農業利用對毛烏素沙地土壤碳氮含量及微生物量的影響

薛英龍，李春越*，王益，苗雨，常順

（1.陜西師范大學地理科學與旅游學院，西安710119；2.中國科學院地球環境研究所，西安710061）

隨著城鎮化與工業化的發展，我國面臨著農業土地生產力不足、可耕作土地日益減少等問題，糧食需求增長和耕地資源匱乏已成為制約現代農業發展的主要影響因素[1]。近年來，為緩解干旱半干旱地區的經濟發展和人口壓力，促進荒漠區水土資源的大規模開發利用，使得人工綠洲不斷向外圍的荒漠區域擴大[2]，導致大面積的沙地、戈壁向綠洲農田轉變，但由于現有農田開墾年限的延長，以及不合理的土地利用等農田管理措施引發的土壤酸化、板結和肥力下降等問題也日趨嚴重[3]。

合理的農業利用方式能夠增強土壤對外界環境變化的抵抗力、改善土壤結構和土壤肥力[4]，滿足多種作物不同的生長需求。不合理的農業利用方式會導致土壤養分流失和生產力下降[5]、加重土壤侵蝕、降低微生物群落的多樣性和豐富度[6]。自20 世紀50年代開始，我國干旱半干旱地區經歷了持久的沙地農田土地開發[7-8]，并已取得較好的成績[9]。劉任濤等[10]對科爾沁沙地研究后發現，對水澆農田實行保護性耕作和精細管理，有利于沙地土壤環境改善與生態系統恢復。周曉兵等[11]研究表明，塔克拉瑪干荒漠綠洲過渡帶植物普遍缺少氮素，而土地利用在一定程度上緩解了這種氮素匱乏。蘇永中等[9]研究表明，荒漠沙地開墾為農田后，隨著開墾年限的增加，雖然顯著改善了土壤肥力，但該區域土壤肥力仍處于較低水平。

毛烏素沙地處于我國北方的半干旱地區，是以畜牧業為主的草地、林業、農業組成的復合型生態系統地區，地表水資源匱乏、植被覆蓋率低、易受人為活動干擾及土壤風蝕退化嚴重等直接導致毛烏素沙地生態環境脆弱[12]。國內外大量學者基于不同試驗區域研究了農業利用方式對沙地農田土壤質量的影響[13-14]，表明若有合理的土地利用方式，并且選用適宜的耕作管理措施，則可通過增加土壤碳氮儲量而影響該區域生境質量；反之，土地過度利用則會降低土壤質量，從而導致土地生產力下降。目前關于毛烏素沙地土地利用和管理措施對土壤質量的影響已經進行了初步探索，但就不同農業利用類型及其方式變化對土壤質量和微生物特性影響的研究報道較少。由于毛烏素沙地土壤風蝕嚴重、生態環境脆弱，而植被變化、土地利用方式改變是土壤質量變化的重要驅動力。因此，本文以毛烏素治沙造林基地中明沙樣地為對照，選取不同農業利用類型和方式的傳統農業（小麥、水稻、旱稻）、設施農業（黑莓、藍靛果花楸、葡萄）、集約化農業（馬鈴薯）為試驗樣地，在系統分析沙地農業利用類型和方式對土壤碳、氮含量和微生物生物量影響的基礎上，運用冗余分析和相關性分析研究了土壤各理化因子和微生物生物量的相關性，研究有助于深入理解毛烏素沙地土壤養分與環境因子間的作用機制，以期為綠洲農田選用合理的農業利用類型和方式提供理論依據，也為維護沙地土壤質量和農業生態系統提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

采樣點位于毛烏素沙地東南緣陜西省神木市圪丑溝流域的毛烏素生態試驗站（38°10′ ～39°05′ N，109°40′～110°30′E），基地總面積約700 km2，位于毛烏素沙漠深處的禿尾河源頭。該區土壤類型以風沙土為主，土質疏松瘠薄、抗風蝕性能差，春季干旱，易出現大風和寒潮。屬干旱半干旱大陸氣候，多年平均降水量440.8 mm，平均蒸發量2 092 mm，為降水量的4.7 倍。年平均氣溫7.8 ℃，最高月（7 月）平均氣溫23.9 ℃，最低月（1 月）平均氣溫-9.8 ℃。區內風沙天氣頻繁，春、秋兩季西北風盛行，平均風速2.4 m·s-1，最大風速19 m·s-1。

毛烏素沙地經大面積開發利用后形成了草地、林地和農田的鑲嵌景觀，本試驗選取了該區域農業生態系統中比較典型的傳統農業、設施農業、集約化農業利用類型進行分析，不同農業利用類型下不同農業利用方式主要為：馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、小麥（Triticum aestivumL.）、水稻（Oryza sativaL.）、旱稻（Upland rice）、黑莓（Graptopetalum blackberry）、藍靛果花楸（Lonicera caeruleaL. var. edulis Turcz. ex Herd.）、葡萄（Vitis viniferaL.），共7 種開墾年限為15 a 的代表性農業作物，代表了毛烏素沙地典型的自然條件相同而農業利用類型和方式不同的土地類型。

1.2 樣品采集

試驗樣品采集于2017年7月，本研究以自然沙地為對照（CK），選取小麥（TA）、水稻（OS）、旱稻（UR）、黑莓（GB）、藍靛果花楸（LC）、葡萄（VV）、馬鈴薯（ST），共8 種目標樣地的土壤樣品（表1）。傳統農業種植區按當地農事習慣施肥和灌溉，設施農業和集約化農業種植區采用統一管理。各樣地土壤類型均為沙地土壤，每種樣地內隨機選取3 個10 m×10 m 的小區，在小區內選擇五點采樣法采樣，使用土鉆采集0～20 cm 處土壤。將所采集土壤樣品密封標記后，及時帶回實驗室進行處理。剔除土壤中動物殘體、碎小石子、植物枯枝、雜草及其余雜質，土壤過2 mm 篩后，取出約1/3 土壤進行風干處理，用于測定土壤理化指標；剩余土樣置于含去離子超純水和0.1 mol·L-1NaOH 溶液的4 ℃黑暗密閉圓形容器平衡一周，然后低溫保存用于微生物生物量和呼吸測定。

1.3 研究方法

土壤全碳采用TOC儀灼燒測定；土壤有機碳采用鹽酸消解后TOC儀灼燒測定；土壤全氮采用全自動凱氏定氮儀測定；土壤銨態氮和硝態氮采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提-流動分析儀測定；土壤呼吸采用堿液吸收滴定法測定；28 d礦化氮采用生物培養法測定[15]。

微生物生物量碳、氮測定：稱取3 份相當于風干土壤質量為20 g的新鮮土壤于小燒杯中，將土樣與盛有50 mL 無酒精氯仿的燒杯共同放入真空干燥箱，抽真空至氯仿持續沸騰后關緊閥門，25 ℃下培養24 h后取出氯仿，再次反復抽真空至完全去除土壤中殘余氯仿，加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液50 mL，25 ℃下充分振蕩30 min；另外稱取3份土壤直接加入50 mL K2SO4溶液浸提測定。

式中：2.64和0.54分別為氯仿熏蒸殺死的微生物體的碳、氮被K2SO4浸提出來的比例；Ec 為熏蒸與未熏蒸浸提液中碳質量分數的差值[16]。

表1 研究區試驗設置Table 1 Experimental setup of research area

1.4 數據處理

試驗數據為3 次重復的平均值±標準差，采用Origin 8.0繪圖。采用Excel 2010進行數據處理，SPSS 10.0 軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan 法進行多重比較。采用Canoco 5 軟件進行冗余分析（RDA），開源軟件R 3.6.3進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同農業利用類型和方式對土壤微生物生物量碳、氮的影響

毛烏素沙地不同農業利用方式土壤微生物生物量碳含量在7.70～49.74 mg·kg-1之間（圖1A）。不同農業利用方式下，小麥地、黑莓地、藍靛果花楸地和葡萄地土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK，分別為CK的1.41、3.42、2.65、3.24 倍；而水稻地和旱稻地土壤微生物生物量碳含量顯著低于CK，分別僅為CK 的68%和53%；馬鈴薯地土壤微生物生物量碳含量與CK 無顯著差異。其中，設施農業利用類型土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK和其余農業利用類型。毛烏素沙地同一農業利用類型、不同利用方式之間土壤微生物生物量氮差異顯著（圖1B），傳統農業中水稻地土壤微生物生物量氮含量分別為小麥地、旱稻地的1.86、3.74 倍，設施農業中黑莓地土壤微生物生物量氮含量分別為藍靛果花楸地、葡萄地的1.71、1.32 倍；在不同農業利用方式下，水稻地、黑莓地、馬鈴薯地土壤微生物生物量氮含量均顯著高于CK，而旱稻地顯著低于CK；同時，集約化農業利用類型土壤微生物生物量氮含量顯著高于CK和其余農業利用類型。研究表明不同農業利用類型對土壤微生物生物量碳、氮含量具有顯著差異，其主要原因為研究區不同農業利用類型及其利用方式間土壤營養元素、水分和溫度差異較大，土壤微生物生長所需生境不能得到全部滿足，進而造成不同農業利用類型、不同樣地間土壤微生物的含量差異較大。

圖1 農業利用對土壤微生物生物量碳、氮的影響Figure 1 Effects of agricultural utilization on soil microbial biomass C and N

2.2 不同農業利用類型和方式對土壤全碳、有機碳的影響

毛烏素沙地不同農業利用方式土壤全碳含量均顯著高于CK（圖2A）。傳統農業中小麥地土壤全碳含量（8.00 g·kg-1）顯著高于水稻地（2.79 g·kg-1）和旱稻地（2.69 g·kg-1），且水稻地與旱稻地之間無顯著差異；設施農業中黑莓地（10.01 g·kg-1）和藍靛果花楸地（10.25 g·kg-1）土壤全碳含量間無顯著差異，但均顯著高于葡萄地（6.08 g·kg-1）；集約化農業中馬鈴薯地土壤全碳含量（2.40 g·kg-1）較水稻地、旱稻地無顯著差異。在不同農業利用類型下，除傳統農業中小麥地外，設施農業利用類型土壤全碳含量顯著高于其余農業利用類型，說明土壤全碳含量受凋落物累積與分解程度、地表植被覆蓋度和人為干擾程度等因素的影響較大。

不同農業利用方式土壤有機碳含量變化范圍為0.95～4.70 g·kg-1（圖2B）。黑莓地、藍靛果花楸地、葡萄地土壤有機碳含量均顯著高于CK（1.06 g·kg-1），分別為CK的4.43、3.35、3.67倍，而其余農業利用方式土壤有機碳含量較CK均無顯著差異。在不同農業利用類型下，傳統農業和集約化農業利用類型間土壤有機碳含量無顯著差異，設施農業利用類型土壤有機碳含量顯著高于CK和其余農業利用類型。這與設施農業利用類型下各樣地含有豐富的凋落物，而其余農業利用類型地表草根枯落物基本被全部移走，且農田耕作相對頻繁，進而導致沙地農田有機碳分解較快有關。

2.3 不同農業利用類型和方式對土壤全氮、銨態氮、硝態氮的影響

不同農業利用方式土壤全氮含量均顯著高于CK，且各農業利用類型間土壤全氮差異較大（圖3A）。在不同農業利用類型下，設施農業利用類型土壤全氮含量最高，黑莓地、藍靛果花楸地、葡萄地分別為CK的14.99、8.31、7.11倍；集約化農業有所下降，馬鈴薯地土壤全氮含量是CK 的3.51 倍；傳統農業土壤全氮含量最低，小麥地、水稻地、旱稻地分別僅為CK的2.44、2.48、2.28倍。說明農業耕作措施影響土壤全氮含量。耕作過的土壤（傳統農業、集約化農業）由于地表枯落物較少，致使其土壤全氮含量均顯著低于未耕作過的土壤（設施農業）。

圖2 農業利用對土壤全碳、有機碳的影響Figure 2 Effects of agricultural utilization on soil TC and OC

同一農業利用類型、不同農業利用方式間土壤銨態氮含量具有顯著差異（圖3B）。在不同農業利用方式下，除水稻地和藍靛果花楸地外，其他農業利用方式土壤銨態氮含量較CK 均有所降低；其中，小麥地、旱稻地、黑莓地、葡萄地、馬鈴薯地土壤銨態氮含量分別為CK 的44%、57%、76%、91%、59%。不同農業利用方式土壤硝態氮含量均高于銨態氮含量（圖3C）。在不同農業利用方式下，水稻地、黑莓地、藍靛果花楸地、葡萄地、馬鈴薯地土壤硝態氮含量顯著高于CK和其余農業利用方式，而小麥地、旱稻地土壤硝態氮含量顯著低于CK，且馬鈴薯地土壤硝態氮含量顯著高于其余農業利用方式。其中，設施農業和集約化農業土壤硝態氮含量均顯著高于CK 和傳統農業利用類型。說明馬鈴薯地土壤硝態氮累積較多，這主要是由于集約化農業和常規種植模式在灌溉和施肥體系上存在差異，以及馬鈴薯根系微生物聯合作用的結果。

圖3 農業利用對土壤全氮、銨態氮和硝態氮的影響Figure 3 Effects of agricultural utilization on soil TN，NH+4-N and NO-3-N

2.4 不同農業利用類型和方式對土壤呼吸和礦化氮的影響

在不同農業利用方式下，除旱稻外，其余農業利用方式土壤呼吸速率均顯著高于CK（圖4A）。小麥地、水稻地、黑莓地、藍靛果花楸地、葡萄地、馬鈴薯地土壤呼吸速率分別為CK 的2.09、2.27、2.94、1.60、2.64、2.38 倍，表明農業利用對土壤呼吸均有不同程度的促進作用。不同農業利用類型間土壤呼吸熵差異顯著（圖4B）。在不同農業利用方式下，小麥地、水稻地、旱稻地、馬鈴薯地土壤呼吸熵均顯著高于CK，分別為CK 的1.49、3.18、1.69、2.62 倍；藍靛果花楸地土壤呼吸熵顯著低于CK，為CK 的60%。其中，傳統農業和集約化農業利用類型土壤呼吸熵均顯著高于CK，而設施農業土壤呼吸熵則有所降低，說明設施農業利用類型下微生物呼吸消耗的碳比較少，能更有效地利用有機碳轉化為微生物生物量碳。

不同農業利用方式土壤礦化氮含量均顯著高于CK（0.07 mg·kg-1），且同一農業利用類型、不同利用方式間土壤礦化氮含量無顯著差異（圖4C）。在不同農業利用類型下，集約化農業利用類型土壤礦化氮含量最高，馬鈴薯地均值為0.54 mg·kg-1；傳統農業次之，小麥地、水稻地和旱稻地分別是CK 的4.45、3.72 倍和4.11倍；設施農業土壤礦化氮含量最低，黑莓地、藍靛果花楸地、葡萄地分別為CK的2.95、2.71、3.26倍。

2.5 毛烏素沙地農田土壤呼吸熵和礦化氮與其他指標的關系

以不同處理下土壤呼吸熵和礦化氮含量為響應變量，以土壤微生物生物量和各理化指標為解釋變量作冗余分析（RDA），結果如圖5 所示。土壤銨態氮作用最明顯，解釋了土壤呼吸熵和礦化氮含量變化的64.1%（F=25.0，P=0.002），其次是硝態氮，解釋了土壤呼吸熵和礦化氮含量變化的18.1%（F=13.2，P=0.002），土壤各理化因子共解釋了土壤呼吸熵和礦化氮含量變異程度的100.0%，影響的大小順序為銨態氮＞硝態氮＞含水率＞微生物生物量氮＞田間最大持水量＞全碳＞全氮＞有機碳＞pH＞微生物生物量碳。其中，第1軸解釋了其變異的92.62%，第2軸解釋了7.37%。

如圖6 所示，土壤微生物生物量與土壤理化性質存在一定的相關性。土壤全碳、有機碳、全氮、微生物生物量碳兩兩之間呈顯著正相關；有機碳、全氮、銨態氮、微生物生物量碳與呼吸熵呈顯著負相關；微生物生物量氮、全氮與硝態氮呈顯著正相關；礦化氮與銨態氮呈顯著負相關；呼吸熵、礦化氮與pH呈顯著正相關。

3 討論

3.1 不同農業利用類型和方式對土壤微生物生物量碳、氮的影響

圖5 土壤呼吸熵和礦化氮與其他指標的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of soil respiration entropy and mineralized nitrogen and other indicators

圖6 土壤微生物生物量和各項基本理化指標的相關分析Figure 6 Correlation analysis of soil microbial biomass and basic physical and chemical indexes

本研究中不同農業利用類型土壤微生物生物量碳含量平均值大小依次為設施農業＞CK＞傳統農業＞集約化農業；不同農業利用方式下，黑莓地、葡萄地土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK和其余農業利用方式。表明微生物生物量碳易受農業利用方式的影響，且不同農業利用類型含量差異較大，可作為農業利用類型對土壤有機碳影響的良好指標。這是因為地表枯落物是不同樣地有機碳的最重要來源之一，相比CK、傳統農業和集約化農業，設施農業利用類型下各農業利用方式受外界風沙侵蝕影響較小，同時耕作措施等人工管理導致有機質含量提高，大量凋落物易在土壤表層積聚，通過共生菌根及有機酸、磷酸酶等根系分泌物的轉化分解，為土壤微生物生長繁殖提供了豐富的碳源，同時也保持了表層土壤水分含量，更有利于土壤微生物的生命活動[17]。本研究發現水稻地、旱稻地和馬鈴薯地土壤微生物生物量碳含量較CK均有所降低，這可能是因為傳統農業和集約化農業不僅遭受外界風沙侵襲，而且受人類經營活動影響強烈，尤其是稻田類型由于干濕交替等原因導致土壤微生物難以維持較高的生物量，同時土壤翻耕等劇烈改變土壤理化狀況的農田管理措施，也能夠導致土壤微生物區系改變和微生物生物量下降[18]。宋日等[19]通過研究傳統農業中耕作方式對土壤微生物生物量的影響也驗證了這一觀點。而小麥地土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK，可能是因為這一時期小麥生長進入孕穗期，根系分泌能力增強，分泌物增多，為土壤微生物生長提供碳源，土壤微生物生物量碳含量提高[20]。本研究中，不同農業利用類型土壤微生物生物量氮含量平均值大小依次為集約化農業＞設施農業＞CK＞傳統農業，且馬鈴薯地土壤微生物生物量氮含量顯著高于CK 和其余農業利用方式，表明集約化農業利用類型下馬鈴薯地土壤微生物對氮素的固持作用較強。一方面是由于馬鈴薯根系周圍土壤微環境中含有能顯著促進植物生長的固氮微生物，長期種植馬鈴薯對土壤氮素累積有明顯的促進作用，顯著提高了土壤微生物生物量氮含量[21]；另一方面可能是因為機械化翻耕、收割等作業過程雖然帶走了大量凋落物，但也導致部分枯枝落葉將土壤養分集中到表層土壤中，提高了土壤有機質和氮素含量，為微生物生存提供了豐富的氮源，使土壤微生物生物量增加[22]。作物在進入成熟期后對土壤養分需求降低，表層土壤中的土壤微生物菌群結構在根系分泌物的影響下發生較大變化，這也可能是水稻地土壤微生物生物量氮含量提高的原因之一，但還需后期實驗進一步驗證。

3.2 不同農業利用類型和方式對土壤碳、氮的影響

本研究顯示，不同農業利用方式土壤全碳含量均顯著高于CK，表明長期作物種植處理通過地表大量凋落物有機質的分解，以及根系分泌物向土壤中提供碳源物質，有利于維持和提高土壤全碳含量[23]。其中，農田土壤碳素不僅取決于沙地農田開墾前的土壤有機質含量和農業生態系統，在沙地開墾進行作物種植后，同一農業利用類型、不同利用方式間有機肥施用和作物根茬導致作物歸還土壤的碳含量存在差異，這也可能是傳統農業中小麥地土壤全碳含量顯著高于稻型土壤，而設施農業中葡萄地顯著低于黑莓地和花楸地的原因之一[3]。本研究還表明，設施農業利用類型土壤全碳、有機碳含量均顯著高于其余農業利用類型。這是因為設施農業利用類型長期采用大棚處理且人為干擾（耕作活動）少，表層土壤受風沙影響較小，枯枝落葉覆蓋度最大，其腐質化作用較為顯著，地表大量的凋落物在有機酸、磷酸酶等根系分泌物作用下，使其有機碳含量顯著高于其余農業利用類型[7，24]；而傳統農業和集約化農業利用類型下各作物樣地的土壤有機碳含量較CK 無顯著差異，這是因為研究區風蝕嚴重，不同程度地破壞了土壤結構的穩定性，加速了土壤有機質組分的分解，風沙侵蝕和作物收獲導致表土凋落物覆蓋度較低，帶走的大量養分得不到及時補充，導致其表土碳輸入量降低[7]；另外，沙地農田開墾為耕作農田后，采用傳統的非保護性農田管理措施和單一的作物生產模式，土壤有機質組分流失嚴重，進而影響了土壤有機質的積累和有機碳的存儲[3]。

本研究中，不同農業利用類型土壤全氮含量平均值大小依次為設施農業＞集約化農業＞傳統農業＞CK，且各農業利用類型間差異顯著，表明毛烏素沙地農田開墾后不同農業利用類型對耕層全氮均有顯著影響。這是因為在毛烏素沙地干旱荒漠區，農田開墾利用前土壤全氮初始值較低，開墾利用后長期農作物種植可有效保護表層土壤免受風沙侵蝕，并通過發達的根系富集土壤養分，地表凋落物和腐根將養分集中到表土層，化肥和有機肥投入以及作物秸稈還田等農業管理措施的實施，都會導致土壤全氮含量提高[14]。另外，傳統農業和集約化農業地表覆蓋物少，而且受耕作措施擾動較大，其土壤有機碳、氮轉化為CO2和無機氮的程度高[25]，因此土壤有機碳和全氮含量顯著低于設施農業。本研究結果還表明，集約化農業利用類型土壤硝態氮含量均顯著高于CK 和其余農業利用類型。這是由于集約化農業中馬鈴薯地通過固氮微生物將空氣中的N2轉化為作物能吸收利用的銨態氮，為土壤硝化微生物提供了足夠的氮源，促進了土壤硝化，也加速了銨態氮向硝態氮轉化[21，26]；另外，集約化農業種植區土壤的施肥量過大，遠大于作物的吸收量，從而導致土壤硝態氮含量高于其余農業利用類型[27]，造成集約化種植區土壤硝態氮含量過高。而設施農業利用類型下的人為控制為土壤硝化作用創造了條件，由于免耕處理和氮肥的持續供應，隨著種植年限的延長，大棚土壤硝態氮不斷增加，氮肥以硝態氮的形式在土壤中累積，因而設施農業土壤硝態氮含量顯著高于CK 和傳統農業[28]。魏迎春等[29]研究也表明，大棚處理的土壤硝態氮含量顯著高于其余土地利用方式。不同農業利用方式間土壤硝態氮含量差異顯著，可能與不同作物對養分的吸收利用、植物根系分泌物、地表凋落物分解以及有機氮的礦化平衡有關，并受土壤銨態氮和有機氮轉化分解相互疊加作用的影響[28]。另外，由于不同農業利用類型改變了地表溫度、pH 和透氣性等土壤理化性質，進而對土壤微生物的生命活動造成影響，這也是土壤氮素隨農業利用類型發生變化的主要原因之一。在不同農業利用方式下，除水稻地和藍靛果花楸地外，其余農業利用方式土壤銨態氮含量較CK 均有所降低，且同一農業利用類型、不同農業利用方式間差異顯著，一方面可能是由于沙地農田中不同作物根系會從土壤吸收大量的有效養分以滿足其生長需要，且各農業利用方式使得土壤微生物群落結構和土壤養分含量發生變化，因而對土壤銨態氮含量產生影響；另一方面可能是由于農業利用促進了土壤的硝化作用，使得絕大部分開墾農田土壤的凈硝化速率大于凈礦化速率，不僅增加硝態氮淋溶或徑流損失的風險，而且硝化作用導致不同農業利用類型下土壤銨態氮含量降低[30]。其中，集約化種植區采用水肥一體化的滴灌模式施肥，水分和肥料一起遷移至土壤，肥料逐漸從表土向深層滲透，導致表土中銨態氮含量降低[31]。本研究發現，同一農業利用類型、不同利用方式間土壤礦化氮含量無顯著差異，不同農業利用類型土壤礦化氮含量平均值大小依次為集約化農業＞傳統農業＞設施農業＞CK，且馬鈴薯地礦化氮含量顯著高于其他農業利用方式。這是因為馬鈴薯根系周圍含有的活性物質可刺激微生物活動，提高了土壤氮素的礦化過程[21]。集約化農業和其他土地利用類型間土壤礦化氮含量的差異，主要反映出地表枯落物覆蓋量和施肥等人類活動增加了農田中有機氮的輸入，改變了土壤基質和微環境，同時耕作等農田管理措施也改變了土壤的pH，從而使礦化作用產生差異[14]。另外，不同農業利用方式對土壤碳、氮含量的影響也與各樣地根系的生長發育和分布有關，根系是將作物光合產物直接輸入到地下的唯一途徑[32]，這導致了不同利用方式間土壤碳、氮含量的差異。

3.3 不同農業利用類型和方式對土壤呼吸的影響

陳書濤等[33]研究發現，不同土地利用類型下，土壤呼吸速率均隨試驗區土壤有機碳含量增加而提高。Rodeghiero 等[34]研究表明，森林土壤呼吸強度隨表層土壤有機碳含量的增加而呈線性正相關關系。本研究中，除旱稻地外，其余樣地土壤呼吸速率均顯著高于CK，且同一農業利用類型、不同利用方式之間土壤呼吸速率存在差異，表明土壤呼吸速率易受農業利用的影響。原因可能是毛烏素沙地農業利用類型及其方式不同常會直接或間接導致地表溫度、水分等環境因素發生變化，而土壤溫度和土壤水分是影響土壤呼吸的重要環境因素[8]。另外，這也與不同農業利用類型下表層土壤的底物輸入量有關，因為土壤呼吸、有機質分解等所有生物化學過程都與底物供應和土壤微生物群落結構密切相關[35]；有機碳會影響土壤微生物底物供應，其含量高低是影響土壤呼吸高低差異的重要因素之一[8]。其中，設施農業利用類型下各樣地每年有大量的凋落物回歸土壤，使得微生物生命活動可利用的碳源較為充足，為微生物創造了適宜的生存環境，土壤微生物呼吸速率顯著提高；而傳統農業和集約化農業利用類型由于種植作物土壤翻耕，導致土壤疏松、透氣性良好，土壤微生物群落結構和大小發生變化，加速土壤有機質分解，進而提高了土壤呼吸速率[36]。土壤呼吸熵（也稱微生物代謝熵）是土壤呼吸速率和微生物生物量碳的比值，其比值大小是土壤微生物利用碳源效率的重要依據[37]。本研究表明，不同農業利用類型土壤呼吸熵平均值大小依次為集約化農業＞傳統農業＞CK＞設施農業，而設施農業利用類型土壤微生物生物量碳、有機碳含量顯著高于沙地和其余農業利用類型，表明設施農業利用類型下各樣地土壤微生物對有機碳的利用率高。這可能是因為在適宜的水熱條件下，土壤呼吸取決于微生物生物量的大小[38]。

4 結論

（1）毛烏素沙地不同農業利用類型及其方式通過改變土壤微環境，對土壤養分和微生物生物量的影響顯著。不同農業利用類型下，土壤微生物生物量碳、全碳、有機碳、全氮含量和呼吸速率均在設施農業下最高，土壤微生物生物量氮、硝態氮和礦化氮含量均在集約化農業下最高。

（2）設施農業利用類型可以顯著提高土壤碳儲量及碳素利用率，而集約化農業在促進土壤氮素礦化方面具有明顯優勢。