覆盖与种植模式对土壤呼吸速率和玉米根际微生物数量的影响

李 强,王 琦,张恩和,刘青林

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学 农学院,甘肃 兰州 730070)



覆盖与种植模式对土壤呼吸速率和玉米根际微生物数量的影响

李 强1,王 琦1,张恩和2,刘青林2

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学 农学院,甘肃 兰州 730070)

研究覆盖材料(普通地膜覆盖、生物可降解地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖)与种植模式(玉米单作、玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆)对土壤呼吸速率和玉米根际微生物数量的影响，结果表明：土壤呼吸日变化曲线因覆盖与种植模式而异，峰值出现时间也各不相同；同一种植模式下，玉米生育期平均土壤呼吸速率由高到低依次为普通膜>生物膜>裸露种植>秸秆，玉米根际土壤微生物总数由高到低依次为秸秆>生物膜>普通膜>裸露种植；不同种植模式，与玉米单作相比，玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆的全生育期平均土壤呼吸速率分别提高35%和25%，根际土壤微生物总数提高38.14%和84.75%；经相关分析，土壤呼吸与根际微生物数量呈不显著正相关关系，即土壤呼吸速率受根际微生物的影响，但根际微生物不是影响土壤呼吸的主要因子。试验表明，秸秆覆盖降低土壤呼吸速率，提高根际微生物数量；间作不同程度提高土壤呼吸速率和根际微生物数量。

覆盖；种植模式；土壤呼吸速率；根际微生物数量

土壤呼吸作用是陆地向大气释放CO2的重要生物学途径，其微小变动就能够对全球碳循环产生显著影响[1-2]。在陆地生态系统中，农田生态系统占据重要地位，受自然因素和人为活动的影响较大。河西灌区农田是我国农田生态系统的主要类型之一，该区降水量稀少，光热充足，主要依靠地下水灌溉[3]。近年来，随着常规漫灌及对水资源不合理利用，使地区区域水资源缺乏[4]。如何缓解缺水和充分利用光热资源是该区域农业发展面临的难题。

间作是我国精细农业的重要组成部分，能够充分利用光热水资源，提高群体产量和经济效益[5-6]，由于间作能引起土壤水热的变化，进而影响土壤呼吸[7]。陈吉等[8]研究发现，黄土丘陵区白羊草与达乌里胡枝子混播草地土壤呼吸速率由高到低依次为单播白羊草、白羊草和达乌里胡枝子间作和单播达乌里胡枝子。地表覆盖是旱地农业的一项重要栽培技术[9]。覆盖后土壤水热及理化性质和土壤微生物均发生了显著改变[10-12]，对土壤CO2释放过程也必然会产生影响，从而影响农田生态系统的碳平衡[13]。

国内外对覆盖和种植方式的研究主要集中于土壤水热与土壤呼吸的关系[14-16]，对土壤呼吸和根际微生物数量变化的研究相对较少。以田间试验为基础，研究覆盖与种植模式对土壤呼吸速率和玉米根际微生物数量的影响，旨在确定不同覆盖和种植方式下农田土壤呼吸速率和根际微生物变化规律，为区域农业可持续发展提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地基本概况

试验于2014年3月20日～ 9月29日在位于河西灌区的甘肃农业大学武威试验站进行，该区平均海拔1 531 m，依赖石羊河水和地下水灌溉。年均降水量160 mm，年潜在蒸发量2 400 mm，干燥度5.85，年均气温7.7℃，≥0℃年积温3 513.4℃，≥ 10℃年积温2 985.4℃。全年无霜期156 d，绝对无霜期118 d，年日照时数2945 h。土壤以荒漠灌淤土为主，粉沙壤质，土层深厚，田间持水量为21.5 %，试验区0～20 cm 土层土壤全氮、全磷、全钾和有机质平均含量为0.95、0.48、7.70和14.29 g/kg，速效磷和速效钾平均含量为33.80和253.95 mg/kg，pH为8.76。作物生育期降水量188 mm。

1.2 试验设计

试验以玉米(Zeamays)(先玉335)、箭筈豌豆(Viciasativa)(苏箭3号)和豌豆(陇碗1号)为供试作物。采用完全随机裂区设计，种植方式为主处理，覆盖方式为副处理。3个种植模式分别为玉米单作、玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆，4个覆盖方式分别为普通膜、生物膜、秸秆和裸露种植。主处理中玉米单作作为对照，副处理中裸露种植作为对照，共有12个处理，重复3次，共有36个小区。

试验采用半地面覆盖，即玉米种植带进行覆盖，空行带和豆科作物种植带不进行覆盖。小区面积为8 m×5 m。主区之间设置1.5 m走廊，副区之间设置1.0 m走廊。

箭筈豌豆和豌豆播种时间为2014年4月6日，玉米播种时间为2014年4年17日，箭筈豌豆和豌豆采用条播，播种量分别为150和250 kg/hm2，玉米按穴播种，玉米单作播种密度为82 500株/hm2，玉米行距为0.3 m，株距为0.3 m，带宽1.4 m，种植4行玉米，箭筈豌豆和毛苕子(Viciavillosa)行距为0.15 m，带宽0.6 m，种植4行箭筈豌豆(豌豆)，边行玉米至边行豆科牧草的距离为0.15 m。在播种前10 d划分小区，各小区翻地和礳地各1次，播种前磷肥和钾肥作为基肥1次性施入，基础肥用量分别为纯P 150 kg/hm2(过磷酸钙，含16% P2O5)和纯K 40 kg/hm2(硫酸钾，含30 % K2O)。玉米整个生育期氮肥用量纯N 430 kg/hm2(普通尿素，含纯氮46.4%)，其中基肥、玉米拔节期、大喇叭口期和抽雄-吐丝期追肥用量分别占总施氮量的30%、21%、42%和7%，基肥和追肥只施加于玉米种植带，间作玉米和玉米单作的施肥方式、施肥时间和施肥量相同，并且每1小区灌水时间和灌水量相同，在灌溉前进行追肥。灌水量分别为82、110、110、110和110 mm。箭筈豌豆、豌豆和玉米收获时间分别为2014年8月10日、2014年7月15日和2014年9月29日。

1.3 样品采集及测定

1.3.1 土壤呼吸的测定 土壤呼吸速率使用Li-8100开路式土壤碳通量测定系统测定。并于玉米拔节、抽雄吐丝期、灌浆期和成熟期选择天气状况良好的一天，10∶00开始测定，同时，在玉米抽雄吐丝期选择天气状况良好的一天，从8∶00开始，每间隔2 h测定1 次，至20∶00，观测土壤呼吸日变化动态。测定前在每个小区内安置测定基座(去除基座内的一切活体)。为了减少安置测定基座对土壤系统的破坏，在基座安置24 h 后再进行测定，避免由于安置基座对土壤扰动造成的短期呼吸速率波动。

1.3.2 玉米根际土壤微生物数量测定 在玉米收获期按对角线取样法选取植株，先去掉0～5 cm表土，轻轻抖落根系周围土壤后，用毛刷轻轻刷下黏附在根表面的根际土壤。采集的土样用无菌封口袋包扎密封，置于冰盒中带回实验室，保存在4℃冰箱内待测定。真菌、细菌和放线菌计数采用稀释平板法[17]，菌落培养条件：真菌用马丁氏培养基，放线菌用高氏1号培养基，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，在28℃条件下细菌和真菌培养3～4 d,放线菌培养3～5 d。

1.4 统计分析

采用SPSS 17.0与Excel进行方差分析和显著性检验；方差分析多重比较采用Duncan法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 覆盖与种植模式对玉米土壤呼吸日变化的影响

土壤呼吸日变化因覆盖与种植方式的不同呈现不同的变化趋势。玉米单作时，不同处理土壤呼吸日变化趋势均呈单峰曲线，但峰值出现的时间却不同。普通膜、生物膜和裸露种植土壤呼吸速率峰值出现于14∶00，秸秆的土壤呼吸速率峰值出现于16∶00。玉米间作豌豆时，普通膜和生物膜土壤呼吸日变化呈双峰曲线，秸秆和裸露种植呈单峰曲线，普通膜峰值出现于10∶00和16∶00，生物膜峰值出现于12∶00和16∶00，秸秆峰值出现于16∶00，裸露种植峰值出现于12∶00，普通膜、生物膜、秸秆和裸露种植日平均土壤呼吸速率分别为7.09、6.73、6.60和6.29 g/(m2·d)；玉米间作箭筈豌豆时，土壤呼吸日变化趋势与玉米间作豌豆类似，但是峰值时间各不相同，普通膜、生物膜、秸秆和裸露种植日平均土壤呼吸速率分别为10.40、10.00、9.57和9.52 g/(m2·d)。就不同覆盖方式的平均值而言，玉米间作豌豆土壤呼吸日变化微高于玉米间作箭筈豌豆，玉米间作箭筈豌豆明显高于玉米单作，玉米单作、玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆日平均土壤呼吸速率分别为6.68，9.87和9.85 g/(m2·d)。覆盖使大气和土壤表面形成隔离层，及不同种植模式作物相互之间的遮蔽效应，两者共同影响土壤水分和光热的交换，进而影响土壤呼吸，使不同处理土壤温度变化存在差异，从而使不同覆盖与种植模式的日平均土壤呼吸率出现差异和土壤呼吸速率日变化峰值出现时间各不相同(图1)。

图1 覆盖与种植模式下玉米土壤呼吸日变化Fig.1 Effect of film mulching and planting methods on variation of diurnal soil respiration

2.2 覆盖与种植模式对玉米不同生育时期土壤呼吸速率的影响

玉米抽雄吐丝期土壤呼吸速率在玉米生育期为最高，拔节期次之，灌浆期和成熟期最低；玉米抽雄吐丝期(7月)气温最高，同时是玉米植物生长最旺盛的时段，也是植株根系、土壤微生物和有机质最活跃时段，使玉米抽雄吐丝期土壤呼吸速率处于玉米生育期最高；随着玉米生育期的推移，气温逐渐下降，土壤呼吸速率也随着减小。在同一种植模式下，不同覆盖方式土壤呼吸速率的排列次序为普通膜>生物膜>裸露种植>秸秆，由于覆盖能有效调节土壤温度，从而使普通膜、生物膜土壤呼吸速率明显高于裸露种植，裸露种植高于秸秆。玉米单作时，普通膜、生物膜、秸秆和裸露种植各生育时期平均土壤呼吸速率分别为4.50、4.09、3.61和3.81 g/(m2·d)，玉米间作豌豆时，普通膜、生物膜、秸秆和裸露种植各生育时期平均土壤呼吸速率分别为5.81、5.47、5.12和5.18 g/(m2·d)，玉米间作箭筈豌豆时，普通膜、生物膜、秸秆和裸露种植各生育时期平均土壤呼吸速率分别为5.44、5.17、4.62和4.77 g/(m2·d)。就各生育时期不同种植模式的平均值而言，土壤呼吸速率排列顺序依次为玉米间作豌豆>玉米间作箭筈豌豆>玉米单作，玉米单作、玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆的土壤呼吸速率分别为4.00，5.40和5.00 g/(m2·d)。玉米和豆科作物间作，因根系分布的交错，改变土壤微环境，提高土壤呼吸，使玉米单作的土壤呼吸速率明显低于玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆(图2)。

2.3 覆盖与种植方式对玉米根际微生物数量的影响

不同覆盖与种植方式玉米根际土壤微生物区系中细菌是优势种群，放线菌次之，真菌最少(表1)。在同一种植模式下，根际土壤细菌数量由高到低依次为秸秆、生物膜、普通膜和裸露种植，根际土壤真菌数量由高到低依次为裸露种植、生物膜、普通膜和秸秆；根际土壤放线菌数量由高到低依次为裸露种植、生物膜、普通膜和秸秆，根际土壤微生物总数的变化规律与细菌一致，与裸露种植相比，普通膜、生物膜和秸秆根际土壤微生物总数分别提高了15.20%，73.30% 和131.98%。各不同种植模式的平均值，玉米单作土壤细菌、真菌和放线菌分别为1.95×106，5.20×103和4.11×105，玉米间作豌豆土壤细菌、真菌和放线菌分别为2.33×106，8.80×103和9.18×105，玉米间作箭筈豌豆土壤细菌、真菌和放线菌分别为3.23×106，11.6×103和11.25×105，根际土壤微生物数量由高到低依次为玉米间作箭筈豌豆、玉米间作豌豆和玉米单作。根际土壤微生物总数量，与玉米单作相比，玉米间作箭筈豌豆、玉米间作豌豆分别提高38.14%和84.75%。

图2 覆盖与种植模式下玉米不同生育时期土壤呼吸速率Fig.2 Effect of film mulching and planting methods on soil respiration of maize in different growth periods

种植模式覆盖方式细菌数106真菌104放线菌105总数106单作玉米普通膜1.09c0.25b3.23b1.41c生物膜1.83b0.54b4.39ab2.28b秸秆2.92a0.22b6.68a3.59a裸露种植1.10c1.08a2.16b1.32c玉米间作豌豆普通膜1.94b0.74b7.55b2.70b生物膜2.41ab0.83b12.52a3.67ab秸秆2.67a0.49b14.56a4.13a裸露种植2.31ab1.47a2.10c2.53b玉米间作箭筈豌豆普通膜2.38bc0.65b5.18b2.90b生物膜3.36b1.41a10.84a4.46a秸秆4.58a0.82b11.66a5.75a裸露种植1.74c1.77a4.37b2.20b平均值单作玉米1.95a0.52a4.11a2.36a玉米间作豌豆2.33a0.88a9.18a3.26a玉米间作箭筈豌豆3.23a1.16a11.25a4.36a

注：根据Duncan多重比较,同一种植模式同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05 )

2.4 玉米根际微生物数量与土壤呼吸速率相关分析

土壤呼吸与玉米根际微生物数量呈正相关关系，但是相关性不显著，说明土壤呼吸受根际微生物数量的影响，但是根际微生物数量不是影响土壤呼吸的主要因子；微生物总数与细菌、真菌和放线菌呈正相关关系，且细菌和放线菌是相关性极显著，说明细菌和放线菌对根际微生物总数的贡献量最大；细菌与放线菌呈极显著正相关，即细菌与放线菌存在促进作用；细菌与放线菌成负相关关系，但不显著，即细菌与放线菌之间存在间接影响(表2)。

表2 玉米根际微生物数量与土壤呼吸相关系数Table 2 Relationship between rhizosphere microbe population and soil respiration

注：*和**分别表示5%和1%水平差异显著

3 讨论

间作和覆盖对土壤呼吸和根际微生物数量的影响效果因土壤类型、间作作物种类和覆盖材料的不同而不同。孟平等[18]研究表明，石榴间作绿豆系统和单作系统在整个观测时期内的平均土壤呼吸速率分别为2.99和2.38 g/(m2·d)；覃潇敏等[19]研究表明，马铃薯间作玉米改变了根际微生物群落结构组成,提高根际微生物群落功能多样性。试验发现，与玉米单作相比，玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆的全生育期平均土壤呼吸速率分别提高35%和25%，根际土壤微生物总数提高38.14%和84.75%；经相关分析发现，土壤呼吸与玉米根际微生物数量呈不显著正相关关系，即土壤呼吸受根际微生物数量的影响，但根际微生物数量不是影响土壤呼吸的主要因子。

孙小花等[20]研究发现，覆盖措施较传统耕作能不同程度地降低土壤呼吸，其中免耕秸秆覆盖优势最明显。张桂玲[21]研究发现，生草和秸秆覆盖均能显著提高桃园根际土壤的氨化细菌、真菌和放线菌数量，其中白三叶草和紫花苜蓿覆盖的土壤氨化细菌和真菌数量的平均升幅均较高。研究表明，河西绿洲灌区土壤呼吸日变化曲线因覆盖与种植模式而异，峰值出现时间也各不相同；玉米全生育时期土壤呼吸速率为抽雄吐丝期>拔节期>灌浆期>成熟期；同一种植模式下，与裸露种植相比，普通膜、生物膜和秸秆的全生育期平均土壤呼吸速率分别提高12.16%，5.60%和-1.16%，根际土壤微生物总数分别提高15.20%，73.30% 和131.98%。

综上所述，秸秆覆盖既降低土壤呼吸速率，也提高根际微生物总数；间作均提高土壤呼吸速率和根际微生物总数。

4 结论

河西绿洲灌区土壤呼吸日变化曲线因覆盖与种植模式而异，峰值出现时间也各不相同；玉米不同生育时期土壤呼吸速率为抽雄吐丝期>拔节期>灌浆期>成熟期；同一种植模式下，与裸露种植相比，普通膜、生物膜和秸秆的全生育期平均土壤呼吸速率分别提高了12.16%，5.60%和-1.16%，根际土壤微生物总数分别提高15.20%，73.30% 和131.98%。就不同种植模式而言，与玉米单作相比，玉米间作豌豆和玉米间作箭筈豌豆的全生育期平均土壤呼吸速率分别提高35%和25%，根际土壤微生物总数提高38.14%和84.75%；经相关分析发现，土壤呼吸与玉米根际微生物数量呈不显著正相关关系，即土壤呼吸受根际微生物数量的影响，但根际微生物数量不是影响土壤呼吸的主要因子。综上所述，秸秆覆盖既降低土壤呼吸速率，也提高根际微生物总数；间作均提高土壤呼吸速率和根际微生物总数，为该区域农业生产提供理论依据。

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Effects of mulching and planting methods on soil respiration rate and rhizosphere microbes of maize

LI Qiang1,WANG Qi1,ZHANG En-he2,LIU Qing-lin2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China；2.CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

The effects of film mulching(common plastic film,biodegradable film,straw film and CK) and planting methods(monoculture maize,maize/common vetch intercropping and maize/hairy vetch intercropping) on soil respiration rate and rhizosphere microbes were studied.The result indicated that the diurnal variation of soil respiration rate and peak value varied with film mulching and planting methods.The order of average soil respiration rate in maize growth periods was common plastic film mulching,biodegradable film mulching,no film mulching and straw film mulching with the same planting method,while the order of average rhizosphere microbe population was straw film mulching,biodegradable film mulching,common plastic film mulching and no film mulching.Compared with monoculture,the soil respiration rates in maize/pea and maize/common vetch were increased by 35% and 25% respectively.While the total rhizosphere microbe populations were increased by 38.14% and 84.75 % respectively.Correlation analysis showed that the soil respiration rate was positively correlated with rhizosphere microbe population(not significantly),which suggested that the rhizosphere microorganisms affected soil respiration rate,but it was not a main factor.It could be concluded that the straw film mulching decreased the soil respiration rate but increased the rhizosphere microbe.And the intercropping increased the soil respiration rate and rhizosphere microbial populations at different degrees.

mulching;planting method;soil respiration rate;rhizosphere microbe

2016-03-14；

2016-04-11

国家科技支撑计划项目(2012BAD14B10)；国家牧草产业技术体系项目(CARS-35)资助

李强(1990- )，男，甘肃陇西人，在读硕士。

E-mail：992956250@qq.com

S 154

A

1009-5500(2016)05-0046-06

张恩和为通讯作者。