保護性耕作對麥_豆輪作土壤有機碳全氮及微生物量碳氮的影響

1、農業(yè)環(huán)境科學學報2009,28(7):1516-1521JournalofAgro-EnvironmentScience保護性耕作對麥-豆輪作土壤有機碳全氮及微生物量碳氮的影響汪娟，蔡立群，畢冬梅，王新建，張仁陟（甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅蘭州730070）摘要：通過設置在甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)的保護性耕作措施長期定位試驗，共設4個處理（T：傳統(tǒng)耕作；NT：免耕無覆蓋；TS：傳統(tǒng)耕作+秸稈還田；NTS：免耕+秸稈覆蓋）,采用春小麥豌豆雙序列輪作（即小麥豌豆小麥和豌豆小麥豌豆，本文中所指春小麥地、豌豆地分別指2008年種植春小麥、豌豆的輪作次序），于2008年3月中旬對春小麥、豌豆雙序列輪作

2、下的土壤有機碳、全氮、土壤微生物量碳及土壤微生物量氮含量進行了采樣測定。結果表明，經(jīng)過7a的輪作后，兩種輪作次序下，030cm土層中土壤有機碳、全氮、土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量均有在免耕+秸稈覆蓋、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田處理較免耕不覆蓋、傳統(tǒng)耕作處理高的其中,土壤微生物量碳含量在兩種輪作次序下的排序均為：免耕+秸稈覆蓋（NTS）傳趨勢，且其含量均隨著土壤深度的增加而降低。（TS）免耕不覆蓋（NT）傳統(tǒng)耕作（T）；而土壤微生物量氮含量在春小麥地和豌豆地的排序則分別表現(xiàn)為：免耕+統(tǒng)耕作+秸稈還田秸稈覆蓋（NTS）傳統(tǒng)耕作+秸稈還田（TS）傳統(tǒng)耕作（T）免耕不覆蓋（NT）和免耕+秸稈覆蓋（NTS

3、）傳統(tǒng)耕作+秸稈還田（TS）免）傳統(tǒng)耕作（T）。同時，微生物量碳、微生物量氮與有機碳和全氮均呈顯著正相關，說明提高土壤有機質、全氮含量的耕不覆蓋（NT保護性耕作模式有利于土壤微生物量碳與氮的積累。關鍵詞：保護性耕作；有機碳；全氮；微生物量碳；微生物量氮S344.1中圖分類號：文獻標志碼：A文章編號：1672-2043(2009)07-1516-06EffectsofConservationTillageontheSOC、TN、SMBCandSMBNinTwoSequenceRotationSystemswithSpringWheatandPeaWANGJuan,CAILi-qun,BIDong

4、-mei,WANGXin-Jian,ZHANGRen-zhi（CollegeofResources&EnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China）Abstract：Soilmicrobialbiomasshasbeenidentifiedasanappropriateindextodenotethesoilqualitybymanyresearchersbecauseofits（SOC）,totalnitrogen（TN）,soilmicrobialbiomasscarbongoodindic

5、ativefunction.Theeffectsofconservationtillageonsoilorganiccarbon（SMBC）andmicrobialbiomassnitrogen（SMBN）wereinvestigatedinafieldexperiment,whichconsistedoffourtreatments（T：conventionaltillage;NT：no-tillagewithnostrawcover;TS：conventionaltillagewithstraw;NTS：no-tillagewithstubbleretention）andtwosequen

6、cerotationsystemswithspringwheatandpeaattheGansuAgriculturalUniversitysfarminDingxi."Thespringfield"and"thepeafield"representedtheorderofrotationspringwheatandpeahadbeenplantedin2008.Theresultsshowedthatafter7years,SOC,TN,SMBCandSMBNof030cmsoillayerwhichunderno-tillagewithstubble

7、retention（NTS）andconventionaltillagewithstraw（TS）treatsallhadbeenhigherthantheonesunderno-tillagewithnostrawcover（NT）andconventionaltillage（T）treats.Moreover,thecontentsofSOC,TN,SMBCandSMBNweredecreasingwithsoillayerbeingdeepened.Inthe030cmsoillayerofthespringwheatfieldthecontentsofSMBCandSMBNfollow

8、edtheorderinthetreatments：NTSTSNTTwhileNTSTSNTT,NTSTSNTTinthepeafield.Moreover,thereweresignificantpositivecorrelationsamongSMBC,SMBN,SOCandTN.ItprovedthatconservationtillagewhichcouldimprovethecontentsofSOCandTNwerealsobeneficialtoSMBCandSMBNsaccumulations.Keywords：conservationtillage;soilorganicca

9、rbon;soiltotalnitrogen;soilmicrobialbiomasscarbon;soilmicrobialbiomassnitrogen收稿日期：20081120基金項目：ACIAR項目（SMCN（LWR2）1999094）；國家科技支撐計劃項目（2006BAD15B06）；國家自然基金項目（40771132）作者簡介：汪娟（1985），女，安徽省安慶人，在讀碩士研究生，主要從事保護性耕作研究。Email：wendy1003126com通訊作者：張仁陟Email：zhangrzgsaueducn第28卷第7期農業(yè)環(huán)境科學學報1517土壤微生物作為土壤有機質的降解者和植物營養(yǎng)

10、物質的活性庫，在土壤和植物群落內部及全球物質循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。同時，人們常將土壤微生物量碳、氮視為直觀反映土壤微生物活性及土壤肥力狀況的重要指標1。土壤微生物盡管所占比例很小，但由于其對外界條件變化敏感，其大小、活性、組成及周轉強烈受生物因素（耕作、施肥、土地利用變化、土壤污染等人為因素及植被類型）和非生物因素（環(huán)境溫度、濕度、土壤類型等）影響，因而能夠及時反映土壤質量狀況。因此，土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）已成為國際土壤與植物營養(yǎng)學研究的熱點問題2-4。黃土高原干旱、半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)常年以傳統(tǒng)耕作方式對土壤進行翻耕，作物秸稈大量移出后常導致表土暴露，特別是加速

11、了土壤有機質的分解、增加了土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，使耕地質量日趨下降5-6。而國內外廣泛研究的以少、免耕為代表的各種保護性耕作措施在提高土壤有機物質輸入量，減少土壤有機質礦化分解，增加土壤養(yǎng)分有效性等方面均具有明顯效果7-9。2001年8月，甘肅農業(yè)大學在位于黃土高原西部的定西市李家堡鎮(zhèn)設置了長期定位試驗，研究不同保護性耕作措施對土壤物理、化學及生物學特性的影響，以篩選出適合的保護性耕作模式并加以推廣。本文對2008年作物播種期耕層（030cm）土壤有機碳、全氮、微生物量碳及微生物量氮含量進行了測定，旨在為深入了解保護性耕作措施對干旱、半干旱區(qū)土壤微生物學特性的影響，評價其在該地區(qū)的適應性，實現(xiàn)農

12、業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)。豌豆麥和豌豆小麥豌豆。本文中所指春小麥地、地分別指2008年種植春小麥、豌豆的輪作次序，具體處理方式如表1。表1試驗處理描述Table1Treatmentsdescription代碼CodeTNTTSNTS處理Treatments傳統(tǒng)耕作免耕不覆蓋操作方法Operation作物收獲后至凍結前三耕兩耱，翻耕深度依次為20、10和5cm全年不耕作，播種時用免耕播種機一次性完成播種和施肥，收獲后用2，4-D丁酯除草傳統(tǒng)耕作+秸稈耕作方式同T，在第一次耕作的同時將前茬還田作物秸稈翻入土中免耕+秸稈覆蓋播種和除草方法同NT，收獲后前茬作耕作、物秸稈全部歸還小區(qū)供試作物為春

13、小麥和豌豆。其中春小麥品種為“定西35號”，播量187.5kg·hm-2，行距20cm。施純氮105kg·hm-2、P2O5105kg·hm-2，所有肥料均作為基肥在播種時施入，播期為2008年3月中旬，收獲期為2008年8月中旬。豌豆品種為“綠農1號”，播量180kg·hm-2，行距22.5cm。施純氮20kg·hm-2、P2O5105kg·hm-2，所有肥料均作為基肥在播種時施入，播期為2008年3月下旬，收獲期為2008年7月中旬。1.3樣品采集和測定2008年春小麥和豌豆播種前，在各小區(qū)分別取05cm，510cm，1030cm

14、土層的土樣，每個小區(qū)均取3點樣混合。土樣采回后，一部分置于冰箱（4左右）內，用于測定土壤水分，微生物量碳、氮含量，另一部分風干用于常規(guī)分析。土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法外加熱法11，全氮的測定采用半微量凱氏法11。1.4數(shù)據(jù)分析采用MicrosoftExcel繪制圖表，采用SPSS13.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關分析和Duncan多重比較，顯著度水平為0.05。1材料與方法1.1試驗區(qū)概況試驗區(qū)位于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)，平均海拔2000m，年均太陽輻射591.89kJ·cm-2，日照時數(shù)2476.6h，年均氣溫6.4，0積溫2933.5，10積溫2239.1；無霜期140d。多年

15、平均降水390.9mm，年蒸發(fā)量1531mm，干燥度2.53，保證率的降水量為365mm，變異系數(shù)為24.3%，為典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質綿軟，土層深厚，質地均勻；0200cm土壤容重平均為1.17g·cm-3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%。1.2試驗設計試驗始于2001年8月，共設4個處理，3次重復，共24個小區(qū)，小區(qū)面積4m×20m，隨機區(qū)組排即小麥豌豆小列。采用春小麥豌豆雙序列輪作，2結果與分析2.1不同耕作對土壤有機碳的影響圖1和圖2是不同耕作對春小麥地和豌豆地耕1518汪娟等：保護性耕作對麥-豆輪作土壤有機碳全氮及微生物量碳氮的影響2

16、009年7月層土壤有機碳分布的影響。由圖可知：在春小麥地05cm土層中，NTS處理下土壤有機碳含量分別比TS、NT、T處理的高2.29、1.66、4.69g·kg-1，且其差異均達到了顯著水平；510cm土層中，各處理土壤有機碳含量排序為NTSNTTST，其中NTS處理與TS、T處理間的差異達到了顯著水平；1030cm土層中，僅NTS與TS處理間有機碳含量有顯著差異而其他處理間無明顯差異。將上述各個層次有機碳含量加權求和后得到030cm土層中有機碳含量排序為：NTSNTTST。在豌豆地05cm和510cm土層中，TS、NTS處理下土壤有機碳含量均比T、NT處理的高，且均呈TSNTST

17、NT的趨勢，而在1030cm土層中，保護性耕作的各處理土壤有機碳含量均高于傳統(tǒng)耕作處其他各處理理，但除TS與T處理間達到顯著水平外，間并無顯著差異。將上述各個層次有機碳含量加權求和后得到030cm土層中有機碳含量排序為：TSNTSTNT。2.2不同耕作對土壤全氮的影響土壤全氮包括所有形式的有機和無機氮素，是土壤氮素總量和供應植物有效氮素的源和庫，其含量能夠綜合反映土壤的氮素狀況。圖3和圖4是不同耕作對春小麥和豌豆地耕層土壤全氮分布的影響。由圖可知：在春小麥地中，05cm土層中，NTS處理全氮含量分別比TS、NT、T處理的高12.3%、12.4%、13.6%，且其差異均達到顯著水平，同時TS、N

18、T又顯著高于T處理；在510cm土層中，NTS處理的全氮含量顯著高于T處理，但TS、NT處理與T處理間差異不顯著；在1030cm土層，各處理大小排序同510cm土層，但處理間差異均不顯著。在豌豆地中，05cm土層中，NTS處理全氮含量分別比TS、NT、T處理高6.3%、15.2%和25.3%，其中，NTS、NT處理與T處理間差異達到了5%的顯著水平；510cm土層中，NTS、TS、NT均與T處理差異達第28卷第7期農業(yè)環(huán)境科學學報1519到了顯著水平，但NTS、TS、NT間并無顯著差異；1030cm土層中，各處理間土壤全氮含量均無顯著差異，但其大小排序同上一層。2.3不同耕作對土壤微生物量碳的

19、影響SMBC的消長反映微生物利用土壤碳源進行自身細胞建成并大量繁殖和微生物細胞解體使有機碳礦化的過程。圖5和圖6是不同耕作對春小麥和豌豆地SMBC分布的影響。2.4不同耕作對土壤微生物量氮的影響SMBN的含量是土壤微生物對氮素礦化與固持作用的綜合反映。圖7和圖8是不同耕作對春小麥和豌豆地SMBN含量分布的影響。由圖可知：在春小麥地05cm土層中，NTS處理的SMBN顯著高于其他處理，且TS處理與T、NT處理下SMBN的差異也達到了顯著水平；510cm土層中，NTS處理的SMBN顯著高于其他處理，但T的由圖可知，在春小麥地05cm土層中，NTS處理的SMBC顯著高于其他處理，且TS處理與T處理下

20、SMBC的差異也達到了顯著水平；510cm土層中，NTS、TS處理的SMBC顯著高于NT、T處理；1030cm土層中，各處理SMBC表現(xiàn)與510cm土層中相似。在豌豆地05cm土層中，NTS處理的SMBC顯著高于其他處理，且TS處理與T處理下SMBC的差異也達到了顯著水平；510cm土層中，NTS處理下SMBC顯著高于其他處理，且TS與NT、T處理下SMBC差異也達到了5%的顯著水平；1030cm土層中，各處理SMBC的趨勢與510cm土層中相似。SMBN顯著高于NT處理；1030cm土層中，NTS處理的SMBN顯著高于其他處理，各處理SMBN表現(xiàn)為NTSNT、TTS。在豌豆地05cm土層中，

21、NTS處理的SMBN顯著高于其他處理，但TS、NT、T處理間差異不顯著；510cm土層中，NTS處理下SMBN顯著高于其他處理，且TS的SMBN也顯著高于T處理；1030cm土層中，NTS、TS處理的SMBN顯著高于T、NT處理，各處理SMBN含量呈NTSTSNTT趨勢。2.5土壤SOC、TN、C/N、SMBC、SMBN間的關系研究者一般認為，土壤有機質與微生物量碳或微豌生物量氮有密切的正相關關系12。表2是春小麥、1520汪娟等：保護性耕作對麥-豆輪作土壤有機碳全氮及微生物量碳氮的影響2009年7月豆地耕層土壤有機質、全氮、C/N、微生物量碳、氮相關系數(shù)矩陣，由表可知，無論何種輪作次序，微生

22、物量碳、微生物量氮與有機碳和全氮均呈顯著正相關，說明提高土壤有機質、全氮含量有利于土壤微生物碳與氮的積累。表2春小麥、豌豆地耕層土壤有機質、全氮、C/N、微生物量碳、氮相關系數(shù)矩陣Table2Correlationcoefficientsoforganicmatter、totalnitrogen、microbialbiomasscarbonandnitrogenofsoiltillagelayerinspringwheatandpeafieldSOC春小麥SpringwheatSOCTNC/NSMBCSMBN豌豆PeaSOCTNC/NSMBCSMBN1-0.290111111TNC/NSMBC

23、SMBN其主要與土壤植物殘留物在土層中的分布密切相關。原因在于土壤全氮主要來源于土壤植物殘體分解與合成所形成的有機質，而土壤有機質強烈影響土壤微生物量的數(shù)量和活性15，并且植物（主要是農作物）殘留物也主要集中在030cm土層內，且隨深度增加而減少。李香真等5認為，土壤有機碳、全氮含量在一定程度上反映了土壤環(huán)境因子組合的最佳程度；土壤有機質水平高，微生物所受脅迫小，有利于微生物群落1030cm土層以上，尤其是表層土壤的發(fā)展。因此，中植物殘留物分解合成形成的有機質相對集中，相應的全氮含量也就明顯高于下層。（3）在兩種輪作次序下，030cm土層中微生物氮含量都是NTS、TS處理明顯大于NT、T處理。

24、量碳、土壤微生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為：05cm510cm1030cm。表明免耕秸稈覆蓋與秸稈還田比免耕不覆蓋對土壤微生物量碳的增加影響更穩(wěn)定，此結果與宋明偉等16的研究結果相似。其原因可能是NTS處理不擾動土層，植物殘體主要積累在表土層中，相應地可供微生物維持生命活動的能量充足；同時，長期免耕結合秸稈覆蓋使植物根系多集中分布于表土層，根系分泌的大量低分子量的根系分泌物也促進了土壤微生物的繁衍，使其生命活動旺盛，從而導致該土層中土壤微生物生物量碳含量高于其他處理。不同土層土壤微生物量氮在春小麥地和豌豆地的排序出現(xiàn)不同的原因可能是種植的作物根系分布及根系分泌物在土壤中的積累不同及前茬作物殘體的不同

25、，從而使土壤微生物得到的C源數(shù)量及性質不同。本試驗數(shù)據(jù)及結果與之前文獻略有所差異，一方面是因為經(jīng)過7a保護性耕作后土壤有機碳、全氮、微生物量碳氮含量均有所提高，但大體趨勢保持一致，表明保護性耕作能夠有效改善土壤質量，有利于土地的持續(xù)利用和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，適合在甘肅中部半干旱農業(yè)區(qū)推廣；另一方面是由于在農田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物量的變化主要受到環(huán)境條件（干濕、溫度變化）和作物生長等綜合影響，采樣時間，不同的輪作年份，以及當年的氣候狀況，降雨量，都可成為影響微生物量變化的因素。（4）在兩種輪作次序下，微生物量碳、微生物量氮與有機碳和全氮均呈顯著正相關，說明提高土壤有機質、全氮含量有利于土壤微生物

26、碳與氮的積累。參考文獻：1王繼紅,劉景雙,于君寶,等.氮磷肥對黑土玉米農田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物量碳氮的影響J.水土保持學報,2004,18（1）：35-38.注：*顯著性水平0.05；*顯著性水平0.01。Note：*standforsignificanceatP<0.05；*standforsignificanceatP<0.01.3討論與結論（1）經(jīng)過連續(xù)7a不同耕作結合春小麥-豌豆輪作后，各處理耕層土壤有機碳含量產生了較大的差異。但無論何種輪作次序，土壤有機碳含量均隨著土壤深度的增加而減少，且均有NTS、TS處理的土壤有機碳含量均較T處理高的趨勢。但NT處理土壤總有機碳含量在春

27、小麥地中比T處理高，在豌豆地中比T處理低，可見秸稈覆蓋或還田對土壤總有機碳含量的提高效果比較穩(wěn)定，這與蔡立群等的研究結果一致13。其可能原因是測試年份PWP序列種植的作物是豌豆，其前茬作物春小麥的秸稈產量較WPW序列的前茬作物豌豆的秸稈產量高，秸稈還田后導致土壤總有機碳含量呈現(xiàn)此趨勢。（2）在兩種輪作次序下，保護性耕作的3個處理14在各土層中的全氮含量均較傳統(tǒng)耕作處理的高。對3個土層全氮含量加權求和結果表明，030cm土壤全氮含量均表現(xiàn)為NTSTSNTT的趨勢，且其含量呈隨土壤深度的增加而減少，這與土壤有機碳含量變化土壤全氮含量在剖面上的這種分布格局的趨勢相似。第28卷第7期農業(yè)環(huán)境科學學報1

28、521WANGJi-hong,LIUJing-shuang,YUJun-bao,etal.EffectoffertilizingNandPonsoilmicrobialbiomasscarbonandnitrogenofblacksoilcornagroecosystemJ.JournalofSoilandWaterConservation,2004,18（1）：35-38.2MacartyGW,MeisingerJJ,JenniskensFMM.Relationshipsbetweentotal-N,biomass-Nandactive-Ninsoilunderdifferenttillag

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31、ica,2002,39（1）：97-104.6姜培坤,周國模.侵蝕型紅壤植被恢復后土壤微生物量碳、氮的演變J.水土保持學報,2006,20（1）：112-127.JIANGPei-kun,ZHOUGuo-mo.ChangesinsoilmicrobialbiomasscarbonandnitrogenundererodedredsoilbyvegetationrecoveryJ.JournalofSoilandWaterConservation,2006,20（1）：112-127.7唐國勇,黃道友,童成立,等.土壤氮素循環(huán)模型及其模擬研究進展J.應用生態(tài)學報,2005,16（11）：2208

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