土壤有机碳组分及微生物功能...耕作方式与秸秆覆盖量的响应_胡月华.pdf

胡月华 土壤有机碳组分及微生物功能多样性对耕作方式与秸秆覆盖量的响应 J 江苏农业科学，2023，51(4):206 212doi:10 15889/j issn1002 1302 2023 04030土壤有机碳组分及微生物功能多样性对耕作方式与秸秆覆盖量的响应土壤有机碳组分及微生物功能多样性对耕作方式与秸秆覆盖量的响应胡月华(商丘职业技术学院，河南商丘 476100)摘要:为阐明土壤有机碳组分及微生物功能多样性对不同耕作方式与秸秆覆盖量的响应，20192021 年通过田间小麦与玉米轮作定位试验，研究免耕秸秆不覆盖(T1)、免耕秸秆半量覆盖(T2)、免耕秸秆全量覆盖(T3)、旋耕秸秆不覆盖(T4)、旋耕秸秆半量覆盖(T5)、旋耕秸秆全量覆盖(T6)处理条件下土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳和土壤微生物碳源利用及功能多样性的变化规律。结果表明，各处理土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量变化一致，其中耕作方式相同时，表现为秸秆全量覆盖处理 秸秆半量覆盖处理 秸秆不覆盖处理;秸秆覆盖量相同时，表现为免耕处理 旋耕处理，整体表现为 T3 T6 T2 T5 T1 T4 处理，免耕秸秆覆盖全量覆盖处理的土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均为最高值;平均颜色变化率表现为 T3 T6 T2 T5 T1 T4 处理;T3 处理土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力较其他处理分别提高 6 33%47 37%、5 19%39 66%、9 76%28 57%、3 23%50 00%，其中除对氨基酸的利用能力与 T1 处理无显著差异外，其余指标均与 T1 处理差异显著，不同措施处理土壤微生物对多聚化合物、胺类化合物的利用能力最强，其次是碳水化合物、羧酸化合物，对氨基酸、芳香化合物的利用能力最弱;T3 处理的香农指数、多样性指数较其他处理分别提高 5 52%24 03%、2 36%13.06%，香农指数显著高于 T1、T2、T4、T5 处理，多样性指数显著高于 T1、T4、T5 处理;冗余分析(RDA)和相关性分析结果表明，土壤微生物代谢活动与土壤有机碳组分之间具有紧密相关的联系。因此，免耕与秸秆全量覆盖配套实施能够有效改善土壤微生物功能代谢能力，有利于土壤有机碳组分含量的累积。关键词:秸秆覆盖量;土壤有机碳;轻组有机碳;重组有机碳;微生物;碳源利用;功能多样性中图分类号:S154 3;S182文献标志码:A文章编号:1002 1302(2023)04 0206 06收稿日期:2022 03 08基金项目:高职高专国家级示范专业基金(编号:20080063 3)。作者简介:胡月华(1971)，女，河南商丘人，硕士，副教授，主要从事农作物栽培及病虫害防治研究。E mail:sqhuyuehua126 com。活性有机碳是农田土壤生态系统中土壤结构与功能的重要组成部分，能够敏感地指示评价土壤肥力及碳库指数的变化1 2。农田土壤活性有机碳受人类活动影响较大，不同土地利用方式如耕作、秸秆还田等人为措施都能够较大程度地影响土壤碳库及组分的动态平衡3 4。研究表明，传统的精耕细作不仅会使得土壤活性有机碳快速降低，还会导致土壤肥力及土地生产力下降，较大程度地制约了农业的可持续发展5 8。而为缓解人类活动对农田土壤生态系统带来的压力，近年来，我国大力推广诸如免耕、秸秆覆盖等保护性耕作制度9 10。大量研究表明，保护性耕作主要通过免耕或少耕，结合秸秆覆盖等措施，尽可能地减少土壤扰动，减轻风蚀、水蚀，能够有效地提高土壤上层有机质含量，改善土壤微生态环境，对土壤活性有机碳的形成、转化和分解具有深远的影响11 14。因此，通过本研究不同耕作制度下土壤有机碳及微生物功能多样性的变化对于了解和提高土壤有机碳组分，改善土壤微生态环境具有重要意义。翻耕、旋耕是华北平原主要的耕作方式，然而由于农田长期进行扰动性耕作，不仅破坏了土壤结构，减少有机碳的形成与转化，还改变了土壤原有稳定的微生态环境，使得微生物群落结构失调，功能多样性降低9，15 17。研究表明，保护性耕作是解决目前困境的方向之一18 19。目前，有关保护性耕作的研究主要集中在土壤有机碳或土壤微生物群落结构方面20 21，而关于免耕和不同秸秆覆盖量配套对土壤有机碳组分、微生物代谢功能及其相关性的研究并不多，且免耕覆盖对土壤碳组分及微生物代谢功能的影响受多种环境因子如土壤类型、气候条件以及试验年份等共同制约22，因此单个试验点602江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期或特定区域的研究结果也许并不适用于其他地区。本试验在前人研究的基础上，通过研究不同耕作方式与秸秆覆盖量配套对土壤碳组分、碳源利用能力及功能多样性方面的影响，以期明确它们之间的关联性，找到适宜的配套模式，为我国华北平原地区保护性耕作制度的推广提供科学依据。1材料与方法1 1研究区概况商丘职业技术学院试验示范基地(11615E，3928N)位于河南省东部，属典型暖温带半湿润季风气候。年平均气温 14 0，年平均日照时长2 200 h，无霜期 212 d，年积温(0)4 500 5 500 d，年降水量 600 700 mm。供试土壤为黄潮土黏土质，0 30 cm 土层土壤基础肥力:碱解氮含量48 34 mg/kg、有机质含量7 96 g/kg、速效磷含量 55 16 mg/kg、速效钾含量 158 24 mg/kg、pH值 8.12。试验地点常年小麦与玉米轮作种植。1 2试验设计试验于 2019 年 6 月至 2021 年 9 月进行。设免耕秸秆不覆盖(T1)、免耕秸秆半量覆盖(T2)、免耕秸秆全量覆盖(T3)、旋耕秸秆不覆盖(T4)、旋耕秸秆半量覆盖(T5)、旋耕秸秆全量覆盖(T6)等 6 个处理，每个处理 3 次重复，小区面积 80 m2(8 m 10 m)，随机排列分布。免耕处理不进行土壤翻耕，旋耕处理先犁后旋，播种时均通过播种机进行播种。半量覆盖指收获时移走地上部 50%秸秆，其余秸秆粉碎后撒匀，全量覆盖指秸秆全部还田。小麦品种为济麦 22，由山东省农业科学院作物研究所提供;玉米品种为郑单 958，由河南省农业科学院粮食作物研究所提供。小麦种植密度为麦种120 kg/hm2，玉米种植密度为 52 500 株/hm2。小麦季施肥量:纯氮(N)300kg/hm2、P2O5150kg/hm2、K2O150 kg/hm2;玉米季施肥量:纯 N 300 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2。小麦全生育期为 10月 10 日至6 月8 日，玉米全生育期为6 月15 日至9月 30 日。2021 年 9 月 30 日采集 0 30 cm 土层土壤样品进行各项指标的测定。1 3指标测定与方法13 1土壤有机碳土壤有机碳(SOC)含量测定采用重铬酸钾容量法23;轻组有机碳(LOC)、重组有机碳(HOC)含量测定均采用相对密度法24。1 3 2土壤微生物功能多样性测定土壤微生物功能多样性测定采用 Biolog Eco 微孔板法。按照费裕翀等的操作步骤25，称取 10 g 新鲜土样，加入到 100 mL 灭菌的生理盐水(0 9%)中，经过振荡混匀后吸取 1 mL 稀释1 000 倍，静置10 15 min 后通过移液枪吸取 150 L 接种到 Biolog Eco 板中，放入 28 的恒温培养箱中连续培养168 h，每隔24 h在 590 nm 波长处读数1 次，每个样品重复3 次。其中平均颜色变化率(AWCD)、香农指数(H)、多样性指数(U)、辛普森指数(D)计算公式如下26 27:AWCD=(Ci C1)/31;(1)H=Pi(lnPi);(2)U=H/(lnS);(3)D=1 P2i。(4)式中:Ci为非对照孔的吸光度;C1为对照孔的吸光度;Pi为第 i 个孔的相对吸光度与总吸光度的比值;S 为生态板中颜色变化孔的数量。1 4数据处理数据采用 WPS 软件进行统计与计算，采用SPSS 19 0 统计软件进行单因素方差分析与多重比较，采用 Canoco 5 0 软件进行冗余分析(RDA)与作图。2结果与分析2 1不同处理措施对土壤活性有机碳含量的影响由图 1 可知，不同耕作和秸秆覆盖措施处理土壤活性有机碳含量表现出不同的变化。其中 T3 处理土壤有机碳含量最高，较 T1、T2、T4、T5 处理分别显著提高 7 10%、3 73%、12 46%、5.83%，与 T6处理无显著性差异，T4 处理的有机碳含量最低，较其他处理显著降低 4 76%11.08%，土壤有机碳含量总体表现为 T3 T6 T2 T5 T1 T4 处理。从图 1 还可以看出，耕作方式相同时，土壤有机碳含量表现为秸秆全量覆盖处理 秸秆半量覆盖处理 秸秆不覆盖处理;秸秆覆盖量相同时，土壤有机碳含量表现为免耕处理 旋耕处理，其中除秸秆全量覆盖时无显著性差异，秸秆不覆盖或半量覆盖时，免耕处理均显著高于旋耕处理。2 2不同处理措施对土壤轻组有机碳含量的影响由图 2 可知，不同措施条件下土壤轻组有机碳含量存在显著差异。相同耕作方式下，秸秆全量覆盖处理的土壤轻组有机碳含量显著高于秸秆半量覆盖或不覆盖处理，其中 T3 处理轻组有机碳含量较 T1、T2 处理分别显著提高 25 93%、12 26%，T6702江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期处理轻组有机碳含量较 T4、T5 处理分别显著提高3290%、16 29%，土壤有机碳含量均表现为秸秆全量覆盖处理 秸秆半量覆盖处理 秸秆不覆盖处理。秸秆覆盖量相同时，免耕处理的轻组有机碳均高于旋耕处理，其中 T1 处理较 T4 处理显著提高1018%，T2 处理较 T5 处理显著提高 8 14%，T3 处理与 T5 处理差异显著。土壤轻组有机碳含量总体表现为 T3 T6 T2 T5 T1 T4 处理，与土壤总有机碳含量变化较一致。2 3不同处理措施对土壤重组有机碳含量的影响由图 3 可知，不同措施条件下土壤重组有机碳含量呈现较大差异。相同耕作方式下，土壤重组有机碳含量表现为秸秆全量覆盖处理 秸秆半量覆盖处理 秸秆不覆盖处理;秸秆覆盖量相同时，土壤重组有机碳含量表现为免耕处理 旋耕处理。土壤重组有机碳含量总体表现为 T3 T6 T2 T5 T1 T4 处理，其中 T3 处理的重组有机碳含量较 T1、T2、T4、T5 处 理 分 别 显 著 提 高 3.90%、2.13%、8 24%、3 11%，与 T6 处理相比无显著性差异。T6 处理重组有机碳含量显著高于 T1、T4、T5 处理，与 T2 处理相比无显著性差异。T4 处理重组有机碳含量最低，较其他处理显著降低400%761%。24不同处理措施对土壤微生物碳源代谢活性的影响由图 4 可知，不同措施条件下土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)均随着培养时间的延长而逐渐提高。其中培养 0 24 h，各处理 AWCD 变化不明显，培养24 120 h，AWCD 快速增长，此时期为微生物生长旺盛期，120 168 h，AWCD 增长速度减缓，直至趋于平稳。培养 0 48 h，T6 处理的 AWCD 最大，但与 T3 处理差异不大，从培养 72 h 开始直至培养结束时，T3 处理的 AWCD 均高于 T6 处理，其中培养 120 h 时，各处理的 AWCD 在 0.625 0 935 之间，AWCD 表现为 T3 T6 T2 T5 T1 T4 处理。不同措施条件下的 AWCD 表现为秸秆全量覆盖处理 秸秆半量覆盖处理 秸秆不覆盖处理，免耕处理 旋耕处理。2 5不同处理措施对土壤微生物代谢碳源类型的影响由表 1 可知，不同处理条件下土壤微生物对不同碳源的利用能力存在显著差异。T3 处理土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最强，较其他处理分别提高 6 33%47 37%、5 19%39 66%、9 76%28 57%、3.23%50 00%，其中除对氨基酸的利用能力与T1 处理无显著差异外，其余指标均与 T1 处理差异802