0 引言
【研究意义】中国西北旱作农田面积为7 391.98万hm2,约占耕地总面积的56.84%[1]。西北干旱地区约有30 517万hm2的土壤遭到侵蚀[2],土壤肥力大幅度下降,严重损害耕地土壤可持续生产能力[3]。西北地区多采用铧式犁作为耕地工具进行翻耕,加大耕地土壤的裸露面积,进一步加剧土壤侵蚀[4],土壤被翻动的频率高、程度强,加速土壤的呼吸作用,降低土壤有机质含量[5],破坏土壤结构等[6]。耕作措施对土壤的扰动,可以影响土壤微生物的生命活动过程,改变土壤理化性质和酶活性。保护性耕作是指在采用秸秆覆盖的基础上减少对土壤过度扰动的一种保土增肥的耕作方式[7]。相对于翻耕方式,保护性耕作能提高土壤有机质,增强土壤水分保持能力,提高土壤酶活性[8],增加土壤微生物数量和土壤微生物多样性[9]。土壤是丰富的土壤微生物资源库,微生物对土壤有机质降解及养分循环起到重要作用[10],对外界环境的变化反应敏感,常被用作土壤健康灵敏性指标[11]。因此,研究保护性耕作下土壤微生物群落空间结构及理化性质的变化趋势,对中国西北旱区农作制度和农田土壤的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】旱作麦田耕作采用保护性耕作可以改善土壤理化因素,使作物的生长发育趋于良好,有利于农业生产可持续发展。李玉洁等[12]发现旱作麦田耕作长期采用不合理的耕作方式会导致土壤中水分含量下降,对土壤生物化学活动有不良影响。不同的耕作方式对土壤中有机碳也有不同的影响[13],保护性耕作较传统耕作土壤总有机碳含量高[14]。有研究表明,保护性耕作能够改良土壤理化学性质[15],提高土壤的碳贮藏[16]和肥料利用能力[17],显著影响土壤微生物群落结构[15],增加土壤微生物群落的丰富度和多样性,增强土壤微生物群落的稳定性[18],是平衡农业生产和土壤生态保护关系的有效措施。【本研究切入点】目前有关保护性耕作对土壤微生物和土壤理化性质影响的研究较多,而本研究从两者相结合的角度出发,探讨保护性耕作对旱作麦田微生物群落丰度和空间结构的影响。【拟解决的关键问题】本研究以保护性耕作土壤为研究对象,采用网格取样法,运用半方差函数和地统计学方法揭示土壤微生物的空间变异特征,了解保护性耕作对农田生产的重要作用,为西北旱区科学推广保护性耕作措施、微生物地理学的发展提供理论依据和实践支持。1 材料与方法
1.1 试验地介绍
试验在陕西省杨凌区西北农林科技大学北校区西区试验地（34°21′N,108°10′E）进行,该区属于渭北旱塬,暖温带季风气候,无霜期210 d,年均日照时数2 196 h,年均降雨量500—600 mm,试验区土壤属
土。该试验为长期定位试验,于2010 年进行,试验设两种保护性耕作：秸秆还田深松耕 （简称深松耕,CPT）、秸秆还田免耕（简称免耕,ZT）及常规耕作：秸秆还田常规耕（简称翻耕,PT）,共3种耕作方式处理。3个小区,每个小区面积375 m2（15 m×25 m）。1.2 试验材料和取样方法
供试品种为冬小麦陕麦139。将试验地各处理划分为40个2.5 m×3.75 m网格（图1）,在冬小麦扬花期取土样（2014年5月）,取0—20 cm的耕层土壤,取样时在每个网格内采用5点取样法,采取5个样本,混匀后代表该样方土样,每个处理取20个样本,共计60个样本。样本过2 mm筛,去除土壤中的可见杂质,混匀后置于4℃冰盒保存,运回实验室于-80℃冰箱长期保存。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1取样设置图
-->Fig.1Sampling set grid
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1.3 土壤理化性质和微生物群落测定方法
1.3.1 土壤理化性质测定 土壤理化性质参照WANG等[9]、ZHAO等[19]和BERTHRONG等[20]的方法。土壤含水量用烘干法测定;土壤粉粒、黏粒和砂粒采用激光粒度仪测定;土壤pH采用电位法测定,水土比例为5﹕1;土壤总有机碳含量用重铬酸钾外加热法测定;全氮含量用半微量凯氏定氮法测定;硝铵态氮含量用流动分析仪测定;可溶性碳和可溶性氮用元素分析仪测定;蔗糖酶含量用3-5二硝基水杨酸比色法测定;脲酶含量用苯酚钠比色法测定;过氧化氢酶含量用高锰酸钾滴定法测定。1.3.2 土壤微生物群落丰度测定 土壤微生物DNA的提取采用FastDNA® Spin Kit for Soil方法进行,将提取的DNA样品用Nanodrop 2000分光光度计测浓度值,采用实时荧光定量PCR（Real-time PCR）技术测定土壤微生物群落丰度。在荧光定量PCR反应体系中,加入过量荧光染料,荧光染料特异性地掺入DNA双链后,发射出荧光信号,可以根据荧光信号检测出PCR体系存在的双链DNA数量。试验以土壤微生物总DNA为模板,将真菌FR1（5′- ANCCATTCAATCGGTANT-3′）和FF390（5′-CGAT AACGAACGAGACCT-3′）[21],细菌F515（5′-GTGCCA GCMGCCGCGGTAA-3′）和R806（5′-GGACTACHVG GGTWTCTAAT-3′）[20]的特异性基因经PCR扩增的产物克隆到载体上,挑选阳性克隆子培养并测定其DNA浓度,根据摩尔常数计算成拷贝数,制成标准品稀释后扩增,计算出特异性基因片段拷贝数目和各微生物群落的丰度。
1.4 数据处理方法
1.4.1 半方差函数分析 半方差函数也称为半变异函数,指两个观测点x和x+h的观测值Z(x)和Z(x+h)之间的变异,用其增量平方的数学期望来表示,计算公式如下：式中,γ(h)为半方差函数;N(h)为距离h的样本对的个数;h为具有长度和方向特性的向量;Z(xi)为在xi的观测值;xi为向量点。常用的半方差函数模型有基台模型、指数模型、球状模型和高斯模型等。半方差函数参数有块金值（C0）、基台值（C0+C）、变程（R）、决定系数（R2）,块金值表示区域化变量内部随机变异的大小,基台值表示系统内的总变异的程度,变程表示区域化变量影响范围的大小,块金值和基台值的比值可以反映系统内变量的空间相关程度,一般认为<0.25时,空间变量为较弱的空间自相关,介于0.25—0.75时,为中等自相关,>0.75为较强的空间自相关[22]。
1.4.2 地统计学方法分析 采用Kriging最优内插估值法,在已知变量的半方差函数模型条件下,用样点观测值对未知样点的区域化变量值进行最小误差估计,任何一个样点的估计值通过其影响范围内的n个
样本值Z(xi)的线性组合得到,计算公式为：
式中,ZV*为估计值;λi为加权系数,表示样本值Z(xi)对ZV*的贡献[22]。
本试验的基础数据处理由Excel 2010和R语言完成,半方差函数分析和克里金插值模型由地统计学软件GS+v9完成。
2 结果
2.1 保护性耕作对土壤微生物群落丰度及空间分布的影响
土壤真菌丰度及空间分布如图2所示,免耕土壤真菌丰度范围在拷贝数1.73×109—1.88×1010 cfu/g 干土;翻耕土壤真菌丰度范围在拷贝数3.29×109—1.85×1010 cfu/g 干土;深松耕土壤真菌丰度范围在拷贝数2.52×109—1.77×1010 cfu/g 干土。通过相关关系分析（α=0.05）得出,3种耕作方式下,土壤真菌丰度差异性不显著（P=0.367）,总体服从正态分布,空间分布不均匀,空间连续性差,多呈点状空间聚集分布。免耕方式下,土壤真菌呈点状集中分布在西北和东南方向,并向中部递减,中部丰度值最低;翻耕方式下,土壤真菌多集中分布在西南和东北处,并向中部及两边递减;深松耕方式下,土壤真菌呈条带状集中分布在中央,并呈现出向南北方向递减的趋势。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图23种耕作方式下土壤真菌群落丰度的空间插值图
-->Fig. 2Kriging maps of the spatial interpolation of soil fungi community abundance with three tillages
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细菌丰度及空间分布如图3所示,免耕土壤的细菌丰度范围在拷贝数1.46×109—7.52×109 cfu/g 干土;翻耕土壤的细菌丰度范围在拷贝数1.36×109—4.16×109 cfu/g 干土;深松耕土壤的细菌丰度范围在拷贝数2.27×109—5.89×109 cfu/g 干土。通过相关关系分析（α=0.05）得出,3种耕作方式下,土壤细菌丰度差异性不显著（P=0.214）,总体服从正态分布,空间分布不均匀,空间连续性差,多呈点状空间聚集分布。免耕方式下,土壤细菌呈现条带状集中分布在东部,并向西部递减;翻耕方式下,土壤细菌多集中分布在中部,呈现向四周递减到递增的趋势,东北处丰度值最低;深松耕方式下,土壤细菌丰度较高处呈点状分布在中部和东南部,呈现向四周递减的趋势,北部丰度值最低。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图33种耕作方式下土壤细菌群落丰度的空间插值图
-->Fig. 3Kriging maps of the spatial interpolation of soil bacteria community abundance with three tillages
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采用克里金差值模型对土壤真菌和细菌的空间变异特征进行拟合[23]（表1）,比较不同耕作方式下其空间变异程度。土壤真菌在免耕方式下的最佳拟合模型是高斯模型,在翻耕和深松耕方式下是球状模型;土壤细菌在不同耕作方式下的最佳拟合模型均是球状模型。由决定系数可以发现,土壤真菌和细菌均在免耕和翻耕方式下拟合效果很好,在深松耕方式下拟合效果较差。根据块金值与基台值的比值可以看出,土壤真菌和细菌群落分布在翻耕、免耕和深松耕下都表现出较弱的空间自相关,说明其结构性的变异小,随机性的变异大。
Table 1
表1
表1土壤微生物群落丰度半方差函数的模型类型及参数
Table 1The semi-variance model type and parameters of soil microbial community abundance
| 耕作方式 Tillages | 土壤微生物 Soil microbes | 模型 Model | 块金值 Nugget (C0) | 基台值 Sill (C+C0) | 变程 Range(R) | 块金值/基台值 C/C+C0 | 决定系数 R2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 翻耕 PT | 真菌 Fungi | 球状 Spherical | 4.60+E7 | 4.13+E8 | 9.85 | 0.113 | 0.999 |
| 免耕 ZT | 高斯 Gaussian | 1.98+E8 | 1.16+E9 | 17.74 | 0.170 | 1.000 | |
| 深松耕 CPT | 球状 Spherical | 0.003 | 0.083 | 5.55 | 0.041 | 0.182 | |
| 翻耕 PT | 细菌 Bacterial | 球状 Spherical | 0.005 | 0.081 | 7.83 | 0.067 | 0.786 |
| 免耕 ZT | 球状 Spherical | 0.011 | 0.217 | 6.85 | 0.049 | 0.740 | |
| 深松耕 CPT | 球状 Spherical | 0.005 | 0.074 | 5.27 | 0.063 | 0.204 |
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2.2 保护性耕作对土壤理化性质的影响
土壤物理性质如图4所示,3种耕作方式下,免耕土壤中黏粒含量显著高于深松耕（1.2%）和翻耕（5.5%）,深松耕和翻耕差异性不显著;翻耕土壤中粉粒含量高于深松耕（3.9%）和免耕（7.2%）,深松耕高于免耕（3.1%）,三者之间差异性显著;免耕土壤中砂粒含量显著高于深松耕（77.4%）和翻耕（203.2%）,深松耕和翻耕差异性不显著;免耕土壤中水分含量高于深松耕（7.0%）和翻耕（18.2%）,深松耕高于翻耕（10.5%）,三者之间差异性显著。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4保护性耕作对土壤物理性质的影响
-->Fig. 4Effect of conservation tillage on soil physical properties
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土壤化学性质如图5所示,3种耕作方式下,深松耕土壤中有机碳含量高于翻耕（6.3%）和免耕（13.6%）,翻耕高于免耕（6.8%）,三者之间差异性显著;土壤可溶性碳含量差异性不显著;深松耕土壤中全氮含量高于免耕（9.2%）和翻耕（31.7%）,免耕高于翻耕（20.6%）,三者之间差异性显著;深松耕土壤中可溶性氮含量最高,显著高于翻耕（18.6%）和免耕（5.3%）;深松耕土壤中硝态氮含量最高,显著高于翻耕（17.5%）和免耕（24.5%）。免耕土壤中铵态氮含量最高,显著高于深松耕（37.9%）和翻耕（71.7%）;土壤pH均呈弱碱性,且翻耕pH值高于深松耕（0.5%）和免耕（0.6%）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5保护性耕作对土壤化学性质的影响
-->Fig. 5Effect of conservation tillage on soil chemical properties
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土壤酶活性如图6所示,3种耕作方式下,深松耕土壤中过氧化氢酶活性最低,显著低于翻耕（1.5%）和免耕（1.1%）,翻耕和免耕过氧化氢酶差异性不显著;深松耕土壤中脲酶活性高于免耕（39.4%）和翻耕（107.4%）,免耕高于翻耕（48.7%）,三者差异性显著。深松耕土壤中蔗糖酶活性最高,显著高于翻耕（25.6%）与免耕（27.8%）,翻耕与免耕差异性不显著。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6保护性耕作对土壤酶活性的影响
-->Fig. 6Effect of conservation tillage on soil enzyme activities
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2.3 不同耕作方式下,土壤微生物空间分布与理化性质的相关关系
在不同的耕作方式下,土壤理化因子对土壤真菌和细菌群落分布的影响不同（表2）。由决定系数可以看出,影响土壤细菌群落分布的主要因子是土壤黏粒、水分和铵态氮含量等;影响土壤真菌群落分布的主要因子是可溶性碳含量和过氧化氢酶活性等。结合土壤微生物群落丰度、土壤理化性质与耕作方式之间的典范主分量分析结果（图7）可以看出,耕作方式与PC1轴关系最密切,翻耕主要分布在PC1轴的正半轴,保护性耕作分布在负半轴,说明土壤微生物群落丰度和土壤理化性质变化主要受到耕作方式的影响。土壤物理性质、化学性质和酶活性等对排序有明显的作用,说明这些因素对土壤微生物群落丰度有显著的影响,而可溶性氮对土壤微生物群落丰度没有显著相关性。深松耕方式下,土壤真菌丰度较高,并与土壤蔗糖酶、脲酶活性和可溶性碳、硝态氮等养分因子含量相关性显著;免耕处理下,土壤细菌丰度较高,并与土壤水分、黏粒和砂粒等含量相关性显著。Table 2
表2
表2不同耕作方式下影响细菌和真菌群落分布的理化因素
Table 2Physico-chemical factors affecting the distribution of bacteria and fungi communities under different tillages
| 耕作方式 Tillage | 重复 Repeat | 细菌 Bacterial | 真菌 Fungi | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 决定系数 R2 | 土壤理化 Soil physico-chemical | 决定系数 R2 | 土壤理化 Soil physico-chemical | ||
| 翻耕 PT | 1 | 0.131 | Clay | 0.284 | NH4-N |
| 2 | 0.174 | Clay, Sucrase | 0.44 | DOC, NH4-N | |
| 3 | 0.195 | Clay, TN, Sucrase | 0.41 | DOC, NH4, Sucrase | |
| 免耕 ZT | 1 | 0.318 | VHC | 0.249 | Catalase |
| 2 | 0.32 | VHC, NO3-N | 0.382 | pH, Catalase | |
| 3 | 0.368 | Clay, Sucrase, Catalase | 0.424 | pH, DOC, Catalase | |
| 深松耕 CPT | 1 | 0.255 | NH4-N | 0.203 | NO3-N |
| 2 | 0.348 | NH4-N, TN | 0.264 | DOC, DON | |
| 3 | 0.347 | NH4-N, DON, TN | 0.286 | DOC, NO3-N, DON | |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7不同耕作方式下变量之间的CPCA排序图
-->Fig.7CPCA ordination diagram of variables under different tillages
-->
3 讨论
3.1 保护性耕作对土壤微生物空间分布的影响
耕作方式能显著影响土壤微生物群落[23]。本研究发现,土壤真菌和细菌对耕作方式的响应都极为敏感,空间分布极度不均匀,连续性差,表现出强烈的空间聚集分布,空间变异较高,表明耕作措施对土壤微生物群落空间分布有较大影响。土壤真菌和细菌丰度总体服从正态分布,通过半方差函数分析,在一定范围内土壤微生物存在较弱的空间自相关性,空间结构性变异小,随机性变异大[22]。与传统的翻耕方式相比,保护性耕作可以增加土壤微生物丰度,与陈蓓等[24],沈宝明等[25]和李桂喜等[26]研究结果一致;而且保护性耕作可以改变土壤的生态过程,改善土壤质量,为微生物生存提供丰富的资源,影响土壤微生物丰度及群落结构[12]。3.2 保护性耕作对土壤理化性质的影响
不同的耕作方式可以影响土壤理化性质。本研究表明,保护性耕作可以增加土壤水分含量,提高土壤黏粒含量,与BAUMHARDT等[27]和李友军等[28]研究结果一致。保护性耕作减小了对土壤扰动的程度,有利于形成良好的土壤结构,土壤孔隙连通性较好,较传统耕作有更好的储水和抗水蚀的能力[22],且秸秆覆盖可以减少农田土壤表面水分蒸发,有利于增加土壤水分含量。此外,保护性耕作相对于翻耕方式能显著增加土壤全氮含量,深松耕方式能提高土壤有机碳、碱解氮含量,与张洁等[29]通过对保护性耕作对坡耕地土壤微生物量碳、氮的影响研究结果一致;VARVEL等[30]和LI等[13]研究认为保护性耕作有利于农田土壤积累较多的碳,提高土壤有机碳含量。3.3 保护性耕作对土壤酶活性的影响
不同耕作方式对土壤酶活性影响不同。本研究发现,保护性耕作显著影响土壤酶活性,深松耕方式下显著增加土壤脲酶和蔗糖酶活性,与王芸等[31]、苗琳等[32]和路怡青等[33]研究结果一致;免耕方式下土壤过氧化氢酶活性有所提高,与MADEJÓN等[34]研究结果一致。而深松耕方式下过氧化氢酶活性较低,与张洁等[35]研究结果不一致,或许是本研究中保护性耕作时间较长,土壤过氧化氢酶活性趋于稳定。另外,土壤理化因子也显著影响土壤酶活性,土壤脲酶活性与全氮含量呈显著正相关[36],蔗糖酶活性与土壤有机质转化密切相关[37]。究其原因,保护性耕作改善土壤质量和结构,提高土壤微生物生物量和土壤碳氮含量,进而提高土壤酶活性[31]。3.4 不同耕作方式下,土壤微生物群落丰度和理化因子的关系
不同耕作方式对土壤微生物和理化性质都有不同的影响,土壤微生物空间分布与土壤理化因子也紧密相关。本研究表明,保护性耕作显著影响土壤微生物群落丰度和理化性质,土壤水分和黏粒含量显著影响土壤细菌丰度,土壤矿质氮、过氧化氢酶和有机碳等含量与土壤真菌丰度有紧密联系,这与高玉峰等[38]和WANG等[39]的研究结果一致;WANG等[40]对真菌的研究也发现地上部生物量和碳氮比是决定真菌群落组成的重要因素。所以,土壤微生物群落丰度会受到耕作方式和土壤理化因子综合影响,并为分析微生物分布提供参考依据,便于研究理化因子变化影响微生物群落分布的机制。4 结论
耕作方式对土壤微生物群落空间分布有较大影响,土壤真菌和细菌空间连续性差,表现出空间聚集分布;土壤真菌和细菌对耕作方式的响应都极为敏感。保护性耕作显著提高了土壤水分、黏粒和全氮含量,脲酶和蔗糖酶活性。土壤水分和黏粒含量显著影响土壤细菌群落丰度,土壤碳氮含量显著影响土壤真菌群落丰度。（责任编辑 杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.
