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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