一年两作栽培模式下保护性耕作对土壤团聚体及微生物的影响

梁伟 崔德杰 柳新伟 蒋帅 郭晓冬

摘要：保護性耕作可以提高土壤肥力，改善土壤结构，促进团聚体的形成。为了研究保护性耕作对土壤团聚体以及土壤微生物量等的影响，在山东省平度市兰底镇进行保护性耕作长期定位试验，设置保护性耕作下的不同施肥处理，分别为：免耕秸秆还田常规施肥（T1）;免耕秸秆还田减少10%施肥量（T2）;免耕秸秆还田减少20%施肥量（T3）;传统耕作无秸秆还田（T0）为对照。研究结果表明：保护性耕作条件下土壤团聚体的稳定性都有一定程度的提高，其中T1平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）经过干筛处理和湿筛处理分别较传统耕作T0提高29.8%、26.4%和25.8%、17.2%。土壤各粒径团聚体的有机质、全氮、速效磷、速效钾均呈现T1>T2>T3>T0的规律，各粒径养分贡献率从大到小依次为>5 mm、2～5 mm、<0.25 mm、 0.5～ 1 mm、 0.25～ 0.5 mm、1～2 mm。保护性耕作可以有效提高土壤微生物的数量，T1处理的细菌、真菌、放线菌数量较T0分别增加27.9%、9.2%、24.5%;微生物量碳、氮、磷分别较T0处理增加38.4%、35.1%、 21.0%。

关键词：保护性耕作;土壤团聚体;养分贡献率;土壤微生物

中图分类号：S157.4 +2文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）01-0098-07

Effect of Conservation Tillage on Soil Aggregates and

Microorganism under Double Cropping Cultivation Mode

Liang Wei， Cui Dejie， Liu Xinwei， Jiang Shuai， Guo Xiaodong

（College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109，China）

Abstract Conservation tillage can improve soil fertility and structure and promote the formation of aggregate. In order to investigate the influence of conservation tillage on soil aggregates and soil microbial biomass， the long-term fertilization experiment was conducted in Pingdu， Shandong Province . It set four different fertilization treatments including T0（CK， traditional tillage without straw return）， T1（no-tillage， straw return with conventional fertilization）， T2（no-tillage， straw return with reducing fertilizer application by 10%） and T3（no-tillage， straw return with reducing fertilizer application by 20%）.The results showed that the stability of soil aggregates had a certain degree of improvement under the condition of conservation tillage. The mean of weight diameter （MWD） and geometric mean diameter （GMD） through wet sieve processing and dry sieve processing increased by29.8% and26.4%， 25.8%and17.2%compared with T0， respectively. The soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus and available potassium amounts in the soil aggregates with different particle sizes showed as T1>T2>T3>T0， and the nutrient contribution rate of different particle sizes from more to less was >5， 2～5， <0.25， 0.5～1， 0.25～0.5， 1～2 mm， respectively. Conservation tillage could effectively increase the quantity of soil microorganisms. Compared with T0， the amounts of bacteria， fungi and actinomycetes under T1 treatment increased by 27.9%， 9.2% and 24.5%， respectively;the corresponding amounts of microbial biomass C， N and P increased by 38.4%， 35.1% and 21.0%， respectively.

Keywords Conservation tillage; Soil aggregates; Nutrient contribution; Soil microorganisms

20世纪美国西部和前苏联都曾因不合理的土壤耕作，引起大规模“黑风暴”，给农业生产造成很大损失[1]。不合理的耕作会引起土壤肥力失调，污染加重，并出现土壤侵蚀、盐碱化、沙化、石漠化及温室气体巨量排放等土壤生态环境问题，这些均对生态环境安全及人体健康带来不良影响[2-4]。因此，选用合理的耕作方式很有必要。保护性耕作是通过免耕、少耕、地表覆盖、合理种植等综合配套措施，从而减少土壤侵蚀，保护农田生态环境，并获得最大利益的可持续农业技术[5]。可减少人为活动对土壤的扰动，并且秸秆直接还田可以提高土壤有机质含量，改善土壤结构，提高保水保肥能力，从而有效地利用土壤、水分、养分以及微生物资源进行综合管理，实现农业和生态环境的可持续发展[6-8]。 刘威等[9]研究表明保护性耕作可以提高土壤水稳性团聚体的稳定性。杜建滔等[10]研究表明，免耕覆盖水分利用效率最高。赵小蓉等[11]研究表明，保护性耕作可以提高成都平原小麦的产量。

土壤团聚体是土壤养分的贮存库和各种土壤微生物的生境[12]。一般将大于0.25 mm的团聚体称为大团聚体，小于0.25 mm的称为微团聚体。土壤团聚体的数量和质量可以直接影响土壤的结构和肥力，大团聚体含量越多说明土壤结构越稳定。平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是反映土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD、GWD越大，土壤的稳定性以及分布状况越好。土壤团聚体的形成是一个很复杂的过程[13]，包括各种化学、物理、生物过程。有机碳为土壤中很重要的成分，是土壤团聚体形成的重要胶结剂[14]。耕作方式会影响团聚体的形成，影响大团聚体与微团聚体之间的相互转化和再分布[15]，进而影响土壤结构稳定性及抗侵蚀能力。张鹏等[16]研究表明，在宁南半干旱区采用秸秆还田有利于提高土壤团聚体含量。赵亮等[17]研究有机物料对土壤肥力及团聚体稳定性的影響结果表明，土壤团聚体稳定性得到了明显提高。另外，为了保证产量，过量施肥的现象逐渐增多，影响了小麦的持续性增产，造成土壤板结，污染了土壤[18]。本研究以常规耕作为对照，进行不同处理的保护性耕作长期定位试验，对土壤团聚体稳定性、养分含量及微生物量进行分析，以期为一年两作小麦玉米轮作条件下的保护性耕作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验开始于2009年，地点是山东省平度市兰底镇。位于东经119°30′～121°00′，北纬35°35′～37°09′。本地气候类型属暖温带东亚半湿润季风区大陆性气候，四季分明，春季干旱多风、夏季高温多雨、秋季干旱少雨、冬季寒冷干燥。年平均气温11.9℃，年均降水量680 mm。

1.2 供试材料

供试土壤为砂姜黑土，基本理化性状：土壤容重为1.46 g/cm3 ，pH值 6.16、有机质含量11.16 g/kg、土壤全氮142.9 mg/kg、速效磷66.29mg/kg、 速效钾75.73 mg/kg。供试小麦品种为鲁麦23，玉米为郑单958。

1.3 试验设计及方法

试验种植制度为冬小麦-夏玉米，已经连续进行8年，设置4个处理，传统耕作无秸秆还田（T0）;免耕秸秆还田常规施肥（T1）;免耕秸秆还田减少10%施肥量（T2）;免耕秸秆还田减少20%施肥量（T3）。小麦玉米秸秆均全部还田，小区面积330 m2 ，每处理重复3次。各试验小区的施肥与田间管理相同。保护性耕作秸秆粉碎后全量覆盖、免耕播种;传统对照移除秸秆，常规播种。小麦播种量为225 kg/hm2 。玉米播种量为35kg/hm2。 肥料类型为氮磷钾含量各为15%的复合肥，施肥量为750 kg/hm2 。

1.4 分析方法

样品采集时间为2017年5月，分析测定次日进行。

团聚体稳定性分别用干筛法和湿筛法测定[19]，其余方法采用常规方法测定。

团聚体土壤养分的贡献率 =该级团聚体中养分含量×该级团聚体的含量/土壤养分含量×100%

平均重量直径MWD和几何平均直径GMD的计算方法如下：

MWD=∑ n i=1 XiWi

GMD=exp∑ n i=1 （Wi lg X） ∑ n i=1 Wi

式中，W i 为在该粒径范围内土壤团聚体干重占总干重的百分含量，n为筛子的数目，X i 为聚集在每种规格筛子的平均直径。

数据统计与分析方法采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0统计软件，不同处理间的差异显著性水平采用LSD法进行检验。

2 结果与分析

2.1 保护性耕作对土壤团聚体的影响

2.1.1对土壤团聚体粒径分布的影响 干筛法得到土壤中团聚体总量，包括水稳性团聚体和非水稳性团聚体。湿筛法得到的是水稳性团聚体， 可以很大程度影响土壤结构的稳定性。由图1A可明显看出，不同粒径水稳性团聚体的含量分布呈U字型的两头高中间低的趋势，其中<0.25 mm的微团聚体含量最高，超过了团聚体总量的50%，而粒径在2～5 mm和1～2 mm粒径的团聚体含量差异不大，含量在3%～7%之间。这与刘威等[9]的研究结果基本一致。

由图1B可知，不同处理的土壤水稳性团聚体各粒径间差异性较大，其中T1处理>5 mm的大团聚体含量最高，相比传统耕作提高36.0%，说明经过免耕和秸秆覆盖处理，显著增加了土壤中大团聚体的数量。但随着化肥施用量的增加，土壤中大团聚体的含量呈现上升趋势，其中>5 mm和2～5 mm粒径的大团聚体提高最为明显。造成这种现象的原因可能是在合理施肥区间，化肥的施用量增大，作物的生物产量增加，返还到土壤中的秸秆量增加，增加了土壤中的有机质含量，使土壤结构发生了变化，导致大团聚体的数量增加。各处理的土壤团聚体均以>2 mm 粒径的为主，占总量的47.46%～63.17%。土壤粒径>1 mm团聚体含量顺序是T1>T2>T3>T0，而< 0.25mm的微团聚体则表现为T1

2.1.2 保护性耕作对团聚体稳定性的影响 土壤团聚体的稳定性通常用团聚体的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）表述。土壤的MWD和GMD越大，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强[20]。 由表1可以看出，无论是干筛处理还是湿筛处理，各处理土壤的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）均表现为T1>T2>T3>T0。干筛处理下，T1处理的MWD和GMD数值最大，较T0分别提高29.8%和 26.4%; 湿筛处理下，各处理与传统耕作T0相比，MWD和GMD数值都有明显提升。其中T1的MWD和GMD数值最大，比T0提高了25.8%和17.2%。原因可能是秸秆还田增加了土壤中的有机质含量，从而促进了土壤中大团聚体的形成。随着施肥量的减少，土壤的MWD和GMD随之减少，原因可能是减少施肥降低了土壤的肥力，影响了土壤结构的稳定性。干筛处理的数值远高于湿筛处理，这是因为湿筛处理时非水稳性团聚体分解的结果造成的。

2.2 保护性耕作对土壤各粒径团聚体养分含量的影响

2.2.1 对土壤各粒径团聚体有机质含量的影响 由表2可知，随着土壤团聚体粒径的减小，土壤有机质含量有增加的趋势。<0.25 mm粒级的团聚体有机质含量最高。这是因为粒径越小，团聚体的比表面积越大，吸附的有物质数量越多。各处理土壤有机质含量表现为T1>T2>T3>T0。这是由于秸秆覆盖为土壤提供大量的有机物质，从而提高土壤有机质含量。伴随施肥量的减少，土壤中的养分也相对降低，土壤有机质含量受到了影响。

2.2.2 对土壤各粒径团聚体全氮含量的影响 由表3可知，随着土壤团聚体粒径的减少，土壤全氮含量有增加的趋势。<0.25 mm粒级的团聚体全氮含量最高。造成这种情况的原因是，<0.25 mm粒级团聚体具有较大的比表面积，增大了对NH +4的吸附能力。各处理土壤全氮含量差异显著，表现为T1>T2>T3>T0。这是由于秸秆还田为土壤提供了一定量的有机态氮，从而提高了保护性耕作处理的全氮含量。保护性耕作条件下，随着化肥施用量的增加，作物生物量增加，还田的秸秆数量增大，加之使用一定量的氮肥，呈现 T1>T2> T3的趋势。

2.2.3 对土壤各粒径团聚体速效钾含量的影响 由表4可知，随着团聚体粒径的减小，土壤速效钾含量呈先减少后增大的趋势。其中含量最多的是<0.25 mm粒级。含量最少的是1～2 mm粒级。在4种处理中速效钾含量最高的是T1处理，含量最低的是T0。秸秆覆盖后有部分秸秆灰分进入土壤，从而提高土壤钾素含量，改善土壤肥力。随着施肥量的减少，速效钾含量有降低的趋势。

2.2.4 对土壤各粒径团聚体速效磷含量的影响 由表5可以看出，速效磷在土壤团聚体各粒级中的分布比较均匀，说明磷素受粒径的影响较小，这与郑子成等[21]的研究结论基本一致。不同处理土壤中，速效磷含量表现为T1>T2>T3>T0。这是因为秸秆覆盖处理导致秸秆中的部分磷素进入土壤中，从而提高土壤中的磷素含量，减少施肥降低土壤中的养分含量，使土壤中的速效磷含量降低。另外，免耕处理还可以增加土壤中活性和中稳性的有机磷[22]，对土壤速效磷含量也有提升作用。免耕覆盖秸秆会增加土壤微生物种类及数量，对磷素的转化起到促进作用。

2.2.5 保护性耕作对土壤团聚体各粒级养分贡献率的影响 将土壤团聚体各粒径的含量和各粒径团聚体中的养分含量一起分析，组成了土壤的养分贡献率，可以反映土壤各粒径团聚体提供养分的能力。由表6可知，各处理不同粒径的土壤团聚体有机质、全氮、速效磷、速效钾的贡献率表现一致，从大到小依次为：>5 mm、2～5 mm、< 0.25mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、1～2 mm。虽然>2 mm的土壤团聚体的养分含量较低，但是其团聚体含量最高，所以其养分贡献率占据优势。这与邱莉萍等[23]的研究结果较为一致。>5 mm和2～5 mm土壤团聚体的养分贡献率远高于其它4个粒径。团聚体各粒径含量也呈現出这个规律，说明团聚体的各粒径含量是影响其养分贡献率的主导因素。有机质、全氮、速效磷、速效钾各级团聚体的贡献率都呈现出一致的规律，可以看出团聚体对有机质、全氮、速效磷、速效钾有着较好的相关性。

2.3 保护性耕作对土壤微生物的影响

2.3.1 对土壤微生物数量的影响 土壤微生物在土壤的生态系统中占据着重要的地位，是土壤团聚体形成过程中最活跃的生物因素，土壤微生物通过直接改造或物理缠绕、分泌有机物或者改变土壤疏水性等机制影响土壤有机质的分解和土壤团聚结构的形成和稳定[24]，由表7可以看出，各处理土壤以细菌为主，约占微生物总量的98%左右。T1处理的真菌、细菌、放线菌的数量与T0相比多出27.9%、9.2%、24.5%。而且总菌数T1最高，T0最低，这是由于秸秆为微生物提供了养分和良好的生长环境，从而增加了微生物的数量。

2.3.2 对土壤微生物量碳氮磷的影响 土壤微生物量碳氮磷可以很好地反映土壤微生物的活性。由图2可以看出，各处理微生物量碳氮磷的含量依次为T1>T2>T3>T0，且各处理间差异显著。其中T1处理的微生物量碳氮磷与T0比较分别增加了38.4%、35.1%、21.0%。说明免耕及秸秆覆盖处理可以显著提高土壤微生物的活性。

3 讨论与结论

3.1 保护性耕作改变了土壤的团聚体粒径组成，提高了其稳定性。干筛处理下，土壤中以>0.25 mm粒径的大团聚体为主，大团聚体是决定土壤机械稳定性的主要因素，保护性耕作处理增加了土壤中>0.25 mm 大团聚体的含量，降低了<0.25 mm 微团聚体的含量。传统耕作时，翻耕会扰乱土层结构，破坏土壤中的团聚体，加快耕层内有机质的矿化，减少有机-无机复合胶体，导致土壤粘度下降，降低水稳性团聚体含量。湿筛处理下，土壤中以<0.25 mm水稳性团聚体含量最多，微团聚体是决定团聚体水稳性的重要因素。保护性耕作处理增加了土壤中>0.25 mm水稳性团聚体的含量。

3.2 团聚体的稳定性经常被作为土壤结构的指示因子[25]。土壤中有机质含量会直接影响团聚体的形成，而保护性耕作秸秆还田处理可以有效增加土壤中的有机质含量，为大团聚體的形成提供一个良好的环境。有研究表明秸秆还田配施化肥能促进土壤大团聚体的形成，提高土壤的平均重量直径。本研究表明保护性耕作处理显著提高了土壤团聚体的MWD和GMD，提高了土壤团聚体的稳定性。干筛处理下，T1处理的MWD和GMD数值最大，较T0分别提高29.8%和26.4%;湿筛处理下，各处理与传统耕作T0相比，MWD和GMD数值都有明显提升，其中T1的MWD和GMD数值最大，分别比T0提高25.8%和17.2%。

3.3 保护性耕作处理土壤养分含量较传统耕作处理提高显著，土壤团聚体的各粒径中，由于粒径降低，提高了土壤的比表面积，从而吸附更多养分，因此，粒径减小，养分含量增大。各处理土壤团聚体不同粒径的有机质、全氮、速效磷、速效钾的贡献率从大到小均依次为>5 mm团聚体、2～5 mm团聚体、<0.25 mm团聚体、0.5～1 mm团聚体、0.25～0.5 mm团聚体、1～2 mm团聚体。说明>2 mm的团聚体是提供土壤养分的主要群体。

3.4 保护性耕作处理增加了土壤中微生物的数量，土壤中的真菌、细菌、放线菌较传统耕作均有显著提高，微生物量碳氮磷也有显著提高。因为土壤是微生物的生存场所，保护性耕作使土壤综合生态因子得到改善，作物生长更趋良好，土壤微生物的活性更趋活跃，有利于微生物的生长与繁殖[26]。

参 考 文 献：

[1]黄禄星，黄国勤.保护性耕作及其生态效应研究进展[J]. 江西农业学报，2007，19（1）：112-115.

[2]Liu X J， Mosier A R，Halvorson A D，et al. The impact of nitrogen placement and tillage on NO， N 2 O，CH 4and CO 2fluxes from a clay loam soil[J]. Plant and Soil，2006， 280（1）： 177- 188.

[3]Granatstein D M，Bezdicek D F，Cochran V L，et al. Long-term tillage and rotation effects on soil microbial biomass， carbon and nitrogen[J]. Biology and Fertility of Soils，1987， 5（3）： 265-270.

[4]李洪文，高焕文，王晓燕，等. 我国保护性耕作发展趋势与存在问题[C]//中国农业工程学会.中国农业工程学会第七次会员代表大会论文集，2004.

[5]张海林，高旺盛，陈阜，等. 保护性耕作研究现状、发展趋势及对策[J]. 中国农业大学学报，2005，10（1）：16-20.

[6]谢瑞芝，李少昆，李小君，等. 中国保护性耕作研究分析——保护性耕作与作物生产[J]. 中国农业科学，2007，40（9）：1914-1924.

[7] Cavalieri K M V，Silva A P D，Tormena C A，et al. Long-term effects of no-tillage on dynamic soil physical properties in a Rhodic Ferrasol in ParanA， Brazil[J]. Soil and Tillage Research，2009，103（1）： 158-164.

[8]Bhattacharyya R， Kundu S， Pandey S C， et al. Tillage and irrigation effects on crop yields and soil properties under the rice—wheat system in the Indian Himalayas[J]. Agricultural Water Management，2008， 95（9）： 993-1002.

[9]刘威，张国英，张静，等.2种保护性耕作措施对农田土壤团聚体稳定性的影响[J]. 水土保持学报，2015，29（3）：117-122.

[10]杜建涛，何文清，Vinay Nangia，等. 北方旱区保护性耕作对农田土壤水分的影响[J]. 农业工程学报，2008，24（11）： 25- 29.

[11]赵小蓉，赵燮京，陈先藻.保护性耕作对土壤水分和小麦产量的影响[J].农业工程学报，2009，25（S1）：6-10.

[12]Six J， Bossuyt B， Degryze H， et al. A history of research on the link between （micro） aggregates， soil biota， and soil organic matter dynamics[J].Soil & Tillage Research， 2004， 79： 7-31.

[13]王清奎，汪思龙. 土壤团聚体形成与稳定机制及影响因素[J]. 土壤通报，2005，36（3）：415-421.

[14]史长婷，王恩姮，陈祥伟. 黑土区落叶松人工林土壤团聚体有机碳及动态变化[J]. 水土保持学报，2010，24（5）：208-212.

[15]Puget P， Chenu C. Dynamic of soil organic matter associated with particle-size fractiongs of water stable aggregate[J]. European Journal of Soil Science，2000，51：595-605.

[16]张鹏，贾志宽，王维，等.秸秆还田对宁南半干旱地区土壤团聚体特征的影响[J]. 中国农业科学，2012，45（8）：1513-1520.

[17]赵亮，刘存寿. 不同有机物料对土壤肥力及团聚体稳定性的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（2）：130-136，144.

[18]Liu D M.Discuss the existing problems in fertilization[J].Qinghai Agriculture and Forestry Technology，2003， 1：23.

[19]中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室. 土壤物理性质测定法[M]. 北京： 科学出版社，1978.

[20]苏静，赵世伟. 土壤团聚体稳定性评价方法比较[J]. 水土保持通报，2009，29（5）：114-117.

[21]郑子成，何淑勤，王永东，等.不同土地利用方式下土壤团聚体中养分的分布特征[J]. 水土保持学报，2010，24（3）： 170- 174.

[22]王平，张仁陟，王玲英，等. 不同耕作方式对土壤有机磷形态的影响[J]. 甘肃农业大学学报，2006，41（5）：95-99.

[23]邱莉萍，张兴昌，张晋爱. 黄土高原长期培肥土壤团聚体中养分和酶的分布[J]. 生态学报，2006，26（2）：364-372.

[24]李娜，韩晓增，尤孟阳，等. 土壤团聚体与微生物相互作用研究[J]. 生态环境学报，2013，22（9）：1625-1632.

[25]郝翔翔，杨春葆，苑亚茹，等.连续秸秆还田对黑土团聚体中有机碳含量及土壤肥力的影响[J].中国农学通报，2013，29（35）：263-269.

[26]陈法霖，屠乃美. 保护性耕作对土壤微生物的影响及机制[J].作物研究，2009（3）：228-232.