農(nóng)業(yè)利用對(duì)毛烏素沙地土壤碳氮含量及微生物量的影響

薛英龍，李春越*，王益，苗雨，常順

（1.陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安710119；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安710061）

隨著城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的發(fā)展，我國(guó)面臨著農(nóng)業(yè)土地生產(chǎn)力不足、可耕作土地日益減少等問(wèn)題，糧食需求增長(zhǎng)和耕地資源匱乏已成為制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要影響因素[1]。近年來(lái)，為緩解干旱半干旱地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口壓力，促進(jìn)荒漠區(qū)水土資源的大規(guī)模開發(fā)利用，使得人工綠洲不斷向外圍的荒漠區(qū)域擴(kuò)大[2]，導(dǎo)致大面積的沙地、戈壁向綠洲農(nóng)田轉(zhuǎn)變，但由于現(xiàn)有農(nóng)田開墾年限的延長(zhǎng)，以及不合理的土地利用等農(nóng)田管理措施引發(fā)的土壤酸化、板結(jié)和肥力下降等問(wèn)題也日趨嚴(yán)重[3]。

合理的農(nóng)業(yè)利用方式能夠增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力、改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力[4]，滿足多種作物不同的生長(zhǎng)需求。不合理的農(nóng)業(yè)利用方式會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和生產(chǎn)力下降[5]、加重土壤侵蝕、降低微生物群落的多樣性和豐富度[6]。自20 世紀(jì)50年代開始，我國(guó)干旱半干旱地區(qū)經(jīng)歷了持久的沙地農(nóng)田土地開發(fā)[7-8]，并已取得較好的成績(jī)[9]。劉任濤等[10]對(duì)科爾沁沙地研究后發(fā)現(xiàn)，對(duì)水澆農(nóng)田實(shí)行保護(hù)性耕作和精細(xì)管理，有利于沙地土壤環(huán)境改善與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。周曉兵等[11]研究表明，塔克拉瑪干荒漠綠洲過(guò)渡帶植物普遍缺少氮素，而土地利用在一定程度上緩解了這種氮素匱乏。蘇永中等[9]研究表明，荒漠沙地開墾為農(nóng)田后，隨著開墾年限的增加，雖然顯著改善了土壤肥力，但該區(qū)域土壤肥力仍處于較低水平。

毛烏素沙地處于我國(guó)北方的半干旱地區(qū)，是以畜牧業(yè)為主的草地、林業(yè)、農(nóng)業(yè)組成的復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)地區(qū)，地表水資源匱乏、植被覆蓋率低、易受人為活動(dòng)干擾及土壤風(fēng)蝕退化嚴(yán)重等直接導(dǎo)致毛烏素沙地生態(tài)環(huán)境脆弱[12]。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者基于不同試驗(yàn)區(qū)域研究了農(nóng)業(yè)利用方式對(duì)沙地農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響[13-14]，表明若有合理的土地利用方式，并且選用適宜的耕作管理措施，則可通過(guò)增加土壤碳氮儲(chǔ)量而影響該區(qū)域生境質(zhì)量；反之，土地過(guò)度利用則會(huì)降低土壤質(zhì)量，從而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降。目前關(guān)于毛烏素沙地土地利用和管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響已經(jīng)進(jìn)行了初步探索，但就不同農(nóng)業(yè)利用類型及其方式變化對(duì)土壤質(zhì)量和微生物特性影響的研究報(bào)道較少。由于毛烏素沙地土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱，而植被變化、土地利用方式改變是土壤質(zhì)量變化的重要驅(qū)動(dòng)力。因此，本文以毛烏素治沙造林基地中明沙樣地為對(duì)照，選取不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)（小麥、水稻、旱稻）、設(shè)施農(nóng)業(yè)（黑莓、藍(lán)靛果花楸、葡萄）、集約化農(nóng)業(yè)（馬鈴薯）為試驗(yàn)樣地，在系統(tǒng)分析沙地農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤碳、氮含量和微生物生物量影響的基礎(chǔ)上，運(yùn)用冗余分析和相關(guān)性分析研究了土壤各理化因子和微生物生物量的相關(guān)性，研究有助于深入理解毛烏素沙地土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子間的作用機(jī)制，以期為綠洲農(nóng)田選用合理的農(nóng)業(yè)利用類型和方式提供理論依據(jù)，也為維護(hù)沙地土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣點(diǎn)位于毛烏素沙地東南緣陜西省神木市圪丑溝流域的毛烏素生態(tài)試驗(yàn)站（38°10′ ～39°05′ N，109°40′～110°30′E），基地總面積約700 km2，位于毛烏素沙漠深處的禿尾河源頭。該區(qū)土壤類型以風(fēng)沙土為主，土質(zhì)疏松瘠薄、抗風(fēng)蝕性能差，春季干旱，易出現(xiàn)大風(fēng)和寒潮。屬干旱半干旱大陸氣候，多年平均降水量440.8 mm，平均蒸發(fā)量2 092 mm，為降水量的4.7 倍。年平均氣溫7.8 ℃，最高月（7 月）平均氣溫23.9 ℃，最低月（1 月）平均氣溫-9.8 ℃。區(qū)內(nèi)風(fēng)沙天氣頻繁，春、秋兩季西北風(fēng)盛行，平均風(fēng)速2.4 m·s-1，最大風(fēng)速19 m·s-1。

毛烏素沙地經(jīng)大面積開發(fā)利用后形成了草地、林地和農(nóng)田的鑲嵌景觀，本試驗(yàn)選取了該區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中比較典型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、集約化農(nóng)業(yè)利用類型進(jìn)行分析，不同農(nóng)業(yè)利用類型下不同農(nóng)業(yè)利用方式主要為：馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、小麥（Triticum aestivumL.）、水稻（Oryza sativaL.）、旱稻（Upland rice）、黑莓（Graptopetalum blackberry）、藍(lán)靛果花楸（Lonicera caeruleaL. var. edulis Turcz. ex Herd.）、葡萄（Vitis viniferaL.），共7 種開墾年限為15 a 的代表性農(nóng)業(yè)作物，代表了毛烏素沙地典型的自然條件相同而農(nóng)業(yè)利用類型和方式不同的土地類型。

1.2 樣品采集

試驗(yàn)樣品采集于2017年7月，本研究以自然沙地為對(duì)照（CK），選取小麥（TA）、水稻（OS）、旱稻（UR）、黑莓（GB）、藍(lán)靛果花楸（LC）、葡萄（VV）、馬鈴薯（ST），共8 種目標(biāo)樣地的土壤樣品（表1）。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植區(qū)按當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣施肥和灌溉，設(shè)施農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)種植區(qū)采用統(tǒng)一管理。各樣地土壤類型均為沙地土壤，每種樣地內(nèi)隨機(jī)選取3 個(gè)10 m×10 m 的小區(qū)，在小區(qū)內(nèi)選擇五點(diǎn)采樣法采樣，使用土鉆采集0～20 cm 處土壤。將所采集土壤樣品密封標(biāo)記后，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。剔除土壤中動(dòng)物殘?bào)w、碎小石子、植物枯枝、雜草及其余雜質(zhì)，土壤過(guò)2 mm 篩后，取出約1/3 土壤進(jìn)行風(fēng)干處理，用于測(cè)定土壤理化指標(biāo)；剩余土樣置于含去離子超純水和0.1 mol·L-1NaOH 溶液的4 ℃黑暗密閉圓形容器平衡一周，然后低溫保存用于微生物生物量和呼吸測(cè)定。

1.3 研究方法

土壤全碳采用TOC儀灼燒測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用鹽酸消解后TOC儀灼燒測(cè)定；土壤全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提-流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤呼吸采用堿液吸收滴定法測(cè)定；28 d礦化氮采用生物培養(yǎng)法測(cè)定[15]。

微生物生物量碳、氮測(cè)定：稱取3 份相當(dāng)于風(fēng)干土壤質(zhì)量為20 g的新鮮土壤于小燒杯中，將土樣與盛有50 mL 無(wú)酒精氯仿的燒杯共同放入真空干燥箱，抽真空至氯仿持續(xù)沸騰后關(guān)緊閥門，25 ℃下培養(yǎng)24 h后取出氯仿，再次反復(fù)抽真空至完全去除土壤中殘余氯仿，加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液50 mL，25 ℃下充分振蕩30 min；另外稱取3份土壤直接加入50 mL K2SO4溶液浸提測(cè)定。

式中：2.64和0.54分別為氯仿熏蒸殺死的微生物體的碳、氮被K2SO4浸提出來(lái)的比例；Ec 為熏蒸與未熏蒸浸提液中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值[16]。

表1 研究區(qū)試驗(yàn)設(shè)置Table 1 Experimental setup of research area

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用Origin 8.0繪圖。采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 10.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan 法進(jìn)行多重比較。采用Canoco 5 軟件進(jìn)行冗余分析（RDA），開源軟件R 3.6.3進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響

毛烏素沙地不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤微生物生物量碳含量在7.70～49.74 mg·kg-1之間（圖1A）。不同農(nóng)業(yè)利用方式下，小麥地、黑莓地、藍(lán)靛果花楸地和葡萄地土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK，分別為CK的1.41、3.42、2.65、3.24 倍；而水稻地和旱稻地土壤微生物生物量碳含量顯著低于CK，分別僅為CK 的68%和53%；馬鈴薯地土壤微生物生物量碳含量與CK 無(wú)顯著差異。其中，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK和其余農(nóng)業(yè)利用類型。毛烏素沙地同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同利用方式之間土壤微生物生物量氮差異顯著（圖1B），傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中水稻地土壤微生物生物量氮含量分別為小麥地、旱稻地的1.86、3.74 倍，設(shè)施農(nóng)業(yè)中黑莓地土壤微生物生物量氮含量分別為藍(lán)靛果花楸地、葡萄地的1.71、1.32 倍；在不同農(nóng)業(yè)利用方式下，水稻地、黑莓地、馬鈴薯地土壤微生物生物量氮含量均顯著高于CK，而旱稻地顯著低于CK；同時(shí)，集約化農(nóng)業(yè)利用類型土壤微生物生物量氮含量顯著高于CK和其余農(nóng)業(yè)利用類型。研究表明不同農(nóng)業(yè)利用類型對(duì)土壤微生物生物量碳、氮含量具有顯著差異，其主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)不同農(nóng)業(yè)利用類型及其利用方式間土壤營(yíng)養(yǎng)元素、水分和溫度差異較大，土壤微生物生長(zhǎng)所需生境不能得到全部滿足，進(jìn)而造成不同農(nóng)業(yè)利用類型、不同樣地間土壤微生物的含量差異較大。

圖1 農(nóng)業(yè)利用對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響Figure 1 Effects of agricultural utilization on soil microbial biomass C and N

2.2 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤全碳、有機(jī)碳的影響

毛烏素沙地不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤全碳含量均顯著高于CK（圖2A）。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中小麥地土壤全碳含量（8.00 g·kg-1）顯著高于水稻地（2.79 g·kg-1）和旱稻地（2.69 g·kg-1），且水稻地與旱稻地之間無(wú)顯著差異；設(shè)施農(nóng)業(yè)中黑莓地（10.01 g·kg-1）和藍(lán)靛果花楸地（10.25 g·kg-1）土壤全碳含量間無(wú)顯著差異，但均顯著高于葡萄地（6.08 g·kg-1）；集約化農(nóng)業(yè)中馬鈴薯地土壤全碳含量（2.40 g·kg-1）較水稻地、旱稻地?zé)o顯著差異。在不同農(nóng)業(yè)利用類型下，除傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中小麥地外，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型土壤全碳含量顯著高于其余農(nóng)業(yè)利用類型，說(shuō)明土壤全碳含量受凋落物累積與分解程度、地表植被覆蓋度和人為干擾程度等因素的影響較大。

不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤有機(jī)碳含量變化范圍為0.95～4.70 g·kg-1（圖2B）。黑莓地、藍(lán)靛果花楸地、葡萄地土壤有機(jī)碳含量均顯著高于CK（1.06 g·kg-1），分別為CK的4.43、3.35、3.67倍，而其余農(nóng)業(yè)利用方式土壤有機(jī)碳含量較CK均無(wú)顯著差異。在不同農(nóng)業(yè)利用類型下，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)利用類型間土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型土壤有機(jī)碳含量顯著高于CK和其余農(nóng)業(yè)利用類型。這與設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型下各樣地含有豐富的凋落物，而其余農(nóng)業(yè)利用類型地表草根枯落物基本被全部移走，且農(nóng)田耕作相對(duì)頻繁，進(jìn)而導(dǎo)致沙地農(nóng)田有機(jī)碳分解較快有關(guān)。

2.3 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響

不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤全氮含量均顯著高于CK，且各農(nóng)業(yè)利用類型間土壤全氮差異較大（圖3A）。在不同農(nóng)業(yè)利用類型下，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型土壤全氮含量最高，黑莓地、藍(lán)靛果花楸地、葡萄地分別為CK的14.99、8.31、7.11倍；集約化農(nóng)業(yè)有所下降，馬鈴薯地土壤全氮含量是CK 的3.51 倍；傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)土壤全氮含量最低，小麥地、水稻地、旱稻地分別僅為CK的2.44、2.48、2.28倍。說(shuō)明農(nóng)業(yè)耕作措施影響土壤全氮含量。耕作過(guò)的土壤（傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、集約化農(nóng)業(yè)）由于地表枯落物較少，致使其土壤全氮含量均顯著低于未耕作過(guò)的土壤（設(shè)施農(nóng)業(yè)）。

圖2 農(nóng)業(yè)利用對(duì)土壤全碳、有機(jī)碳的影響Figure 2 Effects of agricultural utilization on soil TC and OC

同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同農(nóng)業(yè)利用方式間土壤銨態(tài)氮含量具有顯著差異（圖3B）。在不同農(nóng)業(yè)利用方式下，除水稻地和藍(lán)靛果花楸地外，其他農(nóng)業(yè)利用方式土壤銨態(tài)氮含量較CK 均有所降低；其中，小麥地、旱稻地、黑莓地、葡萄地、馬鈴薯地土壤銨態(tài)氮含量分別為CK 的44%、57%、76%、91%、59%。不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤硝態(tài)氮含量均高于銨態(tài)氮含量（圖3C）。在不同農(nóng)業(yè)利用方式下，水稻地、黑莓地、藍(lán)靛果花楸地、葡萄地、馬鈴薯地土壤硝態(tài)氮含量顯著高于CK和其余農(nóng)業(yè)利用方式，而小麥地、旱稻地土壤硝態(tài)氮含量顯著低于CK，且馬鈴薯地土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其余農(nóng)業(yè)利用方式。其中，設(shè)施農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)土壤硝態(tài)氮含量均顯著高于CK 和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)利用類型。說(shuō)明馬鈴薯地土壤硝態(tài)氮累積較多，這主要是由于集約化農(nóng)業(yè)和常規(guī)種植模式在灌溉和施肥體系上存在差異，以及馬鈴薯根系微生物聯(lián)合作用的結(jié)果。

圖3 農(nóng)業(yè)利用對(duì)土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響Figure 3 Effects of agricultural utilization on soil TN，NH+4-N and NO-3-N

2.4 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤呼吸和礦化氮的影響

在不同農(nóng)業(yè)利用方式下，除旱稻外，其余農(nóng)業(yè)利用方式土壤呼吸速率均顯著高于CK（圖4A）。小麥地、水稻地、黑莓地、藍(lán)靛果花楸地、葡萄地、馬鈴薯地土壤呼吸速率分別為CK 的2.09、2.27、2.94、1.60、2.64、2.38 倍，表明農(nóng)業(yè)利用對(duì)土壤呼吸均有不同程度的促進(jìn)作用。不同農(nóng)業(yè)利用類型間土壤呼吸熵差異顯著（圖4B）。在不同農(nóng)業(yè)利用方式下，小麥地、水稻地、旱稻地、馬鈴薯地土壤呼吸熵均顯著高于CK，分別為CK 的1.49、3.18、1.69、2.62 倍；藍(lán)靛果花楸地土壤呼吸熵顯著低于CK，為CK 的60%。其中，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)利用類型土壤呼吸熵均顯著高于CK，而設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤呼吸熵則有所降低，說(shuō)明設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型下微生物呼吸消耗的碳比較少，能更有效地利用有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為微生物生物量碳。

不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤礦化氮含量均顯著高于CK（0.07 mg·kg-1），且同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同利用方式間土壤礦化氮含量無(wú)顯著差異（圖4C）。在不同農(nóng)業(yè)利用類型下，集約化農(nóng)業(yè)利用類型土壤礦化氮含量最高，馬鈴薯地均值為0.54 mg·kg-1；傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)次之，小麥地、水稻地和旱稻地分別是CK 的4.45、3.72 倍和4.11倍；設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤礦化氮含量最低，黑莓地、藍(lán)靛果花楸地、葡萄地分別為CK的2.95、2.71、3.26倍。

2.5 毛烏素沙地農(nóng)田土壤呼吸熵和礦化氮與其他指標(biāo)的關(guān)系

以不同處理下土壤呼吸熵和礦化氮含量為響應(yīng)變量，以土壤微生物生物量和各理化指標(biāo)為解釋變量作冗余分析（RDA），結(jié)果如圖5 所示。土壤銨態(tài)氮作用最明顯，解釋了土壤呼吸熵和礦化氮含量變化的64.1%（F=25.0，P=0.002），其次是硝態(tài)氮，解釋了土壤呼吸熵和礦化氮含量變化的18.1%（F=13.2，P=0.002），土壤各理化因子共解釋了土壤呼吸熵和礦化氮含量變異程度的100.0%，影響的大小順序?yàn)殇@態(tài)氮＞硝態(tài)氮＞含水率＞微生物生物量氮＞田間最大持水量＞全碳＞全氮＞有機(jī)碳＞pH＞微生物生物量碳。其中，第1軸解釋了其變異的92.62%，第2軸解釋了7.37%。

如圖6 所示，土壤微生物生物量與土壤理化性質(zhì)存在一定的相關(guān)性。土壤全碳、有機(jī)碳、全氮、微生物生物量碳兩兩之間呈顯著正相關(guān)；有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、微生物生物量碳與呼吸熵呈顯著負(fù)相關(guān)；微生物生物量氮、全氮與硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)；礦化氮與銨態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)；呼吸熵、礦化氮與pH呈顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響

圖5 土壤呼吸熵和礦化氮與其他指標(biāo)的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of soil respiration entropy and mineralized nitrogen and other indicators

圖6 土壤微生物生物量和各項(xiàng)基本理化指標(biāo)的相關(guān)分析Figure 6 Correlation analysis of soil microbial biomass and basic physical and chemical indexes

本研究中不同農(nóng)業(yè)利用類型土壤微生物生物量碳含量平均值大小依次為設(shè)施農(nóng)業(yè)＞CK＞傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)＞集約化農(nóng)業(yè)；不同農(nóng)業(yè)利用方式下，黑莓地、葡萄地土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK和其余農(nóng)業(yè)利用方式。表明微生物生物量碳易受農(nóng)業(yè)利用方式的影響，且不同農(nóng)業(yè)利用類型含量差異較大，可作為農(nóng)業(yè)利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳影響的良好指標(biāo)。這是因?yàn)榈乇砜萋湮锸遣煌瑯拥赜袡C(jī)碳的最重要來(lái)源之一，相比CK、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型下各農(nóng)業(yè)利用方式受外界風(fēng)沙侵蝕影響較小，同時(shí)耕作措施等人工管理導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量提高，大量凋落物易在土壤表層積聚，通過(guò)共生菌根及有機(jī)酸、磷酸酶等根系分泌物的轉(zhuǎn)化分解，為土壤微生物生長(zhǎng)繁殖提供了豐富的碳源，同時(shí)也保持了表層土壤水分含量，更有利于土壤微生物的生命活動(dòng)[17]。本研究發(fā)現(xiàn)水稻地、旱稻地和馬鈴薯地土壤微生物生物量碳含量較CK均有所降低，這可能是因?yàn)閭鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)不僅遭受外界風(fēng)沙侵襲，而且受人類經(jīng)營(yíng)活動(dòng)影響強(qiáng)烈，尤其是稻田類型由于干濕交替等原因?qū)е峦寥牢⑸镫y以維持較高的生物量，同時(shí)土壤翻耕等劇烈改變土壤理化狀況的農(nóng)田管理措施，也能夠?qū)е峦寥牢⑸飬^(qū)系改變和微生物生物量下降[18]。宋日等[19]通過(guò)研究傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中耕作方式對(duì)土壤微生物生物量的影響也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。而小麥地土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK，可能是因?yàn)檫@一時(shí)期小麥生長(zhǎng)進(jìn)入孕穗期，根系分泌能力增強(qiáng)，分泌物增多，為土壤微生物生長(zhǎng)提供碳源，土壤微生物生物量碳含量提高[20]。本研究中，不同農(nóng)業(yè)利用類型土壤微生物生物量氮含量平均值大小依次為集約化農(nóng)業(yè)＞設(shè)施農(nóng)業(yè)＞CK＞傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，且馬鈴薯地土壤微生物生物量氮含量顯著高于CK 和其余農(nóng)業(yè)利用方式，表明集約化農(nóng)業(yè)利用類型下馬鈴薯地土壤微生物對(duì)氮素的固持作用較強(qiáng)。一方面是由于馬鈴薯根系周圍土壤微環(huán)境中含有能顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng)的固氮微生物，長(zhǎng)期種植馬鈴薯對(duì)土壤氮素累積有明顯的促進(jìn)作用，顯著提高了土壤微生物生物量氮含量[21]；另一方面可能是因?yàn)闄C(jī)械化翻耕、收割等作業(yè)過(guò)程雖然帶走了大量凋落物，但也導(dǎo)致部分枯枝落葉將土壤養(yǎng)分集中到表層土壤中，提高了土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量，為微生物生存提供了豐富的氮源，使土壤微生物生物量增加[22]。作物在進(jìn)入成熟期后對(duì)土壤養(yǎng)分需求降低，表層土壤中的土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)在根系分泌物的影響下發(fā)生較大變化，這也可能是水稻地土壤微生物生物量氮含量提高的原因之一，但還需后期實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤碳、氮的影響

本研究顯示，不同農(nóng)業(yè)利用方式土壤全碳含量均顯著高于CK，表明長(zhǎng)期作物種植處理通過(guò)地表大量凋落物有機(jī)質(zhì)的分解，以及根系分泌物向土壤中提供碳源物質(zhì)，有利于維持和提高土壤全碳含量[23]。其中，農(nóng)田土壤碳素不僅取決于沙地農(nóng)田開墾前的土壤有機(jī)質(zhì)含量和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，在沙地開墾進(jìn)行作物種植后，同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同利用方式間有機(jī)肥施用和作物根茬導(dǎo)致作物歸還土壤的碳含量存在差異，這也可能是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中小麥地土壤全碳含量顯著高于稻型土壤，而設(shè)施農(nóng)業(yè)中葡萄地顯著低于黑莓地和花楸地的原因之一[3]。本研究還表明，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型土壤全碳、有機(jī)碳含量均顯著高于其余農(nóng)業(yè)利用類型。這是因?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型長(zhǎng)期采用大棚處理且人為干擾（耕作活動(dòng)）少，表層土壤受風(fēng)沙影響較小，枯枝落葉覆蓋度最大，其腐質(zhì)化作用較為顯著，地表大量的凋落物在有機(jī)酸、磷酸酶等根系分泌物作用下，使其有機(jī)碳含量顯著高于其余農(nóng)業(yè)利用類型[7，24]；而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)利用類型下各作物樣地的土壤有機(jī)碳含量較CK 無(wú)顯著差異，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)風(fēng)蝕嚴(yán)重，不同程度地破壞了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加速了土壤有機(jī)質(zhì)組分的分解，風(fēng)沙侵蝕和作物收獲導(dǎo)致表土凋落物覆蓋度較低，帶走的大量養(yǎng)分得不到及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致其表土碳輸入量降低[7]；另外，沙地農(nóng)田開墾為耕作農(nóng)田后，采用傳統(tǒng)的非保護(hù)性農(nóng)田管理措施和單一的作物生產(chǎn)模式，土壤有機(jī)質(zhì)組分流失嚴(yán)重，進(jìn)而影響了土壤有機(jī)質(zhì)的積累和有機(jī)碳的存儲(chǔ)[3]。

本研究中，不同農(nóng)業(yè)利用類型土壤全氮含量平均值大小依次為設(shè)施農(nóng)業(yè)＞集約化農(nóng)業(yè)＞傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)＞CK，且各農(nóng)業(yè)利用類型間差異顯著，表明毛烏素沙地農(nóng)田開墾后不同農(nóng)業(yè)利用類型對(duì)耕層全氮均有顯著影響。這是因?yàn)樵诿珵跛厣车馗珊祷哪畢^(qū)，農(nóng)田開墾利用前土壤全氮初始值較低，開墾利用后長(zhǎng)期農(nóng)作物種植可有效保護(hù)表層土壤免受風(fēng)沙侵蝕，并通過(guò)發(fā)達(dá)的根系富集土壤養(yǎng)分，地表凋落物和腐根將養(yǎng)分集中到表土層，化肥和有機(jī)肥投入以及作物秸稈還田等農(nóng)業(yè)管理措施的實(shí)施，都會(huì)導(dǎo)致土壤全氮含量提高[14]。另外，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)地表覆蓋物少，而且受耕作措施擾動(dòng)較大，其土壤有機(jī)碳、氮轉(zhuǎn)化為CO2和無(wú)機(jī)氮的程度高[25]，因此土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著低于設(shè)施農(nóng)業(yè)。本研究結(jié)果還表明，集約化農(nóng)業(yè)利用類型土壤硝態(tài)氮含量均顯著高于CK 和其余農(nóng)業(yè)利用類型。這是由于集約化農(nóng)業(yè)中馬鈴薯地通過(guò)固氮微生物將空氣中的N2轉(zhuǎn)化為作物能吸收利用的銨態(tài)氮，為土壤硝化微生物提供了足夠的氮源，促進(jìn)了土壤硝化，也加速了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化[21，26]；另外，集約化農(nóng)業(yè)種植區(qū)土壤的施肥量過(guò)大，遠(yuǎn)大于作物的吸收量，從而導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量高于其余農(nóng)業(yè)利用類型[27]，造成集約化種植區(qū)土壤硝態(tài)氮含量過(guò)高。而設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型下的人為控制為土壤硝化作用創(chuàng)造了條件，由于免耕處理和氮肥的持續(xù)供應(yīng)，隨著種植年限的延長(zhǎng)，大棚土壤硝態(tài)氮不斷增加，氮肥以硝態(tài)氮的形式在土壤中累積，因而設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤硝態(tài)氮含量顯著高于CK 和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)[28]。魏迎春等[29]研究也表明，大棚處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于其余土地利用方式。不同農(nóng)業(yè)利用方式間土壤硝態(tài)氮含量差異顯著，可能與不同作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用、植物根系分泌物、地表凋落物分解以及有機(jī)氮的礦化平衡有關(guān)，并受土壤銨態(tài)氮和有機(jī)氮轉(zhuǎn)化分解相互疊加作用的影響[28]。另外，由于不同農(nóng)業(yè)利用類型改變了地表溫度、pH 和透氣性等土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤微生物的生命活動(dòng)造成影響，這也是土壤氮素隨農(nóng)業(yè)利用類型發(fā)生變化的主要原因之一。在不同農(nóng)業(yè)利用方式下，除水稻地和藍(lán)靛果花楸地外，其余農(nóng)業(yè)利用方式土壤銨態(tài)氮含量較CK 均有所降低，且同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同農(nóng)業(yè)利用方式間差異顯著，一方面可能是由于沙地農(nóng)田中不同作物根系會(huì)從土壤吸收大量的有效養(yǎng)分以滿足其生長(zhǎng)需要，且各農(nóng)業(yè)利用方式使得土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化，因而對(duì)土壤銨態(tài)氮含量產(chǎn)生影響；另一方面可能是由于農(nóng)業(yè)利用促進(jìn)了土壤的硝化作用，使得絕大部分開墾農(nóng)田土壤的凈硝化速率大于凈礦化速率，不僅增加硝態(tài)氮淋溶或徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)，而且硝化作用導(dǎo)致不同農(nóng)業(yè)利用類型下土壤銨態(tài)氮含量降低[30]。其中，集約化種植區(qū)采用水肥一體化的滴灌模式施肥，水分和肥料一起遷移至土壤，肥料逐漸從表土向深層滲透，導(dǎo)致表土中銨態(tài)氮含量降低[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同利用方式間土壤礦化氮含量無(wú)顯著差異，不同農(nóng)業(yè)利用類型土壤礦化氮含量平均值大小依次為集約化農(nóng)業(yè)＞傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)＞設(shè)施農(nóng)業(yè)＞CK，且馬鈴薯地礦化氮含量顯著高于其他農(nóng)業(yè)利用方式。這是因?yàn)轳R鈴薯根系周圍含有的活性物質(zhì)可刺激微生物活動(dòng)，提高了土壤氮素的礦化過(guò)程[21]。集約化農(nóng)業(yè)和其他土地利用類型間土壤礦化氮含量的差異，主要反映出地表枯落物覆蓋量和施肥等人類活動(dòng)增加了農(nóng)田中有機(jī)氮的輸入，改變了土壤基質(zhì)和微環(huán)境，同時(shí)耕作等農(nóng)田管理措施也改變了土壤的pH，從而使礦化作用產(chǎn)生差異[14]。另外，不同農(nóng)業(yè)利用方式對(duì)土壤碳、氮含量的影響也與各樣地根系的生長(zhǎng)發(fā)育和分布有關(guān)，根系是將作物光合產(chǎn)物直接輸入到地下的唯一途徑[32]，這導(dǎo)致了不同利用方式間土壤碳、氮含量的差異。

3.3 不同農(nóng)業(yè)利用類型和方式對(duì)土壤呼吸的影響

陳書濤等[33]研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型下，土壤呼吸速率均隨試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)碳含量增加而提高。Rodeghiero 等[34]研究表明，森林土壤呼吸強(qiáng)度隨表層土壤有機(jī)碳含量的增加而呈線性正相關(guān)關(guān)系。本研究中，除旱稻地外，其余樣地土壤呼吸速率均顯著高于CK，且同一農(nóng)業(yè)利用類型、不同利用方式之間土壤呼吸速率存在差異，表明土壤呼吸速率易受農(nóng)業(yè)利用的影響。原因可能是毛烏素沙地農(nóng)業(yè)利用類型及其方式不同常會(huì)直接或間接導(dǎo)致地表溫度、水分等環(huán)境因素發(fā)生變化，而土壤溫度和土壤水分是影響土壤呼吸的重要環(huán)境因素[8]。另外，這也與不同農(nóng)業(yè)利用類型下表層土壤的底物輸入量有關(guān)，因?yàn)橥寥篮粑?、有機(jī)質(zhì)分解等所有生物化學(xué)過(guò)程都與底物供應(yīng)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[35]；有機(jī)碳會(huì)影響土壤微生物底物供應(yīng)，其含量高低是影響土壤呼吸高低差異的重要因素之一[8]。其中，設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型下各樣地每年有大量的凋落物回歸土壤，使得微生物生命活動(dòng)可利用的碳源較為充足，為微生物創(chuàng)造了適宜的生存環(huán)境，土壤微生物呼吸速率顯著提高；而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和集約化農(nóng)業(yè)利用類型由于種植作物土壤翻耕，導(dǎo)致土壤疏松、透氣性良好，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和大小發(fā)生變化，加速土壤有機(jī)質(zhì)分解，進(jìn)而提高了土壤呼吸速率[36]。土壤呼吸熵（也稱微生物代謝熵）是土壤呼吸速率和微生物生物量碳的比值，其比值大小是土壤微生物利用碳源效率的重要依據(jù)[37]。本研究表明，不同農(nóng)業(yè)利用類型土壤呼吸熵平均值大小依次為集約化農(nóng)業(yè)＞傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)＞CK＞設(shè)施農(nóng)業(yè)，而設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型土壤微生物生物量碳、有機(jī)碳含量顯著高于沙地和其余農(nóng)業(yè)利用類型，表明設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型下各樣地土壤微生物對(duì)有機(jī)碳的利用率高。這可能是因?yàn)樵谶m宜的水熱條件下，土壤呼吸取決于微生物生物量的大小[38]。

4 結(jié)論

（1）毛烏素沙地不同農(nóng)業(yè)利用類型及其方式通過(guò)改變土壤微環(huán)境，對(duì)土壤養(yǎng)分和微生物生物量的影響顯著。不同農(nóng)業(yè)利用類型下，土壤微生物生物量碳、全碳、有機(jī)碳、全氮含量和呼吸速率均在設(shè)施農(nóng)業(yè)下最高，土壤微生物生物量氮、硝態(tài)氮和礦化氮含量均在集約化農(nóng)業(yè)下最高。

（2）設(shè)施農(nóng)業(yè)利用類型可以顯著提高土壤碳儲(chǔ)量及碳素利用率，而集約化農(nóng)業(yè)在促進(jìn)土壤氮素礦化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。