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土壤团聚体组成及耕作方式对微生物区系分布的影响

曹良元  
【摘要】: 土壤是至关重要且有限的自然资源,是农业和自然生态系统的基础要素,但土壤中发生的许多生物与生物化学过程,迄今为止都还是一个“黑箱”。土壤是由不同粒级的土壤颗粒组成,研究微生物群落在土壤结构体内的分布(或分异)是打开这个黑箱的第一步。了解微生物在土壤结构内的分布对于预测相关的生化过程如N的矿化、反硝化、生物固氮、C、N循环、土壤结构的稳定性以及土壤中有机污染物的降解等都是至关重要的。本研究立足于西南大学国家紫色土肥力定位监测点,研究了长期(18年)垄作免耕、常规轮作和冬水稻田三种不同耕作方式下,不同粒级土壤团聚体中几种微生物的区系分布模式以及他们一些的作用机理,初步探讨了土壤团聚体中微生物与氮素循环的相互作用关系。通过研究,取得了以下结果: (1)三种耕作下,垄作免耕土样分形维数最低,分别比常规轮作和冬水稻田低0.449,0.322;同时垄作免耕土样容重分别比常规轮作和冬水稻田高0.04和0.107。不同粒级土壤团聚体的组成中,4.76 mm粒级的土壤团聚体百分含量相对较高,垄作免耕土样4.76 mm粒级团聚体的百分含量相对更高,接近总量的40%;冬水稻田土样小粒径土壤团聚体比重明显提高,各级土壤团聚体有趋向一致的趋势。 (2)土壤有机质在水稳性团聚体中具有相似的分布模式,耕作方式对其分布模式无明显影响。2.0-0.25 mm粒级土壤团聚体中有机质含量明显高于其他粒级,0.053 mm粒级粉砂与粘粒组分中有机质含量最少,二者相差3-4倍。垄作免耕和冬水稻田土样中有机质含量较高,大部分粒级明显高于常规轮作;同时,常规轮作下不同大小土壤团聚体之间有机质含量差异减小,趋向一致。 (3)三种耕作方式下,全氮、有效氮、微生物体氮、NO_3~--N含量及脲酶活性在土壤团聚体中分别具有相似的分布模式。全氮、有效氮和微生物体氮含量主要分布在0.25 mm粒级的大团聚体中,脲酶活性在2.0-0.25 mm粒级团聚体中最高,NH_4~+-N和NO_3~--N在2.0 mm粒级团聚体中的含量均比其它粒级高。垄作免耕下各级团聚体中全氮、有效氮及微生物体氮含量均高于冬水稻田,其中常规轮作土样中含量最低。脲酶活性和无机氮(NH_4~+-N和NO_3~--N)在垄作免耕和冬水稻田土样中含量均较高,且高于常规轮作。 (4)三种耕作方式下,垄作免耕和冬水稻田土样团聚体中微生物生物量碳具有相同的分布模式,大粒径(1.O mm)团聚体中微生物生物量碳基本高于小粒径团聚体,其中垄作免耕土样2.0-1.0 mm粒级团聚体中微生物生物量碳达到1025mg/kg,明显高于其它粒级;常规轮作中微生物生物量碳随团聚体粒级的减小而基本呈现逐渐减小的趋势。土壤微生物生物量氮在常规轮作和垄作免耕土样4.76-0.25 mm粒径之间的几个粒级团聚体中分布较高,但冬水稻田土样0.25 mm和4.76-0.25 mm粒径的各土壤团聚体中微生物生物量氮均较高。本研究还发现垄作免耕显著增加了团聚体中微生物生物量碳和氮;常规轮作土样各级团聚体间微生物生物量分布趋向一致,差异明显减小。 (5)真菌生物量和细菌生物量在土壤团聚体中分别具有相似的分布模式,耕作管理措施对其分布模式影响不明显。不同粒级团聚体中,大团聚体(0.25 mm)中真菌生物量较高,特别是团聚体4.76-2.0mm粒级中真菌生物量更高,微团聚体(0.25-0.053 mm)中真菌生物量最低,前者是后者的5-6倍。不同粒级团聚体中细菌生物量呈波浪式变化,2.0-1.0 mm粒级最高,其次为0.053 mm粒级。 (6)三种耕作方式下,2.0-0.25 mm与0.053 mm粒级团聚体中硝化细菌个数均较高,0.25-0.053 mm粒级较小;2.0 mm粒级硝化细菌活性明显高于其它几个粒级;2.0mm和0.053mm粒级团聚体中呈现出较高的硝化强度。本研究也表明垄作免耕和冬水稻田土壤团聚体中硝化细菌数及硝化强度普遍高于常规轮作,其中冬水稻田土样中硝化细菌数是常规轮作的2.5倍,冬水稻田土样中硝化作用强度是常规轮作1.72倍。 (7)不同粒级土壤团聚体中微生物量氮、铵态氮和硝态氮在土壤矿化过程中分别具有相似的变化趋势。在培养过程中,微生物量氮先增加,再减小,然后趋于稳定,同时2.0-0.25mm粒级团聚体中微生物量氮最高,但变化幅度相对较小,只有15%左右;矿化过程中,铵态氮总量逐渐增大,但矿化速率逐渐降低;硝态氮总量先逐渐增高,21天时达到最大后呈现减少的趋势,矿化速率的变化也呈现先增大后减小的趋势;2.0-0.25mm粒级团聚体中NH_4~+-N和NO_3~--N矿化速率最大。 不同的耕作方式对土壤团聚体中矿化过程中微生物量氮、铵态氮和硝态氮的变化模式具有一定的影响,常规轮作和冬水稻田土壤团聚体中微生物量氮在培养7天后出现最高值,而垄作免耕土样团聚体中微生物量氮在培养14后才表现出最高。在此培养过程,垄作免耕土壤团聚体中微生物量氮相对较高,分别是冬水稻田和常规轮作的1.6倍和1.4倍。垄作免耕土样团聚体中铵态氮和硝态氮变化幅度和矿化速率都相对较高,明显高于常规轮作土样。 (8)不同粒级团聚体中微生物量氮、全氮和有效氮量具有明显的季节变化,每种耕作土壤团聚体中都保持了较好的季节动态变化的同步性;但不同耕作管理方式能够影响其在团聚体中的季节动态变化。土壤团聚体中微生物量氮的季节变化中,常规轮作土样10月和7月份较小;垄作免耕土样从高到低依次分别为4月、7月、10月和1月;冬水稻田从上年的10月到来年的7月逐次升高的。


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