1、保护性耕作对麦豆轮作土壤有机碳全氮及微生物量碳氮的影响解析农业环境科学学报2009,28(7):1516-1521JournalofAgro-EnvironmentScience保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳全氮及微生物量碳氮的影响汪娟，蔡立群，毕冬梅，王新建，张仁陟（甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070）摘要：通过设置在甘肃省定西市李家堡镇的保护性耕作措施长期定位试验，共设4个处理（T：传统耕作；NT：免耕无覆盖；TS：传统耕作+秸秆还田；NTS：免耕+秸秆覆盖）,采用春小麦豌豆双序列轮作（即小麦豌豆小麦和豌豆小麦豌豆，本文中所指春小麦地、豌豆地分别指2008年种植春小麦、豌豆
2、的轮作次序），于2008年3月中旬对春小麦、豌豆双序列轮作下的土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳及土壤微生物量氮含量进行了采样测定。结果表明，经过7a的轮作后，两种轮作次序下，030cm土层中土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量均有在免耕+秸秆覆盖、传统耕作+秸秆还田处理较免耕不覆盖、传统耕作处理高的其中,土壤微生物量碳含量在两种轮作次序下的排序均为：免耕+秸秆覆盖（NTS）传趋势，且其含量均随着土壤深度的增加而降低。（TS）免耕不覆盖（NT）传统耕作（T）；而土壤微生物量氮含量在春小麦地和豌豆地的排序则分别表现为：免耕+统耕作+秸秆还田秸秆覆盖（NTS）传统耕作+秸秆还田（TS
3、）传统耕作（T）免耕不覆盖（NT）和免耕+秸秆覆盖（NTS）传统耕作+秸秆还田（TS）免）传统耕作（T）。同时，微生物量碳、微生物量氮与有机碳和全氮均呈显著正相关，说明提高土壤有机质、全氮含量的耕不覆盖（NT保护性耕作模式有利于土壤微生物量碳与氮的积累。关键词：保护性耕作；有机碳；全氮；微生物量碳；微生物量氮S344.1中图分类号：文献标志码：A文章编号：1672-2043(2009)07-1516-06EffectsofConservationTillageontheSOC、TN、SMBCandSMBNinTwoSequenceRotationSystemswithSpringWheatan
4、dPeaWANGJuan,CAILi-qun,BIDong-mei,WANGXin-Jian,ZHANGRen-zhi（CollegeofResources&EnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China）Abstract：Soilmicrobialbiomasshasbeenidentifiedasanappropriateindextodenotethesoilqualitybymanyresearchersbecauseofits（SOC）,totalnitrogen（TN）,soilmicrob
5、ialbiomasscarbongoodindicativefunction.Theeffectsofconservationtillageonsoilorganiccarbon（SMBC）andmicrobialbiomassnitrogen（SMBN）wereinvestigatedinafieldexperiment,whichconsistedoffourtreatments（T：conventionaltillage;NT：no-tillagewithnostrawcover;TS：conventionaltillagewithstraw;NTS：no-tillagewithstub
6、bleretention）andtwosequencerotationsystemswithspringwheatandpeaattheGansuAgriculturalUniversitysfarminDingxi.Thespringfieldandthepeafieldrepresentedtheorderofrotationspringwheatandpeahadbeenplantedin2008.Theresultsshowedthatafter7years,SOC,TN,SMBCandSMBNof030cmsoillayerwhichunderno-tillagewithstubbl
7、eretention（NTS）andconventionaltillagewithstraw（TS）treatsallhadbeenhigherthantheonesunderno-tillagewithnostrawcover（NT）andconventionaltillage（T）treats.Moreover,thecontentsofSOC,TN,SMBCandSMBNweredecreasingwithsoillayerbeingdeepened.Inthe030cmsoillayerofthespringwheatfieldthecontentsofSMBCandSMBNfollo
8、wedtheorderinthetreatments：NTSTSNTTwhileNTSTSNTT,NTSTSNTTinthepeafield.Moreover,thereweresignificantpositivecorrelationsamongSMBC,SMBN,SOCandTN.ItprovedthatconservationtillagewhichcouldimprovethecontentsofSOCandTNwerealsobeneficialtoSMBCandSMBNsaccumulations.Keywords：conservationtillage;soilorganicc
9、arbon;soiltotalnitrogen;soilmicrobialbiomasscarbon;soilmicrobialbiomassnitrogen收稿日期：20081120基金项目：ACIAR项目（SMCN（LWR2）1999094）；国家科技支撑计划项目（2006BAD15B06）；国家自然基金项目（40771132）作者简介：汪娟（1985），女，安徽省安庆人，在读硕士研究生，主要从事保护性耕作研究。Email：wendy1003126com通讯作者：张仁陟Email：zhangrzgsaueducn第28卷第7期农业环境科学学报1517土壤微生物作为土壤有机质的降解者和植物营
10、养物质的活性库，在土壤和植物群落内部及全球物质循环中发挥着重要的作用。同时，人们常将土壤微生物量碳、氮视为直观反映土壤微生物活性及土壤肥力状况的重要指标1。土壤微生物尽管所占比例很小，但由于其对外界条件变化敏感，其大小、活性、组成及周转强烈受生物因素（耕作、施肥、土地利用变化、土壤污染等人为因素及植被类型）和非生物因素（环境温度、湿度、土壤类型等）影响，因而能够及时反映土壤质量状况。因此，土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）已成为国际土壤与植物营养学研究的热点问题2-4。黄土高原干旱、半干旱雨养农业区常年以传统耕作方式对土壤进行翻耕，作物秸秆大量移出后常导致表土暴露，特别是加
11、速了土壤有机质的分解、增加了土壤侵蚀和养分流失，使耕地质量日趋下降5-6。而国内外广泛研究的以少、免耕为代表的各种保护性耕作措施在提高土壤有机物质输入量，减少土壤有机质矿化分解，增加土壤养分有效性等方面均具有明显效果7-9。2001年8月，甘肃农业大学在位于黄土高原西部的定西市李家堡镇设置了长期定位试验，研究不同保护性耕作措施对土壤物理、化学及生物学特性的影响，以筛选出适合的保护性耕作模式并加以推广。本文对2008年作物播种期耕层（030cm）土壤有机碳、全氮、微生物量碳及微生物量氮含量进行了测定，旨在为深入了解保护性耕作措施对干旱、半干旱区土壤微生物学特性的影响，评价其在该地区的适应性，实现
12、农业可持续发展提供可靠的理论依据。豌豆麦和豌豆小麦豌豆。本文中所指春小麦地、地分别指2008年种植春小麦、豌豆的轮作次序，具体处理方式如表1。表1试验处理描述Table1Treatmentsdescription代码CodeTNTTSNTS处理Treatments传统耕作免耕不覆盖操作方法Operation作物收获后至冻结前三耕两耱，翻耕深度依次为20、10和5cm全年不耕作，播种时用免耕播种机一次性完成播种和施肥，收获后用2，4-D丁酯除草传统耕作+秸秆耕作方式同T，在第一次耕作的同时将前茬还田作物秸秆翻入土中免耕+秸秆覆盖播种和除草方法同NT，收获后前茬作耕作、物秸秆全部归还小区供试作物为
13、春小麦和豌豆。其中春小麦品种为“定西35号”，播量187.5kghm-2，行距20cm。施纯氮105kghm-2、P2O5105kghm-2，所有肥料均作为基肥在播种时施入，播期为2008年3月中旬，收获期为2008年8月中旬。豌豆品种为“绿农1号”，播量180kghm-2，行距22.5cm。施纯氮20kghm-2、P2O5105kghm-2，所有肥料均作为基肥在播种时施入，播期为2008年3月下旬，收获期为2008年7月中旬。1.3样品采集和测定2008年春小麦和豌豆播种前，在各小区分别取05cm，510cm，1030cm土层的土样，每个小区均取3点样混合。土样采回后，一部分置于冰箱（4左右
14、）内，用于测定土壤水分，微生物量碳、氮含量，另一部分风干用于常规分析。土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸浸提法8-9测定。土壤微生物量碳BC（mgkg-1）=EC/0.38;土壤微生物量氮BN（mgkg-1）=EN/0.4510。其中0.38和0.45分别为土壤微生物量碳和氮的系数；EC和EN分别为熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液有机碳和全氮含量的差值。土壤有机碳的测定采用重铬酸钾容量法外加热法11，全氮的测定采用半微量凯氏法11。1.4数据分析采用MicrosoftExcel绘制图表，采用SPSS13.0软件对数据进行相关分析和Duncan多重比较，显著度水平为0.05。1材料与方法1.1试
15、验区概况试验区位于黄土高原半干旱丘陵沟壑区，平均海拔2000m，年均太阳辐射591.89kJcm-2，日照时数2476.6h，年均气温6.4，0积温2933.5，10积温2239.1；无霜期140d。多年平均降水390.9mm，年蒸发量1531mm，干燥度2.53，保证率的降水量为365mm，变异系数为24.3%，为典型的雨养农业区。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀；0200cm土壤容重平均为1.17gcm-3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。1.2试验设计试验始于2001年8月，共设4个处理，3次重复，共24个小区，小区面积4m20m，随机区组排即小麦豌豆小列。采用
16、春小麦豌豆双序列轮作，2结果与分析2.1不同耕作对土壤有机碳的影响图1和图2是不同耕作对春小麦地和豌豆地耕1518汪娟等：保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳全氮及微生物量碳氮的影响2009年7月层土壤有机碳分布的影响。由图可知：在春小麦地05cm土层中，NTS处理下土壤有机碳含量分别比TS、NT、T处理的高2.29、1.66、4.69gkg-1，且其差异均达到了显著水平；510cm土层中，各处理土壤有机碳含量排序为NTSNTTST，其中NTS处理与TS、T处理间的差异达到了显著水平；1030cm土层中，仅NTS与TS处理间有机碳含量有显著差异而其他处理间无明显差异。将上述各个层次有机碳含量加权求
17、和后得到030cm土层中有机碳含量排序为：NTSNTTST。在豌豆地05cm和510cm土层中，TS、NTS处理下土壤有机碳含量均比T、NT处理的高，且均呈TSNTSTNT的趋势，而在1030cm土层中，保护性耕作的各处理土壤有机碳含量均高于传统耕作处其他各处理理，但除TS与T处理间达到显著水平外，间并无显著差异。将上述各个层次有机碳含量加权求和后得到030cm土层中有机碳含量排序为：TSNTSTNT。2.2不同耕作对土壤全氮的影响土壤全氮包括所有形式的有机和无机氮素，是土壤氮素总量和供应植物有效氮素的源和库，其含量能够综合反映土壤的氮素状况。图3和图4是不同耕作对春小麦和豌豆地耕层土壤全氮分
18、布的影响。由图可知：在春小麦地中，05cm土层中，NTS处理全氮含量分别比TS、NT、T处理的高12.3%、12.4%、13.6%，且其差异均达到显著水平，同时TS、NT又显著高于T处理；在510cm土层中，NTS处理的全氮含量显著高于T处理，但TS、NT处理与T处理间差异不显著；在1030cm土层，各处理大小排序同510cm土层，但处理间差异均不显著。在豌豆地中，05cm土层中，NTS处理全氮含量分别比TS、NT、T处理高6.3%、15.2%和25.3%，其中，NTS、NT处理与T处理间差异达到了5%的显著水平；510cm土层中，NTS、TS、NT均与T处理差异达第28卷第7期农业环境科学学
19、报1519到了显著水平，但NTS、TS、NT间并无显著差异；1030cm土层中，各处理间土壤全氮含量均无显著差异，但其大小排序同上一层。2.3不同耕作对土壤微生物量碳的影响SMBC的消长反映微生物利用土壤碳源进行自身细胞建成并大量繁殖和微生物细胞解体使有机碳矿化的过程。图5和图6是不同耕作对春小麦和豌豆地SMBC分布的影响。2.4不同耕作对土壤微生物量氮的影响SMBN的含量是土壤微生物对氮素矿化与固持作用的综合反映。图7和图8是不同耕作对春小麦和豌豆地SMBN含量分布的影响。由图可知：在春小麦地05cm土层中，NTS处理的SMBN显著高于其他处理，且TS处理与T、NT处理下SMBN的差异也达到
20、了显著水平；510cm土层中，NTS处理的SMBN显著高于其他处理，但T的由图可知，在春小麦地05cm土层中，NTS处理的SMBC显著高于其他处理，且TS处理与T处理下SMBC的差异也达到了显著水平；510cm土层中，NTS、TS处理的SMBC显著高于NT、T处理；1030cm土层中，各处理SMBC表现与510cm土层中相似。在豌豆地05cm土层中，NTS处理的SMBC显著高于其他处理，且TS处理与T处理下SMBC的差异也达到了显著水平；510cm土层中，NTS处理下SMBC显著高于其他处理，且TS与NT、T处理下SMBC差异也达到了5%的显著水平；1030cm土层中，各处理SMBC的趋势与5
21、10cm土层中相似。SMBN显著高于NT处理；1030cm土层中，NTS处理的SMBN显著高于其他处理，各处理SMBN表现为NTSNT、TTS。在豌豆地05cm土层中，NTS处理的SMBN显著高于其他处理，但TS、NT、T处理间差异不显著；510cm土层中，NTS处理下SMBN显著高于其他处理，且TS的SMBN也显著高于T处理；1030cm土层中，NTS、TS处理的SMBN显著高于T、NT处理，各处理SMBN含量呈NTSTSNTT趋势。2.5土壤SOC、TN、C/N、SMBC、SMBN间的关系研究者一般认为，土壤有机质与微生物量碳或微豌生物量氮有密切的正相关关系12。表2是春小麦、1520汪娟
22、等：保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳全氮及微生物量碳氮的影响2009年7月豆地耕层土壤有机质、全氮、C/N、微生物量碳、氮相关系数矩阵，由表可知，无论何种轮作次序，微生物量碳、微生物量氮与有机碳和全氮均呈显著正相关，说明提高土壤有机质、全氮含量有利于土壤微生物碳与氮的积累。表2春小麦、豌豆地耕层土壤有机质、全氮、C/N、微生物量碳、氮相关系数矩阵Table2Correlationcoefficientsoforganicmatter、totalnitrogen、microbialbiomasscarbonandnitrogenofsoiltillagelayerinspringwheatand
23、peafieldSOC春小麦SpringwheatSOCTNC/NSMBCSMBN豌豆PeaSOCTNC/NSMBCSMBN10.854*0.909*0.626*10.648*0.5391-0.29011110.5630.683*1110.4030.835*TNC/NSMBCSMBN其主要与土壤植物残留物在土层中的分布密切相关。原因在于土壤全氮主要来源于土壤植物残体分解与合成所形成的有机质，而土壤有机质强烈影响土壤微生物量的数量和活性15，并且植物（主要是农作物）残留物也主要集中在030cm土层内，且随深度增加而减少。李香真等5认为，土壤有机碳、全氮含量在一定程度上反映了土壤环境因子组合的最佳
24、程度；土壤有机质水平高，微生物所受胁迫小，有利于微生物群落1030cm土层以上，尤其是表层土壤的发展。因此，中植物残留物分解合成形成的有机质相对集中，相应的全氮含量也就明显高于下层。（3）在两种轮作次序下，030cm土层中微生物氮含量都是NTS、TS处理明显大于NT、T处理。量碳、土壤微生物量碳、氮含量均表现为：05cm510cm1030cm。表明免耕秸秆覆盖与秸秆还田比免耕不覆盖对土壤微生物量碳的增加影响更稳定，此结果与宋明伟等16的研究结果相似。其原因可能是NTS处理不扰动土层，植物残体主要积累在表土层中，相应地可供微生物维持生命活动的能量充足；同时，长期免耕结合秸秆覆盖使植物根系多集中分
25、布于表土层，根系分泌的大量低分子量的根系分泌物也促进了土壤微生物的繁衍，使其生命活动旺盛，从而导致该土层中土壤微生物生物量碳含量高于其他处理。不同土层土壤微生物量氮在春小麦地和豌豆地的排序出现不同的原因可能是种植的作物根系分布及根系分泌物在土壤中的积累不同及前茬作物残体的不同，从而使土壤微生物得到的C源数量及性质不同。本试验数据及结果与之前文献略有所差异，一方面是因为经过7a保护性耕作后土壤有机碳、全氮、微生物量碳氮含量均有所提高，但大体趋势保持一致，表明保护性耕作能够有效改善土壤质量，有利于土地的持续利用和农业的可持续发展，适合在甘肃中部半干旱农业区推广；另一方面是由于在农田生态系统中，土壤
26、微生物量的变化主要受到环境条件（干湿、温度变化）和作物生长等综合影响，采样时间，不同的轮作年份，以及当年的气候状况，降雨量，都可成为影响微生物量变化的因素。（4）在两种轮作次序下，微生物量碳、微生物量氮与有机碳和全氮均呈显著正相关，说明提高土壤有机质、全氮含量有利于土壤微生物碳与氮的积累。参考文献：1王继红,刘景双,于君宝,等.氮磷肥对黑土玉米农田生态系统土壤微生物量碳氮的影响J.水土保持学报,2004,18（1）：35-38.0.828*0.874*0.598*0.727*0.790*0.0400.734*0.893*-0.0530.927*注：*显著性水平0.05；*显著性水平0.01。N
27、ote：*standforsignificanceatP0.05；*standforsignificanceatP0.01.3讨论与结论（1）经过连续7a不同耕作结合春小麦-豌豆轮作后，各处理耕层土壤有机碳含量产生了较大的差异。但无论何种轮作次序，土壤有机碳含量均随着土壤深度的增加而减少，且均有NTS、TS处理的土壤有机碳含量均较T处理高的趋势。但NT处理土壤总有机碳含量在春小麦地中比T处理高，在豌豆地中比T处理低，可见秸秆覆盖或还田对土壤总有机碳含量的提高效果比较稳定，这与蔡立群等的研究结果一致13。其可能原因是测试年份PWP序列种植的作物是豌豆，其前茬作物春小麦的秸秆产量较WPW序列的前茬
28、作物豌豆的秸秆产量高，秸秆还田后导致土壤总有机碳含量呈现此趋势。（2）在两种轮作次序下，保护性耕作的3个处理14在各土层中的全氮含量均较传统耕作处理的高。对3个土层全氮含量加权求和结果表明，030cm土壤全氮含量均表现为NTSTSNTT的趋势，且其含量呈随土壤深度的增加而减少，这与土壤有机碳含量变化土壤全氮含量在剖面上的这种分布格局的趋势相似。第28卷第7期农业环境科学学报1521WANGJi-hong,LIUJing-shuang,YUJun-bao,etal.EffectoffertilizingNandPonsoilmicrobialbiomasscarbonandnitrogenofb
29、lacksoilcornagroecosystemJ.JournalofSoilandWaterConservation,2004,18（1）：35-38.2MacartyGW,MeisingerJJ,JenniskensFMM.Relationshipsbetweentotal-N,biomass-Nandactive-NinsoilunderdifferenttillageandN（10）：fertilizertreatmentsJ.SoilBiologyandBiochemistry,1995,271245-1250.3Hernndez-HernndezRM,Lopez-Hernndez
30、D.Microbialbiomass,mineralnitrogenandcarboncontentinsavannasoilaggregatesunderconventionalandno-tillageJ.SoilBiologyandBiochemistry,2002,34：1563-1570.4TemplerP,FindlayS,LovettG.SoilmicrobialbiomassandnitrogentransformationsamongfivetreespeciesoftheCatskillMountainsJ.NewYork,USA.SoilBiologyandBiochem
31、istry,2003,35：607-613.5李香真,曲秋皓.蒙古高原草原土壤微生物量碳氮特征J.土壤学报,2002,39（1）：97-104.LIXiang-zhen,QUQiu-hao.SoilmicrobialbiomasscarbonandnitrogeninMongoliangrasslandJ.ActaPedologicaSinica,2002,39（1）：97-104.6姜培坤,周国模.侵蚀型红壤植被恢复后土壤微生物量碳、氮的演变J.水土保持学报,2006,20（1）：112-127.JIANGPei-kun,ZHOUGuo-mo.ChangesinsoilmicrobialbiomasscarbonandnitrogenundererodedredsoilbyvegetationrecoveryJ.JournalofSoilandWaterConservation,2006,20（1）：112-127.7唐国勇,黄道友,童成立,等.土壤氮素循环模型及其模拟研究进展J.应用生态学报,2005,16（11）：2208-2212.TANGGuo-yong,HUANGDao-you,TO
