耕作方式对稻田土壤微生物量碳氮的动态影响

唐先亮，魏甲彬，周玲红，徐华勤，邹应斌，唐剑武（湖南农业大学农学院，长沙410128）



耕作方式对稻田土壤微生物量碳氮的动态影响

唐先亮，魏甲彬，周玲红，徐华勤*，邹应斌，唐剑武
（湖南农业大学农学院，长沙410128）

摘 要：为了探讨不同耕作方式对稻田土壤微生物量碳氮动态变化的影响，本研究就长期免耕和常规翻耕两种耕作方式，针对水稻不同生育期稻田0～20 cm土层土壤微生物量碳氮含量变化进行了分析。结果表明，免耕处理土壤有机质显著增加了13.09%。翻耕处理水稻各生育期土壤微生物量碳氮含量基本高于免耕处理。翻耕处理土壤微生物量碳含量在水稻种植前和收割后两个时期分别比免耕高20.58%和16.79%，差异显著，其他时期差异不明显；翻耕处理土壤微生物量氮含量在水稻分蘖后期、孕穗期、黄熟期、收割后四个时期分别比免耕高31.70%、38.42%、41.82%和98.96%，差异显著。免耕处理土壤微生物量碳氮比率基本高于翻耕处理。因此，免耕有利于土壤有机质的积累，而翻耕方式更有利于微生物活动，提高土壤微生物量碳、氮含量，并且翻耕处理有利于提高土壤氮素有效性。

关键词：稻田；耕作方式；土壤微生物量碳；土壤微生物量氮

土壤微生物生物量碳（SBMC）是土壤有机碳最活跃的成分，一般只占土壤有机碳总量的1%～3%［1］。土壤微生物生物量氮（SBMN）是指土壤中活的微生物体内固持的氮素，一般为20～200 mg/ kg，受不同土壤类型及生态环境条件影响很大［2］。土壤微生物量能够灵敏、及时、准确地反映土壤质量的变化状况及不同耕作措施导致的土壤差异性［3］，所以它们常作为土壤对环境响应的重要指示指标。

免耕作为保护性耕作的重要内容，在国内已有大量研究，包括有免耕对产量影响、免耕对土壤理化特性的影响和免耕年限造成的影响等多方面，但得出的结论不尽相同。长期免耕存在有机碳和养分表层富集、层化现象明显等土壤质量问题，并且也影响土壤微生物在农田土壤中的分布。目前有关免耕土壤微生物量的研究，多数还是关于旱地的，并且较多研究者针对土壤分层进行研究。比如免耕可提高表土层（0～5 cm）土壤微生物量碳、氮含量，土壤微生物量受季节影响等［4～6］。目前有关免耕对土壤微生物量碳、氮的影响研究报道不少。一般认为，免耕使土壤表层土壤微生物增加较多，而深层土壤增加则不明显。Kuldip等［7］研究发现，高度干扰的耕作制度较低度干扰的耕作制度可降低土壤微生物量碳、氮、磷含量。张丽华等［8］研究表明，免耕使表层土壤（0～5 cm）土壤微生物的生物量高于翻耕土壤。徐阳春等［4］的长期免耕与施用有机肥对土壤微生物量碳的影响研究表明，免耕条件下表土层（0～5 cm）微生物量碳氮显著地高于翻耕土壤，但亚表层（5～10 cm）微生物量碳氮与翻耕土壤差异不明显。还有研究认为，免耕处理的土壤微生物集中于0～5 cm土层，该层微生物数量约占0～30 cm土层总量的57%，翻耕处理土壤微生物则相对均匀分布于0 ～10 cm土层［9］。

国内南方稻作区许多关于土壤微生物的研究都是以土壤分层为依据，而忽视了水稻根系大部分分布于耕作层（0～20 cm）的这一整体性和前茬作物对稻田土壤的影响，并且以往对土壤微生物量的研究多数集中在单一时间点上，缺少对水稻不同生育期稻田土壤微生物量碳氮动态变化的研究。本研究选择南方长期免耕稻油两熟制稻田，通过对比不同耕作方式和水稻不同生育期对0～20 cm土层土壤微生物量碳、氮的影响，探讨不同耕作方式对稻田土壤微生物量碳、氮含量的影响及土壤微生物对水稻需肥的响应规律。这不仅可丰富土壤养分转化理论，也为水稻栽培合理施肥提供基础理论参考，以期为可持续性农业发展提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验设计

本研究基于稻油两熟制免耕长期定位试验田（始于2003年），位于湖南省长沙市湖南农业大学耘园试验基地（28°11′N，113°04′E）。试验土壤为潮泥田，试验田前茬为板田免耕移栽种植油菜，收获后清除秸秆。以两系杂交水稻两优培九作单季晚稻，设免耕移栽（NT）和翻耕移栽（CT）两个处理。随机区组排列，4次重复，小区面积为30 m2。两个处理的施肥量和施肥方法相同，氮肥、磷肥和钾肥用量分别为135 kg/ hm2（以N计）、90 kg/ hm2（以P2O5计）和180 kg/ hm2（以K2O计），氮肥按基肥∶分蘖肥= 2∶1（质量比）施入，磷肥和钾肥作基肥一次性施入。

晚稻于2014年6月12日移栽，10月5日收割。水稻移栽行株距为20 cm×20 cm，大田自分蘖初期起保持田面3～5 cm水层，直到成熟前20 d左右停灌，任其自然落干，田间精细管理，及时控制病虫害。

1.2取样方法

土壤采样采用5点蛇形法，分别采集水稻种植前（5月8日）、水稻分蘖初期（7月1日）、分蘖后期（7月24日）、孕穗期（8月6日）、扬花期（8月27日）、黄熟期（9月21日）和水稻收割后（10月8日）这几个时期的土壤样品，采样深度为0～20 cm耕层。一部分土样采集之后保鲜带回冷藏供测定土壤微生物量碳、氮用。另一部分土样室内风干，过筛，用于土壤理化指标测定。

1.3测定项目

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸- K2SO4浸提法测定［10］；土壤有机质含量测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法［11］。

土壤微生物量碳SMBC（mg/ kg）= EC/0.33，土壤微生物量氮SMBN（mg/ kg）= 5.0×EN。其中0.33和5.0分别为土壤微生物量碳和氮的系数，EC 和EN分别为熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液中有机碳和全氮含量的差值。

1.4数据处理

试验数据采用Excel 2007和SPSS18.0软件进行单因素方差分析及显著性检验（p < 0.05），并采用Excel 2007做图。

2　结果与分析

2.1土壤有机质

从表1可以看出，两种耕作处理水稻种植阶段土壤有机质变化不同。水稻收割后免耕处理土壤有机质含量相比水稻种植前增加13.09%，差异显著（p <0.05）；而翻耕处理土壤有机质增加了9.36%，差异不明显。相比而言，水稻种植阶段免耕处理有机质增加量比翻耕高3.73%，说明免耕方式在水稻种植阶段更有利于土壤有机质的积累。

表1　水稻种植阶段土壤有机质含量变化

2.2土壤微生物量碳

图1　水稻种植阶段土壤微生物量碳的动态变化

从图1可以看出，两种耕作方式下土壤微生物量碳含量变化趋势基本一致，且翻耕处理土壤微生物量碳含量高于免耕处理。土壤微生物量碳大体呈“W”型变化趋势，即在分蘖后期和扬花期土壤微生物量碳含量较低，而在孕穗期时有所反弹。这说明两种耕作方式对土壤微生物量碳的影响方向基本一致。免耕处理土壤微生物量碳含量变动范围为208.80～299.70 mg/ kg，而翻耕处理变动范围为254.90～339.25 mg/ kg。这两种处理土壤微生物量碳含量变动幅度相当，说明免耕处理和翻耕处理土壤微生物量碳含量变动的稳定性相当。在水稻扬花期，免耕和翻耕处理土壤微生物量碳含量达到最小值，分别为208.80和254.90 mg/ kg。方差分析表明，在水稻种植前、收割后两时期翻耕处理土壤微生物量碳含量分别比免耕高20.58%和16.79%，差异显著（p < 0.05）。而在分蘖初期、分蘖后期、孕穗期、扬花期、黄熟期等时期，翻耕处理与免耕处理土壤微生物量碳含量差异不明显，说明在水稻生长期间，两种耕作方式对土壤微生物量碳的影响差异不明显。

方差分析表明，免耕条件下，分蘖后期土壤微生物量碳含量显著低于分蘖初期、孕穗期（p <0.05）；孕穗期显著高于分蘖后期、扬花期和黄熟期（p < 0.05）；扬花期显著低于水稻种植前、分蘖初期、孕穗期和水稻收割后（p < 0.05）；其他时期两两之间差异不明显。而翻耕条件下，分蘖后期、孕穗期、扬花期和黄熟期土壤微生物量碳含量显著低于水稻种植前、分蘖初期和水稻收割后（p <0.05）；其他各时期两两间差异不明显。这说明在不同生育期，水稻对土壤微生物量的影响不同，且在水稻分蘖后期、孕穗期和扬花期这三个时期表现尤为明显。

2.3K2SO4浸提碳

K2SO4浸提碳包括游离的有机碳［12］。不同耕作方式和不同水稻生育期的土壤K2SO4浸提碳含量都存在一定程度的差异（图2）。总体上，免耕处理各生育期土壤K2SO4浸提碳含量略高于翻耕处理，且K2SO4浸提碳含量在不同生育期变化趋势基本一致。翻耕处理和免耕处理K2SO4浸提碳含量在水稻孕穗期时同时达到最小值，分别为142.07和140.96 mg/ kg，而水稻分蘖初期时同时达到最大值，分别为264.17和282.54 mg/ kg。

图2　水稻种植阶段土壤K2SO4浸提碳的动态变化

2.4土壤微生物量氮

从图3可以看出，免耕和翻耕这两种处理对土壤微生物量氮的影响趋势基本一致，且翻耕处理土壤中微生物量氮含量基本上高于免耕处理。土壤微生物量氮含量随水稻生长进程逐渐上升，孕穗期时稍有反弹下降，即从水稻移栽到黄熟期土壤微生物量氮含量基本呈上升趋势，水稻收割后再下降。这说明翻耕和免耕两种耕作方式对土壤微生物量氮影响方向大致相同。免耕处理土壤微生物量氮含量变动范围为23.29～47.34 mg/ kg，而翻耕处理变动范围为31.55 ～67.15 mg/ kg，翻耕处理下土壤微生物量氮含量变动幅度高于免耕，说明免耕处理土壤微生物量氮含量变动比翻耕处理稳定。方差分析表明，在水稻分蘖后期、孕穗期、黄熟期和收割后这4个时期翻耕处理微生物量氮含量显著高于免耕处理，分别比免耕高31.70 %、38.42%、41.82%和98.96%（p <0.05）；其他时期翻耕处理与免耕处理土壤微生物量氮含量差异不明显。这说明土壤微生物量氮含量受耕作措施的影响较为明显，尤其在水稻分蘖后期、孕穗期、黄熟期和收割后4个时期表现突出。

图3　水稻种植阶段土壤微生物量氮的动态变化

比较水稻不同生育期土壤微生物量氮含量。免耕处理条件下，土壤微生物量氮含量最大值出现在黄熟期，为47.34 mg/ kg，显著高于其他各时期（p < 0.05）；扬花期显著高于孕穗期（p < 0.05），其余时期两两之间差异不明显。而翻耕处理条件下，分蘖后期、扬花期和收割后这3个时期微生物量氮含量显著高于分蘖初期和水稻种植前，其中分蘖初期出现最小值，为31.55 mg/ kg；黄熟期土壤微生物量氮含量出现最大值，为67.15 mg/ kg，显著高于其他时期；其他时期两两之间差异不明显。这说明水稻不同生育期土壤微生物量氮含量不同，且水稻生长后期土壤微生物量氮显著增加。

2.5K2SO4浸提氮

K2SO4浸提氮包括游离的有机含氮物质和无机氮素，可视为土壤速效氮［13］，一般占全氮比例较低。供试土壤的K2SO4浸提氮含量在8.92～36.53 mg/ kg（图4）。在水稻孕穗期，翻耕处理K2SO4浸提氮含量显著高于免耕（p < 0.05），而其他时期差异不明显，其原因和意义有待深入研究。

图4　水稻种植阶段K2SO4浸提氮的动态变化

2.6土壤微生物生物量碳氮比

土壤微生物生物量碳氮比（SMBC/ SMBN）可作为土壤氮素供应能力和有效性的评价指标，它的高低反映了土壤氮素供应能力。当SMBC/ SMBN值较小时，土壤氮素的生物有效性比较高［12］。从图5中可知，免耕处理SMBC/ SMBN值变动范围为5.26～11.19，而翻耕处理变动范围为3.86～10.34。免耕条件下SMBC/ SMBN值高于翻耕，这说明翻耕处理土壤氮素有效性比较高。

图5　水稻种植阶段土壤微生物量碳氮比率的动态变化

2.7SMBC与SMBN、K2SO4浸提碳和K2SO4浸提氮的关系

相关性分析表明（表2），SMBC与K2SO4浸提碳有显著正相关关系，相关系数为0.613。SMBN与K2SO4浸提氮、SMBC无明显相关关系。

表2　SMBC与SMBN、K2SO4浸提碳和K2SO4浸提氮的相关系数

3　讨论与结论

3.1不同耕作方式对土壤有机质的影响

免耕方式在水稻种植阶段更有利于土壤有机质的积累，这可能与翻耕下土壤有机质被微生物较快分解有关［14］。高明等［15］的长期田间定位试验结果表明，稻田连续免耕10年后土壤表层（0～20 cm）有机质含量提高。区惠平等［16］的稻田土壤短期免耕试验结果也表明，在整个水稻生育周期免耕处理提高了0～5 cm和0～20 cm土层有机碳含量。本研究结果与其一致。

3.2不同耕作方式对土壤微生物量碳、氮的影响

在整个水稻生育周期内，翻耕处理土壤微生物量碳含量总体上比免耕处理高，但差异不明显。其原因可能是相比免耕，翻耕一定程度上加速了有机物分解，增加了土壤中有可供微生物繁殖利用的有效养分含量［17］，进而微生物数量增多。张磊［18］的研究也表明，耕作农田土壤微生物量碳含量始终显著高于未耕作土壤（p < 0.01）。这与本研究结果类似。

翻耕处理土壤微生物量氮含量均高于免耕处理。这可能是因为翻耕加速了土壤有机质分解，增大了土壤中有机碳含量比例，进而促进土壤微生物固持氮素。张洁等［19］的保护性耕作试验结果表明，免耕相比传统耕作显著增加了0～20 cm土层中土壤微生物碳、氮含量，认为免耕表层作物残余物累积，增加了土壤表层微生物活性和生物量。路怡青等［20］的免耕和秸秆还田对潮土酶活性及微生物量碳氮的影响试验结果也表明，在0～20 cm土层内，土壤微生物量碳、氮均为免耕处理大于翻耕处理。这些都与本研究结果不同。土壤微生物量对环境条件非常敏感，施肥、耕作措施等都会影响土壤微生物量［21］，同时土壤免耕年限［22］、土壤深度［23］也会影响到土壤微生物量。所以免耕和翻耕耕层（0～20 cm）土壤中土壤微生物量变化规律仍有待进一步研究。而在水稻分蘖后期、孕穗期、黄熟期、收割后4个时期土壤微生物量氮含量两者差异显著，原因可能在于这4个时期作物土壤中根系分泌物和凋落物等有机物相对较多。

3.3不同水稻生育期土壤微生物量碳、氮变化

土壤微生物量碳含量自分蘖初期开始降低，孕穗期时出现反弹上升，扬花期之后一直上升，这可能与水稻生长对土壤养分的需求有关。罗兰芳［24］研究发现，土壤微生物量碳随着水稻生长进程下降，至成熟期回升。而曾路生等［25］研究表明，土壤微生物量碳随着水稻生长发育而逐渐下降，移栽50 d（分蘖期）后随着水稻继续生长而渐渐上升。这些与本研究结论大体相同。作物不同生育期对土壤养分的需求不同。土壤微生物量碳含量随着水稻生长进程下降，这是因为随着作物的生长发育，根系对土壤养分吸收作用强烈，与微生物竞争土壤养分，从而抑制微生物活动，甚至通过矿化微生物体，释放被微生物固持的营养元素，以缓解土壤养分供应矛盾［26］。由于作物生长后期根系脱落物和分泌物的增加为微生物繁殖提供了有机质［27］，所以水稻扬花期后微生物量碳升高。而土壤微生物量碳在水稻孕穗期出现反弹上升，原因可能是分蘖后期土壤中无效分蘖死亡脱落物大增，为微生物提供了更多有机质来源，促使微生物量增多。

随水稻生长发育，土壤微生物量氮含量基本呈现上升趋势。出现这种情况可能与土壤中有效氮素供应有关。曾路生等［25］研究发现，水稻在生长前期，根系对土壤养分吸收能力弱，土壤微生物量增长，但随着根系生长完善，水稻与微生物竞争吸收氮磷钾等养分，导致微生物量氮减少。水稻成熟期时，根系与土壤微生物的竞争减弱，微生物量氮回升。李东坡等［26］在旱地玉米研究时也发现，玉米在生殖生长期间因吸氮量迅速增加而微生物量氮含量下降，蜡熟期时微生物量氮增加。这些与本研究结果相同。在水稻生长期间，稻田土壤微生物量氮含量在不断变化，这种变化与水稻生长需肥特点相吻合。水稻收割后田间排水落干，土壤失去荫蔽环境，直接暴露在空气中，干湿交替显著，降低了土壤微生物量氮［28］。

3.4结论

不同的耕作方式，通过直接作用于土壤结构，改变土壤有机质、土壤微生物量碳和土壤微生物量氮。总的来看，免耕有利于土壤有机质的积累，原因在于免耕下土壤有机质被微生物分解的速率较慢。翻耕处理土壤微生物量碳氮含量基本高于免耕。土壤微生物量碳含量大体呈“W”型变化趋势，即在分蘖后期和扬花期土壤微生物量碳含量较低，而在孕穗期时有所反弹。翻耕处理土壤微生物量碳含量在水稻种植前和收割后两个时间显著高于免耕，其他时期差异不明显。而土壤微生物量氮含量随水稻生长进程逐渐上升，孕穗期时稍有下降，即从水稻移栽到黄熟期土壤微生物量氮含量基本呈上升趋势，水稻收割后再下降。翻耕处理土壤微生物量氮含量在水稻分蘖后期、孕穗期、黄熟期、收割后4个时期显著高于免耕。这说明相比免耕，翻耕条件更有利于微生物生长。翻耕扰动下，提高了土壤透气性，促进了有机质分解，增加了土壤中有效养分的含量，为微生物创造了良好的生存环境。免耕处理土壤微生物量碳氮比率基本高于翻耕处理，说明翻耕处理土壤氮素有效性比较高。

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The Dynamic Effect of Different Tillage Methods on Soil Microbial Carbon and Nitrogen in Rice Paddy

TANG Xianliang，WEI Jiabin，ZHOU Linghong，XU Huaqin*，ZOU Yingbin，TANG Jianwu
（College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Abstract：To study the dynamic effect of different tillage methods on the soil microbial biomass carbon（SMBC）and soil microbial biomass nitrogen（SMBN）in rice paddy，long-term no-tillage（NT）and conventional tillage（CT）methods were used to analyze the content change of soil microbial biomass carbon and nitrogen in different growth stages on rice.The results showed that the soil organic matter（SOM）content of the NT treatment increased 13.09% compared with the CT；the SMBC and SMBN contents of the CT treatment was higher than that of the NT treatment.The SMBC content of the CT treatment，before the rice planting and after harvesting is significantly higher than no-tillage treatment by 20.58% and 16.79% respectively；while the difference is not significant during the rice growing stages.The SMBN content of the CT treatment is significantly higher than that of the NT treatment in late tillering stage（by 31.70%），booting stage（by 38.42%），yellow ripening stage（by 41.82%），and after harvesting（by 98.96%）.The soil microbial biomass carbon/ nitrogen ratio in NT treatment is higher than that in CT treatment.Results suggest that no-tillage method is beneficial to SOC accumulation，conventional tillage method is good for the increasing of soil microbial，SMBC and SMBN content，and enhancing biological effectiveness of soil nitrogen.

Keywords：rice paddy；tillage method；soil microbial biomass carbon；soil microbial biomass nitrogen

中图分类号：S344

文献标识码：A

文章编号：1001-5280（2016）03-0282-06

DOI：10.16848/ j.cnki.issn.1001-5280.2016.03.12

收稿日期：2016- 02- 29

作者简介：唐先亮（1990 -），男，硕士研究生，Email：xuehuanshi@ 139.com。*通信作者：徐华勤，副教授，主要研究方向土壤生态学，Email：xu7541@163.com。

基金项目：湖南省科技计划项目（2014RS4002）；教育部博士点基金（20134320110004）；国家自然科学基金（31100382）。