保护性耕作下黄土高原作物轮作系统土壤健康评价

王明明，李峻成，沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点开放实验室，甘肃 兰州 730020)

土壤有机碳含量涉及陆地生态碳循环，是评价生态系统可持续的基础指标之一[1-2]，土壤有机质的形成、转化与稳定性依赖于土壤微生物的活性，土壤微生物量碳、氮对土壤肥力的变化敏感，是土壤肥力和土壤健康评价的重要生物学指标之一[3-6]。

我国黄土高原是典型的旱作农业区，传统农业生产系统生产力低，水土流失严重，土壤质量退化，导致农业系统稳定性差，通过适宜的基于生态系统稳定性的管理措施，如草田轮作、保护性耕作等，可改善土壤肥力，促进土壤健康。 研究表明，保护性耕作提高了土壤有机碳含量，减少了CO2向大气的释放[7-10]，土壤微生物数量及活性均提高，微生物群落结构多样性改善[11]。连续9年实施免耕+秸秆覆盖能有效提高冬小麦-夏玉米轮作系统表层土壤微生物量51.7%[12]，然而，保护性耕作措施对土地利用强度很高的2年3熟轮作系统的研究尚不多见。本研究以黄土高原西部玉米(Zeamays)-小麦(Triticumaestivum)-大豆(Glycinemax)轮作为对象，研究免耕与秸秆还田等措施对土壤不同形态碳、氮的影响，旨在阐明保护性耕作措施对土壤健康的提升与影响，其结果对于黄土高原雨养农业系统的可持续发展和实现山川秀美及富裕安康有积极的指导意义。

1 材料与方法

1.1试验地概况 试验地位于兰州大学庆阳黄土高原试验站(35°39′ N,107°51′ E)，海拔1 297 m。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 ℃年平均积温3 446 ℃·d。无霜期平均为161 d，生长季255 d，年降水量480～660 mm，多集中在7-9月，年平均蒸发量1 504 mm。自然土壤为黑垆土，有机质含量在1%以下，土壤含氮量低于0.1%，pH值为8.0～8.5。

1.2试验设计 试验开始于2001年，共设4个耕作处理: Ⅰ传统耕作(t); Ⅱ传统耕作+秸秆覆盖(ts);Ⅲ免耕(nt); Ⅳ免耕+秸秆覆盖(nts)。每处理4个重复，随机区组排列，共16个小区，小区面积为4 m×13 m。作物轮作序列为春玉米-冬小麦-夏大豆。

测试土壤采自2003年(水土保持耕作实施第3年)9月和2007年(水土保持耕作实施第7年)9月玉米作物收获期，按0～5和5～10 cm利用土钻分层取样，每个小区取样5次，混合。除去可见有机物，置4 ℃下保存，用于测定土壤微生物量碳和氮。另一部分土样风干，过0.25 mm筛，用于测定土壤全碳、有机碳(OC)和全氮。

1.3土壤全碳、有机碳和全氮的测定 土壤全碳采用燃烧法(德国产Liqui-TOC，Elementar燃烧温度850 ℃)，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法，土壤全氮采用凯氏定氮法。

1.4土壤微生物量碳和氮的测定 采用氯仿熏蒸提取法[13]。熏蒸所造成的碳增量FC乘以转换系数[KN(2.64)]，即得微生物量碳(Cmic，mg/kg) =2.64×FC；熏蒸土壤和未熏蒸土壤提取的氮含量之差(FN)除以转换系数[KN(0.45)]，即得土壤微生物量氮(Nmic，mg/kg)=FN/0.45。

1.5数据统计分析 用Microsoft Excel进行图形制作和相关性分析，用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析，新复极差法对4个处理间各指标进行平均数的多重比较。

2 结果与分析

2.1保护性耕作下表层土壤全碳、有机碳及全氮含量的变化 实施保护性耕作7年后，0～5 cm层土壤全碳以免耕+秸秆覆盖处理最高，免耕处理最低，而5～10 cm土层中则以耕作处理为高(表1)。与传统耕作相比，耕作+秸秆覆盖、免耕、免耕+秸秆覆盖增加了土壤0～5 cm层有机碳含量22.9%、25.3%和42.6%，在5～10 cm层则分别增加了26.6%、13.3%和29.9%，特别是耕作+秸秆覆盖处理下土壤有机碳的增加幅度比免耕下提高1倍，说明耕作使得秸秆被翻耕到下层，使前茬作物的根系分泌物等可均匀分布在耕层,促进了有机碳向下层积累，最终土壤有机碳含量增加[14]，免耕下土壤碳向表层聚集，这与张洁等[15]的研究结果一致,主要原因是免耕和秸秆覆盖通过改善土壤温度和湿度，提高秸秆分解速率，从而增加了土壤有机碳含量[16-17]。土壤有机碳对耕作处理的响应比土壤全碳更敏感，在7年时间尺度下，免耕和秸秆还田有利于土壤有机碳含量的增加,秸秆覆盖措施较单一免耕对土壤有机碳的增加能力更强，保护性耕作能够有效提高土壤养分状况，这点从免耕+秸秆还田处理下土壤易氧化,有机碳含量积累显著并逐年升高的结论得到佐证[18]。黑壤中小麦-玉米-大豆轮作的土壤有机碳在少耕和免耕下，分别比多耕下提高150%和4.67%[19]，本研究从黑垆土所得到的结果进一步支持了这个结果。实施保护性耕作第7年，0～5 cm层土壤全氮含量在3种保护性耕作下分别比传统耕作增加了43.9%、32.1%和14.4%，以免耕+秸秆覆盖下最高；5～10 cm层土壤全氮含量与0～5 cm层表现一致，3种保护性耕作比传统耕作分别增加了55.9%、30.3%和27.9%(表1)，这是因为旱地土壤免耕覆盖后最显著的变化就是土壤结构变化，各级水稳性团聚体增加，其中大团聚体数量增加显著，增大了土壤对环境水、热变化的缓冲能力，为植物生长，微生物活动创造良好生境[20]，加快了土壤氮循环，提高了土壤氮的有效性[21]。传统耕作处理下土壤全氮、有机碳含量等降低，高强度的轮作加之传统耕作因扰动频繁加剧了土壤的退化，不利于土壤健康状况。

土壤OC/N均介于6～9之间，各处理之间差异不显著，随着实施年限的延长，免耕+秸秆覆盖处理下土壤OC/N下降，说明当地土壤氮处于可被迅速矿化状态，主要是因为耕作处理下土壤全氮含量较低，全碳含量较高，而免耕和覆盖又显著增加了土壤全氮含量所致。在免耕和秸秆覆盖下微生物活性较高, 秸秆覆盖为土壤微生物提供了充分的食物,有利于土壤微生物的生长,反过来土壤微生物又促进了秸秆的腐化降解[1]，加快了保护性耕作下有机物的周转速率，满足作物对氮的需求。

保护性耕作实施7年后，保护性耕作下土壤0～5 cm层有机碳较保护性耕作实施第3年平均增加5%，而传统耕作下则降低6%，5～10 cm层则相应增加了8.9%和降低了2.6%。0～5 cm层土壤全氮在传统耕作、耕作+秸秆覆盖、免耕、免耕+秸秆覆盖下2007年较2003年增加5.1%、15.4%、25.6%和28.6%，5～10 cm则表现为减低4.0%，在3个保护性耕作下分别增加15.4%、15.4%和42.7%，说明土壤养分含量随保护性耕作实施年限的增加而增加，而传统耕作对土壤进行翻耕外加作物秸秆移出，导致表土暴露和土壤结构的破坏，加速了土壤有机质的分解,增加了土壤侵蚀和养分流失,免耕加覆盖既减少了土壤的扰动又为土壤提供了外加碳源，促进了微生物活性，对于在作物系统中实现从碳源到碳汇的转变有积极的意义[15]。

已有研究表明[22]，有豆科作物(或牧草)参与的轮作系统可有效改善土壤肥力状况，如小麦- 豌豆轮作系统的土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷等指标比小麦连作普遍增加，本研究采用的小麦-玉米-大豆2年3熟轮作系统，虽然利用强度很高，但由于轮作系统中包含豆类作物，因此随轮作年限的延长，传统耕作下土壤有机碳的下降并不显著。

表1 保护性耕作实施不同阶段表层土壤全碳、全氮及有机碳含量 mg/kg

2.2土壤微生物量碳、氮含量 0～5 cm层土壤微生物碳以免耕+秸秆覆盖为最高，比传统耕作处理下显著提高21%(P<0.05)(表2)，主要是因为传统耕作土壤频繁扰动,通气性增加,土壤团聚体易遭破坏,微生物与有机物的接触面增大,从而使外加有机物和土壤原有有机质的矿化分解要比免耕土壤强烈,相应地土壤微生物量碳也较低[5]。秸秆覆盖处理下，微生物可利用秸秆提供的碳源物质进行自身繁殖，促进将有机秸秆碳同化为微生物量碳[23]，另一方面，秸秆覆盖下土壤水分状况得以改善，土壤湿度较高，研究表明在一定范围内土壤微生物量随着土壤含水量的增加而增加[15,24]。免耕和秸秆覆盖在夏季能降低地表温度，在春冬季节有保温作用，利于微生物的生长与繁殖。

5～10 cm层土壤微生物量碳表现为传统耕作+秸秆覆盖>传统耕作>免耕+秸秆覆盖>免耕，与土壤全碳含量表现出相同的趋势，耕作更利于微生物量碳的积累，其原因是表层土壤能较好地与外界进行物质与能量交换，进入土壤的有机物质最先聚集于表层，土壤微生物因养分条件好而活动旺盛，有利于微生物的繁殖[25]。

0～5 cm层土壤微生物量氮含量在免耕、免耕+秸秆覆盖和耕作+秸秆覆盖处理下较传统耕作分别增加了40.9%、39.6%和14.1%。5～10 cm土层中则为免耕+秸秆覆盖下最高，免耕与耕作+秸秆覆盖次之，比传统耕作下分别增加了54.2%、40.3%和19.6%(表2)。免耕下土壤具有良好的结构，覆盖又减少了土壤氮素的挥发，而使土壤有效氮含量较高，此外，覆盖秸秆补充的有机碳,为土壤微生物提供了一定碳源和能源,在增加土壤微生物数量的同时也增加了对氮的固持能力,从而使土壤微生物量氮有所提高[26]。本研究发现，5～10 cm层微生物量氮高于0～5 cm层，而全氮含量却相反，这可能是由于保护性耕作与传统耕作相比，因土壤水分相对高，耕层土壤中氮向下淋溶，在底层累积所致[27]。

表2 保护性耕作实施7年后土壤微生物碳、氮含量

2.3土壤微生物量碳与有机碳及土壤微生物量氮与土壤全氮的相关关系 表层0～5 cm层土壤有机碳与微生物量碳呈显著正相关，可以代表71%的微生物量碳，5～10 cm土壤有机碳与土壤微生物量碳呈弱正相关，有机碳仅解释20%的微生物量碳(图1)。土壤微生物量氮与土壤全氮表现出较好的正相关，0～5与5～10 cm的土壤全氮分别解释了59%和64%土壤微生物量氮(图2)。已有研究表明土壤微生物量碳与有机碳显著正相关，土壤全氮与微生物量氮呈显著正相关关系，土壤微生物量碳氮是表征土壤肥力的敏感因子[28-29]，Brookes等[30]用20种土壤的研究表明，微生物量氮与土壤全氮有极显著的正相关关系，相关系数达0.95以上。樊丽琴等[5]研究表明保护性耕作实施早期，土壤微生物量碳、氮含量显著提高，但土壤微生物量碳与土壤有机碳之间无明显的相关性，可以认为，本研究条件下短期尺度下土壤微生物量碳、氮是反映耕作变化的敏感指标，中期尺度下，土壤有机碳足以敏感反映土壤健康状况。

图1 土壤微生物量碳与土壤有机碳的相关性

图2 土壤微生物量氮与土壤全氮的相关性

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