1、文章編號：1005-0906(2009)03-0103-04東北地區玉米田長期免耕土壤碳氮及微生物活性的剖面分布特征黃山I,劉武仁2,殷明1,彭現憲'，張衛建偵(1.南京農業大學應用生態研究所，南京210095;2.吉林省農業科學院，長春130033；3.中國農業科學院作物科學研究所，北京100081)摘要：通過東北玉米田長期定位試驗，比較分析r免耕和常規耕翻下土壤碳敏及微生物活性的剖面分布差異。結果表明：長期免耕顯著提高了耕層(020cm)土壤有機碳(SOC)含雖,其他各層差異不顯著;免耕和翻耕之間,±壤總X(TN)的濃度在各層次上差異均不顯著;長期免耕下耕層土壤的碳敏比顯

2、著高于翻耕土壤，但其他各層差異不顯著;長期免耕下耕層十壤的微生物活性略比翻耕的高，但其他層次基本一致。SOC、TN和微生物活性在整個土壤剖面上呈現類似的趨勢，均隨土層的加深而降低。耕層上壤的SOC含量是底層(60100cm)的近4倍。關鍵詞：玉米田；免耕；土壤有機碳;微生物活性中圖分類號：S513.05文獻標識碼：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免耕是保護性耕作的核心技術。與傳統耕翻相收稿日期：2008-08-14基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(2009CB118601)、中國農業科學院基金項目(082060302-19),新世紀優秀人才計劃項日(NCET-05-0492)作者簡介：黃山(I983-),男.博士.研究方向為全球變化生態學。E-mail：ncqyfz張II建

7、為本文通訊作者以E-mail:zwj比,免耕能夠增加土壤碳儲存,是促進土壤固碳的關健措施。土壤有機碳氮是土壤生物生存最重要的營養物質,而土壤碳氮循環是耦合的，因此，影響土壤有機碳動態的土壤耕作措施對土壤氮及地下生物活性也將產生顯著影響。土壤微生物活性的變化影響土壤有機質分解和礦化速率。隨著保護性耕作在我國大面積推廣應用，國內的相關研究也日益增多。以往的研究主要關注免耕下耕作層(030cm)S0C的變化。對深層土壤有機碳，尤其是對土壤碳氮及地下生物活性的綜合研究很少。本研究通過長期定位試驗，比較分析了東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)的分布差異，為準確估算免

8、耕土壤的固碳保氮效應提供理論依據。1材料與方法1.1試驗地概況試驗地位于吉林省公主嶺市吉林省農科院。試驗區年平均氣溫5.6T,年平均降雨星562mm。長期定位試騙開始于1983年，土壤類型為淡黑鈣土。設常規翻耕處理(CT,每年耕翻1次，深度為2530cm)、免耕處理(NT,常年不耕作)兩種。小區面積為667m2o玉米每年5月初播種，10月初收獲。玉米根茬還田，兩個處理留茬高度均為2530cm。施肥水平為每年施N225kg/hm2,P2O575kg/hm2,K2O60kg/hm2o于2008年4月玉米種植前采取土壤樣品。采樣深度為100cm,共分5個層次，即020cm、2130cm、3140cm

9、、4160cm、61100cmo1.2碳氮測定碳氮測定采用傳統的化學分析方法。土壤微生物活性以微生物的呼吸強度表示。1.3數據分析采用SPSS軟件(SPSSforWindows,Version11.5)進行數據統計分析。于P<0.05水平上進行顯著性檢驗。2結果與分析2.1土壤有機碳(SOC)濃度圖1不同處理條件下土填有機碳濃度Fig.1SOCconcentrationswithdifferenttreatments無論是免耕或是翻耕條件下,SOC濃度在整個土壤剖面上均呈遞減趨勢(圖Do長期免耕提高了020cm層次SOC的含量，增幅達到27.7%,其他各層均無顯著差異。免耕下020cm土

10、層的SOC濃度顯著高于2130cm土層，而翻耕下二者差異不顯著。2.2土壤總氮(TN)濃度土壤總氮CTN)濃度的變化趨勢與SOC基本一致,均隨土層的加深而降低(圖2)。但020cm層次上免耕和翻耕處理TN的濃度差異不顯著;020cm和2130cm層次之間TN濃度的差異也不顯著。總氮濃度kg)TN圖2不同處理條件下土埃總氮濃度Fig.2TNconcentrationswithdiflerenltreatments2.3土壤碳氮比(C/N)土壤C/N在整個剖面上呈遞減趨勢(圖3)o由于TN的差異不顯著，因此免耕與翻耕處理C/N的差異顯示出與SOC相似的狀況。免耕0-20cm層次的土壤C/N顯著高于

11、翻耕處理,而其他各層差異不顯著。長期免耕條件下,020cm層次土壤C/N顯著大于2130cm層次，而翻耕處理二者之間差異不顯著。02468101214碳氮比C/N圖3不同處理條件下土壤碳氮比Fig.3C/Nofsoilwithdifferenttreatments2.4微生物呼吸強度土壤微生物活性以微生物呼吸強度表示，在整個土壤剖面E免耕和翻耕處理呈現相似的特點，即下層土壤微生物活性(4160cm和6】100cm)顯著低于表層土壤(020cm)(圖4)。雖然表層(020cm)土壤微生物活性免耕高于翻耕處理，而21-30cm層次卻呈現相反的趨勢，但統計分析均未達到顯著水平。其他各土層上土壤微生物

12、活性差異同樣不顯著。微生物呼吸強度|mg/(kg-d)Microbialrespiration圖4不同處理條件下土壤微生物呼吸強度Fig.4Intensityofmicrobialrespirationwithdifferenttreatments3結論與討論研究結果表明，長期免耕增加了表層(020cm)土壤有機碳(SOC)含量，但對20cm以下各層次均無顯著影響。不同耕作方式對土壤碳的影響可能源于以下幾個機制:耕作不斷地將下層土壤翻到表層，改變了原有土壤的物理條件(溫度、水分和透氣性等)，并使之經受持續的干濕循環和凍融交替，從而提高了SOC的分解速率。本試驗中免耕提高了表層有機碳的濃度，但全

13、氮(TN)濃度并無顯著差異，因此，免耕下土壤C/N顯著高于翻耕處理，也說明免耕下SOC分解礦化的程度低于翻耕處理。耕作擾動降低了土壤的團聚作用，提高了團聚體的周轉速率，從而降低了SOC的物理保護作用。微團聚體對SOC的保護作用更強，而耕翻打破了土壤大團聚體,阻礙了大團聚體內微團聚體的形成，從而降低了新形成的土壤微團聚體對新碳的保護。耕作改變了土壤微生物的群落結構。免耕促進真菌的生長和提高真菌的比例，有利于增加土壤碳儲存。因為真菌的菌絲有利于土壤團聚體的形成，從而提高了對SOC的物理保護作用。真菌擁有更高的生長效率，可將更多的碳源用于自身生物最和代謝物的生產，因此，以其菌為主的土壤生態系統能夠固

14、定更多的有機碳。雖然統計分析不顯著，但免耕處理傾向于增加耕層土壤微生物的活性(即微生物呼吸)。研究還表明，免耕下土壤有機質的質量高于傳統耕作，而且免耕能提高微生物生物量,特別是真菌的生物量，可以推定在增加底物有效性的同時也提高了土壤微生物的活性。免耕的固碳效應僅存在于耕層(020cm)土壤。對整個土壤剖面(lOOcm)SOC含量的研究顯示,SOC濃度隨土層的加深顯著下降。表層(020cm)土壤有機碳含量是底層(61100cm)的近4倍。因此，免耕的固碳優勢取決于取樣的深度，而進行免耕固碳效應評價時必須考慮SOC在更深土壤層次上分布的差異。參考文獻：1 DenefK,ZotarelliL,Bod

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18、ynamicstophysicalprotectionandtillagcJ.SoilTillageRes,2000.53:215-230.8 BakerJM,OchsnerTE,VentereaRT,etal.Tillageandsoilcarbonrequestration-whatdowereallyknow?J.AgricEcosystEnviron*2007.118:1-5.9jKernJS.JohnsonMG.ConservationtillageimpactsonnationalsoilandatmosphericcarbonlevelsJ.SoilSci.Soc.Am.J.t1

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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頁)其他酚類物質，并與CAT和APX共同參與HA的清除;SOD活性降低以保證適當濃度的活性氧的積累，有利于激發過敏性反應和植保素的積累;PAL可能在抗玉米紋枯病中作用不大，也口J能會參與誘導抗病反應,但寄主感病前PAL含成已經比

25、較充分,所以其量不再增加。3.2不同防御酶系之間存在互相協作和彼此抑制的關系植物病原物的致病機制和抗性機制不是單一機制，存在著多種機制甚至是多種機制協同作用的結果。本研究表明，除POD外，其余4種酶系的酶活均值都是葉片高于葉鞘，這在抗、感病材料中都是互相印證的。因此可以認為，在植物感病初期,POD主要在葉鞘部位積累并發揮作用，咐其余4種幅系的主要積累和作用區域則在葉片°POD可能是最先啟動的一個防御酶系，在植物感病初期發揮著關鍵作用，其他酶系可能在一定程度上受到POD的催化而產生。CAT和APX主要在葉片積累，說明這兩種酶系的作用區域與其作用機制相符合，可能是共同完成清除也。2的使命

26、，而這兩種酶系活性的增強可能抑制了SOD活性的增強。因此SOD在玉米抗紋枯病中以較低的活性保證一定最超氧自由基的存在，以保證寄主抗病性的激發和植保素的積累。3.3苯丙氨酸解氨酶(PAL)在玉米紋枯病中的作用一般認為,PAL活性變化和植物抗病性關系密切，一些學者還提出PAL可作為植物抗病性的一個生理指標。本研究表明,PAL活性在不同抗性品種、(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 王蕓.李增樣.韓賓，等.保護性耕作時土壤微生物量及活性的影響J.生態學報.2007,27(8):3384-3390.(28 G61A,VynTJ,Mich!iE,etal.Soilcarbonandnitn

29、enaccumulationwithlong-termno-tillversusmoldlxxanlplowingoverestimatedwithtille<l-z<>nesamplingdepthsJJ.SoilTillageRes,2007,96:42-51.(責任編輯：尹航)不同部位感病后均沒有太大變化，因此推測其植物原有的PAL可能已經足夠其代謝使用。參考文獻：1 戚佩坤，等.吉林省栽培植物真菌病害志M.北京:科學出版社，1966.2 SaloY,MurakamiT,FunatsukiH.etal.Heatshock-mediatedAPXgeneexpressionandprotectionagai