全 文 ：中国生态农业学报 2010年 5月 第 18卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2010, 18(3): 465−471


* 国家重大基础研究计划(973计划)前期预研项目(2009CB125901, 2006CB708401)和石河子大学“长江学者”奖励计划项目(500001150302)资助
** 通讯作者: 梁永超(1961~), 男, 研究员, 博士, 研究方向为逆境植物营养生理与分子生物学。E-mail: ycliang@caas.ac.cn.
刘瑜, 女, 硕士研究生, 主要从事干旱区植物营养生理生态研究。E-mail: shzliuyu@163. com
收稿日期: 2009-12-05 接受日期: 2010-02-03
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00465
不同种植方式对北疆绿洲土壤养分和
生物学性状的影响*
刘 瑜 1 褚贵新 1 梁永超 1,2** 李俊华 1 王 飞 1
(1. 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室 石河子大学农学院 石河子 832003;
2. 农业部作物营养与施肥重点实验室 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081)
摘 要 长期种植不同作物对土壤的理化性质与生物学性状有很大影响。本研究针对北疆绿洲灰漠土几种典
型作物种植方式, 研究了不同作物长期种植对土壤养分、酶活性、微生物量碳氮以及土壤呼吸的影响。结果
表明: 长期种植不同作物使土壤表层(0~20 cm)与亚表层(20~40 cm)的土壤肥力性质产生明显分异, 表层土壤的
肥力水平明显高于亚表层; 土壤 pH 则表层低于亚表层, 而不同种植方式对灰漠土 pH 无显著影响。长期种植不
同作物对土壤主要生物过程关键酶活性、土壤呼吸等土壤生物性状有明显影响, 磷酸酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、
多酚氧化酶、纤维素酶在不同种植方式下差异显著, 小麦/油葵轮作 10年(WSR)方式下上述 5种酶活性均较高。
土壤微生物量碳氮随棉花连作年限的延长而显著下降, 且玉米连作 10 年(CrM)、小麦连作 10 年后棉花连作 10
年(WCtR)、棉花连作 15 年(CtM)和小麦/油葵轮作 10 年的土壤微生物量碳氮比分别为 6.31、6.02、5.83 和 3.53。
不同种植方式下土壤呼吸在120 h内的变化均为先下降后趋于平稳, 不同种植方式下的土壤呼吸商之间呈显著性差
异, WSR呼吸商最高, 平均 20.54 μg(CO2-C)·mg−1(Bc)·h−1, WCtR最低, 平均 14.01μg(CO2-C)·mg−1(Bc)·h−1。
作物长期连作后与绿肥作物轮作, 有利于提高土壤生物活性, 是一种较好的种植方式。
关键词 长期连作 轮作 土壤养分 土壤酶 土壤呼吸 微生物量碳氮 生物学性状 呼吸商
中图分类号: S562 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)03-0465-07
Soil nutrient and biological characteristics in North Xinjiang Oases
as influenced by cropping patterns
LIU Yu1, CHU Gui-Xin1, LIANG Yong-Chao1,2, LI Jun-Hua1, WANG Fei1
(1. Xinjiang Production and Construction Group Oasis Ecological Agriculture Key Laboratory; College of Agronomy, Shihezi Uni-
versity, Shihezi 832003, China; 2. Key Laboratory of Crop Nutrition and Fertilization, Ministry of Agriculture; Institute of Agricul-
tural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
Abstract The objective of this study was to investigate the effect of long-term continuous mono-cropping and rotation on soil
physico-chemical characteristics and biological activities using typical field cropping patterns in the oasis farmlands of North Xinji-
ang. The physico-chemical characteristics and biological activities investigated include main soil fertility indices, soil enzyme activi-
ties, microbial biomass C (MBC), microbial biomass N (MBN) and soil respiration rate. The results show that the quality of soil fer-
tility is significantly higher for the 0~20 cm than for the 20~40 cm depth layer in soils subjected to long-term continuous
mono-cropping and rotation with legumes. On the contrary, soil pH values are significantly higher in the subsurface layer than in the
top layer. Though different cropping patterns have no significant effect on soil pH, they remarkably affect soil respiration rate and
main soil enzyme activities including those of alkaline phosphatases, urease, β-glucosidase, polyphenol oxidase and cellulose. Com-
pared with other treatments, a 10-year wheat/sunflower rotation (WSR) gives a higher enzyme activity. MBC and MBN decrease
with duration of continuous cotton mono-cropping (from 10 to 15 years); MBC/MBN ratios under 10 years of continuous corn
mono-cropping (CrM), wheat mono-cropping for 10 years followed by another 10 years of cotton mono-cropping (WCtR), and 15
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years of continuous cotton mono-cropping (CtM) and WSR are respectively 6.31, 6.02, 5.83 and 3.53. Laboratory incubation stud-
ies show that soil respiration decreases in the early stages and then stabilizes in the later stages of incubation (a total time period of
120 h) for all soils under different cropping systems. There are significant differences in soil respiration quotients among different
cropping patterns, with the highest average soil respiration quotient of 20.54 μg(CO2-C)·mg−1(Bc)·h−1 in WSR, and the lowest of
14.01 μg(CO2-C)·mg−1(Bc)·h−1 in WCtR. In conclusion therefore, rotation with green manure is the best cropping system for im-
proved soil biological activity.
Key words Long term mono-cropping, Rotation, Soil nutrient, Soil enzyme, Soil respiration, Microbial biomass C and N,
Biological characteristics, Respiration quotient
(Received Dec. 5, 2009; accepted Feb. 3, 2010)
作物种植方式是影响土壤肥力变化最普遍、最
直接、最深刻的因素[1−5]。土地利用方式的变化必然
会导致土壤肥力性质和生物学性质的变化。土壤养
分是土壤肥力的重要组成部分, 对作物生长和产量
有着重要影响。土壤酶参与土壤中许多重要的生物
化学过程和物质循环, 其活性可反映土壤中各种生
物化学过程的强度和方向, 一定程度上反映了土壤
养分转化的动态变化。土壤微生物生物量既是土壤
有机质和土壤养分转化与循环的动力, 又可作为土
壤中植物有效养分的储备库, 是土壤肥力的重要生
物学指标。土壤微生物量碳是土壤有机质库的活跃
部分, 指示土壤总有机质的状态与积累情况[6]。
棉花作为新疆绿洲区的主要经济作物, 近年来
其种植面积不断扩大, 因而小麦、玉米等粮食作物
的种植面积相应减少。由于耕地有限, 轮作制度难
以实施, 连作已成为该区域作物的主要种植模式。
长期棉花连作导致黄萎病等土传病害时有发生, 土
壤生产力下降。因此, 研究不同种植方式对耕地土
壤肥力状况和生物学特性的影响, 可以有效指导该
区域农业生产, 促进土地资源的持续利用。国内外
许多学者对种植方式与土壤肥力质量的关系进行了
大量研究[7−9]。何琳等[10]研究表明, 烤烟连作 7年导
致 0~20 cm土层土壤有机质和速效钾含量发生不同
程度的积累, 而 20~40 cm土层土壤速效氮、速效磷、
速效钾含量均呈现不同程度的亏缺。娄翼来等[11]研
究表明, 随着植烟年限的延长, 土壤脲酶和中性磷
酸酶在次表层土壤均呈现不同程度的降低趋势。孙
秀山等[12]通过花生盆栽试验表明, 随连作年限的增
加, 土壤中碱性磷酸酶和脲酶活性逐年降低。长期
以来, 人们对大豆、花生、蔬菜等长期连作产生的
影响进行了大量有益研究[13−14], 但对北疆棉花长期
连作所引起的土壤肥力、酶活性和微生物量的变化
却鲜有报道。本文通过对北疆绿洲不同种植方式下
土壤肥力性质、酶活性、微生物量碳氮和土壤呼吸
变化的研究, 旨在阐明不同种植方式下的土壤养分
变化趋势, 以期为北疆绿洲农田创造良好的土壤生
态环境条件, 为棉花的可持续生产提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验设置
试验在石河子大学农学院实验站进行。土壤类
型为典型灰漠土, 分别选取不同种植方式、相同种
植方式不同种植年限的土壤进行研究, 即玉米连作
10年(Corn mono-cropping for 10 years, CrM)、小麦
连作 10 年后棉花连作 10 年(Wheat mono-cropping
for 10 years followed by cotton mono-cropping for an
additional 10 years, WCtR)、棉花连作 15年(Cotton
mono-cropping for 15 years, CtM)以及小麦/油葵轮作
10年(Wheat/sunflower rotation for 10 years, WSR)。
1.2 样品采集及预处理
2007年 10月初, 采用多点混合法在石河子大学
农学院实验站以“S”型路线在样地上分别采集深度
为 0~15 cm、0~20 cm和 20~40 cm的土壤, 为避免
田块面积太大而造成取样带来的误差, 在样点附近
取 12钻为 1个混合样。土样分两部分保存, 0~15 cm
土层土壤采集后存放在 4 ℃冰箱 , 用于测定酶活
性、微生物量碳氮及土壤呼吸, 测定各生物指标前
在 25 ℃下预培养 3~7 d。0~20 cm和 20~40 cm土层
土壤自然风干, 分别过 2 mm和 0.149 mm筛后妥善
保存, 用于测定土壤基本理化性质。
1.3 土壤理化性质测定
土壤 pH用电位法测定(土水比为 1︰5), 含水量
用烘干法测定, 有机质用重铬酸钾容量法测定, 全
氮用开氏消煮法测定, 全磷用 HClO4-H2SO4 消煮钼
锑抗比色法测定, 全钾用 NaOH 熔融火焰光度法测
定, 铵态氮采用 KCl 浸提靛酚蓝比色法测定, 硝态
氮采用KCl浸提铜镉还原柱法测定, 速效磷用Olsen
法测定, 速效钾用乙酸铵浸提火焰光度法测定[15]。
1.4 土壤酶活性测定
磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定, 结果
以每小时 1 g 土壤中释放出的酚毫克数表示; 脲酶
活性采用靛酚比色法测定, 结果以 24 h后 1 g土壤
中 NH+4-N的毫克数表示; β-葡萄糖苷酶活性用对-硝
基酚-β-D-葡萄糖苷做底物测定的方法, 结果用 1 h 后
第 3期 刘 瑜等: 不同种植方式对北疆绿洲土壤养分和生物学性状的影响 467


1 g 土壤中对−硝基酚的微克数表示; 多酚氧化酶活
性用邻苯三酚比色法测定, 其活性以 2 h后 1 g土壤
中生成的紫色没食子素的毫克数表示; 纤维素酶活
性采用二硝基水杨酸比色法测定, 其活性用 72 h后
1 g土壤中葡萄糖的毫克数表示[16]。
1.5 微生物量碳氮与土壤呼吸的测定
土壤微生物量碳氮采用氯仿灭菌-K2SO4提取法,
浸提液中全氮、有机碳分别用蒸馏法、重铬酸钾容
量法测定 [17], 微生物量碳(BC)、氮(BN)计算见公式
(1)、公式(2)。
BC=EC/KEC (1)
BN=EN/KEN (2)
式中, KEC=0.38, KEN=0.45。
土壤呼吸采用静态气室法, 称取相当于 20 g烘
干土置于广口瓶中, 调节土壤含水量至田间持水量
的 55%, 并放入一只装有 5 mL 0.1 mol·L−1NaOH的
小烧杯, 置于 25 ℃下培养。分别在培养 1 d (24 h)、
2 d (48 h)、3 d (72 h)、4 d (96 h)、5 d (120 h)时测定
每份土样的 CO2 释放量, 同时设置对照。测定时用
0.05 mol·L−1HCl 溶液回滴[18]。土壤在一定时间间
隔内所释放的 CO2量, 采用公式(3)计算:
C(CO2, mL·kg−1)=[(V0−V)×c×0.022×(22.4/44)×
1 000]×1 000/m (3)
式中, V0为滴定空白碱液时所耗盐酸量(mL), V为滴
定土样碱液时所耗盐酸量(mL), C 为盐酸的摩尔浓
度(mol·L−1), m为烘干土重(g)。
1.6 数据分析
采用 Excel 2003和 SPSS16.0统计分析软件进行
处理, 处理间的差异显著性采用 Duncan法进行单因
素和双因素多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同种植方式对土壤养分的影响
由表 1可知, 不同种植方式的表层土壤 pH无显
著差异, 范围为 7.79~7.88。土壤有机碳含量差异性
显著, CrM含量最高, 为 11.49 g·kg−1, WSR含量最
低, 为 9.21 g·kg−1。表层土壤各养分含量中, 土壤
全氮、全磷、有效磷、有效钾、Nmin随种植方式不
同呈显著性差异, 玉米连作(CrM)表层养分(全氮、全
磷、有效磷、有效钾)含量显著高于其余 3种利用类
型。4种不同种植方式下, 全钾含量无显著差异。
随着土层深度加深土壤 pH升高, CrM、WCtR、
CtM、WSR 土壤 pH 随深度加深分别提高 0.76%、
1.16%、1.40%和 1.14%; 土壤有机碳含量则随着土层
深度加深呈降低趋势, 4种种植方式下土壤有机碳含量
随深度增加分别降低 30.3%、38.0%、17.0%和 19.9%。
不同种植方式下亚表层各养分含量也表现出显
著性差异, 除 CtM 土壤 Nmin 含量亚表层高于表层,
各养分含量都为表层含量高于亚表层。小麦/油葵轮
作(WSR)亚表层全氮含量显著高于其余 3 种方式,
可能是由于复播油葵作为绿肥翻入土壤, 增加了土
壤的氮源。亚表层 CrM全磷和速效磷含量均为 4种
处理中最高, 土壤中的磷素大部分以缓效态和矿物
态存在 , 全磷含量高时并不意味着磷素供应充足 ,
而全磷含量低于某一水平时, 却可能意味着磷素供
应不足。由表 1 看出, 不同种植方式下土壤全磷和
有效磷分布均呈表层高于亚表层, 相同种植方式下
上下两层土壤间磷素均呈显著差异, CrM、WCtR、
CtM 及 WSR 全磷和有效磷亚表层较表层分别降低

表 1 不同种植方式对土壤 pH 和土壤养分的影响
Tab. 1 Effect of different cropping patterns on soil pH and soil nutrients
土壤层次
Soil layer
(cm)
处理
Treatment
pH
有机碳
Organic
carbon
(g·kg−1)
全氮
Total N
(g·kg−1)
全磷
Total P
(g·kg−1)
全钾
Total K
(g·kg−1)
有效磷
Available P
(mg·kg−1)
有效钾
Available K
(mg·kg−1)
矿质氮
Nmin
(mg·kg−1)
CrM 7.88ab 11.49a 1.30a 1.31a 32.67ab 77.1a 298.0a 60.0bc
WCtR 7.79b 10.73a 1.04c 1.00c 32.68ab 16.5d 162.0b 40.5d
CtM 7.84b 11.16a 1.12b 0.97c 33.35a 14.67e 136.1c 65.2ab
0~20
WSR 7.88ab 9.21b 1.14b 0.82d 33.04a 27.02c 141.6c 46.3cd
CrM 7.94a 8.01c 0.81e 1.16b 31.31b 45.46b 99.4f 41.4d
WCtR 7.89ab 6.65d 0.75f 0.76e 32.01ab 4.93h 121.2d 37.2d
CtM 7.96a 9.27b 0.81e 0.84d 32.01ab 6.56g 104.8ef 79.9a
20~40
WSR 7.97a 7.38cd 0.88d 0.73e 32.70ab 12.71f 114.4de 38.3d
不同土层 Different soil layer ** ** ** ** * ** ** ns
不同种植方式 Different cropping pattern ns ** ** ** ns ** ** **
层次×种植方式
Soil layer×cropping pattern
ns * ** ** ns ** ** *
同列不同字母表示处理间差异达到显著性水平(P<0.05), 表 2同。Different letters in the same column indicate significant difference at P<0.05.
The same as the Tab. 2. *P< 0.05, ** P< 0.01.
468 中国生态农业学报 2010 第 18卷


11.5%、23.4%、11.2%、10.7%和 41.0%、70.1%、55.3%、
53.0%。虽然不同种植方式下随土层加深土壤全磷和
有效磷含量均降低, 但对有效磷的影响要远远大于
对全磷的影响。钾是植物必需的营养元素之一, 土
壤中的钾是植物所需钾的主要来源, 在植物生长和
代谢中具有重要的作用。由表 1 可看出, 不同种植
方式下, 土壤全钾和有效钾分布均呈现表层高于亚
表层, 同一层土壤全钾含量在不同种植方式下差异
不显著; 但土壤有效钾含量则在不同种植方式下和
不同土层间均呈显著性差异, CrM 表层土壤速效钾
含量比亚表层高 199.8%。CrM表层土全钾含量最低,
平均 32.67 g·kg−1, 但其速效钾含量最高, 为 298.0
mg·kg−1。
2.2 不同种植方式对土壤酶的影响
土壤酶是土壤的组成成分之一, 在土壤形成过
程中起着重要作用, 本研究主要选取与碳(β-葡萄糖
苷酶、多酚氧化酶、纤维素酶)、氮(脲酶)、磷(碱性
磷酸酶)循环紧密相关的酶进行分析。由表 3 可知,
不同种植方式下不同酶活性之间变化很大, 碱性磷
酸酶活性以玉米连作(CrM)下最高, 15 年棉花连作
(CtM)最低, 两者之间差异显著; 土壤脲酶活性以小
麦/油葵轮作(WSR)最高, CtM脲酶活性最低; β-葡萄
糖苷酶主要将纤维二糖、纤维三糖转化为葡萄糖。
不同种植方式下 β-葡萄糖苷酶活性略有差异, 但差
异性不显著; 多酚氧化酶是一类以铜、锰为活性中
心的氧化还原酶, 主要完成土壤芳香族化合物循环,
4 种种植方式下多酚氧化酶活性之间均表现出显著
性差异; 不同耕种方式下纤维素酶活性以 CtM 最
低, 与 CrM、WCtR、WSR间差异显著。WSR各酶
活性均处于较高水平, 而 CtM 酶活性则普遍处于
较低水平。
土壤酶在起酶促作用时, 专性特征是指酶对土
壤中有机化合物转化过程的催化, 共性关系指各酶
活之间的相关关系, 反映土壤酶的总体活性。鲁如
坤[19]的研究表明, 土壤酶活性之间存在显著或极显
著相关性。由表 3 各酶活之间的相关性分析可以看
出, 多酚氧化酶和碱性磷酸酶之间呈现出显著性负
相关(r=−0.593), 纤维素酶和脲酶之间则呈现出极显
著性正相关(r=0.757), 其余各酶活之间的相关性不
显著。整体显示土壤酶活性之间的相关性不是很好,
未能体现酶与酶之间的共性关系。
2.3 土壤酶活性与土壤养分之间的相关关系
土壤酶活性一定程度上反映了土壤养分转化的
动态状况, 每一种酶的活性都指示一种生物循环过
程, 并且和特定的养分循环有密切联系。由表 4 可
知, 各供试表层土壤中各类土壤酶活性与土壤养分
之间存在不同程度的相关性, 碱性磷酸酶与土壤有
效磷、有效钾分别呈极显著(r=0.685)和显著(r=0.592)
正相关, 脲酶与土壤 Nmin 及土壤有机碳之间分别
呈极显著正相关和负相关 , 多酚氧化酶与土壤全
氮、有效磷、有效钾之间分别呈极显著和显著负相
关 , 纤维素酶和土壤 Nmin 之间呈显著负相关(r=
−0.636)。由此可以看出, 这些酶在参与土壤碳、氮、
磷循环中发挥了重要作用。

表 2 不同种植方式下表层土壤酶活性的变化
Tab. 2 Enzyme activity in surface layer of soil subjected to different cropping patterns
处理
Treatment
碱性磷酸酶
Al-phosphatase
[mg (pNP)·g−1·h−1]
脲酶
Urease
(mg·g−1·24 h−1)
β-葡萄糖苷酶
β-Glucosidase
[μg (pNP)·g−1·h−1]
多酚氧化酶
Polyphenol oxidase
(mg·g−1·2 h−1)
纤维素酶 Cellulase
(mg·g−1·72 h−1)
CrM 0.57±0.01a 19.35±0.43b 5.52±0.12a 4.58±0.02d 0.28±0.04ab
WCtR 0.49±0.01ab 24.49±0.12a 6.09±0.23a 6.04±0.01a 0.30±0.04a
CtM 0.44±0.03b 16.58±0.21c 5.74±0.57a 5.49±0.19b 0.22±0.03b
WSR 0.53±0.08a 24.49±0.77a 5.87±0.96a 4.99±0.01c 0.34±0.01a

表 3 不同种植方式下土壤酶活性之间的相关关系
Tab. 3 Correlations among enzyme activities of soils subjected to different cropping patterns
参数
Parameter
碱性磷酸酶
Al-phosphatase
脲酶
Urease
β-葡糖苷酶
β-Glucosidase
多酚氧化酶
Polyphenol oxidase
纤维素酶
Cellulase
碱性磷酸酶 Al-phosphatase — 0.274 0.112 −0.593* 0.457
脲酶 Urease 0.274 — 0.354 0.256 0.757**
β-葡糖苷酶 β-Glucosidase 0.112 0.354 — 0.398 0.147
多酚氧化酶 Polyphenol oxidase −0.593* 0.256 0.398 — −0.162
纤维素酶 Cellulase 0.457 0.757** 0.147 −0.162 —
* P< 0.05, r≥0.532; ** P< 0.01, r≥0.661, n=12. 表 4同 The same as the tab. 4.
第 3期 刘 瑜等: 不同种植方式对北疆绿洲土壤养分和生物学性状的影响 469


2.4 不同种植方式对土壤微生物量碳氮的影响
土壤微生物量是土壤养分的储库, 可作为土壤
肥力水平的活指标。土壤微生物量的研究对于提高
土壤自然肥力和保护生态环境具有重要的理论意
义[20−22]。土壤微生物生物量碳或氮转化速率的高低
可以很好地表征土壤总碳或总氮的变化, 是比较敏
感的生物学指标。由图 1 可知, 不同种植方式下微
生物量碳氮之间均存在显著性差异。4 种种植方式
中微生物量碳含量以 CrM 最高 , 平均 135.47
mg·kg−1, WSR 最低, 平均 87.34 mg·kg−1; 虽然
WSR 微生物量碳含量最低, 但其微生物量氮含量却
在 4 种种植方式中最高。4 种种植方式土壤微生物
量碳氮比值分别为 6.3、6.0、5.8和 3.5, 表明 4种种
植方式下以 CrM 的碳素有效性较高, 而 WSR 的氮
素生物有效性较高。
2.5 不同种植方式对土壤呼吸的影响
土壤基础呼吸反映了土壤生物活性与物质代谢
的强度, 呼吸强度是度量新陈代谢的一个重要指标,
呼吸强度越大说明呼吸作用越旺盛, 营养物质消耗
越快[23−24]。由图 2可知, 土壤基础呼吸在 120 h内随
时间延长而逐渐下降; 24 h时 CrM释放的 CO2浓度
最高, 平均 51.34 mL·kg−1, WCtR释放的 CO2浓度
最低, 平均 36.71 mL·kg−1; 在 24~48 h内, CrM、
CtM和 WSR土壤呼吸强度下降急促, WCtR则下降
相对较慢; 48~96 h内 4种种植方式土壤呼吸强度下
降均比较平缓; 96~120 h内, 除 CrM呼吸强度下降

表 4 不同种植方式下表层土壤酶活性与土壤养分之间的相关关系
Tab. 4 Correlations of soil nutrients with enzyme activity in surface layer of soils subjected to different cropping patterns
参数
Parameter
碱性磷酸酶
Al-phosphatase
脲酶
Urease
β-葡糖苷酶
β-Glucosidase
多酚氧化酶
Polyphenol oxidase
纤维素酶
Cellulase
有机碳 Organic carbon −0.088 −0.696** −0.294 −0.030 0.397
全氮 Total N 0.519 −0.439 −0.393 −0.892** −0.093
全磷 Total P 0.408 −0.439 −0.274 −0.439 −0.250
有效磷 Available P 0.685** −0.202 −0.299 −0.812** 0.089
有效钾 Available K 0.592* −0.223 −0.270 −0.635* 0.014
Nmin 0.035 0.815** 0.044 −0.398 −0.636*


图 1 不同种植方式下表层土壤微生物量碳氮的变化
Fig. 1 Microbial biomass C and microbial biomass N in surface layer of soils subjected to different cropping patterns


图 2 不同种植方式下土壤呼吸及呼吸商的变化
Fig. 2 Soil respiration and respiration quotient subjected to different cropping patterns
470 中国生态农业学报 2010 第 18卷


急促以外, 其余 3种种植方式下降比较平缓。CrM、
WCtR、CtM和 WSR在 120 h内释放的 CO2累积量
分别为 139.67 mL·kg−1、130.97 mL·kg−1、112.53
mL·kg−1和 104.55 mL·kg−1。
呼吸商(Respiration quotient)又称代谢商, 是基
础呼吸与微生物量碳之间的比值, 即每单位微生物
量碳的呼吸率。由图 2 可知, 呼吸商在 4 种不同种
植方式下呈现出一定的差异性, WSR 呼吸商最高,
平均 20.54 μg(CO2-C)·mg−1(Bc)·h−1, WCtR呼吸商
最低, 平均 14.01μg(CO2-C)·mg−1(Bc)·h−1, 说明不
同作物种植方式下, 由于作物种类及管理措施的不
同, 土壤呼吸商呈现出很大差异性。
3 讨论
3.1 不同种植方式对土壤 pH及养分的影响
土地种植方式的变化以及不同的管理措施等必
然导致土壤性质的变化以及土地生产力的改变。系
统、深入地研究不同利用方式对耕地土壤肥力状况
的影响可以有效地指导农业生产, 以确保土地资源
的持续利用。已有很多报道论述不同地域不同土地
利用方式和耕作措施对土壤肥力的影响[1−5,11]。本研
究表明, 不同种植方式对干旱区绿洲灰漠土的基本
养分指标影响比较显著, 但对 pH影响不大。究其原
因, 主要是灰漠土的碳酸盐含量较高, pH 较高, 对
酸的缓冲性强, 因此土壤 pH较稳定。全量养分作为
土壤营养元素供应的“源”和“库”, 在不同种植
方式下, 其受影响幅度较速效养分低; 速效养分在
作物生长过程中起主要作用, 由于不同作物对养分
需求不同, 造成土壤速效养分含量差异显著。土壤
各养分在不同种植方式下不同土层变化趋势基本一
致, 呈现表层含量高于亚表层, 其中 10 年棉花连作
(WCtR)亚表层全磷和速效磷含量较表层含量低 ,
其降幅高达 23.4%和 70.1%, 同样, 玉米连作 10 年
(CrM)表层速效钾含量比亚表层高 199.8%。由此可
见, 作物长期连作可引起亚表层某些养分含量降低,
甚至亏缺, 应引起高度重视。
3.2 不同种植方式对土壤生物学性质的影响
土壤酶活性与土壤养分密切相关, 反映土壤养
分(尤其是碳、氮、磷)转化的强弱, 可以表征土壤肥
力水平; 土壤微生物生物量在指示土壤肥力、植物
营养水平方面也具有重要意义。本研究结果显示 ,
碱性磷酸酶、脲酶、纤维素酶均为 15 年棉花连作
(CtM)处理最低, 且差异显著。刘建国等[25]的研究表
明, 棉花短期(5 年和 10 年)连作引起土壤酶活性下
降, 连作达到 15年和 20年时, 土壤酶活性又逐步恢
复。本研究表明, 不同种植方式的土壤微生物量碳
氮值差异显著, 连作 10年的棉田微生物量碳氮值显
著高于连作 15年。相关分析表明, 碱性磷酸酶和多
酚氧化酶之间呈显著负相关(r=−0.593, P<0.05), 脲
酶和纤维素酶之间呈极显著正相关 (r=0.757,
P<0.05); 微生物量碳和有机质之间呈显著正相关
(r=0.664, P<0.05), 而微生物量氮和有机质之间则呈
显著负相关(r=−0.649, P<0.05), 这与前人的研究结
果一致[19−20]。呼吸商是反映环境因素、管理措施变
化等对微生物活性影响的一个敏感指标, 土壤熟化
程度越高 , 土壤呼吸商越小 , 当遇到外源胁迫 , 如
土壤水分匮乏、除草剂应用、土壤酸化等呼吸商增
大[26−27]。本试验表明, 小麦/油葵轮作 10年处理的表
层土壤呼吸商最大, 棉花连作 15 年次之, 小麦连作
10 年后棉花连作 10 年最低。究其原因主要是小麦/
油葵轮作 10年处理土壤微生物量碳低, 棉花连作 15
年处理土壤微生物量碳次低所致。
3.3 不同种植方式下土壤酶活性与养分的相关性
相关分析表明, 不同种植方式下北疆绿洲土壤
碱性磷酸酶与有效钾、有效磷分别呈显著或极显著
正相关; 脲酶与 Nmin间呈极显著正相关, 而与有机
碳呈极显著负相关。张焱华等[28]研究结果同样显示
脲酶与土壤有机质呈负相关; 刘建国等[25]研究则表
明, 不同连作年限土壤脲酶与有效钾含量呈显著正
相关。本研究中多酚氧化酶与土壤全氮、有效磷、
有效钾分别呈极显著和显著负相关, 这与张焱华等
[28-29]对海南岛橡胶林土壤的研究结论不同。究其原
因, pH是主要影响因子之一。本研究土壤的 pH为碱
性(pH7.8~7.9), 而海南岛橡胶林土壤 pH 为强酸性
(pH4~5)。显然, 不同地理位置和不同种植方式下土
壤酶和养分之间相关性不同。本试验结果表明, 小
麦/油葵轮作处理的表层土壤与养分转化、有效性和
循环有密切关系的土壤酶活性较高 , 有利于提高
土壤微生物量氮。因此, 长期连作后与绿肥轮作是
促进北疆绿洲灰漠土可持续利用的一种较好的种植
方式。
4 结论
长期种植不同作物条件下北疆灰漠土养分含量
尤其是养分的有效含量及其在 0~40 cm土层分布产
生明显分异, 表层土壤养分含量均显著高于亚表层;
而长期种植不同作物对灰漠土的 pH无显著影响。
长期种植不同作物对灰漠土表层土壤(0~15 cm)
的生物性状有明显影响。土壤酶活性总体表现为小
麦/油葵轮作 10年处理>玉米连作 10年处理>棉花连
作 10 年处理>棉花连作 15 年处理; 玉米连作 10 年
处理表层土壤微生物量碳含量最高, 而小麦/油葵轮
第 3期 刘 瑜等: 不同种植方式对北疆绿洲土壤养分和生物学性状的影响 471


作 10年处理的表层土壤微生物量氮含量最高。
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