不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳、微生物量及酶活性的影響

陳 娟， 馬忠明, *， 劉莉莉， 呂曉東

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭 州730070； 2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 蘭州 730070；3甘肅省卓尼縣氣象局， 甘肅卓尼 747600)

?

不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳、微生物量及酶活性的影響

陳 娟1， 馬忠明1, 2*， 劉莉莉3， 呂曉東2

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭 州730070； 2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 蘭州 730070；3甘肅省卓尼縣氣象局， 甘肅卓尼 747600)

【目的】依托8年長(zhǎng)期(20052012)固定道定位試驗(yàn)，研究不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳、土壤微生物量、土壤酶活性在0—90 cm土層的分布特征，為優(yōu)化中國(guó)西北干旱區(qū)的耕作方式提供理論依據(jù)。【方法】試驗(yàn)包括固定道壟作(PRB)、固定道平作(PFT)與傳統(tǒng)耕作(CT)三種耕作模式下的土壤有機(jī)碳土壤總有機(jī)碳(TOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)、土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)、土壤微生物量磷(MBP)、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶及小麥產(chǎn)量進(jìn)行了測(cè)定和分析。【結(jié)果】在0—90 cm土層，不同耕作方式下的TOC、POC、MBC、MBN、MBP、蔗糖酶活性、脲酶活性均隨著土層的增加呈下降趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活性呈先下降后增大的分布特征；在0—60 cm，固定道保護(hù)性耕作能夠顯著增加心土層作物生長(zhǎng)帶土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，有機(jī)碳儲(chǔ)量大小為PRB>PFT>CT；PRB、PFT較CT可以顯著增加0—10 cm作物生長(zhǎng)帶TOC、POC、MBC、MBN、MBP含量、蔗糖酶、脲酶活性，其大小為PRB>PFT>CT；耕作方式對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響不顯著；TOC、POC、MBC、MBN、MBP、蔗糖酶活性、脲酶活性、過(guò)氧化氫酶活性之間均達(dá)到了顯著或極顯著相關(guān)。【結(jié)論】PRB較PFT、CT能夠提高耕作層(0—10 cm)土壤有機(jī)碳含量、土壤微生物量、土壤酶活性， 增加作物產(chǎn)量， 增大0—60 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量，耕作方式(PRB、PFT及CT)對(duì)10 cm以下土層土壤環(huán)境改善作用不明顯。

固定道； 土壤有機(jī)碳； 土壤微生物量； 土壤酶活性

河西綠洲灌溉既是我國(guó)西北糧油基地，也是缺水干旱區(qū)(年降雨100 mm左右)[1]。傳統(tǒng)耕作方式頻繁翻耕土地，有機(jī)物補(bǔ)給不足，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量下降、土壤微生物結(jié)構(gòu)改變[2]，加之大水漫灌及自然災(zāi)害，致使該區(qū)地下水位持續(xù)下降。這種浪費(fèi)水肥資源，費(fèi)工費(fèi)時(shí)低效高耗能的粗放耕作方式不能適應(yīng)河西農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀的需求[3]。保護(hù)性耕作方式(少免耕及秸稈覆蓋)可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤團(tuán)聚體含量，減少土壤風(fēng)蝕水蝕，增加土壤持水性[4]。固定道壟作保護(hù)性耕作(permanent raised bed，PRB)是在農(nóng)田中設(shè)固定的機(jī)械行走道路，固定壟作和溝灌代替?zhèn)鹘y(tǒng)平作和大水漫灌，壟上種植作物，壟溝既是灌水溝，也是機(jī)械車輪行走道，作物收獲后，高留茬秸稈覆蓋免耕。PRB耕作方式不僅適宜高度農(nóng)業(yè)機(jī)械化種植，還可減少土壤壓實(shí)，提高水肥利用效率，減少生產(chǎn)投入(水肥、勞動(dòng)力)，降低生產(chǎn)成本，改善土壤結(jié)構(gòu)及提高作物產(chǎn)量[5]，是一種新型的耕作方式。

土壤有機(jī)碳、土壤微生物量、酶活性是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，耕作方式影響著土壤肥力指標(biāo)的變化[6-8]。已有研究報(bào)道，PRB對(duì)提高水肥利用率、改善土壤物理結(jié)構(gòu)和節(jié)能增產(chǎn)方面有良好效果[9-10]，研究其對(duì)土壤有機(jī)碳、土壤微生物量、酶活性及作物產(chǎn)量的影響可深入了解其產(chǎn)生這些作用的機(jī)理。已有的關(guān)于耕作方式對(duì)有機(jī)碳、微生物量含量及土壤酶活性的影響的研究，大多關(guān)注有機(jī)碳含量較多的表層土壤，本研究利用20052012長(zhǎng)期固定道保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)，對(duì)河西灌區(qū)3種栽培方式下的0—90 cm土壤有機(jī)碳、微生物量、酶活性、產(chǎn)量進(jìn)行分析，闡明保護(hù)性耕作的增產(chǎn)機(jī)制，以期篩選出適合當(dāng)?shù)馗珊禇l件下作物生長(zhǎng)的耕作模式，為該區(qū)土壤質(zhì)量改良和生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2005年在農(nóng)業(yè)部張掖綠洲灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于38°56′N、 100°26′E，海拔1570 m，多年平均降水量129 mm，多年蒸發(fā)量2048 mm，年平均氣溫為7.38℃，降水主要集中在7、8、9月，干旱指數(shù)為15。日照時(shí)數(shù)29323085 h，≥10℃的積溫為18372870℃。該區(qū)為無(wú)灌溉無(wú)農(nóng)業(yè)的典型干旱綠洲灌溉區(qū)。土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土(砂粒49%、 粉砂34%、 黏粒17%)，0—20 cm耕作層土壤容重為1.38 g/cm3、 有機(jī)質(zhì)為12.49 g/kg、 全氮為0.78 g/kg、 pH為8.58、 速效磷為13.72 mg/kg、 速效鉀為223.7 mg/kg。 2 m土層田間持水量和萎蔫含水量(按體積計(jì)算)分別32%和9.5%；小麥生育期降水為65.4 mm。 一般3月下旬播種，7月下旬收獲。不同土層及耕作方式下容重、含水量和pH如表1 所示。供試春小麥品種為‘隴輻2號(hào)’，播種量為375 kg/hm2。施N 225 kg/hm2，純P2O5180 kg/hm2。其中，40%的氮肥和全部磷肥作為底肥一次性施入，其余的氮肥分兩次作為追肥結(jié)合一水、 二水施入。灌水時(shí)間結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際，分別在小麥拔節(jié)期(5月中旬)、小麥抽穗期(6月中旬)及小麥灌漿前期(7月上旬)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，即傳統(tǒng)耕作(CT)、固定道平作(PFT)和固定道壟作(PRB)，隨機(jī)區(qū)組排列，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積216 m2(18 m×12 m)，種植制度采用當(dāng)?shù)氐湫托←渾巫髂Ｊ健鹘y(tǒng)耕作土壤全部耕作，大水漫灌，小麥秸稈全部移走，機(jī)械壓實(shí)；固定道栽培見(jiàn)圖1，平作處理在固定道上不起壟，采用免耕、大水漫灌、秸稈覆蓋；壟作處理則是在固定道上起壟，每年播種前對(duì)壟床進(jìn)行少量的修整，免耕、溝灌，秸稈覆蓋(圖1)。

注(Note): CT—傳統(tǒng)耕作 Conventional tillage; PFT—平作 Flat sowing; PRB—壟作固定道 Permanent raised bed. 數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在0.05 水平差異顯著性 Values followed by different small letters indicate significant differences at the 0.05 level; 數(shù)據(jù)測(cè)定于2012 年7月 Measured in July 2012.

圖1　固定道及起壟示意圖Fig.1　Diagram of the permanent tillage zone and the raised bed

1.3土樣采集

2012年3月27日播種，7月23日成熟收獲。在小麥?zhǔn)斋@后采集土樣，每個(gè)處理各小區(qū)隨機(jī)確定6個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)均分布于作物種植帶，分別采集0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm和60—90 cm 6個(gè)土層的土樣，同一小區(qū)同一深度采集的土樣，剔除石礫和植物殘茬等雜物，混合制樣，無(wú)菌塑料袋包裝，一部分土樣4℃冰箱保存，測(cè)定微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、微生物量磷(MBP)含量及土壤酶活；另一部分土樣室內(nèi)風(fēng)干過(guò)篩，用于總有機(jī)碳(TOC)和土壤顆粒有機(jī)碳(POC)測(cè)定。

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法

TOC測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；POC測(cè)定：稱取過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土20 g，放入三角瓶中，加入100 mL 5 g/L的六偏磷酸鈉溶液中，在往復(fù)震蕩器震蕩18 h。把土壤懸液過(guò)0.05 mm篩，反復(fù)用蒸餾水沖洗，以篩POC，在60℃下過(guò)夜烘干稱量(>12 h)，計(jì)算顆粒有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳含量；MBC、MBN、MBP用氯仿熏蒸法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；脲酶采用靛酚藍(lán)比色法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法[11]。

1.5數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 21 軟件進(jìn)行方差和相關(guān)分析，運(yùn)用Excel2013作圖。

SOC儲(chǔ)量計(jì)算如下：

式中， SOCs為特定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；Ci為第i層土壤的SOC含量(g/kg)；ρi為第i層土壤容重(g/cm3)；Ti為第i層土壤厚度(cm)；n為土層數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1不同耕作方式下土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳含量的垂直分布

耕作方式對(duì)0—10 cm土層TOC、POC含量影響最為顯著(圖2)，呈現(xiàn)表層富集現(xiàn)象，其它土層差異均不顯著。在0—5 cm土層，PRB、PFT與CT相比，TOC含量分別增加了27.04%、18.16%，POC含量分別增加了19.96%、15.67%；5—10 cm土層，PRB、PFT與CT相比，TOC含量分別增加了9.87%、8.12%，POC含量分別增加了23.17%、15.33%。PRB能夠提高土壤耕作層TOC、POC含量。在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm及20—40 cm土層，TOC、POC含量大小為PRB>PFT>CT；在40—60 cm及60—90 cm土層，TOC、POC含量大小為CT >PRB>PFT。

圖2　不同耕作方式不同土層土壤顆粒有機(jī)碳、總有機(jī)碳含量Fig. 2　The POC and TOC contents from 0 to 90 cm soil depths under different tillage treatments[注(Note): PRB—固定道起壟Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—傳統(tǒng)耕作Conventional tillage. 不同字母表示同一土層不同耕作方式之間差異顯著(P<0.05) Different letters mean significant differences among treatments in the same soil depth at the P<0.05 level.]

2.2不同耕作方式對(duì)0—90 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存量的影響

耕作試驗(yàn)實(shí)施8年后，0—5 cm土層，PFT和PRB較CT有機(jī)碳(SOC)儲(chǔ)量分別提高了26.71%和21.66%，0—10 cm土層分別提高了20.75%和16.35%，0—20 cm土層分別提高了13.72%和6.76%，0—40 cm土層分別提高了10.83%和6.05%。其中，0—10 cm土層，保護(hù)性耕作(PRB與PFT)能夠顯著增加SOC儲(chǔ)量，0—60 cm土層SOC儲(chǔ)存量大小為PRB>PFT>CT，PRB、PFT處理間沒(méi)有顯著差異。整個(gè)土壤剖面(0—90 cm)，3種耕作處理下SOC儲(chǔ)量差異不顯著(表2)。結(jié)果表明，保護(hù)性耕作(PRB與PFT)能提高表土層與心土層SOC儲(chǔ)量，對(duì)于底土層SOC儲(chǔ)量影響不大。

2.3不同耕作方式下土壤微生物量碳、氮、磷含量的垂直分布

由圖3可以看出，不同耕作方式下，MBC、MBN與MBP含量隨著剖面深度的增加而減少，說(shuō)明在土壤微生物主要生活在表層土壤。

耕作方式對(duì)0—10 cm土層MBC含量影響最為顯著，以PRB處理最高，其他各層差異不顯著；PRB與CT差異顯著(P<0.05)，其中在0—5 cm和5—10 cm土層，PRB、PFT與CT相比，MBC的含量分別增加了19.76%、11.27%，26.19%、23.03%。耕作方式對(duì)10—90 cm表層MBC的含量影響不顯著。在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm及20—40 cm土層，MBC含量大小為PRB>PFT、 CT；在40—60 cm及60—90 cm土層，MBC含量大小為CT >PRB>PFT。

在0—40 cm 土層，耕作方式顯著影響MBN含量，隨著土層的增加差異不顯著，0—5 cm、5—10 cm及10—20 cm土層不同耕作方式下，MBN含量大小為PRB>PFT、 CT，20—40 cm土層，其大小為PRB、 CT>PFT；40—60 cm及60—90 cm土層，耕作方式對(duì)MBN含量影響不顯著。

耕作方式對(duì)0—10 cm MBP含量影響顯著，其含量大小為PRB>PFT>CT，其中，0—5 cm、5—10 cm土層，PRB、PFT與CT相比，MBP含量分別增加了71.45%、36.91%，11.35%、6.46%。對(duì)10 cm以下土層MBP含量影響不顯著。

表2　不同耕作方式下作物生長(zhǎng)帶土壤有機(jī)碳(SOC)儲(chǔ)量(t/hm2)

注(Note): PRB—固定道起壟Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—傳統(tǒng)耕作Conventional tillage. 數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示同一土層深度處理間差異顯著(P<0.05) Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same soil depth at 5% level.

圖3　不同耕作方式下不同土層的土壤微生物量Fig.3　Soil microbial biomass contents at 0-90 cm soil depths under different tillage treatments[注(Note): PRB—固定道起壟Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—傳統(tǒng)耕作Conventional tillage. 不同字母表示同一土層不同耕作方式之間差異顯著(P<0.05) Different letters mean significant differences among treatments in the same soil depth at the P<0.05 level.]

經(jīng)過(guò)8年不同耕作處理后，土壤耕作層MBC、MBN與MBP含量均以PRB最高，CT最低，說(shuō)明PRB耕作處理可以顯著提高耕作層微生物數(shù)量。

2.4不同耕作方式下土壤蔗糖酶、脲酶及過(guò)氧化氫酶活性的垂直分布

土壤蔗糖酶活性在0—90 cm土層隨著土壤深度的增加，酶活性呈下降趨勢(shì)。耕作方式對(duì)土壤表層(0—5 cm、5—10 cm)蔗糖酶活性的影響差異顯著，表現(xiàn)為PRB>PFT、 CT，對(duì)10—90 cm酶活性的影響不顯著。

土壤脲酶活性在0—90 cm土層隨著土壤深度的增加，酶活性呈下降趨勢(shì)。表層土壤酶活性是90 cm處土壤酶活性的5倍。耕作方式對(duì)土壤表層(0—10 cm)尿酶活性的影響差異顯著，表現(xiàn)為PRB、 PFT>CT，對(duì)10—90 cm酶活性的影響不顯著。其中0—5 cm、 5—10 cm土層，PRB與CT相比，土壤尿酶活性提高了22.46%、13.55%(圖4)。

在0—90 cm土層，不同耕作方式下的過(guò)氧化氫酶活性的變化呈先減小后增大趨勢(shì)，耕作方式對(duì)過(guò)氧酶活性的影響均未達(dá)到顯著差異。0—5 cm土層，PRB、PFT與CT相比，過(guò)氧化氫酶活性分別增加了1.12%、0.24%； 5—10 cm，PRB、PFT與CT相比，過(guò)氧化氫酶活性分別增加了5.45%、0.09%，隨著土層的增加，耕作方式對(duì)過(guò)氧化氫酶活性影響差異逐漸減少(圖4)。

2.5耕作方式與土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳、酶活性、微生物量的影響

不同耕作方式與土層對(duì)TOC、POC、MBC、MBN、MBP、蔗糖酶活性、脲酶活性與過(guò)氧化氫酶活性進(jìn)行方差分析(表3)表明，耕作方式對(duì)MBC、MBN、MBP、

圖4　不同耕作方式不同土層土壤酶活性Fig.4　Soil enzyme activities at 0—90 cm soil depths under different tillage treatments[注(Note): PRB—固定道起壟Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—傳統(tǒng)耕作Conventional tillage. 不同字母表示同一土層不同耕作方式之間差異顯著(P<0.05) Different letters mean significant differences among treatments in the same soil depth at the P<0.05 level.]

POC及TOC含量影響顯著；土層對(duì)TOC、POC、MBC、MBN及MBP含量及蔗糖酶活性、脲酶活性與過(guò)氧化氫酶活性影響顯著；耕作方式與土層的交互作用對(duì)蔗糖酶、脲酶、MBN、MBP和TOC影響顯著；而耕作方式對(duì)蔗糖酶、脲酶與過(guò)氧化氫酶活性影響不顯著；耕作方式與土層的交互作用對(duì)過(guò)氧化氫酶及MBC影響不顯著。其主要原因是耕作方式對(duì)蔗糖酶、脲酶與過(guò)氧化氫酶活性與耕作方式與土層的交互對(duì)過(guò)氧化氫酶及MBC的貢獻(xiàn)小于對(duì)其他生化指標(biāo)的貢獻(xiàn)。這表明耕作方式和土層對(duì)土壤有機(jī)碳、微生物量及酶活性有重要影響，通過(guò)合理耕作方式可以增強(qiáng)土壤酶活性，提高土壤有機(jī)碳及微生物量，從而改善土壤肥力。

3　討論

3.1耕作方式對(duì)0—90 cm土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及分布的影響

本研究表明，耕作方式顯著影響土壤有機(jī)碳分布與固持[12-14]。三種耕作方式相比，固定道保護(hù)性耕作(PRB和PFT)較傳統(tǒng)耕作(CT)可以提高作物生長(zhǎng)帶耕作層土壤有機(jī)碳含量，其中壟作固定道(PRB)顯著高于平作固定道(PFT)及傳統(tǒng)耕作(CT)，0—10 cm土壤耕作層土壤總有機(jī)碳(TOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)大小為PRB>PFT>CT。PRB壟作耕作方式改變了田間的微地形，增加了作物受光面積，加厚了作物生長(zhǎng)的熟土層，提高了土壤溫度及土壤通透性，進(jìn)而提高了土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性及土壤有機(jī)碳含量[15-18]。PRB與PFT耕作處理(免耕、固定的機(jī)械行駛車道)使得土壤免受機(jī)械擾動(dòng)與壓實(shí)，降低了土壤呼吸作用及土壤容重，減少了有機(jī)碳流失[19-20]。免耕、秸稈覆蓋及高留茬(PRB與PFT)使得作物秸稈、作物脫落物、作物及雜草地下根系等有機(jī)質(zhì)不斷歸還于耕作層，且沒(méi)有機(jī)械壓實(shí)，耕作層水熱條件好，有機(jī)質(zhì)分解狀況好，有利于碳的固定，因此，TOC及POC呈現(xiàn)出了表層富集現(xiàn)象[21-23]。相反，傳統(tǒng)耕作(CT)對(duì)耕作層的頻繁的翻動(dòng)，破壞了土壤團(tuán)聚體，在沒(méi)有外源有機(jī)質(zhì)加入的情況下，土壤中易礦化的有機(jī)碳因不斷被礦化而損失，加之人為翻耕擾動(dòng)導(dǎo)致土壤呼吸作用增強(qiáng)，土壤有機(jī)碳含量下降[22]。

表3　不同耕作方式和土層對(duì)土壤有機(jī)碳、微生物量及酶活性的影響 (F值)

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

0—90 cm土壤有機(jī)碳分布及儲(chǔ)量結(jié)果表明，隨著土層的加深，TOC和POC含量均呈下降趨勢(shì)，主要是由于隨著深度的增加，作物根系及根系分泌物等有機(jī)質(zhì)投入減少，降低了土壤有機(jī)碳的循環(huán)與轉(zhuǎn)化[16]。不同耕作處理下，0—40 cm土層，TOC和POC含量表現(xiàn)為PRB>PFT>CT，40—90 cm土層為CT>PRB>PFT，可能是CT經(jīng)過(guò)翻耕后，表層有機(jī)質(zhì)及作物根系被翻至耕作層以下，增加了耕作層以下的有機(jī)質(zhì)含量，從而增加了有機(jī)碳含量。同時(shí)本研究表明，耕作方式可以提高作物生長(zhǎng)帶表土層和心土層有機(jī)碳固存量(0—60 cm)，耕作方式對(duì)底土層(60—90 cm)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量影響不大。Benhua等研究表明，實(shí)施了5年的保護(hù)性耕作(免耕、秸稈覆蓋與淺耕、秸稈覆蓋)與傳統(tǒng)耕作相比，只改變了0—60 cm土層有機(jī)碳的分布，沒(méi)有固持有機(jī)碳的作用[25]，與本研究結(jié)果不一致，可能與保護(hù)性耕作實(shí)施年限、秸稈覆蓋量及土壤質(zhì)地有關(guān)[24-25]。

3.2耕作方式對(duì)0—90 cm土壤微生物量及分布的影響

本研究同時(shí)也證實(shí)了，固定道保護(hù)性耕作(PRB與PFT)較傳統(tǒng)耕作(CT)能顯著提高0—10 cm土層土壤微生物量(PRB>PFT>CT)。PRB與PFT由于秸稈覆蓋不斷向土壤輸入有機(jī)質(zhì)，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了碳、氮等能源物質(zhì)；免耕加秸稈覆蓋，能防止水分蒸發(fā)，提高土壤水分含量，研究表明土壤水分與微生物量密切相關(guān)，在一定范圍內(nèi)土壤微生物量隨著含水量的增加而增加，良好的土壤含水量也能加速秸稈腐爛速度，從而向環(huán)境釋放更多生物有效養(yǎng)分，增加土壤微生物數(shù)量；且固定道耕作系統(tǒng)(PRB與PFT)無(wú)機(jī)械壓實(shí)，減少了土壤容重，增大了土壤孔隙度，有益于作物根系和土壤微生物生長(zhǎng)[26-30]。本研究表明在0—90 cm土層，PRB與PFT相比，提高了MBC、MBN、MBP含量，其原因可能是PRB獨(dú)特的壟溝結(jié)構(gòu)，改善了土壤水、熱、光、氣等條件，為土壤微生物滋生提供了適宜的環(huán)境。Xue等[27]研究也表明，壟作與平作相比，壟作栽培可以提高作物根際細(xì)菌、真菌及放線菌的數(shù)量。

0—90 cm 土層，MBC、MBN、MBP含量隨著土壤深度的增加而減少，主要原因是隨著土層的加深土壤孔隙度變小及土壤通透性減弱，土壤含氧量降低，導(dǎo)致土壤微生物量減少[31]。20—90 cm 土層，MBC、MBN、MBP含量表現(xiàn)為CT>PRB>PFT，可能是CT經(jīng)翻耕后，20 cm以下土壤有機(jī)質(zhì)含量、含氧量最多，有利于微生物生長(zhǎng)繁殖。此外王蕓等研究表明保護(hù)性耕作(PRB與PFT) 秸稈覆蓋且只對(duì)表層土壤進(jìn)行耕作造成了土層微生物量的 “上富下貧”，而CT耕作的作業(yè)深度更深，土壤微生物量具有一定的土層均勻性[32]。

3.3耕作方式對(duì)0—90 cm土壤酶活性及分布的影響

土壤酶活性反映土壤微生物的活性，代表土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，對(duì)耕作方式比較敏感。土壤微生物量的增加會(huì)提高土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量；土壤有機(jī)質(zhì)也是土壤酶促底物的主要供源，可以增加土壤蔗糖酶、脲酶活性[33]；土壤有機(jī)質(zhì)可以固定土壤的氮素，減少土壤氮的淋洗與揮發(fā)損失，從而增加土壤脲酶含量[34]。本研究表明0—90 cm蔗糖酶、脲酶活性與土壤微生物量含量與分布趨勢(shì)相同，即0—20 cm土層，蔗糖酶、脲酶活性大小為PRB>PFT>CT，20—90 cm土層，其大小為CT>PRB>PFT。其主要原因是保護(hù)性耕作(PRB與PFT)促進(jìn)了土壤微粒的團(tuán)聚、改善了土壤微生物環(huán)境、增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，加快了土壤微生物生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了蔗糖酶、脲酶活性[35]。孫建等研究也表明保護(hù)性耕作下土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性和脲酶活性高于傳統(tǒng)耕翻[12]。

過(guò)氧化氫酶能夠酶促水解過(guò)氧化氫，其活性與土壤的微生物數(shù)量、活性及植物根系有關(guān)，可以用來(lái)表征土壤的生化活性[35]。本研究表明耕作方式對(duì)不同土層過(guò)氧化氫酶活性影響不顯著，且在垂直分布表現(xiàn)規(guī)律與脲酶、蔗糖酶活性不一致(先降低后增大)。有研究表明隨著土層的增加農(nóng)田與荒地過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)[36]，與本研究結(jié)論一致；而香蕉地、桉樹(shù)地、果園地過(guò)氧化氫酶活性隨土層下降呈下降趨勢(shì)[33,35]；關(guān)松蔭等的研究發(fā)現(xiàn)，在0—1 m土層不同種類土質(zhì)的過(guò)氧化氫酶活性與pH有一定的相關(guān)性，但在垂直剖面不同土質(zhì)下的過(guò)氧化氫酶沒(méi)有明顯的規(guī)律可循[37]。過(guò)氧化氫酶活性隨土層變化的不一致可能是由于作物根系分布與土壤環(huán)境不一致造成的，其變化機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

1) 在0—90 cm土層，TOC、POC含量隨著土層深度的增加而減小。與CT相比，PRB、PFT能夠顯著提高0—10 cm TOC、POC含量，其大小為PRB>PFT>CT，對(duì)40—60 cm土層TOC、POC含量影響顯著(CT>PRB>PFT)，其它土層差異均不顯著；PRB與CT能夠顯著提高心土層(0—60 cm)以上有機(jī)碳儲(chǔ)量，對(duì)底土層(60 cm以下)有機(jī)碳儲(chǔ)量影響不顯著。

2)在0—90 cm土層，MBC、MBN及MBP含量隨著土層的增加而減小。與CT相比，PRB、PFT能夠顯著提高0—10 cm MBC、MBN及MBP含量，其大小為PRB>PFT>CT，其他土層差異不顯著。

3) 在0—90 cm土層，蔗糖酶、脲酶活性隨著土層的增加而減小，與CT相比，PRB、PFT能夠顯著提高0—10 cm蔗糖酶與脲酶活性；在0—90 cm土層，過(guò)氧化氫酶隨著土層的增加呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，耕作方式對(duì)過(guò)氧化氫酶活性沒(méi)有影響。

[1]劉海龍, 石培基, 李生梅, 等. 河西走廊生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)及其空間演化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(12): 3645-3654.

Liu H L, Shi P J, Li S M,etal. Ecological and economic harmony evaluation and spatial evolution of the He-xi Corridor, Northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(12): 3645-3654.

[2]楊東, 劉強(qiáng). 河西地區(qū)土壤全氮及有機(jī)質(zhì)空間變異特征分析—以張掖市甘州區(qū)為例[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2010, 28(4): 183-187.

Yang D, Liu Q. Characteristics of spatial distribution of soil organic matter and total nitrogen in Hexi Area—A case study in Ganzhou District of Zhangye[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(4): 183-187.

[3]Wu J S, Brookes P C, Jenkinsond D S. Formation and destruction of microbial biomass during the decomposition of glucose and ryegrass in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1993, 25(10): 1435-1441.

[4]Doran J W, Sarrantonio M, Liebig M A. Soil health and sustainability[J]. Advances in Agronomy, 1996, 56: 51-54.

[5]陳浩, 李洪文, 高煥文, 等. 多年固定道保護(hù)性耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008, 24(11): 122-125.

Chen H, Li H W, Gao H W,etal. Effect of long-term controlled traffic conservation tillage on soil structure[J].Transactions of the CSAE, 2008, 24(11): 122-125.

[6]王新建, 張仁陟, 畢冬梅, 等. 保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2009, 23(2): 115-121.

Wang X J, Zhang R Z, Bi D M,etal. Effects of conservation tillage on soil organic carbon fractions[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(2): 115-121.

[7]Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56: 777-783.

[8]周禮愷. 土壤酶學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1987: 263-278.

Zhou L K. Soil enzymology[M]. Beijing: Science Press, 1987: 263-278.

[9]Singh V K， Dwivedi B S, Shukla A K, Mishra R P. Permanent raised bed planting of the pigeonpea-wheat system on a typical ustochrept: Effects on soil fertility, yield, and water and nutrient use efficiencies[J]. Field Crops Research, 2010, 116: 127-139.

[10]He J, Li H W, McHugh A D, et al. Spring wheat performance and water use efficiency on permanent raised beds in arid northwest China[J]. Australian Journal of Soil Research, 2008, 46: 659-666.

[11]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1999: 106-110.

Lu R K. Soil agricultural chemical analysis method[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 1999: 106-110.

[12]孫建, 劉苗, 李立軍, 等. 免耕與留茬對(duì)土壤微生物量 C、N及酶活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 5508-5515.

Sun J, Liu M, Li L J,etal. Influence of non-tillage and stubble on soil microbial biomass and enzyme activities in rain-fed field of Inner Mongolia[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10): 5508-5515.

[13]李玉潔, 王慧, 趙建寧, 等. 耕作方式對(duì)農(nóng)田土壤理化因子和生物學(xué)特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(3): 939-948.

Li Y J, Wang H, Zhao J N,etal. Effects of tillage methods on soil physicochemical properties and biological characteristics in farmland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(3): 939-948.

[14]Doran J W. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44:765-771.

[15]熊又升, 徐祥玉, 張志毅, 等. 壟作免耕影響冷浸田水稻產(chǎn)量及土壤溫度和團(tuán)聚體分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(15): 157-164.

Xiong Y S, Xu X Y, Zhang Z Y,etal. Influences of combining ridge and no-tillage on rice yield and soil temperature and distribution of aggregate in cold waterlogged field[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(15): 157-164.

[16]昌龍然, 謝德體, 慈恩, 等. 稻田壟作免耕對(duì)根際土壤有機(jī)碳及顆粒態(tài)有機(jī)碳的影響[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 37(11):49-53.

Chang L R,Xie D T, Ci E,etal. On effect of ridge-cultivation without tillage on rhizosphere of soil organic carbon and particulate organic carbon in a rice-based cropping system[J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Sci. Edit.), 2012, 37(11): 49-53.

[17]高明, 張磊, 魏朝富, 等. 稻田長(zhǎng)期壟作免耕對(duì)水稻產(chǎn)量及土壤肥力的影響研究[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2004, 10(4): 343-348.

Gao M, Zhang L, Wei C F,etal. Study of the changes of the rice yield and soil fertility on the paddy field under long-term no-tillage and ridge culture conditions[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(4): 343-348.

[18]高明, 李陽(yáng)兵, 魏朝富, 等. 稻田長(zhǎng)期壟作免耕對(duì)土壤肥力性狀的影響研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2005, 19(3): 29-33.

Gao M, Li Y B, Wei C F,etal. Effects of long-term no-tillage ridge culture on soil properties of paddy field[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(3): 29-33.

[19]劉爽, 嚴(yán)昌榮, 何文清, 等. 不同耕作措施下旱地農(nóng)田土壤呼吸及其影響因素[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(11): 2919-2924

Liu S, Yan C R, He W Q,etal. Soil respiration and its affected factors under different tillage systems in dryland production systems[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30 (11): 2919-2924.

[20]張賽, 羅海秀, 王龍昌, 等. 保護(hù)性耕作下大豆農(nóng)田土壤呼吸及影響因素分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(8): 913-920.

Zhang S, Luo H X, Wang L C,etal. Analysis of soil respiration and the influencing factors in soybean fields under conservation tillage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(8): 913-920.

[21]Blanco-Can qui H, Lal R. No-tillage and soil-profile carbon sequestration: an on-farm assessment[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(3): 693-701.

[22]姜學(xué)兵, 李運(yùn)生, 歐陽(yáng)竹, 等. 免耕對(duì)土壤團(tuán)聚體特征以及有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 20(3): 270-278.

Jiang X B, Li Y S, Ouyang Z,etal. Effect of no-tillage on soil aggregate and organic carbon storage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 270-278.

[23]Sun B, Hallett P D, Caul S,etal. Distribution of soil carbon and microbial biomass in arable soils under different tillage regimes[J]. Plant and Soil, 2011, 338: 17-25.

[24]劉淑霞, 趙蘭坡, 劉景雙, 等. 不同耕作方式下黑土有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體變化及有機(jī)碳分布特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2007, 21(6): 105-113.

Liu S X, Zhao L P, Liu J S,etal. Organic mineral complex component and distribution character of organic carbon of black soil under various cultivation pattern[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21 (6): 105-113.

[25]Chen H Q, Hou R X, Gong Y S,etal. Effects of 11 years of conservation tillage on soil organic matter fractions in wheat monoculture in Loess Plateau of China[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 106(1): 85-94.

[26]Limon-Ortega A, Govaerts B, Deckers J, Sayre K D. Soil aggregate and microbial biomass in a permanent bed wheat-maize planting system after 12 years[J]. Field Crops Research, 2006, 97: 302-309.

[27]Xue L Z, Li M, Frank S G,etal. Effects of raised-bed planting for enhanced summer maize yield on rhizosphere soil microbial functional groups and enzyme activity in Henan Province, China[J]. Field Crops Research, 2012, 13: 28-37.

[28]Sotomayor-Ramírez D, Espinoza Y, Acosta-Martínez V. Land use effects on microbial biomass C, β-glucosidase and β-glucosaminidase activities, and availability, storage, and age of organic C in soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2009, 45(5): 487-497.

[29]徐陽(yáng)春, 沈其榮, 冉煒. 長(zhǎng)期免耕與施用有機(jī)肥對(duì)土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2002, 3(1): 89-96.

Xu Y C, Shen Q R, Ran W. Effects of zero-tillage and application of manure on soil microbial biomass C, N, and P after sixteen years of cropping[J]. Acta Pedologica Sinica, 2002, 3(1): 89-96.

[30]文都日樂(lè), 李剛, 張靜妮, 等. 呼倫貝爾不同草地類型土壤微生物量及土壤酶活性研究[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2010,19(5): 94-102.

Wendu R L, Li G, Zhang J N,etal. The study of soil microbial biomass and soil enzyme activity on different grassland in Hulunbeier, Inner Mongolia[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(5): 94-102.

[31]Brevik E, Fentton T, Moran.L. Effect of soil compaction on organic carbon amounts and distribution, south-central Iowa[J]. Environmental Pollution, 2002, 116: 137-141.

[32]王蕓, 李增嘉, 韓賓, 等. 保護(hù)性耕作對(duì)土壤微生物量及活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(8): 3384-3390.

Wang Y, Li Z J,Han B,etal. Effects of conservation tillage on soil microbial biomass and activity[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(8):3384-3390.

[33]徐凌飛, 韓清芳, 吳中營(yíng), 等. 清耕和生草梨園土壤酶活性的空間變化[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43(23): 4977-4982.

Xu L F, Han Q F, Wu Z Y,etal. Spatial variability of soil enzyme activity in pear orchard under clean and sod cultivation models[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(23): 4977-4982.

[34]戴曉琴, 李運(yùn)生, 歐陽(yáng)竹. 免耕系統(tǒng)土壤氮素有效性及其管理[J]. 土壤通報(bào), 2009, 40(3): 691-696.

Dai X Q, Li Y S, Ouyang Z. Availability of nitrogen and its management in no-till system[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(3): 691-696.

[35]黃華乾, 王金葉, 凌大炯, 等. 不同土地利用方式下土壤過(guò)氧化氫酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系研究—以雷州半島為例[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 26(6): 2412-2416.

Huang H Q, Wang J Y, Ling D J,etal. Study on relationship between soil catalase activity and soil chemical properties under different land use patterns-take Leizhou Peninsula for example[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2013, 26(6): 2412-2416.

[36]Dick R P, Myrold D D, Kerle E A. Microbial biomass and soil enzyme activities in compacted and rehabilitated skid trail soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52: 512-516.

[37]關(guān)松蔭, 沈桂琴, 孟昭鵬, 等. 我國(guó)主要土壤剖面酶活性狀況[J]. 土壤學(xué)報(bào), 1984, 21(4): 368-380.

Guan S Y, Shen G Q, Meng Z P,etal. Enzyme activities in main soils of China[J]. Acta Pedologica Sinica, 1984, 21(4): 368-380.

Effect of tillage system on soil organic carbon, microbial biomass and enzyme activities

CHEN Juan1, MA Zhong-ming1， 2*, LIU Li-li3, Lü Xiao-dong2

(1CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China； 2GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou，Gansu730070,China； 3BureauofMeteorologyofZhuoniCounty，Zhuoni,Gansu747600，China)

【Objectives】An eight consecutive year (2005-2012) field experiment was conducted to evaluate tillage practices on soil organic carbon, microbial biomass and soil enzyme activity and their distributions in 0-90 cm depth of soils in arid northwestern China, to which would provide a theoretical basis for better choosing tillage practices. 【Methods】The treatments include permanent raised bed (PRB), zero tillage with control traffic on flat field (PFT) and conventional tillage (CT), and the total soil organic carbon(TOC), particulate organic carbon(POC), microbial biomass carbon(MBC), microbial biomass nitrogen(MBN), microbial biomass phosphorus(MBP), enzymatic activities (invertase, urease and catalase) and grain yield of spring wheat were measured. 【Results】The contents of TOC, POC, MBC, MBN and MBP and the activities of invertase and urease were declined with increasing depth (0-90 cm) in the PRB, PFT and CT treatments, and the catalase activity was decreased first and then increased. In the whole 0-60 cm soil depth, the SOC storage was the highest under PRB, followed by the PFT and CT treatments in crop growth areas. The activities of enzymes (invertase and urease) and the contents of TOC, POC, MBC, MBN and MBP in the upper layer (0-10 cm) in the plots tilled by PRB and PFT were higher than those in the plots tilled by CT. There were significant and extremely significant correlations among TOC, POC, MBC, MBN, MBP and enzyme activities (invertase, urease and catalase), while the catalase activity was not significantly affected by the three tillage modalities. 【Conclusions】The PRB and PFT treatments could improve the contents of soil organic carbon, microbial biomass, soil enzyme activities and the grain yield, and the sequestration of carbon in the whole profile of 60 cm under the PRB treatment was greater than that under the CT and PFT treatments. Beneath 10 cm, there was no significantly improvement in soil environment for the PRB and PFT treatments compare with the CT treatment.

permanent raised bed; soil organic carbon; microbial biomass; soil enzyme activity

2015-05-25接受日期： 2015-09-01網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2016-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160128)； 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503125-02); 甘肅省國(guó)際科技合作專項(xiàng)(1504WKCA077)； 中澳國(guó)際合作項(xiàng)目(SMCN/2002/094)；甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(GNCX-2014-35)資助。

陳娟(1982—)，女，甘肅慶陽(yáng)人，博士研究生，主要從事作物營(yíng)養(yǎng)與肥料研究。E-mail：chen0934@163.com

E-mail：mazhming@163.com

S152.4

A

1008-505X(2016)03-0667-09