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当前,资源缺乏和环境破坏的矛盾日益突出,节约资源和保护环境成为影响经济发展、社会进步的重要课题这就使免耕技术有了新的发展空间。免耕具有省时、省力、减少土壤侵蚀、增加土壤水分含量和水分有效性等优点,成为近年来广受推广应用的农作方法。农业耕作措施的改变,使土壤结构产生较大的变化,土壤团聚体是土壤结构的基本单位,是土壤养分的储存库和各种微生物的生境。因此有必要加强耕作措施、土壤结构和土壤微生物之间相互作用的研究。本文利用中国科学院封丘农业生态国家实验站玉米-小麦轮作免耕与单季免耕定位试验平台,免耕与秸秆还田定位试验平台,研究免耕和秸秆还田对潮土不同粒级团聚体的分布、有机碳含量、土壤酶活性、细菌群落结构和功能多样性以及丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌群落结构和生态功能的影响。并进一步通过盆栽试验,探讨接种AM真菌和添加秸秆对团聚体形成的影响,以期为免耕技术的推广和应用提供相应的微生物学依据。
比较不同土层深度和不同管理年限团聚体分布及团聚体有机碳含量的变化。结果发现,与翻耕相比,免耕潮土>250μm粒级团聚体显著增加(p<0.05),50~2μm粒级团聚体显著减少(p<0.05),而同一处理0~10 cm和10~20 cm土层深度没有明显差异,不同管理年限也没有明显差异。与翻耕相比,免耕潮土50~2μm和<2μm粒级团聚体有机碳含量没有明显变化,而>250μm和250~50μm粒级团聚体中有机碳含量显著增加(p<0.05),且>250μm粒级团聚体中有机碳的增加更为明显。与平台运行5季相比,平台运行8季后各处理<50μm粒级团聚体有机碳含量呈增加趋势。由翻耕改为免耕后,250~50μm粒级取代50~2μm粒级成为对土壤有机碳总量贡献最大的团聚体粒组。
对团聚体细菌群落结构和功能多样性的研究表明,免耕250~50μm和<2μm粒级团聚体细菌数量显著高于翻耕(p<0.05),团聚体细菌指纹图谱显示不同耕作方式下各粒级团聚体细菌群落结构差异较大,其中免耕>250μm粒级团聚体条带强度最高,并且存在一些特异性条带。聚类分析结果表明50~2μm和<2μm粒级团聚体下不同耕作方式细菌群落相似度较高。Biolog结果显示,免耕处理250~50μm和<2μm团聚体细菌碳代谢活性在整个培养时期低于翻耕处理,且免耕和翻耕不同粒级团聚体细菌碳代谢特征存在较大分异。
免耕对团聚体AM真菌种群丰度和群落结构产生存明显影响:与翻耕处理相比,免耕团聚体AM真菌数量趋于增加,其中>50μm粒级团聚体AM真菌数量显著增加(p<0.05),且免耕使团聚体AM真菌的群落结构也产生了较大变化。系统发育树显示,团聚体AM真菌中球囊霉属(Glomus)为优势属,还有一些为原囊霉属(Archeaospora),并且不同粒级团聚体中都存在一些特有的AM真菌种属。易浸提球囊霉素(EEG)和总球囊霉素(TG)含量在团聚体中均呈“V”型分布,这与团聚体有机碳含量分布规律非常相似。免耕处理250~50μm粒级团聚体中EEG和TG显著高于翻耕处理。
免耕50%秸秆还田和100%秸秆还田>250μm粒级团聚体相比翻耕秸秆还田处理显著增加(p<0.05),其他粒级团聚体各处理之间差异不明显。免耕秸秆还田>250μm、250~50μm和<2μm粒级团聚体中有机碳含量显著增加(p<0.05),且团聚体中脱氢酶和转化酶活性显著增加(p<0.05),而翻耕秸秆还田团聚体中土壤酶活性增加幅度较小。免耕秸秆还田各粒级团聚体易浸提球囊霉素和总球囊霉素均显著高于(p<0.05)无秸秆还田处理。Biolog结果显示,>250μm和50~2μm粒级团聚体免耕100%秸秆还田微生物功能多样性呈下降趋势,其他处理之间差异不明显。
采用温室盆栽试验,研究接种AM真菌和添加秸秆对土壤团聚体形成的影响。结果表明,接种AM真菌(Glomus caledonium)后>250μm粒级团聚体显著增加,250~50μm粒级团聚体显著减少,而添加秸秆效果不明显。添加秸秆后团聚体中有机碳含量呈增加趋势,250~50μm粒级团聚体和<2μm粒级团聚体有机碳含量显著增加,而接种AM真菌对团聚体中有机碳含量没有明显影响。接种AM真菌并添加秸秆后<2μm粒级团聚体球囊霉素含量显著增加,对总球囊霉素的提升效果更为明显。
综上所述,由传统耕作改为免耕后,大粒级团聚体增加,团聚体中有机碳含量也相应增加,团聚体细菌群落多样性和AM真菌群落多样性提高;秸秆还田后使免耕团聚体中土壤脱氢酶和转化酶活性提高,球囊霉素含量增加;接种AM真菌在一定程度上能改善土壤结构。