豫西旱區(qū)坡耕地保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮和微生物量碳、微生物量氮的影響

豫西旱區(qū)坡耕地保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮和微生物量碳、微生物量氮的影響

土壤微生物量作為土壤有機(jī)質(zhì)的分解場(chǎng)所和植物生長(zhǎng)發(fā)育因素的活性物質(zhì)，在土壤養(yǎng)分方面發(fā)揮著重要作用。首先,通過(guò)將天然有機(jī)質(zhì)傳遞給土壤而作為轉(zhuǎn)化媒體,其次,作為一個(gè)含有可測(cè)量的貯存氮、磷和硫的動(dòng)態(tài)庫(kù),因此,微生物量大小的變化影響氮磷的循環(huán)和對(duì)植物對(duì)氮磷的吸收能力,微生物量成為植物營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源,并被認(rèn)為是一種有效和靈敏的土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)量變化的指標(biāo)。北方旱區(qū)約80%以上農(nóng)田受到不同程度的風(fēng)蝕、水蝕,土壤肥力和土地生產(chǎn)力下降,資源和環(huán)境的壓力繼續(xù)上升。保護(hù)性耕作具有良好的生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益,發(fā)展保護(hù)性耕作成為旱區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。1999年開(kāi)始在豫西雨養(yǎng)區(qū)坡耕地進(jìn)行保護(hù)性耕作,本文對(duì)長(zhǎng)期定位保護(hù)性耕作措施下微生物量碳、氮與全氮、有機(jī)碳含量研究,以期為采用有效的耕作方式以及土地管理措施,提高土地肥力,改善生態(tài)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)作物和模式試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原東部河南省洛陽(yáng)市北部20km孟津縣送莊村中國(guó)農(nóng)科院洛陽(yáng)旱作農(nóng)業(yè)觀測(cè)場(chǎng),東經(jīng)113°,北緯34.5°,年平均氣溫14℃,地形屬典型的丘陵坡耕地,土壤為黃土,土壤中粘粒、粉粒和沙粒的含量分別是14.4%,74.2%和11.4%?；A(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)13.6g/kg,全氮0.11%,堿解氮74.94mg/kg,有效磷13.2mg/kg,速效鉀85.5mg/kg。種植模式為一年一熟,夏休閑,供試作物為冬小麥。從1971年到1999年的平均降雨量為644mm,屬于半濕潤(rùn)偏旱區(qū),年內(nèi)降雨季節(jié)分配不均,60%~80%的降雨量主要集中在6~9月份,且降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短,容易造成土壤侵蝕,導(dǎo)致水分和土壤養(yǎng)分的嚴(yán)重流失。1.2小麥?zhǔn)斋@后的深翻1020cm試驗(yàn)地坡度為8°,處理小區(qū)面積3m×30m,共設(shè)4個(gè)處理:(1)少耕(一次深翻RT):收獲時(shí)保留10~15cm殘茬,秸稈還田;小麥?zhǔn)斋@后,7月初深翻30cm,同時(shí)耙耱;(2)免耕覆蓋(NT):小麥?zhǔn)斋@時(shí)留茬35~40cm,免耕。(3)深松覆蓋(SS):收獲時(shí)保留40cm的殘茬,7月初間隔60cm深松40cm深,深松帶為20cm。(4)傳統(tǒng)耕作(CT):收獲時(shí)保留10~15cm的殘茬留在地里,在7月初,翻耕20cm,不耙耱,9月中下旬耕翻第2次。各處理肥料施用量為N135kg/hm2,P2O590kg/hm2,K2O75kg/hm2。1.3土壤微生物量的測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮的樣品采集:每個(gè)處理分坡上、坡中、坡下取樣,每個(gè)點(diǎn)取3個(gè)土樣混合,分別取0~20cm,20~40cm,40~60cm3個(gè)土層的土樣。土壤微生物量碳、氮的樣品采集:每個(gè)處理在坡上、坡中、坡下取樣,每個(gè)點(diǎn)取3個(gè)土樣混合,取0~10cm,10~20cm土層的土樣。樣品的采集時(shí)間為2004年7月中旬。分析方法:土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法,全氮采用半微量凱氏法,土壤微生物量碳(SMBC)、氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法(FE)。2結(jié)果與分析2.1深松和免耕地力耕作比較耕作措施顯著影響了坡耕地有機(jī)碳(SOC)空間分布(圖1)?？梢钥闯?隨著土層的加深,土壤有機(jī)碳含量顯著降低,耕層(0~20cm)SOC含量以深松最高,為6.79g/kg,比傳統(tǒng)耕作高13.82%,其次是免耕,較傳統(tǒng)耕作高11.58%,而少耕卻較傳統(tǒng)耕作降低了1.38%。0~60cm土層平均含量,深松和免耕較傳統(tǒng)耕作分別增加了14.08%,5.41%,少耕較傳耕作統(tǒng)減少1.12%。免耕和深松土壤有機(jī)質(zhì)的增加和其秸稈管理方法有關(guān),收獲后的高留茬以及秸稈還田降低了降雨對(duì)土壤的侵蝕作用,減少土壤有機(jī)質(zhì)流失;而少耕由于在耕翻后耙耱,土表比較平整,土壤顆粒較細(xì),且沒(méi)有覆蓋,受雨滴打擊后容易形成結(jié)皮,雨季易產(chǎn)生土壤徑流,造成土壤SOC的侵蝕流失。不同耕作坡上有機(jī)碳含量相差不大(圖1),坡中深松和免耕有機(jī)碳含量較傳統(tǒng)耕作提高了0.043%和0.021%,分別較傳統(tǒng)耕作增加了11.56%和5.56%;少耕也較傳統(tǒng)耕作高。坡下深松和免耕較傳統(tǒng)耕作增加22.48%和3.70%,而少耕降低了1.9%。各處理的有機(jī)碳坡下富集。2.2不同坡位的耕作全氮含量1圖2為各耕作下不同土層及坡位全氮含量,全氮含量隨著土層的加深而減少,且坡下有富集現(xiàn)象。不同耕作整體上深松含量較高,免耕次之。0~20cm土層的免耕、深松、少耕和傳統(tǒng)耕作全氮含量分別為0.797g/kg,0.774g/kg,0.724g/kg和0.722g/kg,較傳統(tǒng)耕作增加10.42%,7.21%和0.31%。20~60cm少耕較傳統(tǒng)耕作有所降低,免耕和傳統(tǒng)耕作相差不大,而深松各土層均較傳統(tǒng)耕作高。不同坡位坡上少耕較傳統(tǒng)耕作低,其他耕作與傳統(tǒng)耕作相差不大,在坡中和坡下,免耕和深松均較傳統(tǒng)耕作高,免耕、深松和少耕坡下全氮含量較傳統(tǒng)增加了10.13%,3.16%和-3.61%。土壤全氮受多種因素影響,施肥特別是長(zhǎng)期施用有機(jī)物質(zhì),免耕和輪作等都能提高土壤有機(jī)氮的含量。2.3不同處理下磷系生物量碳含量的變化土壤微生物量碳的消長(zhǎng)反映微生物利用土壤碳源進(jìn)行自身細(xì)胞建成并大量繁殖和微生物細(xì)胞解體使有機(jī)碳礦化的過(guò)程。不同耕作下不同土層和坡位微生物量碳含量(圖2),免耕和深松微生物量碳0~10cm含量較10~20cm高,而其它兩個(gè)處理卻相反,這是因?yàn)槊飧蜕钏勺魑餁報(bào)w集中于表面,而傳統(tǒng)和少耕經(jīng)翻耕且保留的殘茬較少,對(duì)土壤土層的水肥氣熱有影響,從而影響了微生物的活性。這與翟瑞常的研究結(jié)果一致,不同處理耕層微生物量碳平均含量免耕>深松>傳統(tǒng)>少耕,分別為206.87mg/kg,138.43mg/kg,115.42mg/kg和112.57mg/kg,較傳統(tǒng)增加79.3%,19.9%和-2.5%。不同處理同一坡位(圖2)深松覆蓋與免耕覆蓋微生物量碳含量較高,以免耕微生物量碳含量最高,坡上、中、下較傳統(tǒng)耕作分別增加了41.3%,58.5%和129.2%,深松覆蓋次之;而少耕坡上和坡中較傳統(tǒng)降低了18.1%和18.2%,坡下卻增加了24.8%。說(shuō)明增加秸稈還田量可增加土壤微生物量碳含量,小麥殘茬為土壤微生物的生存提供了豐富的養(yǎng)分和良好的生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)也看出土壤微生物量碳對(duì)不同的耕作制度表現(xiàn)極為敏感,這與國(guó)內(nèi)外的許多研究成果相吻合。微生物量碳含量也有坡下富集現(xiàn)象。土壤微生物量碳占有機(jī)碳的比例較少,一般只占土壤有機(jī)碳的1%~4%,但它是SOC最活躍的部分,直接影響SOC的轉(zhuǎn)化過(guò)程。SMBC/SOC又稱(chēng)微生物商,任天志認(rèn)為在評(píng)價(jià)土壤過(guò)程或土壤健康變化時(shí),土壤微生物商能夠較為準(zhǔn)確地反映土地利用和管理措施對(duì)土壤的影響。對(duì)土地利用變化的響應(yīng)更為敏感,可作為評(píng)價(jià)長(zhǎng)期培肥過(guò)程中土壤質(zhì)量變化的生物學(xué)指標(biāo)。以往研究表明,土壤微生物碳與有機(jī)碳的比率(SMBC/SOC)在0.5%~4.0%之間。本研究中少耕、免耕、深松和傳統(tǒng)的SMBC/SOC值分別為1.91%,3.11%,2.04%和1.93%。2.4保護(hù)性耕作與土壤微生物量氮的關(guān)系圖4為不同耕作下不同土層和坡位微生物量氮含量,不同土層保護(hù)性耕作變異較大,而傳統(tǒng)變異較小,不同坡位有坡下富集現(xiàn)象。0~10cm少耕、免耕、深松和傳統(tǒng)分別為27.7g/kg,34.4g/kg,313g/kg和25.6g/kg,較傳統(tǒng)增加了8.20%,34.38%和22.27%,而10~20cm保護(hù)性耕作均較傳統(tǒng)低,傳統(tǒng)耕作作業(yè)深度深,具有一定的土層均勻性。0~20cm土壤微生物量氮平均含量少耕、免耕和深松較傳統(tǒng)增加了2.92%,17.92%和8.13%。不同坡位坡上僅免耕較傳統(tǒng)高,坡下保護(hù)性耕作均較傳統(tǒng)高,少耕、免耕和深松增加了13.06%,22.68%和13.75%。土壤微生物量氮是指活的微生物體內(nèi)所含有的氮,不同土壤類(lèi)型及生態(tài)環(huán)境條件下其變異很大,土壤微生物量氮一般為20~200mg/kg,占土壤全氮的3%~6%,在數(shù)量上低于或接近作物吸氮量。本研究微生物量氮占全氮的3.32%~3.55%。在作物種植前或收獲后若無(wú)足量有機(jī)物施入土壤時(shí),土壤微生物量氮含量較穩(wěn)定,它的多少?zèng)Q定于該土壤氮素肥力的高低。本次取樣在作物收獲后的休閑期,可指示土壤氮素肥力的高低。2.5土壤微生物量與全氮、土壤微生物量與基肥量的關(guān)系相關(guān)分析結(jié)果表明,微生物量碳、氮與有機(jī)碳、全氮存在正相關(guān)關(guān)系,土壤微生物量碳與全氮、土壤微生物氮呈顯著正相關(guān),表明微生物量碳和微生物量氮與肥力關(guān)系密切,可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)。3生物指標(biāo)與土壤微生物量的關(guān)系保護(hù)性耕作中深松覆蓋和免耕覆蓋可增加耕層有機(jī)碳、全氮含量,而少耕與傳統(tǒng)耕作的有機(jī)碳、全氮含量無(wú)明顯差異。土壤微生物碳、氮對(duì)耕作敏感,兩者表現(xiàn)基本一致,且有坡下富集現(xiàn)象。土壤微生物商SMBC/SOC可作為評(píng)價(jià)長(zhǎng)期培肥過(guò)程中土壤質(zhì)量變化的生物學(xué)指標(biāo)。彭佩欽等研究表明,微生物量碳和有機(jī)碳存在極顯著正相關(guān),土壤全氮、微生物量氮與土壤有機(jī)碳之間存在極顯著的線性關(guān)系。本研究土壤微生物量碳與全氮、土壤微生物氮呈顯著正相關(guān),而與有機(jī)碳呈正相關(guān)但不顯著,微生物量碳和微生物量氮與肥力關(guān)系密切,可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)。高云超等對(duì)多年連續(xù)秸稈覆蓋免耕研究表明,0~20cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效氮、有效磷含量和土壤蔗糖酶活性明顯提高,免耕能提高表層土壤微生物量,翻耕能增加土壤活躍微生物量。徐陽(yáng)春等研究表明,保護(hù)性耕作下表層土(0~7.5cm)的微生物量增加,而亞表層變化則不明顯。Salinas-Garcia,etal研究了傳統(tǒng)耕作、少耕、免耕3種耕作方式對(duì)雨養(yǎng)玉米地土壤微生物量的影響,發(fā)現(xiàn)免耕處理表層土壤(0~50cm)有機(jī)碳、微生物量碳、氮、土壤潛在礦化氮、全氮、可提取磷含量最大。本研究與以上結(jié)果相同。