机械压实对新疆绿洲农田土壤微生物活性及碳排放的影响

李典鹏，王 辉，孙 涛，刘隋赟昊，李 政，张 凯，贾宏涛



机械压实对新疆绿洲农田土壤微生物活性及碳排放的影响

李典鹏，王 辉，孙 涛，刘隋赟昊，李 政，张 凯※，贾宏涛

（新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052）

为探究机械压实对绿洲农田土壤微生物活性和碳排放的影响，在参考新疆农田耕作层土壤容重分布特征的基础上，选取1.15（T1.15）、1.30（T1.30）、1.45（T1.45）和1.60 g/cm3（T1.60）4个容重梯度模拟机械压实土壤程度，测定不同处理0～120 d内土壤有机碳、微生物生物量碳、氮、酶活性以及碳排放速率变化特征。结果表明：1）试验周期内（0～120 d），土壤微生物生物量碳、氮、脲酶和过氧化氢酶活性随试验周期的延长而降低，随土壤容重增加呈先升高后降低趋势，容重为1.45 g/cm3时最高。2）T1.15、T1.30、T1.45和T1.60处理土壤碳累积排放量分别为557.26、653.48、665.00和522.01 g/m2，也表现出随容重增加先升高后降低的趋势，T1.45处理最高。3）土壤碳排放与土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮、脲酶和过氧化氢酶活性显著正相关（<0.05）。综上，土壤压实通过改变土壤微生物生物量和酶活性影响土壤碳排放速率；当绿洲农田土壤容重大于1.45 g/cm3时，应进行适当的翻松，使土壤微生物活性达到最佳水平。

土壤；微生物；碳排放；压实作用；微生物生物量；酶活性；新疆农田

0 引 言

土壤压实是土壤保护的优先研究领域[1]。随着农业现代化和机械化的发展，大型机械通常会对农田土壤结构造成一定的损伤[2]，其中最明显的是增加土壤容重、改变土壤孔隙结构，造成作物减产。这种现象主要在中国东北地区的商品粮食生产基地、新疆棉花种植区[3]，以及美国[4]和加拿大西部[5]等地区较为普遍。机械压实对农田土壤物理性质造成的负面影响已经有大量研究报道[6-7]，但对农田土壤微生物活性和碳排放的影响研究还相对较少。

土壤微生物活性是反映土壤生物肥力的重要指标，但压实对土壤微生物活性的影响还并不明确。部分研究表明，土壤压实会降低土壤微生物活性和微生物生物量[7-8]，因为压实改变了底物的空间分布和有效性，降低土壤水分利用率和通气量[9]，从而影响土壤微生物数量和活性。但也有研究发现，微生物对土壤压实的响应不显著，因为压实改变了土壤孔隙度和大孔隙的连续性，不利于好氧微生物生长但有益于厌氧微生物生长[7,10]，造成微生物群落结构发生变化，而微生物生物量无明显变化。不同研究结果的差异可能与土壤性质和压实程度有关，因此明确不同压实程度对土壤微生物及其活性的影响，将有助于明确不同土壤类型对压实的响应及压实效应阈值。

土壤碳排放是大气CO2的重要来源，与土壤结构和微生物活性密切相关。土壤CO2产生过程主要为生物所驱动，受土壤微生物群落组成、底物和养分的可利用性以及地上地下环境的共同影响[11]。研究表明，压实会降低土壤总孔隙度，改变孔隙分布状况，使之朝着小孔隙发展；增强土壤有机质的物理保护，抑制土壤微生物主导的碳循环过程，降低线虫和原生动物捕食土壤微生物的能力，从而抑制土壤碳排放[12]。但也有研究表明，压实土壤可促进土壤有机碳矿化[13]或不存在显著影响[14]。不同研究结果的差异可能与压实的程度[15]、土壤耕作制度[16]、放牧以及机械类型[17]等因素有关，但压实对绿洲农田土壤碳排放影响的研究仍无定论[18]。

本研究以典型绿洲农田土壤灰漠土为研究对象，在整理分析新疆土壤容重分布规律的基础上，通过异位土柱模拟不同机械压实强度（容重1.15、1.30、1.45和1.60 g/cm3），探究了压实对新疆绿洲农田灰漠土微生物生物量、酶活性和碳排放的影响，旨在探究压实对影响土壤微生物活性和碳排放的阈值，以及压实土壤碳排放与微生物活性的相关性，以期为绿洲农田的经营管理提供基础参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

土壤样品采自国家灰漠土肥力与肥料效益观测试验站，试验站位于新疆乌鲁木齐以北25 km的新疆农业科学院国家现代农业科技示范园内（43°95′26″N，87°46′45″E）。试验区属典型中亚干旱区山地绿洲生态系统，海拔600 m，年均降雨量310 mm，年均蒸发量2 570 mm；年平均气温7.7 ℃，平均日照时数2 590 h，无霜期156 d。参照土壤发生分类标准，供试土壤类型为典型灰漠土。

1.2 试验设计

机械压实土壤的直接后果是增加了土壤容重，因此，本研究采用土壤容重反映压实程度。农田表层土壤的容重一般介于1.20～1.60 g/cm3，刚翻耕过的农田表层土壤容重可能小于1.00 g/cm3，而大型机械压实的表土容重可达1.80 g/cm3以上。本文所使用土壤容重数据主要来自3个方面：1）新疆第二次土壤普查数据《新疆土壤》；2）通过在奎屯、昌吉和玛纳斯等地调查采取的土壤容重数据；3）公开发表的新疆农田土壤容重数据[19-20]。筛选条件：（1）测定土层为耕作层（0～20 cm）土壤容重；（2）土壤容重为烘干法测定。通过整理分析新疆农田土壤容重数据可知（图1），新疆农田土壤容重在数值上符合正态分布特征（=0.032），介于0.85～1.60 g/cm3之间，平均值和中值分别为1.27、1.35 g/cm3，峰度和偏度分别为−0.15和−0.75。据此，本研究设置1.15（T1.15）、1.30（T1.30）、1.45（T1.45）和1.60 g/cm3（T1.60）4个压实（容重）处理。

图1 新疆农田土壤容重分布特征

1.3 研究方法

2016年5月在国家灰漠土肥力与肥料效益观测试验站采集0～20 cm耕层土壤，带回实验室，去除植物残体、侵入体和砾石后，过5 mm样筛备用。为防止水分喷施对土壤容重的影响，在重力压实前将土壤含水率调整为田间持水量的60%，然后统一对土壤进行分层压实。试验设置1.15、1.30、1.45和1.60 g/cm34个压实（容重）处理。称取18.4 kg（相当于干土质量15.0 kg）土壤置于底部密封的PVC管（高为50cm，直径为20cm）内，根据公式=/（为容重g/cm3；为土壤质量 g；为土柱体积cm3）求出不同压实下土壤体积，和公式=/（为土壤厚度cm；为体积cm3；为PVC管横切面面积m2）求出对应容重下土壤厚度后，采用重力将土壤压至42、37、33和30cm厚，对应容重分别为1.15、1.30、1.45和1.60 g/cm3。

每个处理设置8个重复，编号为1～8，将装有土壤的PVC管置于室内，室温控制在20 ℃左右（±1.0 ℃），土壤含水量保持在田间持水量（38%）的60%（3.4 L水），因此土与水的质量为18.4 kg。每2 d称取土柱质量，采用差减法计算水分蒸发量，并用喷施法补充水分，试验用水为蒸馏水。喷水平衡24 h后测定土壤碳排放，测定时段为每天上午09:00－12:00，测定时期为2016年6月至10月。试验分为4个时期，分别为开始试验后的第10、30、60和120天，前10 d土壤碳排放的监测频率为每2 d一次，10 d后为每10 d一次。分别于第10、30、60和120天破坏第5、6、7和8号土柱，将土柱中土壤全部倒出后混匀后用四分法采集新鲜土壤样品，于实验室进行分析。新鲜土壤样品测定土壤微生物生物量碳、氮和酶活性，风干土样用于土壤有机碳和可溶性有机碳的测定。可表征微生物活性的指标较多，包括有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性等[21]，本文选取具有代表性且前人研究较多的有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮、脲酶和过氧化氢酶活性代表土壤微生物活性指标。

1.4 土壤碳排放测定及理化性质分析

土壤碳排放速率采用开路式土壤碳通量测量系统LI-COR 8100（Li-COR，Lincoln，NE，USA）测定，每次测定1~4号土柱碳排放速率，数据采集频率为2 s记录一个数据，测定时长为180 s；土壤脲酶活性（URE）采用靛酚蓝比色法测定，以每克土24 h产生的NH4+-N毫克数表示；土壤过氧化氢酶活性（CAT）采用高锰酸钾滴定法，以每克土消耗0.1 mol/L KMnO4毫升数表示；全碳全氮采用元素分析仪（Euro EA3000-Single, EuroVector, Milan, Italy）测定，可溶性有机碳采用湿氧化法进行测定，土壤pH值用pH计测定（水土比为5:1），土壤有机碳（有机质）测定采用重铬酸钾外加热法，有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼蓝比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定，速效氮采用碱解扩散法，全磷全钾采用碳酸钠熔融钼蓝比色法和火焰光度计测定，机械组成采用吸管法测定，容重采用环刀法测定，土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定，具体方法步骤参考《土壤农业化学分析方法》[22]，供试土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本性质

1.5 数据处理与分析

土壤CO2释放量计算如公式（1）：

×M××（1）

式中为CO2释放量，g/m2；为CO2释放速率，mol/(m2·s)；为CO2摩尔质量，取值为44 g/mol；为时间, d；在计算累积排放量时，分别取0～10、10～30、30～60和60～120 d土壤碳排放速率平均值；分别为10、20、30和60 d，最后求各处理0～120 d内累积排放通量。

为评价压实对土壤和环境的影响以及探究压实度与微生物活性指标（microbial activities indictor，MAI）和碳排放指标（carbon emission indictor，CEI）与容重的相关性，采用min-max 标准化min-max标准化方法是对数据进行标准化[23]。设min和max分别为属性的最小值和最大值，将的一个原始值N通过min-max标准化映射成在区间[0,1]的值（公式（2））。表征微生物活性指标包括土壤有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、脲酶（URE）和过氧化氢酶（CAT）活性，对每个指标单独标准化，最后通过求其平均值代表微生物活性指标（公式（3））。微生物活性指标一般为正效应，而碳排放指标一般为负效应，因此N为正值，N为负值。微生物活性指标（MAI）标准化（N）计算公式为：

碳排放指标（）标准化（N）公式如下：

使用Excel 2016对数据进行记录和预处理，使用SPSS 20.0对其进行描述性统计分析，并对数据进行-正态分布检验。采用单因素方差分析和多重比较（LSD），分析不同压实下土壤碳排放与微生物生物量碳、氮、酶活性之间的差异。采用Pearson检验土壤碳排放、微生物生物量碳、氮、酶活性变量间的相关性，采用Origin 2017（Origin Lab, Northampton, MA 01060, USA）绘图。

2 结果与分析

2.1 压实对土壤有机碳和微生物活性的影响

压实对土壤有机碳、微生物生物量碳和可溶性有机碳的影响不同（图2、3）。试验周期内，土壤有机碳含量呈下降趋势，不同时期处理间有机碳差异不显著。T1.45土壤可溶性有机碳差异显著高于其他处理（<0.05）；60～120 d 时段T1.15、T1.30、T1.45和T1.60处理可溶性有机碳含量与0～10 d分别降低了35.8%、29.4%、28.7%和32.4%。土壤微生物生物量碳、氮介于127.97～283.66和18.73～36.84 mg/kg之间，不同时期T1.45处理微生物生物量碳、氮最高。压实处理显著改变了土壤脲酶和过氧化氢酶活性，即随容重的增加土壤酶活性呈先增加后下降的趋势，T1.45处理酶活性显著高于其他处理。随试验周期的延长，土壤酶活性呈下降趋势（图2）。T1.30与T1.60处理过氧化氢酶活性差异显著（<0.05），但脲酶不存在显著差异（图3）。T1.45土壤微生物生物量碳/氮显著高于其他处理（图3），T1.15、T1.30和T1.60处理间不存在显著性差异。

图2 不同压实程度土壤有机碳、微生物生物量碳氮和酶活性动态变化

注：不同小写字母表示在0.05水平存在显著差异，下同。

2.2 压实对土壤碳排放的影响

试验期间内（0～120 d）土壤碳排放速率呈下降趋势（图4）。0～10 d不同处理间差异显著，表现为T1.45>T1.30>T1.15>T1.60；30～120 d不同处理间虽存在一定差异，表现为T1.45和T1.30显著高于T1.15和T1.60；但T1.45与T1.30，T1.15与T1.60不存在显著差异。相同处理0～10 d土壤碳排放下降速率高于其他3个时期。通过计算不同处理0～120 d内土壤碳排放释放的CO2累积量（图5），T1.15、T1.30、T1.45和T1.60处理土壤碳累积排放量分别为557.26、653.48、665.00和522.01 g/m2。T1.30与T1.45，T1.15与T1.60处理不存在显著性差异，但T1.30、T1.45显著高于T1.15和T1.60（<0.05）。

图4 土壤碳排放动态变化

图5 土壤CO2累积排放量

2.3 压实土壤微生物活性与碳排放的相关性

土壤碳排放与土壤因子相关分析结果表明，土壤因子间存在显著或不显著的关系（表2），其中微生物生物量碳、氮和可溶性有机碳、微生物生物量氮的显著相关性（<0.01），相关系数达0.98；微生物生物量碳/氮与有机碳等因子间不存在显著相关性。土壤有机碳与可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮存在显著相关，脲酶与过氧化氢酶显著相关（<0.05）。土壤碳排放速率与微生物生物量碳/氮不存在相关性，与脲酶活性、过氧化氢酶活性显著相关（<0.05），与土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮均呈显著相关（<0.01），土壤碳排放与可溶性有机碳的相关性最高（0.87），其次分别为微生物生物量碳、氮、土壤有机质、脲酶活性、过氧化氢酶活性。

表2 土壤微生物生物量碳氮、酶活性与碳排放速率的相关分析

注：表中SOC为土壤有机碳、URE为脲酶活性、CAT为过氧化氢酶活性、 DOC为可溶性有机碳、MBC为微生物生物量碳、MBN为微生物生物量氮、C为土壤碳排放速率。*表示显著相关＜0.05，**表示极显著相关＜0.01，双尾检验。

Note: SOM, EU, CAT, DOC, MBC, MBN, MBC/MBN andCrepresent soil organic matter, urease activity, catalase activity, dissolved organic carbon, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and soil C emission rate, respectively. * shows significant differences at<0.05, ** shows significant differences at<0.01.

2.4 土壤微生物活性和碳排放指标与容重的关系

二次函数能较好的拟合土壤容重（）与生物活性指标（MAI）和碳排放指标（CEI）间的关系（图6）。当土壤容重小于1.45 g/cm3时，土壤微生物活性随容重的增加而增加，大于1.45 g/cm3时呈下降趋势。压实对土壤碳排放的影响与微生物活性相反，容重小于1.45 g/cm3碳排放增加，大于1.45 g/cm3呈降低趋势。总言之，当土壤容重小于阈值时，生物活性和碳排放均呈增加趋势，大于阈值时呈下降趋势，生物活性指标相对较低。

图6 土壤微生物活性和碳排放指标与容重的关系

3 讨 论

3.1 压实对土壤微生物活性和碳排放的影响

土壤酶活性能反映微生物内部化学反应历程的有序性，是表征微生物活性的一个重要指标。本研究中，模拟机械压实改变了土壤微生物生物量碳、氮和酶活性，但土壤有机碳含量差异不显著（图2、3）。这与前人试验结果一致，即适当增加土壤容重，土壤微生物生物量碳和酶活性会有所提升[24]。这是因为压实后土壤孔隙度、颗粒排列、温度和持水性均会发生改变，从而影响微生物生物量和酶活性[25-27]。土壤微生物生物量碳/氮可反映微生物群落结构，其变化预示着微生物群落结构变化。本研究通过模拟土壤容重的改变，不同处理微生物生物量碳/氮均在5以上（图3），一般情况下细菌、放线菌和真菌的碳氮比分别在5:1、6:1和10:1，这可能是土壤经压机械实后细菌不是唯一的优势菌，真菌和放线菌也占有相当大的比重，这与Hartmann等[18]研究结果一致。综上，模拟机械压实通过改变孔隙结构从而影响微生物生物量碳、氮和酶活性。

压实对土壤微生物活性的影响存在梯度效应原因主要包括两方面。一方面，压实土壤降低微生物活性主要表现在对微生物生物量碳、氮的影响。研究表明，当森林土壤容重低于1.70 g/cm3时，微生物生物量随土壤容重增加而升高，当土壤容重大于1.70 g/cm3时微生物生物量碳、氮均显著低于轻度压实土壤[28-29]；同时，大型运输机械的压实对土壤干扰能显著影响微生物群落结构多样性及其功能[29]。因此，当土壤容重大于压实梯度中某一阈值时，微生物生物量碳、氮会发生显著变化。另一方面，压实降低土壤微生物活性主要表现在对土壤酶活性的影响，原位研究结果表明，不同压实区土壤转化酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶存在显著差异，较高压实处理相对较低[30]。这与本研究结果一致，即压实对土壤微生物生物量碳/氮和酶活性的影响存在阈值，但其阈值（1.70 g/cm3）高于本研究结果（1.45 g/cm3），当土壤容重变化导致孔隙和空气成为限制微生物生长的因子时，底物的可利用性可能是提升微生物活性的重要因子[31]。此外，也可能是由于森林土壤有机碳密度（4.24 kg/m2）普遍地高于农田（2.56 kg/m2）[32]，可被微生物直接矿化分解的底物相对较多，从而提高了压实影响微生物生物量和酶活性的阈值。

土壤碳排放是一个复杂的生物化学过程，受较多环境因子（温度、含水量和底物浓度等）影响，而外力机械压实在很大程度上影响微生物呼吸以及土壤与外界气体交换速率[33-34]。本研究中，容重的变化显著改变了土壤碳排放速率，这与前人原位控制试验结果相似[35]。这是因为土壤压实后结构内部形成厌氧环境，CO2是由微生物分解有机物质产生的，在氧气充足条件下CO2产生量大于缺氧条件，土壤厌氧条件形成后，厌氧微生物会相对占据优势，但相对而言厌氧微生物的呼吸速率相对较低；此外，压实后土壤结构更为紧密，微生物可接触到的有机物增加，可能会加快了底物的矿化速率[36]。长期（3至7 a）压实试验表明，与未压实土壤相比，压实土壤碳排放降低而有机碳含量显著增加[37]，这与本研究结果不一致，试验期间内，不同处理土壤有机碳均不存在显著性差异，虽T1.45处理可溶性有机碳相对较高，但其变化对总有机碳含量的影响相对较小；此外，也有可能是因为本试验周期仅为120 d相对较短，长期效应未能体现。

本研究中T1.45土壤碳排放的速率最快，当容重高于1.45 g/cm3时，碳排放速率呈下降趋势。土壤微生物对干扰事件的反应模式可称为“hump-back”理论[38-39]，当土壤物理、化学性质在受到轻微扰动后将刺激微生物达到最高活性，过度（大于阈值）的扰动将限制微生物的生长和活性，但会产生极为少数的优势种，而土壤微生物多样性和碳排放速率都将有所降低[40]。本研究土壤容重阈值低于前人研究结果，这可能是由于试验条件不一致造成的，例如Conlin等[41]对长期压实森林土壤研究结果表明，未去除凋落物重度压实处理土壤碳排放速率显著高于常规压实和对照处理，与本研究结果不一致。这可能由以下2个原因导致，第一，该试验仅设置对照、常规压实和重度压实，而在此较高压实处理下，土壤通透性和微生物活性仍可能维持在一个较为适宜的水平。第二，该试验处理土壤中的凋落物未去除，凋落物是土壤有机质的重要来源，可作为微生物的直接能量来源，从而改变土壤微生物活性和碳排放速率。此外，压实梯度水平（组距）设置不同也有可能会影响土壤微生物活性和碳排放[42]。

3.2 压实与土壤环境综合评价

土壤微生物和酶活性等是评价微生物活性的综合性指标，微生物生物量和酶活性是其研究核心，而环境效应主要指土壤碳排放效应。本研究中，土壤微生物活性和碳排放指标与土壤容重之间存在较好的二次函数关系（图6），且在一定容重范围内（1.15～1.45 g/cm3）土壤微生物活性指标随压实的增加而上升，碳排放效应增大；大于1.45 g/cm3时，微生物活性降低，碳排放效应也降低。这与大部分研究压实对土壤微生物和温室气体排放的研究结果相同[43]，但从微生物活性指标和碳排放方面的研究相对较少，在评价体系和方法方面仍存在许多不足，而本文通过生物效应和环境效应对压实土壤进行考虑，确定了农田较为适合的土壤容重（1.45 g/cm3），可为农田土壤管理和综合评估提供基础参考。在中国开展大范围高精度的土壤地力评价相对困难，2006年农业部将耕地地力评价作为测土配方施肥补贴项目重要内容之一在全国全面展开[44]，但各地在构建耕地地力评价指标体系时，仍有较大的主观性和不确定性。例如，如广东省2007年未能将障碍层、容重、CEC等作为耕地评价的基础指标[45]，不仅忽略容重等对土壤的综合影响，也未能履行《耕地地力调查与质量评价技术规程》所提出的指标选取原则[46]，因此，该评价方法可能会对土壤耕地评价产生较大偏差。鉴于前人及本研究土壤容重对微生物活性和碳排放效应的研究结果，建议将土壤容重纳入耕地地力评价指标。

4 结 论

通过对新疆绿洲农田不同压实度（1.15（T1.15）、1.30（T1.30）、1.45（T1.45）和1.60 g/cm3（T1.60））灰漠土微生物活性和碳排放研究的结论如下：

1）压实改变了土壤微生物活性和碳排放速率。T1.45处理土壤酶活性、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮和微生物生物量碳/氮显著高于其他处理；土壤碳排放速率随试验周期的延长而降低，T1.45处理碳排放速率显著高于T1.15和T1.60，不同时期各处理土壤有机碳含量均不存在显著差异。

2）土壤碳排放速率与脲酶活性、过氧化氢酶活性显著相关（<0.05），与土壤有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮均显著相关（<0.01），与微生物生物量碳/氮不相关；各生物活性指标间存在一定的相关性或不相关。

3）土壤压实的容重阈值为1.45 g/cm3。当土壤容重小于1.45 g/cm3时，土壤酶活性、可溶性有机碳、微生物生物量碳、氮和碳排放速率呈增加趋势；当土壤容重为1.45 g/cm3时，生物活性指标最高，碳排放速率最大；当土壤容重大于1.45 g/cm3时，土壤生物活性和碳排放速率呈下降趋势。

综合考虑土壤微生物活性和碳排放，新疆绿洲农田灰漠土容重应当保持在较适宜的范围，即当土壤高于1.45 g/cm3时应进行适当的翻耕，以维持土壤最大生物活性。

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Effects of mechanical compaction on soil microbial activities and carbon emission of oasis agricultural soils in Xinjiang

Li Dianpeng, Wang Hui, Sun Tao, Liu Suiyunhao, Li Zheng, Zhang Kai※, Jia Hongtao

(830052)

The impact of structural deformations on soil properties controls its function as habitat. Soil compaction is widespread but tends to be most prevalent where heavy machinery is used in forestry and agriculture.Untimely traffic with heavy logging machinery often leads to irreversible damage of soil structure, restricting plant growth, reducing crop yield or decreasing the greenhouse gas emissionsmitigation potential from the farmland.Avoiding soil compaction caused by agricultural management is a key aim of sustainable land management; however, limited understanding exists on how compaction affects the soil carbon process and microbial activities. Thus, we conducted a 120-day laboratory incubation to evaluate the effects of soil compaction mainly in agricultural soils on soil organisms and soil biological processes to identify relevant parameters which are helpful for assessing soil compaction from the soil biological and environmental point of view. We evaluated if threshold values of soil bulk density correspond to impacts on soil microbial fertility and environmental effect on soil. Our literature review showed that bulk density of Xinjiang farmland soil ranges from 0.85-1.60 g/cm3. In this study we usedi) non-compacted reference 1.15 g/cm3T1.15,ii) Treatment 1.30 g/cm3(T1.30), where soil was the median value of bulk density, iii) T1.45, with was 75% of the value, iv) T1.60was the maximum bulk density of the Xinjiang oasis farmland. In this study, we measured the soil carbon emission rate under different bulk density conditions using a Li-8100 automated soil CO2flux system ( LI-COR, Lincoln，Nebraska，USA) from June to October 2016, and soil organic carbon (SOC), urease activity (URE), catalase activity (CAT), dissolved organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass nitrogen (MBN) were also measured. The result showed that during the laboratory incubation time (0-120 d) treatment T1.15, T1.30, T1.45and T1.60, MBC, MBN, URE and CAT decreased with the extension of the test period. Under different bulk density levels, soil MBC, MBN, URE and CAT increased rapidly and then decreased with the increase of soil bulk density, and was the highest when the bulk density was 1.45 g/cm3. Cumulative carbon emission from T1.15, T1.30, T1.45and T1.60treatments was 557.26, 653.48, 665.00 and 522.01 g/m2,respectively. There was a trend of increasing first and then decreasing with increasing soil bulk density, and the highest was T1.45. The correlation analysis showed that soil carbon emissions were significantly correlated with urease and catalase activity (<0.05), and very significantly correlated with soil organic carbon, dissolved organic carbon, and microbial biomass carbon and nitrogen (<0.01). The effects of compaction on soil microbial activities and carbon emissions were weighed. Combined effects of trade-offs and compactions on soil biological activity and carbon emissions revealed that soil carbon emissions were the highest when the microbial activity is the highest, and therefore, the maximum microbial activities will also produce greater environmental effects. In summary, mechanical compaction directly affected microbial activities and carbon emissions by changing soil bulk density and pore structure. Therefore, when the soil capacity of oasis farmland was greater than or equal to or less than 1.45 g/cm3, proper overturning or repression should be carried out to make the soil biologically active at the best level.

soils; microorganisms; carbon emission; mechanical compaction; microbial biomass; enzyme activity; Xinjiang farmland

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.016

S154.1

A

1002-6819(2018)-20-0124-08

2018-04-15

2018-08-20

国家大学生创新训练计划项目（201610758009）；国家自然科学基金（41761067）；新疆维吾尔自治区自然科学基金（2017D01A37）资助

李典鹏，主要从事土壤生态与物质循环方面研究。Email：lldp05120@126.com

张 凯，博士，主要从事农田土壤养分循环等研究。Email：zhangkai4595241@163.com

李典鹏，王 辉，孙 涛，刘隋赟昊，李 政，张 凯，贾宏涛. 机械压实对新疆绿洲农田土壤微生物活性及碳排放的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：124－131. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.016 http://www.tcsae.org

Li Dianpeng, Wang Hui, Sun Tao, Liu Suiyunhao, Li Zheng, Zhang Kai, Jia Hongtao. Effects of mechanical compaction on soil microbial activities and carbon emission of oasis agricultural soils in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 124－131. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.016 http://www.tcsae.org