休耕對小麥和油菜田土壤生物學特性的影響

王建國，路戰遠，程玉臣，張德健，趙小慶，武海明，趙玉河

(1.河北農業大學 農學院，河北 保定 071001；2.內蒙古自治區農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特 010031；3.內蒙古大學 生命科學學院，內蒙古 呼和浩特 010021；4.呼倫貝爾農墾集團，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

土壤微生物和土壤酶是農田生態系統的重要組成部分[1]，土壤微生物多樣性[2]、微生物量[3]和酶活性[4]是重要的土壤微生物指標，也是衡量土壤質量重要的生物學指標，并能對土壤質量的變化做出敏感反應。不同耕作制度會對土壤質量產生影響[5]。休耕也是一種耕作制度，能夠使耕地得到休養生息，促進土壤質量發生重大變化[6-8]。這種變化可能源于土壤微生物群落和相關生物化學過程的變化[9-10]。左梅等[11]研究了休耕對植煙田土壤酶活性細菌多樣性影響，Zhang等[12]研究了撂荒、裸地休耕和耕種3種不同土壤管理方式對土壤質量的影響，也有關于長期休耕與連續耕作條件下的微生物量碳的變化規律的研究報道[13]。這些研究內容有一個共同的特點就是都是將休耕期間的土壤特性與其他耕作制度對比，分析土壤微生物多樣性、微生物生物量、酶活性等變化特征，進而提出不同土地利用方式和耕作制度對土壤質量改變的影響，未考慮休耕對后茬耕作農田土壤微生物特性的影響，從而提出采用休耕改進完善現有耕作制度的合理建議。

內蒙古呼倫貝爾市是糧食主產區，長期以來當地主要實施傳統的秋翻春播制度，近年來出現了耕地質量嚴重退化，生產能力大幅下降的問題[14]。在該地區開展休耕對土壤生物學特性影響的研究，有利于深入認識休耕對當地改善土壤質量的作用。本研究以該地區小麥-油菜輪作田為試驗對象，探討休耕后茬作物農田土壤微生物豐富度和多樣性、土壤酶活性以及土壤微生物生物量的變化規律，分析研究休耕后作物農田土壤酶活性、微生物生物量和微生物多樣性的響應，綜合評價休耕對耕地質量的影響，深入認識休耕制度改善輪作農田土壤質量的生物學機制，為在該地區建立以小麥和油菜輪作模式為基礎的休耕制度提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古呼倫貝爾市陳巴爾虎旗特泥河試驗站(120°48′E，49°55′N)，該地區屬寒溫帶大陸性季風氣候，春季多風少雨，蒸發量大；夏季溫涼而短促，降水集中；秋季降溫快，霜凍早；冬季嚴寒漫長，地面積雪時間長。年平均氣溫-3.0～-2.5 ℃，≥10 ℃以上的積溫為1 700～1 800 ℃。年平均降水量為350～370 mm，年日照時數平均為2 800 h，無霜期110～130 d，是典型的旱作農業區。試驗田土壤為黑鈣土，黑土層厚為35～40 cm，其中0～20 cm土層土壤pH值7.02，有機質含量57.16 g/kg，全氮含量2.39 g/kg，全磷含量0.59 g/kg，速效鉀含量193.33 mg/kg。該試驗區農田從2008年開始進行小麥-油菜輪作模式。

1.2 試驗設計

試驗于2015-2017年開展，采用大區對比試驗，設休耕-小麥輪作、油菜-小麥輪作、休耕-油菜輪作和小麥-油菜輪作4個處理，每個處理3個重復，每個重復200 m2，2016，2017年進行年際間重復，具體試驗設計見表1。本試驗中休耕為裸地休耕，且休耕期為1 a，休耕田的上茬作物收獲后秸稈全量還田，休耕期間翻埋入土。RW和WR 2個處理采取秸稈全量還田和免耕播種的方式。

表1 試驗設計Tab.1 Trial design

供試作物小麥和油菜品種分別為龍麥36和青雜5號。2016，2017年小麥播種時間分別為5月2日和5月3日，播種量為300 kg/hm2，油菜播種時間分別為5月4日和5月6日，播種量為7.5 kg/hm2。小麥種肥施肥量為N 59 kg/hm2，P2O597 kg/hm2，K2O 16 kg/hm2；油菜種肥施肥量為N 63 kg/hm2，P2O589 kg/hm2，K2O 16 kg/hm2，硼砂3 kg/hm2。所有肥料均作為種肥于播種時一次性施入，全年無灌溉。

1.3 土樣采集與分析方法

分別于2016，2017年小麥和油菜開花期采集土樣。每個小區按照“S”形取樣法，取樣點5個，取土深度0～20 cm，采集的土樣混勻后去除石礫和植物殘茬等雜物。測定土壤微生物量碳和氮的土樣裝入無菌自封口袋后存于4 ℃冰箱，測定土壤微生物多樣性的土樣裝于無菌自封口袋后存放于-80 ℃冰箱，其余土樣置于陰涼通風處風干后測定土壤酶活性。

土壤酶活性測定參照關松蔭[15]的方法進行，其中土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性采用靛酚比色法；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。土壤微生物量碳和氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法測定[16]。土壤細菌和真菌的種群特征由北京諾禾致源科技股份有限公司進行測試分析，其中DNA提取采用CTAB方法，并通過HiseqPE250平臺進行測序和分析。在小麥和油菜收獲期每個小區隨機選取5個面積為1 m2的樣方，風干后對地上部生物產量和經濟產量稱質量。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010進行數據處理和作圖，利用SPSS 22.0軟件進行差異顯著性分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 休耕對土壤酶活性變化的影響

由圖1可見，經過2 a試驗，總體表現為FW和FR處理土壤酶活性分別高于RW和WR處理土壤酶活性。FW和FR處理土壤過氧化氫酶活性在2016年分別比RW和WR處理增加了3.51%，8.94%，在2017年分別比RW和WR處理增加了10.05%，5.41%，差異顯著(P<0.05)；脲酶在2016年分別比RW和WR處理增加了22.26%，11.47%，在2017年分別比RW和WR處理增加了28.07%，11.67%；蔗糖酶在2016年分別比RW和WR處理增加了53.79%，51.92%，在2017年分別比RW和WR處理增加了49.90%，40.87%；磷酸酶在2016年分別比RW和WR處理增加了26.66%，24.69%，在2017年分別比RW和WR處理增加了35.39%，38.47%。其中，過氧化氫酶和磷酸酶在2017年差異性達到顯著水平。在不同作物農田土壤酶比較發現，小麥田的土壤酶活性高于油菜田的酶活性，其中

蔗糖酶和磷酸酶的活性差異較大。綜合分析土壤酶活性變化表明，休耕提高了后茬小麥和油菜田土壤酶活性，其中對蔗糖酶活性的影響最大，對過氧化氫酶活性影響最小。

2.2 休耕對土壤微生物量碳和氮的含量變化

相比常規輪作相比，休耕提高了土壤微生物量碳和氮的含量(圖2)，2 a試驗中，FW和FR處理的土壤微生物量碳含量分別大于同年的RW和WR，且達到了顯著性差異(P<0.05)，其中，2016年FW和FR處理的土壤微生物量碳含量為267.79，225.87 mg/kg，分別比RW和WR處理提高41.55%，24.47%；2017年FW和FR處理的土壤微生物量碳含量為258.97，235.80 mg/kg，分別比RW和WR處理提高了21.95%，30.53%。微生物量氮含量在2 a試驗中也表現為FW大于RW和FR大于WR，其中，2016年，FW和FR處理的土壤微生物量氮含量為51.84，46.52 mg/kg，比FW和FR處理分別提高了10.78%,27.56%，且FR與WR的差異達顯著性水平(P<0.05)；2017年FW和FR處理的土壤微生物量氮含量為56.05，49.52 mg/kg，分別比RW和WR處理提高了58.20%，35.97%，且差異顯著(P<0.05)。

2.3 休耕對土壤微生物OTU數量和α多樣性指數變化的影響

對2016，2017年2 a試驗田土壤細菌和真菌測序結果的覆蓋度分別在98%，99%以上(表2)，表明測序得出的細菌和真菌OTU數量基本覆蓋了各處理土壤中的絕大多數細菌和真菌物種。

2016年，FW和FR處理檢測到的土壤細菌OTU數量分別為3 114，3 093，比RW和WR分別提高7.96%，3.10%；真菌的OTU數量為1 385，1 362，比RW和WR分別低7.23%， 8.09%。2017年，FW和FR處理檢測到的土壤細菌OTU數量分別為3 628，3 445，比RW和WR分別高4.89%，2.41%；真菌的OTU數量為1 066，980，比RW和WR分別低3.53%，12.97 %。2 a試驗中FW和FR 2種處理土壤細菌OTU數量沒有顯著差異。

Chao1指數和Shannon指數分別代表物種的豐富度和多樣性。2016年，FW的細菌Chao1指數和Shannon指數大于RW，而FR則表現為小于WR，但都無顯著差異。2017年FW的細菌Chao1指數和Shannon指數分別大于RW，并且FW與RW的Chao1指數比較達顯著性水平(P<0.05)，FR的細菌Chao1指數大于WR，而Shannon指數基本相同。真菌的Chao1指數和Shannon指數表現為FW和FR輪作模式分別低于RW和WR。細菌與真菌的比值(B/F)也表現為FW和FR輪作模式分別高于RW和WR輪作模式，且在2016年差異顯著。

表2 休耕輪作模式下細菌和真菌OTU數量和多樣性指數變化Tab.2 Changes of operational taxonomic units(OTU)number and diversity index of bacteria and fungi under fallow and rotation patterns

綜合分析微生物數量和α多樣性指數的變化可以看出，休耕提高了后茬作物田土壤的細菌物種數、豐富度和多樣性指數，而降低了真菌物種數、豐富度和多樣性指數，同時提高了B/F值。

2.4 作物產量對休耕的響應

由表3可知，FW和FR處理作物生物產量和經濟產量分別高于RW和WR，差異達到了顯著水平(P<0.05)。2016年FW和FR處理作物的生物產量分別比RW和WR處理高33.44%，42.09%，經濟產量比RW和WR處理高32.46%，69.66%；2017年FW和FR處理作物的生物產量分別比RW和WR處理高24.33%，27.00%，經濟產量比RW和WR處理高43.23%，40.39%。2 a試驗中，除了FW與RW的經濟系數在2016差異不顯著外，小麥和油菜經濟系數表現為FW和FR分別顯著高于RW和WR(P<0.05)。可見休耕提高了后茬作物的生物產量和經濟產量，與土壤生物學指標對休耕的響應一致。

表3 休耕輪作模式下小麥和油菜產量的變化Tab.3 Yield changes of wheat and rape under fallow and rotation patterns

2.5 土壤酶活性、微生物量及微生物多樣性與產量的相關性分析

表4，5為休耕對后茬小麥和油菜生物產量和經濟產量與土壤酶活性、微生物量碳氮以及細菌和真菌種群數量的相關性分析，總體表現為作物的生物產量和經濟產量與土壤酶活性、微生物量碳氮和細菌的OTU呈正相關，而與真菌的OTU呈負相關。由表4可知，小麥的生物產量和經濟產量與過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、微生物量碳和氮含量的正相關性在2 a間都達到了顯著性或極顯著水平，與細菌OTU呈正相關，與真菌OTU呈負相關或相關性很小，但在2016年達到極顯著水平。

表4 不同輪作模式下小麥產量與土壤酶活性和微生物學指標的相關性Tab.4 Correlation between wheat yield and soil enzyme activity and microbiological indexes under different rotation patterns

Notes:*.Correlation is highly significant at the 0.05 level;**.Correlation is significant at the 0.01 level.The same as Tab.5.

表5 不同輪作模式下油菜產量與土壤酶活性和微生物學指標的相關性Tab.5 Correlation between rape yield and soil enzyme activity and microbiological indexes under different rotation patterns

由表5可知，油菜的生物產量和經濟產量與過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、磷酸酶活性、微生物生物量碳和氮的含量在2016，2017年都達到了顯著和極顯著水平，與細菌OTU呈正相關，與真菌OTU呈負相關，但在2016年達到極顯著水平。由相關性分析得出，小麥和油菜的生物產量和經濟產量與土壤的蔗糖酶活性、微生物量碳和氮的相關性達到了顯著和極顯著水平，雖與細菌和真菌OTU相關性的顯著性水平在年際間有差別，但都與細菌OTU呈正相關性，與真菌OTU呈負相關。

3 討論與結論

土壤酶是土壤中最活躍的部分，在土壤物質代謝過程發揮著重要作用[17]，其活性可作為土壤質量變化的早期預警指標[18]。本研究在休耕后分別種植油菜和小麥，與常規輪作相比提高了農田土壤各項酶活性，特別是蔗糖酶活性增長幅度最大。這可能是由于上茬作物秸稈在裸地休耕期間，特別是在夏季良好的水熱協同作用下加速分解，提高了土壤有機質，促進了酶活性的增加[19]。同時作物秸稈的分解也為酶促反應提供了充足的底物和碳源。小麥和油菜田土壤酶活性的年際間比較發現，2016年的酶活性顯著高于2017年，可能是由于2016年在作物生長發育期間的降雨量偏少，對土壤的酶活性造成了一定程度的水分脅迫，激發了土壤酶活性，這與周芙蓉等[20]的研究結果相同。

微生物量是土壤活性養分的儲存庫[21-22]，且能在土壤有機物含量發生變化之前靈敏的反應土壤環境的變化[23]。本研究表明，經過2 a的重復試驗，休耕后茬的小麥田和油菜田的微生物量碳和氮都高于常規輪作模式下的小麥田和油菜田，這是因為在休耕期間還田秸稈分解積累了豐富的有機質，在休耕后種植當季所使用化肥的配合下促進了土壤微生物的活動和繁殖[24-25]。

土壤微生物是土壤物質代謝循環的動力[26]。不同耕作措施、不同輪作制度和不同的田間管理等都對微生物的種群特性有影響。本研究中休耕后茬小麥田和油菜田的細菌OTU和B/F值都高于常規輪作，雖年際間表現不同，但豐富度和多樣性也總體表現為休耕后茬高于常規輪作。真菌表現與細菌相反，這可能是因為休耕延長了秸稈的腐解時間，加之裸地休耕期間土壤溫度比作物遮蔽的農田土壤高，雨水蓄積量比常規輪作農田大，為前茬的秸稈腐解提供了理想的環境，同時休耕期間秸稈的腐解，為土壤細菌的生長和繁殖提供了充足的有機營養，利于細菌繁殖，從而提高了土壤質量[27]。

土壤酶活性、微生物量和微生物數量與植物生產力密切相關[28]。有研究表明，土壤酶活性和微生物量與作物產量之間存在顯著或極顯著的相關關系[29-30]，細菌數量與產量呈正相關[31]，真菌數量與產量呈負相關[32]。本研究通過相關性分析也得出相同的結論，總體表現為小麥和油菜田土壤酶活性、微生物量以及細菌的物種數都與作物生物產量和經濟產量呈正相關，表明休耕延長了農田秸稈的腐解，改善了土壤質量，為作物生長創造了良好的土壤環境，促進了作物生長和產量的增加。

本研究中，休耕提高了小麥和油菜田土壤酶活性、微生物生物量、細菌的豐富度和多樣性，降低了真菌的豐富度和多樣性，有利于改善農田土壤微環境，提升土壤質量，增加作物產量，由此可見，以小麥-油菜輪作模式下應用休耕是值得推廣的一種農作制度。