不同保护性耕作措施对三种土壤微生物氮素类群数量及其分布的影响

书书书不同保护性耕作措施对三种土壤微生物氮素类群数量及其分布的影响赵有翼１，２，蔡立群１，王静１，张仁陟１（１．甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州７３００７０；２．兰州城市学院，甘肃兰州７３００７０）摘要：通过设置在陇中黄土高原丘陵沟壑区的长期定位试验，研究了不同保护性耕作措施下旱作春小麦－豌豆轮作系统中土壤氨化细菌、硝化细菌和自身固氮菌数量及其分布的差异。结果表明，无论是小麦地还是豌豆地，土壤氨化细菌、硝化细菌、自身固氮菌数量在０～５，５～１０和１０～３０ｃｍ土层中均呈现免耕秸秆覆盖＞秸秆还田＞免耕不覆盖＞传统耕作的趋势，且随着土层的加深，在小麦地中，免耕秸秆覆盖处理的氨化细菌数量比免耕不覆盖处理分别增加了７６．２１％，１４６．９２％和６７．８２％，且差异均达到５％的显著水平，在豌豆地中，各处理自身固氮菌数量逐渐减少，而硝化细菌数量呈先增加后减少的趋势，免耕秸秆覆盖、秸秆还田处理土壤氨化细菌数量逐渐下降，而免耕不覆盖、传统耕作处理的土壤氨化细菌数量先增加后减少。关键词：保护性耕作措施；土壤氨化细菌；硝化细菌；自身固氮菌中图分类号：Ｓ１５４．３６　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２００９）０４０１２５０６　土壤微生物氮素类群主要有土壤氨化细菌、硝化细菌、自生固氮菌，还有少量的反硝化细菌。它们直接或间接地参与土壤碳、氮元素的循环和能量的流动，其数量和活性关系到土壤生态系统的维持和稳定［１，２］，在土壤肥力评价和生物净化等方面有着重要作用。其中，土壤氨化细菌可以使动植物残体中含有的蛋白质氨化，使土壤中不能被植物所利用的有机含氮化合物转化为可利用态氮［３］；土壤中硝酸盐类的累积，又主要是氨化作用所产生的氨通过硝化细菌的硝化作用氧化为硝酸，再与土壤中的金属离子作用而形成；自生固氮菌则具有固定大气中氮素的能力。土壤微生物的数量及分布除了受土壤本身性质影响外，还受到许多外在因素的影响，其中土地利用及耕作管理方式对其影响尤为突出［４］。姚槐应等［５］采用碳素利用（ＢＤＬＯＧ）和磷酸酯脂肪酸（ＰＬＦＡ）２种方法研究了８种供试红壤微生物群落的功能多样性和结构多样性，２种方法均表明土地利用方式能显著影响微生物的多样性及其活性。保护性耕作是一种以秸秆覆盖处理和免耕播种技术为核心的新型耕作方法，在提高土壤有机质含量、增加土壤湿度、调节土壤温度、促进土壤微生物生长与繁殖等方面具有重要作用［６～１０］。因此，多年来国内外对保护性耕作的研究主要侧重于保护性耕作对土壤侵蚀、土壤水热状况、土壤养分状况及作物产量的影响研究，从微生物特殊生理类群角度探讨其作用的研究较少［１１～１３］，而对黄土高原西部雨养农业区土壤微生物氮素生理类群的研究更是鲜有报道。本研究旨在对设置在甘肃省定西市李家堡镇的不同保护性耕作试验下３种土壤微生物氮素类群数量及分布进行研究，以期查明不同的保护性耕作措施对土壤微生物氮素类群数量和分布的规律，为土壤氮素的高效利用提供微生物学方面的数据支持。１　材料与方法１．１　试验区概况试验区属黄土高原半干旱丘陵沟壑区，平均海拔２０００ｍ，日照时数２４７６．６ｈ，年均气温６．４℃，≥０℃年积温２９３３．５℃，≥１０℃年积温２２３９．１℃；无霜期１４０ｄ。多年平均降水３９０．９ｍｍ，年蒸发量１５３１ｍｍ，干燥度２．５３，８０％保证率的降水量为３６５ｍｍ，变异系数为２４．３％，为黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区。试验区土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好；０～２００ｃｍ土壤容重平均为１．１９ｇ／ｃｍ３，土第１８卷　第４期Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４草　业　学　报ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ　　１２５－１３０２００９年８月收稿日期：２００９０２１７；改回日期：２００９０３２５基金项目：国家科技支撑计划项目（２００６ＢＡＤ１５Ｂ０６）和国家自然基金项目（４０７７１１３２）资助。作者简介：赵有翼（１９７４），男，甘肃会宁人，在读博士。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]壤有机质１２．０１ｇ／ｋｇ，全氮０．７６ｇ／ｋｇ，全磷１．７７ｇ／ｋｇ。２００７年春小麦（犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿）生育期降水２３０．５ｍｍ。１．２　试验设计长期定位试验于２００１年８月开始布置，采用春小麦和豌豆（犘犻狊狌犿狊犪狋犻狌犿）双序列轮作方式，共设４个处理，３次重复，采用随机区组排列，共２４个小区，小区面积为４ｍ×２０ｍ。供试作物为春小麦（定西３５号，播种量１８７．５ｋｇ／ｈｍ２）和豌豆（绿农１号，播种量１８０ｋｇ／ｈｍ２）。春小麦各处理均施纯氮１０５ｋｇ／ｈｍ２，纯Ｐ２Ｏ５１０５ｋｇ／ｈｍ２（尿素＋二铵）；豌豆各处理均施纯氮２０ｋｇ／ｈｍ２，纯Ｐ２Ｏ５１０５ｋｇ／ｈｍ２（过磷酸钙＋二铵），所有肥料均作为基肥在播种的同时施入。春小麦于２００７年３月２５日播种，８月１０日收获；豌豆４月５日播种，８月１日收获。试验各处理用中国农业大学研制的免耕播种机播种。２００１年８月试验布置时，秸秆还田和免耕秸秆覆盖处理所用的覆盖材料为当年产的小麦秸秆，经翻晒后切成５ｃｍ左右均匀撒布于小区内，用量为６７５０ｋｇ／ｈｍ２，具体操作方法见表１。表１　试验处理描述犜犪犫犾犲１　犜狉犲犪狋犿犲狀狋狊犱犲狊犮狉犻狆狋犻狅狀代码Ｃｏｄｅ处理Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ操作方法ＭｅｔｈｏｄｓＴ传统耕作Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｉｌｌａｇｅ作物收获后至冻结前三耕两耱，翻耕深度依次为２０，１０和５ｃｍＡｆｔｅｒｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｔｈｅｃｒｏｐｓ，ｔｈｅｆｉｅｌｄｓｗｅｒｅｔｉｌｌｅｄ３ｔｉｍｅｓｉｎｔｏ２０，１０ａｎｄ５ｃｍｉｎｔｕｒｎ，ａｎｄｌｅｖｅｌｅｄ２ｔｉｍｅｓｂｅｆｏｒｅｉｔｆｒｅｅｚｅｓＮＴ免耕不覆盖Ｎｏｔｉｌｌｗｉｔｈｎｏｓｔｒａｗｃｏｖｅｒ全年不耕作，播种时用免耕播种机一次性完成播种和施肥，收获后用２，４Ｄ丁酯除草Ｎｏｔｉｌｌ，ｓｏｗｉｎｇｓｅｅｄｓａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｗｉｔｈｓｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ａｆｔｅｒｈａｒｖｅｓｔｉｎｇｔｈｅｃｒｏｐｓ，ｔｈｅｈｅｒｂｉｃｉｄｅｏｆ２，４（ｄｉｃｈｌｏｒｏｐｈｅｎｏｘｙ）ａｃｅｔｉｃａｃｉｄｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｗｅｅｄＴＳ秸秆还田Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｉｌｌａｇｅｗｉｔｈｓｔｒａｗｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ耕作同Ｔ，第１次耕作时将当年收获的所有秸秆脱粒后切成５ｃｍ左右翻埋入土ＴｈｅｔｉｌｌｍｅｔｈｏｄｓｓａｍｅａｓＴ，ｂｕｔａｌｌｔｈｅｓｔｒａｗｓ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｃｕｔｓｈｏｒｔｅｒｔｈａｎ５ｃｍｏｒｓｏ，ｗｉｌｌｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄｔｏｔｈｅｐｌｏｔａｔｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｌｌＮＴＳ免耕秸秆覆盖Ｎｏｔｉｌｌｗｉｔｈｓｔｒａｗｃｏｖｅｒ耕作同ＮＴ，收获脱粒后将当年所有秸秆切成５ｃｍ左右，均匀覆盖于原小区ＴｈｅｔｉｌｌｍｅｔｈｏｄｓｓａｍｅａｓＮＴ，ｂｕｔａｌｌｔｈｅｓｔｒａｗｓ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｃｕｔｓｈｏｒｔｅｒｔｈａｎ５ｃｍｏｒｓｏ，ｗｉｌｌｃｏｖｅｒｅｄｏｎｔｈｅｐｌｏｔｓｕｒｆａｃｅ１．３　土样采集土样采集（２００７年８月１５日）：除去地面植被和地表覆盖物，并铲除表面１ｃｍ左右的表土，以避免地面微生物与土样混杂。在选定的采样点上，在同一垂直面上逐层用采样器采样，采样深度为０～５，５～１０和１０～３０ｃｍ。１．４　测定项目及方法采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，以平板表面涂抹法测定氨化细菌数量；改良斯蒂芬逊培养基，以稀释法测定硝化细菌数量；改良阿须贝（Ａｓｈｂｙ）无氮琼脂培养基，以平板表面涂抹法测定自生固氮菌数量［３］。数据的显著性检验采用ＤＰＳ软件的ＬＳＤ法。２　结果与分析２．１　不同保护性耕作措施对土壤氨化细菌数量及其分布的影响经过６年的轮作，不同保护性耕作措施下土壤氨化细菌数量在春小麦地和豌豆地中呈现出不同的规律（图１）。在春小麦地中，各处理土壤氨化细菌数量在０～５，５～１０和１０～３０ｃｍ土层中均呈现ＮＴＳ处理＞ＴＳ处理＞ＮＴ处理＞Ｔ处理的趋势，且随着土层的加深，各处理土壤氨化细菌数量逐渐下降。统计结果显示，有秸秆参与的２个处理显著较没有秸秆参与的２个处理提高了土壤氨化细菌的数量，且在０～５，５～１０和１０～３０ｃｍ土层中，ＴＳ处理比Ｔ处理土壤氨化细菌数量分别增加了１３３．０１％，１４８．７２％和２４０．４８％；ＮＴＳ处理比ＮＴ处理分别增加了７６．２１％，１４６．９２％和６７．８２％，且差异均达到５％的显著水平。在豌豆地中，各处理土壤氨化细菌数量在０～５，５～１０和１０～３０ｃｍ土层中均呈现ＮＴＳ处理＞ＴＳ处理＞ＮＴ处理＞Ｔ处理，但随着土层的加深，ＮＴＳ、ＴＳ处理土壤氨化细菌数量逐渐下降，而ＮＴ、Ｔ处理的土壤氨化细６２１ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２００９）Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４菌数量先升高后降低。统计结果显示，豌豆地中各土层的土壤氨化细菌数量也呈现ＴＳ处理＞Ｔ处理、ＮＴＳ处理＞ＮＴ处理，处理间差异显著（犘≤０．０５）。２．２　土壤硝化细菌数量及其分布在小麦地和豌豆地中，各土层的土壤硝化细菌数量均有ＮＴ处理高于Ｔ处理、ＮＴＳ处理高于ＴＳ处理的趋势（图２），且各处理中土壤硝化细菌数量均呈先增加后减少，即５～１０＞０～５＞１０～３０ｃｍ。其中，在０～５ｃｍ土层中，小麦地和豌豆地的ＮＴ处理较Ｔ处理分别增加了２６９．７０％和１６．４１％，处理间差异显著（犘≤０．０５），ＮＴＳ处理较ＴＳ处理分别增加了８１．９６％和１２４．５９％，处理间差异也达到显著水平（犘≤０．０５）；在５～１０ｃｍ土层中，２种轮作序列的ＮＴ处理较Ｔ处理分别增加了７．２３％和８．７５％，处理间差异不显著，ＮＴＳ处理较ＴＳ处理分别增加了１８７．５０％和７５．４５％，处理间差异显著（犘≤０．０５）。进一步分析秸秆覆盖的作用，结果表明，秸秆参与的２个处理较其他处理显著增加了土壤硝化细菌的数量。在０～５和５～１０ｃｍ土层中，小麦地ＴＳ处理的土壤硝化细菌数量较Ｔ处理增加了１０９．１０％和２４．７６％；ＮＴＳ处理的较ＮＴ处理增加了８１．９６％和１８７．５０％，处理间差异显著（犘≤０．０５）。豌豆地中土壤硝化细菌数量的变化趋势与小麦地相似，即ＴＳ处理＞Ｔ处理、ＮＴＳ处理＞ＮＴ处理。在０～５和５～１０ｃｍ土层中，ＴＳ处理的土壤硝化细菌数量较Ｔ处理分别提高了５９．７０％和４０．００％，ＮＴＳ处理较ＮＴ处理分别提高了１２４．３５％和１２５．８６％，差异显著（犘≤０．０５）；１０～３０ｃｍ土层，ＴＳ处理较Ｔ处理提高了１９．０５％，处理间差异不显著；ＮＴＳ处理较ＮＴ处理提高了８０．９５％，处理间差异显著（犘≤０．０５）。图１　土壤氨化细菌数量及其分布犉犻犵．１　犇犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狊狅犳狊狅犻犾犪犿犿狅狀犻犪狋犻狅狀犫犪犮狋犲狉犻犪狀狌犿犫犲狉犻狀狋犺犲狊狅犻犾犱犲狆狋犺图２　土壤硝化细菌数量及其分布犉犻犵．２　犇犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狊狅犳狊狅犻犾狀犻狋狉犻犳狔犫犪犮狋犲狉犻犪狀狌犿犫犲狉犻狀狋犺犲狊狅犻犾犱犲狆狋犺７２１第１８卷第４期草业学报２００９年２．３　土壤自生固氮菌数量及其分布免耕可显著增加土壤自生固氮菌的数量（图３）。在小麦地和豌豆地中，各土层的自生固氮菌的数量均呈现免耕处理高于翻耕处理的，即ＮＴ处理＞Ｔ处理，ＮＴＳ处理＞ＴＳ处理，且处理间差异达到了５％的显著水平。尤其在小麦地的５～１０ｃｍ土层中，ＮＴＳ处理的自生固氮菌可高达１．３２×１０６ｃｆｕ／ｇ干土，较ＴＳ处理增加了３４．５４％。各土层中小麦地的自生固氮菌的数量均呈现ＴＳ处理高于Ｔ处理，ＮＴＳ处理高于ＮＴ处理，处理间差异显著（犘≤０．０５）。在０～５，５～１０和１０～３０ｃｍ土层中，ＴＳ处理的自生固氮菌较Ｔ处理分别增加了６９．８０％，９．８８％和１７１．９２％，ＮＴＳ处理较ＮＴ处理分别增加了３８．１４％，４３．８８％和７３．００％。各土层中豌豆地的自生固氮菌数量呈现与小麦