东北地区玉米田长期免耕土壤碳氮及微生物活性的剖面分布特征.docx

1、文章编号：1005-0906(2009)03-0103-04东北地区玉米田长期免耕土壤碳氮及微生物活性的剖面分布特征黄山I,刘武仁2,殷明1,彭现宪'，张卫建侦(1.南京农业大学应用生态研究所，南京210095;2.吉林省农业科学院，长春130033；3.中国农业科学院作物科学研究所，北京100081)摘要：通过东北玉米田长期定位试验，比较分析r免耕和常规耕翻下土壤碳敏及微生物活性的剖面分布差异。结果表明：长期免耕显著提高了耕层(020cm)土壤有机碳(SOC)含虽,其他各层差异不显著;免耕和翻耕之间,±壤总X(TN)的浓度在各层次上差异均不显著;长期免耕下耕层土壤的碳敏比显

2、著高于翻耕土壤，但其他各层差异不显著;长期免耕下耕层十壤的微生物活性略比翻耕的高，但其他层次基本一致。SOC、TN和微生物活性在整个土壤剖面上呈现类似的趋势，均随土层的加深而降低。耕层上壤的SOC含量是底层(60100cm)的近4倍。关键词：玉米田；免耕；土壤有机碳;微生物活性中图分类号：S513.05文献标识码：AEffectsofLong-termNo-tillageonSoil-profileCharacteristicsofSoilOrganicCarbon,NitrogenandMicrobialActivityinCornFieldofNortheastChinaHUANGShan

3、',LIUWu-ren2,YINMingPENGXian-xian',ZHANGWei-jian,J(1.InstituteofAppliedEcology,NanjingAgricultiiralUniversity,Nanjing20095;2.JilinAcademyofAgriculturalSciences,Changchun130124;3.InstituteofCropScience,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)Abstract:Thisstudyevaluatedrespons

4、esofsoilcarbon,nitrogenandmicrobialactivityinsoilprofilestolong-termNTinacomfieldofNortheastChina.Theresultsshowedthattheconcentrationofsoilorganiccarbon(SOC)wasincreasedintheplowlayer(0-20cm),whilenosignificantdifferencesexistedinothersoillayersbetweendifferenttillageregimes.Concentrationsoftotalni

5、trogen(TN)didnotsignificantlydifferinanylayers.MicrobialactivitywashigherinNTthanthatinCTintheplowlayer,althoughthedifferencewasnotstatisticallysignificant.ThereweresimilartrendsofSOC,TN,andmicrobialactivityinsoilprofiles,decreasingalongwiththeincreasingsoildepth.Consequently,theconcentrationofSOCin

6、theplowlayerwasalmost4timeshigherthanthatinthebottomlayer(60一100cm).Keywords：Comfield;No-tillage;Soilorganiccarbon;Microbialactivity免耕是保护性耕作的核心技术。与传统耕翻相收稿日期：2008-08-14基金项目：国家重点基础研究发展计划(2009CB118601)、中国农业科学院基金项目(082060302-19),新世纪优秀人才计划项日(NCET-05-0492)作者简介：黄山(I983-),男.博士.研究方向为全球变化生态学。E-mail：ncqyfz张II建

7、为本文通讯作者以E-mail:zwj比,免耕能够增加土壤碳储存,是促进土壤固碳的关健措施。土壤有机碳氮是土壤生物生存最重要的营养物质,而土壤碳氮循环是耦合的，因此，影响土壤有机碳动态的土壤耕作措施对土壤氮及地下生物活性也将产生显著影响。土壤微生物活性的变化影响土壤有机质分解和矿化速率。随着保护性耕作在我国大面积推广应用，国内的相关研究也日益增多。以往的研究主要关注免耕下耕作层(030cm)S0C的变化。对深层土壤有机碳，尤其是对土壤碳氮及地下生物活性的综合研究很少。本研究通过长期定位试验，比较分析了东北玉米田不同耕作方式下土壤碳氮及微生物活性在土壤剖面中(0100cm)的分布差异，为准确估算免

8、耕土壤的固碳保氮效应提供理论依据。1材料与方法1.1试验地概况试验地位于吉林省公主岭市吉林省农科院。试验区年平均气温5.6T,年平均降雨星562mm。长期定位试骗开始于1983年，土壤类型为淡黑钙土。设常规翻耕处理(CT,每年耕翻1次，深度为2530cm)、免耕处理(NT,常年不耕作)两种。小区面积为667m2o玉米每年5月初播种，10月初收获。玉米根茬还田，两个处理留茬高度均为2530cm。施肥水平为每年施N225kg/hm2,P2O575kg/hm2,K2O60kg/hm2o于2008年4月玉米种植前采取土壤样品。采样深度为100cm,共分5个层次，即020cm、2130cm、3140cm

9、、4160cm、61100cmo1.2碳氮测定碳氮测定采用传统的化学分析方法。土壤微生物活性以微生物的呼吸强度表示。1.3数据分析采用SPSS软件(SPSSforWindows,Version11.5)进行数据统计分析。于P<0.05水平上进行显著性检验。2结果与分析2.1土壤有机碳(SOC)浓度图1不同处理条件下土填有机碳浓度Fig.1SOCconcentrationswithdifferenttreatments无论是免耕或是翻耕条件下,SOC浓度在整个土壤剖面上均呈递减趋势(图Do长期免耕提高了020cm层次SOC的含量，增幅达到27.7%,其他各层均无显著差异。免耕下020cm土

10、层的SOC浓度显著高于2130cm土层，而翻耕下二者差异不显著。2.2土壤总氮(TN)浓度土壤总氮CTN)浓度的变化趋势与SOC基本一致,均随土层的加深而降低(图2)。但020cm层次上免耕和翻耕处理TN的浓度差异不显著;020cm和2130cm层次之间TN浓度的差异也不显著。总氮浓度kg)TN图2不同处理条件下土埃总氮浓度Fig.2TNconcentrationswithdiflerenltreatments2.3土壤碳氮比(C/N)土壤C/N在整个剖面上呈递减趋势(图3)o由于TN的差异不显著，因此免耕与翻耕处理C/N的差异显示出与SOC相似的状况。免耕0-20cm层次的土壤C/N显著高于

11、翻耕处理,而其他各层差异不显著。长期免耕条件下,020cm层次土壤C/N显著大于2130cm层次，而翻耕处理二者之间差异不显著。02468101214碳氮比C/N图3不同处理条件下土壤碳氮比Fig.3C/Nofsoilwithdifferenttreatments2.4微生物呼吸强度土壤微生物活性以微生物呼吸强度表示，在整个土壤剖面E免耕和翻耕处理呈现相似的特点，即下层土壤微生物活性(4160cm和6】100cm)显著低于表层土壤(020cm)(图4)。虽然表层(020cm)土壤微生物活性免耕高于翻耕处理，而21-30cm层次却呈现相反的趋势，但统计分析均未达到显著水平。其他各土层上土壤微生物

12、活性差异同样不显著。微生物呼吸强度|mg/(kg-d)Microbialrespiration图4不同处理条件下土壤微生物呼吸强度Fig.4Intensityofmicrobialrespirationwithdifferenttreatments3结论与讨论研究结果表明，长期免耕增加了表层(020cm)土壤有机碳(SOC)含量，但对20cm以下各层次均无显著影响。不同耕作方式对土壤碳的影响可能源于以下几个机制:耕作不断地将下层土壤翻到表层，改变了原有土壤的物理条件(温度、水分和透气性等)，并使之经受持续的干湿循环和冻融交替，从而提高了SOC的分解速率。本试验中免耕提高了表层有机碳的浓度，但全

13、氮(TN)浓度并无显著差异，因此，免耕下土壤C/N显著高于翻耕处理，也说明免耕下SOC分解矿化的程度低于翻耕处理。耕作扰动降低了土壤的团聚作用，提高了团聚体的周转速率，从而降低了SOC的物理保护作用。微团聚体对SOC的保护作用更强，而耕翻打破了土壤大团聚体,阻碍了大团聚体内微团聚体的形成，从而降低了新形成的土壤微团聚体对新碳的保护。耕作改变了土壤微生物的群落结构。免耕促进真菌的生长和提高真菌的比例，有利于增加土壤碳储存。因为真菌的菌丝有利于土壤团聚体的形成，从而提高了对SOC的物理保护作用。真菌拥有更高的生长效率，可将更多的碳源用于自身生物最和代谢物的生产，因此，以其菌为主的土壤生态系统能够固

14、定更多的有机碳。虽然统计分析不显著，但免耕处理倾向于增加耕层土壤微生物的活性(即微生物呼吸)。研究还表明，免耕下土壤有机质的质量高于传统耕作，而且免耕能提高微生物生物量,特别是真菌的生物量，可以推定在增加底物有效性的同时也提高了土壤微生物的活性。免耕的固碳效应仅存在于耕层(020cm)土壤。对整个土壤剖面(lOOcm)SOC含量的研究显示,SOC浓度随土层的加深显著下降。表层(020cm)土壤有机碳含量是底层(61100cm)的近4倍。因此，免耕的固碳优势取决于取样的深度，而进行免耕固碳效应评价时必须考虑SOC在更深土壤层次上分布的差异。参考文献：1 DenefK,ZotarelliL,Bod

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24、Am.J.1999.63:1350-1358.22 WrightALHonsFM,Malrx-haJrJE.Tillageimpactsonmicrobialbiomassandsoilcarbonandnitrogendynamicsofcomandcottonro-taiions(J).AppliedSoilEcology,2005.29：85-92.(上接第102页)其他酚类物质，并与CAT和APX共同参与HA的清除;SOD活性降低以保证适当浓度的活性氧的积累，有利于激发过敏性反应和植保素的积累;PAL可能在抗玉米纹枯病中作用不大，也口J能会参与诱导抗病反应,但寄主感病前PAL含成已经比

25、较充分,所以其量不再增加。3.2不同防御酶系之间存在互相协作和彼此抑制的关系植物病原物的致病机制和抗性机制不是单一机制，存在着多种机制甚至是多种机制协同作用的结果。本研究表明，除POD外，其余4种酶系的酶活均值都是叶片高于叶鞘，这在抗、感病材料中都是互相印证的。因此可以认为，在植物感病初期,POD主要在叶鞘部位积累并发挥作用，咐其余4种幅系的主要积累和作用区域则在叶片°POD可能是最先启动的一个防御酶系，在植物感病初期发挥着关键作用，其他酶系可能在一定程度上受到POD的催化而产生。CAT和APX主要在叶片积累，说明这两种酶系的作用区域与其作用机制相符合，可能是共同完成清除也。2的使命

26、，而这两种酶系活性的增强可能抑制了SOD活性的增强。因此SOD在玉米抗纹枯病中以较低的活性保证一定最超氧自由基的存在，以保证寄主抗病性的激发和植保素的积累。3.3苯丙氨酸解氨酶(PAL)在玉米纹枯病中的作用一般认为,PAL活性变化和植物抗病性关系密切，一些学者还提出PAL可作为植物抗病性的一个生理指标。本研究表明,PAL活性在不同抗性品种、(23 DrijberRA.DoranJW.ParkhurstAM,ctal.Changesinsoilmicrobialcommunitystructurewithtillageunderlong-termwheat-fallowmanagementJ.S

27、oilBiol.Biochem.,2000,32:1419-1430.24 ZakDR,RingelbergDB.PregitzerKS,etal.SoilmicrobialcommunitiesbeneathPopulusgrandidcntalagrownunderelevatedatmosphericCOJJJ.Ecol.Appl.,1996,6:257-262.(25 SixJ,FreySD,ThiefRK,etal.BacterialandfungalcontributionsIoC-s«|uestrationinagroecosysten)s(J.SoilSci.Soc.

28、Am.J.,2005,70:555-569.26 FreySD.ElliottET.PaustianK.Bacterialandfungalabundanceandbiomassinconventionalandno-tillageagroecosystemsalongtwoclimaticgradientsJ.SoilBiol.Bi<xhem.,1999,31:573-585.27 王芸.李增样.韩宾，等.保护性耕作时土壤微生物量及活性的影响J.生态学报.2007,27(8):3384-3390.(28 G61A,VynTJ,Mich!iE,etal.Soilcarbonandnitn

29、enaccumulationwithlong-termno-tillversusmoldlxxanlplowingoverestimatedwithtille<l-z<>nesamplingdepthsJJ.SoilTillageRes,2007,96:42-51.(责任编辑：尹航)不同部位感病后均没有太大变化，因此推测其植物原有的PAL可能已经足够其代谢使用。参考文献：1 戚佩坤，等.吉林省栽培植物真菌病害志M.北京:科学出版社，1966.2 SaloY,MurakamiT,FunatsukiH.etal.Heatshock-mediatedAPXgeneexpressionandprotectionagai