陳武榮，葉瑩瑩，陸珊，梁思琳，陸錦華，毛兵，肖霜霜*

(1. 南寧師范大學(xué) 廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，南寧 530000； 2. 中國科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125；3. 南寧師范大學(xué) 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，南寧 530000)

0 引言

不同的農(nóng)業(yè)實踐對土壤物理化學(xué)生物過程的影響十分復(fù)雜，比如翻耕擾動和玉米種植可能會改變土壤團聚體分布，影響土壤氮素轉(zhuǎn)化過程及微生物量或其活性等。耕作擾動會破碎土壤團聚體結(jié)構(gòu)，暴露先前被包裹保護的有機氮，使其容易礦化丟失[1]。減少的土壤氮素養(yǎng)分會限制微生物的利用，造成微生物種群的減少。但也有研究表明，耕作擾動也會通過改變土壤團聚體結(jié)構(gòu)從而提高土壤曝氣，促進好氧微生物的代謝活性[2]。種植玉米通過收割作物帶走土壤氮素，會抑制微生物量增加，但其作物秸稈殘留或根系分泌可能會影響微生物活性，進而改變微生物的種群數(shù)量[3]。這些研究中農(nóng)業(yè)活動對土壤團聚體、氮素及微生物量的影響結(jié)果都不盡一致。

中國是世界上喀斯特面積最大、分布最廣的國家，主要集中在西南部區(qū)域，具有土壤淺薄、土被不連續(xù)、土壤pH值高和生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特征[4]。喀斯特石灰土發(fā)育于石灰?guī)r、白云巖及其夾層，高鈣環(huán)境促使團聚體形成，土壤有機質(zhì)含量和肥力水平也顯著高于同緯度其他地區(qū)。但人類帶來的農(nóng)業(yè)活動往往會破壞喀斯特地區(qū)土壤的物理結(jié)構(gòu)，使土壤有機質(zhì)大量丟失，且丟失量高于同一區(qū)域的非喀斯特地區(qū)[5]。玉米具有抗旱性，集中種植在土壤淺薄的喀斯特地區(qū)，是該地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)作物，約占糧食總播種面積的14%～16%，主要采用傳統(tǒng)翻耕[6]。研究表明該地區(qū)開墾早期的玉米種植導(dǎo)致土壤氮素迅速下降[7]。在該過程中玉米自身生長、刈割等對土壤團聚體、氮素及微生物量如何作用，翻耕擾動在其中影響大小又如何，這些過程尚不清晰。區(qū)分兩者在開墾初期對土壤物理結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分丟失等作用，能對喀斯特地區(qū)土壤可持續(xù)利用提供合適的管理意見。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)環(huán)江毛南族自治縣中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站木連綜合試驗區(qū)(24°43′～24°44′N，108°18′～108°19′E)，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)；全年無霜期300～330 d；多年平均氣溫19.9℃，極端高溫38.7℃，極端低溫-5.2℃；多年平均降雨量1 380 mm，降水豐富但季節(jié)分布不均，主要集中在5月至9月，該段時間降雨量占全年降雨量的70%以上。研究區(qū)為典型的喀斯特峰叢洼地，海拔272～647 m，洼地、坡地平均基巖裸露率分別為15%和30%，土層深度分別為20～160 cm和10～50 cm。研究區(qū)土壤由白云巖發(fā)育而成，土壤為黏壤土和黏土，土壤pH值呈中性至微堿性。

1.2 試驗設(shè)計

2013年12月在中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站選取典型坡腳部位建立樣地。該樣地原始植被類型為灌木叢，優(yōu)勢種為三對節(jié)(Clerodendrumserratum)、八角楓(Alangiumchinense) 及千里光(Senecioscandens)等。地上植被被移除后，該試驗樣地采取隨機區(qū)組設(shè)計，分為4個區(qū)組，每個區(qū)組包含4個規(guī)格為2 m×2 m的小區(qū)，共計16個小區(qū)。處理包括：免耕不種玉米(NT)，免耕種玉米(NTM)，傳統(tǒng)耕作不種玉米(CT)，傳統(tǒng)耕作種玉米(CTM)。玉米為雙季種植，種植行距是40 cm，第一季為2月到5月，第二季為6月到9月。

1.3 樣品采集與分析方法

2015年7月采集表土(0～10 cm)原狀土壤樣品和混合土壤樣品。原狀土樣采集與處理方法：用刀移除土壤表層雜物，用鐵鏟小心地鏟取一塊完整的方形土壤樣品，置于密封盒中，以避免在保存和運輸過程中受到外力擠壓；回到實驗室后，沿土壤自然節(jié)理輕輕地將土樣掰成小塊，使之全部可以通過8 mm篩；室內(nèi)風(fēng)干后，存于密封盒內(nèi)，留作團聚體粒級分析?；旌贤翗硬杉涸诿總€小區(qū)內(nèi)隨機采集5個點的土樣，混成一個土樣代表該小區(qū)的混合土樣?；旌贤翗訋Щ貙嶒炇冶４嬖?℃的冰箱以備后續(xù)測定?；旌贤翗訙y定分成兩部分，一部分鮮樣過10 mm篩，用于測定土壤MBC、可溶解性總氮(TDN)、NH4+-N和NO3--N；另一部分風(fēng)干后過0.15 mm篩，用于測定土壤TN。

1.4 室內(nèi)分析及數(shù)據(jù)處理

土壤團聚體分離參考干篩過程[8]：約500 g過8 mm 篩的土樣放置在一套網(wǎng)篩上(5、2、1、0.5、0.25和0.053 mm)，用干篩儀器進行分離，振幅1.5 mm，振動2 min。各層篩子上的土樣進行收集，土壤團聚體被分成8～5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、0.25～0.053和<0.053 mm 7個粒級。

土壤總氮(TN)含量采用碳氮元素儀(Vario MAX CN，Elementar，Germany)測定。TN丟失量△TN是施加處理1年后(2015年6月)TN含量減去施加處理前(2014年6月)TN本底值。NH4+-N，NO3--N和TDN用2 M KCl浸提，連續(xù)流動分析儀(AA3，SEAL，Germany)進行測定。DON含量是TDN與無機氮(NH4+-N，NO3--N)的差值。土壤MBC測定采用熏蒸浸提法[9]，用0.5 M K2SO4浸提，浸提液里總有機碳用TOC分析儀(Model TOC-VCPH，Shimadzu，Tokyo，Japan)測定，具體計算公式為：MBC=EC/kEC，式中EC=熏蒸土壤提取的有機碳-不熏蒸土壤提取的有機碳。kEC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析前進行正態(tài)分布和方差齊次性檢驗，利用單因素方差分析(ANOVA)比較各處理下土壤團聚體組成、氮素及MBC含量的差異，利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)比較翻耕措施和玉米種植對土壤團聚體、氮素及MBC的影響，采用最小顯著差異法(LSD)檢驗顯著性水平，在5%的顯著性水平下確定顯著性。利用Pearson相關(guān)分析評價土壤團聚體組成與土壤氮素及MBC之間的關(guān)系，統(tǒng)計分析均在SPSS 16中實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 翻耕和玉米種植對土壤團聚體分布的影響

雙因素方差分析表明(表1)，翻耕顯著影響土壤團聚體各粒級含量(僅0.25～0.5 mm除外)，玉米種植對土壤團聚體粒級含量均無顯著影響。由圖1可知，土壤團聚體5～8 mm粒級百分比含量中，翻耕處理CT(27.76%)和CTM(28.31%)顯著低于免耕NT(41.95%)。土壤團聚體2～5 mm和1～2 mm粒級百分比含量中，翻耕處理CT(42.17%、18.25%)和CTM(41.89%、18.41%)顯著高于免耕NT(36.48%、12.35%)。土壤團聚體0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒級中，各處理均無顯著性差異。土壤團聚體<0.25 mm粒級的百分比含量在各處理中均處于較低水平，僅占1.56%～2.69%。

2.2 翻耕和玉米種植對土壤氮素影響

由雙因素方差分析可知(表1)，翻耕顯著影響土壤△TN、NO3--N、DON及TDN，玉米種植對土壤△TN無顯著作用，對可溶解性氮(NO3--N、DON及TDN)呈顯著作用。土壤總氮丟失量表現(xiàn)為CT處理最高(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處理下土壤總氮丟失量顯著增加(P<0.05)(圖2)。各處理的土壤總可溶性氮素為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變化規(guī)律一致，均為NTM、CT和CTM顯著低于NT處理(P<0.05)；土壤DON為CTM顯著低于NT、NTM和CT處理(P<0.05)。

注：NT為免耕不種玉米，NTM為免耕種玉米，CT為傳統(tǒng)耕作不種玉米，CTM為傳統(tǒng)耕作種玉米。不同字母表示處理間差異顯著，P<0.05，n=4，下同。圖1 翻耕和玉米種植對土壤團聚體粒級分布的影響Figure 1 Effects of tillage and maize planting on the distribution of soil aggregates

圖2 翻耕和玉米種植對土壤總氮丟失量的影響Figure 2 Effect of tillage and maize planting on soil total nitrogen loss

圖3 翻耕和玉米種植對土壤可溶解性氮素的影響Figure 3 Effects of tillage and maize planting on soil dissolved nitrogen

表1 雙因素方差分析翻耕擾動與玉米種植對土壤團聚體、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 翻耕擾動和玉米種植對土壤微生物生物量碳影響

由雙因素方差分析可知(表1)，翻耕顯著影響土壤MBC含量，玉米種植對土壤MBC無顯著作用。翻耕和玉米種植對土壤MBC影響為CT(420.96 mg·kg-1)和CTM(382.57 mg·kg-1)處理顯著低于NT(596.79 mg·kg-1)和NTM(566.47 mg·kg-1)；NT和NTM、CT和CTM之間均無顯著性差異(圖4)。

圖4 翻耕和玉米種植對土壤微生物生物量碳的影響Figure 4 Effects of tillage and maize planting on soil microbial biomass carbon

2.4 土壤團聚體與氮素和MBC的相互關(guān)系

土壤團聚體粒級分布與土壤氮素丟失量、可溶性氮素及MBC關(guān)系密切(表2)。土壤團聚體5～8 mm粒級含量與△TN呈顯著負相關(guān)，與NO3--N、TDN、MBC呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。團聚體2～5 mm粒級與△TN、NH4+-N顯著正相關(guān)，與NO3--N、MBC顯著負相關(guān)。團聚體1～2 mm粒級與△TN顯著正相關(guān)，與MBC顯著負相關(guān)。

表2 土壤團聚體粒級分布與氮素、微生物量生物量碳的Pearson相關(guān)性 Table 2 Pearson correlation between soil aggregate distribution and soil nitrogen and microbial biomass carbon

3 討論

3.1 土壤團聚體粒級變化

土壤團聚體在維持土壤結(jié)構(gòu)和保持水土等方面具有重要作用[10]。在本研究4種處理中，土壤大團聚體(>0.25 mm)是土壤團聚體的主要組成。這可能由于該實驗樣地之前是灌草林，尚未開墾耕作，包含較高的有機質(zhì)、植物根系及菌絲等，這些是大團聚體常見的黏合劑，有利于土壤大團聚體的形成[11]。此外，喀斯特地區(qū)石灰土富含Ca2+，通過在有機質(zhì)和黏土之間構(gòu)建離子橋的方式，促進該地區(qū)土壤的團聚作用[12]。翻耕處理顯著影響土壤團聚體的粒級分布(圖1和表1)，主要破碎5～8 mm粒級的大團聚體。前人研究也表明土壤大團聚體比小團聚體對土壤的物理擾動(如翻耕措施)更敏感，這是由于大團聚體中短暫、不穩(wěn)定的黏合劑(根系和菌絲等)所造成[11]。玉米種植處理在本研究中對土壤團聚體粒級分布無顯著性規(guī)律。玉米種植一方面吸收土壤養(yǎng)分，降低土壤有機質(zhì)含量，可能導(dǎo)致土壤團聚體減少；但是另一方面其收割后秸稈還田，殘留秸稈和玉米根系混合土壤，可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)，促進土壤的團聚作用。因此綜合以上原因，玉米種植對土壤團聚體粒級特征影響較小。

3.2 喀斯特地區(qū)土壤的氮素規(guī)律

前人研究得出耕作會導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土壤總氮的顯著減少[7]。本研究中有翻耕措施的CT和CTM的土壤總氮丟失量顯著高于無翻耕措施的NT和NTM。翻耕措施會造成土壤大團聚的破碎，釋放出大團聚體中被物理保護的新鮮有機氮，進而導(dǎo)致這部分土壤氮素的礦化和丟失[1]。本研究中5～8 mm團聚體與總氮丟失量呈顯著負相關(guān)性，表明翻耕措施主要造成該粒級團聚體破碎，進而導(dǎo)致土壤氮的丟失。種植玉米對土壤總氮丟失影響較小，這可能由于玉米種植吸收土壤氮素養(yǎng)分，收割的玉米秸稈帶走土壤總氮，但由于實驗的短期性(一年)尚未導(dǎo)致土壤總氮的丟失量呈顯著減少。

在本研究中NO3--N是可溶解性氮素的主要形態(tài)，其次是DON，最低的是NH4+-N。這一結(jié)果與Li等研究一致，喀斯特石灰土有較高的NO3--N含量[13]。由于喀斯特石灰土pH較高，高pH會刺激硝化活性細菌，增加NH4+-N的氧化，促進NO3--N的產(chǎn)生[14]。翻耕和玉米種植均顯著影響土壤NO3--N和DON(表1)，其二者含量在翻耕措施或者種植玉米的措施下呈下降趨勢(圖3)。這與干旱地區(qū)翻耕對可溶性氮素影響的結(jié)果不一致，翻耕措施能促進土壤NO3--N的產(chǎn)生和積累，其含量顯著高于免耕措施[15]。然而，本研究區(qū)位于亞熱帶-熱帶喀斯特地區(qū)，降水量較大，NO3--N和DON會隨著淋溶水的遷移而向下滲入深層土壤或瀝出土壤層。翻耕能加速土壤水分的遷移運動[16]，造成表層土壤可溶解性氮含量顯著降低。NO3--N和DON作為可溶解性氮，是可以被植被吸收利用的氮庫，因此玉米種植也會減少其在土壤中的含量。本研究表明翻耕和玉米種植對土壤NH4+-N含量沒有顯著性影響。本研究區(qū)為喀斯特石灰土，較低的NH4+-N含量未超出土壤吸附能力，翻耕產(chǎn)生再多的水分?jǐn)U散路徑也不能帶走較多的NH4+-N；同時，翻耕中由釋放的新鮮有機質(zhì)礦化產(chǎn)生的NH4+-N，由于石灰土高pH，促使產(chǎn)生的NH4+-N氧化成NO3--N[17]。因此，喀斯特地區(qū)土壤NH4+-N對翻耕無顯著性響應(yīng)。

3.3 土壤微生物對翻耕和作物的響應(yīng)

土壤MBC表征土壤微生物量，對土壤管理措施非常敏感，是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。本研究中翻耕措施顯著降低土壤MBC含量，這和前人很多研究結(jié)果一致[18-19]。翻耕減少土壤微生物量主要由于其對土壤的物理擾動，導(dǎo)致適宜微生物棲息的微環(huán)境受到破壞，如土壤含水量降低、極端土壤溫度條件及真菌菌絲的斷裂[20]。然而，Meta分析表明低強度翻耕(如鑿耕)對土壤MBC的影響并不顯著，土壤微生物量的下降幅度取決于耕作強度[21]。也有研究表明，在翻耕后極短時間內(nèi)(14天)微生物量呈增加趨勢[22]，這主要是由土壤通氣、團聚體包裹的新鮮有機質(zhì)的釋放所導(dǎo)致，常見于長期耕種的農(nóng)田中。然而，新鮮有機質(zhì)隨著時間消耗，微生物的生長最終會受到限制。本研究結(jié)果表明在不考慮翻耕擾動的作用下，MBC在玉米種植和不種玉米模式(NT & NTM、CT & CTM)無顯著差異。雙因素方差分析也顯示玉米種植對土壤MBC含量無顯著作用。玉米種植對微生物量影響較小，短時間種植玉米并未顯著減少土壤養(yǎng)分含量，仍有充足養(yǎng)分保持微生物總量，玉米種植在耕作初期更多地影響微生物代謝功能[23]。

4 結(jié)論

1)翻耕措施顯著影響土壤團聚體粒級分布、總氮丟失量、可溶解性氮(NO3--N、DON)和MBC含量，玉米種植僅對可溶解性氮(NO3--N、DON)有顯著作用。翻耕處理顯著減少5～8 mm粒級，增加土壤總氮丟失量，降低土壤MBC含量。這說明在農(nóng)業(yè)開墾早期，相比作物本身，擾動土體的翻耕措施對土壤性質(zhì)影響更大。

2)土壤NO3--N是喀斯特地區(qū)可溶解性氮素的主要形態(tài)，其次是DON，NH4+-N含量最少，這可能由于該地區(qū)石灰土較高的pH導(dǎo)致；土壤NO3--N在翻耕或玉米種植均顯著減少，DON僅在翻耕和玉米雙重作用下(CTM)顯著降低?？λ固氐貐^(qū)高含量NO3--N特征在傳統(tǒng)翻耕作用下容易存在淋溶丟失造成地下水污染。

3)Pearson相關(guān)性分析表明總氮的丟失主要來自翻耕引起的土壤團聚體5～8 mm粒級的破碎，釋放該粒級中物理保護的氮素。在脆弱的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中進行農(nóng)業(yè)活動，應(yīng)采用減少土地擾動的保護性耕作(如免耕或低強度翻耕)，從而保護土壤大團聚體，實現(xiàn)土壤氮庫的可持續(xù)性利用。