保护性耕作对黄土旱塬玉米土壤呼吸及微生物数量的影响

杨 倩，张清平，蒋海亮，杨德雄，王先之，沈禹颖

（草地农业系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州730020）

土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，是陆地生态系统碳循环的一个重要过程，也是土壤碳库的主要输出途径［1］。土地利用方式、土壤理化性状及温度、水分、施肥、耕作等多种因素都会对土壤呼吸产生影响［2-5］，其中土壤呼吸和温度具有良好的相关性，存在明显的季节差异［6］。保护性耕作通过秸秆添加，增加了土壤有机碳含量，有效提高了水分利用效率，促进了作物生长，对土壤CO2释放过程产生影响。研究表明，免耕留茬覆盖较传统耕作能显著降低土壤呼吸速率，且随秸秆添加量的增加而降低［7-8］，但仍有研究发现保护性耕作措施可提高土壤呼吸［9］，且灌溉条件下，随着秸秆还田量的增加，土壤呼吸通量增加［10］。为了明确在黄土高原长期旱作条件下，秸秆还田和免耕对土壤呼吸作用的影响及微生物活性在土壤呼吸中的作用，本研究以进行十余年保护性耕作的玉米（Zeamayscv.Zhongdan No.2）-小麦（Triticumaestivumcv.Xifeng No.24）-大豆（Glycinemaxcv.Fengshou No.12）轮作系统为对象，探讨保护性耕作下春玉米主要生育期土壤呼吸和土壤微生物数量动态及其相互关系，以评价不同耕作措施对降低或减缓土壤CO2排放效果，以期为黄土高原旱作农业区不同耕作措施的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地选择 研究地点位于兰州大学庆阳黄土高原试验站（35°40′N，107°51′E），行政区域属甘肃省庆阳市西峰区什社乡，海拔1 297m。年平均气温8.0～10.0℃，极端最高气温39.6℃，极端最低气温为-22.4℃，＞5℃年均积温为3 446℃·d。无霜期平均为161d，生长季255d，年降水量480～660mm，多集中在7-9月，年平均蒸发量1 504mm。自然土壤为黑垆土，有机质含量在1%以下，土壤含N量低于0.1%，pH值为8.0～8.5。

1.2 试验设计 试验设4个处理：传统耕作（T），传统耕作＋秸秆还田（TS），免耕（NT），免耕＋秸秆还田（NTS）。每处理4个重复，完全随机区组排列，共16个小区，小区面积为4m×13m。轮作序列为春玉米-冬小麦-夏大豆。玉米于4月上旬播种（行距50cm，株距33cm），9月中下旬收获，玉米收获后立即播种小麦（播量225kg·hm-2、行距15 cm），第2年6月底收获，随后立即播种大豆（行距25cm、株距25cm），10月收获，土地休闲，到翌年4月播种玉米，即为一个完整的轮作体系。此轮作系统开始于2001年。

1.3 土壤呼吸速率测定 土壤呼吸速率采用LICOR-6400便携式光合作用仪连接6400-09土壤叶室测定（Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA）。每次测定时，齐地面剪去管中的绿色植被。测定所用PVC基座直径10cm、高5cm，提前24h嵌入土中约3 cm，每个小区2个重复，测定土壤呼吸速率的同时，用LI-6400光合系统自带的土壤温度探针垂直插入PVC环附近的土壤10cm，记录10cm深度的土壤温度，每重复需4～5min。选择在2010年7月底（玉米花期）和9月底（玉米收获期）的晴天09：00-11：00进行田间测定，持续进行2d，求其算术平均值。

1.4 土壤微生物数量的测定 土壤样品于每次土壤呼吸测定后采集，每个小区随机选取5株玉米，从土壤中小心地采集其根系，轻轻抖落附在根上的土壤，将剩下的根系和土壤在无菌自封袋中轻轻抖动大约1min，作为根际土［11］。所有新鲜土样拣出可见碎石、植物残体、根系及土壤动物，过2mm不锈钢筛后立即测定微生物。微生物数量采用稀释涂布平板计数法测定。其中，细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌培养采用高氏1号培养基；真菌培养采用马丁氏孟加拉红培养基，培养3～6d进行观察计数。

1.5 数据处理与统计分析 用Excel（V2003）、Genstat Discovery Edition 2软件进行数据处理和统计分析，双因素方差分析检验耕作和秸秆还田效应以及两者的互作效应。且本研究通过双因素分析得到免耕（NT和NTS）和耕作（T和TS）处理去除了秸秆利用方式对耕作方式的影响；秸秆还田（TS和NTS）和秸秆移除（T和NT）去除了耕作和免耕对秸秆利用方式的影响。

2 结果与分析

2.1 保护性耕作对玉米花期和收获期土壤呼吸以及10cm地温的影响 实施保护性耕作10年后，各处理下玉米花期土壤呼吸速率和土壤温度均高于收获期。2个生长阶段，不同耕作处理下10 cm地温的变化趋势与土壤呼吸速率变化趋势基本一致（表1）。

双因素方差分析显示，免耕、秸秆还田以及两者互作对玉米花期土壤呼吸速率影响极显著（P＜0.001），土壤呼吸速率在T处理下最高，免耕较耕作土壤呼吸速率降低8.3%（P＜0.05），秸秆还田使土壤呼吸速率比秸秆移除下显著降低7.8%。无秸秆条件下，T比NT处理的土壤呼吸速率显著提高15.2%，秸秆还田后，TS和NTS处理的呼吸速率无差异，均为3.69μmol CO2·m-2·s-1。因此，秸秆还田掩盖了耕作效应对土壤呼吸速率的提高作用，反映了秸秆还田降低生长季土壤呼吸的效应。花期10cm土壤温度波动在20.11～22.23℃，T处理下10cm地温比TS、NT、NTS处理分别显著高出6.7%、7.0%和10.5%（P＜0.001）。耕作、秸秆及其互作差异极显著（P＜0.001）。耕作处理的土壤温度在没有秸秆条件下比免耕显著增加了7.0%；秸秆还田后，无论耕作与否（TS和NTS），10cm土壤温度之间无显著差异（表1）。

与花期相比，收获期各处理下土壤呼吸速率分别降低了57.5%、56.9%、57.8%和63.7%，仍以T处理下土壤呼吸速率最高，NTS处理下最低。双因素方差分析表明，免耕较耕作降低土壤呼吸速率15.5%，秸秆还田较秸秆移除降低13.6%（P＜0.05），但耕作和秸秆的互作效应不显著（P＞0.05）。收获期各处理下10cm地温在16.0～16.9℃，明显低于花期同层土壤温度，且变幅降低，仍以T处理下的地温最高（16.88℃），NTS处理下最低（16.01℃）。免耕处理比耕作处理显著降低土壤温度2.8%，秸秆还田较秸秆移除显著降低2.5%，未见显著的免耕与秸秆交互效应（表1）。

2.2 保护性耕作下根际土壤微生物数量分布玉米花期4个耕作措施下根际土壤细菌数量大小依次为T＜TS＜NTS＜NT（表2），免耕显著增加了玉米花期根际细菌的数量，比耕作下显著提高28.1%（P＜0.001）。NT和NTS处理根际真菌数量在玉米花期明显高于T处理（P＜0.05），免耕下根际土壤中真菌的数量比耕作显著提高了39.4%，秸秆还田也提高了根际土壤中真菌的数量，但是与秸秆移除条件下差异不显著（P＞0.05）。免耕和秸秆还田效应对玉米花期根际放线菌数量的影响显著，免耕较耕作下放线菌数量提高20.6%，秸秆还田下较秸秆移除提高16.5%，但两者间无显著的互作效应。

表1 保护性耕作下玉米花期和收获期土壤呼吸速率和10cm地温的变化Table 1 Soil respiration and 10cm ground temperature in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

表2 保护性耕作下玉米花期和收获期3类土壤微生物数量的变化Table 2 Soil microorganism in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

收获期根际土壤细菌的数量较花期有所下降，免耕和秸秆还田提高根际土壤细菌数量的效应显著，分别比耕作和去除秸秆提高9.9%和11%（P＜0.05），NTS处理下细菌数量比T处理下显著提高22.7%，耕作和秸秆间无显著的交互效应。根际真菌数量在T处理下最低，仅为8.45×104cfu·g-1，分别比其他3个处理显著降低了22%、28.5%和31.8%，免耕比耕作显著提高收获期玉米根际真菌数量25.6%。收获期根际放线菌数量的变化规律为NTS＞TS＞NT＞T，且NTS处理下放线菌的数量比T处理下显著增加了25.8%（P＜0.05）。双因素方差分析表明，秸秆还田能显著提高根际放线菌数量，比秸秆移除条件下增加了17.8%（P＜0.05）。

2.3 保护性耕作下3类土壤微生物数量比例的变化 在玉米花期和收获期，根际土壤中细菌、真菌以及放线菌数量之间的相互比值在各个处理间基本是一致的，耕作和秸秆效应以及两者之间的互作效应均不显著（表3）。

2.4 保护性耕作下土壤微生物数量和10cm地温与土壤呼吸速率的相关性分析 对玉米花期的土壤呼吸速率与根际微生物数量及10cm地温相关关系进行分析（表4），结果表明，玉米花期土壤呼吸速率与根际土壤中3类微生物数量均呈负相关关系，但均未达到显著水平（P＞0.05）。且玉米花期10cm地温与土壤呼吸速率极显著正相关（P＜0.01）。玉米收获期土壤呼吸速率与根际微生物数量相关关系与玉米花期表现一致，土壤呼吸速率随着三大类根际土壤微生物数量的增加而降低，但是均未达到显著水平（P＞0.05）。但是土壤呼吸速率与10cm地温极显著正相关（P＜0.01）（表4）。

表3 保护性耕作下玉米花期和收获期3类土壤微生物数量的比值Table 3 Ratios among three kinds microorganism in maize anthesis and harvesting stage under four tillage practices

表4 玉米花期和收获期土壤呼吸速率与微生物数量、10cm地温之间的相关性分析Table 4 Correlation analysis between soil respiration and soil microorganism，and 10cm ground temperature in maize anthesis and harvesting stage

3 讨论

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的一个重要过程，也是土壤碳库的主要输出途径。本研究测定了保护性耕作10年后玉米田的土壤呼吸速率，结果表明，免耕和秸秆还田均能显著降低土壤呼吸速率，这与众多研究［8，12-14］在不同试验条件下所得到的结论一致，主要是因为农田秸秆还田后，在地面和空气之间形成了一个疏松的隔离层，切断了土壤与大气的直接联系，阻挡了土壤水分向大气的自由逸散，通过深松蓄水保墒，有效改变了土壤湿度状况，从而减少土壤干湿交替变化，导致土壤呼吸量降低［15］。当土壤受到耕作扰动时，土壤耕层通透性得到改善，土壤有机质加速分解，土壤呼吸速率也随之加快［16］。在玉米花期，秸秆和耕作的交互作用显著影响了土壤呼吸速率，说明免耕和秸秆还田措施同时使用，并不是简单的叠加效应。同时呼吸速率对温度高度敏感，在多种不同类型的生态系统中，土壤呼吸速率往往都是随土壤温度增加而增大［6，17］。本研究也发现，10cm地温和土壤呼吸速率在不同处理下变化趋势一致，达到极显著正相关，表现出明显的季节动态。

土壤微生物是土壤有机质和土壤养分（C、N、P、S等）转化和循环的重要组分［18］，在一定程度上支配着通过土壤呼吸所进行的C释放［19-20］。通常情况下，真菌首先分解凋落物，随着细菌数量的增加，细菌的分解功能加强，同时分解真菌死亡的菌丝，而放线菌则对土壤中腐殖酸的形成起着重要作用［21］。保护性耕作与传统耕作相比，显著增加了根际土壤细菌、真菌和放线菌三大类微生物的数量，主要由于免耕和秸秆还田可以减少对土壤的扰动，增加土壤中有机质的含量，营造一个相对稳定的微生物生态系统，从而有利于土壤微生物的生长与繁殖。土壤呼吸作为衡量土壤生物活性的指标，一定程度上反映了土壤养分转化和供应能力［22］，但是通过微生物数量与土壤呼吸的相关性分析发现，土壤呼吸和10 cm地温极显著正相关，与根际土壤中细菌、真菌以及放线菌的数量无显著相关性，说明温度可能是影响土壤呼吸的主要因子。这与不同刈割年限天然草地上的研究结果［23］不同，原因是土壤环境非常复杂，土壤呼吸是一种复杂的生物学过程，受到多种因素的影响。土壤呼吸组分中，约50%来源于活根和菌根的呼吸，40%来源于新碳的分解，仅10%左右来源于不易分解的碳［8，12，24-25］，其中植物的根系呼吸是土壤呼吸中最重要的一部分，玉米根际呼吸占土壤呼吸比例为91%～95%［26］，微生物呼吸仅占很小一部分。因此，本研究中土壤微生物和土壤呼吸没有显著的相关性，也可能与研究地点的地理位置、气候、环境条件等之间的差异有关，因此，仍需对根系呼吸以及其他环境因子做进一步研究。

4 结论

在黄土高原雨养农业区，传统耕作（T处理）土壤呼吸速率在玉米花期和收获期均显著高于其他各保护性耕作措施（TS、NT和NTS处理）。免耕和秸秆还田均能显著地降低土壤呼吸速率以及10cm处地温，表现出显著的耕作和秸秆效应。免耕和秸秆还田能不同程度地提高玉米各生育期根际土壤中细菌、真菌以及放线菌的数量，但各时期三大类微生物数量的比值在不同处理下保持一致。玉米各生育期下，土壤呼吸速率与10cm地温极显著正相关，但呼吸速率和根际土壤中细菌、真菌以及放线菌的数量均未表现出显著的相关关系。

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