全 文 ：中国生态农业学报 2010年 1月 第 18卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2010, 18(1): 83−88


* 国家自然科学基金重点项目(40535028)、国家科技支撑计划项目(2007BAD89B02、2006BAD15B01)、中国科学院沈阳应用生态研究
所海外留学基金项目(07HWLX11S4)资助
** 通讯作者: 解宏图(1973~), 男, 博士, 副研究员, 主要研究方向为土壤有机质转化。E-mail: xieht@iae.ac.cn
张彬(1984~ ), 男, 硕士研究生, 主要从事土壤碳、氮循环的研究。E-mail: littleghost0408@163.com
收稿日期: 2009-03-13 接受日期: 2009-06-01
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00083
保护性耕作对黑土微生物群落的影响*
张 彬 1,2 白 震 1,2 解宏图 1** 张旭东 1,3 张晓平 4 时秀焕 2,4
(1. 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016; 2. 中国科学院研究生院 北京 100049;
3. 辽宁沈阳农田生态系统国家野外观测研究站 沈阳 110016; 4. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 长春 130012)
摘 要 耕作方式通过影响土壤微生物群落而影响土壤生态系统过程。本研究以传统耕作玉米连作处理为对
照, 通过测定土壤微生物量碳及磷脂脂肪酸含量, 分析了保护性耕作(包括免耕玉米连作和免耕大豆−玉米轮
作)对黑土微生物群落的影响。结果表明, 保护性耕作可显著增加土壤表层(0~5 cm)全碳、全氮、水溶性有机
碳、碱解氮和微生物量碳(P<0.05), 为微生物代谢提供了丰富的资源。同时, 保护性耕作显著提高了土壤表层
(0~5 cm)总脂肪酸量、真菌和细菌生物量(P<0.05), 提高了土壤的真菌/细菌值, 有利于农田土壤生态系统的稳
定性。研究结果对于探讨保护性耕作的内在机制具有重要意义。
关键词 保护性耕作 微生物量碳 磷脂脂肪酸 微生物群落 黑土
中图分类号: S157.4+2 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)01-0083-06
Effect of conservation tillage on microbial community in Chinese Mollisol
ZHANG Bin1,2, BAI Zhen1,2, XIE Hong-Tu1, ZHANG Xu-Dong1,3,
ZHANG Xiao-Ping4, SHI Xiu-Huan2,4
(1. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. National Field Observation
and Research Station, Shenyang Agroecosystem, Shenyang 110016, China; 4. Northeast Institute of Geography
and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China)
Abstract Tillage systems affect soil microbial communities, which in turn influence soil ecological processes. In this study, the
effects of conservation tillage (including no-tillage continuous corn and no-tillage soybean-corn rotation) on microbial community
were studied by determining the contents of soil microbial biomass carbon and phospholipid fatty acids (PLFAs) and comparing it
with conventional tillage continuous corn. Results show that implementation of conservation tillage significantly increases soil car-
bon and nitrogen, water soluble organic carbon, available nitrogen and microbial biomass C in the 0~5 cm soil depth (P<0.05) com-
pared with conventional tillage. These conditions produce abundant substrate for microbial growth. Furthermore, conservation tillage
practices increase total PLFAs, fungal and bacterial biomass in the surface layer, increase fungi/bacteria ratio, and thus improve soil
sustainability. These findings are of great significance for understanding the internal mechanisms of conservation tillage.
Key words Conservation tillage, Microbial biomass carbon, Phospholipid fatty acids, Microbial community, Mollisol
(Received March 13, 2009; accepted June 1, 2009)
黑土是我国有机质含量最高的土壤之一, 但由
于长期的掠夺式经营和不合理的耕作制度使黑土有
机质的收支严重失衡[1]。传统耕作方式下, 作物的地
上部分几乎全部被收走, 秸秆还田量和有机肥施用
量很低, 无法补充黑土有机质的自然矿化, 而长期
翻耕等人工作业又加速这种矿化消耗和有机碳的老
化 , 使黑土有机质含量逐年下降 [2], 导致黑土严重
退化[3]。保护性耕作(Conservation tillage)是相对于传
统耕作而言的一种新型耕作技术, 2002 年我国农业
部将其定义为“对农田实行免耕、少耕, 用作物秸
84 中国生态农业学报 2010 第 18卷


秆覆盖地表, 减少风蚀、水蚀, 提高土壤肥力和抗旱
能力的先进农业耕作技术”。保护性耕作可以增加土
壤表层的有机质含量[4], 促进团聚体的形成[5−6], 改
善土壤持水性和透气性[7−8], 从而增加微生物活性、
多样性和生物质量保持力, 最终改善土壤质量和生
态环境。
土壤微生物量是土壤有机质的活性库, 在土壤
有机质的分解和养分循环中起重要作用, 是反映土
壤微生物活性的直接指标 [9], 通常微生物量对耕作
方式和作物覆盖较为敏感, 在土壤有机质发生变化
之前就能检测到微生物量的变化, 因而对土壤环境
质量的预测和评价有着至关重要的意义。土壤微生
物群落是土壤生物区系中最重要的功能组分, 土壤
微生物群落组成、结构、数量、生理生化活性等对
土壤环境条件变化反应敏感, 常被作为评价指标用
于土壤质量和土壤生态系统健康状况的研究[10]。目前,
关于保护性耕作对我国黑土微生物群落影响的研究
少有报道。由于土壤中只有不到 1%的微生物是可培
养的, 因此采用传统培养的方法, 很难真实地反映出
土壤微生物的变化 [11]。而磷脂脂肪酸(Phospholipid
fatty acids, PLFAs)是构成活体细胞膜的重要组成部
分, 其含量在自然条件下相对恒定[12]。不同类群的
微生物能通过不同生化途径形成不同的 PLFAs, 且
细胞死亡后数分钟到数小时内 PLFAs 即被降解[13],
因而可以代表微生物群落中“存活”的那部分群体,
能够有效用于研究微生物群落结构的变化。本研究
通过分析土壤微生物生物量及不同磷脂脂肪酸含量,
探讨保护性耕作对黑土微生物群落的影响, 为其在
黑土的实践提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试土壤与试验设计
试验在吉林省德惠市黑土保护性耕作长期定位
试验站(44°12′N, 125°33′E)进行, 该地属中温带大陆
性季风气候, 雨热同季, 降水主要集中在 6~8月。保
护性耕作试验始于 2001年, 试验设置前均为传统耕
作玉米连作。土壤为中层黑土, 壤质黏土, 0~20 cm
土壤 pH一般在 6.5左右, 属中性或微酸性。
试验小区采取单因素裂区、4 个重复的随机区
组设计。单因素为耕作方式, 主处理裂分为玉米连
作和大豆玉米轮作两个辅助处理。本研究仅对试验
区 3种耕作处理进行分析: 免耕玉米连作(No-tillage
continuous corn), 除播种外全年不再搅动土壤 , 采
用可以联合作业的牵引式免耕播种机(KINZE3000,
美国)播种, 播种机前部装置有切刀, 在不拖动地表
残留物的前提下开沟播种、施肥、覆土和镇压, 一
次完成作业, 应用广谱性除草剂播种前后进行土壤
处理或苗期喷洒, 杀除杂草, 秋收时秸秆全部还田;
免耕大豆玉米轮作(No-tillage soybean-corn rotation),
除实行大豆−玉米−玉米轮作制度外, 其他处理与免
耕玉米连作处理相同, 取样当季是大豆茬; 传统耕
作玉米连作 (Conventional-tillage continuous corn),
秋季收获后进行翻耕, 深度约为 20 cm 左右, 翻耕
后耙平, 春季播种和施肥同时进行。不同于传统耕
作方式, 免耕处理秸秆(玉米、大豆)全部还田。试验
区同种作物施肥量相同 , 播种时玉米施氮肥 90
kg(N)·hm−2·a−1, 每年 7月末追肥 60 kg(N)·hm−2·a−1。
大豆采用一次性施肥 40 kg(N)·hm−2·a−1。小区面
积均为 156 m2。
采样时间为 2008 年 5 月 31 日(播种后 1 个月),
以土钻分别采集 0~5 cm、5~10 cm和 10~20 cm层土
样, 随机选取 3个重复小区, 每个小区多点混合。
1.2 分析测定方法
土壤样品在 24 h内去除植物残根, 过 2 mm筛,
取一部分鲜土于当天测定微生物量碳, 另一部分鲜
土冻干后于干燥器中保存以测定磷脂脂肪酸(1 个月
内完成), 用风干土测定土壤基本理化性质。全碳和
全氮用元素分析仪测定, 碱解扩散法测定有效氮[14],
水溶性和热水溶性有机碳的测定采用水浸提法[15]。
微生物量碳测定采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法[14]。
磷脂脂肪酸提取参照 Bligh-Dyer 修正方法[16−17], 以
19∶0脂肪酸甲酯为内标, 用 Agilent 6890气相色谱
测定。色谱条件[18]: HP-5柱(30.0 μm×320 μm×0.25
μm), 进样量 1 μl, 分流比 10∶1, 载气(N2)流速 0.8
mL·min−1。初始温度 140 ℃维持 3 min, 分 3个阶
段程序升温: 140~190 ℃, 4 ℃·min−1, 保持 1 min;
190~230 ℃, 3 ℃·min−1, 保持 1 min; 230~300 ℃,
10 ℃·min−1, 保持 2 min。火焰离子检测器(FID)检
测, 峰面积通过计算机自动积分, 各脂肪酸的识别
与定量分别参照 BAME (Bacterial acid methyl esters)
Mix 和 SupelcoTM 37 Component FAME (Fatty acid
methyl ester) Mix。脂肪酸的命名参见 Feng[19]的方法。
试验数据采用 EXCEL 2007和 SPSS 13.0统计分
析软件进行差异显著性检验和主成分分析。
2 结果与分析
2.1 保护性耕作对土壤基本理化性状的影响
不同耕作措施对土壤基本理化性状的影响很大
(表 1)。土壤表层(0~5 cm)全碳含量免耕处理 (20.4
g·kg−1、18.9 g·kg−1)显著(P<0.05)高于传统耕作处
理(15.8 g·kg−1), 2种免耕处理之间差异也达到显著
水平(P<0.05), 不同处理在 5~10 cm和 10~20 cm土
第 1期 张 彬等: 保护性耕作对黑土微生物群落的影响 85


表 1 不同耕作措施下土壤基本性质
Tab. 1 Basic properties of soils under different tillage treatments
处理
Treatment
土层深度
Soil depth
(cm)
全碳
Total carbon
(g·kg−1)
全氮
Total nitrogen
(g·kg−1)
碱解氮
Alkali-hydrolysis
N (mg·kg−1)
水溶性有机碳
Water soluble organic
carbon (mg·kg−1)
热水溶性有机碳
Hot water-soluble organic
carbon (mg·kg−1)
0~5 15.8d 1.4cd 130.1c 97.8b 356.4c
5~10 16.4cd 1.4cd 114.6d 95.7b 298.6d
传统耕作玉米连作
Conventional tillage
continuous corn 10~20 15.0d 1.2d 92.3e 66.5d 228.9e
0~5 20.4a 1.8a 169.1a 154.5a 462.1a
5~10 17.3c 1.5bc 140.3b 98.4b 325.0cd
免耕玉米连作
No-tillage continu-
ous corn 10~20 16.3cd 1.4cd 106.3d 75.2cd 225.7e
0~5 18.9b 1.7ab 147.4b 143.2a 413.7b
5~10 16.4cd 1.4cd 125.8c 86.0bc 313.6d
免耕大豆-玉米轮作
No-tillage soy-
bean-corn rotation 10~20 16.3cd 1.3d 106.0d 78.4cd 215.0e
数据后不同字母表示差异达显著水平。Different small letters following the data mean significant difference.

层全碳含量之间差异不显著(P>0.05)。免耕处理土壤
全碳含量随着土壤深度的增加迅速下降, 0~5 cm和
5~10 cm 土层之间下降幅度达到显著水平(P<0.05);
传统耕作土壤各土层间的全碳含量差异不显著。各
种处理土壤全氮含量的变化趋势与全碳含量相似。
免耕处理土壤各土层碱解氮含量均显著(P<0.05)高
于传统耕作处理, 免耕玉米连作处理土壤 0~5 cm和
5~10 cm土层碱解氮含量也显著(P<0.05)高于免耕大
豆−玉米轮作处理的土壤 ; 并且随着土层深度的增
加, 各种处理碱解氮含量均显著(P<0.05)减少。3 种
处理土壤表层(0~5 cm)热水溶性有机碳含量之间差
异显著(免耕玉米连作>免耕大豆−玉米轮作>传统耕
作, P<0.05), 5~10 cm和 10~20 cm土层的热水溶性有
机碳差异不显著; 随着土层深度的增加, 各种处理
土壤热水溶性有机碳含量均显著(P<0.05)减少。水溶
性有机碳与热水溶性有机碳的变化趋势较类似。
2.2 保护性耕作对土壤微生物量碳的影响
土壤微生物在作物残体降解过程中起着养分库
和降解催化剂的作用, 是土壤中物质分解、转化和
养分循环的驱动力[20]。实施免耕秸秆覆盖后, 作物
残体可为微生物活动提供能源和养分, 必然会刺激
土壤中微生物的活性, 使土壤微生物量在养分代谢
过程中不断发生变化。由图 1可知, 在土壤表层(0~5
cm), 免耕玉米连作和免耕大豆−玉米轮作处理微生
物量碳均显著(P<0.05)高于传统耕作处理, 3 种处理
在 5~10 cm和 10~20 cm土层微生物量碳差异均未达
显著水平(P>0.05)。
对土壤微生量碳作 2 因素 (耕作措施和土层深
度)方差分析发现, 耕作措施对土壤微生物量碳有显
著影响(P<0.01, 表 2), 免耕玉米连作和免耕大豆玉
米轮作处理土壤微生物量碳(分别为 149.8 mg·kg−1,
141.5 mg·kg−1)显著(P<0.01)高于传统耕作处理

图 1 不同耕作处理各土层的微生物量碳
Fig. 1 Microbial biomass carbon under different tillage treat-
ments at different soil depths

(127.0 mg·kg−1), 而两种免耕处理之间的微生物量
碳差异不显著(P=0.197>0.05)。方差分析显示土层深
度对土壤微生物量碳也有显著影响(P<0.01, 表 2)。
微生物量碳随土层深度的增加而逐渐下降, 在 0~5
cm 和 5~10 cm 土层之间的降幅达到显著水平(由
179.8 mg·kg−1降至 124.3 mg·kg−1, P<0.01), 而在
5~10 cm和 10~20 cm土层降幅仅为 10.1 mg·kg−1,
差异不显著(P=0.122>0.05)。
2.3 保护性耕作对土壤真菌和细菌生物量的影响
本试验共定量计算了土壤中 13种脂肪酸(14:0、
i-15:0、a-15:0、15:0、i-16:0、16:1ω7c、16:0、i-17:0、

表 2 不同因素对微生物量碳的影响
Tab. 2 Effects of different factors on microbial biomass carbon
因素 Factor F
耕作措施 Tillage 7.130**
土层深度 Soil depth 70.155**
耕作措施×土层深度
Interaction of tillage and soil depth
7.241**
**表示在 α=0.01 时达到差异显著水平。** indicate significant
difference at α=0.01.
86 中国生态农业学报 2010 第 18卷


cy17:0、18:2ω6,9、18:1ω9c、18:1ω9t、18:0), 不同
耕作处理土壤微生物所含脂肪酸种类基本相同。以
i-15:0、a-15:0、i-16:0、16:1ω7c、i-17:0 和 cy17:0
为细菌源脂肪酸 [21], 18:2ω6,9 为真菌源脂肪酸 [22],
将检测到的 13 种脂肪酸的量加和表示总脂肪酸的
量[23]。
保护性耕作能显著增加土壤中活体微生物总量,
但真菌和细菌对耕作方式的响应程度不同, 不同耕
作措施对真菌和细菌生物量的具体影响如何, 本研
究通过比较能表征真菌和细菌生物量的磷脂脂肪酸
量进行探讨。亚油酸(18:2ω6,9)作为一种表征真菌的
脂肪酸, 被 Federle[24]首先在土壤真菌细胞中发现,
而 Frostegard 等[22]发现在很多土壤中, 该脂肪酸的
量与另一种真菌标识物麦角固醇的量呈正相关, 表
明亚油酸可以作为真菌生物量的标识物。通过比较
不同土层各处理方式的真菌生物量发现(图 2a): 0~5
cm, 免耕玉米连作>免耕大豆−玉米轮作>传统耕作
(差异均达显著水平, P<0.05); 5~10 cm, 免耕玉米连
作>传统耕作>免耕大豆−玉米轮作(差异均达显著水
平, P<0.05); 10~20 cm, 各处理间无显著差异。随着
土层深度的增加, 3种处理真菌生物量均有不同程度
降低。不同处理对土壤细菌生物量的影响与对真菌
生物量的影响比较类似(图 2b), 主要区别在 5~10 cm
土层: 免耕玉米连作处理的土壤真菌生物量显著高
于其他两种处理(P<0.05)。免耕玉米连作与免耕大豆
−玉米轮作的真菌生物量比值约 2.6, 相应的细菌比
值约为 1.2, 前者比后者高近 1.2 倍; 免耕玉米连作
与传统耕作的真菌生物量比值约为 2, 相应的细菌
比值约为 1, 前者比后者高近 1倍。显然, 免耕玉米
连作处理 5~10 cm土层真菌生物量增长速率明显高
于细菌; 同时, 0~5 cm土层亦有此变化规律。
由图 2c可知, 2种免耕处理土壤真菌/细菌值在
各土层均显著高于传统耕作方式(P<0.05, 除 5~10
cm 免耕大豆−玉米轮作处理), 且该比值随土层深度
的增加显著(P<0.05)下降。不同处理在同一土层的
G+/G−值差异基本不显著(P>0.05, 传统耕作 5~10 cm
土层例外, 图 2d), 但 G+/G−值随土层深度的增加显
著增大(P<0.05)。
2.4 土壤微生物量碳与其他指标的相关性比较
土壤微生物量碳是反映土壤微生物活性的直接
指标, 而磷脂脂肪酸作为微生物细胞膜的重要组成
成分, 其总量已经成为表征现时活体微生物量的指
标 [23], 棕榈酸(16:0)存在于几乎所有的土壤微生物
群落磷脂中 , 可以作为衡量总群落生物量的指
标[25]。由图 3 可知, 微生物量碳与热水溶性有机碳
(Hot-water soluble organic carbon, HWSOC)的相关系
数 r=0.94 (n=9), 在 α=0.01水平下线性关系显著; 微
生物量碳与棕榈酸(16:0)的相关系数 r=0.96 (n =9),
在 α=0.01 水平下线性关系显著; 微生物量碳与总脂
肪酸量的相关系数 r=0.97 (n=9), 在 α=0.01水平下线


图 2 不同耕作处理各土层真菌(a)和细菌生物量(b)、细菌/真菌(c)及革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(d)
Fig. 2 Fungal (a) and bacterial (b) biomass, ratio of fungi to bacteria (c) and of G+ to G− (d) for different tillage
treatments at different soil depths
第 1期 张 彬等: 保护性耕作对黑土微生物群落的影响 87



图 3 土壤微生物量碳与其他指标的相关性比较
Fig. 3 The correlation analysis of soil microbial biomass C and other indices

性关系显著, 故微生物量碳与热水溶性有机碳、棕
榈酸(16:0)和总脂肪酸量有很好的正相关。
3 结论与讨论
与传统耕作相比, 连续 7 年的保护性耕作使土
壤表层(0~5 cm)全碳、全氮、热水溶性有机碳、碱解
氮和微生物量碳均显著增加, 这些结果支持了保护
性耕作使土壤有机质和微生物量碳在土壤表层富集
的观点, 与已有的研究结果一致[26−27]。王芸等[28]以
土壤微生物量碳为指标研究了免耕措施对冬小麦、
夏玉米轮作土壤中微生物特性的影响, 发现免耕措
施显著提高了土壤表层的微生物量碳。造成这种差
异的原因可能是: 在免耕措施下, 秸秆覆盖使有机
质在土壤中大量积累, 不同程度上为各种微生物提
供了基质, 从而影响土壤有机碳和养分的动态循环
和转化, 是土壤微生物量碳增加的主要因素; 而免
耕有效地抑制了土壤的过度通气, 减少了有机质的
自然氧化降解, 也是微生物量碳高的一个原因。
相对于传统耕作, 免耕措施显著提高了土壤表
层(0~5 cm)的总脂肪酸量、细菌和真菌生物量, 尤其
是免耕玉米连作的作用更明显。但真菌和细菌生物
量的增加并不呈比例 , 真菌生物量增加快于细菌 ,
使免耕措施下土壤的真菌/细菌值有所提高, 有利于
农田土壤生态系统的稳定性。这是因为免耕措施为
真菌生物量增加提供了有利的环境条件, 具体来讲,
就是物理扰动的减少和空间异质性的增加。而真菌
能够利用空间中分散的资源[29]。本研究结果显示在
免耕措施下真菌和细菌生物量都有所增加, 这与已
有的研究结果一致 [30−31], 但其增加不是呈比例的 ,
真菌生物量的增长速度明显大于细菌, 这可能因为
在免耕条件下, 秸秆覆盖地表使土壤表层温度较传
统耕作低, 而真菌在低温环境中的适应性要比细菌
强 [32], 从而使真菌生长更快; 另一个原因可能是在
免耕土壤中, 真菌菌丝不会像在传统耕作中那样被
切断, 而是保留下来形成一个网状结构, 真菌可以
通过该网状结构进行养分转移和通气, 对养分含量
高低不同的区域起桥梁作用, 有利于真菌的生长[33]。
本研究还发现, G+/G−值受耕作措施的影响较小, 但
随着土层深度的增加而增大。Kieft 等[34]认为, 节杆
菌等 G+菌对饥饿条件适应能力极强, 而假单胞菌等
G−菌对环境胁迫的适应力较差, 受底物供应水平影
响显著; Marschner 等[35]也发现, 有机质组成及其可
用性差异是 G+/G−值变化的主要原因。随着土层深度
的增加, 有机质含量下降, 土壤温度、水分等环境条
件的变异较大, 最终使 G+/G−值增大。
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