喀斯特地区翻耕和玉米种植对土壤团聚体、氮素及微生物量的影响

陈武荣，叶莹莹，陆珊，梁思琳，陆锦华，毛兵，肖霜霜*

(1. 南宁师范大学 广西地表过程与智能模拟重点实验室，南宁 530000； 2. 中国科学院 亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125；3. 南宁师范大学 环境与生命科学学院，南宁 530000)

0 引言

不同的农业实践对土壤物理化学生物过程的影响十分复杂，比如翻耕扰动和玉米种植可能会改变土壤团聚体分布，影响土壤氮素转化过程及微生物量或其活性等。耕作扰动会破碎土壤团聚体结构，暴露先前被包裹保护的有机氮，使其容易矿化丢失[1]。减少的土壤氮素养分会限制微生物的利用，造成微生物种群的减少。但也有研究表明，耕作扰动也会通过改变土壤团聚体结构从而提高土壤曝气，促进好氧微生物的代谢活性[2]。种植玉米通过收割作物带走土壤氮素，会抑制微生物量增加，但其作物秸秆残留或根系分泌可能会影响微生物活性，进而改变微生物的种群数量[3]。这些研究中农业活动对土壤团聚体、氮素及微生物量的影响结果都不尽一致。

中国是世界上喀斯特面积最大、分布最广的国家，主要集中在西南部区域，具有土壤浅薄、土被不连续、土壤pH值高和生态系统脆弱等特征[4]。喀斯特石灰土发育于石灰岩、白云岩及其夹层，高钙环境促使团聚体形成，土壤有机质含量和肥力水平也显著高于同纬度其他地区。但人类带来的农业活动往往会破坏喀斯特地区土壤的物理结构，使土壤有机质大量丢失，且丢失量高于同一区域的非喀斯特地区[5]。玉米具有抗旱性，集中种植在土壤浅薄的喀斯特地区，是该地区重要的农业作物，约占粮食总播种面积的14%～16%，主要采用传统翻耕[6]。研究表明该地区开垦早期的玉米种植导致土壤氮素迅速下降[7]。在该过程中玉米自身生长、刈割等对土壤团聚体、氮素及微生物量如何作用，翻耕扰动在其中影响大小又如何，这些过程尚不清晰。区分两者在开垦初期对土壤物理结构、养分丢失等作用，能对喀斯特地区土壤可持续利用提供合适的管理意见。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西壮族自治区环江毛南族自治县中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站木连综合试验区(24°43′～24°44′N，108°18′～108°19′E)，属于中亚热带季风气候区；全年无霜期300～330 d；多年平均气温19.9℃，极端高温38.7℃，极端低温-5.2℃；多年平均降雨量1 380 mm，降水丰富但季节分布不均，主要集中在5月至9月，该段时间降雨量占全年降雨量的70%以上。研究区为典型的喀斯特峰丛洼地，海拔272～647 m，洼地、坡地平均基岩裸露率分别为15%和30%，土层深度分别为20～160 cm和10～50 cm。研究区土壤由白云岩发育而成，土壤为黏壤土和黏土，土壤pH值呈中性至微碱性。

1.2 试验设计

2013年12月在中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站选取典型坡脚部位建立样地。该样地原始植被类型为灌木丛，优势种为三对节(Clerodendrumserratum)、八角枫(Alangiumchinense) 及千里光(Senecioscandens)等。地上植被被移除后，该试验样地采取随机区组设计，分为4个区组，每个区组包含4个规格为2 m×2 m的小区，共计16个小区。处理包括：免耕不种玉米(NT)，免耕种玉米(NTM)，传统耕作不种玉米(CT)，传统耕作种玉米(CTM)。玉米为双季种植，种植行距是40 cm，第一季为2月到5月，第二季为6月到9月。

1.3 样品采集与分析方法

2015年7月采集表土(0～10 cm)原状土壤样品和混合土壤样品。原状土样采集与处理方法：用刀移除土壤表层杂物，用铁铲小心地铲取一块完整的方形土壤样品，置于密封盒中，以避免在保存和运输过程中受到外力挤压；回到实验室后，沿土壤自然节理轻轻地将土样掰成小块，使之全部可以通过8 mm筛；室内风干后，存于密封盒内，留作团聚体粒级分析。混合土样采集：在每个小区内随机采集5个点的土样，混成一个土样代表该小区的混合土样。混合土样带回实验室保存在4℃的冰箱以备后续测定。混合土样测定分成两部分，一部分鲜样过10 mm筛，用于测定土壤MBC、可溶解性总氮(TDN)、NH4+-N和NO3--N；另一部分风干后过0.15 mm筛，用于测定土壤TN。

1.4 室内分析及数据处理

土壤团聚体分离参考干筛过程[8]：约500 g过8 mm 筛的土样放置在一套网筛上(5、2、1、0.5、0.25和0.053 mm)，用干筛仪器进行分离，振幅1.5 mm，振动2 min。各层筛子上的土样进行收集，土壤团聚体被分成8～5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、0.25～0.053和<0.053 mm 7个粒级。

土壤总氮(TN)含量采用碳氮元素仪(Vario MAX CN，Elementar，Germany)测定。TN丢失量△TN是施加处理1年后(2015年6月)TN含量减去施加处理前(2014年6月)TN本底值。NH4+-N，NO3--N和TDN用2 M KCl浸提，连续流动分析仪(AA3，SEAL，Germany)进行测定。DON含量是TDN与无机氮(NH4+-N，NO3--N)的差值。土壤MBC测定采用熏蒸浸提法[9]，用0.5 M K2SO4浸提，浸提液里总有机碳用TOC分析仪(Model TOC-VCPH，Shimadzu，Tokyo，Japan)测定，具体计算公式为：MBC=EC/kEC，式中EC=熏蒸土壤提取的有机碳-不熏蒸土壤提取的有机碳。kEC为转换系数，取值0.45。

数据统计分析前进行正态分布和方差齐次性检验，利用单因素方差分析(ANOVA)比较各处理下土壤团聚体组成、氮素及MBC含量的差异，利用双因素方差分析(Two-way ANOVA)比较翻耕措施和玉米种植对土壤团聚体、氮素及MBC的影响，采用最小显著差异法(LSD)检验显著性水平，在5%的显著性水平下确定显著性。利用Pearson相关分析评价土壤团聚体组成与土壤氮素及MBC之间的关系，统计分析均在SPSS 16中实现。

2 结果与分析

2.1 翻耕和玉米种植对土壤团聚体分布的影响

双因素方差分析表明(表1)，翻耕显著影响土壤团聚体各粒级含量(仅0.25～0.5 mm除外)，玉米种植对土壤团聚体粒级含量均无显著影响。由图1可知，土壤团聚体5～8 mm粒级百分比含量中，翻耕处理CT(27.76%)和CTM(28.31%)显著低于免耕NT(41.95%)。土壤团聚体2～5 mm和1～2 mm粒级百分比含量中，翻耕处理CT(42.17%、18.25%)和CTM(41.89%、18.41%)显著高于免耕NT(36.48%、12.35%)。土壤团聚体0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒级中，各处理均无显著性差异。土壤团聚体<0.25 mm粒级的百分比含量在各处理中均处于较低水平，仅占1.56%～2.69%。

2.2 翻耕和玉米种植对土壤氮素影响

由双因素方差分析可知(表1)，翻耕显著影响土壤△TN、NO3--N、DON及TDN，玉米种植对土壤△TN无显著作用，对可溶解性氮(NO3--N、DON及TDN)呈显著作用。土壤总氮丢失量表现为CT处理最高(0.43 g·kg-1)，其次是CTM(0.39 g·kg-1)，最低是NTM(0.26 g·kg-1)和NT(0.19 g·kg-1)。相比NT和NTM，CT和CTM处理下土壤总氮丢失量显著增加(P<0.05)(图2)。各处理的土壤总可溶性氮素为35.71～54.70 mg·kg-1，其中NO3--N含量最高(20.95～39.99 mg·kg-1)，其次是DON含量(5.40～14.06 mg·kg-1)，NH4+-N含量最低(2.45 ～ 3.35 mg·kg-1)。土壤TDN和NO3--N变化规律一致，均为NTM、CT和CTM显著低于NT处理(P<0.05)；土壤DON为CTM显著低于NT、NTM和CT处理(P<0.05)。

注：NT为免耕不种玉米，NTM为免耕种玉米，CT为传统耕作不种玉米，CTM为传统耕作种玉米。不同字母表示处理间差异显著，P<0.05，n=4，下同。图1 翻耕和玉米种植对土壤团聚体粒级分布的影响Figure 1 Effects of tillage and maize planting on the distribution of soil aggregates

图2 翻耕和玉米种植对土壤总氮丢失量的影响Figure 2 Effect of tillage and maize planting on soil total nitrogen loss

图3 翻耕和玉米种植对土壤可溶解性氮素的影响Figure 3 Effects of tillage and maize planting on soil dissolved nitrogen

表1 双因素方差分析翻耕扰动与玉米种植对土壤团聚体、氮素及微生物量生物量碳的作用 Table 1 Two-way ANOVA for effects of tillage disturbance and maize planting on soil aggregates, nitrogen and microbial biomass carbon

2.3 翻耕扰动和玉米种植对土壤微生物生物量碳影响

由双因素方差分析可知(表1)，翻耕显著影响土壤MBC含量，玉米种植对土壤MBC无显著作用。翻耕和玉米种植对土壤MBC影响为CT(420.96 mg·kg-1)和CTM(382.57 mg·kg-1)处理显著低于NT(596.79 mg·kg-1)和NTM(566.47 mg·kg-1)；NT和NTM、CT和CTM之间均无显著性差异(图4)。

图4 翻耕和玉米种植对土壤微生物生物量碳的影响Figure 4 Effects of tillage and maize planting on soil microbial biomass carbon

2.4 土壤团聚体与氮素和MBC的相互关系

土壤团聚体粒级分布与土壤氮素丢失量、可溶性氮素及MBC关系密切(表2)。土壤团聚体5～8 mm粒级含量与△TN呈显著负相关，与NO3--N、TDN、MBC呈显著正相关(P<0.05)。团聚体2～5 mm粒级与△TN、NH4+-N显著正相关，与NO3--N、MBC显著负相关。团聚体1～2 mm粒级与△TN显著正相关，与MBC显著负相关。

表2 土壤团聚体粒级分布与氮素、微生物量生物量碳的Pearson相关性 Table 2 Pearson correlation between soil aggregate distribution and soil nitrogen and microbial biomass carbon

3 讨论

3.1 土壤团聚体粒级变化

土壤团聚体在维持土壤结构和保持水土等方面具有重要作用[10]。在本研究4种处理中，土壤大团聚体(>0.25 mm)是土壤团聚体的主要组成。这可能由于该实验样地之前是灌草林，尚未开垦耕作，包含较高的有机质、植物根系及菌丝等，这些是大团聚体常见的黏合剂，有利于土壤大团聚体的形成[11]。此外，喀斯特地区石灰土富含Ca2+，通过在有机质和黏土之间构建离子桥的方式，促进该地区土壤的团聚作用[12]。翻耕处理显著影响土壤团聚体的粒级分布(图1和表1)，主要破碎5～8 mm粒级的大团聚体。前人研究也表明土壤大团聚体比小团聚体对土壤的物理扰动(如翻耕措施)更敏感，这是由于大团聚体中短暂、不稳定的黏合剂(根系和菌丝等)所造成[11]。玉米种植处理在本研究中对土壤团聚体粒级分布无显著性规律。玉米种植一方面吸收土壤养分，降低土壤有机质含量，可能导致土壤团聚体减少；但是另一方面其收割后秸秆还田，残留秸秆和玉米根系混合土壤，可以改善土壤物理结构，促进土壤的团聚作用。因此综合以上原因，玉米种植对土壤团聚体粒级特征影响较小。

3.2 喀斯特地区土壤的氮素规律

前人研究得出耕作会导致喀斯特地区土壤总氮的显著减少[7]。本研究中有翻耕措施的CT和CTM的土壤总氮丢失量显著高于无翻耕措施的NT和NTM。翻耕措施会造成土壤大团聚的破碎，释放出大团聚体中被物理保护的新鲜有机氮，进而导致这部分土壤氮素的矿化和丢失[1]。本研究中5～8 mm团聚体与总氮丢失量呈显著负相关性，表明翻耕措施主要造成该粒级团聚体破碎，进而导致土壤氮的丢失。种植玉米对土壤总氮丢失影响较小，这可能由于玉米种植吸收土壤氮素养分，收割的玉米秸秆带走土壤总氮，但由于实验的短期性(一年)尚未导致土壤总氮的丢失量呈显著减少。

在本研究中NO3--N是可溶解性氮素的主要形态，其次是DON，最低的是NH4+-N。这一结果与Li等研究一致，喀斯特石灰土有较高的NO3--N含量[13]。由于喀斯特石灰土pH较高，高pH会刺激硝化活性细菌，增加NH4+-N的氧化，促进NO3--N的产生[14]。翻耕和玉米种植均显著影响土壤NO3--N和DON(表1)，其二者含量在翻耕措施或者种植玉米的措施下呈下降趋势(图3)。这与干旱地区翻耕对可溶性氮素影响的结果不一致，翻耕措施能促进土壤NO3--N的产生和积累，其含量显著高于免耕措施[15]。然而，本研究区位于亚热带-热带喀斯特地区，降水量较大，NO3--N和DON会随着淋溶水的迁移而向下渗入深层土壤或沥出土壤层。翻耕能加速土壤水分的迁移运动[16]，造成表层土壤可溶解性氮含量显著降低。NO3--N和DON作为可溶解性氮，是可以被植被吸收利用的氮库，因此玉米种植也会减少其在土壤中的含量。本研究表明翻耕和玉米种植对土壤NH4+-N含量没有显著性影响。本研究区为喀斯特石灰土，较低的NH4+-N含量未超出土壤吸附能力，翻耕产生再多的水分扩散路径也不能带走较多的NH4+-N；同时，翻耕中由释放的新鲜有机质矿化产生的NH4+-N，由于石灰土高pH，促使产生的NH4+-N氧化成NO3--N[17]。因此，喀斯特地区土壤NH4+-N对翻耕无显著性响应。

3.3 土壤微生物对翻耕和作物的响应

土壤MBC表征土壤微生物量，对土壤管理措施非常敏感，是土壤质量的重要指标。本研究中翻耕措施显著降低土壤MBC含量，这和前人很多研究结果一致[18-19]。翻耕减少土壤微生物量主要由于其对土壤的物理扰动，导致适宜微生物栖息的微环境受到破坏，如土壤含水量降低、极端土壤温度条件及真菌菌丝的断裂[20]。然而，Meta分析表明低强度翻耕(如凿耕)对土壤MBC的影响并不显著，土壤微生物量的下降幅度取决于耕作强度[21]。也有研究表明，在翻耕后极短时间内(14天)微生物量呈增加趋势[22]，这主要是由土壤通气、团聚体包裹的新鲜有机质的释放所导致，常见于长期耕种的农田中。然而，新鲜有机质随着时间消耗，微生物的生长最终会受到限制。本研究结果表明在不考虑翻耕扰动的作用下，MBC在玉米种植和不种玉米模式(NT & NTM、CT & CTM)无显著差异。双因素方差分析也显示玉米种植对土壤MBC含量无显著作用。玉米种植对微生物量影响较小，短时间种植玉米并未显著减少土壤养分含量，仍有充足养分保持微生物总量，玉米种植在耕作初期更多地影响微生物代谢功能[23]。

4 结论

1)翻耕措施显著影响土壤团聚体粒级分布、总氮丢失量、可溶解性氮(NO3--N、DON)和MBC含量，玉米种植仅对可溶解性氮(NO3--N、DON)有显著作用。翻耕处理显著减少5～8 mm粒级，增加土壤总氮丢失量，降低土壤MBC含量。这说明在农业开垦早期，相比作物本身，扰动土体的翻耕措施对土壤性质影响更大。

2)土壤NO3--N是喀斯特地区可溶解性氮素的主要形态，其次是DON，NH4+-N含量最少，这可能由于该地区石灰土较高的pH导致；土壤NO3--N在翻耕或玉米种植均显著减少，DON仅在翻耕和玉米双重作用下(CTM)显著降低。喀斯特地区高含量NO3--N特征在传统翻耕作用下容易存在淋溶丢失造成地下水污染。

3)Pearson相关性分析表明总氮的丢失主要来自翻耕引起的土壤团聚体5～8 mm粒级的破碎，释放该粒级中物理保护的氮素。在脆弱的喀斯特生态系统中进行农业活动，应采用减少土地扰动的保护性耕作(如免耕或低强度翻耕)，从而保护土壤大团聚体，实现土壤氮库的可持续性利用。