麦田土壤生态环境论文范文

1材料与方法

1．1试验区概况

试验区位于河北省深州市太古庄乡高赵圈村（N38°01′，E115°32′），属典型海河低平原区，是“十二五”国家粮食丰产科技工程核心试验区。土壤为粘性壤土，180cm土体不同层次容重为1．3～1．6g／cm3；耕层全氮含量1．2g／kg，碱解氮含量66．7mg／kg，速效磷含量24．1mg／kg，速效钾含量122．4mg／kg，有机质含量14．7g／kg，盐分质量分数1．1g／kg。2011－2012年小麦生长季降雨62．8mm，2012－2013年小麦生长季降雨量122．2mm。

1．2试验设计

2011－2013年冬小麦生长季进行，共设旋耕（RT）、深松（SRT）、深耕（MRT）3种耕作方式处理，每处理3次重复，小区面积60m2，随机区组设计：（1）旋耕，前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→1GN－180型大型旋耕机旋耕2遍（深度15cm）→耙地2遍→机播。（2）深松，前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→2FS型深松旋耕一体机作业1遍（深松深度30cm，旋耕深度15cm）→耙地2遍→机播。（3）深耕，前茬玉米秸秆全部粉碎还田→撒施底肥→1L－525铧式犁耕翻（深度20cm）→旋耕机旋耕1遍（深度15cm）→耙地2遍→机播。供试小麦品种为良星99（冀审麦2004007号）。播前底肥施纯氮240kg／hm2，P2O5112．5kg／hm2，K2O112．5kg／hm2，小麦10月10日趁墒播种，基本苗密度为3．15×106株／hm2，2个年度均只在春季灌水2次，每次灌量82．5mm，时间分别为2012年4月6日和5月1日、2013年4月7日和5月2日，随春季第1次灌水追施纯氮135kg／hm2，6月15日收获。

1．3试验方法

10月15日开始，每隔1个月，分0－5cm，5－10cm，10－20cm，20－30cm，30－40cm5个层次采集原状土样，采用环刀法［7］测定土壤容重，计算0－10cm，10－20cm和20－40cm土层平均容重。土壤总孔隙度计算公式为：Rt＝（1－RS／DS）×100。式中：Rt为总孔隙度（％）；RS为容重（g／cm3）；DS为比重（g／cm3）。于冬小麦播前和收获后，按五点取样法采集土样，用平板表面涂抹法对样品中的真菌、细菌和放线菌进行分离计数。分离真菌采用马丁氏培养基，每10ml培养基加入0．03％链霉素溶液1ml（含链霉素30μg／ml）；分离细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；分离放线菌采用高氏Ⅰ号培养基。其中马丁氏培养基和高氏Ⅰ号培养基平皿倒置于28℃培养箱中培养4d计数；牛肉膏蛋白胨培养基平皿倒置于37℃培养箱中培养3d计数。在播种－返青、返青－抽穗、抽穗－成熟期3个阶段，按五点取样法采集土壤样品，每阶段采集3次，测定相关酶活性、养分和有机碳含量。土壤碱解氮测定采用碱解扩散法，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法，速效钾测定采用乙酸铵浸提－火焰光度法，有机质测定采用重铬酸钾容量法－磷酸浴法［1］；土壤脲酶（UE）活性测定采用靛酚比色法，碱性磷酸酶（ALP）活性采用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶（CAT）活性采用高锰酸钾滴定法［8］，土壤多酚氧化酶（PPO）活性采用邻苯三酚比色法［9］；土壤有机碳（SOC）含量测定采用重铬酸钾容量法；土壤微生物量碳（SMBC）含量测定采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法，SMBC＝Ec／KEC。式中：Ec为熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液的碳含量差值（mg／kg）；KEC为转换系数，取值0．38［10－11］。土壤呼吸速率测定采用动态密闭气室法［12］，测定仪器为Li－6400（Licor，USA）。土壤含水量采用德国IMKO公司生产的TRIME－PICO型便携式水分测定仪（TDR）测定。土壤温度测定采用HL20型自动气象数据采集器（锦州阳光气象仪器公司生产）。每小区布设8个温度感应器，感应器埋深10cm。播种后，间隔5～7d测定1次0－180cm土层体积含水量，每20cm测定1次，雨后加测；温度采集器采集周期设定为1h。

1．4数据统计分析

对2011－2013年2个生长季试验数据进行巴特勒检验（Bartletttest），趋势相同数据取平均值分析。相关数据统计分析采用SPSS12．0和DPS7．05软件；用Excel2010软件作图。

2结果与分析

2．1不同耕作方式下土壤容重与孔隙度

播种至11月上旬各处理0－10cm土层呈现容重大幅度上升、孔隙度明显下降趋势。11月中旬到次年3月中旬，各处理土壤容重缓慢下降、孔隙度则缓慢上升。播种至4月上旬灌溉春一水前，旋耕、深松和深耕处理容重分别上升6．1％，5．2％和7．3％，孔隙度分别下降4．8％，4．1％和5．3％。此阶段，深耕处理容重最低，孔隙度最大，深松处理和旋耕处理无显著差异。春季灌水和降雨的叠加效应是各处理土壤容重均出现大幅度上升，总孔隙度大幅下降。通过回归模拟，春一水灌溉后30d，旋耕、深松和深耕处理容重分别上升7．4％，6．6％和8．5％，总孔隙度分别下降6．5％，5．8％和7％。5月份以后，各处理物理性状基本趋于稳定，至成熟期处理间差异不显著。10－20cm土层各处理容重与孔隙度变化趋势与0－10cm相似，但变化幅度较小。在该层深松和深耕处理总孔隙度显著高于旋耕处理，而容重则低于旋耕处理。20－40cm土层，通过多元方程模拟发现，土壤总孔隙度随时间推移缓慢下降，容重则缓慢升高。播种至灌溉春二水，深松处理孔隙度最高，容重最低。随后深处理间差异逐步缩小，至生长季结束差异不显著。进一步分析图1发现，灌溉春二水后，0－20cm土层各处理容重出现小幅下降，孔隙度小幅提高。推测可能与土壤温度升高加速玉米秸秆腐解有关。

2．2不同土壤耕作方式下土壤水热状况和呼吸速率

2．2．1土壤水分状况由图2可知，播种至返青期，40cm以上土层，旋耕处理含水量最高，为23．8％，分别比深松和深耕处理高3．9％和8．2％；40－80cm土层，深松处理含水量最高，为26．3％，分别比旋耕和深耕处理高10．5％和4．0％。返青至抽穗期，0－20cm土层含水量表现为旋耕＞深松＞深耕，20－100cm土层深松处理含水量最高，为25．7％，旋耕和深耕处理分别为24．2％和23．4％；各处理100cm以下土层含水量无显著差异。抽穗至成熟期，2011－2012年各处理0－20cm土壤含水量差异不明显，20－120cm土层深松处理含水量显著高于另两处理。2012－2013年，20－120cm土壤含水量变化规律与上一年度相似，但旋耕处理0－20cm土壤含水量明显较高，可能与当年小麦开花后降雨量较多（46．6mm）有关。2．2．2土壤呼吸速率及其与10cm地温的相关性土壤呼吸是土壤碳库向大气碳库输入碳的主要途径，土壤碳库的变化将对大气圈CO2浓度产生明显影响。由图3可知，小麦越冬前，深耕处理土壤呼吸速率最高，峰值为2．9μmolCO2／（m2·s），分别比深松和免耕处理高5．5％和11．5％。越冬期各处理土壤呼吸速率均快速下降，处理间差异不显著。返青后各处理土壤呼吸速率均快速上升，至孕穗期均达到第二个峰值，此时深耕处理最高为3μmolCO2／（m2·s），比深松和免耕处理分别高7．1％和11．1％。另外，土壤不同耕作方式也明显影响到麦田土壤温度。小麦播种至越冬，旋耕处理10cm土壤平均温度为9．2℃，深松和深耕处理分别为8．9℃和8．3℃。越冬期，旋耕、深松和深耕处理土壤温度分别下降10．7，10．7，10．9℃。返青后深耕处理上升最快，深松处理其次，旋耕处理相对平缓。拔节至成熟期，深耕处理10cm土壤平均温度为23．6℃和22．3℃，分别比旋耕处理高5．8％和2．8％。说明深耕和深松均有利于提高春季地温。另外，通过对不同耕作方式下麦田10cm深度土壤平均温度与土壤呼吸速率进行Pearson相关性分析（表1）发现，土壤呼吸速率与地温呈显著正相关。

2．3不同耕作方式对麦田土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生物过程的主要调节者，参与土壤环境的一切生化过程，与有机物质分解、营养物质循环等密切相关。由表2可知：①0－10cm土层，抽穗前不同处理麦田土壤脲酶（UE）和过氧化氢酶（CAT）活性均无显著差异，抽穗后深松处理UE和CAT活性上升较快，并均显著高于旋耕和深耕处理；10－20cm土层，返青前各处理UE和CAT活性差异不显著，返青后处理间差异扩大，深松处理UE和CAT活性最高，分别为0．3mg／（g·d）和2．99ml／（g·h）；20－40cm土层，返青前各处理UE和CAT活性无显著差异，返青后深松处理2种酶活性均显著高于其他处理。②0－10cm土层，小麦播种至抽穗阶段，免耕和深耕处理土壤碱性磷酸酶（ALP）较高。抽穗后，深松处理土壤ALP活性明显提高，为36．3g／kg，分别是旋耕处理和深耕处理的1．17倍和1．18倍。③10－20cm土层，小麦抽穗前深耕处理土壤多酚氧化酶（PPO）活性分别比免耕和深松处理提高78．9％和43．2％；抽穗后，深松处理土壤PPO活性最高，并显著高于其他处理；20－40cm土层，小麦抽穗前各处理PPO活性无显著差异，抽穗后深松处理PPO活性最高，分别比旋耕和深耕处理高78．6％和19．0％。

2．4不同耕作方式对麦田土壤养分的影响

0－10cm土层，旋耕处理碱解氮含量在小麦抽穗前较高，深耕处理则是在抽穗后较高。10－20cm和20－40cm土层，深松处理碱解氮含量始终最低，抽穗期仅为52．3mg／kg，分别为免耕和深耕处理的92％和79％；全生育期平均为46．1mg／kg，分别为免耕和深耕处理的77．1％和81．6％。0－10cm土层，旋耕处理速效磷含量最高，有“表层聚集”现象，全生育期平均含量37mg／kg，分别是深松和深耕处理的1．15倍和1．29倍；10－20cm土层，抽穗前旋耕处理速效磷含量最高；抽穗后处理间差异不显著；20－40cm土层，深松处理速效磷含量最高。0－10cm土层，小麦抽穗前，旋耕处理土壤速效钾含量最高，为106mg／kg，分别是深松处理和深耕处理的1．26倍和1．22倍；抽穗后，深耕处理土壤速效钾含量最高。10－20cm土层，抽穗前，旋耕处理速效钾含量也最高，抽穗后各处理无显著差异。20－40cm土层，深松处理速效钾含量最高。0－10cm和10－20cm土层，返青至抽穗阶段，深耕处理有机质含量较高，其他时期各处理无显著差异。20－40cm土层中，返青前旋耕处理有机质含量较高，深松处和深耕处理无显著差异。返青后深松处理有机质含量为12．28mg／kg，分别比深松和深耕处理高80％和74．6％。

2．5不同耕作方式对麦田土壤微生物与有机碳的影响

2．5．1真菌、细菌和放线菌数量由表4可知：①旋耕处理各层土壤真菌数量均呈下降趋势，深松处理土壤真菌数量在各土层均为上升趋势，而深耕处理则在0－20cm土层表现为下降，在20－40cm土层上升。2个生长季深松处理土壤真菌数量平均增加69．9％。②旋耕处理土壤中细菌数量在0－20cm土层中表现为增加，而在20－40cm土层中则下降，深耕处理与旋耕处理相反。深松处理土壤细菌数量在各土层均表现为上升。2个生长季深松处理细菌数量平均增加91．1％。③0－40cm土层，各处理放线菌数量均呈下降趋势。其中，深耕处理放线菌数量下降最明显，全生长季平均下降31．5％。2．5．2土壤SMBC和SOC含量微生物量碳（SMBC）对土壤扰动非常敏感，可反映土壤养分状况、生物活性和微生物数量。由表5可知，0－10cm土层，深耕处理SMBC含量最低，为134．5mg／kg，分别均相当于旋耕处理的84．9％。10－20cm土层，小麦播种至返青阶段，深松处理SMBC含量最高；返青至抽穗阶段，旋耕处理SMBC含量最高。深耕处理SMBC含量始终最低，全生育期平均仅为176．3mg／kg，分别仅相当于旋耕处理和深松处理的77．7％和73．9％。这可能与深耕对土壤扰动大，土壤团聚体遭破坏，土壤呼吸速率和能量消耗加快有关。20－40cm土层，小麦抽穗期前，SMBC含量为旋耕处理＞深耕处理＞深松处理；抽穗后，深松和深耕处理无显著差异，但均显著高于旋耕处理。总有机碳（SOC）是表征土壤肥力的重要指标之一，影响着土壤渗透、抗蚀、持水和养分循环，协调土壤水、肥、气、热等［13］。0－10cm土层，深耕处理SOC含量最低，全生育期平均为9．4g／kg，分别相当于旋耕和深松处理的91．9％和91．0％。10－20cm土层中，返青前，旋耕处理依然最高。返青后，深松和深耕处理SOC含量则呈明显增长趋势。20－40cm土层中，返青前，旋耕处理SOC含量最高；返青后，深松处理SOC含量最高，为19．2g／kg，分别是旋耕处理和深耕处理的1．75倍和1．22倍。2．6不同耕作方式对小麦产量和水肥利用的影响由表6可知，2个生长季深耕和旋耕处理总耗水量均较高，分别为430．3mm和430．9mm，深松处理仅为409．4mm，比旋耕和深耕节水6％；深松处理产量最高，平均为8550．0kg／hm2，分别比旋耕和深耕处理分别提高15．4％和6．9％，水分利用效率分别高22．7％和13．7％；深松处理N、P、K肥料偏生产力最高，其中N肥平均偏生产力为22．8kg／kg，分别比旋耕和深松处理高15．2％和6．5％。

3讨论

3．1耕作方式改变对麦田土壤物理性状与水热状况的影响

物理结构、储供水和热量循环能力是耕地质量的重要表征。研究显示，长期单一的土壤耕作方式均会影响土壤物理性状，如长期翻耕土壤失墒大，形成犁底层，影响土壤蓄水能力；长期少、免耕，表层土壤体积质量会增加、犁底层上移、耕层变浅。Milton等［14］报道免耕土壤总孔隙度较低。Borghei等［15］报道，多年免耕导致土壤压实、容重增大、产量降低。Hou等［16］报道，与常规耕作方式相比，在夏闲期间，采用免耕与深松相互交替可提高0－20cm土层含水量3．9％～7．8％，而在作物生长及季节则可提高8％～8．6％。Qin等报道，深松可增加降水入渗，提高土壤贮水能力。苏衍涛等［18］报道，免耕在冬小麦越冬期表现增温，活动期表现降温。本研究表明，深耕处理和深松处理分别有利于0－20cm和20－40cm土层土壤容重下降和土壤孔隙度增大。旋耕处理有利于表层土壤水分储蓄，深松处理有利于20－120cm土层水分储蓄。深耕有利于提高土壤温度，分别比深松和旋耕高5．8％和8．8％。深松对土壤扰动深度较大，可更好地储蓄水分，这与前人的研究结果类似。深耕比深松可更有效提高土壤温度，且温度变幅更大，这与陈继康等的研究结果相似。而深耕由于加深犁底层的同时，造成了表土大面积翻动，破坏了团粒结构，实际并未对土体储水起到更好的效果，所以频繁深耕必然对耕地质量产生较大影响，这也支持了前人的研究结果。有关耕作方式改变后土壤水热状况的改变是否有耦合效应并影响作物生长，还需进一步研究。

3．2耕作方式改变对麦田土壤酶活性与养分含量的影响

养分循环是农田生态系统最基本功能之一，其中农田三大养分要素N、P、K的循环与平衡则是农田生态系统稳定性与区域农田生产力状况的具体反映。不同栽培制度和管理措施等都会影响土壤酶和养分空间变异和生物活性变化，而土壤酶活性与土壤养分之间关系密切，可间接反映氮、磷等养分转化与供给状况。本研究表明，小麦返青至成熟，深松处理可提高土壤过氧化氢酶和脲酶活性，且深松处理还可提高小麦抽穗后土壤碱性磷酸酶活性；深耕处理和深松处理可分别在抽穗前、后提高表层土壤多酚氧化酶活性。深松处理可降低碱解氮含量而促进速效磷和速效钾积累；深耕处理可提高表层土壤有机质含量，旋耕处理和深松处理则分别在返青前和返青后提高20－40cm土层有机质含量。本研究还得出，旋耕处理速效磷有“表层聚集现象”，这与前人的研究结果一致。由此可见，深松处理对于提高土壤酶活性有着特殊意义，而土壤酶活性提升又直接加速了对土壤中养分的分解和利用。由于研究角度侧重不同，不同耕作方式下土壤酶活性与养分变化相关性将另外报道。

3．3耕作方式改变对麦田土壤呼吸和微生物的影响

由于土壤微生物比土壤理化性质对土壤质量变化能做出更快速响应，所以土壤微生物土壤污染监测评价和生态修复等方面的研究受到普遍关注。不同耕作措施创造不同的土壤环境，影响土壤微生物数量和组成。研究显示，土壤呼吸是一个复杂的土壤生态学过程，土壤呼吸季节变化一般呈现单峰型特点［21］。不同耕作措施可改变土壤物理结构和水热特性，进一步影响土壤呼吸状态。张俊丽等报道，深松耕处理小麦农田呼吸速率最高，显著高于深耕和旋耕处理。任景全等研究也认为，免耕可降低土壤呼吸速率。本研究表明，深松有利于真菌和细菌增殖，旋耕有利于放线菌增殖。这可能与深松和深耕提高了土壤温度，而温度提升加速了土壤内植物残体降解，腐殖质含量提高有关。Riley曾报道耕作方式对微生物的影响与土质关系密切，因此本研究结果还需在其他土质中进一步印证。本研究还显示，深松处理和旋耕处理分别在不同生育时期可提高土壤SMBC含量。旋耕处理在小麦返青前土壤SOC含量较高，深松处理则是在返青后最高。深耕处理土壤呼吸速率最高，2个生长季平均为1．76μmolCO2／（m2·s），分别比旋耕处理和深松处理高8．0％和4．8％，这与前人报道吻合。且本研究也证实呼吸速率与土壤温度呈显著正相关，而深耕可提高土壤温度，研究前后可互相印证。深耕处理SMBC含量SOC含量较低，这与Compton等［25］提出的土壤温度高可提高SMBC含量不一致。这可能与试验区土质有关，因为土质不同会影响SMBC的周转速率有关。有关不同耕作方式下麦田土壤呼吸和微生物的关系及其在不同土质上的表现还需要进一步研究。

4结论

深松可加深犁底层，并增大20cm以下土层孔隙度。深松处理在20－120cm土层具备较好的储水能力。深耕处理可提高土壤温度和土壤呼吸速率。深松处理和深耕处理分别可在不同生育时期提高土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性。深松处理全生育期碱解氮含量最低；旋耕处理速效磷有表层聚集现象，深松处理土壤有利于20cm以下土层速效磷和速效钾积累，而深耕处理可提高表层土壤有机质含量。深松处理有利于真菌和细菌的增殖，旋耕则有利于放线菌的增殖。深松处理和旋耕处理分别在不同生育期提升土壤SMBC含量。旋耕处理和深松处理分别在小麦返青前和返青后土壤总SOC含量最高。深松处理可降低麦田耗水量，提高产量、水分利用效率和肥料偏生产力。总体看，深松处理作为一种保护性耕作措施，在优化麦田土壤生态环境，提高可持续生产能力和促进农田生态系统恢复方面起到良好作用。本研究为进一步形成更合理的土壤轮耕模式，促进海河低平原区耕地可持续生产能力的提升提供了理论依据。

作者：尹宝重甄文超郭丽果单位：河北农业大学植物保护学院农业气象教研室河北省作物生长调控重点实验室河北农业大学科学技术研究院