[45-46]。在本研究中，根際土壤中微生物量、酶活性以及養分指標間的相關性程度均高于非根際，這與劉釗等[47]在黃土高原區域內研究結果基本一致。本研究中根際土壤MBC與SOC間、TN與MBN間均存在顯著相關性，與前人研究結果相近[48]。而根際土壤過氧化氫酶與土壤氮素之間、蔗糖酶與土壤SOC間同樣存在顯著的相關性，說明土壤酶活性與土壤養分以及微生物量之間存在可能的專性作用[49-50]。

4 結 論

在研究周期內，大豆根際土壤、微生物生物量、養分質量分數以及酶活性均高于非根際，存在良好的根際正效應，且不同保護性耕作措施提高了大豆根際土壤對碳氮質量分數的富集率，更有有利于大豆地下部生長及養分吸收利用。同時，相比非根際土壤，根際土壤中酶活性、微生物量以及土壤養分具有顯著的相關性，說明微生物量碳氮、過氧化氫酶及蔗糖酶對于該試驗區域的土壤養分具有較好的指示作用。此外，長期保護性耕作措施能夠提高土壤根際和非根際微生物量碳氮及酶活性，酸化土壤，促進土壤養分，其中以秸稈還田和起壟覆膜的效果最為明顯。總體而言，在黃土高原區域內，秸稈還田和起壟覆膜更有利于改良土壤理化性質和提高土壤生物學特性。