土壤有机碳组分及微生物功能多样性对耕作方式与秸秆覆盖量的响应

胡月华

(商丘职业技术学院，河南商丘 476100)

活性有机碳是农田土壤生态系统中土壤结构与功能的重要组成部分，能够敏感地指示评价土壤肥力及碳库指数的变化[1-2]。农田土壤活性有机碳受人类活动影响较大，不同土地利用方式如耕作、秸秆还田等人为措施都能够较大程度地影响土壤碳库及组分的动态平衡[3-4]。研究表明，传统的精耕细作不仅会使得土壤活性有机碳快速降低，还会导致土壤肥力及土地生产力下降，较大程度地制约了农业的可持续发展[5-8]。而为缓解人类活动对农田土壤生态系统带来的压力，近年来，我国大力推广诸如免耕、秸秆覆盖等保护性耕作制度[9-10]。大量研究表明，保护性耕作主要通过免耕或少耕，结合秸秆覆盖等措施，尽可能地减少土壤扰动，减轻风蚀、水蚀，能够有效地提高土壤上层有机质含量，改善土壤微生态环境，对土壤活性有机碳的形成、转化和分解具有深远的影响[11-14]。因此，通过本研究不同耕作制度下土壤有机碳及微生物功能多样性的变化对于了解和提高土壤有机碳组分，改善土壤微生态环境具有重要意义。

翻耕、旋耕是华北平原主要的耕作方式，然而由于农田长期进行扰动性耕作，不仅破坏了土壤结构，减少有机碳的形成与转化，还改变了土壤原有稳定的微生态环境，使得微生物群落结构失调，功能多样性降低[9，15-17]。研究表明，保护性耕作是解决目前困境的方向之一[18-19]。目前，有关保护性耕作的研究主要集中在土壤有机碳或土壤微生物群落结构方面[20-21]，而关于免耕和不同秸秆覆盖量配套对土壤有机碳组分、微生物代谢功能及其相关性的研究并不多，且免耕覆盖对土壤碳组分及微生物代谢功能的影响受多种环境因子如土壤类型、气候条件以及试验年份等共同制约[22]，因此单个试验点或特定区域的研究结果也许并不适用于其他地区。本试验在前人研究的基础上，通过研究不同耕作方式与秸秆覆盖量配套对土壤碳组分、碳源利用能力及功能多样性方面的影响，以期明确它们之间的关联性，找到适宜的配套模式，为我国华北平原地区保护性耕作制度的推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

商丘职业技术学院试验示范基地(116°15′E，39°28′N)位于河南省东部，属典型暖温带半湿润季风气候。年平均气温14.0 ℃，年平均日照时长 2 200 h，无霜期212 d，年积温(≥0 ℃)4 500～ 5 500 ℃·d，年降水量600～700 mm。供试土壤为黄潮土黏土质，0～30 cm土层土壤基础肥力：碱解氮含量48.34 mg/kg、有机质含量7.96 g/kg、速效磷含量55.16 mg/kg、速效钾含量158.24 mg/kg、pH值8.12。试验地点常年小麦与玉米轮作种植。

1.2 试验设计

试验于2019年6月至2021年9月进行。设免耕秸秆不覆盖(T1)、免耕秸秆半量覆盖(T2)、免耕秸秆全量覆盖(T3)、旋耕秸秆不覆盖(T4)、旋耕秸秆半量覆盖(T5)、旋耕秸秆全量覆盖(T6)等6个处理，每个处理3次重复，小区面积80 m2(8 m×10 m)，随机排列分布。免耕处理不进行土壤翻耕，旋耕处理先犁后旋，播种时均通过播种机进行播种。半量覆盖指收获时移走地上部50%秸秆，其余秸秆粉碎后撒匀，全量覆盖指秸秆全部还田。小麦品种为济麦22，由山东省农业科学院作物研究所提供；玉米品种为郑单958，由河南省农业科学院粮食作物研究所提供。小麦种植密度为麦种120 kg/hm2，玉米种植密度为 52 500株/hm2。小麦季施肥量：纯氮(N) 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2；玉米季施肥量：纯N 300 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2。小麦全生育期为10月10日至6月8日，玉米全生育期为6月15日至9月30日。2021年9月30日采集 0～30 cm土层土壤样品进行各项指标的测定。

1.3 指标测定与方法

1.3.1 土壤有机碳 土壤有机碳(SOC)含量测定采用重铬酸钾容量法[23]；轻组有机碳(LOC)、重组有机碳(HOC)含量测定均采用相对密度法[24]。

1.3.2 土壤微生物功能多样性测定 土壤微生物功能多样性测定采用 Biolog-Eco微孔板法。按照费裕翀等的操作步骤[25]，称取10 g新鲜土样，加入到100 mL灭菌的生理盐水(0.9%)中，经过振荡混匀后吸取1 mL稀释1 000倍，静置10～15 min后通过移液枪吸取150 μL接种到 Biolog-Eco板中，放入 28 ℃ 的恒温培养箱中连续培养168 h，每隔24 h在 590 nm 波长处读数1次，每个样品重复3次。其中平均颜色变化率(AWCD)、香农指数(H)、多样性指数(U)、辛普森指数(D)计算公式如下[26-27]：

AWCD=∑(Ci-C1)/31；

(1)

H=-∑Pi(lnPi)；

(2)

U=H/(lnS)；

(3)

(4)

式中：Ci为非对照孔的吸光度；C1为对照孔的吸光度；Pi为第i个孔的相对吸光度与总吸光度的比值；S为生态板中颜色变化孔的数量。

1.4 数据处理

数据采用 WPS软件进行统计与计算，采用SPSS 19.0统计软件进行单因素方差分析与多重比较，采用Canoco 5.0软件进行冗余分析(RDA)与作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理措施对土壤活性有机碳含量的影响

由图1可知，不同耕作和秸秆覆盖措施处理土壤活性有机碳含量表现出不同的变化。其中T3处理土壤有机碳含量最高，较T1、T2、T4、T5处理分别显著提高7.10%、3.73%、12.46%、5.83%，与T6处理无显著性差异，T4处理的有机碳含量最低，较其他处理显著降低4.76%～11.08%，土壤有机碳含量总体表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理。从图1还可以看出，耕作方式相同时，土壤有机碳含量表现为秸秆全量覆盖处理>秸秆半量覆盖处理>秸秆不覆盖处理；秸秆覆盖量相同时，土壤有机碳含量表现为免耕处理>旋耕处理，其中除秸秆全量覆盖时无显著性差异，秸秆不覆盖或半量覆盖时，免耕处理均显著高于旋耕处理。

2.2 不同处理措施对土壤轻组有机碳含量的影响

由图2可知，不同措施条件下土壤轻组有机碳含量存在显著差异。相同耕作方式下，秸秆全量覆盖处理的土壤轻组有机碳含量显著高于秸秆半量覆盖或不覆盖处理，其中T3处理轻组有机碳含量较T1、T2处理分别显著提高25.93%、 12.26%，T6处理轻组有机碳含量较T4、T5处理分别显著提高32.90%、16.29%，土壤有机碳含量均表现为秸秆全量覆盖处理>秸秆半量覆盖处理>秸秆不覆盖处理。秸秆覆盖量相同时，免耕处理的轻组有机碳均高于旋耕处理，其中T1处理较T4处理显著提高10.18%，T2处理较T5处理显著提高8.14%，T3处理与T5处理差异显著。土壤轻组有机碳含量总体表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理，与土壤总有机碳含量变化较一致。

2.3 不同处理措施对土壤重组有机碳含量的影响

由图3可知，不同措施条件下土壤重组有机碳含量呈现较大差异。相同耕作方式下，土壤重组有机碳含量表现为秸秆全量覆盖处理>秸秆半量覆盖处理>秸秆不覆盖处理；秸秆覆盖量相同时，土壤重组有机碳含量表现为免耕处理>旋耕处理。土壤重组有机碳含量总体表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理，其中T3处理的重组有机碳含量较T1、T2、T4、T5处理分别显著提高3.90%、2.13%、8.24%、3.11%，与T6处理相比无显著性差异。T6处理重组有机碳含量显著高于T1、T4、T5处理，与T2处理相比无显著性差异。T4处理重组有机碳含量最低，较其他处理显著降低4.00%～7.61%。

2.4 不同处理措施对土壤微生物碳源代谢活性的影响

由图4可知，不同措施条件下土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)均随着培养时间的延长而逐渐提高。其中培养0～24 h，各处理AWCD变化不明显，培养24～120 h，AWCD快速增长，此时期为微生物生长旺盛期，120～168 h，AWCD增长速度减缓，直至趋于平稳。培养0～48 h，T6处理的AWCD最大，但与T3处理差异不大，从培养72 h开始直至培养结束时，T3处理的AWCD均高于T6处理，其中培养120 h时，各处理的AWCD在0.625～0.935之间，AWCD表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理。不同措施条件下的AWCD表现为秸秆全量覆盖处理>秸秆半量覆盖处理>秸秆不覆盖处理，免耕处理>旋耕处理。

2.5 不同处理措施对土壤微生物代谢碳源类型的影响

由表1可知，不同处理条件下土壤微生物对不同碳源的利用能力存在显著差异。T3处理土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最强，较其他处理分别提高6.33%～47.37%、5.19%～39.66%、9.76%～28.57%、3.23%～50.00%，其中除对氨基酸的利用能力与T1处理无显著差异外，其余指标均与T1处理差异显著，T1处理对羧酸化合物的利用能力以及T4处理对碳水化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最弱。T6处理对胺类化合物的利用能力最强，较其他处理提高2.68%～22.34%，显著高于T1处理，但与其他处理均无显著性差异。T1处理对芳香化合物的利用能力最强，显著高于T2、T3、T5、T6处理。就总体利用情况而言，不同措施条件下土壤微生物对多聚化合物、胺类化合物的利用能力最强，其次是碳水化合物、羧酸化合物，对氨基酸、芳香化合物的利用能力最弱。

表1 不同处理对土壤微生物代谢碳源类型的影响

2.6 不同处理措施对土壤微生物功能多样性的影响

由表2可知，T3处理的香农指数、多样性指数最高，较其他处理分别提高5.52%～24.03%、2.36%～13.06%，香农指数显著高于T1、T2、T4、T5处理，多样性指数显著高于T1、T4、T5处理，T4处理的香农指数、多样性指数最低，均显著低于T2、T3、T6处理，与其他处理无显著性差异。T1处理的辛普森指数最高，较其他处理提高6.24%～37.21%，显著高于T4、T5、T6处理，与其他处理无显著性差异，T6处理的辛普森指数最低，显著低于T1、T2、T3处理。

表2 不同处理对土壤微生物功能多样性的影响

2.7 土壤微生物碳源代谢能力与土壤活性有机碳组分的多元分析

利用培养120 h时土壤微生物对31类碳源的AWCD与土壤有机碳组分进行RDA，结果(图5)表明，排序轴1、2能够在累计贡献率53.34%上解释不同处理条件下土壤微生物对各类碳源利用情况的差异。图中各处理点较为分散，说明不同处理条件改变了土壤微生物对各类碳源的利用能力。土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、胺类化合物、多聚化合物的利用能力与土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均呈正相关关系，对芳香化合物的利用能力与土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均呈负相关关系，且基于土壤微生物对各类碳源利用情况的排序轴与基于土壤有机碳组分的排序轴之间关联性(pseudo-F=8.6，P=0.004)较好。由此可见，不同处理条件能够通过影响土壤有机碳组分改变土壤微生物对各类碳源的利用情况。

2.8 土壤微生物功能多样性指数与土壤有机碳组分的相关性分析

为了进一步明确土壤微生物代谢功能与土壤有机碳组分的关系，本研究分析了土壤微生物功能多样性指数与土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量之间的相关性。其中土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量与香农指数、多样性指数呈极显著(P<0.01)正相关，而土壤有机碳、轻组有机碳含量与辛普森指数呈负相关，重组有机碳含量与辛普森指数呈正相关，但均无显著相关(表3)。说明土壤有机碳、轻组有机碳是土壤微生物功能多样性的重要环境因子，而不同措施条件下土壤有机碳组分含量发生较大变化，会影响土壤微生物功能多样性。

表3 多样性指数与有机碳组分的相关性分析

3 讨论

轻组有机碳是土壤碳库的活性部分，易被土壤微生物转化分解与利用，对人类活动诸如耕作、秸秆还田等措施响应敏感，是衡量土壤碳库质量的重要指标[28]。重组有机碳是轻组有机碳分解后聚合形成的，其结构复杂、分解缓慢，不易被土壤微生物转化分解与利用，是土壤有机碳的稳定部分，可用于指示评价土壤有机碳的固存性能[29]。相关研究表明，合理的保护性耕作措施能够提高土壤微生物的活性，改善土壤轻组、重组有机碳组分之间动态转化[30-32]。本研究结果表明，土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均表现为耕作方式相同时，秸秆全量覆盖处理>秸秆半量覆盖处理>秸秆不覆盖处理；秸秆覆盖量相同时，免耕处理>旋耕处理；整体表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理，可知免耕秸秆全量覆盖处理表现最优，旋耕秸秆不覆盖处理表现最差，这与田慎重等的研究结果[33]较为一致。分析认为，与旋耕措施相比，免耕能够减少水分流失，增加有机质的累积[15]，能够减少土壤扰动，增强土壤微生物的稳定性，进而减少微生物群落对土壤有机碳的分解，更有利于土壤有机碳的稳定。秸秆还田能够为土壤微生物代谢活动提供充足的碳源[34]，从而加速土壤有机碳的矿化，不仅可以提高土壤微生物代谢活性，还能够明显提高土壤有机碳含量，改善土壤轻组、重组有机碳组分之间的比例。

平均颜色变化率通常用来表征土壤微生物对各类碳源的利用能力，是指示评价土壤微生物活性的重要指标[35-36]。研究表明，合理的耕作措施与秸秆还田方式能够提高土壤微生物碳源代谢利用能力以及微生物功能的多样性[37-38]。本研究结果表明，AWCD整体表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理。不同措施条件下AWCD表现为秸秆全量覆盖处理>秸秆半量覆盖处理>秸秆不覆盖处理，免耕处理>旋耕处理。免耕秸秆全量覆盖处理土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最强，较其他处理分别提高6.33%～47.37%、5.19%～39.66%、9.76%～28.57%、3.23%～50.00%，其中除对氨基酸的利用能力与T1处理无显著差异外，其余指标均与T1处理差异显著。免耕与秸秆全量覆盖处理的香农指数、多样性指数最高，较其他处理分别提高5.52%～24.03%、2.36%～13.06%，T1处理的辛普森指数最高，较其他处理提高6.24%～37.21%，显著高于T4、T5、T6处理，与T2、T3处理均无显著性差异。分析认为，与免耕不覆盖或旋耕不覆盖处理相比，秸秆还田能够为土壤微生物代谢活动提供充足的底物，使其代谢功能高于秸秆不覆盖处理，其中秸秆全量覆盖处理土壤微生物代谢活性高于秸秆半量覆盖处理，与免耕处理相比，旋耕处理改变了土壤结构以及土壤空隙的透气性、透水能力等，改变了土壤原有的基质环境，使得微生物群落结构与功能多样性发生改变，且不同耕作与还田措施改变了土壤微生物对各类碳源的利用程度，土壤微生物加强了对多聚化合物、胺类化合物的利用能力，减弱了对氨基酸、芳香化合物的利用能力。

冗余分析结果表明，土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、胺类化合物、多聚化合物的利用能力与土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均呈正相关关系，且基于土壤微生物对各类碳源利用情况的排序轴与基于土壤有机碳组分含量的排序轴之间关联性(pseudo-F=8.6，P=0.004)较好。说明土壤微生物碳源利用能力与土壤有机碳组分之间保持紧密相关的联系，且在进一步了解土壤微生物代谢功能多样性与土壤有机碳组分的相关分析中发现，土壤有机碳、轻组有机碳是土壤微生物功能多样性变化的的重要驱动因子。由此可知，不同耕作方式与秸秆覆盖量对土壤有机碳组分、微生物功能多样性产生了不同的影响。

4 结论

不同耕作方式与秸秆覆盖量能够显著改变土壤有机碳组分含量，其中免耕与秸秆全量覆盖处理的有机碳、轻组有机碳、重组有机碳含量均最高。

不同耕作方式与秸秆覆盖量能够改变土壤微生物群落功能多样性，其中免耕与秸秆全量覆盖处理土壤微生物对碳水化合物、羧酸化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最强，AWCD表现为T3>T6>T2>T5>T1>T4处理。免耕与秸秆全量覆盖处理香农指数、多样性指数最高，较其他处理分别提高5.52%～24.03%、2.36%～13.06%。

土壤微生物碳源代谢能力、功能多样性指数与土壤有机碳组分变化之间具有紧密相关的联系。