不同耕作措施对黄土高原区域大豆根际土壤微生物量、酶活性和养分的影响

林 玥, 郝嘉琪,王维钰,冯永忠

(1.西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100;2.陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100)

土壤微生物是土壤生命活体的主要组成部分，参与了土壤发生发育的全过程，并为植物提供可利用的养分[1]。土壤微生物量广义上的定义是体积小于5×103μm3的土壤中总生物量[2]，包括细菌、真菌、放线菌和一些小型动物等等。土壤微生物量促使土壤有机质和营养养分两者的转变和循环[3]，参与土壤中有机质的分解和腐殖质的形成。土壤微生物量碳、氮也被大量研究者作为体现土壤微生物活性和土壤肥力状况的一个重要指标[4]。土壤酶主要来源于微生物、动植物残体及其代谢过程中产生的分泌物[5]，在土壤生态系统中发挥着积极的作用，在土壤营养物质转化、有机质分解等过程中扮演重要的角色[6]。

根系是农田生态系统重要及地下组成部分，具有吸收、合成和储存养分及有机物的功能，是作物与土壤的动态界面[7]。根际微生物在土壤生态系统中物质循环和能量流动起重要作用，在参与养分循环的同时，也影响着土壤有机质的转化[8-9]。同时，根际土壤酶的活性及种类同样决定土壤养分的利用情况，从而关系到作物对养分的吸收与利用[10]，由于根际土壤微生物及酶的作用所产生的根际效应使根际土壤养分状况发生变化[11-12]，有研究显示，植物根际对土壤养分具有“截留效应”，这种效应在土壤养分含量较贫瘠的区域内尤为明显[13]。有研究指出不同农田管理措施能够影响土壤根际和非根际区域的微环境，进而影响土壤养分状况、土壤微生物及酶活性。昌龙然等[14]的研究发现垄作免耕的方式可以显著增加根际土壤有机碳和颗粒有机碳的含量，有利于土壤有机碳组分的稳定；宋霄军等[15]研究表明长期深松处理能够有效增加根际土壤的有机碳和全氮含量，提高根际土壤的β-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶等活性；也有研究者指出保护性耕作能够提高根际土壤真菌、细菌及放线菌的数量，并促进根际土壤磷酸酶及多酚氧化酶的活性[16]。总体而言，研究不同农田管理措施对根际土壤养分循环、微生物特性及酶活性的影响，有利于进一步探究土壤养分，尤其是土壤碳氮与土壤微生物及酶活性的相互关系，对于阐述农田生态系统功能对农田管理措施的响应具有重要的意义。

黄土高原是世界最大的黄土沉积区，位于中国西北部地区，该地区是中国重要的农业区之一，一直以来人们对资源的长期不合理利用以及传统耕作技术的使用，使该区表层土壤结构疏松，严重制约了黄土高原旱区农业持续发展[17]，采用合理的耕作措施，对于促进坡耕地的农业长远发展有重要意义。近年来，对该区域内土壤养分、微生物特性及酶活性影响的研究逐渐受到重视，但有关土壤微生物及养分特征的研究多集中在不同植被类型下[18-19]，保护性耕作对根际土壤养分及生物学特性的研究尚不多见。本研究以传统耕作为对照，选取免耕、秸秆覆盖、地膜覆盖和起垄覆膜4种保护性耕作措施，通过分析长期的保护性耕作之后的根际和非根际土壤微生物量、酶活性以及土壤养分的变化趋势，探讨不同微域土壤对保护性耕作模式的响应，为黄土丘陵沟壑区运用合理的耕作方式，选择和评价保护性耕作措施，改善土壤环境和提高土壤养分效率提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择中国科学院水利部水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站作为试验地，试验站地处于陕西省神木县六道沟小流域(110°21′～110°23′E, 38°46′～48°51′N)。该流域地处黄土高原与鄂尔多斯高原的结合部，呈现片沙覆盖的黄土丘陵地貌，是晋陕蒙水蚀风蚀交错带强烈侵蚀中心，是非常典型的生态脆弱区。该流域面积为6.9 km2，属于中温带半干旱气候，年平均气温为8.4 ℃，无霜期为169 d，历史平均降雨量为437.9 mm，平均干燥度为1.8，降雨多发生在每年夏季，其中6至9月降雨量占全年降雨量的77%以上，且多以暴雨形式出现。试验期间当地气候条件见图1。

图1 试验区气温与降雨量变化Fig.1 Monthly changes of air temperature and precipitation in research area

1.2 试验设计

本试验属长期定位试验，始于2008年5月初，在试验开始前，当地农民在该地块内种植土豆，坡度为12.5°(春季至秋季为农用地，冬闲期间为撂荒地)。该地2008年试验初始耕层土壤的基本性状如下：有机碳3.73 g·kg-1，全氮0.50 g·kg-1，全磷0.44 g·kg-1，全钾6.70 g·kg-1，碱解氮10.56 mg·kg-1，速效磷3.10 mg·kg-1，速效钾62.90 mg·kg-1。

采用随机区组设计，设置传统耕作(CT)、免耕(NT)、秸秆覆盖(SM)、地膜覆盖(PM)、起垄地膜覆盖(RPM)共5个处理(表1)。每种处理各设4个重复小区，小区面积1.5 m×15 m。供试大豆品种为‘晋豆21’，播种期为每年4月中旬(本研究为2018-04-18播种)，大豆行距 20 cm，均匀撒播，生长过程中均不施用农药和化肥，其余田间管理措施均依照当地常规田间管理。5个处理均在同日播种，地膜覆盖和秸秆覆盖也在播种当日完成[20]。

表1 试验处理Table 1 The description of treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样采集 2017年7月采集根际与非根际土壤。采集时采用S形取样法在各处理试验小区内选取植株，挖取有完整根系的土体，采用抖落法收集根际土，轻轻抖动植株，落下不含根系的土壤视为非根际土，然后用软毛刷将根表面附着的不易抖落的土壤收集至样品袋中作根际土。将各小区的土壤样品混合均匀后放入保温箱，带回实验室过2 mm筛：部分土样保存于4 ℃冰箱, 用于测定土壤微生物生物量、硝态氮、铵态氮和土壤酶活性；另一部分室温风干后研磨，过0.15 mm 筛，用于测定土壤全量养分。

1.3.3 数据分析 采用SPSS 22.0软件对所得数据进行ANOVA方差分析、多重比较(Duncan’s)和相关性分析，用Origin 9.3作图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作处理土壤微生物量碳氮质量分数的差异

分析发现，各耕作处理方式下的土壤根际的微生物量碳、氮质量分数全部高于非根际土壤。从图2看出，与传统耕作(CT)相比，其他处理根际的土壤微生物碳质量分数显著提高(P<0.05),其中，起垄覆膜(RPM)和秸秆覆盖(SM)根际的土壤微生物碳质量分数分别提高了51.78%和24.62%，非根际土壤中4种保护性耕作处理的微生物碳质量分数均高于CT，体现为：RPM>NT>PM>SM>CT，除RPM之外各处理差异不明显。比较各耕作处理，RPM的根际、非根际微生物碳质量分数总体高于其他各处理，呈现出良好的根际富集作用，富集率为17.5%。从各处理土壤微生物氮质量分数分布来看：与传统耕作(CT)相比，RPM和SM处理的根际土壤微生物量氮质量分数显著增加(P<0.05)，其中RPM处理和SM处理的富集率分别达到48.13%和46.04%。非根际土壤微生物量氮质量分数与根际的趋势相似，表现为RPM>SM>PM>NT>CT。

2.2 不同耕作处理土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性的差异

由图3可知，不同耕作措施下土壤酶活性存在一定差异，各处理根际土壤中保护性耕作农田的3种主要酶活性均高于非根际土壤。对于根际土壤而言，保护性耕作处理NT、SM、RPM较CT处理均显著增强了过氧化氢酶和蔗糖酶活性(P<0.05)，其中SM、RPM、NT的过氧化氢酶活性分别提高了10.63%、8.62%、8.08%，蔗糖酶活性分别提高了113.35%、113.10%、74.75%。对于非根际土而言，SM、RPM、NT、PM较CT处理均显著增强了过氧化氢酶活性，增幅分别为9.70%、6.79%、6.61%和5.09%；然而，仅RPM处理显著增强了非根际土蔗糖酶活性，其余处理间差异均不显著；与此同时，不同处理间根际土和非根际土的脲酶活性差异均不大。

图柱上不同大写字母表示不同处理间非根际土差异显著性(P<0.05)；不同小写字母表示不同处理间根际土差异显著性(P<0.05)，下同

Different capital letters mean the significant difference between different treatments in non-rhizosphere soil; different lowercase letters mean the significant difference between different treatments in rhizosphere soil, respectively.The significant levels is 0.05,the same below

图2不同耕作处理根际和非根际土壤微生物量碳、氮质量分数
Fig.2Massfractionsofsoilmicrobialcarbonandnitrogenbiomassinrhizosphereandnon-rhizospheresoilunderdifferenttillagetreatments

图3 不同耕作处理根际和非根际土壤酶活性比较Fig.3 Soil enzyme activity in the rhizosphere and non-rhizosphere soils under different tillage treatments

2.3 不同耕作措施对土壤碳氮质量分数和pH的影响

由表2和表3可以看出，根际土壤的全氮、铵态氮、硝态氮和有机碳质量分数均高于非根际土壤，且各处理根际土壤对养分截存效应明显。而pH则表现为根际土壤低于非根际土壤。通过比较不同耕作处理下土壤全氮质量分数的差异得出，RPM和SM处理不同微域的土壤全氮质量分数均显著高于传统耕作(P<0.05)，且各处理的根际土壤对土壤全氮质量分数均有一定的富集效果，其中以RPM处理最高，富集率为16.9%，PM处理最小，为5.52%。在根际微生境中土壤铵态氮质量分数表现为SM>RPM>NT>PM>CT，其中SM和RPM处理的质量分数均显著高于CT处理，为5.54 mg·kg-1和4.75 mg·kg-1，SM处理的富集程度同样为处理间最大，较CT组提高22.71%，同时，RPM和SM这2种处理方式都显著提高了非根际土壤中的铵态氮质量分数，较CT处理分别提高1.27 mg·kg-1和1.21 mg·kg-1。而硝态氮质量分数在根际土壤中表现为：RPM>SM>NT>PM>CT，其中RPM和SM处理与CT处理间差异均显著，非根际土壤有相似的趋势，硝态氮水平高低依次为RPM>SM>PM>NT>CT。RPM处理的有机碳质量分数在不同微域的土壤中均为最高，显著高于CT处理，分别高出24.87%(根际)、29.94% (非根际)，其次为SM处理，其有机碳质量分数同样显著高于CT处理。pH方面，NT、SM、RPM处理均显著降低根际土壤pH，与此同时，仅RPM处理显著降低了非根际土的pH。总体来说，与NT和PM处理相比，RPM和SM处理对于根际和非根际土壤养分质量分数的提高和土壤肥力的增强均有更明显的效果，并且降低了土壤pH。

表2 不同耕作处理下根际与非根际土壤的养分质量分数与Table 2 Mass fraction of nutrient and pH in rhizosphere and non-rhizosphere soils under different tillage treatments

表3 不同耕作处理下土壤养分的富集率Table 3 Enrichment rate of soil nutrient under different tillage treatments %

2.4 根际和非根际土壤养分、微生物量及酶活性间的相关性

3 讨 论

3.1 不同耕作措施对土壤根际微生物量的影响

土壤微生物生物量一般被看成是土壤活性有机物的一部分，作为土壤养分循环与周转的中间物质，尽管其仅占土壤有机质的很小一部分，但起的作用很大，在营养物质的转化和供应等过程中扮演重要的角色[22]。土壤微生物量碳(MBC)和土壤微生物量氮(MBN)不仅是土壤微生物量的重要表征，同时也是有机碳灵敏指示因子和氮素矿化的重要组分[23]。前人的研究表明，根际土壤受到根系的影响较大，由于根系代谢所分泌的碳水化合物是根际微生物的主要碳源和能量来源，使根际微区中的土壤获得了充足的有机物质和营养物质，进而使根际土壤的微生物量增大[24]。本研究表明，不同耕作方式下根际土壤的MBC和MBN均比非根际高，体现出明显的根际正效应，与前人的研究结果基本一致[25-26]。在本研究中，由于大豆生育期内未施用化肥，根际微生物活动所需的能量主要来源于作物根系代谢活动所释放的低分子量有机物和土壤中的养分[26-27]，CT处理中根系代谢能力较弱，所释放的有机物质有限，除此之外根系自身的生长同样需要土壤中的养分，致使根际微生物数量降低，根际土壤MBC和MBN也均处于较低的水平。相反，RPM和SM处理的根际微生物量显著性增高。这是因为秸秆在土壤腐解过程中释放有机质及其他营养物质，为土壤中微生物生长和繁殖给予了适宜的条件，刺激了微生物的生长，同时，秸秆覆盖下的表层土壤由于积累了大量来源于秸秆的有机质，能与外界进行物质和能量交换，为微生物提供了大量的碳源和能量，促进了土壤中微生物旺盛的活动[28-29]。起垄覆膜的微生物量远高于覆膜处理的原因可能为在水土流失更易发生的坡耕地，起垄覆膜阻隔了土壤和大气之间的交换，减少了热量和水分的散失[30]。充足的水分是影响微生物生长必须的环境条件之一，而起垄覆膜具有良好的蓄水保墒的效果，促进了微生物的生长活动，进而提高了土壤微生物量。

表4 根际与非根际土壤养分、微生物量和酶活性的相关性分析Table 4 Correlation analysis between soil nutrients, microbial biomass and enzymeactivities in rhizosphere and non-rhizosphere soils

注：“**”表示在0.01水平显著相关，“*”表示在0.05水平显著相关。右上方为根际土壤养分和酶活性间的相互关系，左下方为非根际土壤养分和酶活性间相互关系。

Note:“**” indicates a significant difference at 0.01 level;“*” indicates a significant difference at 0.05 level, respectively. The top-right of table showed the correlation analysis between soil nutrients with enzymes ability in rhizosphere soil, and bottom-left of table showed the correlation analysis between soil nutrients with enzymes ability in non-rhizosphere soils, respectively.

3.2 不同耕作措施对根际土壤酶活性的影响

土壤酶主要来源于土壤微生物的活动[31]，参与土壤肥力的形成和演化过程，是土壤中具有生物活性的蛋白质。土壤酶活性显著受到水分、温度等的影响。前人的研究结果已经表明，土壤酶活性的根际分布特征均表现为以植物根系为中心，向四周逐渐减小的变化规律，表现出根际土壤酶活性比非根际土壤更强的趋势[32-33]。在本研究中，与非根际土壤相比，各处理根际土壤的脲酶、蔗糖酶及过氧化氢酶的活性均有所增强，这是由于根系分泌了大量有机物，这些分泌物有效促进了微生物的活动，使得根际微域中有更多更丰富的微生物存在，从而促进了根际土壤更频繁的物质交换活动[34]。

通过分析不同处理间根际土壤土壤酶活性可知，RPM和SM处理显著增强了根际土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性，该结果与前人的研究基本一致[35-36]。相比常规耕作措施，秸秆还田和起垄覆膜具有较强的蓄水保墒能力，间接调控了土壤的酶活性，适宜的土壤水热条件提高了土壤微生物的代谢产酶能力，并最终引起土壤酶活性的提高[37-38]。此外，由于秸秆还田后，为微生物供应额外的能源，提高了土壤微生物生物数量和微生物生物量的碳氮质量分数，同时也刺激了更多的包括土壤酶在内的一些分泌物的产生，从而大大提高了土壤酶的活性[39]。

3.3 不同耕作措施对土壤理化特性及其相关性的影响

前人对于秸秆还田、免耕、起垄覆膜等保护性耕作措施改良土壤理化性质，调节土壤水、肥、气、热之间关系等方面已经开展了大量的研究[40-41]，本研究同样表明，秸秆还田和起垄覆膜处理显著提高了土壤根际及非根际土壤碳氮质量分数，并降低了土壤pH。

本研究发现，不同耕作处理下的植物根际土壤的全氮、铵态氮、硝态氮和有机碳质量分数的富集水平有所区别。由于试验地处于水土资源和土地生产力破坏和损失较大的区域，土壤养分的质量分数较低，通过长期的保护性耕作措施，植物的根际效应更为明显。这主要是因为在条件比较恶劣的环境下，植物需要吸收土壤中更多的养分以维持自身的正常生长[42]。铵态氮和硝态氮作为土壤无机态氮的重要组成部分，是作物能够吸收利用的有效态氮。本研究认为，保护性耕作加速了土壤氮素矿化，尤其在根际范围内，使得硝态氮的质量分数均有升高且根际的升高更加明显，说明根际土壤能够富集一定量的无机氮素，这与多数研究结果一致[42-43]。此外，本研究中不同耕作处理根际土壤的有效养分(硝态氮、铵态氮)的变化幅度高于全量养分，说明在土壤养分循环的过程中，有效态养分较全量养分对于根际的变化有着更加敏感的响应。

土壤微生物和酶共同影响土壤的相关物质转化和能量流动，是一个评估土壤肥力的重要相关性指标[44]。很多研究认为土壤养分质量分数和酶活性以及微生物量之间普遍存在显著相关性[45-46]。在本研究中，根际土壤中微生物量、酶活性以及养分指标间的相关性程度均高于非根际，这与刘钊等[47]在黄土高原区域内研究结果基本一致。本研究中根际土壤MBC与SOC间、TN与MBN间均存在显著相关性，与前人研究结果相近[48]。而根际土壤过氧化氢酶与土壤氮素之间、蔗糖酶与土壤SOC间同样存在显著的相关性，说明土壤酶活性与土壤养分以及微生物量之间存在可能的专性作用[49-50]。

4 结 论

在研究周期内，大豆根际土壤、微生物生物量、养分质量分数以及酶活性均高于非根际，存在良好的根际正效应，且不同保护性耕作措施提高了大豆根际土壤对碳氮质量分数的富集率，更有有利于大豆地下部生长及养分吸收利用。同时，相比非根际土壤，根际土壤中酶活性、微生物量以及土壤养分具有显著的相关性，说明微生物量碳氮、过氧化氢酶及蔗糖酶对于该试验区域的土壤养分具有较好的指示作用。此外，长期保护性耕作措施能够提高土壤根际和非根际微生物量碳氮及酶活性，酸化土壤，促进土壤养分，其中以秸秆还田和起垄覆膜的效果最为明显。总体而言，在黄土高原区域内，秸秆还田和起垄覆膜更有利于改良土壤理化性质和提高土壤生物学特性。