夏大豆土壤微生物有機碳及顆粒有機碳對不同耕作措施的響應

安崇霄，張永杰，符小文，杜孝敬，徐文修，房彥飛，厙潤祥

(新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤有機碳儲量豐富，是陸地生態系統中最大的碳庫[1]，占生物圈陸地部分總碳貯量的比例超過2/3，其總碳儲量相當于大氣中所含碳的兩倍[2-3]，且土壤每年向大氣排放的CO2量約占CO2總排放量的5%～20%[4]。農作物種植過程中不同耕作措施對土壤都會產生不同程度地擾動，使土壤中的碳與大氣不斷進行交換，進而引起大氣CO2的劇烈波動[5]，造成全球溫室效應加劇。但合理的耕作措施不僅可以減緩土壤有機質分解，使土壤團聚體完整，還可以促進土壤固碳，提升土壤質量，控制CO2排放，從而減緩溫室效應[6]。在作物生產中如何采取合理的土壤耕作措施來減緩土壤CO2的排放及保持土壤有機碳及其組分含量來保持土壤質量目前已成為國內外研究熱點。【前人研究進展】土壤總有機碳是土壤養分循環轉化的核心，其含量高低是決定土壤肥力的關鍵因素[7]，而土壤微生物有機碳是比土壤有機碳更敏感的指標，可用來指示土壤肥力的動態變化和反映土壤質量狀況[8]；顆粒有機碳是對表層土壤中植物殘體的積累和根系分布的變化響應非常敏感，容易受土壤管理方式的影響[9]，能夠穩定被異氧微生物利用作為能源及碳源，是植物營養的主要來源，用它可指示土壤有機質的早期變化[10]。研究表明[11-13]土壤有機碳及其組分的變化是響應不同土地利用方式和環境對土壤有機碳庫影響的重要環節。適當的土地使用和土壤管理，能夠提高土壤質量，從而減緩大氣CO2濃度的上升。張潔等[14]研究表明,有機碳及其不同組分對農田管理措施的響應不同，不穩定組分(顆粒有機碳、易氧化有機碳、輕組有機碳、微生物有機碳等)對種植制度和耕作措施的反應更為敏感，可以作為響應土壤有機碳和土壤質量變化的早期指標。劉紅梅等[15]研究表明,耕作方式對土壤總有機碳質量分數和活性有機碳質量分數具有顯著的影響，土壤總有機碳與活性有機碳都可作為評價耕作方式影響土壤質量變化與固碳能力的有效指標。王丹丹等[16]研究表明,免耕和秸稈還田等保護性耕作措施提高了稻田土壤活性有機碳含量。【本研究切入點】關于土壤耕作對淺層土壤中有機碳及其組分含量的影響，尤其是在雨養農業地區及旱地秸稈還田下的長期土壤耕作對土壤有機碳及其組分含量變化的影響，前人已有了大量研究，但對于新疆干旱半干旱條件下滴灌農田土壤碳的研究僅見不同管理措施下的棉田土壤[17]，關于耕作措施作用于農田大豆土壤碳的研究仍有待完善。伊犁河谷地處新疆北部，是典型的綠洲灌溉農業區。在全球氣候日益變暖的背景下，無霜期增長，有效積溫增多，促進了麥后復播種植面積不斷增大[18-19]。復播種植比單作會影響土壤中CO2的排放。【擬解決的關鍵問題】試驗通過對麥后復播大豆在不同耕作措施下的土壤有機碳含量的研究，分析復播條件下的土壤周年總有機碳、微生物有機碳以及顆粒有機碳對耕作措施的響應，在對免耕、深松、翻耕和翻耕覆膜4種耕作措施對土壤有機碳及其活性組分影響作出評價，為復播條件下土壤進行合理耕作措施提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣農業科技示范園(81°33′E，43°56′N，海拔790 m)進行，該區年平均日照可達2 800～3 000 h，年平均氣溫8.9℃，年均降雨量257 mm。全年無霜期169～175 d[20-21]。試驗地土地平整，土壤為灰鈣土，0～30 cm土壤有機質含量16.50 g/kg，堿解氮含量76.7 g/kg，速效磷含量14.8 mg/kg，速效鉀含量139 mg/kg，pH為8.00。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

于2017年7至10月進行麥后復播大豆田間大區試驗。冬小麥播前進行翻耕處理，冬小麥收獲時留茬高度25 cm。試驗設4個處理，處理1為翻耕(T)，犁翻深28 cm，聯合整地機整地。處理2為翻耕覆膜(TP)，在翻耕的基礎上覆膜，膜寬70 cm。處理3為深松(ST)，冬小麥收獲后，采用深松機械，深度為50 cm。處理4為免耕(NT)。每個處理總面積均為100 m2(4 m×25 m)。供試大豆品種為黑河43。播種方式為30 cm等行距人工點播，播種密度52.5×104株/hm2。各處理均在開花期隨水追施尿素150 kg/hm2(純N 69 kg/hm2)。灌溉方式為滴灌。復播大豆全生育期共灌水8次，共計4 200 m3/hm2。其他田間管理措施同當地。

1.2.2 測定項目

于2017年10月13日復播大豆收獲后，各小區采用“S”取樣法取土樣，每個點深度分別為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～60 cm，每個處理3個重復，將每個重復取得的同一層次土樣混合均勻帶回實驗室。新鮮土樣通過2 mm篩后，4℃保存供分析微生物生物量碳含量，另一部分在室溫下風干后過2、1和0.25 mm篩子后裝自封袋，進行土壤有機碳、顆粒有機碳及土壤微生物有機碳的測定。

1.2.2.1 總有機碳測定

參照魯如坤[22]的用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定。

1.2.2.2 土壤活性有機碳測定

土壤微生物有機碳：用氯仿熏蒸-K2SO4提取法。

顆粒有機碳：依據Wander等[23]提供的方法測定土壤顆粒有機碳(Particulate organic carbon，POC)。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010作圖，用SPSS19.0軟件統計分析試驗數據。

2.結果與分析

2.1 不同耕作方式對復播大豆農田土壤總有機碳(SOC)的影響

研究表明，各處理不同土壤層次下的SOC質量分數均隨土層深度的增加基本上呈現下降趨勢。在0～30 cm耕層中NT與ST處理的SOC質量分數均無顯著差異，但TP與T處理的則隨深度加大逐漸呈現顯著差異。而在深度>30 cm以下，不同深度下各處理間均表現為NT、T與ST、TP呈現顯著差異。

在0～10 cm土層，NT處理的SOC質量分數最高，ST處理的次之，且均與TP和T處理的呈現顯著差異。這可能是由于TP與T處理對土壤擾動強于深松和免耕，加速了表土層有機物質的分解，減少了SOC質量分數。在10～30 cm土層中，TP處理的與其余三種處理的形成顯著差異，說明翻耕使大量殘茬進入耕層后，在地膜的提溫保墑作用下促進了秸稈腐化從而轉化為礦物質儲存。而在土層深度至30 cm以下，TP與ST處理的SOC質量分數呈現大幅度下降，分別平均降低了67.18%、67.21%，可能由于深層土壤中有機質較少，地膜對土壤水分和溫度較比于其他三種處理具有一定提升作用，加速了礦物質分解，降低了SOC的質量分數，地膜對深層土壤有機碳也有一定影響。而深松處理下機械作用有效深度達50 cm，增加了地表水分向深層土壤滲透，活化生土層，加速了礦物質分解。圖1

圖1 不同耕作方式下復播大豆農田土壤總有機碳變化
Fig. 1 Effects of different tillage methods on soil organic carbon in the soil of the cultivated soybean

2.2 不同耕作方式對復播大豆農田土壤微生物有機碳(MBC)的影響

研究表明，各處理復播大豆農田土壤MBC質量分數變化趨勢均隨土壤深度增加基本上呈現緩慢下降的趨勢。在0～30 cm耕層中NT與ST處理的MBC質量分數均無顯著性差異，但TP與T處理的則隨深度加大逐漸呈現顯著差異(P<0.05)。而在深度至30 cm以下，除機械深度達50 cm的深松處理外，其余三種處理的MBC質量分數無顯著差異，且ST處理的與其余三種處理的存在顯著差異。

0～10 cm土壤表層，NT處理的MBC質量分數達109.69 mg/kg，ST處理次之為105.92 mg/kg，且均與TP、T處理的存在顯著性差異(P<0.05)，這可能是由于免耕處理對土壤表土層的擾動極小，且麥后茬口及殘根分解腐化，為表層土壤微生物提供了充足碳源，提高了表層土壤微生物活性。在10～30 cm的土層中，作為根系的活躍層，各處理間的MBC質量分數基本表現為：TP>T>NT>ST，可能是因為翻耕對耕層土壤擾動較大，使大豆根系得以更為有利的生長和分布，且麥后茬口及殘根因機械擾動翻入耕層發生腐化分解，增加了耕層土壤微生物活性。而地膜覆蓋能夠提溫保墑，進一步為耕層土壤中微生物提供適宜的生長環境，獲得最高的MBC質量分數。土層深度至30 cm以下，深松處理的顯著高于其余三種處理，這可能是土壤由于深松農機具作用，打破犁底層且疏松深層土壤，進而為深層土壤微生物提供適宜的生長環境，土壤MBC的質量分數對外界機械作業具有明顯的動態響應。圖2

圖2 不同耕作方式下復播大豆農田土壤微生物有機碳變化
Fig.2 Effects of different tillage methods on soil microbial biomass carbon in soybean field

2.3 不同耕作方式對復播大豆農田土壤顆粒有機碳(POC)的影響

研究表明，各處理農田土壤POC質量分數的變化趨勢與SOC和MBC質量分數變化趨勢基本相似。在0～10 cm土層中，NT處理的POC質量分數最高，其次是ST處理的，且與T、TP處理的存在顯著差異(P<0.05)，而NT與ST處理間的、TP與T處理間的則均無顯著差異，說明免耕與深松能夠減少對表層土壤擾動，麥后茬口及殘根腐化分解，提高了有機質含量，使土壤的團聚體得以穩定并促進形成，進而大幅增加了POC質量分數。在10～30 cm耕層，TP處理的POC質量分數較NT、ST與T處理的分別高出8.16%、8.16%和11.34%，說明在耕作土層中，地膜覆蓋促進了秸稈的腐化積累，增加了土壤中顆粒有機碳含量，從而獲得最較高的POC質量分數。土壤深度至30 cm以下，隨土層深度增加，深松處理逐漸與其余三種處理的POC質量分數差異性增大并呈顯著性差異。這可能是深松農機具作用于深層土壤后，促使土壤礦物質分解后轉化為POC，進而活化了生土層。圖3

圖3 不同耕作方式下復播大豆農田土壤顆粒有機碳變化
Fig.3 Effects of different tillage methods on soil particle carbon in the soil of the compound sowing soybean field

2.4 土壤微生物有機碳占總有機碳的比例及剖面分布

研究表明，四種耕作措施的MBC/SOC比例均隨著土壤深度增加基本上呈現先遞減后增加趨勢，并在深度至60 cm的土層中達到各處理的最高點。在0～60 cm土層中各處理的MBC占SOC比例的范圍在1.29%～2.35%。

在0～30 cm的耕作土層中，MBC/SOC的比例隨著土壤深度增加略有減小，各處理間基本無顯著差異。隨著土壤深度加深，在>30～60 cm的土層中，各處理之間的MBC/SOC比例均呈現大幅增長，尤其以ST處理的MBC/SOC比例增長最為明顯，其次為翻耕覆膜，基本表現為ST>TP>T>NT。這可能是由于深松機械作用增加了耕層厚度與深層土壤的通透性，使外界水分能夠更好滲入深層土壤中，為微生物活動與繁殖提供了良好生存環境。圖4

圖4 土壤微生物有機碳占總有機碳比例的剖面分布
Fig.4 Profile distribution of soil microbial biomass carbon to total organic carbon fraction

2.5 土壤顆粒有機碳占總有機碳的比例及剖面分布

研究表明，四種耕作措施下的POC/SOC隨土壤深度增加基本上呈現先減小后增加的趨勢，并在深度至60 cm土層中各處理的POC/SOC比例達到最大值。在0～60 cm土層中不同耕作措施下的POC占SOC的比例范圍是17.81%～31.99%。

在0～30 cm耕作土層中，NT、ST與T、TP處理的POC/SOC比例存在差異，且NT、ST與T、TP處理的分別在土壤深度20與30 cm處達到處理自身的最低值。在>30～60 cm的土層中，隨著土壤深度的增加，各處理的POC/SOC比例呈現大幅增加，其中以ST處理的POC/SOC比例增長最為顯著，其次為翻耕覆膜，基本表現為ST>TP>T>NT。這可能是由于深松農機具能夠有效打破犁底層，增加深層土壤水分，致使深層土壤有機質發生分解和礦化，活化生土層，從而提高POC/SOC比例。而覆膜可能提高了>30 cm土層的溫度和水分，也促進了深層土壤有機質發生分解和礦化，從而提高POC/SOC比例。圖5

圖5 土壤顆粒有機碳占總有機碳比例的剖面分布
Fig.5 Profile distribution of soil particulate organic carbon as a percentage of total organic carbon

3 討 論

3.1 耕作措施對于總有機碳、顆粒有機碳及其微生物有機碳的影響

不同耕作措施對于土壤有機碳的含量及其組分影響不同[24-25]，嚴昌榮等[26]研究表明,機械翻耕可以使作物殘茬更加均勻的分布在土壤深處，有機碳更有利于在10～40 cm土層中分布，從而增加深層土壤有機碳的含量。馬忠明等[27]研究表明，不同耕作措施下的土壤總有機碳、微生物有機碳、顆粒有機碳三種碳含量隨著土層深度的增加而遞減，且處理之間差異逐漸減小。武均、姜學兵等[28-29]研究顯示，免耕處理可以有效提高0～10 cm表層土壤中有機碳及其組分含量，能夠減少土壤的擾動次數，具有培肥地力作用。這與試驗結果基本一致。研究表明，免耕與深松處理下的土壤總有機碳、微生物有機碳和顆粒有機碳質量分數均表現為表土層的含量最高，且免耕與深松不存在顯著差異。而在10～30 cm的耕層，則以翻耕覆膜處理下的土壤總有機碳、微生物有機碳和顆粒有機碳質量分數最高。說明農機具將殘茬翻入耕層后，覆膜能夠加速其腐化分解，從而增加了土壤有機碳及其組分含量。

3.2 耕作措施對于微生物有機碳、顆粒有機碳占總有機碳比例的影響

土壤微生物有機碳與顆粒有機碳被認為是土壤活性有機質的組分和量度指標，研究不同有機碳組分占總有機碳的比例更有助于了解土壤剖面碳素分布與水熱條件的關系[30]。通過前人研究結果表明，微生物有機碳與顆粒有機碳占土壤總有機碳比例范圍分別為1.48%～2.82%[31]，16%～44%[32]。研究結果表明,MBC/SOC與POC/SOC的比例范圍為1.29%～2.35%與17.81%～31.99%。這與前人研究結果基本一致，且從中可以看出溫度、水分和耕作措施是影響土壤微生物有機碳和顆粒有機碳剖面分布特征的重要因素。免耕對于0～10 cm表層土壤中MBC、POC占SOC的比例具有提升的作用，而機械擾動能夠使殘茬均勻分布在10～20 cm耕層，在其腐化分解后一部分能夠轉化為MBC及POC來增加SOC的含量，提升該層次土壤肥力，其中以翻耕覆膜最為明顯，其次為翻耕。但土壤深度至30 cm以下，因無外界有機質的補充，深松機械作用增加了耕層厚度與深層土壤的通透性[33-35]，使外界水分能夠更好滲入深層土壤中，表現為該層次土壤中有機質的分解最快，其次為翻耕覆膜，使總有機碳含量大幅減小，其各組分含量主要以POC含量為主，從而造成該層次土壤肥力的損耗。

4 結 論

深松和免耕均能夠有效增加表層土壤的SOC、MBC和POC的質量分數，其中深松對土層深度30 cm以下的MBC、POC質量分數與比率具有顯著提升，而在土層20～30 cm翻耕覆膜能夠更好保持土壤中SOC、MBC和POC的質量分數。不同耕作措施對復播大豆土壤總有機碳、微生物有機碳及顆粒有機碳在不同土壤層次間均存在顯著影響。免耕與深松均有利于增加土壤表層總有機碳、微生物有機碳和顆粒有機碳的含量，且無顯著性差異，而翻耕覆膜則有利于增加根系層土壤的總有機碳、微生物有機碳和顆粒有機碳的含量，且土壤有機碳及其組分含量的增加不僅有利于土壤肥力的改善，而且可以減少土壤的碳排放。但在無外界有機質的補充環境下，深松與翻耕覆膜對于深層土壤有機質會產生較大的損耗，因而在麥豆周年種植中，具體采取免耕、深松還是翻耕覆膜土壤耕作措施，不僅要考慮土壤固碳，還要考慮大豆的產量問題。