保護性耕作對土壤團聚體及微生物特性影響研究概況

李 彥，李廷亮，焦 歡，何 冰，高繼偉

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801）

耕作改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)，使土壤有機碳氮以及土壤微生物環(huán)境的分布改變，影響土壤有機質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和消耗。因此，耕作一定會對土壤團聚體產(chǎn)生影響。團聚體是土壤有機質(zhì)以及各種膠結(jié)劑形成直徑小于10 mm的基本結(jié)構(gòu)單元，它的形成、穩(wěn)定性都與微生物存在密切關(guān)聯(lián)。作為土壤肥力的中心調(diào)節(jié)因子，土壤團聚體協(xié)調(diào)土壤水分、肥料、氣體和熱量，保持和穩(wěn)定土壤松散層，對土壤碳氮平衡和各種土壤酶活性有一定的影響。土壤團聚體的變化反映在微生物的活動中，團聚體分布和養(yǎng)分在團聚體中的分布變化與耕作有關(guān)。不同團聚體的理化性質(zhì)和養(yǎng)分保持、供應(yīng)能力均存在差異，這也直接影響了土壤微生物量和多樣性。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，綜述了不同耕作方式對土壤團聚體和微生物特性的影響，旨在明確耕作措施對農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響原理，為山西采煤塌陷區(qū)地的生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 耕作方式對土壤團聚體結(jié)構(gòu)的影響

1.1 耕作方式對土壤團聚體數(shù)量及分布特征的影響

根據(jù)團聚體的多級團聚形成理論，微團聚體聚合形成較大的聚集體，大團聚體可以分解微團聚體，二者互為基礎(chǔ)、互為消長。通常，＞0.25 mm的大團聚體稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體，團粒結(jié)構(gòu)存在于耕層土壤，其團聚程度與土壤有機碳（SOC）密切相關(guān)[1]。聚集體的數(shù)量和質(zhì)量與土壤肥力有很好的一致性。水穩(wěn)性團聚體在穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)和提高耐腐蝕性方面起著重要的作用。目前，土壤團聚體采用干篩分法和濕篩分法進行分類。

不同耕作措施對土壤團聚體大小以及分布狀況具有不同影響。研究表明，與傳統(tǒng)翻耕相比，連續(xù)不同保護性耕作措施（旋耕和免耕）4 a土壤團聚體分布發(fā)生顯著的變化，免耕可促進0～10 cm土層0.25 mm團聚體形成，平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）高于旋耕、翻耕處理[2]。通過在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的研究得出，免耕、免耕覆蓋可增加土壤大團聚體含量，其中，免耕覆蓋處理更容易產(chǎn)生5 mm水穩(wěn)性團聚體[3]。丘陵區(qū)水稻土研究表明，保護性耕作對水稻土中的大團聚體有機碳含量提高有更明顯的作用[4]。其他試驗也均表明，免耕可以促進黏粒團聚，減少微團聚體數(shù)量，增加土壤大團聚體數(shù)量，進而增加有機碳，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)[5]。

KASPER等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，少耕有利于水穩(wěn)性團聚體增加。王海霞等[8]對渭北旱塬研究表明，免耕秸稈還田能增加0.25 mm粒級團聚體數(shù)量，還能提高團聚體的穩(wěn)定性，說明秸稈還田能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤的穩(wěn)定性，進而提升土壤肥力[9]。原因可能是由于一方面耕作造成機械擾動，破壞了大團聚體結(jié)構(gòu)，暴露出原先被團聚體保護的土壤有機碳，進而加速土壤有機碳分解速率[10]；另一方面秸稈還田增加了有機質(zhì)含量，加速團聚體形成，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)狀況[11]。

通過9 a不同耕作定位試驗得出，連年深松對0～20 cm耕層中2 mm團聚體數(shù)量的增加具有更加顯著的作用；隔1 a深松相比于連年深松更有利于0～30 cm土層2 mm團聚體含量和0～40 cm土層0.25～2.00 mm團聚體含量的增加，隔年深松對大團聚體形成與穩(wěn)定具有更加明顯的作用，并減少了微團聚體的含量[12]。通過15 a在豫西丘陵地區(qū)的耕作試驗表明，深松（小麥收獲后間隔60 cm深松30～35 cm）結(jié)合小麥秸稈覆蓋措施能夠增加大于2 mm粒級團聚體的相對含量，減少小于0.053 mm粒級團聚體的相對含量[13]。常規(guī)翻耕的耕作頻率高，導(dǎo)致土壤受到劇烈擾動，土壤有機碳礦化速率加快，造成團聚體穩(wěn)定膠結(jié)劑的減少，耕層大團聚體的數(shù)量減少，進而降低土壤團聚體團聚度和穩(wěn)定性[14]。

綜合來看，免耕和深松以及深松秸稈覆蓋可以增加不同地區(qū)耕作制度下大團聚體數(shù)量，其中，耕層（0～20 cm）土壤＞0.25 mm粒級團聚體含量增加在免耕處理下作用更加明顯[15]。深松可以提高0～40 cm土層大于2 mm粒級的團聚體含量，同時減少微團聚體數(shù)量。秸稈還田改善了土壤有機質(zhì)狀況，降低了大團聚體的周轉(zhuǎn)速度，促進了團聚體的形成和提高了團聚體的穩(wěn)定性[16-19]。

1.2 耕作方式對土壤團聚體水穩(wěn)性的影響

土壤中大團聚體可分為水穩(wěn)定性和非水穩(wěn)定性2種，其中，各級水穩(wěn)性團聚體的比例可以更好地反映土壤團聚體的質(zhì)量，在提高土壤碳儲量和增強土壤穩(wěn)定性以及保持土壤肥力中具有重要作用。水穩(wěn)性聚集體的穩(wěn)定性由平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）表示，2個指標的數(shù)值越大，表示其穩(wěn)定性越好。

耕作方式對不同土層團聚體的水穩(wěn)定性影響不同。免耕可提高表層水穩(wěn)性大團聚體MWD和GMD的值[20]。也有研究表明，免耕和常規(guī)翻耕在20～40，40～60 cm土層的MWD值無明顯差別[21]。于愛忠等[17]研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層中，免耕秸稈覆蓋措施土壤團聚體MWD值均顯著高于傳統(tǒng)耕作（前茬作物收獲后深耕25 cm，滅茬，耙耱整平，不覆蓋）措施，而20～30 cm土層的則差異不顯著。秸稈還田下，＞0.25 mm土壤粒徑的團聚體百分含量以及MWD和GMD值均最高，表明秸稈還田更能改善土壤結(jié)構(gòu)[9]。田慎重等[22]研究表明，20～30 cm水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性在免耕或免耕秸稈覆蓋下明顯提高，但是在深松處理下顯著降低，0～10 cm土層大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量與穩(wěn)定性在免耕/深松保護性輪耕模式下顯著提高，說明保護性耕作能改善旱地土壤結(jié)構(gòu)，而深松結(jié)合翻耕、翻耕結(jié)合免耕的輪耕模式由于隔年翻耕對土壤的強烈擾動，對土壤結(jié)構(gòu)改善效果不明顯[23]。土壤的強烈擾動，對土壤結(jié)構(gòu)改善效果不顯著[23]。

總體來看，耕作導(dǎo)致水穩(wěn)定團聚體分布的差異，是由于對耕作深度、擾動造成的影響不同，免耕處理下SOC的積累僅在表層（＜10 cm），秸稈還田對表層的貢獻要大于對亞表層的貢獻[24]，免耕、秸稈還田處理下土壤表層團聚體數(shù)量以及MWD和GMD顯著高于常規(guī)耕作措施，表明保護性耕作對土壤水穩(wěn)性團聚體的分布以及穩(wěn)定性具有更加明顯的促進作用。深松與免耕結(jié)合一定程度上提高了表層土壤水穩(wěn)性團聚體數(shù)量，但深松降低了亞表層水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性。

2 耕作方式對土壤微生物特性的影響

2.1 耕作方式對土壤微生物區(qū)系的影響

土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及土壤可持續(xù)生產(chǎn)中起著重要的作用。土壤微生物中的真菌，對大團聚體的形成以及穩(wěn)定性具有重要作用，真菌菌根可有效提高土壤結(jié)構(gòu)和土壤團聚體穩(wěn)定性，在團聚體形成中，微生物種類的作用最大的是真菌。

不同耕作方式對土壤微生物有不同的影響，導(dǎo)致細菌、放線菌和真菌數(shù)量差異較大。研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物的活性和數(shù)量在長期免耕處理下顯著高于翻耕[25]。汪金平等[26]研究發(fā)現(xiàn)，免耕處理下土壤0～5 cm土層細菌和真菌數(shù)量明顯多于翻耕，而放線菌數(shù)量則低于翻耕土壤，5～25 cm土層細菌和放線菌對耕作方式的響應(yīng)不明顯。李雙喜等[27]研究也表明，免耕措施下，0～5 cm土層細菌數(shù)量大幅增加，明顯高于常規(guī)旋耕，且0～5 cm土層細菌、放線菌和真菌數(shù)量均高于5～20 cm土層。鐘文輝等[28]研究表明，少耕秸稈覆蓋可提高表層土壤細菌總量，增加土壤微生物的多樣性。顧愛星等[29]利用稀釋涂布平板培養(yǎng)法研究表明，秸稈單純覆蓋下土壤微生物總數(shù)增加，細菌、真菌的數(shù)量隨秸稈覆蓋量的增加而增加，而放線菌數(shù)量則無顯著變化。但洪艷華等[30]研究表明，在秸稈還田情況下，土壤中微生物總數(shù)增加不明顯，而有利于耕層土壤中放線菌數(shù)量的增加。LIANG等[31]研究表明，深松可以提高細菌、放線菌以及微生物總量，改善深層土壤的微生態(tài)環(huán)境，進而有利于培肥地力；也有研究表明，在0～20 cm隔年深松與連年深松及傳統(tǒng)翻耕相比，細菌數(shù)量增多；真菌數(shù)量在連年深松的處理下數(shù)量較多；連年深松相對于免耕及傳統(tǒng)翻耕，放線菌數(shù)量較多[32]。

總的來看，耕作方式能改變土壤中水分、養(yǎng)分、溫度和通氣狀況，進而影響微生物生長繁殖。免耕可以明顯增加0～5 cm土層細菌和真菌數(shù)量，而對5 cm以下土壤中微生物總量影響不大。深松較免耕可影響深層土壤微生物環(huán)境，微生物區(qū)系變化與深松頻率有關(guān)。

2.2 耕作方式對土壤微生物量的影響

不同耕作措施導(dǎo)致微生物變化不僅表現(xiàn)在微生物區(qū)系上，還表現(xiàn)在微生物生物量碳、氮和磷上。土壤微生物量碳作為土壤有機質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，能表征土壤養(yǎng)分有效狀況和生物活性，進而影響土壤肥力。研究發(fā)現(xiàn)，免耕相對于翻耕可提高表層土壤微生物量碳，降低亞表層微生物量碳。有研究也表明，免耕或少耕處理下土壤微生物量碳含量高于旋耕和傳統(tǒng)耕翻；在0～7.5，0～15 cm土層土壤微生物量碳在免耕秸稈還田處理下明顯高于秸稈不還田；在0～10 cm土層中，秸稈還田麥季保護性耕作可提高土壤微生物生物量碳，因為秸稈還田能夠給微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，為作物提供豐富營養(yǎng)，進而提高根系分泌物的含量，因此，微生物得到了豐富的能源，使得生長繁殖加快、土壤微生物生物量碳含量增加。

微生物生物量氮在土壤養(yǎng)分供應(yīng)以及有機無機養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著非常大的作用，雖然數(shù)量比較少，但是土壤氮素的一個重要儲備庫。有研究認為，土壤微生物氮含量在免耕處理下顯著高于傳統(tǒng)耕翻，且在0～10 cm土層深度富集。長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，長期保護性耕作顯著增加了0～20 cm土壤微生物氮含量，其中，免耕可提高表土層土壤微生物量氮，表層土中秸稈還田比不還田的微生物量氮的含量高。但免耕覆草、免耕處理微生物量氮含量較傳統(tǒng)耕作顯著增加，因為秸稈覆蓋可提高土壤持水能力，土壤干濕交替趨于緩和，更有利于土壤微生物活動，并且覆蓋可有效降低土壤氮素的揮發(fā)，使土壤中的有效氮相對比較高。

目前，土壤微生物生物量碳、氮的研究相對于微生物生物量磷的研究比較多[33]。微生物生物量磷是土壤微生物生物量的重要組成部分，因其在養(yǎng)分循環(huán)過程中周轉(zhuǎn)快，所以是植物有效磷的主要來源。郭曉霞等[34]研究表明，土壤的微生物量磷含量隨著免耕留茬覆蓋的年限增加而增加，但對土壤微生物生物量磷含量的影響不顯著。也有研究表明，耕作方式對微生物量磷含量變化的影響不明顯，免耕相對于翻耕0～5 cm土層微生物量磷的影響較高，秸稈還田對不同土層土壤微生物量磷有促進作用。

免耕和秸稈還田對土壤微生物量碳、氮的提高有很大促進作用，在微生物量磷方面，免耕與傳統(tǒng)翻耕相比影響差異不顯著，但免耕結(jié)合秸稈還田一定程度上能夠提高表層土壤微生物量磷，這2種處理所包含的養(yǎng)分大部分是緩效的，導(dǎo)致微生物分解速率較慢[35]，因為翻耕改進土壤通氣狀況，加快土壤中水分擴散，改變土壤中團粒結(jié)構(gòu)，造成微生物和有機物接觸面積的擴大，使有機質(zhì)的礦化分解加快，微生物生物碳、氮、磷生物量相應(yīng)減少。翻耕使土壤中微生物的多樣性低于免耕，因為由于土壤大團聚體結(jié)構(gòu)被破壞，使土壤表層碳流失，進而對微生物的分布以及數(shù)量產(chǎn)生影響。綜合來看，免耕、秸稈還田較傳統(tǒng)翻耕能顯著改變土壤微生物構(gòu)成，同時提高微生物生物量，改善土壤肥力狀況。

2.3 耕作方式對土壤微生物多樣性的影響

一些研究證明，長期保護性耕作對于維持良好的土壤生態(tài)環(huán)境、促進微生物群落演替、提高微生物多樣性具有明顯的作用[36-37]。同時，一些研究也指出，短期耕作處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性并不能產(chǎn)生影響。DONG等[38]通過BIOLOG法獲得培養(yǎng)基 AWCD（Average Well ColorDevelopment），通過AWCD值表征土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明，免耕措施土壤的AWCD值和Shannon多樣性指數(shù)最高，免耕措施提高了土壤中微生物活性以及多樣性。LUPWAYI等[39]采用BIOLOG法對免耕和作物輪作處理下的土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)變化的研究表明，免耕和作物輪作可提高土壤微生物群落多樣性，秸稈還田能顯著提高土壤微生物豐度，秸稈還田結(jié)合深翻亦可促進土壤微生物種群結(jié)構(gòu)多樣性。HELGASON等[40]采用PCR-DGGE方法對加拿大3個不同草場進行土壤群落結(jié)構(gòu)分析，得出免耕處理顯著提高了真菌種群多樣性。向新華等[41]研究也表明，免耕與少耕可以顯著提高真菌的多樣性，對細菌多樣性的影響不顯著，同時利用主成分分析得出，少耕和旋松細菌群落具有較高的相似性，而真菌群落結(jié)構(gòu)在免耕、少耕和旋松3種耕作處理存在明顯差異。顧美英等[42]在對沙化土壤微生物多樣性的研究表明，秸稈還田方式顯著提高沙化土壤微生物活性和功能多樣性。

免耕、少耕和秸稈還田等耕作制度，為土壤微生物生長繁殖提供了良好的生境條件，保護了土壤表層的有機質(zhì)，提高了微生物量，同時產(chǎn)生了大量的根系分泌物，提高了微生物種群豐富度，有利于微生物多樣性的提高。總體來看，保護性耕作可提高土壤微生物的多樣性，特別是顯著增加了真菌種群多樣性。

3 結(jié)論

保護性耕作條件下，土壤團聚體和微生物之間相互依存、相互影響，協(xié)同促進土壤肥力的提升。保護性耕作對團聚體以及微生物特性的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：免耕可提高0～20 cm土壤中＞0.25 mm粒級團聚體含量；深松可提高0～40 cm土層＞2 mm粒級的團聚體數(shù)量；秸稈還田降低了大團聚體的周轉(zhuǎn)速度，進而促進了團聚體的形成和改善大團聚體穩(wěn)定性。免耕、秸稈還田和深松處理下表層土壤的MWD和GMD值均顯著高于常規(guī)耕作措施，對土壤結(jié)構(gòu)改善效果較優(yōu)。土壤中大團聚體中以真菌為主，微團聚體中以細菌為主，保護性耕作可以增加大團聚體的數(shù)量，進而改善微生物區(qū)系。保護性耕作可提高土壤微生物碳、氮、磷量，增加土壤固碳能力和氮庫存儲量，以及微生物多樣性，尤其是真菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性。

除耕作方式外，不同施肥處理特別是施有機肥也有利于團聚體的產(chǎn)生及微生物活性的提高，由于土壤肥力特征及生境條件的差異，不同施肥耕作措施對不同粒級團聚體以及微生物特性影響不同，也需進一步探討。另一方面，土壤團聚體與其包含的微生物之間的關(guān)系也是一個需要探索的問題，應(yīng)進一步了解不同粒級團聚體中微生物的組合與分布、微生物之間的差異以及功能、遺傳、基因方面在不同團聚體中的變化，從不同角度了解土壤微生物物種多樣性、遺傳多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性和功能多樣性在不同團聚體中的變化，利用分子生物學手段，獲得關(guān)于團聚體與微生物特性的全面信息。

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