保護性耕作下黃土高原作物輪作系統土壤健康評價

王明明，李峻成，沈禹穎

(蘭州大學草地農業科技學院 農業部草地農業生態系統學重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020)

土壤有機碳含量涉及陸地生態碳循環，是評價生態系統可持續的基礎指標之一[1-2]，土壤有機質的形成、轉化與穩定性依賴于土壤微生物的活性，土壤微生物量碳、氮對土壤肥力的變化敏感，是土壤肥力和土壤健康評價的重要生物學指標之一[3-6]。

我國黃土高原是典型的旱作農業區，傳統農業生產系統生產力低，水土流失嚴重，土壤質量退化，導致農業系統穩定性差，通過適宜的基于生態系統穩定性的管理措施，如草田輪作、保護性耕作等，可改善土壤肥力，促進土壤健康。 研究表明，保護性耕作提高了土壤有機碳含量，減少了CO2向大氣的釋放[7-10]，土壤微生物數量及活性均提高，微生物群落結構多樣性改善[11]。連續9年實施免耕+秸稈覆蓋能有效提高冬小麥-夏玉米輪作系統表層土壤微生物量51.7%[12]，然而，保護性耕作措施對土地利用強度很高的2年3熟輪作系統的研究尚不多見。本研究以黃土高原西部玉米(Zeamays)-小麥(Triticumaestivum)-大豆(Glycinemax)輪作為對象，研究免耕與秸稈還田等措施對土壤不同形態碳、氮的影響，旨在闡明保護性耕作措施對土壤健康的提升與影響，其結果對于黃土高原雨養農業系統的可持續發展和實現山川秀美及富裕安康有積極的指導意義。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 試驗地位于蘭州大學慶陽黃土高原試驗站(35°39′ N,107°51′ E)，海拔1 297 m。年平均氣溫8.0～10.0 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫為-22.4 ℃，>5 ℃年平均積溫3 446 ℃·d。無霜期平均為161 d，生長季255 d，年降水量480～660 mm，多集中在7-9月，年平均蒸發量1 504 mm。自然土壤為黑壚土，有機質含量在1%以下，土壤含氮量低于0.1%，pH值為8.0～8.5。

1.2試驗設計 試驗開始于2001年，共設4個耕作處理: Ⅰ傳統耕作(t); Ⅱ傳統耕作+秸稈覆蓋(ts);Ⅲ免耕(nt); Ⅳ免耕+秸稈覆蓋(nts)。每處理4個重復，隨機區組排列，共16個小區，小區面積為4 m×13 m。作物輪作序列為春玉米-冬小麥-夏大豆。

測試土壤采自2003年(水土保持耕作實施第3年)9月和2007年(水土保持耕作實施第7年)9月玉米作物收獲期，按0～5和5～10 cm利用土鉆分層取樣，每個小區取樣5次，混合。除去可見有機物，置4 ℃下保存，用于測定土壤微生物量碳和氮。另一部分土樣風干，過0.25 mm篩，用于測定土壤全碳、有機碳(OC)和全氮。

1.3土壤全碳、有機碳和全氮的測定 土壤全碳采用燃燒法(德國產Liqui-TOC，Elementar燃燒溫度850 ℃)，土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤全氮采用凱氏定氮法。

1.4土壤微生物量碳和氮的測定 采用氯仿熏蒸提取法[13]。熏蒸所造成的碳增量FC乘以轉換系數[KN(2.64)]，即得微生物量碳(Cmic，mg/kg) =2.64×FC；熏蒸土壤和未熏蒸土壤提取的氮含量之差(FN)除以轉換系數[KN(0.45)]，即得土壤微生物量氮(Nmic，mg/kg)=FN/0.45。

1.5數據統計分析 用Microsoft Excel進行圖形制作和相關性分析，用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析，新復極差法對4個處理間各指標進行平均數的多重比較。

2 結果與分析

2.1保護性耕作下表層土壤全碳、有機碳及全氮含量的變化 實施保護性耕作7年后，0～5 cm層土壤全碳以免耕+秸稈覆蓋處理最高，免耕處理最低，而5～10 cm土層中則以耕作處理為高(表1)。與傳統耕作相比，耕作+秸稈覆蓋、免耕、免耕+秸稈覆蓋增加了土壤0～5 cm層有機碳含量22.9%、25.3%和42.6%，在5～10 cm層則分別增加了26.6%、13.3%和29.9%，特別是耕作+秸稈覆蓋處理下土壤有機碳的增加幅度比免耕下提高1倍，說明耕作使得秸稈被翻耕到下層，使前茬作物的根系分泌物等可均勻分布在耕層,促進了有機碳向下層積累，最終土壤有機碳含量增加[14]，免耕下土壤碳向表層聚集，這與張潔等[15]的研究結果一致,主要原因是免耕和秸稈覆蓋通過改善土壤溫度和濕度，提高秸稈分解速率，從而增加了土壤有機碳含量[16-17]。土壤有機碳對耕作處理的響應比土壤全碳更敏感，在7年時間尺度下，免耕和秸稈還田有利于土壤有機碳含量的增加,秸稈覆蓋措施較單一免耕對土壤有機碳的增加能力更強，保護性耕作能夠有效提高土壤養分狀況，這點從免耕+秸稈還田處理下土壤易氧化,有機碳含量積累顯著并逐年升高的結論得到佐證[18]。黑壤中小麥-玉米-大豆輪作的土壤有機碳在少耕和免耕下，分別比多耕下提高150%和4.67%[19]，本研究從黑壚土所得到的結果進一步支持了這個結果。實施保護性耕作第7年，0～5 cm層土壤全氮含量在3種保護性耕作下分別比傳統耕作增加了43.9%、32.1%和14.4%，以免耕+秸稈覆蓋下最高；5～10 cm層土壤全氮含量與0～5 cm層表現一致，3種保護性耕作比傳統耕作分別增加了55.9%、30.3%和27.9%(表1)，這是因為旱地土壤免耕覆蓋后最顯著的變化就是土壤結構變化，各級水穩性團聚體增加，其中大團聚體數量增加顯著，增大了土壤對環境水、熱變化的緩沖能力，為植物生長，微生物活動創造良好生境[20]，加快了土壤氮循環，提高了土壤氮的有效性[21]。傳統耕作處理下土壤全氮、有機碳含量等降低，高強度的輪作加之傳統耕作因擾動頻繁加劇了土壤的退化，不利于土壤健康狀況。

土壤OC/N均介于6～9之間，各處理之間差異不顯著，隨著實施年限的延長，免耕+秸稈覆蓋處理下土壤OC/N下降，說明當地土壤氮處于可被迅速礦化狀態，主要是因為耕作處理下土壤全氮含量較低，全碳含量較高，而免耕和覆蓋又顯著增加了土壤全氮含量所致。在免耕和秸稈覆蓋下微生物活性較高, 秸稈覆蓋為土壤微生物提供了充分的食物,有利于土壤微生物的生長,反過來土壤微生物又促進了秸稈的腐化降解[1]，加快了保護性耕作下有機物的周轉速率，滿足作物對氮的需求。

保護性耕作實施7年后，保護性耕作下土壤0～5 cm層有機碳較保護性耕作實施第3年平均增加5%，而傳統耕作下則降低6%，5～10 cm層則相應增加了8.9%和降低了2.6%。0～5 cm層土壤全氮在傳統耕作、耕作+秸稈覆蓋、免耕、免耕+秸稈覆蓋下2007年較2003年增加5.1%、15.4%、25.6%和28.6%，5～10 cm則表現為減低4.0%，在3個保護性耕作下分別增加15.4%、15.4%和42.7%，說明土壤養分含量隨保護性耕作實施年限的增加而增加，而傳統耕作對土壤進行翻耕外加作物秸稈移出，導致表土暴露和土壤結構的破壞，加速了土壤有機質的分解,增加了土壤侵蝕和養分流失,免耕加覆蓋既減少了土壤的擾動又為土壤提供了外加碳源，促進了微生物活性，對于在作物系統中實現從碳源到碳匯的轉變有積極的意義[15]。

已有研究表明[22]，有豆科作物(或牧草)參與的輪作系統可有效改善土壤肥力狀況，如小麥- 豌豆輪作系統的土壤有機質、全氮、堿解氮和速效磷等指標比小麥連作普遍增加，本研究采用的小麥-玉米-大豆2年3熟輪作系統，雖然利用強度很高，但由于輪作系統中包含豆類作物，因此隨輪作年限的延長，傳統耕作下土壤有機碳的下降并不顯著。

表1 保護性耕作實施不同階段表層土壤全碳、全氮及有機碳含量 mg/kg

2.2土壤微生物量碳、氮含量 0～5 cm層土壤微生物碳以免耕+秸稈覆蓋為最高，比傳統耕作處理下顯著提高21%(P<0.05)(表2)，主要是因為傳統耕作土壤頻繁擾動,通氣性增加,土壤團聚體易遭破壞,微生物與有機物的接觸面增大,從而使外加有機物和土壤原有有機質的礦化分解要比免耕土壤強烈,相應地土壤微生物量碳也較低[5]。秸稈覆蓋處理下，微生物可利用秸稈提供的碳源物質進行自身繁殖，促進將有機秸稈碳同化為微生物量碳[23]，另一方面，秸稈覆蓋下土壤水分狀況得以改善，土壤濕度較高，研究表明在一定范圍內土壤微生物量隨著土壤含水量的增加而增加[15,24]。免耕和秸稈覆蓋在夏季能降低地表溫度，在春冬季節有保溫作用，利于微生物的生長與繁殖。

5～10 cm層土壤微生物量碳表現為傳統耕作+秸稈覆蓋>傳統耕作>免耕+秸稈覆蓋>免耕，與土壤全碳含量表現出相同的趨勢，耕作更利于微生物量碳的積累，其原因是表層土壤能較好地與外界進行物質與能量交換，進入土壤的有機物質最先聚集于表層，土壤微生物因養分條件好而活動旺盛，有利于微生物的繁殖[25]。

0～5 cm層土壤微生物量氮含量在免耕、免耕+秸稈覆蓋和耕作+秸稈覆蓋處理下較傳統耕作分別增加了40.9%、39.6%和14.1%。5～10 cm土層中則為免耕+秸稈覆蓋下最高，免耕與耕作+秸稈覆蓋次之，比傳統耕作下分別增加了54.2%、40.3%和19.6%(表2)。免耕下土壤具有良好的結構，覆蓋又減少了土壤氮素的揮發，而使土壤有效氮含量較高，此外，覆蓋秸稈補充的有機碳,為土壤微生物提供了一定碳源和能源,在增加土壤微生物數量的同時也增加了對氮的固持能力,從而使土壤微生物量氮有所提高[26]。本研究發現，5～10 cm層微生物量氮高于0～5 cm層，而全氮含量卻相反，這可能是由于保護性耕作與傳統耕作相比，因土壤水分相對高，耕層土壤中氮向下淋溶，在底層累積所致[27]。

表2 保護性耕作實施7年后土壤微生物碳、氮含量

2.3土壤微生物量碳與有機碳及土壤微生物量氮與土壤全氮的相關關系 表層0～5 cm層土壤有機碳與微生物量碳呈顯著正相關，可以代表71%的微生物量碳，5～10 cm土壤有機碳與土壤微生物量碳呈弱正相關，有機碳僅解釋20%的微生物量碳(圖1)。土壤微生物量氮與土壤全氮表現出較好的正相關，0～5與5～10 cm的土壤全氮分別解釋了59%和64%土壤微生物量氮(圖2)。已有研究表明土壤微生物量碳與有機碳顯著正相關，土壤全氮與微生物量氮呈顯著正相關關系，土壤微生物量碳氮是表征土壤肥力的敏感因子[28-29]，Brookes等[30]用20種土壤的研究表明，微生物量氮與土壤全氮有極顯著的正相關關系，相關系數達0.95以上。樊麗琴等[5]研究表明保護性耕作實施早期，土壤微生物量碳、氮含量顯著提高，但土壤微生物量碳與土壤有機碳之間無明顯的相關性，可以認為，本研究條件下短期尺度下土壤微生物量碳、氮是反映耕作變化的敏感指標，中期尺度下，土壤有機碳足以敏感反映土壤健康狀況。

圖1 土壤微生物量碳與土壤有機碳的相關性

圖2 土壤微生物量氮與土壤全氮的相關性

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