鄱陽湖不同耕作時(shí)間水稻土微生物量碳比較*

張 翌，徐祥明，冷 雄，黃 艷

(贛南師范大學(xué) 地理與規(guī)劃學(xué)院，江西 贛州 341000)

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·贛江流域資源與環(huán)境·

鄱陽湖不同耕作時(shí)間水稻土微生物量碳比較*

張 翌，徐祥明?，冷 雄，黃 艷

(贛南師范大學(xué) 地理與規(guī)劃學(xué)院，江西 贛州 341000)

采集鄱陽湖湖積母質(zhì)水稻土剖面樣品，比較不同土層深度水稻土微生物量碳變化特征及不同耕作時(shí)間下水稻土微生物量碳剖面總含量.結(jié)果表明：(1)水稻土微生物量碳含量剖面分布變化規(guī)律為：土層越深，含量越低，其中耕作層微生物碳量均占到了50%以上；(2)水稻耕種時(shí)間越長，土壤的微生物量碳含量越高，但不同耕作年限的增幅有所差異：與30年耕作時(shí)間水稻土比較，50年耕作時(shí)間水稻土的增幅達(dá)40.87%，70年耕作時(shí)間較50年水稻土的增幅為31.83%，而90年耕作時(shí)間較70年水稻土微生物量碳的增幅則為17.54%；(3)隨著水稻土耕作時(shí)間的推移，土壤的有機(jī)碳總量、含水量上升，土壤的黏粒比重有所下降，這有利于改善土壤微生物的生存環(huán)境，進(jìn)而提高土壤的微生物量碳含量.

耕作時(shí)間；水稻土；微生物量碳

土壤微生物是存在于地球地表以下最為主要和龐大的生命形式,在土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與流通中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1].土壤中85%-90%有機(jī)質(zhì)的分解都是在微生物的作用下促成的[2].土壤微生物對土壤的形成和發(fā)育尤其是土壤有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化具有極其重要意義[3].土壤微生物量碳約占土壤有機(jī)碳總量的1%-5%，但在全球碳循環(huán)中具有不可替代的作用，對研究土壤質(zhì)量和全球氣候環(huán)境變化具有十分重要的意義；并且，土壤微生物量碳作為可進(jìn)一步反映土壤微生物量活性及各種養(yǎng)分周轉(zhuǎn)過程的一項(xiàng)指標(biāo)，能較好地評價(jià)土壤微生物數(shù)量和活性 ，逐漸成為國內(nèi)土壤生物學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[4].

近年來，國內(nèi)學(xué)者對土壤微生物量碳開展了大量的科學(xué)工作：周衛(wèi)軍[5]等人對不同母質(zhì)下發(fā)育的稻田生態(tài)系統(tǒng)微生物量碳的變化趨勢進(jìn)行了分析；呂麗平等人從不同溫度和水分培養(yǎng)條件出發(fā)，揭示不同氣候條件下土壤微生物量碳的變化規(guī)律[6]；楊剛等人針對四種植被類型的土壤微生物量碳進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤微生物量碳含量次生林>成熟林>灌叢>草叢[7]；宇萬太、劉文娜、黃雪夏等人從不同土地利用方式對土壤微生物量碳的影響上進(jìn)行分析考察[8-10]；孫建等人研究并分析了不同耕作方式下土壤微生物量碳的影響[11]；宇萬太[12]等人還從不同的施肥制度來闡述了土壤微生物量碳的變化規(guī)律.因此，綜合已有研究來看，水稻土微生物量碳受到自然條件(母質(zhì)、氣候、植被狀況)以及人類活動(耕作、土地利用、施肥措施)等多種因素影響.水稻土是以種植水稻為主，經(jīng)過人為水耕熟化而形成的一種特殊土壤，屬人為土綱中的三大土類之一[3].我國水稻種植由來已久，水稻種植面積分布廣泛.根據(jù)道庫恰耶夫的成土因素學(xué)說，時(shí)間是影響土壤形成與發(fā)育的五大要素之一.而已有的研究也表明，水稻土耕作時(shí)間的長短對土壤的發(fā)育狀況、有機(jī)碳儲量及其理化性質(zhì)均有不同程度的影響[13-16]，但有關(guān)時(shí)間對土壤微生物量影響的報(bào)道較少.在同一區(qū)域內(nèi)氣候、植被、母質(zhì)等自然條件基本相同，且該區(qū)域采取的耕作制度、施肥措施、利用方式無明顯差異的情況下，水稻土的耕作時(shí)間可以認(rèn)為是影響區(qū)域水稻土發(fā)育的主導(dǎo)因素.本文通過研究鄱陽湖流域不同耕作年限與水稻土微生物量碳之間的相關(guān)性，試圖從理論上說明時(shí)間因素對土壤微生物量碳的影響.這對進(jìn)一步豐富土壤碳循環(huán)以及農(nóng)業(yè)土壤的可持續(xù)利用等相關(guān)研究具有理論意義，同時(shí)，也為鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及土地的合理利用提供理論依據(jù)和參考意見.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣品采集

研究區(qū)位于江西省鄱陽湖平原，該區(qū)域?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候.夏季炎熱，降水充沛，雨熱同期；冬季寒冷，四季分明，年均降水量達(dá)800-1 600 mm左右.鄱陽湖流域?yàn)榈湫偷膫鹘y(tǒng)水稻種植區(qū)，水稻種植歷史悠久、經(jīng)驗(yàn)豐富.本研究以不同耕作年限的水稻土為研究對象.根據(jù)查詢鄱陽湖圍墾歷史資料、實(shí)地走訪以及攔洪壩建立的時(shí)間，確定采樣點(diǎn)水稻土的大致耕作時(shí)間為30、50、70、90年.所選樣品采集地的地形、氣候、母質(zhì)(湖積母質(zhì))、耕作方式等條件均大致相同.土樣所選定的采樣點(diǎn)無積水，于春冬季翻耕之前的休耕期進(jìn)行采集、挖掘剖面.并根據(jù)土壤剖面的顏色、結(jié)構(gòu)、緊實(shí)度和層間接觸關(guān)系等劃分土壤發(fā)生層，按照發(fā)生層在不同土壤深度分層采樣，最后將新鮮土樣帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏保鮮，并對土壤微生物量碳進(jìn)行測定.

表1 采樣點(diǎn)地理環(huán)境及基本理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

土壤容重采用烘干法，pH采用電極法，土壤粘粒含量采用激光粒度儀，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法，土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取法[17-18].土壤微生物量碳氯仿熏蒸浸提法(FI)的測定：稱取25.0克新鮮濕潤土樣2份，一起放入同一真空干燥器中，取約50 mL無水乙醇，用少量凡士林密封干燥器，用真空泵抽氣至氯仿沸騰并保持至少2 min.土樣熏蒸處理后將其放入黑暗條件下培養(yǎng)24 h；稱取2份同等重量的不進(jìn)行熏蒸處理的土樣，同樣放入黑暗條件下培養(yǎng)24小時(shí).培養(yǎng)結(jié)束后，將熏蒸和未熏蒸的土樣轉(zhuǎn)移到250 mL三角瓶中并均加入100 mL硫酸鉀溶液在恒溫振蕩器上振蕩30 min，過濾.吸取浸出液5 mL加入2 mL重鉻酸鉀、5 mL濃硫酸及少許沸石，進(jìn)行油?。淮捎诶鋮s后加去離子水至60-70 mL，加2-3滴鄰菲羅啉指示劑，用硫酸亞鐵滴定剩余的重鉻酸鉀.準(zhǔn)確讀取并記錄下滴定數(shù)值.再進(jìn)行如下計(jì)算：

1.3 土壤微生物量碳的計(jì)算

1.3.1 有機(jī)碳的計(jì)算

W(c)=(V0-V1)×c×3×ts×1000/m式中：W(c)——有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg﹒Kg-1；V0——滴定空白樣時(shí)所消耗的FeSO4體積，mL； V1—滴定樣品時(shí)所消耗的FeSO4體積，mL； C—FeSO4溶液的濃度，mol·L-1； 3—碳(C×1/4)的毫摩爾質(zhì)量，M(C×1/4)=3mg/mmol； 1000—轉(zhuǎn)換為Kg的系數(shù)；ts——稀釋倍數(shù)； m—烘干土質(zhì)量，kg.

1.3.2 土壤微生物量碳的計(jì)算W(c)=Ec/KEC

式中：W(c)—微生物量碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1； Ec—熏蒸土樣有機(jī)碳量與未熏蒸土樣有機(jī)碳量之差，mg·kg-1； KEC—氯仿熏蒸殺死的微生物體中的碳(C)被浸提出來的比例，一般取0.38.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層深度水稻土微生物量碳變化特征

圖1 不同耕作時(shí)間水稻土微生物量碳剖面分布

不同耕作時(shí)間下四種水稻土微生物量碳剖面分布結(jié)果如圖1所示.從中可以得出，四種不同耕作時(shí)間的水稻土微生物量碳剖面總體上均呈現(xiàn)出土壤微生物量碳含量隨土層深度增加而遞減的分布趨勢，微生物量碳主要富集在耕作層和犁底層，其中耕作層的微生物量碳含量均占到各自剖面的50%，與已有的相關(guān)研究結(jié)果相一致[19-20]；而就各剖面土壤耕作層和犁底層(各剖面的第一和第二個土層)的微生物量碳來看，其受耕作時(shí)間的影響最為明顯；同時(shí)在不同耕作時(shí)間其土壤微生物量碳上也存在較大的差異，表現(xiàn)為耕作時(shí)間越長，其含量相應(yīng)越高.而其它土壤層次的微生物量碳受耕作時(shí)間影響相對不大，不同耕作時(shí)間其土壤微生物量碳差異很小.這很大程度上是因?yàn)?，不同耕作時(shí)間水稻土的表層土壤與大氣廣泛接觸，具有良好的供氧、水熱條件；此外，水稻耕作主要集中在耕作層和犁底層，因此越往表層，作物的根系及土壤中的其他生物殘?bào)w累積越多；從而使得表層土的微生物活動較其下的土層更為活躍.

2.2 不同耕作時(shí)間水稻土微生物量碳剖面總含量比較

圖2 不同耕作時(shí)間水稻土微生物量碳含量

不同耕作時(shí)間的水稻土微生物量碳剖面(按1 m厚度計(jì)算)分布特征如圖2，結(jié)果顯示：耕作時(shí)間為30年的土壤剖面微生物量碳總含量最低，為316.64 mg·kg-1，耕作時(shí)間50年的水稻土微生物量碳總量為553.27 mg·kg-1，70年耕作年限的水稻土微生物量碳總量為1 263.85 mg·kg-1,具有90年耕作歷史的水稻土微生物量碳總含量最高，達(dá)1 508.08 mg·kg-1.表明水稻土耕作時(shí)間的長短對微生物量碳總量具有較為顯著的影響，表現(xiàn)為水稻土剖面微生物量碳總量隨耕作年限增加而呈遞增的趨勢.從四川盆地以及內(nèi)蒙古等地區(qū)水稻土微生物量碳的相關(guān)研究來看也有相同的結(jié)果[10-11].這說明長期的耕作有助于改善土壤結(jié)構(gòu)、孔隙及水熱條件，且可以提高土壤的潛在肥力和供肥水平，進(jìn)而增加土壤的微生物的數(shù)量和種類.但與胡君利等人在關(guān)于浙江慈溪水稻土微生物量碳的含量隨耕作年限下降的研究結(jié)果不同[21]，究其原因，是因?yàn)楹笳哐芯康牟煌髂晗奁鋾r(shí)間跨度較大，研究對象選取為50、500、700、1 000、2 000年的古水稻土，而土壤微生物生命周期短，更新快，時(shí)間跨度太大對微生物量的影響并不大.

2.3 水稻土微生物量碳影響因素分析

表2 不同耕作年限水稻土耕作層基本理化性質(zhì)

表1和表2為四種不同耕作年限水稻土地理環(huán)境及基本理化性質(zhì).結(jié)果表明，四種不同耕作年限水稻土有機(jī)碳總量含量均呈現(xiàn)出隨耕作年限延長而遞增的分布特征，但增幅有所下降，50年較30年水稻土的增幅達(dá)40.87%，70年水稻土的增幅為31.83%，而90年水稻土微生物量碳的增幅則為17.54%.說明隨著時(shí)間的推移，土壤中的有機(jī)碳有逐漸趨于穩(wěn)定的態(tài)勢[15]；50%的水稻土微生物量碳均集中在耕作層，從不同耕作年限水稻土耕作層的有機(jī)碳、黏粒含量、含水量及容重來看，耕作時(shí)間越長，耕作層土壤呈現(xiàn)出其有機(jī)碳含量和含水量增加、粘粒含量和容重下降的趨勢.但由于90年的水稻土地下水位(95 cm)相比70年的地下水位(115 cm)高出30 cm，其耕作層受地下水影響更為明顯，容易黏重滯水，土壤孔隙垂直運(yùn)動受到限制，進(jìn)而影響表層土黏粒下移，因而黏粒含量反較70年水稻土更高.而所選取的50年水稻土的采樣地為一季耕且較缺水，其含水量較30年的更?。灰患靖碌母魍寥朗芊奢^少從而在一定程度上抑制了土壤的呼吸和熟化，其土壤容重偏大.相關(guān)研究也表明，微生物量碳與土壤有機(jī)碳[19]、顆粒成分(尤其是黏粒比重)[16]、水分關(guān)系密切[6]，同土壤容重具有一定的相關(guān)性[22].隨著耕作時(shí)間的推移，表層的黏粒含量下降，土壤的通氣透水性增強(qiáng)，土溫較為穩(wěn)定，宜于作物根系、微生物的生長.同時(shí)，耕作時(shí)間越長，有利于改善土壤的水分條件，幫助有機(jī)質(zhì)的積累，提高土壤的熟化程度，增強(qiáng)土壤的生物活性.以上均說明耕作時(shí)間增加有助于水稻土微生物量碳的提高.四種不同耕作年限下的水稻土均為湖積母質(zhì)發(fā)育的酸性土壤.

3 結(jié)論

通過對四種不同耕作年限的水稻土微生物量碳剖面分布、特征和土壤的有機(jī)碳總量、含水量、容重及pH等理化性質(zhì)進(jìn)行分析比較，得出如下結(jié)論：水稻土微生物量碳隨土層深度加深而減少；耕作時(shí)間越長，土壤微生物量碳含量越高；隨著水稻土耕作時(shí)間的推移，呈現(xiàn)出土壤的有機(jī)碳總量，耕作層的含水量增加、黏粒含量下降，土壤的熟化程度越高的特征趨勢.表明耕作時(shí)間的延長，有助于改善土壤的肥力和生物活性狀況，從而增加土壤的微生物量碳.

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A Comparative Study on Microbial Biomass Carbon of Paddy Soils among Different Cultivated Years in Poyang Lake Area

ZHANG Yi, XU Xiangming, LENG Xiong, HUANG Yan

(SchoolofGeographyandPlanning,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

The section samples of paddy soil derived from lake sediment in Poyang Lake were collected to conduct to a comparative study which is worked on change characteristics of microbial biomass carbon at different depth of paddy soil, the total section content of microbial biomass carbon in paddy soil cultivated at different periods as well. The results showed that：(1)The distribution of the microbial biomass carbon content in sections is that the deeper the soil is, the lower the content is. Particularly, the microbial biomass carbon content in plough horizon accounts for over 50%. (2) With the cultivation years growing, the content of microbial biomass carbon increases. But there are different variation ranges for paddy soil with different cultivation years. Compared with the paddy soil cultivated for 30 years, one for 50 years has the microbial biomass carbon content increased by 40.87%. While one for 70 years is increased by 31.83% compared with that for 50 years, and one for 90 years increases by 17.54% compared with that for 70 years. (3)With the cultivation time goes by, the total content of organic carbon and water in soil will be increased and the proportion of clay in the soil will be decreased. Which is beneficial to improve the living condition of soil microbes. The content of soil microbial biomass carbon will be increased accordingly.

cultivation time; paddy soil; microbial biomass carbon

2016-09-18

10.13698/j.cnki.cn36-1346/c.2016.06.025

國家自然科學(xué)基金(41301226)；國家級和贛南師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510418004)

張翌(1994-)，女，江西吉安人，贛南師范大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院2013級本科生，研究方向：土壤生態(tài)學(xué).

http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20161209.1521.054.html

S153.6

A

1004-8332(2016)06-0104-04

? 通訊作者：徐祥明，贛南師范大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：土壤生態(tài)學(xué).