保护性耕作对土壤团聚体及微生物特性影响研究概况

李 彦，李廷亮，焦 欢，何 冰，高继伟

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801）

耕作改变土壤孔隙结构，使土壤有机碳氮以及土壤微生物环境的分布改变，影响土壤有机质的分解、转化和消耗。因此，耕作一定会对土壤团聚体产生影响。团聚体是土壤有机质以及各种胶结剂形成直径小于10 mm的基本结构单元，它的形成、稳定性都与微生物存在密切关联。作为土壤肥力的中心调节因子，土壤团聚体协调土壤水分、肥料、气体和热量，保持和稳定土壤松散层，对土壤碳氮平衡和各种土壤酶活性有一定的影响。土壤团聚体的变化反映在微生物的活动中，团聚体分布和养分在团聚体中的分布变化与耕作有关。不同团聚体的理化性质和养分保持、供应能力均存在差异，这也直接影响了土壤微生物量和多样性。

笔者在前人研究的基础上，综述了不同耕作方式对土壤团聚体和微生物特性的影响，旨在明确耕作措施对农田土壤生态环境质量的影响原理，为山西采煤塌陷区地的生态修复提供理论基础和技术支持。

1 耕作方式对土壤团聚体结构的影响

1.1 耕作方式对土壤团聚体数量及分布特征的影响

根据团聚体的多级团聚形成理论，微团聚体聚合形成较大的聚集体，大团聚体可以分解微团聚体，二者互为基础、互为消长。通常，＞0.25 mm的大团聚体称为土壤团粒结构体，团粒结构存在于耕层土壤，其团聚程度与土壤有机碳（SOC）密切相关[1]。聚集体的数量和质量与土壤肥力有很好的一致性。水稳性团聚体在稳定土体结构和提高耐腐蚀性方面起着重要的作用。目前，土壤团聚体采用干筛分法和湿筛分法进行分类。

不同耕作措施对土壤团聚体大小以及分布状况具有不同影响。研究表明，与传统翻耕相比，连续不同保护性耕作措施（旋耕和免耕）4 a土壤团聚体分布发生显著的变化，免耕可促进0～10 cm土层0.25 mm团聚体形成，平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）高于旋耕、翻耕处理[2]。通过在黄土高原丘陵沟壑区的研究得出，免耕、免耕覆盖可增加土壤大团聚体含量，其中，免耕覆盖处理更容易产生5 mm水稳性团聚体[3]。丘陵区水稻土研究表明，保护性耕作对水稻土中的大团聚体有机碳含量提高有更明显的作用[4]。其他试验也均表明，免耕可以促进黏粒团聚，减少微团聚体数量，增加土壤大团聚体数量，进而增加有机碳，改善土壤团粒结构[5]。

KASPER等[6-7]研究发现，少耕有利于水稳性团聚体增加。王海霞等[8]对渭北旱塬研究表明，免耕秸秆还田能增加0.25 mm粒级团聚体数量，还能提高团聚体的稳定性，说明秸秆还田能改善土壤结构、提高土壤的稳定性，进而提升土壤肥力[9]。原因可能是由于一方面耕作造成机械扰动，破坏了大团聚体结构，暴露出原先被团聚体保护的土壤有机碳，进而加速土壤有机碳分解速率[10]；另一方面秸秆还田增加了有机质含量，加速团聚体形成，从而改善了土壤结构状况[11]。

通过9 a不同耕作定位试验得出，连年深松对0～20 cm耕层中2 mm团聚体数量的增加具有更加显著的作用；隔1 a深松相比于连年深松更有利于0～30 cm土层2 mm团聚体含量和0～40 cm土层0.25～2.00 mm团聚体含量的增加，隔年深松对大团聚体形成与稳定具有更加明显的作用，并减少了微团聚体的含量[12]。通过15 a在豫西丘陵地区的耕作试验表明，深松（小麦收获后间隔60 cm深松30～35 cm）结合小麦秸秆覆盖措施能够增加大于2 mm粒级团聚体的相对含量，减少小于0.053 mm粒级团聚体的相对含量[13]。常规翻耕的耕作频率高，导致土壤受到剧烈扰动，土壤有机碳矿化速率加快，造成团聚体稳定胶结剂的减少，耕层大团聚体的数量减少，进而降低土壤团聚体团聚度和稳定性[14]。

综合来看，免耕和深松以及深松秸秆覆盖可以增加不同地区耕作制度下大团聚体数量，其中，耕层（0～20 cm）土壤＞0.25 mm粒级团聚体含量增加在免耕处理下作用更加明显[15]。深松可以提高0～40 cm土层大于2 mm粒级的团聚体含量，同时减少微团聚体数量。秸秆还田改善了土壤有机质状况，降低了大团聚体的周转速度，促进了团聚体的形成和提高了团聚体的稳定性[16-19]。

1.2 耕作方式对土壤团聚体水稳性的影响

土壤中大团聚体可分为水稳定性和非水稳定性2种，其中，各级水稳性团聚体的比例可以更好地反映土壤团聚体的质量，在提高土壤碳储量和增强土壤稳定性以及保持土壤肥力中具有重要作用。水稳性聚集体的稳定性由平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）表示，2个指标的数值越大，表示其稳定性越好。

耕作方式对不同土层团聚体的水稳定性影响不同。免耕可提高表层水稳性大团聚体MWD和GMD的值[20]。也有研究表明，免耕和常规翻耕在20～40，40～60 cm土层的MWD值无明显差别[21]。于爱忠等[17]研究发现，0～20 cm土层中，免耕秸秆覆盖措施土壤团聚体MWD值均显著高于传统耕作（前茬作物收获后深耕25 cm，灭茬，耙耱整平，不覆盖）措施，而20～30 cm土层的则差异不显著。秸秆还田下，＞0.25 mm土壤粒径的团聚体百分含量以及MWD和GMD值均最高，表明秸秆还田更能改善土壤结构[9]。田慎重等[22]研究表明，20～30 cm水稳性团聚体稳定性在免耕或免耕秸秆覆盖下明显提高，但是在深松处理下显著降低，0～10 cm土层大于0.25 mm水稳性团聚体的含量与稳定性在免耕/深松保护性轮耕模式下显著提高，说明保护性耕作能改善旱地土壤结构，而深松结合翻耕、翻耕结合免耕的轮耕模式由于隔年翻耕对土壤的强烈扰动，对土壤结构改善效果不明显[23]。土壤的强烈扰动，对土壤结构改善效果不显著[23]。

总体来看，耕作导致水稳定团聚体分布的差异，是由于对耕作深度、扰动造成的影响不同，免耕处理下SOC的积累仅在表层（＜10 cm），秸秆还田对表层的贡献要大于对亚表层的贡献[24]，免耕、秸秆还田处理下土壤表层团聚体数量以及MWD和GMD显著高于常规耕作措施，表明保护性耕作对土壤水稳性团聚体的分布以及稳定性具有更加明显的促进作用。深松与免耕结合一定程度上提高了表层土壤水稳性团聚体数量，但深松降低了亚表层水稳性团聚体稳定性。

2 耕作方式对土壤微生物特性的影响

2.1 耕作方式对土壤微生物区系的影响

土壤微生物在土壤养分循环、土壤微生态系统的稳定性及土壤可持续生产中起着重要的作用。土壤微生物中的真菌，对大团聚体的形成以及稳定性具有重要作用，真菌菌根可有效提高土壤结构和土壤团聚体稳定性，在团聚体形成中，微生物种类的作用最大的是真菌。

不同耕作方式对土壤微生物有不同的影响，导致细菌、放线菌和真菌数量差异较大。研究发现，土壤微生物的活性和数量在长期免耕处理下显著高于翻耕[25]。汪金平等[26]研究发现，免耕处理下土壤0～5 cm土层细菌和真菌数量明显多于翻耕，而放线菌数量则低于翻耕土壤，5～25 cm土层细菌和放线菌对耕作方式的响应不明显。李双喜等[27]研究也表明，免耕措施下，0～5 cm土层细菌数量大幅增加，明显高于常规旋耕，且0～5 cm土层细菌、放线菌和真菌数量均高于5～20 cm土层。钟文辉等[28]研究表明，少耕秸秆覆盖可提高表层土壤细菌总量，增加土壤微生物的多样性。顾爱星等[29]利用稀释涂布平板培养法研究表明，秸秆单纯覆盖下土壤微生物总数增加，细菌、真菌的数量随秸秆覆盖量的增加而增加，而放线菌数量则无显著变化。但洪艳华等[30]研究表明，在秸秆还田情况下，土壤中微生物总数增加不明显，而有利于耕层土壤中放线菌数量的增加。LIANG等[31]研究表明，深松可以提高细菌、放线菌以及微生物总量，改善深层土壤的微生态环境，进而有利于培肥地力；也有研究表明，在0～20 cm隔年深松与连年深松及传统翻耕相比，细菌数量增多；真菌数量在连年深松的处理下数量较多；连年深松相对于免耕及传统翻耕，放线菌数量较多[32]。

总的来看，耕作方式能改变土壤中水分、养分、温度和通气状况，进而影响微生物生长繁殖。免耕可以明显增加0～5 cm土层细菌和真菌数量，而对5 cm以下土壤中微生物总量影响不大。深松较免耕可影响深层土壤微生物环境，微生物区系变化与深松频率有关。

2.2 耕作方式对土壤微生物量的影响

不同耕作措施导致微生物变化不仅表现在微生物区系上，还表现在微生物生物量碳、氮和磷上。土壤微生物量碳作为土壤有机质分解与转化的驱动力，能表征土壤养分有效状况和生物活性，进而影响土壤肥力。研究发现，免耕相对于翻耕可提高表层土壤微生物量碳，降低亚表层微生物量碳。有研究也表明，免耕或少耕处理下土壤微生物量碳含量高于旋耕和传统耕翻；在0～7.5，0～15 cm土层土壤微生物量碳在免耕秸秆还田处理下明显高于秸秆不还田；在0～10 cm土层中，秸秆还田麦季保护性耕作可提高土壤微生物生物量碳，因为秸秆还田能够给微生物提供营养物质，为作物提供丰富营养，进而提高根系分泌物的含量，因此，微生物得到了丰富的能源，使得生长繁殖加快、土壤微生物生物量碳含量增加。

微生物生物量氮在土壤养分供应以及有机无机养分转化过程中发挥着非常大的作用，虽然数量比较少，但是土壤氮素的一个重要储备库。有研究认为，土壤微生物氮含量在免耕处理下显著高于传统耕翻，且在0～10 cm土层深度富集。长期定位试验发现，长期保护性耕作显著增加了0～20 cm土壤微生物氮含量，其中，免耕可提高表土层土壤微生物量氮，表层土中秸秆还田比不还田的微生物量氮的含量高。但免耕覆草、免耕处理微生物量氮含量较传统耕作显著增加，因为秸秆覆盖可提高土壤持水能力，土壤干湿交替趋于缓和，更有利于土壤微生物活动，并且覆盖可有效降低土壤氮素的挥发，使土壤中的有效氮相对比较高。

目前，土壤微生物生物量碳、氮的研究相对于微生物生物量磷的研究比较多[33]。微生物生物量磷是土壤微生物生物量的重要组成部分，因其在养分循环过程中周转快，所以是植物有效磷的主要来源。郭晓霞等[34]研究表明，土壤的微生物量磷含量随着免耕留茬覆盖的年限增加而增加，但对土壤微生物生物量磷含量的影响不显著。也有研究表明，耕作方式对微生物量磷含量变化的影响不明显，免耕相对于翻耕0～5 cm土层微生物量磷的影响较高，秸秆还田对不同土层土壤微生物量磷有促进作用。

免耕和秸秆还田对土壤微生物量碳、氮的提高有很大促进作用，在微生物量磷方面，免耕与传统翻耕相比影响差异不显著，但免耕结合秸秆还田一定程度上能够提高表层土壤微生物量磷，这2种处理所包含的养分大部分是缓效的，导致微生物分解速率较慢[35]，因为翻耕改进土壤通气状况，加快土壤中水分扩散，改变土壤中团粒结构，造成微生物和有机物接触面积的扩大，使有机质的矿化分解加快，微生物生物碳、氮、磷生物量相应减少。翻耕使土壤中微生物的多样性低于免耕，因为由于土壤大团聚体结构被破坏，使土壤表层碳流失，进而对微生物的分布以及数量产生影响。综合来看，免耕、秸秆还田较传统翻耕能显著改变土壤微生物构成，同时提高微生物生物量，改善土壤肥力状况。

2.3 耕作方式对土壤微生物多样性的影响

一些研究证明，长期保护性耕作对于维持良好的土壤生态环境、促进微生物群落演替、提高微生物多样性具有明显的作用[36-37]。同时，一些研究也指出，短期耕作处理对土壤微生物群落结构和多样性并不能产生影响。DONG等[38]通过BIOLOG法获得培养基 AWCD（Average Well ColorDevelopment），通过AWCD值表征土壤微生物群落的结构变化，结果表明，免耕措施土壤的AWCD值和Shannon多样性指数最高，免耕措施提高了土壤中微生物活性以及多样性。LUPWAYI等[39]采用BIOLOG法对免耕和作物轮作处理下的土壤微生物多样性和群落结构变化的研究表明，免耕和作物轮作可提高土壤微生物群落多样性，秸秆还田能显著提高土壤微生物丰度，秸秆还田结合深翻亦可促进土壤微生物种群结构多样性。HELGASON等[40]采用PCR-DGGE方法对加拿大3个不同草场进行土壤群落结构分析，得出免耕处理显著提高了真菌种群多样性。向新华等[41]研究也表明，免耕与少耕可以显著提高真菌的多样性，对细菌多样性的影响不显著，同时利用主成分分析得出，少耕和旋松细菌群落具有较高的相似性，而真菌群落结构在免耕、少耕和旋松3种耕作处理存在明显差异。顾美英等[42]在对沙化土壤微生物多样性的研究表明，秸秆还田方式显著提高沙化土壤微生物活性和功能多样性。

免耕、少耕和秸秆还田等耕作制度，为土壤微生物生长繁殖提供了良好的生境条件，保护了土壤表层的有机质，提高了微生物量，同时产生了大量的根系分泌物，提高了微生物种群丰富度，有利于微生物多样性的提高。总体来看，保护性耕作可提高土壤微生物的多样性，特别是显著增加了真菌种群多样性。

3 结论

保护性耕作条件下，土壤团聚体和微生物之间相互依存、相互影响，协同促进土壤肥力的提升。保护性耕作对团聚体以及微生物特性的影响主要表现在以下几方面：免耕可提高0～20 cm土壤中＞0.25 mm粒级团聚体含量；深松可提高0～40 cm土层＞2 mm粒级的团聚体数量；秸秆还田降低了大团聚体的周转速度，进而促进了团聚体的形成和改善大团聚体稳定性。免耕、秸秆还田和深松处理下表层土壤的MWD和GMD值均显著高于常规耕作措施，对土壤结构改善效果较优。土壤中大团聚体中以真菌为主，微团聚体中以细菌为主，保护性耕作可以增加大团聚体的数量，进而改善微生物区系。保护性耕作可提高土壤微生物碳、氮、磷量，增加土壤固碳能力和氮库存储量，以及微生物多样性，尤其是真菌群落结构的多样性。

除耕作方式外，不同施肥处理特别是施有机肥也有利于团聚体的产生及微生物活性的提高，由于土壤肥力特征及生境条件的差异，不同施肥耕作措施对不同粒级团聚体以及微生物特性影响不同，也需进一步探讨。另一方面，土壤团聚体与其包含的微生物之间的关系也是一个需要探索的问题，应进一步了解不同粒级团聚体中微生物的组合与分布、微生物之间的差异以及功能、遗传、基因方面在不同团聚体中的变化，从不同角度了解土壤微生物物种多样性、遗传多样性、结构多样性和功能多样性在不同团聚体中的变化，利用分子生物学手段，获得关于团聚体与微生物特性的全面信息。

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