全 文 ： * ?中国科学院野外台站基金项目、中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX2-413) 和国家科技攻关项目 ( 2001BA508B18) 资助
收稿日期 : 2004-10-24 改回日期 : 2004-11-30
不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化研究 *
张春霞 郝明德 魏孝荣 王旭刚
(水 利 部中国科学院水土保持研究所 杨陵 712100) (西北农林科技大学资源与环境学院 杨陵 712100)
摘 要 试验研究不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化结果表明 , 长期单施 N、P 肥处理对土壤有机碳
和微生物生物量碳的影响不明显 ,施有机肥处理土壤微生物生物量碳及微生物生物量碳/ 有机碳值均高于其他施肥
处理 ,轮作中引入豆科作物或豆科连作均对土壤微生物生物量碳的积累有显著作用。
关键词 农田生态系统 土壤 微生物生物量碳 轮作 施肥 微生物生物量碳/ 有机碳
Change of soil microbial biomass carbon in different agroecosystems . ZHANG Chun-Xia, HAO Ming-De( Institute of
Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Y angling 712100, China) ,
WEI Xiao-Rong, WANG Xu-Gang ( Northwest Sci-tech University of Agriculture and Forestry, Yangling 712100,
China) , CJEA ,2006,14(1) : 81～83
Abstract Thechanges of soil microbial biomass carbon in different agroecosystems are studied . Theresultsshow that the
effect of long-term fertilization of individual N , P is not significant, but the fertilization of manure can enhance the soil
biomass carbon and the rate of biomass carbon/ organic carbon . At the sametime, leguminous can increase thecontent of
biomass carbon in the course of crop rotation in aridland .
Key words Agroecosystem, Soil , Microbial biomass carbon, Rotation, Fertilization, Biomass carbon/ organic carbon
(Received Oct . 24, 2004; revised Nov . 30, 2004)
土壤微生物生物量碳在土壤 C 库中所占比例很小 , 一般只占土壤有机碳全量的 1% ～4% [ 6] , 但对土壤
有效养分而言 ,却是 1个很大的给源和库存 ,环境条件、施肥以及耕作、栽培等技术措施均会影响土壤微生物
生物量碳的数量 [ 1 , 2] 。目前国内外对微生物生物量碳与土壤肥力的关系方面已有大量报道 , 并把土壤微生
物生物量碳视为土壤肥力变化的重要指标之一[ 7] 。本试验研究了轮作施肥系统中微生物生物量碳与土壤
全 C 及其他养分间的相关性 , 为黄土区合理施肥及正确评价土壤微生物生物量碳的生物有效性提供科学
依据。
1 研究区域概况与研究方法
试验区位于黄土高原中南部陕西省长武县十里铺村塬地 , 该地属暖温带半湿润大陆性气候 , 海拔高度
1200m, 年均气温 9. 1℃ ,年日照时数 2226. 5h,日照百分率 51% ,≥10℃年积温 3029℃ ,年无霜期 171d,年均
降水量 578. 5mm且季节性分布不均 , 7～9月份降水占全年降水量的 55%。试验区土壤为黄盖粘淋溶黑垆
土 ,1984年试验初始土壤耕层有机碳含量 6. 50g/ kg, 全 N 0. 80g/ kg, 有效氮 37mg/ kg, 全 P 1. 26g/ kg, 有效
磷 ( P2 O5 ) 3. 0mg/ kg, pH( H2O)为 8. 4。试验设小麦-豌豆轮作系统 ( NP)、小麦-红豆草轮作系统 ( NP) 、玉米连
作 ( NP、NPM )、小麦连作 ( NPM、NP、P、N、M、不施肥 )、苜蓿连作 ( NPM、P、不施肥 )和裸地 6 个轮作培肥耕
作系统。施肥量 N(尿素 , 折纯 N)为 120kg/ hm2 , P 为 (过磷酸钙 , 折 P2O5 ) 60kg/ hm2 , M 为厩肥 75t/ hm2 (有
机质 30. 47g/ kg,全 N 1. 97g/ kg, 碱解氮 90.55mg/ kg, 全 P 0.97g/ kg, 速效磷 115.30mg/ kg, 速效钾 644.80
mg/ kg)。以上设计 3次重复 ,试验小区随机排列 , 于 2002年 9月播种前采集各处理 0～10cm土层土样 ,部分
风干过筛 ,部分放置于冷藏橱 ( + 4℃ ) 保存。用丘林法测定土壤、有机碳总量 [ 3] , 以氯仿熏蒸 0.5 mol/ L
K2SO4 溶液提取、碳自动分析仪 (紫外-过硫酸氧化 ) 测定土样微生物生物量碳 , 微生物生物量碳计算中转换
系数采用 2. 22[ 8] 。
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
表 1 不同轮作系统对土壤有机碳与微生物生物量碳的影响
Tab.1 Theeffect of different rotation systems on the soil
organic carbon and microbial biomass carbon
轮作系统
Rotation
systems
当季作物
Crops
有机碳/ g·kg - 1 (
Organic carbon
微生物生物量
碳/ mg·kg - 1 ?
Microbial biomass
carbon
微生物生物量
碳∶有机碳/ %
Microbial biomass
carbon/ organiccarbon
小 麦连作 小 麦 7 ?. 39 333 . 32 4 .51
小麦 -豌豆 小麦 + 糜子 7 ?. 95 362 . 30 4 .56
小麦 -红豆 小麦+ 红豆草 8 ?. 57 496 . 72 5 .80
小 麦 8 ?. 00 453 . 16 5 .66
红 豆 草 8 ?. 39 386 . 35 4 .60
2 结果与分析
2 .1 ?不同轮作系统对土壤微生物
生物量碳的影响
农田生态系统中土壤微生物量
的变化主要受环境条件和植物生长
等因素的综合影响 , 轮作及有机残
体的施入对土壤有机碳和土壤微生
物量的影响实质上是植物残体和根
系所致。种植方式不同 , 作物残体
和根系残留物及根系分泌物在土壤
中积累亦不同 , 则土壤微生物所得
C 源数量不同 ,从而使土壤微生物生物量碳在不同种植方式下表现出较大差异 (见表 1)。表 1表明同一施
肥处理不同轮作系统土壤微生物生物量碳随种植作物的不同而不同 , 小麦连作系统较小麦-豌豆系统和小
麦-红豆草系统土壤微生物生物量碳含量低 ,表明禾本科植物系统中引入豆科作物能促进土壤微生物生物量
碳的累积 ,有利于提高土壤肥力。小麦-红豆草系统中小麦 + 红豆草茬口土壤微生物生物量碳高于同系统中
小麦茬口和红豆草茬口 ,且其微生物生物量碳/ 有机碳值分别比连作小麦和红豆草处理高 2. 47%、26. 09% ,
表明微生物量对作物茬口的养分差异性反映明显。
2 . 2 ?不同施肥种类对土壤微生物生
物量碳的影响
由表 2可知同一连作系统不同施
肥处理微生物生物量碳含量受作物生
长特性的影响 , 未施肥苜蓿连作处理
微生物生物量碳含量是小麦连作处理
的 2.4 倍 , 为休闲地的 3.5 倍。相同
施肥条件 ( NPM )小麦连作与玉米连作
对土壤微生物生物量碳的积累作用明
显低于苜蓿连作 , 这与苜蓿根系的发
育特征有关 , 苜蓿生长过程中发达的
根系为土壤中的微生物提供了丰富的
C 源和 N 源 ,使微生物大量繁殖 , 微生
物生物量碳含量高达 941.38mg/ kg,
微生物生物量碳/ 有机碳值为 6.62,均
高于小麦和玉米连作系统的 NPM 施
肥处理。小 麦连 作系 统 N肥 、P肥 、
表 2 连作施肥对土壤有机碳与微生物生物量碳的影响
Tab.2 Theeffectof fertilizeronthesoil organiccarbonandmicrobial biomasscarbon
连作系统
Continuous
system
施 肥
Fertilizer
有机碳/ g·kg - 1 C
Organic carbon
微生物生物量
碳/ mg·kg - 1 w
Microbial biomass
carbon
微生物生物量
碳∶有机碳/ %
Microbial biomass
carbon/ organic carbon
苜蓿连作 CK 12 5.55 554 ?. 96 4 ,. 42
P 13 5.52 737 ?. 15 5 ,. 45
NPM 14 5.23 941 ?. 38 6 ,. 62
小麦连作 CK 6 5.83 234 ?. 50 3 ,. 43
P 6 5.84 292 ?. 86 4 ,. 28
N 6 5.70 309 ?. 34 4 ,. 62
M 11 5.46 376 ?. 62 3 ,. 29
NP 7 5.39 333 ?. 32 4 ,. 51
NPM 10 5.09 405 ?. 87 4 ,. 02
玉米连作 NP 7 5.40 308 ?. 21 4 ,. 17
NPM 10 5.29 440 ?. 14 4 ,. 28
裸 地 6 5.19 160 ?. 18 2 ,. 59
NP 肥处理土壤微生物生物量碳含量与对照相差较小 , M、NPM 处理土壤微生物生物量碳比对照提高
60.6%、73. 1% , 比 NP 处理提高 13. 0%、21.8% , NP 处理微生物生物量碳含量高于 N、P 肥单施处理 , 说明
连作条件下长期施用无机肥对土壤微生物生物量碳的影响较小 , 长期施用有机肥能改善土壤环境 , 利于土
壤微生物活动。
2 . 3 微生物生物量碳与土壤性质的相关性
微生物生物量碳与其他土壤肥力因子的相关性。土壤微生物生物量碳与土壤 N、P 间存在显著正相关
关系 (见表 3) ,土壤中 N、P 养分含量及其形态改变对土壤微生物生物量碳的积累有一定影响 ,反之 , 微生物
通过分解土壤中的有机物质 ,释放出植物能够吸收的营养元素 , 对土壤有效养分供应有促进作用。土壤微
生物生物量碳与土壤全 N、碱解氮含量达极显著相关水平 ,土壤微生物生物量碳/ 有机碳值与全 N、碱解氮含
量达显著相关水平 , 且二者与全 N 的相关性均小于与碱解氮的相关性 , 说明微生物生物量碳与土壤有效养
分含量间有较强相互影响作用 ,可一定程度指示土壤肥力的变化。
82 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
微生物生物量碳与土壤有机碳的相
关关系。土壤中有机碳含量较高 , 变化缓
慢 , 短期内很难检测出其变化 , 而微生物
生物量碳周转速率快 ,短时间内易于测定
其准确变化量 , 利用微生物生物量碳、微
生物生物量碳与有机碳的比率指示土壤
质量变化已引起许多研究者的关注 [ 4 , 5] 。
土壤微生物生物量碳与有机碳间呈极显
著线性正相关关系 ( n= 25, r = 0.842** ) ,
表 3 微生物生物量碳与土壤 N、P、K 含量的相关系数
Tab. 3 The correlation coefficient of microbial biomass carbon
and soil N , P and K contents
因 子
Factors
全 N
Total N
碱解氮
Alkali-hydrolysisN
全 P
Total P
速效磷
Available P
速效钾
AvailableK
有 机 碳 0 ?. 93** 0 .97** 0 .44 0 .49 * 0. 53*
微生物生物量碳 0 ?. 76** 0 .83** 0 .09 0 .12 0. 12
微生物生物量碳/有机碳 0 ?. 50* 0 .52* 0 .15 0 .01 0. 26
* 为 0. 05 水平显著 , ** 为 0 .01 水平显著。
图 1 土壤微生物生物量碳及微生物生物量碳/ 有机碳值
与土壤有机碳的相关关系
Fig.1 Thecorrelation coefficient of soil microbial biomass carbon
and microbial biomass carbon/ organic carbon and soil carbon
微生物生物量碳/ 有机碳与有机碳间存
在显著的对数相关关系 ( n = 25, r =
0. 481* ) ,该相关性为判断土壤 C 库状
况提供了 1 条生物学途径。随有机碳
含量的提高 , 微生物生物量碳/ 有机碳
增长幅度趋于稳定 ( 见图 1) , 土壤微生
物生物量碳与有机碳的周转将达到平
衡状态。故可用土壤微生物生物量碳
含量变化或微生物生物量碳与有机碳
的比值变化指示施肥措施对土壤质量
变化的影响。
3 小 结
作物轮作系统中引入豆科作物能提高土壤微生物生物量碳含量 , 施肥对土壤微生物生物量碳的影响因
肥料种类而异 , 长期单施 N、P 肥对土壤有机碳和微生物生物量碳的影响不明显 , 施有机肥处理微生物生物
量碳及微生物生物量碳/ 有机碳值均高于其他施肥处理。土壤微生物生物量碳与土壤有机碳呈显著正相
关 ,微生物生物量碳、微生物生物量碳/ 有机碳与速效养分的相关性大于与全量养分的相关性 , 可一定程度
指示土壤肥力的变化 ,说明微生物生物量碳及微生物生物量碳/ 有机碳均可作为评价长期培肥过程中土壤
质量变化的生物学指标。
参 考 文 献 h
1 何振立 .土壤微生物量及其在养分循环和环境质量评价中的意义 .土壤 , 1997 (2) : 61～69
2 陈国潮 , 何振立 ,黄昌勇 .红壤微生物生物量碳周转及其研究 .土壤学报 , 2002 , 39( 2) : 152～160
3 中国科学院南京土壤研究所 .土壤理化分析 .上海 : 科学技术出版社 , 1980
4 任天志 .持续农业中的土壤生物指标研究 .中国农业科学 , 2000, 33(1) : 68～75
5 徐阳春 , 沈其荣 ,冉 炜 .长期免耕与施用有机肥对土壤微生物生物量碳、氮、磷的影响 .土壤学报 , 2002, 139( 1) : 89～95
6 Jenkinson D .S ., Ladd J .N . Microbial biomass in soil , measurement and turnover . Soil Biochemistry, 1981 , 5: 415～471
7 ?Powlson D .S ., Jenkinson D .S . A comparison of theorganic matter , biomass, adenosine triphosphate and mineralizablenitrogen contents of
ploughed and direct-drilled soils . J . Agric . Sci ., 1981 , 97: 713～721
8 ?Wu J ., J oergensen R .G ., Pommerening B ., et al . M easurement of soil microbial biomass by fumigation-extraction—An automated
procedure . Soil Biol . & Biochem ., 1990, 20: 1167～1169
第 1 ?期 张春霞等 : 不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化研究 83