不同耕作方式對綠洲區農田土壤團聚體中微生物生物量碳、氮含量的影響

王翠麗 王軍強 陳亮 欒倩倩 李彥榮 趙旭

摘要：為了更好地研究不同耕作方式下綠洲區農田土壤團聚體中有機碳、微生物量碳、微生物量氮含量之間的關系，選擇4種耕作方式（免耕、少耕、深松、秋翻），對不同土層（0～20、20～40 cm）的土壤進行樣品采集和分析，研究各粒級（粒徑>2.00 mm、>1.00～2.00 mm、0.25～1.00 mm、<0.25 mm）土壤團聚體中有機碳、微生物量碳、微生物量氮含量的變化特征。結果表明，在4種耕作方式下，在0～20 cm土層4種粒級的土壤團聚體中，粒徑>2.00 mm的土壤團聚體的微生物量碳、微生物量氮含量最高，免耕、少耕、秋翻處理的土壤團聚體有機碳含量最高。對同一粒級的土壤團聚體而言，0～20 cm土層有機碳、微生物量碳、微生物量氮含量高于20～40 cm土層。隨團聚體粒級變小，土壤微生物量碳、微生物量氮含量逐漸降低;在秋翻方式下，土壤有機碳、微生物量碳、微生物量氮含量均最高，說明對該地區土壤翻動處理，可改善土壤微環境、增強土壤肥力，可作為改善綠洲區農田土壤的合理措施。

關鍵詞：綠洲農田;耕作方式;團聚體;有機碳;微生物量碳;微生物量氮

中圖分類號： S151.9+3;S153文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）12-0246-06

收稿日期：2021-08-19

基金項目：蘭州大學中央高校基本科研業務費專項（編號：lzujbky-2021-kb12）;甘肅省級引導科技創新發展專項（編號：2019ZX-06）;國家自然科學基金（編號：41867013、31560170）。

作者簡介：王翠麗（1989—），女，甘肅會寧人，碩士，助理研究員，從事設施蔬菜栽培生理與生長調控研究。E-mail：wangcl1116@163.com。

通信作者：趙 旭，副研究員，博士，從事農田生態和微生物生理生化研究。E-mail：zhaoxu512@163.com。

土壤團聚體是在土壤形成過程中，由土壤礦質顆粒吸收鈣的腐殖質凝結而成的，是土壤結構的基本單元[1]。土壤團聚體中各種微生物的活性受到耕作方式、土壤類型及氣候條件的影響，使不同粒級團聚體中碳、氮含量發生變化[2]。有研究發現，微生物的快速生長對微團聚體（粒徑<0.25 mm）中微生物群落結構的貢獻高于大團聚體（粒徑>2.00 mm）[3]。單位體積土壤中的微生物量隨著團聚體粒級的減小而增加，導致大團粒來自植物的外源有機質占據優勢，而微小粒級團聚體中來自微生物代謝的有機物占優勢[4]。團聚體粒級大小不同，其微生物數量和種群也不相同，有研究發現，在0～30 cm土層，有機質含量在粒徑為0.5～2 mm的團聚體中低于粒徑≤0.005 mm 的團聚體中[5];還有研究發現，土壤微生物量碳、氮含量在粒徑>2 mm團聚體中的含量相對高于粒徑<0.25 mm的團聚體[6]。

土壤團聚體與土壤有機碳、土壤微生物量碳、微生物量氮含量三者之間有著密切關系，土壤微生物連接作物根系與土壤微生物量碳、微生物量氮的循環;土壤中碳素、氮素養分的轉化離不開土壤微生物量碳、氮，土壤微生物量碳可以反映土壤微生物活性和土壤肥料狀況[7]。因此，研究團聚體中土壤微生物量碳、微生物量氮含量的變化有助于了解土壤肥力的變化，可為改良土壤養分提供一定的理論和技術指導。

本研究以民勤綠洲農田的4種不同耕作方式為研究對象，對不同耕作方式、不同土壤深度下土壤團聚體粒級、土壤團聚體有機碳、微生物量碳、微生物量氮、全氮含量進行比較，并明確不同耕作方式、不同深度下這些指標的分布特征及它們之間的關系，以期為提高該地區農田高效的耕作方式提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于甘肅省武威市民勤縣蘇武鄉泉水村（103°07′16″ E，33°37′10″N），海拔為 1 98～1 936 m，該地區氣候類型為溫帶干旱荒漠氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，晝夜溫差可達25.2 ℃。氣象站的數據顯示，該地年均溫為7.8 ℃，最低氣溫僅為 -30.8 ℃，高溫溫度為40.0 ℃，年均無霜期為 162 d，光照充足，全年日照時數為3 073.5 h，平均日照時數為2 779.40 h。該地區降水主要在7—9月，年均降水量約113.2 mm，蒸發量高達2 644 mm。

1.2 試驗設計

試驗開始于2015年10月，試驗地種植玉米，共設置4種耕作方式：（1）免耕（Tn），土地不耕翻，地膜一直到試驗結束才更換[8];（2）少耕（Tm），土壤從第1年收獲后到第2年播種前不進行任何翻動，在第2年播種前1周左右旋耕整地，深翻土壤7.5～10.0 cm;（3）深松（Ts），秋收后深翻30 cm，春季再翻1次;（4）秋翻（Tf），每年秋收后耕翻土層約為 0 cm，春季深翻土壤7.5～10.0 cm。每個處理設置3個重復，隨機區組排列，各小區面積為24.75 hm2。

1.3 取樣及指標測定

2020年6月用土鉆取土，每個試驗小區隨機選取3個點，分別采集0～20、20～40 cm 個土層的土樣，混合成1個樣后現場過篩（孔徑為5 mm），用手將大土塊掰開，過完篩后剔除土壤中可見的植物根系和雜物。將樣品一分為三，冷藏于冰盒中，帶回實驗室后儲存到4 ℃冰箱中。

參照Bach等的方法[9]，采用干篩法將土壤團聚體按不同顆粒進行分級，將置于4 ℃冰箱的土樣進行篩分處理，篩孔直徑分別為2、1、0.25 mm，篩分方法為垂直上下振蕩（5 cm高度），振蕩頻率 1次/s，振蕩時長1 min，篩分出粒徑>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00、<0.25 mm的土壤團聚體，稱質量，然后進行各項指標的測定。

1.3.1 土壤團聚體有機碳含量的測定 土壤團聚體有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀-硫酸消化法。

1.3.2 土壤團聚體微生物量碳、微生物量氮含量的測定 將用干篩法分離的不同粒徑的團聚體、原狀土的濕度調節至田間持水量的50%，在25 ℃預培養7 d后，用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提，稱取3份相當于風干土壤質量20 g的新鮮土壤于小燒杯中，將土樣與盛有50 mL無乙醇三氯甲烷的燒杯共同放入真空干燥箱中，抽真空至三氯甲烷持續沸騰后，關緊閥門，于25 ℃培養24 h后取出三氯甲烷，再次反復抽真空至完全去除土壤中殘余的三氯甲烷，加入50 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液，于25 ℃充分振蕩30 min。另外稱取3份土壤，直接加入50 mL K2SO4溶液進行浸提測定。

微生物量碳含量（MBC）的計算公式：MBC=2.64Ec[10];

微生物量氮含量（MBN）的計算公式：MBN=0.54Ec;

土壤微生物熵=有機碳/微生物碳。

式中：2.64、0.54分別為用三氯甲烷熏蒸殺死的微生物體的碳、氮被硫酸鉀浸提出的比例;Ec為熏蒸、未熏蒸浸提液中碳質量分數的差值。

1.3.4 土壤團聚體全氮測定 采用全自動凱氏定氮法（丹麥FOSS Analytical A/S公司）。

1.4 數據處理

用Excel 010進行數據處理及作圖，用SPSS 19.0軟件的Duncans法進行方差分析與差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對土壤團聚體有機碳的影響

土壤中有機碳含量反映土壤有機質平衡和礦化速率的變化。在0～20 cm土層，免耕、少耕、秋翻3種耕作方式的土壤各粒級團聚體中有機碳含量的變化規律基本一致，均表現為>2.00 mm粒徑團聚體有機碳含量最高，分別為11.61、14.83、18.96 g/kg;<0.25 mm粒級團聚體含量最低，分別為7.37、11.77、12.08 g/kg。在不同耕作方式下，秋翻時粒徑>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00、<0.25 mm 的4種團聚體的有機碳含量高于其他3種處理。對于有機碳含量最高的>2.00 mm 粒徑，有機碳含量排序為秋翻>少耕>免耕>深松;對于有機碳含量最低的<0.25 mm粒徑，有機碳含量排序為秋翻>少耕>免耕>深松。在0～40 cm土層，少耕方式下>2.00、>1.00～2.00 mm這2個粒級的團聚體有機碳含量最高，分別為11.99、12.13 g/kg，該層土壤有機碳含量低于 0～20 cm土層，>2.00 mm粒徑的土壤團聚體中有機碳含量最高（圖1）。

2.2 耕作方式對土壤團聚體中微生物量碳的影響

圖2顯示，在0～40 cm土層，免耕、少耕、深松、秋翻4種耕作方式的土壤各粒級團聚體中微生物量碳含量的變化規律相同。在不同耕作方式處理下，各粒級團聚體的微生物量碳含量變化不同。在0～20 cm土層，秋翻微生物量碳含量最高，為 1 401.52 mg/kg，少耕微生物含量最低，為 1 146.30 mg/kg。同一粒級不同耕作方式間的土壤團聚體微生物量碳含量也不同，其中粒徑>2.00 mm團聚體的微生物量碳含量最高，粒徑<0.25 mm團聚體的微生物量碳含量最低。隨著土層深度加深，各粒級團聚體中有微生物量碳含量降低。

2.3 耕作方式對土壤團聚體中微生物量氮含量的影響

由圖3可知，土壤團聚體中的微生物量氮含量與微生物量碳含量的變化趨勢相似，呈現為隨著團聚體粒級變小，微生物量氮含量降低。隨著土層深度增加，微生物量氮含量降低。在不同耕作方式下，0～20 cm土層土壤中各粒級團聚體的微生物量氮含量排序為秋翻>免耕>少耕 >深松，其中秋翻>2.00 mm粒徑團聚體的微生物量氮含量最高，為15.33 mg/kg。在0～40 cm土層，免耕處理各粒級團聚體微生物量氮含量最高，分別為10.00、7.25、6.99、5.27 mg/kg。在同一粒級的不同耕作方式下，粒徑>2.00 mm團聚體的微生物量氮含量最高，粒徑<0.25 mm 團聚體的微生物量氮含量最低。

2.4 不同耕作方式下土壤團聚體中的微生物量 C/N 值

由圖4可知，在不同耕作方式處理下，免耕、深松處理的團聚體C/N值變化趨勢相似，各粒級團聚體C/N值由高到低為>2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00 mm、<0.25 mm，秋翻處理的C/N值最高，免耕處理的C/N值最低。對于同一團聚體粒級，不同耕作方式處理的C/N值不同，其中少耕處理的>1.00～2.00 mm粒級團聚體的C/N值最高，為37.43%;深松處理 <0.25 mm 粒級團聚體的 C/N 值最高，為7.05%。

2.5 土壤團聚體中微生物量氮占全氮的比例

由圖5可知，在不同耕作方式下，各粒級土壤團聚體的生物量氮占全氮的比例為13.49%～85.59%。在表層（0～20 cm）土壤，少耕處理的團聚體微生物量氮占全氮的比例最高，免耕處理最低。在同一耕作方式下，0～20 cm土層的少耕、深松、秋翻團聚體微生物量氮占全氮的比例排序為 >2.00、>1.00～2.00、0.25～1.00、<0.25 mm。在20～40 cm土層，免耕、深松和秋翻各級團聚體中氮含量占總氮含量比例的變化規律相同。

2.6 耕作方式對土壤團聚體中微生物熵的分布的影響

由表1可知，底層（20～40 cm）土壤的微生物熵高于表層（0～20 cm）土壤，對于深松處理，>2.00 mm 粒徑團聚體的微生物熵最大（0.33%、0.64%）;在0～20 cm土層，少耕處理中粒徑 <0.25 mm 團聚體的微生物熵最小，為0.09%;在20～40 cm土層，其他處理的微生物熵在0.2%～0.6%之間。

3 討論

土壤團聚體反映土壤有機碳的穩定性[11]，粒徑不同，土壤團聚體所表現的孔隙度大小不同，而孔隙度特征可以有效積累土壤內部有機碳含量[12]。本研究表明，4種耕作方式影響土壤各粒徑團聚體中的有機碳含量，土壤團聚體有機碳含量均以 >2.00 mm 粒徑的團聚體較高，<0.25 mm 粒徑的土壤團聚體含量均最低，這與高明等的研究結果[13]一致。隨著土壤深度加深，團聚體粒級越小，有機碳含量越低。不同耕作方式的土壤團聚體中的有機碳含量差異很大，這與試驗地種植的玉米根系分布及根系分泌物有關，與羅有進等的研究結果[14]一致。在免耕處理下，團聚體中有機碳含量明顯降低;深松處理土壤團聚體有機碳含量明顯升高，且大團聚體含量顯著高于免耕處理，可能與種植作物根系分泌物及試驗地土壤以沙土為主有關。綜上，深松后土壤有機碳含量升高，且大粒徑團聚體中有機碳含量最高，表層（0～20 cm）土壤有機碳含量高于底層（20～40 cm）土壤中的有機碳含量。土壤有機碳含量越高，穩定性越好，能促進土壤中養分含量的提高，因此可以通過機械作業加強土壤養分含量，從而提高綠洲區土壤有機碳儲存量。

土壤微生物量碳占土壤有機碳庫的1%～4%，可以反映土壤微生物活性和土壤肥力狀況[15]。土壤微生物量碳含量與土壤有機碳含量具有顯著的相關性，在一定條件下，土壤中有機質含量越高，土壤微生物量碳含量就越高[10]。本研究結果表明，在相同耕作方式下，0～20 cm土層土壤微生物量碳含量高于20～40 cm土層土壤微生物量碳含量，>2.00 mm粒徑的團聚體微生物量碳含量高于 <0.25 mm 粒徑的團聚體。在不同耕作方式下，秋翻表層土壤（0～20 cm）的微生物量碳含量顯著高于其他耕作方式，且大團聚體中微生物量碳含量最高，說明秋季機械翻動土壤會增加土壤大團聚體（>2 mm）微生物量碳含量，這與趙亞麗等的研究結果[16]一致。有研究表明，通過機械化翻耕可以提高土壤有機質、氮素含量，使土壤微生物量氮含量增加[17]。本研究發現，免耕土壤微生物量氮含量最高，并且隨著土壤深度不斷加大，微生物量氮含量減小，土壤發生明顯的“上富下貧”現象，表明微生物量氮含量易受耕作方式的影響。對于同一粒級的團聚體，隨著團聚體粒徑變小，微生物量氮含量減小。該研究結果與Balota等的研究結果[18]一致。

通常認為，當微生物碳與氮的比值低于25時，有機質更易分解，并且會出現凈氮礦化的現象[19]。在本研究中，不同耕作方式下各團聚體土壤碳氮比為7.05%～37.70%，土壤碳氮比在0～20 cm 土層以秋翻處理最高，少耕處理最低，說明不同耕作方式使土壤碳氮比出現差異。>2.00 mm粒徑團聚體在土壤團聚體中所占比例最高。微生物熵是土壤微生物量碳與土壤總有機碳的比值，能夠反映土壤肥力。本研究結果表明，在4種耕作方式下，微生物熵隨著團聚體粒級的降低而減小。秋翻土壤團聚體有機碳、微生物量碳含量較高，微生物熵較大，說明秋翻不利于土壤中碳的固定。免耕微生物熵卻較低，土壤長期未被翻動，造成土壤微生物種類和數量較少，土壤肥效較低。該結果與徐云蕾等在森林土上得出的研究結果[9]相似。

4 結論

在4種耕作方式下，有機碳、微生物量碳及微生物量氮含量隨著土壤團聚體粒級變小而降低，隨著土層深度增加而減小。對于秋翻方式，>2.00 mm粒級土壤團聚體的有機碳、微生物量碳、微生物量氮含量均最高，表明秋翻可以提高土壤微生物碳氮量和養分含量，可用于綠洲農田作物種植。

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