不同耕作方式对绿洲区农田土壤团聚体中微生物生物量碳、氮含量的影响

2022-06-24 03:43王翠丽王军强陈亮栾倩倩李彦荣赵旭
江苏农业科学 2022年12期

王翠丽 王军强 陈亮 栾倩倩 李彦荣 赵旭

摘要:为了更好地研究不同耕作方式下绿洲区农田土壤团聚体中有机碳、微生物量碳、微生物量氮含量之间的关系,选择4种耕作方式(免耕、少耕、深松、秋翻),对不同土层(0~20、20~40 cm)的土壤进行样品采集和分析,研究各粒级(粒径>2.00 mm、>1.00~2.00 mm、0.25~1.00 mm、<0.25 mm)土壤团聚体中有机碳、微生物量碳、微生物量氮含量的变化特征。结果表明,在4种耕作方式下,在0~20 cm土层4种粒级的土壤团聚体中,粒径>2.00 mm的土壤团聚体的微生物量碳、微生物量氮含量最高,免耕、少耕、秋翻处理的土壤团聚体有机碳含量最高。对同一粒级的土壤团聚体而言,0~20 cm土层有机碳、微生物量碳、微生物量氮含量高于20~40 cm土层。随团聚体粒级变小,土壤微生物量碳、微生物量氮含量逐渐降低;在秋翻方式下,土壤有机碳、微生物量碳、微生物量氮含量均最高,说明对该地区土壤翻动处理,可改善土壤微环境、增强土壤肥力,可作为改善绿洲区农田土壤的合理措施。

关键词:绿洲农田;耕作方式;团聚体;有机碳;微生物量碳;微生物量氮

中图分类号: S151.9+3;S153文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2022)12-0246-06

收稿日期:2021-08-19

基金项目:兰州大学中央高校基本科研业务费专项(编号:lzujbky-2021-kb12);甘肃省级引导科技创新发展专项(编号:2019ZX-06);国家自然科学基金(编号:41867013、31560170)。

作者简介:王翠丽(1989—),女,甘肃会宁人,硕士,助理研究员,从事设施蔬菜栽培生理与生长调控研究。E-mail:wangcl1116@163.com。

通信作者:赵 旭,副研究员,博士,从事农田生态和微生物生理生化研究。E-mail:zhaoxu512@163.com。

土壤团聚体是在土壤形成過程中,由土壤矿质颗粒吸收钙的腐殖质凝结而成的,是土壤结构的基本单元[1]。土壤团聚体中各种微生物的活性受到耕作方式、土壤类型及气候条件的影响,使不同粒级团聚体中碳、氮含量发生变化[2]。有研究发现,微生物的快速生长对微团聚体(粒径<0.25 mm)中微生物群落结构的贡献高于大团聚体(粒径>2.00 mm)[3]。单位体积土壤中的微生物量随着团聚体粒级的减小而增加,导致大团粒来自植物的外源有机质占据优势,而微小粒级团聚体中来自微生物代谢的有机物占优势[4]。团聚体粒级大小不同,其微生物数量和种群也不相同,有研究发现,在0~30 cm土层,有机质含量在粒径为0.5~2 mm的团聚体中低于粒径≤0.005 mm 的团聚体中[5];还有研究发现,土壤微生物量碳、氮含量在粒径>2 mm团聚体中的含量相对高于粒径<0.25 mm的团聚体[6]。

土壤团聚体与土壤有机碳、土壤微生物量碳、微生物量氮含量三者之间有着密切关系,土壤微生物连接作物根系与土壤微生物量碳、微生物量氮的循环;土壤中碳素、氮素养分的转化离不开土壤微生物量碳、氮,土壤微生物量碳可以反映土壤微生物活性和土壤肥料状况[7]。因此,研究团聚体中土壤微生物量碳、微生物量氮含量的变化有助于了解土壤肥力的变化,可为改良土壤养分提供一定的理论和技术指导。

本研究以民勤绿洲农田的4种不同耕作方式为研究对象,对不同耕作方式、不同土壤深度下土壤团聚体粒级、土壤团聚体有机碳、微生物量碳、微生物量氮、全氮含量进行比较,并明确不同耕作方式、不同深度下这些指标的分布特征及它们之间的关系,以期为提高该地区农田高效的耕作方式提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于甘肃省武威市民勤县苏武乡泉水村(103°07′16″ E,33°37′10″N),海拔为 1 98~1 936 m,该地区气候类型为温带干旱荒漠气候,冬季寒冷,夏季炎热,昼夜温差可达25.2 ℃。气象站的数据显示,该地年均温为7.8 ℃,最低气温仅为 -30.8 ℃,高温温度为40.0 ℃,年均无霜期为 162 d,光照充足,全年日照时数为3 073.5 h,平均日照时数为2 779.40 h。该地区降水主要在7—9月,年均降水量约113.2 mm,蒸发量高达2 644 mm。

1.2 试验设计

试验开始于2015年10月,试验地种植玉米,共设置4种耕作方式:(1)免耕(Tn),土地不耕翻,地膜一直到试验结束才更换[8];(2)少耕(Tm),土壤从第1年收获后到第2年播种前不进行任何翻动,在第2年播种前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),每年秋收后耕翻土层约为 0 cm,春季深翻土壤7.5~10.0 cm。每个处理设置3个重复,随机区组排列,各小区面积为24.75 hm2。

1.3 取样及指标测定

2020年6月用土钻取土,每个试验小区随机选取3个点,分别采集0~20、20~40 cm 个土层的土样,混合成1个样后现场过筛(孔径为5 mm),用手将大土块掰开,过完筛后剔除土壤中可见的植物根系和杂物。将样品一分为三,冷藏于冰盒中,带回实验室后储存到4 ℃冰箱中。

参照Bach等的方法[9],采用干筛法将土壤团聚体按不同颗粒进行分级,将置于4 ℃冰箱的土样进行筛分处理,筛孔直径分别为2、1、0.25 mm,筛分方法为垂直上下振荡(5 cm高度),振荡频率 1次/s,振荡时长1 min,筛分出粒径>2.00、>1.00~2.00、0.25~1.00、<0.25 mm的土壤团聚体,称质量,然后进行各项指标的测定。

1.3.1 土壤团聚体有机碳含量的测定 土壤团聚体有机碳含量的测定采用重铬酸钾-硫酸消化法。

1.3.2 土壤团聚体微生物量碳、微生物量氮含量的测定 将用干筛法分离的不同粒径的团聚体、原状土的湿度调节至田间持水量的50%,在25 ℃预培养7 d后,用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提,称取3份相当于风干土壤质量20 g的新鲜土壤于小烧杯中,将土样与盛有50 mL无乙醇三氯甲烷的烧杯共同放入真空干燥箱中,抽真空至三氯甲烷持续沸腾后,关紧阀门,于25 ℃培养24 h后取出三氯甲烷,再次反复抽真空至完全去除土壤中残余的三氯甲烷,加入50 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液,于25 ℃充分振荡30 min。另外称取3份土壤,直接加入50 mL K2SO4溶液进行浸提测定。

微生物量碳含量(MBC)的计算公式:MBC=2.64Ec[10];

微生物量氮含量(MBN)的计算公式:MBN=0.54Ec;

土壤微生物熵=有机碳/微生物碳。

式中:2.64、0.54分别为用三氯甲烷熏蒸杀死的微生物体的碳、氮被硫酸钾浸提出的比例;Ec为熏蒸、未熏蒸浸提液中碳质量分数的差值。

1.3.4 土壤团聚体全氮测定 采用全自动凯氏定氮法(丹麦FOSS Analytical A/S公司)。

1.4 数据处理

用Excel 010进行数据处理及作图,用SPSS 19.0软件的Duncans法进行方差分析与差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤团聚体有机碳的影响

土壤中有机碳含量反映土壤有机质平衡和矿化速率的变化。在0~20 cm土层,免耕、少耕、秋翻3种耕作方式的土壤各粒级团聚体中有机碳含量的变化规律基本一致,均表现为>2.00 mm粒径团聚体有机碳含量最高,分别为11.61、14.83、18.96 g/kg;<0.25 mm粒级团聚体含量最低,分别为7.37、11.77、12.08 g/kg。在不同耕作方式下,秋翻时粒径>2.00、>1.00~2.00、0.25~1.00、<0.25 mm 的4種团聚体的有机碳含量高于其他3种处理。对于有机碳含量最高的>2.00 mm 粒径,有机碳含量排序为秋翻>少耕>免耕>深松;对于有机碳含量最低的<0.25 mm粒径,有机碳含量排序为秋翻>少耕>免耕>深松。在0~40 cm土层,少耕方式下>2.00、>1.00~2.00 mm这2个粒级的团聚体有机碳含量最高,分别为11.99、12.13 g/kg,该层土壤有机碳含量低于 0~20 cm土层,>2.00 mm粒径的土壤团聚体中有机碳含量最高(图1)。

2.2 耕作方式对土壤团聚体中微生物量碳的影响

图2显示,在0~40 cm土层,免耕、少耕、深松、秋翻4种耕作方式的土壤各粒级团聚体中微生物量碳含量的变化规律相同。在不同耕作方式处理下,各粒级团聚体的微生物量碳含量变化不同。在0~20 cm土层,秋翻微生物量碳含量最高,为 1 401.52 mg/kg,少耕微生物含量最低,为 1 146.30 mg/kg。同一粒级不同耕作方式间的土壤团聚体微生物量碳含量也不同,其中粒径>2.00 mm团聚体的微生物量碳含量最高,粒径<0.25 mm团聚体的微生物量碳含量最低。随着土层深度加深,各粒级团聚体中有微生物量碳含量降低。

2.3 耕作方式对土壤团聚体中微生物量氮含量的影响

由图3可知,土壤团聚体中的微生物量氮含量与微生物量碳含量的变化趋势相似,呈现为随着团聚体粒级变小,微生物量氮含量降低。随着土层深度增加,微生物量氮含量降低。在不同耕作方式下,0~20 cm土层土壤中各粒级团聚体的微生物量氮含量排序为秋翻>免耕>少耕 >深松,其中秋翻>2.00 mm粒径团聚体的微生物量氮含量最高,为15.33 mg/kg。在0~40 cm土层,免耕处理各粒级团聚体微生物量氮含量最高,分别为10.00、7.25、6.99、5.27 mg/kg。在同一粒级的不同耕作方式下,粒径>2.00 mm团聚体的微生物量氮含量最高,粒径<0.25 mm 团聚体的微生物量氮含量最低。

2.4 不同耕作方式下土壤团聚体中的微生物量 C/N 值

由图4可知,在不同耕作方式处理下,免耕、深松处理的团聚体C/N值变化趋势相似,各粒级团聚体C/N值由高到低为>2.00、>1.00~2.00、0.25~1.00 mm、<0.25 mm,秋翻处理的C/N值最高,免耕处理的C/N值最低。对于同一团聚体粒级,不同耕作方式处理的C/N值不同,其中少耕处理的>1.00~2.00 mm粒级团聚体的C/N值最高,为37.43%;深松处理 <0.25 mm 粒级团聚体的 C/N 值最高,为7.05%。

2.5 土壤团聚体中微生物量氮占全氮的比例

由图5可知,在不同耕作方式下,各粒级土壤团聚体的生物量氮占全氮的比例为13.49%~85.59%。在表层(0~20 cm)土壤,少耕处理的团聚体微生物量氮占全氮的比例最高,免耕处理最低。在同一耕作方式下,0~20 cm土层的少耕、深松、秋翻团聚体微生物量氮占全氮的比例排序为 >2.00、>1.00~2.00、0.25~1.00、<0.25 mm。在20~40 cm土层,免耕、深松和秋翻各级团聚体中氮含量占总氮含量比例的变化规律相同。

2.6 耕作方式对土壤团聚体中微生物熵的分布的影响

由表1可知,底层(20~40 cm)土壤的微生物熵高于表层(0~20 cm)土壤,对于深松处理,>2.00 mm 粒径团聚体的微生物熵最大(0.33%、0.64%);在0~20 cm土层,少耕处理中粒径 <0.25 mm 团聚体的微生物熵最小,为0.09%;在20~40 cm土层,其他处理的微生物熵在0.2%~0.6%之间。

3 讨论

土壤团聚体反映土壤有机碳的稳定性[11],粒径不同,土壤团聚体所表现的孔隙度大小不同,而孔隙度特征可以有效积累土壤内部有机碳含量[12]。本研究表明,4种耕作方式影响土壤各粒径团聚体中的有机碳含量,土壤团聚体有机碳含量均以 >2.00 mm 粒径的团聚体较高,<0.25 mm 粒径的土壤团聚体含量均最低,这与高明等的研究结果[13]一致。随着土壤深度加深,团聚体粒级越小,有机碳含量越低。不同耕作方式的土壤团聚体中的有机碳含量差异很大,这与试验地种植的玉米根系分布及根系分泌物有关,与罗有进等的研究结果[14]一致。在免耕处理下,团聚体中有机碳含量明显降低;深松处理土壤团聚体有机碳含量明显升高,且大团聚体含量显著高于免耕处理,可能与种植作物根系分泌物及试验地土壤以沙土为主有关。综上,深松后土壤有机碳含量升高,且大粒径团聚体中有机碳含量最高,表层(0~20 cm)土壤有机碳含量高于底层(20~40 cm)土壤中的有机碳含量。土壤有机碳含量越高,稳定性越好,能促进土壤中养分含量的提高,因此可以通过机械作业加强土壤养分含量,从而提高绿洲区土壤有机碳储存量。

土壤微生物量碳占土壤有机碳库的1%~4%,可以反映土壤微生物活性和土壤肥力状况[15]。土壤微生物量碳含量与土壤有机碳含量具有显著的相关性,在一定条件下,土壤中有机质含量越高,土壤微生物量碳含量就越高[10]。本研究结果表明,在相同耕作方式下,0~20 cm土层土壤微生物量碳含量高于20~40 cm土层土壤微生物量碳含量,>2.00 mm粒径的团聚体微生物量碳含量高于 <0.25 mm 粒径的团聚体。在不同耕作方式下,秋翻表层土壤(0~20 cm)的微生物量碳含量显著高于其他耕作方式,且大团聚体中微生物量碳含量最高,说明秋季机械翻动土壤会增加土壤大团聚体(>2 mm)微生物量碳含量,这与赵亚丽等的研究结果[16]一致。有研究表明,通过机械化翻耕可以提高土壤有机质、氮素含量,使土壤微生物量氮含量增加[17]。本研究发现,免耕土壤微生物量氮含量最高,并且随着土壤深度不断加大,微生物量氮含量减小,土壤发生明显的“上富下贫”现象,表明微生物量氮含量易受耕作方式的影响。对于同一粒级的团聚体,随着团聚体粒径变小,微生物量氮含量减小。该研究结果与Balota等的研究结果[18]一致。

通常认为,当微生物碳与氮的比值低于25时,有机质更易分解,并且会出现净氮矿化的现象[19]。在本研究中,不同耕作方式下各团聚体土壤碳氮比为7.05%~37.70%,土壤碳氮比在0~20 cm 土层以秋翻处理最高,少耕处理最低,说明不同耕作方式使土壤碳氮比出现差异。>2.00 mm粒径团聚体在土壤团聚体中所占比例最高。微生物熵是土壤微生物量碳与土壤总有机碳的比值,能够反映土壤肥力。本研究结果表明,在4种耕作方式下,微生物熵随着团聚体粒级的降低而减小。秋翻土壤团聚体有机碳、微生物量碳含量较高,微生物熵较大,说明秋翻不利于土壤中碳的固定。免耕微生物熵却较低,土壤长期未被翻动,造成土壤微生物种类和数量较少,土壤肥效较低。该结果与徐云蕾等在森林土上得出的研究结果[9]相似。

4 结论

在4种耕作方式下,有机碳、微生物量碳及微生物量氮含量随着土壤团聚体粒级变小而降低,随着土层深度增加而减小。对于秋翻方式,>2.00 mm粒级土壤团聚体的有机碳、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养分含量,可用于绿洲农田作物种植。

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