保護性耕作對黃土旱塬玉米土壤呼吸及微生物數量的影響

楊 倩，張清平，蔣海亮，楊德雄，王先之，沈禹穎

（草地農業系統國家重點實驗室 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020）

土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過程，是陸地生態系統碳循環的一個重要過程，也是土壤碳庫的主要輸出途徑［1］。土地利用方式、土壤理化性狀及溫度、水分、施肥、耕作等多種因素都會對土壤呼吸產生影響［2-5］，其中土壤呼吸和溫度具有良好的相關性，存在明顯的季節差異［6］。保護性耕作通過秸稈添加，增加了土壤有機碳含量，有效提高了水分利用效率，促進了作物生長，對土壤CO2釋放過程產生影響。研究表明，免耕留茬覆蓋較傳統耕作能顯著降低土壤呼吸速率，且隨秸稈添加量的增加而降低［7-8］，但仍有研究發現保護性耕作措施可提高土壤呼吸［9］，且灌溉條件下，隨著秸稈還田量的增加，土壤呼吸通量增加［10］。為了明確在黃土高原長期旱作條件下，秸稈還田和免耕對土壤呼吸作用的影響及微生物活性在土壤呼吸中的作用，本研究以進行十余年保護性耕作的玉米（Zeamayscv.Zhongdan No.2）-小麥（Triticumaestivumcv.Xifeng No.24）-大豆（Glycinemaxcv.Fengshou No.12）輪作系統為對象，探討保護性耕作下春玉米主要生育期土壤呼吸和土壤微生物數量動態及其相互關系，以評價不同耕作措施對降低或減緩土壤CO2排放效果，以期為黃土高原旱作農業區不同耕作措施的合理應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇 研究地點位于蘭州大學慶陽黃土高原試驗站（35°40′N，107°51′E），行政區域屬甘肅省慶陽市西峰區什社鄉，海拔1 297m。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℃年均積溫為3 446℃·d。無霜期平均為161d，生長季255d，年降水量480～660mm，多集中在7-9月，年平均蒸發量1 504mm。自然土壤為黑壚土，有機質含量在1%以下，土壤含N量低于0.1%，pH值為8.0～8.5。

1.2 試驗設計 試驗設4個處理：傳統耕作（T），傳統耕作＋秸稈還田（TS），免耕（NT），免耕＋秸稈還田（NTS）。每處理4個重復，完全隨機區組排列，共16個小區，小區面積為4m×13m。輪作序列為春玉米-冬小麥-夏大豆。玉米于4月上旬播種（行距50cm，株距33cm），9月中下旬收獲，玉米收獲后立即播種小麥（播量225kg·hm-2、行距15 cm），第2年6月底收獲，隨后立即播種大豆（行距25cm、株距25cm），10月收獲，土地休閑，到翌年4月播種玉米，即為一個完整的輪作體系。此輪作系統開始于2001年。

1.3 土壤呼吸速率測定 土壤呼吸速率采用LICOR-6400便攜式光合作用儀連接6400-09土壤葉室測定（Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA）。每次測定時，齊地面剪去管中的綠色植被。測定所用PVC基座直徑10cm、高5cm，提前24h嵌入土中約3 cm，每個小區2個重復，測定土壤呼吸速率的同時，用LI-6400光合系統自帶的土壤溫度探針垂直插入PVC環附近的土壤10cm，記錄10cm深度的土壤溫度，每重復需4～5min。選擇在2010年7月底（玉米花期）和9月底（玉米收獲期）的晴天09：00-11：00進行田間測定，持續進行2d，求其算術平均值。

1.4 土壤微生物數量的測定 土壤樣品于每次土壤呼吸測定后采集，每個小區隨機選取5株玉米，從土壤中小心地采集其根系，輕輕抖落附在根上的土壤，將剩下的根系和土壤在無菌自封袋中輕輕抖動大約1min，作為根際土［11］。所有新鮮土樣揀出可見碎石、植物殘體、根系及土壤動物，過2mm不銹鋼篩后立即測定微生物。微生物數量采用稀釋涂布平板計數法測定。其中，細菌培養采用牛肉膏蛋白胨培養基；放線菌培養采用高氏1號培養基；真菌培養采用馬丁氏孟加拉紅培養基，培養3～6d進行觀察計數。

1.5 數據處理與統計分析 用Excel（V2003）、Genstat Discovery Edition 2軟件進行數據處理和統計分析，雙因素方差分析檢驗耕作和秸稈還田效應以及兩者的互作效應。且本研究通過雙因素分析得到免耕（NT和NTS）和耕作（T和TS）處理去除了秸稈利用方式對耕作方式的影響；秸稈還田（TS和NTS）和秸稈移除（T和NT）去除了耕作和免耕對秸稈利用方式的影響。

2 結果與分析

2.1 保護性耕作對玉米花期和收獲期土壤呼吸以及10cm地溫的影響 實施保護性耕作10年后，各處理下玉米花期土壤呼吸速率和土壤溫度均高于收獲期。2個生長階段，不同耕作處理下10 cm地溫的變化趨勢與土壤呼吸速率變化趨勢基本一致（表1）。

雙因素方差分析顯示，免耕、秸稈還田以及兩者互作對玉米花期土壤呼吸速率影響極顯著（P＜0.001），土壤呼吸速率在T處理下最高，免耕較耕作土壤呼吸速率降低8.3%（P＜0.05），秸稈還田使土壤呼吸速率比秸稈移除下顯著降低7.8%。無秸稈條件下，T比NT處理的土壤呼吸速率顯著提高15.2%，秸稈還田后，TS和NTS處理的呼吸速率無差異，均為3.69μmol CO2·m-2·s-1。因此，秸稈還田掩蓋了耕作效應對土壤呼吸速率的提高作用，反映了秸稈還田降低生長季土壤呼吸的效應。花期10cm土壤溫度波動在20.11～22.23℃，T處理下10cm地溫比TS、NT、NTS處理分別顯著高出6.7%、7.0%和10.5%（P＜0.001）。耕作、秸稈及其互作差異極顯著（P＜0.001）。耕作處理的土壤溫度在沒有秸稈條件下比免耕顯著增加了7.0%；秸稈還田后，無論耕作與否（TS和NTS），10cm土壤溫度之間無顯著差異（表1）。

與花期相比，收獲期各處理下土壤呼吸速率分別降低了57.5%、56.9%、57.8%和63.7%，仍以T處理下土壤呼吸速率最高，NTS處理下最低。雙因素方差分析表明，免耕較耕作降低土壤呼吸速率15.5%，秸稈還田較秸稈移除降低13.6%（P＜0.05），但耕作和秸稈的互作效應不顯著（P＞0.05）。收獲期各處理下10cm地溫在16.0～16.9℃，明顯低于花期同層土壤溫度，且變幅降低，仍以T處理下的地溫最高（16.88℃），NTS處理下最低（16.01℃）。免耕處理比耕作處理顯著降低土壤溫度2.8%，秸稈還田較秸稈移除顯著降低2.5%，未見顯著的免耕與秸稈交互效應（表1）。

2.2 保護性耕作下根際土壤微生物數量分布玉米花期4個耕作措施下根際土壤細菌數量大小依次為T＜TS＜NTS＜NT（表2），免耕顯著增加了玉米花期根際細菌的數量，比耕作下顯著提高28.1%（P＜0.001）。NT和NTS處理根際真菌數量在玉米花期明顯高于T處理（P＜0.05），免耕下根際土壤中真菌的數量比耕作顯著提高了39.4%，秸稈還田也提高了根際土壤中真菌的數量，但是與秸稈移除條件下差異不顯著（P＞0.05）。免耕和秸稈還田效應對玉米花期根際放線菌數量的影響顯著，免耕較耕作下放線菌數量提高20.6%，秸稈還田下較秸稈移除提高16.5%，但兩者間無顯著的互作效應。

表1 保護性耕作下玉米花期和收獲期土壤呼吸速率和10cm地溫的變化Table 1 Soil respiration and 10cm ground temperature in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

表2 保護性耕作下玉米花期和收獲期3類土壤微生物數量的變化Table 2 Soil microorganism in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

收獲期根際土壤細菌的數量較花期有所下降，免耕和秸稈還田提高根際土壤細菌數量的效應顯著，分別比耕作和去除秸稈提高9.9%和11%（P＜0.05），NTS處理下細菌數量比T處理下顯著提高22.7%，耕作和秸稈間無顯著的交互效應。根際真菌數量在T處理下最低，僅為8.45×104cfu·g-1，分別比其他3個處理顯著降低了22%、28.5%和31.8%，免耕比耕作顯著提高收獲期玉米根際真菌數量25.6%。收獲期根際放線菌數量的變化規律為NTS＞TS＞NT＞T，且NTS處理下放線菌的數量比T處理下顯著增加了25.8%（P＜0.05）。雙因素方差分析表明，秸稈還田能顯著提高根際放線菌數量，比秸稈移除條件下增加了17.8%（P＜0.05）。

2.3 保護性耕作下3類土壤微生物數量比例的變化 在玉米花期和收獲期，根際土壤中細菌、真菌以及放線菌數量之間的相互比值在各個處理間基本是一致的，耕作和秸稈效應以及兩者之間的互作效應均不顯著（表3）。

2.4 保護性耕作下土壤微生物數量和10cm地溫與土壤呼吸速率的相關性分析 對玉米花期的土壤呼吸速率與根際微生物數量及10cm地溫相關關系進行分析（表4），結果表明，玉米花期土壤呼吸速率與根際土壤中3類微生物數量均呈負相關關系，但均未達到顯著水平（P＞0.05）。且玉米花期10cm地溫與土壤呼吸速率極顯著正相關（P＜0.01）。玉米收獲期土壤呼吸速率與根際微生物數量相關關系與玉米花期表現一致，土壤呼吸速率隨著三大類根際土壤微生物數量的增加而降低，但是均未達到顯著水平（P＞0.05）。但是土壤呼吸速率與10cm地溫極顯著正相關（P＜0.01）（表4）。

表3 保護性耕作下玉米花期和收獲期3類土壤微生物數量的比值Table 3 Ratios among three kinds microorganism in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

表4 玉米花期和收獲期土壤呼吸速率與微生物數量、10cm地溫之間的相關性分析Table 4 Correlation analysis between soil respiration and soil microorganism，and 10cm ground temperature in maize anthesis and harvesting stage

3 討論

土壤呼吸是陸地生態系統碳循環的一個重要過程，也是土壤碳庫的主要輸出途徑。本研究測定了保護性耕作10年后玉米田的土壤呼吸速率，結果表明，免耕和秸稈還田均能顯著降低土壤呼吸速率，這與眾多研究［8，12-14］在不同試驗條件下所得到的結論一致，主要是因為農田秸稈還田后，在地面和空氣之間形成了一個疏松的隔離層，切斷了土壤與大氣的直接聯系，阻擋了土壤水分向大氣的自由逸散，通過深松蓄水保墑，有效改變了土壤濕度狀況，從而減少土壤干濕交替變化，導致土壤呼吸量降低［15］。當土壤受到耕作擾動時，土壤耕層通透性得到改善，土壤有機質加速分解，土壤呼吸速率也隨之加快［16］。在玉米花期，秸稈和耕作的交互作用顯著影響了土壤呼吸速率，說明免耕和秸稈還田措施同時使用，并不是簡單的疊加效應。同時呼吸速率對溫度高度敏感，在多種不同類型的生態系統中，土壤呼吸速率往往都是隨土壤溫度增加而增大［6，17］。本研究也發現，10cm地溫和土壤呼吸速率在不同處理下變化趨勢一致，達到極顯著正相關，表現出明顯的季節動態。

土壤微生物是土壤有機質和土壤養分（C、N、P、S等）轉化和循環的重要組分［18］，在一定程度上支配著通過土壤呼吸所進行的C釋放［19-20］。通常情況下，真菌首先分解凋落物，隨著細菌數量的增加，細菌的分解功能加強，同時分解真菌死亡的菌絲，而放線菌則對土壤中腐殖酸的形成起著重要作用［21］。保護性耕作與傳統耕作相比，顯著增加了根際土壤細菌、真菌和放線菌三大類微生物的數量，主要由于免耕和秸稈還田可以減少對土壤的擾動，增加土壤中有機質的含量，營造一個相對穩定的微生物生態系統，從而有利于土壤微生物的生長與繁殖。土壤呼吸作為衡量土壤生物活性的指標，一定程度上反映了土壤養分轉化和供應能力［22］，但是通過微生物數量與土壤呼吸的相關性分析發現，土壤呼吸和10 cm地溫極顯著正相關，與根際土壤中細菌、真菌以及放線菌的數量無顯著相關性，說明溫度可能是影響土壤呼吸的主要因子。這與不同刈割年限天然草地上的研究結果［23］不同，原因是土壤環境非常復雜，土壤呼吸是一種復雜的生物學過程，受到多種因素的影響。土壤呼吸組分中，約50%來源于活根和菌根的呼吸，40%來源于新碳的分解，僅10%左右來源于不易分解的碳［8，12，24-25］，其中植物的根系呼吸是土壤呼吸中最重要的一部分，玉米根際呼吸占土壤呼吸比例為91%～95%［26］，微生物呼吸僅占很小一部分。因此，本研究中土壤微生物和土壤呼吸沒有顯著的相關性，也可能與研究地點的地理位置、氣候、環境條件等之間的差異有關，因此，仍需對根系呼吸以及其他環境因子做進一步研究。

4 結論

在黃土高原雨養農業區，傳統耕作（T處理）土壤呼吸速率在玉米花期和收獲期均顯著高于其他各保護性耕作措施（TS、NT和NTS處理）。免耕和秸稈還田均能顯著地降低土壤呼吸速率以及10cm處地溫，表現出顯著的耕作和秸稈效應。免耕和秸稈還田能不同程度地提高玉米各生育期根際土壤中細菌、真菌以及放線菌的數量，但各時期三大類微生物數量的比值在不同處理下保持一致。玉米各生育期下，土壤呼吸速率與10cm地溫極顯著正相關，但呼吸速率和根際土壤中細菌、真菌以及放線菌的數量均未表現出顯著的相關關系。

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