全 文 ：不同秸秆还田和耕作方式对夏玉米农田
土壤呼吸及微生物活性的影响∗
李晓莎　 武　 宁　 刘　 玲　 冯宇鹏　 徐　 旭　 韩惠芳∗∗　 宁堂原　 李增嘉
（作物生物学国家重点实验室 ／土肥资源高效利用国家工程实验室 ／山东农业大学农学院， 山东泰安 ２７１０１８）
摘　 要　 采用基质诱导呼吸法和 ＣＯ２释放量法，研究了冬小麦季长期不同耕作方式（常规翻
耕、免耕和深松）和秸秆处理（秸秆还田和无秸秆还田）对夏玉米田土壤呼吸及微生物活性的
影响．结果表明： 秸秆还田和保护性耕作主要在 ０～１０ ｃｍ土层起作用．秸秆还田能明显提高土
壤微生物生物量碳和微生物活性，降低呼吸熵，在苗期和开花期提高土壤呼吸，而在灌浆期、
腊熟期和收获期降低土壤呼吸；在相同秸秆处理条件下，深松和免耕比常规翻耕能显著降低
土壤呼吸和呼吸熵，提高微生物生物量碳和微生物活性．整个生育期，秸秆还田结合保护性耕
作能显著提高微生物生物量碳和微生物活性，降低呼吸熵，与常规翻耕无秸秆还田相比，深松
秸秆还田和免耕秸秆还田 ０～１０ ｃｍ土层微生物生物量碳平均提高了 ９５．８％和 ７４．３％，微生物
活性提高了 ９７．１％和 ７４．２％．
关键词　 保护性耕作； 秸秆还田； 微生物生物量碳； 微生物活性； 土壤呼吸； 呼吸熵
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０６－１７６５－０７　 中图分类号　 Ｓ１５２．６， Ｓ５１３　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｉｌｌａｇｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃ⁃
ｔｉｖｉｔｙ． ＬＩ Ｘｉａｏ⁃ｓｈａ， ＷＵ Ｎｉｎｇ， ＬＩＵ Ｌｉｎｇ， ＦＥＮＧ Ｙｕ⁃ｐｅｎｇ， ＸＵ Ｘｕ， ＨＡＮ Ｈｕｉ⁃ｆａｎｇ， ＮＩＮＧ Ｔａｎｇ⁃
ｙｕａｎ， ＬＩ Ｚｅｎｇ⁃ｊｉａ （Ｓｔａｔｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｒｏｐ Ｂｉｏｌｏｇｙ ／ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ／ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｔａｉ’ａｎ ２７１０１８， Ｓｈａｎｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（６）： １７６５－１７７１．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｏｎ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｓｕｍｍｅｒ ｍａｉｚｅ ｆｉｅｌｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｔｅｒ ｗｈｅａｔ ａｎｄ ｓｕｍｍｅｒ ｍａｉｚｅ ｄｏｕｂｌｅ
ｃｒｏｐｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ＣＯ２ ｒｅｌｅａｓｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒ⁃
ｍｉｎｅ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ， ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ， ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ
ｑｕｏｔｉｅｎｔ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ３ ｔｉｌｌａｇｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗｉｎｔｅｒ ｗｈｅａｔ ｇｒｏｗｉｎｇ ｓｅａｓｏｎ， ｉ． ｅ．，
ｎｏ⁃ｔｉｌｌａｇｅ， ｓｕｂｓｏｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｉｌｌａｇｅ． Ｅａｃｈ ｔｉｌｌａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｏｍｐａｎｉｅｄ ｗｉｔｈ ２ ｓｔｒａｗ
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ， ｉ．ｅ．， ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ａｎｄ ｎｏ ｓｔｒａｗ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
ｔｉｌｌａｇｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｍａｉｎｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ０－１０ ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ． Ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｓｉｇｎｉｆｉ⁃
ｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ， ｗｈｉｌｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｒｅｓｐｉ⁃
ｒａｔｏｒｙ ｑｕｏｔｉｅｎｔ． Ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ａｔ ｂｏｔｈ ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ａｎｔｈｅ⁃
ｓｉｓ， ｈｏｗｅｖｅｒ， ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ａｔ ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ｗａｘ ｒｉｐｅｎｅｓｓ， ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔ ｓｔａｇｅ．
Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｔｒａｗ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｉｌｌａｇｅ， ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉ⁃
ｃｒｏｂｉａｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ｑｕｏｔｉｅｎｔ ｉｎ ｂｏｔｈ ｓｕｂｓｏｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｎｏ⁃ｔｉｌｌａｇｅ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ
ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｍｍｅｒ ｍａｉｚｅ ｇｒｏｗｉｎｇ ｓｅａｓｏｎ，
ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ｓｔｒａｗ ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｅｒｖａ⁃
ｔｉｏｎ ｔｉｌｌａｇｅ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ｑｕｏｔｉｅｎｔ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｉｎ ０－１０ ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎ⁃
ｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｉｌｌａｇｅ， ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｕｂｓｏｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｎｏ⁃ｔｉｌｌａｇｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ
ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ｂｙ ９５．８％ ａｎｄ ７４．３％， ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｂｙ ９７．１％ ａｎｄ ７４．２％，
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｔｉｌｌａｇｅ； ｓｔｒａｗ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ； ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ Ｃ； ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ； ｓｏｉｌ ｒｅｓ⁃
ｐｉｒａｔｉｏｎ； ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ｑｕｏｔｉｅｎｔ．
∗国家自然科学基金项目 （ ３１１０１１２７， ３１４７１４５３）、公益性行业 （农业）科研专项 （ ２０１１０３００１）和 “十二五”国家科技支撑计划项目
（２０１２ＢＡＤ１４Ｂ０７⁃８）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｈｆ＠ ｓｄａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１４⁃０６⁃０４收稿，２０１５⁃０３⁃３０接受．
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ６月　 第 ２６卷　 第 ６期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊｕｎ． ２０１５， ２６（６）： １７６５－１７７１
　 　 农田生态系统的土壤碳库是 ＣＯ２的“汇”，也是
“源”，其合理调控是增加土壤固碳能力的关键［１］ ．
我国每年秸秆产量在 ６ 亿 ｔ 以上［２］，通过秸秆还田
可以有效实现土壤碳源添加，从而增加农田生态系
统的固碳潜力［３］ ．但是在秸秆还田过程中，一些活动
或过程，如不同的耕作方式，对 ＣＯ２等温室气体排放
和土壤固碳的影响不同［４－６］ ．耕作会导致土壤团聚体
破碎［４］，使土壤有机碳暴露于微生物之下而分解，
通过土壤呼吸释放到大气中，从而造成温室效应［７］ ．
因此，如何既能满足土壤有机质补充，又能有效控制
温室气体排放，是众多研究者关注的热点问题．对秸
秆还田和耕作方式进行系统研究，明确秸秆还田条
件下的适宜耕作措施，对农田生态系统的固碳减排
具有重要意义．
华北平原主要以冬小麦（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ） ／夏
玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ）轮作为主，关于农田 ＣＯ２排放的研
究多集中于耕作方式对麦田土壤呼吸的影响［８］，而
对在小麦季实施不同耕作处理，进而对玉米田土壤
呼吸产生的后效应研究则较少．另外，现有研究多关
注秸秆还田与免耕和翻耕配合对土壤固碳的影响，
对深松的关注较少［９－１０］ ．同时，从微生物生物量碳和
微生物活性等角度探讨秸秆还田和耕作方式机理的
研究较少，而农田生态系统的 ＣＯ２排放与土壤微生
物生物量碳和微生物活性密切相关［１１－１２］ ．为此，本
试验利用 １１年长期定位农田，研究了秸秆还田与麦
季免耕、翻耕和深松 ３ 种耕作方式对夏玉米田土壤
呼吸、微生物生物量碳和微生物活性的影响，旨在从
微生物调控方面阐明不同秸秆还田和麦季耕作方式
对夏玉米田土壤呼吸及微生物活性的影响机理，从
而为华北平原制定合理高效的耕作制度提供理论和
实践依据．
１　 研究区域与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
本试验基于长期定位试验（始于 ２００２ 年），于
２０１３ 年在山东农业大学农学试验站 （ ３６° １０′ Ｎ，
１１７°０９′ Ｅ）进行，试验地点属于典型温带大陆性季
风气候，四季分明，光照充足．该地区年均日照时数
２４６２􀆰 ３ ｈ，年均气温 １３．６ ℃，年均降雨量 ７８６．３ ｍｍ，
具有典型华北平原的气候特点．试验田土壤为棕壤
土，土层深厚，耕层土壤有机碳 １０．２９ ｇ·ｋｇ－１，全氮
１．２２ ｇ·ｋｇ－１，速效氮 １１０．６７ ｍｇ·ｋｇ－１，全磷 ７􀆰 ８５
ｇ·ｋｇ－１，速效磷 ３８． ４４ ｍｇ· ｋｇ－１，土壤容重 １􀆰 ４３
ｇ·ｃｍ－３ ．
１􀆰 ２　 研究方法
试验采用裂区设计：主区为深松（Ｓ）、免耕（Ｎ）
和常规翻耕（Ｃ）３种耕作方式；副区为秸秆还田（Ｐ）
和无秸秆还田（Ａ）．两因素相互组合共 ６ 个处理，分
别为深松秸秆还田（ＰＳ）、免耕秸秆还田（ＰＮ）、常规
翻耕秸秆还田（ＰＣ）、深松无秸秆还田（ＡＳ）、免耕无
秸秆还田（ＡＮ）和常规翻耕无秸秆还田（ＡＣ），以 ＡＣ
为对照．试验设 ３ 次重复，小区面积 １５ ｍ×４ ｍ．种植
制度为冬小麦 ／夏玉米一年两熟，冬小麦供试品种为
‘济麦 ２２ 号’，于 ２０１２ 年 １０ 月 １２ 日播种，播量 ９０
ｋｇ·ｈｍ－２，行距 ２０ ｃｍ，于 ２０１３年 ６月 １３日收获；夏
玉米供试品种为‘郑单 ９５８’，于 ２０１３ 年 ６ 月 １８ 日
播种，密度为 ６．６６×１０４株·ｈｍ－２，于 １０ 月 ８ 日收获．
冬小麦季和夏玉米季分别基施纯 Ｎ ２２５ ｋｇ·ｈｍ－２，
Ｐ ２Ｏ５ １８０ ｋｇ·ｈｍ
－２和 Ｋ２Ｏ １８０ ｋｇ·ｈｍ
－２，各处理分
别在冬小麦拔节期和夏玉米大口期浇水 ６０ ｍｍ，配
合追施纯 Ｎ １００ ｋｇ·ｈｍ－２ ．
本试验 ３ 种耕作措施只在冬小麦播种前进行，
夏玉米免耕铁茬播种．具体作业程序如下：
常规翻耕：玉米机械收获→秸秆还田 ／无秸秆还
田→施底肥→圆盘耙灭茬→铧式犁翻耕（耕作深度
３０ ｃｍ）→筑埂打畦→小麦机械播种→小麦机械收
获→秸秆还田 ／无秸秆还田→玉米免耕铁茬播种．
免耕：玉米机械收获→秸秆还田 ／无秸秆还田→
施底肥→小麦机械播种→小麦机械收获→秸秆还
田 ／无秸秆还田→玉米免耕铁茬播种．
深松：玉米机械收获→秸秆还田 ／无秸秆还田→
施底肥→深松铲深松（耕作深度 ４０ ｃｍ）→小麦机械
播种→小麦机械收获→秸秆还田 ／无秸秆还田→玉
米免耕铁茬播种．
２０１３年 ６—１０月夏玉米苗期、开花期、灌浆期、
腊熟期和收获期进行取样，用土钻取 ０ ～ １０ 和 １０ ～
２０ ｃｍ土层土样，每个处理用蛇形取样法随机选取 ５
点，于 ４ ℃冰箱保存土样，４ ｄ之内测完．
１􀆰 ３　 测定项目与方法
土壤微生物生物量碳采用底物诱导呼吸法．取 ５
ｇ鲜土于 ２８０ ｍＬ试剂瓶中，加入 ３０ ｍｇ 葡萄糖粉末
和 ０． ０２５ ｇ滑石粉于 ２２ ℃培养 ２ ｈ，测 ＣＯ２呼吸量，
根据 ＣＯ２释放速率与微生物生物量碳间的线性关系
得出土壤中微生物生物量碳［１３－１４］ ．
土壤微生物活性采用 ＣＯ２释放量法．取 ５ ｇ鲜土
于 ２８０ ｍＬ 试剂瓶中，２２ ℃培养 ２４ ｈ，测 ＣＯ２呼吸
量［１３］ ．
土壤呼吸采用 ＣＯ２释放量法．取 ５ ｇ 鲜土于 ２８０
６６７１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
ｍＬ试剂瓶中，２８ ℃培养 ２４ ｈ，测 ＣＯ２呼吸量［５］ ．
以上 ＣＯ２的产生量均用 ＡＤＣ Ｂｉｏ． Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｌｔｄ
生产的便携式红外线分析仪测定，土壤均以干土计
算［５，１３－１４］ ．
土壤微生物呼吸熵为基础呼吸与微生物生物量
碳间比率，即每单位微生物生物量碳的具体呼吸速
率［１５］ ．
１􀆰 ４　 数据统计
试验数据采用 ＤＰＳ ７．０５和 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ ２００３
进行统计分析，用 ＬＳＤ 法进行多重比较（α ＝ ０．０５），
采用 Ｏｒｉｇｉｎ Ｐｒｏ ８．０软件作图．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 秸秆还田和麦季耕作方式对夏玉米农田土壤
微生物生物量碳的影响
从图 １ 可以看出，各处理的微生物生物量碳先
增加后减小，于开花期达到最大．除 ＰＣ 和 ＡＣ 外，其
余各处理 ０～ １０ ｃｍ 土层土壤微生物生物量碳均大
于 １０～２０ ｃｍ土层．
０～１０ ｃｍ土层中，相同耕作条件下，秸秆还田各
处理土壤微生物生物量碳在整个生育期均高于不还
田处理，且在苗期和灌浆期达到显著水平 ．在腊熟
图 １　 不同处理的土壤微生物生物量碳
Ｆｉｇ．１　 Ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
ａ） ０～１０ ｃｍ； ｂ） １０～２０ ｃｍ． Ⅰ： 苗期 Ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ； Ⅱ： 开花期 Ａｎ⁃
ｔｈｅｓｉｓ ｓｔａｇｅ； Ⅲ： 灌浆期 Ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ； Ⅳ： 腊熟期 Ｗａｘ ｒｉｐｅｎｅｓｓ ｓｔａｇｅ；
Ⅴ：收获期 Ｈａｒｖｅｓｔ ｓｔａｇｅ． ＰＳ：深松还田 Ｓｕｂｓｏｉｌｉｎｇ ｔｉｌｌａｇｅ ＆ ｓｔｒａｗ ｐｒｅｓ⁃
ｅｎｔ； ＰＮ： 免耕还田 Ｎｏ⁃ｔｉｌｌａｇｅ ＆ ｓｔｒａｗ ｐｒｅｓｅｎｔ； ＰＣ： 常规翻耕还田
Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｉｌｌａｇｅ ＆ ｓｔｒａｗ ｐｒｅｓｅｎｔ； ＡＳ： 深松不还田 Ｓｕｂｓｏｉｌｉｎｇ ｔｉｌｌａｇｅ
＆ ｓｔｒａｗ ａｂｓｅｎｔ； ＡＮ： 免耕不还田 Ｎｏ⁃ｔｉｌｌａｇｅ ＆ ｓｔｒａｗ ａｂｓｅｎｔ； ＡＣ： 常规
翻耕不还田 Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｉｌｌａｇｅ ＆ ｓｔｒａｗ ａｂｓｅｎｔ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
期，ＰＳ比 ＡＳ显著提高 ２２．７％，ＰＮ 比 ＡＮ 显著提高
２６．７％，而 ＰＣ与 ＡＣ差异不显著．相同秸秆还田条件
下，在苗期，常规翻耕处理土壤微生物生物量碳高于
深松和免耕处理，但差异不显著；在开花期、灌浆期
和腊熟期，深松和免耕土壤微生物生物量碳显著高
于常规翻耕，均为深松＞免耕＞常规翻耕；到收获期，
ＰＮ显著高于其他处理，但其他各处理间差异不显
著．夏玉米整个生育期，各处理土壤微生物生物量碳
平均值表现为 ＰＳ＞ＰＮ＞ＡＳ＞ＰＣ＞ＡＮ＞ＡＣ，秸秆还田
结合保护性耕作能显著提高土壤微生物生物量碳，
ＰＳ和 ＰＮ微生物生物量碳含量分别比 ＡＣ 显著提高
了 ９５．８％和 ７４．３％．
１０～２０ ｃｍ土层中，在苗期、开花期和灌浆期，秸
秆还田处理高于不还田处理；而在腊熟期和收获期
则低于不还田处理，但差异均不显著．相同秸秆条件
下，常规翻耕高于深松和免耕，差异不显著．可见秸
秆还田和保护性耕作主要在 ０ ～ １０ ｃｍ 土层对微生
物生物量碳起作用．
２􀆰 ２　 秸秆还田和麦季耕作方式对夏玉米农田土壤
微生物活性的影响
苗期至开花期，土壤微生物活性呈下降趋势，此
后开始上升，到收获期又下降，各处理的微生物活性
在苗期达最大（图 ２）．除 ＰＣ 和 ＡＣ 外，０ ～ １０ ｃｍ 土
层各处理土壤微生物活性均高于 １０～２０ ｃｍ土层．
０ ～１０ ｃｍ 土层中，相同耕作条件下，秸秆还田处
理高于不还田处理，且在苗期、灌浆期和腊熟期达到
图 ２　 不同处理的土壤微生物活性
Ｆｉｇ．２　 Ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
７６７１６期　 　 　 　 　 　 　 李晓莎等： 不同秸秆还田和耕作方式对夏玉米农田土壤呼吸及微生物活性的影响　 　 　
表 １　 不同处理的土壤呼吸速率
Ｔａｂｌｅ １　 Ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ （ｍｅａｎ±ＳＤ， ｍｇ ＣＯ２·ｋｇ
－１·ｈ－１）
土层
Ｌａｙｅｒ
（ｃｍ）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
生育期 Ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅ
苗期
Ｓｅｅｄｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ
开花期
Ａｎｔｈｅｓｉｓ ｓｔａｇｅ
灌浆期
Ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ
腊熟期
Ｗａｘ ｒｉｐｅｎｅｓｓ ｓｔａｇｅ
收获期
Ｈａｒｖｅｓｔ ｓｔａｇｅ
平均
Ｍｅａｎ
０～１０ ＰＳ ５．７７±０．１６ａ ２．５２±０．１３ｂ ３．１２±０．１８ｂｃ ２．８５±０．１９ｃ １．４８±０．１２ｂ ３．１５
ＰＮ ４．３２±０．１４ｃ ２．０７±０．１５ｃｄ ２．８６±０．１８ｃ ２．６０±０．１６ｃ １．４９±０．１６ｂ ２．６７
ＰＣ ５．６３±０．１３ａ ３．１２±０．１６ａ ３．４６±０．２６ａ ３．２９±０．１４ｂ １．９７±０．１４ａ ３．４９
ＡＳ ２．９１±０．０３ｄ ２．２１±０．１９ｂｃ ３．２３±０．２２ａｂ ３．３２±０．１６ｂ １．９０±０．１１ａ ２．７１
ＡＮ ２．２８±０．１３ｅ １．８３±０．２３ｄ ３．０１±０．２４ｂｃ ３．３８±０．１８ａｂ １．２９±０．１２ｂ ２．３６
ＡＣ ５．０７±０．０８ｂ ２．９２±０．１５ａ ３．６３±０．２７ａ ３．７４±０．２８ａ ２．０１±０．１９ａ ３．４７
１０～２０ ＰＳ ３．４９±０．１６ａ １．２１±０．１７ａ １．９２±０．１２ａ ２．１６±０．１６ａ １．２９±０．１１ａ ２．２０
ＰＮ ２．９７±０．１９ｂ ０．６７±０．１３ｂ １．３４±０．１１ｂ １．３３±０．１２ｂ ０．７９±０．１２ｂ １．５８
ＰＣ ３．２７±０．１６ａ １．１３±０．１３ａ １．８９±０．１２ａ ２．０４±０．２４ａ １．３４±０．２４ａ ２．０８
ＡＳ １．０６±０．０９ｃ ０．７１±０．１５ｂ １．８６±０．１３ａ １．９７±０．１９ａ ０．９３±０．０９ｂ １．４０
ＡＮ ０．８４±０．０８ｃ ０．６５±０．１２ｂ １．４５±０．２１ｂ １．１８±０．１３ｂ ０．８５±０．１２ｂ １．０３
ＡＣ ３．１３±０．１６ｂ １．１９±０．１９ａ １．９５±０．１３ａ １．９９±０．１３ａ １．４８±０．１９ａ ２．０７
同列同一土层不同字母表示差异显著（Ｐ＜０．０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｒｏｗ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ．
显著水平；相同秸秆还田条件下，深松和免耕均显著
高于常规翻耕，ＰＳ 和 ＰＮ 平均比 ＰＣ 显著提高了
６５􀆰 ３％和 ４６．２％，ＡＳ 和 ＡＮ 平均比 ＡＣ 显著提高了
５８􀆰 ８％和 ２９．７％．整个生育期，各处理土壤微生物活
性表现为 ＰＳ＞ＰＮ＞ＡＳ＞ＡＮ＞ＰＣ＞ＡＣ，秸秆还田结合
保护性耕作能显著提高土壤微生物活性，ＰＳ 和 ＰＮ
分别比 ＡＣ 显著高 ９７．１％和 ７４．２％，ＰＳ 处理表现出
较好的养分调节功能．
１０～２０ ｃｍ土层中，秸秆还田处理与不还田处理
间差异不显著；相同秸秆条件下，在开花期和灌浆
期，深松显著高于其他处理，其他时期各处理间差异
不显著．夏玉米生育期内微生物活性平均值表现为
深松＞常规翻耕＞免耕，说明深松能提高 ０～２０ ｃｍ土
层土壤微生物活性，而免耕仅能提高 ０ ～ １０ ｃｍ 土层
微生物活性，养分呈层分布．
２􀆰 ３　 秸秆还田和麦季耕作方式对夏玉米农田土壤
呼吸速率的影响
夏玉米不同生育时期 ０ ～ ２０ ｃｍ 土层土壤呼吸
动态变化见表 １．在整个生育期，各处理 ０～１０ ｃｍ土
层土壤呼吸均高于 １０ ～ ２０ ｃｍ 土层，且各处理在
１０～２０ ｃｍ土层差异不显著．
　 　 ０～１０ ｃｍ土层中，相同耕作条件下，在苗期，秸
秆还田各处理土壤呼吸速率显著高于无秸秆还田处
理；在开花期和灌浆期，秸秆还田处理与不还田处理
间差异不显著；进入腊熟期，秸秆还田处理则显著低
于不还田处理；到收获期，秸秆还田处理与不还田处
理间差异不显著．表明秸秆还田后能降低腊熟期和
收获期的土壤呼吸．相同秸秆还田条件下，在苗期，
免耕的土壤呼吸速率显著低于常规翻耕；在开花期，
深松和免耕显著低于常规翻耕，ＰＳ和 ＰＮ分别比 ＰＣ
显著低 １９．２％和 ３３．７％，ＡＳ 和 ＡＮ 分别比 ＡＣ 显著
低 ２４．３％和 ３７．３％；在灌浆期、腊熟期和收获期，秸
秆还田条件下，深松和免耕显著低于常规翻耕，而不
还田条件下差异不显著．夏玉米生育期内，土壤呼吸
速率表现为常规翻耕＞深松＞免耕．
１０～２０ ｃｍ土层中，相同耕作条件下，在苗期，秸
秆还田处理的土壤呼吸速率显著高于不还田处理，
其他时期差异不显著．相同秸秆条件下，免耕的土壤
呼吸速率显著低于其他处理，具有显著的减排作用．
夏玉米生育期内，各处理 ０～２０ ｃｍ土层土壤呼吸速
率平均值表现为：ＰＣ＞ＡＣ＞ＰＳ＞ＡＳ＞ＰＮ＞ＡＮ，ＡＳ 和
ＡＮ平均比 ＡＣ低 １３．６％和 ３８．８％．
２􀆰 ４　 秸秆还田和麦季耕作方式对夏玉米农田土壤
微生物呼吸熵的影响
微生物呼吸熵（ｑＣＯ２）将微生物量的大小与微
生物活性与功能有机联系起来．ｑＣＯ２值大，意味着微
生物呼吸消耗的碳比例较大，建造微生物细胞的碳
比例小［１６］ ．从图 ３ 可以看出，各处理 ｑＣＯ２的变化趋
势基本相同，呈先下降后上升再下降趋势．
０～１０ ｃｍ土层中，相同耕作条件下，秸秆还田处
理在整个生育期 ｑＣＯ２均低于不还田处理，且在生育
后期（腊熟期和收获期）达到显著水平．秸秆还田条
件下，除苗期外，深松和免耕处理均显著低于常规翻
耕；秸秆不还田条件下，深松和免耕在整个生育期均
低于常规翻耕，ＡＳ 和 ＡＮ 分别比 ＡＣ 平均低 ４９．４％
和 ４８．５％．整个生育期，各处理土壤 ｑＣＯ２表现为 ＡＣ
＞ＰＣ＞ＡＮ＞ＡＳ＞ＰＳ＞ＰＮ，秸秆还田结合保护性耕作能
显著降低 ｑＣＯ２，ＰＳ 和 ＰＮ 分别比 ＡＣ 平均低 ５３．７％
和 ５６．０％．
８６７１ 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
图 ３　 不同处理的土壤微生物呼吸熵
Ｆｉｇ．３　 Ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ｑｕｏｔｉｅｎｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
　 　 １０～２０ ｃｍ土层中，在苗期，ＡＮ和 ＡＳ的 ｑＣＯ２显
著低于其他处理；其他时期各处理间差异不显著．说
明秸秆还田结合麦季保护性耕作处理在 ０ ～ １０ ｃｍ
土层具有较强的养分调节功能．
３　 讨　 　 论
研究表明，在 ０ ～ １０ ｃｍ 土层，秸秆还田结合麦
季保护性耕作能显著提高夏玉米田土壤微生物生物
量碳和微生物活性，同时降低微生物呼吸熵．相同耕
作方式下，秸秆还田处理能明显提高 ０ ～ １０ ｃｍ 土层
土壤呼吸、微生物生物量碳及微生物活性，而在 １０～
２０ ｃｍ土层无明显作用，土壤出现明显的“上富下
贫”现象．这与 Ｂａｌｏｔａ 等［１７］和孔凡磊等［１８］的研究结
果一致．分析认为，积累于表土的秸秆能刺激土壤微
生物活性，增大土壤微生物生物量［５，１９］ ．相同耕作方
式下，夏玉米苗期和开花期，０ ～ １０ ｃｍ 土层中，秸秆
还田明显提高了土壤微生物生物量碳、微生物活性
和土壤呼吸，而 １０～２０ ｃｍ土层中，秸秆还田提高土
壤微生物生物量碳的同时，能明显降低土壤呼吸．究
其原因，可能是因为积累于表土的秸秆增加了表土
有机碳含量，能为土壤微生物提供充足的能量，加强
微生物呼吸和秸秆分解，同时增加有机碳向微生物
生物量碳的周转，而 １０～２０ ｃｍ土层中，土壤与空气
接触面积少，秸秆积累少，加之表层秸秆覆盖，土壤
温度较低，微生物活性低，土壤呼吸较弱［８］ ．这与
Ｍｕｈａｍｍａｄ 等［１１］和陈述悦等［６］研究的秸秆还田提
高土壤呼吸会造成碳素亏损不同，可能是因为秸秆
还田在提高土壤呼吸的同时也提高了土壤的固碳能
力和潜力［２０］，进一步说明了研究利用秸秆还田进行
固碳减排对减缓全球变暖具有重要意义．进入灌浆
期和腊熟期，秸秆还田处理能显著提高微生物生物
量碳和微生物活性，降低土壤呼吸．而在收获期，秸
秆还田对各组分的影响均不显著，说明秸秆还田后，
随着时间的推移其影响效应逐渐变小．这与张庆忠
等［２１］研究结果相同，但不同于杨敏芳等［２２］的研究
结果，可能与气候条件、土壤质地、种植制度和耕作
年限等不同有关．
相同秸秆条件下，小麦季不同耕作处理对玉米
田土壤微生物生物量碳、土壤呼吸、微生物活性及微
生物呼吸熵有着不同的影响．０ ～ １０ ｃｍ 土层中，除苗
期外，深松和免耕微生物生物量碳均显著高于常规
翻耕；而 １０～２０ ｃｍ土层中，常规翻耕高于深松和免
耕，但差异不显著．Ｈｅｌｇａｓｏｎ 等［２３］认为，常规翻耕土
壤扰动频繁，０～１０ ｃｍ土层土壤团聚体遭到破坏，导
致表层微生物生物量碳较低，而保护性耕作有利于
土壤表层固碳．深松和免耕显著提高了 ０ ～ １０ ｃｍ 土
层土壤微生物活性，而在 １０～２０ ｃｍ 土层中，免耕则
降低了土壤微生物活性，使免耕土壤养分呈层分布．
这与高云超等［１３］于免耕实施 １５ 年后的研究结果一
致．０～２０ ｃｍ土层中，夏玉米生育期内深松和免耕均
能降低土壤呼吸，这与王芸等［５］的研究不同，而本
试验基于 １１年的保护性耕作研究，在时间效应上更
有说服力，同时由于免耕条件下土壤紧实，与空气接
触面积较小，土壤呼吸较弱，而翻耕对耕层破坏强
烈，土壤温度和水分变化显著，使得土壤呼吸较
高［２４］ ．ＡＣ处理的微生物呼吸熵一直显著高于其他
处理，ＰＣ 次之，且深松和免耕微生物呼吸熵均低于
常规翻耕，说明深松和免耕更有利于土壤养分积
累［２５］ ．免耕的微生物呼吸熵、微生物生物量碳及活
性较深松低，可能是连续 １１ 年免耕造成土壤紧实，
不利于根系深扎［２６］，从而导致微生物活性减弱．因
此，免耕一段时间后要进行一次深耕［２７］ ．
综上所述，秸秆还田处理能明显增加土壤微生
物生物量碳和微生物活性，在作业后期能减少 ＣＯ２
排放．相同秸秆条件下，常规翻耕土壤隔年翻换，两
土层间各组分差异不显著，具有一定的土层均匀性，
深松和免耕能降低土壤呼吸，明显提高 ０ ～ １０ ｃｍ 土
层微生物活性和微生物生物量碳，土壤出现明显的
“上富下贫”现象．秸秆还田结合麦季保护性耕作在
提高微生物活性的同时，能降低微生物呼吸熵，可以
９６７１６期　 　 　 　 　 　 　 李晓莎等： 不同秸秆还田和耕作方式对夏玉米农田土壤呼吸及微生物活性的影响　 　 　
改善土壤生态因子．ＰＳ 较其他处理更有利于微生物
生物量碳及活性的提高，同时显著降低微生物呼吸
熵，是最佳耕作组合．华北平原作为我国的粮食主产
区，长期以来以冬小麦 ／夏玉米轮作为主，秸秆还田
和麦季耕作方式对夏玉米田土壤呼吸及微生物活性
的影响还需进一步完善，尤其麦季耕作如何影响夏
玉米田土壤 ＣＯ２排放还需进一步研究．
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Ａｍｅｒｉｃａ Ｊｏｕｒｎａｌ， ２００９， ７３： １２０－１２７
［２４］　 Ｚｈａｎｇ Ｙ （张 　 宇）， Ｚｈａｎｇ Ｈ⁃Ｌ （张海林）， Ｃｈｅｎ Ｊ⁃Ｋ
（陈继康）， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｌｌａｇｅ ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｏｎ
ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｘｅｓ ｆｒｏｍ ｆａｒｍｌａｎｄ ｉｎ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｐｌａｉｎ
ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｏｉｓｔｕｒｅ． Ｔｒａｎｓ⁃
ａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
（农业工程学报）， ２００９， ２５（４）： ４７－５３ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２５］　 Ｖａｎｃｅ ＥＤ， Ｂｒｏｏｋｅｓ ＰＣ， Ｊｅｎｋｉｎｓｏｎ ＤＳ． Ａｎ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ Ｃ． Ｓｏｉｌ Ｂｉｏ⁃
ｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， １９８７， １９： ７０３－７０７
［２６］　 Ｈｕａｎｇ Ｙ （黄 　 耀）， Ｌｉｕ Ｓ⁃Ｌ （刘世梁）， Ｓｈｅｎ Ｑ⁃Ｒ
（沈其荣）， ｅｔ ａｌ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ
ｔｈｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌｓ．
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用生态学报），
２００２， １３（６）： ７０９－７１４ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２７］　 Ｘｕ Ｙ⁃Ｃ （徐阳春）， Ｓｈｅｎ Ｑ⁃Ｒ （沈其荣）， Ｌｅｉ Ｂ⁃Ｋ （雷
宝坤）， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍ ｎｏ⁃ｔｉｌｌａｇｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａ⁃
ｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｎｕｒｅ ｏｎ ｓｏｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ
ｉｎ ｒｉｃｅ ／ ｗｈｅａｔ ｒｏｔａｔｉｏｎ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏ⁃
ｇｙ （应用生态学报）， ２０００， １１（４）： ５４９ － ５５２ （ ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介　 李晓莎，女，１９９０ 年生，硕士研究生．主要从事农
业生态研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｅｅｘｉａｏｓｈａ＠ １２６．ｃｏｍ．
责任编辑　 肖　 红
１７７１６期　 　 　 　 　 　 　 李晓莎等： 不同秸秆还田和耕作方式对夏玉米农田土壤呼吸及微生物活性的影响