耕作與施肥對甘蔗地土壤微生物量碳、氮的影響

何瑞清, 王百群,2, 張 燕

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

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耕作與施肥對甘蔗地土壤微生物量碳、氮的影響

何瑞清1, 王百群1,2, 張 燕1

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

通過野外調查與室內分析，研究了云南蒲縹甘蔗地赤紅壤不同耕作與施肥土壤剖面微生物量碳、氮特征。結果表明：不同耕作與施肥對土壤微生物量碳、氮均有一定影響，其中耕作對土壤微生物量碳、氮的影響較為一致，表現為免耕>翻耕。施肥對0—20 cm土層中微生物量碳的影響表現為翻耕施肥>翻耕，對20—40 cm，40—60 cm土層中微生物量碳的效應呈現為翻耕>翻耕施肥，而施肥對土壤微生物量氮影響則與其對微生物量碳的效應相反。耕作和施肥對各個土層土壤微生物商具有顯著的影響(p<0.05)，表現為免耕>翻耕，翻耕施肥條件下0—20 cm土層的微生物商稍高于翻耕，而其他土層均為翻耕>翻耕施肥；土壤微生物量氮與全氮的比值與微生物量氮的變化趨勢相近。在不同的耕作和施肥條件下，免耕有利于提高土壤微生物量，施肥在一定程度上也利于提高土壤微生物量。

耕作; 施肥; 土壤微生物碳; 土壤微生物氮

土壤微生物量是土壤有機質的活性部分，是土壤中最活躍的成分，雖然只占土壤有機質的3%左右[1]，但對養分的供應、轉化與循環起著重要的作用；并且其變化可反映土壤耕作制度和土壤肥力的變化以及土壤的污染程度[2-4]。

耕作和施肥影響土壤通氣、透水和溫度等性質，進而影響土壤微生物量含量及其在土壤中的分布[2,4-7]。Follett等[8]研究了耕作對美國內布拉斯加州西部高平原區土壤微生物量動態的影響，結果表明，耕作降低了土壤微生物量的水平；并且，微生物生長的碳有效性隨著耕作強度的增加而降低。Dinesh等[9]，Powers[10]的研究也表明耕作會引起土壤物質水平的變化，從而影響土壤微生物活性及其微生物量。張潔等[11]的研究表明，長期耕作導致坡耕地土壤微生物碳、氮具有不同程度的坡下富集現象。免耕能夠提高農田系統中土壤微生物的豐富度、增加土壤微生物量含量。Chilima等[12]研究了氮肥的施加和耕作對黑土和紅壤中SMBC影響，研究表明氮肥的施加增加了土壤微生物碳含量。侯化亭等[13]進行田間試驗，研究了施肥水平對土壤微生物生物量碳氮的影響，表明施肥水平對土壤微生物生物量碳氮具有顯著影響。雖然國內對不同耕作與施肥下微生物量動態等方面的研究開展了大量的研究，但在中國亞熱帶赤紅壤生態景觀上，對微生物生物量碳氮的報道尚少。該研究以云南喀斯特地貌的保山蒲縹為例，通過對典型樣區S型采樣分析，研究不同耕作及施肥下土壤微生物生物量碳氮含量，以期闡明耕作及施肥對微生物生物量碳氮的影響，為科學經營和管理土地，維持和提高亞熱帶赤紅壤地區土壤肥力提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選取地處云南喀斯特地貌的保山蒲縹為研究區域，蒲縹位于東經99°02′，北緯24°58′，海拔1 200～1 500 m；年平均氣溫18.5℃，極端最高溫31.7℃，低溫-1℃；年日照時數2 300～2 500 h；年降水量1 200.00 mm，土壤類型以赤紅壤為主，種植的作物主要有水稻、玉米、甘蔗等。

1.2 樣品采集與培養

分別選擇長期免耕、翻耕、翻耕施肥的甘蔗地作為樣地。每個地塊按S型采樣法挖取5個60 cm深的剖面，每個剖面分層取樣，每20 cm作為一個采樣層，即0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm三個土層。將各點采取的樣品按層次充分混勻并剔除土壤中的植物根系及殘體，土壤樣品帶回實驗室風干，一部分土樣過2 mm篩，一部分土樣過0.25 mm篩備用。

為消除溫度與水分對土壤微生物生物量的影響，對風干土樣進行預培養。稱取120 g風干土樣加入去離子水，使土壤含水量保持在田間持水量的40%左右，置于恒溫箱中25℃下培養7 d。

1.3 測定指標與方法

主要測定指標包括土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、微生物生物量碳(SMBC)和微生物氮(SMBN)。

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用半微量開氏法[14]，土壤微生物生物量碳、氮氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[15-16]。

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0和Excel 2007進行數據處理和分析，應用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同耕作與施肥下土壤微生物量碳含量

不同耕作與施肥處理條件下土壤微生物量碳(SMBC)含量在不同土層都存在差異(圖1)，顯示為20—40 cm>0—20 cm>40—60 cm，每層土壤微生物量皆小于200 mg/kg，0—20 cm土層中SMBC含量變化范圍為113.05～133.84 mg/kg，20—40 cm，40—60 cm土層中SMBC含量的變化范圍分別是136.71～149.47 mg/kg和95.56～132.49 mg/kg。不同的耕作措施也對其有影響，在0—20 cm土層中，翻耕施肥>免耕>翻耕，免耕對SMBC含量顯著(p<0.05)高于翻耕。王曉凌等[17]也曾指出，在免耕條件下SMBC含量高于翻耕條件下SMBC含量。40—60 cm土層中翻耕的土壤SMBC含量顯著低于免耕的土壤，而較翻耕施肥的土壤高，這與張潔[11]、牛新勝[18]等的研究結果一致。這可能是因為翻耕不利于SMBC的保持，翻耕使得土壤淺層微生物暴露于空氣中而失去保護作用，并且翻耕后改變了土壤孔性、濕度、溫度等條件，從而改變了有利于微生物生長的環境，進而影響SMBC含量。

圖1 土壤微生物量碳隨土層深度的變化

2.2 不同耕作與施肥下土壤微生物量氮含量

耕作方式及施肥處理對土壤微生物量氮(SMBN)含量有顯著影響(p<0.05)(圖2)。0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土層中SMBN含量的變化范圍分別是10.69～20.81 mg/kg，13.27～31.28 mg/kg和9.91～16.14 mg/kg，與徐華勤等[19]得出的廣東韶關赤紅壤表層土壤(0—20 cm)SMBN主要分布在12.15～32.53 mg/kg之間的研究結果是一致的。本試驗中各層土壤的SMBN含量均表現為免耕>翻耕，這與張潔等[11]的研究結果一致。0—20 cm土層中SMBN表現為免耕>翻耕>翻耕施肥；20—40 cm土層中的SMBN為翻耕施肥>免耕>翻耕；40—60 cm土層中的SMBN呈現為免耕>翻耕施肥>翻耕。除翻耕施肥土壤的0—20 cm土層中SMBN低于僅進行翻耕過的土壤之外，翻耕施肥土壤的20—40 cm，40—60 cm土層中SMBN顯著高于翻耕的。徐陽春等[20]的研究也表明施用肥料的SMBN含量較施用肥料的高。這可能是免耕使作物殘余物在土壤中累積，導致土壤微生物活性和生物量、土壤碳及養分等的增加，改善了土壤水分、結構，并可維持土壤質量。肥料的施加可改善土壤理化性狀，為土壤微生物的生長、繁殖提供有利條件，提高土壤微生物活性，增加SMBN含量。

圖2 土壤微生物量氮隨土層深度的變化

2.3 不同耕作與施肥下SMBC/SOC，SMBN/TN

SMBC與SOC的比值被稱為土壤微生物商。有研究表明，土壤微生物商在0.5%～4.0%之間[3,21]。本研究中，SMBC/SOC為0.9%～1.5%。不同耕作方式之間的SMBC/SOC差異小于SMBC含量的差異。本研究中不同土層的微生物商因耕作、施肥不同而異。就同一土層而言，0—20 cm土層的土壤微生物商是免耕>翻耕施肥>翻耕，這與何瑩瑩等[22]的研究結果一致；20—40 cm土層的微生物商呈現為翻耕>免耕>翻耕施肥，而40—60 cm土層則表現為免耕>翻耕>翻耕施肥；翻耕施肥的土壤微生物商較免耕均降低。SMBN與全氮的比值(SMBN/TN)與微生物生物量氮的變化趨勢相近，與孫鳳霞等[23]在長期定位施肥分析中得到的研究結果一致。本研究中各層土壤SMBN/TN均為免耕>翻耕，20—40 cm土層的SMBN/TN顯著大于僅是翻耕過的。耕作和施肥對土壤微生物商及SMBN/TN的影響可能來源于其改變了土壤環境條件和土壤有機物質的投入，從而使SMBC，SMBN發生變化。

表1 不同耕作與施肥下甘蔗地SMBC/SOC，SMBN/TN %

3 結 論

耕作和施肥影響著土壤微生物量及其他性質。不同耕作與施肥下土壤微生物量碳、氮特征差異顯著，其中耕作對SMBC，SMBN的影響較為一致，均表現為免耕>翻耕。施肥條件下，0—20 cm土層中SMBC的含量表現為翻耕施肥>翻耕，20—40 cm，40—60 cm土層的SMBC的含量表現為翻耕>翻耕施肥。而施肥對SMBN影響則與其對SMBC的效應相反。不同土層的微生物商因耕作、施肥不同而異。與翻耕相比，翻耕施肥條件下，0—20 cm土層的微生物商稍高于翻耕的，其他土層的微生物商均表現為翻耕>翻耕施肥；翻耕的土壤的20—40 cm土層中微生物商稍高于免耕，其他層次表現為免耕>翻耕，翻耕施肥的土壤微生物商較免耕均降低。SMBN/TN與SMBN的變化趨勢相近。在不同的耕作和施肥中，免耕有利于提高土壤微生物量，施肥在一定程度上也利于提高土壤微生物量。因此，在農業生產中減少對土壤耕作及增加向土壤輸入有機物質有利于保持和提高土壤的生物肥力。

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Effects of Tillage and Fertilization on Soil Microbial Biomass Carbon and Nitrogen in Sugarcane Field

HE Ruiqing1, WANG Baiqun1,2, ZHANG Yan1

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The soil microbial biomass carbon (SMBC) and soil microbial biomass nitrogen (SMBN) in latosolic red soil at Yunnan Pupiao were investigated to determine how they were affected by tillage and fertilization. The results showed that different tillage and fertilization on soil microbial biomass carbon and nitrogen were affected. The effects of tillage on soil microbial biomass carbon and nitrogen were consistent, and showed no tillage>tillage. The influence of fertilization on soil microbial biomass carbon in 0—20 cm was tillage fertilization>tillage, 20—40 cm and 40—60 cm were tillage>tillage fertilization, while effect of fertilization on soil microbial biomass nitrogen contrasted with the effect of microbial biomass carbon. The quotients of soil microorganism were significantly different (p<0.05) in different tillage and fertilization and soil depth, and showed no tillage>tillage. Effect of tillage fertilization on soil microbial quotient of the 0—20 cm was slightly higher than tillage, and the other soil layers were tillage>tillage fertilization. The ratio of soil microbial biomass nitrogen to total nitrogen was similar to the trend of soil microbial biomass nitrogen. In different tillage and fertilization, no tillage would improve the soil microbial biomass helpfully, also fertilization could improve the soil microbial biomass in a certain extent.

tillage; fertilization; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen

2015-06-08

2015-07-16

國家自然科學基金重點項目(41330852);中國科學院戰略性先導科技專項“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題”(XDA05050504);國家自然科學資助項目(40301024)

何瑞清(1990—),女,云南保山人,碩士研究生,主要從事土壤有機碳氮循環研究。E-mail:hrqing8990@163.com

王百群(1968—),男,陜西渭南人,博士,副研究員,從事土壤有機碳氮循環研究。E-mail:bqwang@ms.iswc.ac.cn

S154.3;S158.3

1005-3409(2015)05-0118-04