全 文 ：中国生态农业学报 2011年 3月 第 19卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2011, 19(2): 240245


* 国家科技支撑计划项目(2006BAD15B01, 2007BAD89B08)和农业部公益性行业(农业)科研专项(200803028)资助
** 通讯作者: 陈阜(1964~), 男, 教授, 主要从事宏观农业和农作制度研究。E-mail: chenfu@cau.edu.cn
孔凡磊(1984~), 男, 博士生, 主要从事农作制度研究。E-mail: kflstar@163.com
收稿日期: 2010-06-29 接受日期: 2010-11-11
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00240
耕作方式对长期免耕农田土壤微生物生物量碳的影响*
孔凡磊 张明园 范士超 张海林 陈 阜**
(中国农业大学农学与生物技术学院 北京 100193)
摘 要 以华北冬小麦夏玉米两熟区长期免耕土壤为研究对象, 研究不同耕作方式(免耕、翻耕和旋耕)对长期
免耕土壤微生物生物量碳(SMBC)的影响, 为制定合理的轮耕制度提供依据。试验结果表明: 长期免耕土壤进行
耕作处理后 SMBC的时空分布和稳定性产生显著变化。不同耕作处理 SMBC含量在 0~5 cm和 5~10 cm土层变
化明显, 小麦起身期含量最低, 收获期最高; 深层 SMBC变化不明显。免耕处理 SMBC随土壤层次明显降低, 且
各土壤层次 SMBC差异达显著(P<0.05)水平; 翻耕、旋耕处理 0~5 cm和 5~10 cm土层间 SMBC无明显差异, 其
他层次间差异显著(P<0.05)。从生育期平均值看, 0~5 cm土层免耕处理 SMBC含量较高, 翻耕和旋耕处理则分
别比免耕降低 6.7%、6.1%; 与免耕相比, 5~10 cm土层 SMBC翻耕、旋耕处理分别增加 30.2%和 20.7%(P<0.01),
10~20 cm 土层 SMBC翻耕、旋耕处理比免耕增加 48.1%(P<0.01)和 10.5%(P<0.05)。在冬小麦生育期内, 0~20 cm
土层 SMBC稳定性表现为翻耕>旋耕>免耕, 20~30 cm土层 SMBC稳定性表现为免耕>翻耕>旋耕。
关键词 轮耕制度 免耕土壤 免耕 翻耕 旋耕 土壤微生物生物量碳(SMBC)
中图分类号: S154.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)02-0240-06
Effect of tillage practices on soil microbial biomass carbon
in the field with long-term non-tillage
KONG Fan-Lei, ZHANG Ming-Yuan, FAN Shi-Chao, ZHANG Hai-Lin, CHEN Fu
(College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China)
Abstract In order to provide a reasonable basis for the rotational tillage system, the effects of different tillage practices on soil
microbial biomass carbon (SMBC) were determined in double maturation of wheat-corn cropping fields with long-term non-tillage in
North China Plain. The results showed that tillage managements significantly influenced spatio-temporal variations and stability of
SMBC in long-term non-tillage soil. SMBC in the 0~5 cm and 5~10 cm soil layers exhibited obvious seasonal variations in different
treatments. While the lowest value was at double ridge stage, the maximum was at harvest stage of wheat. In deep soil layers, there
were insignificant seasonal variations in SMBC. SMBC significantly decreased (P<0.05) with soil depth under non-tillage and straw
mulch (NT) treatment. In the 0~5 cm and 5~10 cm soil layers, SMBC was insignificantly different under conventional tillage (CT)
and rotary tillage (RT). Among all other soil layers, however, SMBC was significantly different (P<0.05). Compared with NT
treatment, CT and RT dropped average SMBC by 6.7% and 6.1% in the 0~5 cm layer. However, CT and RT significantly increased
SMBC by 30.2% and 20.7% (P<0.01) in the 5~10 cm layer. Also average SMBC under RT and CT increased significantly by 10.5%
(P<0.05) and 48.1% (P<0.01) in the 10~20 cm layer. The trend of the effects of different treatments on SMBC stability in the 0~20
cm soil layer was as follows: CT > RT > NT. That in the 20~30 cm soil layer was NT > CT > RT.
Key words Rotational tillage system, Long-term non-tillage soil, Non-tillage (NT), Conventional tillage (CT), Rotary tillage
(RT), Soil microbial biomass carbon (SMBC)
(Received June 29, 2010; accepted Nov. 11, 2010)
土壤微生物是土壤有机质和土壤养分转化循环
的动力, 它参与有机质的分解、腐殖质的形成、养
分转化和循环的各个生化过程[12]。土壤微生物生物
量碳(SMBC)作为土壤微生物评价指标, 能反映土壤
第 2期 孔凡磊等: 耕作方式对长期免耕农田土壤微生物生物量碳的影响 241


同化和矿化能力的大小, 是土壤活性大小的标志[3]。
同时, 土壤微生物生物量能揭示土壤中物质代谢和
肥力发展的规律, 可以用作衡量土壤质量的灵敏指
标之一[4]。免耕作为保护性土壤耕作的重要内容, 在
华北小麦玉米两熟地区已进行大量研究。目前有关
免耕对 SMBC 影响的研究报道较多, 如秸秆覆盖免
耕可提高 SMBC 含量, 尤其是表层 SMBC 含量, 并
对其季节性变化产生影响等[59]。有研究发现, 免耕
处理的微生物集中于 0~5 cm土层, 该层微生物数量
平均占耕层土壤微生物总量的 57%, 翻耕处理土壤
微生物则相对均匀地分布于 0~5 cm和 5~10 cm两
层。长期免耕土壤存在有机碳和养分表层富集、层
化现象明显等土壤质量问题, 对作物可持续生产存
在威胁[1011]。因此长期免耕后对土壤进行适宜的耕
作处理是必要的。以往对耕作方式下土壤微生物的
研究集中在单一耕作方式和微生物的分布上, 缺少
对长期单一耕作下土壤耕作转变后微生物变化和稳
定性的研究。本研究选择华北地区典型冬小麦夏玉
米轮作种植模式, 针对长期免耕存在的问题, 通过
组合不同的土壤耕作方式, 分析耕作方式对长期免
耕冬小麦田 SMBC 的影响, 从土壤微生物稳定性角
度, 探讨不同耕作措施对土壤 SMBC稳定性的影响,
以期为建立合理的轮耕制度提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于中国科学院栾城农业生态系统试验
站, 该地多年平均降雨量480.7 mm, 年日照时数2 544 h,
年均气温 12.5 ℃, 降雨季节分配不均, 60%以上的降
水集中在 7、8 月份, 属暖温带半湿润区, 为太行山
前平原典型的小麦玉米两熟区。供试土壤为褐土类
灰黄土种, 质地为轻壤土, 耕层土壤平均容重为 1.39
g·cm3。试验田连续 5年进行全年免耕播种小麦和
玉米, 耕作处理前土壤有机质含量 12.4 g·kg1, 全
氮 0.65 g·kg1, 速效钾 84.2 mg·kg1, 速效磷 44.6
mg·kg1。冬小麦试验期内试验地月平均气温及降
水情况如图 1 所示, 冬小麦生育期气温先降低后升
高, 1 月份气温最低, 在收获期达到最高; 冬小麦生
育期内降水分布差异明显, 冬小麦生长前期降水稀
少, 降水集中在 5、6月份。
1.2 试验设计与耕作管理
试验始于 2008 年 10 月, 选择小麦玉米连续 5
年进行周年免耕的试验田, 在冬小麦播种前分别进
行免耕、翻耕和旋耕 3 种耕作措施, 即免耕免耕
(NT)、免耕翻耕(CT)和免耕旋耕(RT)3种耕作处理,
3次重复。
(1)免耕(No-tillage and straw mulch, NT): 玉米
收获后, 秸秆粉碎全量还田, 采用免耕播种机一次
性完成播种、施肥和镇压作业。(2)翻耕(Conventional
tillage, CT): 玉米收获后, 秸秆粉碎全量还田, 撒施
化肥, 机械翻耕 1次(耕深 15~20 cm), 旋平后, 播种小
麦。(3)旋耕(Rotary tillage, RT): 玉米收获后, 秸秆粉碎
全量还田, 撒施化肥, 旋耕机旋耕 2次(耕深 10 cm, 粉
碎秸秆和破除根茬), 播种小麦。试验田小麦秸秆还
田量为 7 240.5 kg·hm2, 玉米秸秆还田量为 8 825.6
kg·hm2。各处理均基施尿素 188 kg·hm2、磷酸
二氢铵 300 kg·hm2, 冬小麦起身后, 各处理 追施
尿素 300 kg·hm2; 冬小麦生育期共灌水 3次 (越冬
水 60 mm、拔节水 60 mm、灌浆水 60 mm )。
冬小麦品种为“科农 9204”, 播种量为 225.0
kg·hm2; 2008年 10月 2日播种, 2009年 6月 10日
收获。
1.3 取样方案与测定方法
根据冬小麦生育时期, 分耕作前(2008-10-01)、
越冬前(2008-11-23)、起身期(2009-03-30)、开花期
(2009-05-05)和成熟期(2009-06-10)5个时期, 采用多



图 1 试验区冬小麦生育期月平均气温及降水量
Fig. 1 Monthly mean temperature and precipitation in the tested area during the winter wheat growth period

242 中国生态农业学报 2011 第 19卷



点取样法, 分 0~5 cm、5~10 cm、l0~20 cm和 20~30
cm 共 4 个层次采集土样, 重复 3 次, 用移动保温箱
立即带回实验室。
SMBC采用氯仿熏蒸K2SO4提取法测定[10]。以
熏蒸土样与不熏蒸土样提取的有机碳差值除以转换
系数 kC(本研究取值为 0.38)[12]计算 SMBC。
1.4 数据分析
采用 Excel 2003和 SPSS 11.5软件进行试验数
据分析, 采用 LSD 方法分析数据间的差异显著性
(P<0.05, P<0.01)。
2 结果与分析
2.1 耕作方式对冬小麦季土壤微生物量碳时空变
化的影响
2.1.1 不同土壤层次 SMBC的动态变化
由图 2可知, 在冬小麦生长期内 0~5 cm、5~10 cm
土层各处理 SMBC 呈相同变化规律, 即随冬小麦生
长 SMBC 先降低, 且均在起身期达到最低, 之后逐
渐上升, 在小麦收获期达到最高; 10~20 cm 土层翻
耕处理 SMBC 随时间变化呈增加的趋势, 旋耕处理
呈先降低后上升的趋势, 免耕处理则呈波动性变化,
且免耕与旋耕处理均在起身期达低谷, 免耕处理在
开花期达到高峰; 20~30 cm土层 SMBC在冬小麦不
同时期变化不同, 翻耕和旋耕总体表现先升高后降
低, 在小麦返青(2009-03-30)后又呈缓慢增加的趋势,
高峰值均出现在越冬前, 而免耕处理 SMBC 呈波动
性变化, 且变化比较平稳。
从整体上看, 0~5 cm、5~10 cm土层 SMBC在冬
小麦生育期变化明显; 10~20 cm 和 20~30 cm 土层
SMBC的变化不明显。
2.1.2 微生物生物量碳在土层中的空间变异
从冬小麦生育期平均值看(图 3), 各处理 SMBC
随土壤层次的增加呈降低趋势。免耕处理 SMBC随
土壤层次明显降低, 且各土壤层次 SMBC 差异达显
著(P<0.05)水平。免耕处理 0~5 cm土层 SMBC含量
为 419.1 mg·kg1, 比 5~10 cm 土层增加 44.5%
(P<0.05), 而翻耕和旋耕处理的 SMBC 含量在这两
个土层差异不显著。翻耕与旋耕处理 SMBC在土壤
层次上表现出相似的变化, 除 0~5 cm和 5~10 cm土
层外, 其他土壤层次 SMBC差异显著(P<0.05)。这主
要是由于土壤微生物受土壤碳源和温度的影响显著,
免耕处理玉米秸秆仅残留于土表, 残存的秸秆为微
生物提供了丰富的碳源, 从而上层 SMBC 显著高于
下层土壤; 翻耕和旋耕将秸秆混入土壤, 且 0~5 cm
和 5~10 cm 土层碳源分布均匀, 故 SMBC在这两个
层次差异不显著; 而在 10~20 cm和 20~30 cm土层,
较低的土壤温度成为限制土壤微生物活动的主要因
子, 降低了 SMBC。
土壤碳源和温度作为微生物活动的限制因子作
用明显。长期免耕处理有机碳集中在土壤上层, 随
土壤深度的增加, 有机碳显著降低, 微生物翻耕、旋
耕后土壤有机碳在耕作层趋于均匀分布。随着土壤
层次增加微生物活动降低, 免耕 SMBC 在土壤层次
间的变化显著; 而翻耕和旋耕处理 0~5 cm、5~10 cm
土层的碳源分布和温度状况对微生物的活动有利 ,
SMBC 在这两个土层中无显著差异 , 但两处理下 ,
深层土壤不利于微生物活动。



图 2 不同处理不同土壤层次土壤微生物生物量碳的动态变化
Fig. 2 Dynamics of soil microbial biomass carbon contents in different soil layers under different tillage treatments
第 2期 孔凡磊等: 耕作方式对长期免耕农田土壤微生物生物量碳的影响 243





图 3 不同耕作处理土壤微生物生物量碳的土层空间变异
Fig. 3 Spatial variability of soil microbial biomass carbon
contents under different tillage treatments
不同小写字母表示同一处理不同土壤层次间差异达显著水平
(P<0.05) Different small letters mean significant difference among
different soil layers at the same treatment at 0.05 level.
2.2 耕作方式对土壤微生物生物量碳含量的影响
从冬小麦生育期平均值看(图 3), 与长期免耕相比,
翻耕、旋耕 0~5 cm土层 SMBC分别降低 6.7%、6.1%。
从取样时间看(图 2), 0~5 cm土层除起身期 SMBC翻
耕、旋耕高于免耕(P<0.05)外, 其他时期均表现为免
耕高于翻耕、旋耕(P<0.05)。5~10 cm土层, 免耕、
翻耕、旋耕平均 SMBC含量分别为 289.8 mg·kg1、
377.4 mg·kg1和 350.0 mg·kg1, 翻耕、旋耕分别
比长期免耕增加 30.2%和 20.7%(P<0.01), 翻耕比旋
耕增加 7.9%。5~10 cm土层翻耕 SMBC在各时期均
显著高于免耕处理, 而旋耕在开花期与免耕处理无
显著差异。
在 10~20 cm 土层, 免耕、翻耕、旋耕 SMBC
生育期平均含量分别为 178.7 mg·kg1、 264.7
mg·kg1和 197.4 mg·kg1, 翻耕、旋耕分别比长期
免耕增加 48.1%(P<0.01)和 10.5%(P<0.05), 翻耕比
旋耕增加 34.1%(P<0.01)。从取样时期看, SMBC 除
开花期表现为翻耕>免耕>旋耕, 其余时期均表现为
翻耕>旋耕>免耕, 且差异达到显著或极显著水平。
20~30 cm土层免耕、翻耕、旋耕 SMBC分别为 91.5
mg·kg1、119.8 mg·kg1和 86.5 mg·kg1, 且翻耕
分别比免 耕、旋耕增加 30.9%和 38.4%(P<0.01); 该
层 SMBC在越冬前和收获期表现为翻耕>旋耕>免耕,
其他时期表现为翻耕>免耕>旋耕。
由图 4可知, 0~30 cm土层 SMBC随冬小麦生长
呈现先增加后降低, 在起身期达到最低, 随后又增
加趋势, 这主要是由于随着气温的上升土壤微生物
活动加强, 微生物量增加。SMBC 除开花期表现为
翻耕>免耕>旋耕, 其他各时期均表现为翻耕>旋耕>
免耕。在越冬前和返青期, 各处理间 SMBC 含量差
异达到显著(P<0.05)水平 ; 在开花期翻耕和免耕显
著高于旋耕, 翻耕与免耕差异不显著; 在小麦收获
期 SMBC 翻耕显著(P<0.05)高于长期免耕处理, 旋
耕与翻耕、免耕处理之间无显著性差异。



图 4 不同耕作处理 0~30 cm土层土壤微生物生物量碳变化
Fig. 4 Contents of soil microbial biomass carbon in 0~30 cm
soil layers under different tillage treatments

2.3 不同耕作方式土壤微生物生物量碳的稳定性
对冬小麦生育期内各处理 SMBC在土壤层次上
最高值和最低值差值的比较及低峰值比高峰值降低
率分析表明(图 5), 随土壤层次的增加, SMBC 稳定
性增加。而在不同层次上, 处理间差异显著。



图 5 冬小麦生育期内土壤微生物生物量碳最高值与最低值之间的差异
Fig. 5 Difference between the lowest and peak values of soil microbial biomass carbon during the winter wheat growth period
不同小写、大写字母分别表示同一土壤层次不同处理间的差异达显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)水平 Different small and capital letters
mean significant difference among different treatments at the same soil layer at 0.05 and 0.01 levels.

244 中国生态农业学报 2011 第 19卷


在 0~5 cm土层, 不同处理最高值与最低值之差
的大小表现为免耕>旋耕>翻耕(P<0.01); 各处理低
峰值与其最高值比较, 免耕、翻耕和旋耕分别降低
63.0%、44.4%、55.5%, 表现为免耕>旋耕>翻耕
(P<0.01)。5~10 cm土层, SMBC最高值与最低值之
差的大小表现为免耕>旋耕>翻耕; 各处理低峰值与
最高值比较 , 表现为免耕>旋耕>翻耕 , 免耕显著
(P<0.01)高于翻耕和旋耕, 翻耕和旋耕差异不显著。
10~20 cm土层也表现出相似的规律。在 0~20 cm土
层, 与其他两个处理相比, 长期免耕较高的 SMBC
低峰值比高峰值降低率表明, 长期免耕土壤在冬小
麦生育期土壤微生物变化剧烈, 故该土层 SMBC 稳
定性大小表现为翻耕>旋耕>免耕。而 20~30 cm土层,
SMBC 最高值与最低值之差大小表现为旋耕>翻耕>
免耕; 各处理低峰值与最高值比较, 免耕、翻耕、旋
耕分别降低 29.0%、34.6%、50.1%, 表现为旋耕>翻
耕>免耕 , 翻耕显著高于免耕和旋耕 (P<0.05), 故
20~30 cm土层 SMBC稳定性大小表现为免耕>翻耕
>旋耕。
3 讨论
3.1 土壤微生物生物量碳时空变化
各耕作处理表层 0~5 cm 和亚表层 5~10 cm
SMBC 有明显的季节变化动态 , 均在起身期最低 ,
在收获期达到最高。主要是由于冬小麦生育期内温
度变化显著, SMBC随温度发生变化。温度升高导致
土壤中的有机残体和中间产物的分解加快, 改善了
土壤中微生物可利用有机质质量 , 使其数量增加 ;
温度升高使微生物的呼吸指数上升, 加速有机碳的
矿化, 增加了碳的有效性, 使微生物活性加强, 生长
加快[13]。李世清等[14]对杨凌中等肥力红油土的研究
表明 : 田间土壤微生物量的变化有明显的季节性 ,
即夏季最高 , 冬季最低 , 其他时期居中 , 且与土壤
温度呈显著或极显著正相关性, 相关系数在 0.855
以上。本研究表明, 10~20 cm、20~30 cm 土层 SMBC
季节性变化特征不明显, 这主要是由于随着土壤深
度的增加, 土壤温度的波动受太阳辐射的影响逐渐减
小, 变化比较稳定, 土壤微生物变化也比较稳定[15]。
不同处理 SMBC 在土壤层次上变异显著, 其中
免耕处理 SMBC 随土壤层次明显降低, 且各土壤层
次间 SMBC 差异达显著水平(P<0.05); 长期免耕后
翻耕、旋耕 0~5 cm和 5~10 cm土层间 SMBC差异
不显著(P>0.05), 与其他层次 SMBC差异显著。这主
要与秸秆还田方式有关, 长期免耕处理秸秆覆盖在
表层, 且养分在表层富集, 经过翻耕、旋耕处理后表
层秸秆和养分被均匀地分布于耕层, 有利于深层土
壤微生物活动, 从而提高了深层土壤的 SMBC。刘
守龙等[16]研究认为增加有机物的投入(如秸秆还田、
施有机肥)是提高土壤微生物量及其对养分固持能
力的主要途径。本研究结果表明, 农田系统投入有
机物的方式也会对土壤中微生物的时空变化产生显
著影响。
3.2 土壤微生物生物量碳含量
耕作方式对长期免耕 SMBC含量的影响在不同
土壤层次表现不同。从总体上看, 耕作后降低了 0~5 cm
SMBC, 增加了下层 SMBC。但长期免耕 0~5 cm和
5~10 cm SMBC在起身期显著低于翻耕和旋耕处理,
这是因为秸秆覆盖在 3 月份有降温作用, 微生物活
性低 ; 而随后温度效应突出 , 加速了秸秆的分解 ,
SMBC 显著增加[17]。长期免耕对土壤扰动少, 植物
残体主要积累在表土层中, 供微生物维持生命活动
的能量充足。但在翻耕、旋耕处理, 植物残体和施入
的肥料则均匀分布于 0~20 cm或 0~10 cm的耕作层中,
稀释效应使 0~5 cm土层有机碳含量较免耕低, 从而
导致该土层中 SMBC 含量比免耕低。徐阳春等[18]
对长期免耕与施用有机肥对 SMBC的影响研究表明,
覆盖免耕条件下表土层 SMBC 显著高于翻耕土壤,
但亚表层 SMBC 低于翻耕土壤。Powlson 等[19]的研
究指出, 少耕和免耕使土壤表层有机质和土壤微生
物量增加较多, 而深层土壤微生物量则增加较少。
另外从 0~30 cm 土层 SMBC含量看, 除开花期
表现为翻耕>免耕>旋耕, 其他各时期均表现为翻耕
>旋耕>免耕。因此长期免耕后进行土壤耕作处理可
以促进微生物的活动, 提高 SMBC含量。
3.3 土壤微生物生物量碳稳定性
不同处理 SMBC 随土壤层次的增加, 稳定性增
加。这主要是由于随着土壤层次的增加, 影响微生
物活动的温度、土壤有机碳变化幅度降低, 微生物
活动变化幅度降低, 稳定性增强[8,15,20]。不同处理在
土壤层次上的 SMBC稳定性表现不同, 0~20 cm土层
SMBC 稳定性大小表现为翻耕>旋耕>免耕, 20~30
cm土层表现为免耕>翻耕>旋耕。分析原因是由于免
耕处理在冬小麦返青起身期由于秸秆覆盖的影响具
有降温作用, 作物生长受到抑制, 土壤微生物活性
降低, 降低了微生物生物量[21]。
4 结论
不同耕作处理 SMBC含量在 0~5 cm和 5~10 cm
土层表现出明显的季节变化特征, 起身期含量最低,
收获期最高; 而在深层 SMBC 季节变化特征不明
显。各处理 SMBC 随土壤层次均呈降低的趋势, 长
期免耕处理 SMBC 随土壤层次明显降低, 且各土壤
第 2期 孔凡磊等: 耕作方式对长期免耕农田土壤微生物生物量碳的影响 245


层次间 SMBC 差异达显著(P<0.05)水平; 翻耕与旋
耕处理 SMBC 0~5 cm和 5~10 cm土层间 SMBC无
明显差异, 其他层次间差异显著(P<0.05)。
0~5 cm土层长期免耕 SMBC含量较高, 翻耕和
旋耕则分别降低 6.7%、6.1%; 5~10 cm土层翻耕、旋
耕处理分别比长期免耕处理增加 30.2%和 20.7%
(P<0.01); 翻耕、旋耕显著增加了 10~20 cm、20~30 cm
土层的 SMBC。在开花期 0~30 cm土层 SMBC翻耕
>免耕>旋耕 , 其他生育期均表现为翻耕>旋耕>
免耕。
在冬小麦生育期内, 0~20 cm土层 SMBC稳定性
表现为翻耕>旋耕>免耕, 20~30 cm土层 SMBC稳定
性表现为免耕>翻耕>旋耕。
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