休耕对小麦和油菜田土壤生物学特性的影响

王建国，路战远，程玉臣，张德健，赵小庆，武海明，赵玉河

(1.河北农业大学 农学院，河北 保定 071001；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；3.内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021；4.呼伦贝尔农垦集团，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

土壤微生物和土壤酶是农田生态系统的重要组成部分[1]，土壤微生物多样性[2]、微生物量[3]和酶活性[4]是重要的土壤微生物指标，也是衡量土壤质量重要的生物学指标，并能对土壤质量的变化做出敏感反应。不同耕作制度会对土壤质量产生影响[5]。休耕也是一种耕作制度，能够使耕地得到休养生息，促进土壤质量发生重大变化[6-8]。这种变化可能源于土壤微生物群落和相关生物化学过程的变化[9-10]。左梅等[11]研究了休耕对植烟田土壤酶活性细菌多样性影响，Zhang等[12]研究了撂荒、裸地休耕和耕种3种不同土壤管理方式对土壤质量的影响，也有关于长期休耕与连续耕作条件下的微生物量碳的变化规律的研究报道[13]。这些研究内容有一个共同的特点就是都是将休耕期间的土壤特性与其他耕作制度对比，分析土壤微生物多样性、微生物生物量、酶活性等变化特征，进而提出不同土地利用方式和耕作制度对土壤质量改变的影响，未考虑休耕对后茬耕作农田土壤微生物特性的影响，从而提出采用休耕改进完善现有耕作制度的合理建议。

内蒙古呼伦贝尔市是粮食主产区，长期以来当地主要实施传统的秋翻春播制度，近年来出现了耕地质量严重退化，生产能力大幅下降的问题[14]。在该地区开展休耕对土壤生物学特性影响的研究，有利于深入认识休耕对当地改善土壤质量的作用。本研究以该地区小麦-油菜轮作田为试验对象，探讨休耕后茬作物农田土壤微生物丰富度和多样性、土壤酶活性以及土壤微生物生物量的变化规律，分析研究休耕后作物农田土壤酶活性、微生物生物量和微生物多样性的响应，综合评价休耕对耕地质量的影响，深入认识休耕制度改善轮作农田土壤质量的生物学机制，为在该地区建立以小麦和油菜轮作模式为基础的休耕制度提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古呼伦贝尔市陈巴尔虎旗特泥河试验站(120°48′E，49°55′N)，该地区属寒温带大陆性季风气候，春季多风少雨，蒸发量大；夏季温凉而短促，降水集中；秋季降温快，霜冻早；冬季严寒漫长，地面积雪时间长。年平均气温-3.0～-2.5 ℃，≥10 ℃以上的积温为1 700～1 800 ℃。年平均降水量为350～370 mm，年日照时数平均为2 800 h，无霜期110～130 d，是典型的旱作农业区。试验田土壤为黑钙土，黑土层厚为35～40 cm，其中0～20 cm土层土壤pH值7.02，有机质含量57.16 g/kg，全氮含量2.39 g/kg，全磷含量0.59 g/kg，速效钾含量193.33 mg/kg。该试验区农田从2008年开始进行小麦-油菜轮作模式。

1.2 试验设计

试验于2015-2017年开展，采用大区对比试验，设休耕-小麦轮作、油菜-小麦轮作、休耕-油菜轮作和小麦-油菜轮作4个处理，每个处理3个重复，每个重复200 m2，2016，2017年进行年际间重复，具体试验设计见表1。本试验中休耕为裸地休耕，且休耕期为1 a，休耕田的上茬作物收获后秸秆全量还田，休耕期间翻埋入土。RW和WR 2个处理采取秸秆全量还田和免耕播种的方式。

表1 试验设计Tab.1 Trial design

供试作物小麦和油菜品种分别为龙麦36和青杂5号。2016，2017年小麦播种时间分别为5月2日和5月3日，播种量为300 kg/hm2，油菜播种时间分别为5月4日和5月6日，播种量为7.5 kg/hm2。小麦种肥施肥量为N 59 kg/hm2，P2O597 kg/hm2，K2O 16 kg/hm2；油菜种肥施肥量为N 63 kg/hm2，P2O589 kg/hm2，K2O 16 kg/hm2，硼砂3 kg/hm2。所有肥料均作为种肥于播种时一次性施入，全年无灌溉。

1.3 土样采集与分析方法

分别于2016，2017年小麦和油菜开花期采集土样。每个小区按照“S”形取样法，取样点5个，取土深度0～20 cm，采集的土样混匀后去除石砾和植物残茬等杂物。测定土壤微生物量碳和氮的土样装入无菌自封口袋后存于4 ℃冰箱，测定土壤微生物多样性的土样装于无菌自封口袋后存放于-80 ℃冰箱，其余土样置于阴凉通风处风干后测定土壤酶活性。

土壤酶活性测定参照关松荫[15]的方法进行，其中土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法；脲酶活性采用靛酚比色法；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法。土壤微生物量碳和氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法测定[16]。土壤细菌和真菌的种群特征由北京诺禾致源科技股份有限公司进行测试分析，其中DNA提取采用CTAB方法，并通过HiseqPE250平台进行测序和分析。在小麦和油菜收获期每个小区随机选取5个面积为1 m2的样方，风干后对地上部生物产量和经济产量称质量。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和作图，利用SPSS 22.0软件进行差异显著性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 休耕对土壤酶活性变化的影响

由图1可见，经过2 a试验，总体表现为FW和FR处理土壤酶活性分别高于RW和WR处理土壤酶活性。FW和FR处理土壤过氧化氢酶活性在2016年分别比RW和WR处理增加了3.51%，8.94%，在2017年分别比RW和WR处理增加了10.05%，5.41%，差异显著(P<0.05)；脲酶在2016年分别比RW和WR处理增加了22.26%，11.47%，在2017年分别比RW和WR处理增加了28.07%，11.67%；蔗糖酶在2016年分别比RW和WR处理增加了53.79%，51.92%，在2017年分别比RW和WR处理增加了49.90%，40.87%；磷酸酶在2016年分别比RW和WR处理增加了26.66%，24.69%，在2017年分别比RW和WR处理增加了35.39%，38.47%。其中，过氧化氢酶和磷酸酶在2017年差异性达到显著水平。在不同作物农田土壤酶比较发现，小麦田的土壤酶活性高于油菜田的酶活性，其中

蔗糖酶和磷酸酶的活性差异较大。综合分析土壤酶活性变化表明，休耕提高了后茬小麦和油菜田土壤酶活性，其中对蔗糖酶活性的影响最大，对过氧化氢酶活性影响最小。

2.2 休耕对土壤微生物量碳和氮的含量变化

相比常规轮作相比，休耕提高了土壤微生物量碳和氮的含量(图2)，2 a试验中，FW和FR处理的土壤微生物量碳含量分别大于同年的RW和WR，且达到了显著性差异(P<0.05)，其中，2016年FW和FR处理的土壤微生物量碳含量为267.79，225.87 mg/kg，分别比RW和WR处理提高41.55%，24.47%；2017年FW和FR处理的土壤微生物量碳含量为258.97，235.80 mg/kg，分别比RW和WR处理提高了21.95%，30.53%。微生物量氮含量在2 a试验中也表现为FW大于RW和FR大于WR，其中，2016年，FW和FR处理的土壤微生物量氮含量为51.84，46.52 mg/kg，比FW和FR处理分别提高了10.78%,27.56%，且FR与WR的差异达显著性水平(P<0.05)；2017年FW和FR处理的土壤微生物量氮含量为56.05，49.52 mg/kg，分别比RW和WR处理提高了58.20%，35.97%，且差异显著(P<0.05)。

2.3 休耕对土壤微生物OTU数量和α多样性指数变化的影响

对2016，2017年2 a试验田土壤细菌和真菌测序结果的覆盖度分别在98%，99%以上(表2)，表明测序得出的细菌和真菌OTU数量基本覆盖了各处理土壤中的绝大多数细菌和真菌物种。

2016年，FW和FR处理检测到的土壤细菌OTU数量分别为3 114，3 093，比RW和WR分别提高7.96%，3.10%；真菌的OTU数量为1 385，1 362，比RW和WR分别低7.23%， 8.09%。2017年，FW和FR处理检测到的土壤细菌OTU数量分别为3 628，3 445，比RW和WR分别高4.89%，2.41%；真菌的OTU数量为1 066，980，比RW和WR分别低3.53%，12.97 %。2 a试验中FW和FR 2种处理土壤细菌OTU数量没有显著差异。

Chao1指数和Shannon指数分别代表物种的丰富度和多样性。2016年，FW的细菌Chao1指数和Shannon指数大于RW，而FR则表现为小于WR，但都无显著差异。2017年FW的细菌Chao1指数和Shannon指数分别大于RW，并且FW与RW的Chao1指数比较达显著性水平(P<0.05)，FR的细菌Chao1指数大于WR，而Shannon指数基本相同。真菌的Chao1指数和Shannon指数表现为FW和FR轮作模式分别低于RW和WR。细菌与真菌的比值(B/F)也表现为FW和FR轮作模式分别高于RW和WR轮作模式，且在2016年差异显著。

表2 休耕轮作模式下细菌和真菌OTU数量和多样性指数变化Tab.2 Changes of operational taxonomic units(OTU)number and diversity index of bacteria and fungi under fallow and rotation patterns

综合分析微生物数量和α多样性指数的变化可以看出，休耕提高了后茬作物田土壤的细菌物种数、丰富度和多样性指数，而降低了真菌物种数、丰富度和多样性指数，同时提高了B/F值。

2.4 作物产量对休耕的响应

由表3可知，FW和FR处理作物生物产量和经济产量分别高于RW和WR，差异达到了显著水平(P<0.05)。2016年FW和FR处理作物的生物产量分别比RW和WR处理高33.44%，42.09%，经济产量比RW和WR处理高32.46%，69.66%；2017年FW和FR处理作物的生物产量分别比RW和WR处理高24.33%，27.00%，经济产量比RW和WR处理高43.23%，40.39%。2 a试验中，除了FW与RW的经济系数在2016差异不显著外，小麦和油菜经济系数表现为FW和FR分别显著高于RW和WR(P<0.05)。可见休耕提高了后茬作物的生物产量和经济产量，与土壤生物学指标对休耕的响应一致。

表3 休耕轮作模式下小麦和油菜产量的变化Tab.3 Yield changes of wheat and rape under fallow and rotation patterns

2.5 土壤酶活性、微生物量及微生物多样性与产量的相关性分析

表4，5为休耕对后茬小麦和油菜生物产量和经济产量与土壤酶活性、微生物量碳氮以及细菌和真菌种群数量的相关性分析，总体表现为作物的生物产量和经济产量与土壤酶活性、微生物量碳氮和细菌的OTU呈正相关，而与真菌的OTU呈负相关。由表4可知，小麦的生物产量和经济产量与过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、微生物量碳和氮含量的正相关性在2 a间都达到了显著性或极显著水平，与细菌OTU呈正相关，与真菌OTU呈负相关或相关性很小，但在2016年达到极显著水平。

表4 不同轮作模式下小麦产量与土壤酶活性和微生物学指标的相关性Tab.4 Correlation between wheat yield and soil enzyme activity and microbiological indexes under different rotation patterns

Notes:*.Correlation is highly significant at the 0.05 level;**.Correlation is significant at the 0.01 level.The same as Tab.5.

表5 不同轮作模式下油菜产量与土壤酶活性和微生物学指标的相关性Tab.5 Correlation between rape yield and soil enzyme activity and microbiological indexes under different rotation patterns

由表5可知，油菜的生物产量和经济产量与过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、磷酸酶活性、微生物生物量碳和氮的含量在2016，2017年都达到了显著和极显著水平，与细菌OTU呈正相关，与真菌OTU呈负相关，但在2016年达到极显著水平。由相关性分析得出，小麦和油菜的生物产量和经济产量与土壤的蔗糖酶活性、微生物量碳和氮的相关性达到了显著和极显著水平，虽与细菌和真菌OTU相关性的显著性水平在年际间有差别，但都与细菌OTU呈正相关性，与真菌OTU呈负相关。

3 讨论与结论

土壤酶是土壤中最活跃的部分，在土壤物质代谢过程发挥着重要作用[17]，其活性可作为土壤质量变化的早期预警指标[18]。本研究在休耕后分别种植油菜和小麦，与常规轮作相比提高了农田土壤各项酶活性，特别是蔗糖酶活性增长幅度最大。这可能是由于上茬作物秸秆在裸地休耕期间，特别是在夏季良好的水热协同作用下加速分解，提高了土壤有机质，促进了酶活性的增加[19]。同时作物秸秆的分解也为酶促反应提供了充足的底物和碳源。小麦和油菜田土壤酶活性的年际间比较发现，2016年的酶活性显著高于2017年，可能是由于2016年在作物生长发育期间的降雨量偏少，对土壤的酶活性造成了一定程度的水分胁迫，激发了土壤酶活性，这与周芙蓉等[20]的研究结果相同。

微生物量是土壤活性养分的储存库[21-22]，且能在土壤有机物含量发生变化之前灵敏的反应土壤环境的变化[23]。本研究表明，经过2 a的重复试验，休耕后茬的小麦田和油菜田的微生物量碳和氮都高于常规轮作模式下的小麦田和油菜田，这是因为在休耕期间还田秸秆分解积累了丰富的有机质，在休耕后种植当季所使用化肥的配合下促进了土壤微生物的活动和繁殖[24-25]。

土壤微生物是土壤物质代谢循环的动力[26]。不同耕作措施、不同轮作制度和不同的田间管理等都对微生物的种群特性有影响。本研究中休耕后茬小麦田和油菜田的细菌OTU和B/F值都高于常规轮作，虽年际间表现不同，但丰富度和多样性也总体表现为休耕后茬高于常规轮作。真菌表现与细菌相反，这可能是因为休耕延长了秸秆的腐解时间，加之裸地休耕期间土壤温度比作物遮蔽的农田土壤高，雨水蓄积量比常规轮作农田大，为前茬的秸秆腐解提供了理想的环境，同时休耕期间秸秆的腐解，为土壤细菌的生长和繁殖提供了充足的有机营养，利于细菌繁殖，从而提高了土壤质量[27]。

土壤酶活性、微生物量和微生物数量与植物生产力密切相关[28]。有研究表明，土壤酶活性和微生物量与作物产量之间存在显著或极显著的相关关系[29-30]，细菌数量与产量呈正相关[31]，真菌数量与产量呈负相关[32]。本研究通过相关性分析也得出相同的结论，总体表现为小麦和油菜田土壤酶活性、微生物量以及细菌的物种数都与作物生物产量和经济产量呈正相关，表明休耕延长了农田秸秆的腐解，改善了土壤质量，为作物生长创造了良好的土壤环境，促进了作物生长和产量的增加。

本研究中，休耕提高了小麦和油菜田土壤酶活性、微生物生物量、细菌的丰富度和多样性，降低了真菌的丰富度和多样性，有利于改善农田土壤微环境，提升土壤质量，增加作物产量，由此可见，以小麦-油菜轮作模式下应用休耕是值得推广的一种农作制度。