陈 娟， 马忠明, *， 刘莉莉， 吕晓东

(1甘肃农业大学农学院，兰 州730070； 2甘肃省农业科学院， 兰州 730070；3甘肃省卓尼县气象局， 甘肃卓尼 747600)



不同耕作方式对土壤有机碳、微生物量及酶活性的影响

陈 娟1， 马忠明1, 2*， 刘莉莉3， 吕晓东2

(1甘肃农业大学农学院，兰 州730070； 2甘肃省农业科学院， 兰州 730070；3甘肃省卓尼县气象局， 甘肃卓尼 747600)

【目的】依托8年长期(20052012)固定道定位试验，研究不同耕作方式对土壤有机碳、土壤微生物量、土壤酶活性在0—90 cm土层的分布特征，为优化中国西北干旱区的耕作方式提供理论依据。【方法】试验包括固定道垄作(PRB)、固定道平作(PFT)与传统耕作(CT)三种耕作模式下的土壤有机碳土壤总有机碳(TOC)、颗粒有机碳(POC)、土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)、土壤微生物量磷(MBP)、蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶及小麦产量进行了测定和分析。【结果】在0—90 cm土层，不同耕作方式下的TOC、POC、MBC、MBN、MBP、蔗糖酶活性、脲酶活性均随着土层的增加呈下降趋势，过氧化氢酶活性呈先下降后增大的分布特征；在0—60 cm，固定道保护性耕作能够显著增加心土层作物生长带土壤有机碳储量，有机碳储量大小为PRB>PFT>CT；PRB、PFT较CT可以显著增加0—10 cm作物生长带TOC、POC、MBC、MBN、MBP含量、蔗糖酶、脲酶活性，其大小为PRB>PFT>CT；耕作方式对过氧化氢酶活性影响不显著；TOC、POC、MBC、MBN、MBP、蔗糖酶活性、脲酶活性、过氧化氢酶活性之间均达到了显著或极显著相关。【结论】PRB较PFT、CT能够提高耕作层(0—10 cm)土壤有机碳含量、土壤微生物量、土壤酶活性， 增加作物产量， 增大0—60 cm土层有机碳储量，耕作方式(PRB、PFT及CT)对10 cm以下土层土壤环境改善作用不明显。

固定道； 土壤有机碳； 土壤微生物量； 土壤酶活性

河西绿洲灌溉既是我国西北粮油基地，也是缺水干旱区(年降雨100 mm左右)[1]。传统耕作方式频繁翻耕土地，有机物补给不足，导致土壤有机质数量和质量下降、土壤微生物结构改变[2]，加之大水漫灌及自然灾害，致使该区地下水位持续下降。这种浪费水肥资源，费工费时低效高耗能的粗放耕作方式不能适应河西农业现状的需求[3]。保护性耕作方式(少免耕及秸秆覆盖)可以增加土壤有机质，改善土壤结构，提高土壤团聚体含量，减少土壤风蚀水蚀，增加土壤持水性[4]。固定道垄作保护性耕作(permanent raised bed，PRB)是在农田中设固定的机械行走道路，固定垄作和沟灌代替传统平作和大水漫灌，垄上种植作物，垄沟既是灌水沟，也是机械车轮行走道，作物收获后，高留茬秸秆覆盖免耕。PRB耕作方式不仅适宜高度农业机械化种植，还可减少土壤压实，提高水肥利用效率，减少生产投入(水肥、劳动力)，降低生产成本，改善土壤结构及提高作物产量[5]，是一种新型的耕作方式。

土壤有机碳、土壤微生物量、酶活性是评价土壤肥力的重要指标，耕作方式影响着土壤肥力指标的变化[6-8]。已有研究报道，PRB对提高水肥利用率、改善土壤物理结构和节能增产方面有良好效果[9-10]，研究其对土壤有机碳、土壤微生物量、酶活性及作物产量的影响可深入了解其产生这些作用的机理。已有的关于耕作方式对有机碳、微生物量含量及土壤酶活性的影响的研究，大多关注有机碳含量较多的表层土壤，本研究利用20052012长期固定道保护性耕作定位试验，对河西灌区3种栽培方式下的0—90 cm土壤有机碳、微生物量、酶活性、产量进行分析，阐明保护性耕作的增产机制，以期筛选出适合当地干旱条件下作物生长的耕作模式，为该区土壤质量改良和生态农业的可持续健康发展提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验于2005年在农业部张掖绿洲灌区农业生态环境野外科学观测试验站进行。试验站位于38°56′N、 100°26′E，海拔1570 m，多年平均降水量129 mm，多年蒸发量2048 mm，年平均气温为7.38℃，降水主要集中在7、8、9月，干旱指数为15。日照时数29323085 h，≥10℃的积温为18372870℃。该区为无灌溉无农业的典型干旱绿洲灌溉区。土壤质地为沙质壤土(砂粒49%、 粉砂34%、 黏粒17%)，0—20 cm耕作层土壤容重为1.38 g/cm3、 有机质为12.49 g/kg、 全氮为0.78 g/kg、 pH为8.58、 速效磷为13.72 mg/kg、 速效钾为223.7 mg/kg。 2 m土层田间持水量和萎蔫含水量(按体积计算)分别32%和9.5%；小麦生育期降水为65.4 mm。 一般3月下旬播种，7月下旬收获。不同土层及耕作方式下容重、含水量和pH如表1 所示。供试春小麦品种为‘陇辐2号’，播种量为375 kg/hm2。施N 225 kg/hm2，纯P2O5180 kg/hm2。其中，40%的氮肥和全部磷肥作为底肥一次性施入，其余的氮肥分两次作为追肥结合一水、 二水施入。灌水时间结合当地生产实际，分别在小麦拔节期(5月中旬)、小麦抽穗期(6月中旬)及小麦灌浆前期(7月上旬)。

1.2试验设计

本试验共设3个处理，即传统耕作(CT)、固定道平作(PFT)和固定道垄作(PRB)，随机区组排列，每处理3次重复，小区面积216 m2(18 m×12 m)，种植制度采用当地典型小麦单作模式。传统耕作土壤全部耕作，大水漫灌，小麦秸秆全部移走，机械压实；固定道栽培见图1，平作处理在固定道上不起垄，采用免耕、大水漫灌、秸秆覆盖；垄作处理则是在固定道上起垄，每年播种前对垄床进行少量的修整，免耕、沟灌，秸秆覆盖(图1)。

注(Note): CT—传统耕作 Conventional tillage; PFT—平作 Flat sowing; PRB—垄作固定道 Permanent raised bed. 数据后不同小写字母表示在0.05 水平差异显著性 Values followed by different small letters indicate significant differences at the 0.05 level; 数据测定于2012 年7月 Measured in July 2012.

图1　固定道及起垄示意图Fig.1　Diagram of the permanent tillage zone and the raised bed

1.3土样采集

2012年3月27日播种，7月23日成熟收获。在小麦收获后采集土样，每个处理各小区随机确定6个采样点。采样点均分布于作物种植带，分别采集0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm和60—90 cm 6个土层的土样，同一小区同一深度采集的土样，剔除石砾和植物残茬等杂物，混合制样，无菌塑料袋包装，一部分土样4℃冰箱保存，测定微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、微生物量磷(MBP)含量及土壤酶活；另一部分土样室内风干过筛，用于总有机碳(TOC)和土壤颗粒有机碳(POC)测定。

1.4测定项目与方法

TOC测定采用重铬酸钾外加热法；POC测定：称取过2 mm筛的风干土20 g，放入三角瓶中，加入100 mL 5 g/L的六偏磷酸钠溶液中，在往复震荡器震荡18 h。把土壤悬液过0.05 mm筛，反复用蒸馏水冲洗，以筛POC，在60℃下过夜烘干称量(>12 h)，计算颗粒有机质中的有机碳含量；MBC、MBN、MBP用氯仿熏蒸法测定；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；脲酶采用靛酚蓝比色法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法[11]。

1.5数据处理

试验数据采用SPSS 21 软件进行方差和相关分析，运用Excel2013作图。

SOC储量计算如下：

式中， SOCs为特定深度的土壤有机碳储量(t/hm2)；Ci为第i层土壤的SOC含量(g/kg)；ρi为第i层土壤容重(g/cm3)；Ti为第i层土壤厚度(cm)；n为土层数。

2　结果与分析

2.1不同耕作方式下土壤总有机碳、颗粒有机碳含量的垂直分布

耕作方式对0—10 cm土层TOC、POC含量影响最为显著(图2)，呈现表层富集现象，其它土层差异均不显著。在0—5 cm土层，PRB、PFT与CT相比，TOC含量分别增加了27.04%、18.16%，POC含量分别增加了19.96%、15.67%；5—10 cm土层，PRB、PFT与CT相比，TOC含量分别增加了9.87%、8.12%，POC含量分别增加了23.17%、15.33%。PRB能够提高土壤耕作层TOC、POC含量。在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm及20—40 cm土层，TOC、POC含量大小为PRB>PFT>CT；在40—60 cm及60—90 cm土层，TOC、POC含量大小为CT >PRB>PFT。

图2　不同耕作方式不同土层土壤颗粒有机碳、总有机碳含量Fig. 2　The POC and TOC contents from 0 to 90 cm soil depths under different tillage treatments[注(Note): PRB—固定道起垄Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—传统耕作Conventional tillage. 不同字母表示同一土层不同耕作方式之间差异显著(P<0.05) Different letters mean significant differences among treatments in the same soil depth at the P<0.05 level.]

2.2不同耕作方式对0—90 cm土壤有机碳储存量的影响

耕作试验实施8年后，0—5 cm土层，PFT和PRB较CT有机碳(SOC)储量分别提高了26.71%和21.66%，0—10 cm土层分别提高了20.75%和16.35%，0—20 cm土层分别提高了13.72%和6.76%，0—40 cm土层分别提高了10.83%和6.05%。其中，0—10 cm土层，保护性耕作(PRB与PFT)能够显著增加SOC储量，0—60 cm土层SOC储存量大小为PRB>PFT>CT，PRB、PFT处理间没有显著差异。整个土壤剖面(0—90 cm)，3种耕作处理下SOC储量差异不显著(表2)。结果表明，保护性耕作(PRB与PFT)能提高表土层与心土层SOC储量，对于底土层SOC储量影响不大。

2.3不同耕作方式下土壤微生物量碳、氮、磷含量的垂直分布

由图3可以看出，不同耕作方式下，MBC、MBN与MBP含量随着剖面深度的增加而减少，说明在土壤微生物主要生活在表层土壤。

耕作方式对0—10 cm土层MBC含量影响最为显著，以PRB处理最高，其他各层差异不显著；PRB与CT差异显著(P<0.05)，其中在0—5 cm和5—10 cm土层，PRB、PFT与CT相比，MBC的含量分别增加了19.76%、11.27%，26.19%、23.03%。耕作方式对10—90 cm表层MBC的含量影响不显著。在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm及20—40 cm土层，MBC含量大小为PRB>PFT、 CT；在40—60 cm及60—90 cm土层，MBC含量大小为CT >PRB>PFT。

在0—40 cm 土层，耕作方式显著影响MBN含量，随着土层的增加差异不显著，0—5 cm、5—10 cm及10—20 cm土层不同耕作方式下，MBN含量大小为PRB>PFT、 CT，20—40 cm土层，其大小为PRB、 CT>PFT；40—60 cm及60—90 cm土层，耕作方式对MBN含量影响不显著。

耕作方式对0—10 cm MBP含量影响显著，其含量大小为PRB>PFT>CT，其中，0—5 cm、5—10 cm土层，PRB、PFT与CT相比，MBP含量分别增加了71.45%、36.91%，11.35%、6.46%。对10 cm以下土层MBP含量影响不显著。

表2　不同耕作方式下作物生长带土壤有机碳(SOC)储量(t/hm2)

注(Note): PRB—固定道起垄Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—传统耕作Conventional tillage. 数据后不同小写字母表示同一土层深度处理间差异显著(P<0.05) Values followed by different small letters mean significantly different among treatments at the same soil depth at 5% level.

图3　不同耕作方式下不同土层的土壤微生物量Fig.3　Soil microbial biomass contents at 0-90 cm soil depths under different tillage treatments[注(Note): PRB—固定道起垄Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—传统耕作Conventional tillage. 不同字母表示同一土层不同耕作方式之间差异显著(P<0.05) Different letters mean significant differences among treatments in the same soil depth at the P<0.05 level.]

经过8年不同耕作处理后，土壤耕作层MBC、MBN与MBP含量均以PRB最高，CT最低，说明PRB耕作处理可以显著提高耕作层微生物数量。

2.4不同耕作方式下土壤蔗糖酶、脲酶及过氧化氢酶活性的垂直分布

土壤蔗糖酶活性在0—90 cm土层随着土壤深度的增加，酶活性呈下降趋势。耕作方式对土壤表层(0—5 cm、5—10 cm)蔗糖酶活性的影响差异显著，表现为PRB>PFT、 CT，对10—90 cm酶活性的影响不显著。

土壤脲酶活性在0—90 cm土层随着土壤深度的增加，酶活性呈下降趋势。表层土壤酶活性是90 cm处土壤酶活性的5倍。耕作方式对土壤表层(0—10 cm)尿酶活性的影响差异显著，表现为PRB、 PFT>CT，对10—90 cm酶活性的影响不显著。其中0—5 cm、 5—10 cm土层，PRB与CT相比，土壤尿酶活性提高了22.46%、13.55%(图4)。

在0—90 cm土层，不同耕作方式下的过氧化氢酶活性的变化呈先减小后增大趋势，耕作方式对过氧酶活性的影响均未达到显著差异。0—5 cm土层，PRB、PFT与CT相比，过氧化氢酶活性分别增加了1.12%、0.24%； 5—10 cm，PRB、PFT与CT相比，过氧化氢酶活性分别增加了5.45%、0.09%，随着土层的增加，耕作方式对过氧化氢酶活性影响差异逐渐减少(图4)。

2.5耕作方式与土层深度对土壤有机碳、酶活性、微生物量的影响

不同耕作方式与土层对TOC、POC、MBC、MBN、MBP、蔗糖酶活性、脲酶活性与过氧化氢酶活性进行方差分析(表3)表明，耕作方式对MBC、MBN、MBP、

图4　不同耕作方式不同土层土壤酶活性Fig.4　Soil enzyme activities at 0—90 cm soil depths under different tillage treatments[注(Note): PRB—固定道起垄Raising ridge in permanent tillage zone; PFT—固定道平作Flat sowing in permanent tillage zone; CT—传统耕作Conventional tillage. 不同字母表示同一土层不同耕作方式之间差异显著(P<0.05) Different letters mean significant differences among treatments in the same soil depth at the P<0.05 level.]

POC及TOC含量影响显著；土层对TOC、POC、MBC、MBN及MBP含量及蔗糖酶活性、脲酶活性与过氧化氢酶活性影响显著；耕作方式与土层的交互作用对蔗糖酶、脲酶、MBN、MBP和TOC影响显著；而耕作方式对蔗糖酶、脲酶与过氧化氢酶活性影响不显著；耕作方式与土层的交互作用对过氧化氢酶及MBC影响不显著。其主要原因是耕作方式对蔗糖酶、脲酶与过氧化氢酶活性与耕作方式与土层的交互对过氧化氢酶及MBC的贡献小于对其他生化指标的贡献。这表明耕作方式和土层对土壤有机碳、微生物量及酶活性有重要影响，通过合理耕作方式可以增强土壤酶活性，提高土壤有机碳及微生物量，从而改善土壤肥力。

3　讨论

3.1耕作方式对0—90 cm土壤有机碳含量、储量及分布的影响

本研究表明，耕作方式显著影响土壤有机碳分布与固持[12-14]。三种耕作方式相比，固定道保护性耕作(PRB和PFT)较传统耕作(CT)可以提高作物生长带耕作层土壤有机碳含量，其中垄作固定道(PRB)显著高于平作固定道(PFT)及传统耕作(CT)，0—10 cm土壤耕作层土壤总有机碳(TOC)、颗粒有机碳(POC)大小为PRB>PFT>CT。PRB垄作耕作方式改变了田间的微地形，增加了作物受光面积，加厚了作物生长的熟土层，提高了土壤温度及土壤通透性，进而提高了土壤微生物数量、土壤酶活性及土壤有机碳含量[15-18]。PRB与PFT耕作处理(免耕、固定的机械行驶车道)使得土壤免受机械扰动与压实，降低了土壤呼吸作用及土壤容重，减少了有机碳流失[19-20]。免耕、秸秆覆盖及高留茬(PRB与PFT)使得作物秸秆、作物脱落物、作物及杂草地下根系等有机质不断归还于耕作层，且没有机械压实，耕作层水热条件好，有机质分解状况好，有利于碳的固定，因此，TOC及POC呈现出了表层富集现象[21-23]。相反，传统耕作(CT)对耕作层的频繁的翻动，破坏了土壤团聚体，在没有外源有机质加入的情况下，土壤中易矿化的有机碳因不断被矿化而损失，加之人为翻耕扰动导致土壤呼吸作用增强，土壤有机碳含量下降[22]。

表3　不同耕作方式和土层对土壤有机碳、微生物量及酶活性的影响 (F值)

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

0—90 cm土壤有机碳分布及储量结果表明，随着土层的加深，TOC和POC含量均呈下降趋势，主要是由于随着深度的增加，作物根系及根系分泌物等有机质投入减少，降低了土壤有机碳的循环与转化[16]。不同耕作处理下，0—40 cm土层，TOC和POC含量表现为PRB>PFT>CT，40—90 cm土层为CT>PRB>PFT，可能是CT经过翻耕后，表层有机质及作物根系被翻至耕作层以下，增加了耕作层以下的有机质含量，从而增加了有机碳含量。同时本研究表明，耕作方式可以提高作物生长带表土层和心土层有机碳固存量(0—60 cm)，耕作方式对底土层(60—90 cm)土壤有机碳储量影响不大。Benhua等研究表明，实施了5年的保护性耕作(免耕、秸秆覆盖与浅耕、秸秆覆盖)与传统耕作相比，只改变了0—60 cm土层有机碳的分布，没有固持有机碳的作用[25]，与本研究结果不一致，可能与保护性耕作实施年限、秸秆覆盖量及土壤质地有关[24-25]。

3.2耕作方式对0—90 cm土壤微生物量及分布的影响

本研究同时也证实了，固定道保护性耕作(PRB与PFT)较传统耕作(CT)能显著提高0—10 cm土层土壤微生物量(PRB>PFT>CT)。PRB与PFT由于秸秆覆盖不断向土壤输入有机质，为微生物生长繁殖提供了碳、氮等能源物质；免耕加秸秆覆盖，能防止水分蒸发，提高土壤水分含量，研究表明土壤水分与微生物量密切相关，在一定范围内土壤微生物量随着含水量的增加而增加，良好的土壤含水量也能加速秸秆腐烂速度，从而向环境释放更多生物有效养分，增加土壤微生物数量；且固定道耕作系统(PRB与PFT)无机械压实，减少了土壤容重，增大了土壤孔隙度，有益于作物根系和土壤微生物生长[26-30]。本研究表明在0—90 cm土层，PRB与PFT相比，提高了MBC、MBN、MBP含量，其原因可能是PRB独特的垄沟结构，改善了土壤水、热、光、气等条件，为土壤微生物滋生提供了适宜的环境。Xue等[27]研究也表明，垄作与平作相比，垄作栽培可以提高作物根际细菌、真菌及放线菌的数量。

0—90 cm 土层，MBC、MBN、MBP含量随着土壤深度的增加而减少，主要原因是随着土层的加深土壤孔隙度变小及土壤通透性减弱，土壤含氧量降低，导致土壤微生物量减少[31]。20—90 cm 土层，MBC、MBN、MBP含量表现为CT>PRB>PFT，可能是CT经翻耕后，20 cm以下土壤有机质含量、含氧量最多，有利于微生物生长繁殖。此外王芸等研究表明保护性耕作(PRB与PFT) 秸秆覆盖且只对表层土壤进行耕作造成了土层微生物量的 “上富下贫”，而CT耕作的作业深度更深，土壤微生物量具有一定的土层均匀性[32]。

3.3耕作方式对0—90 cm土壤酶活性及分布的影响

土壤酶活性反映土壤微生物的活性，代表土壤中物质代谢的旺盛程度，对耕作方式比较敏感。土壤微生物量的增加会提高土壤酶在内的分泌物数量；土壤有机质也是土壤酶促底物的主要供源，可以增加土壤蔗糖酶、脲酶活性[33]；土壤有机质可以固定土壤的氮素，减少土壤氮的淋洗与挥发损失，从而增加土壤脲酶含量[34]。本研究表明0—90 cm蔗糖酶、脲酶活性与土壤微生物量含量与分布趋势相同，即0—20 cm土层，蔗糖酶、脲酶活性大小为PRB>PFT>CT，20—90 cm土层，其大小为CT>PRB>PFT。其主要原因是保护性耕作(PRB与PFT)促进了土壤微粒的团聚、改善了土壤微生物环境、增加了土壤有机质含量，加快了土壤微生物生长，从而促进了蔗糖酶、脲酶活性[35]。孙建等研究也表明保护性耕作下土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性和脲酶活性高于传统耕翻[12]。

过氧化氢酶能够酶促水解过氧化氢，其活性与土壤的微生物数量、活性及植物根系有关，可以用来表征土壤的生化活性[35]。本研究表明耕作方式对不同土层过氧化氢酶活性影响不显著，且在垂直分布表现规律与脲酶、蔗糖酶活性不一致(先降低后增大)。有研究表明随着土层的增加农田与荒地过氧化氢酶活性表现出先降低后增加的趋势[36]，与本研究结论一致；而香蕉地、桉树地、果园地过氧化氢酶活性随土层下降呈下降趋势[33,35]；关松荫等的研究发现，在0—1 m土层不同种类土质的过氧化氢酶活性与pH有一定的相关性，但在垂直剖面不同土质下的过氧化氢酶没有明显的规律可循[37]。过氧化氢酶活性随土层变化的不一致可能是由于作物根系分布与土壤环境不一致造成的，其变化机理需要进一步研究。

4　结论

1) 在0—90 cm土层，TOC、POC含量随着土层深度的增加而减小。与CT相比，PRB、PFT能够显著提高0—10 cm TOC、POC含量，其大小为PRB>PFT>CT，对40—60 cm土层TOC、POC含量影响显著(CT>PRB>PFT)，其它土层差异均不显著；PRB与CT能够显著提高心土层(0—60 cm)以上有机碳储量，对底土层(60 cm以下)有机碳储量影响不显著。

2)在0—90 cm土层，MBC、MBN及MBP含量随着土层的增加而减小。与CT相比，PRB、PFT能够显著提高0—10 cm MBC、MBN及MBP含量，其大小为PRB>PFT>CT，其他土层差异不显著。

3) 在0—90 cm土层，蔗糖酶、脲酶活性随着土层的增加而减小，与CT相比，PRB、PFT能够显著提高0—10 cm蔗糖酶与脲酶活性；在0—90 cm土层，过氧化氢酶随着土层的增加呈先减小后增大的变化趋势，耕作方式对过氧化氢酶活性没有影响。

[1]刘海龙, 石培基, 李生梅, 等. 河西走廊生态经济系统协调度评价及其空间演化[J]. 应用生态学报, 2014, 25(12): 3645-3654.

Liu H L, Shi P J, Li S M,etal. Ecological and economic harmony evaluation and spatial evolution of the He-xi Corridor, Northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(12): 3645-3654.

[2]杨东, 刘强. 河西地区土壤全氮及有机质空间变异特征分析—以张掖市甘州区为例[J]. 干旱地区农业研究, 2010, 28(4): 183-187.

Yang D, Liu Q. Characteristics of spatial distribution of soil organic matter and total nitrogen in Hexi Area—A case study in Ganzhou District of Zhangye[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(4): 183-187.

[3]Wu J S, Brookes P C, Jenkinsond D S. Formation and destruction of microbial biomass during the decomposition of glucose and ryegrass in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1993, 25(10): 1435-1441.

[4]Doran J W, Sarrantonio M, Liebig M A. Soil health and sustainability[J]. Advances in Agronomy, 1996, 56: 51-54.

[5]陈浩, 李洪文, 高焕文, 等. 多年固定道保护性耕作对土壤结构的影响[J]. 农业工程学报, 2008, 24(11): 122-125.

Chen H, Li H W, Gao H W,etal. Effect of long-term controlled traffic conservation tillage on soil structure[J].Transactions of the CSAE, 2008, 24(11): 122-125.

[6]王新建, 张仁陟, 毕冬梅, 等. 保护性耕作对土壤有机碳组分的影响[J]. 水土保持学报, 2009, 23(2): 115-121.

Wang X J, Zhang R Z, Bi D M,etal. Effects of conservation tillage on soil organic carbon fractions[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(2): 115-121.

[7]Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56: 777-783.

[8]周礼恺. 土壤酶学[M]. 北京: 科学出版社, 1987: 263-278.

Zhou L K. Soil enzymology[M]. Beijing: Science Press, 1987: 263-278.

[9]Singh V K， Dwivedi B S, Shukla A K, Mishra R P. Permanent raised bed planting of the pigeonpea-wheat system on a typical ustochrept: Effects on soil fertility, yield, and water and nutrient use efficiencies[J]. Field Crops Research, 2010, 116: 127-139.

[10]He J, Li H W, McHugh A D, et al. Spring wheat performance and water use efficiency on permanent raised beds in arid northwest China[J]. Australian Journal of Soil Research, 2008, 46: 659-666.

[11]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999: 106-110.

Lu R K. Soil agricultural chemical analysis method[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 1999: 106-110.

[12]孙建, 刘苗, 李立军, 等. 免耕与留茬对土壤微生物量 C、N及酶活性的影响[J]. 生态学报, 2009, 29(10): 5508-5515.

Sun J, Liu M, Li L J,etal. Influence of non-tillage and stubble on soil microbial biomass and enzyme activities in rain-fed field of Inner Mongolia[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10): 5508-5515.

[13]李玉洁, 王慧, 赵建宁, 等. 耕作方式对农田土壤理化因子和生物学特性的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 26(3): 939-948.

Li Y J, Wang H, Zhao J N,etal. Effects of tillage methods on soil physicochemical properties and biological characteristics in farmland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(3): 939-948.

[14]Doran J W. Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44:765-771.

[15]熊又升, 徐祥玉, 张志毅, 等. 垄作免耕影响冷浸田水稻产量及土壤温度和团聚体分布[J]. 农业工程学报, 2014, 30(15): 157-164.

Xiong Y S, Xu X Y, Zhang Z Y,etal. Influences of combining ridge and no-tillage on rice yield and soil temperature and distribution of aggregate in cold waterlogged field[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(15): 157-164.

[16]昌龙然, 谢德体, 慈恩, 等. 稻田垄作免耕对根际土壤有机碳及颗粒态有机碳的影响[J]. 西南师范大学学报, 2012, 37(11):49-53.

Chang L R,Xie D T, Ci E,etal. On effect of ridge-cultivation without tillage on rhizosphere of soil organic carbon and particulate organic carbon in a rice-based cropping system[J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Sci. Edit.), 2012, 37(11): 49-53.

[17]高明, 张磊, 魏朝富, 等. 稻田长期垄作免耕对水稻产量及土壤肥力的影响研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2004, 10(4): 343-348.

Gao M, Zhang L, Wei C F,etal. Study of the changes of the rice yield and soil fertility on the paddy field under long-term no-tillage and ridge culture conditions[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(4): 343-348.

[18]高明, 李阳兵, 魏朝富, 等. 稻田长期垄作免耕对土壤肥力性状的影响研究[J]. 水土保持学报, 2005, 19(3): 29-33.

Gao M, Li Y B, Wei C F,etal. Effects of long-term no-tillage ridge culture on soil properties of paddy field[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(3): 29-33.

[19]刘爽, 严昌荣, 何文清, 等. 不同耕作措施下旱地农田土壤呼吸及其影响因素[J]. 生态学报, 2010, 30(11): 2919-2924

Liu S, Yan C R, He W Q,etal. Soil respiration and its affected factors under different tillage systems in dryland production systems[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30 (11): 2919-2924.

[20]张赛, 罗海秀, 王龙昌, 等. 保护性耕作下大豆农田土壤呼吸及影响因素分析[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(8): 913-920.

Zhang S, Luo H X, Wang L C,etal. Analysis of soil respiration and the influencing factors in soybean fields under conservation tillage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(8): 913-920.

[21]Blanco-Can qui H, Lal R. No-tillage and soil-profile carbon sequestration: an on-farm assessment[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008, 72(3): 693-701.

[22]姜学兵, 李运生, 欧阳竹, 等. 免耕对土壤团聚体特征以及有机碳储量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(3): 270-278.

Jiang X B, Li Y S, Ouyang Z,etal. Effect of no-tillage on soil aggregate and organic carbon storage[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(3): 270-278.

[23]Sun B, Hallett P D, Caul S,etal. Distribution of soil carbon and microbial biomass in arable soils under different tillage regimes[J]. Plant and Soil, 2011, 338: 17-25.

[24]刘淑霞, 赵兰坡, 刘景双, 等. 不同耕作方式下黑土有机无机复合体变化及有机碳分布特征[J]. 水土保持学报, 2007, 21(6): 105-113.

Liu S X, Zhao L P, Liu J S,etal. Organic mineral complex component and distribution character of organic carbon of black soil under various cultivation pattern[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21 (6): 105-113.

[25]Chen H Q, Hou R X, Gong Y S,etal. Effects of 11 years of conservation tillage on soil organic matter fractions in wheat monoculture in Loess Plateau of China[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 106(1): 85-94.

[26]Limon-Ortega A, Govaerts B, Deckers J, Sayre K D. Soil aggregate and microbial biomass in a permanent bed wheat-maize planting system after 12 years[J]. Field Crops Research, 2006, 97: 302-309.

[27]Xue L Z, Li M, Frank S G,etal. Effects of raised-bed planting for enhanced summer maize yield on rhizosphere soil microbial functional groups and enzyme activity in Henan Province, China[J]. Field Crops Research, 2012, 13: 28-37.

[28]Sotomayor-Ramírez D, Espinoza Y, Acosta-Martínez V. Land use effects on microbial biomass C, β-glucosidase and β-glucosaminidase activities, and availability, storage, and age of organic C in soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2009, 45(5): 487-497.

[29]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[J]. 土壤学报, 2002, 3(1): 89-96.

Xu Y C, Shen Q R, Ran W. Effects of zero-tillage and application of manure on soil microbial biomass C, N, and P after sixteen years of cropping[J]. Acta Pedologica Sinica, 2002, 3(1): 89-96.

[30]文都日乐, 李刚, 张静妮, 等. 呼伦贝尔不同草地类型土壤微生物量及土壤酶活性研究[J]. 草业学报, 2010,19(5): 94-102.

Wendu R L, Li G, Zhang J N,etal. The study of soil microbial biomass and soil enzyme activity on different grassland in Hulunbeier, Inner Mongolia[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(5): 94-102.

[31]Brevik E, Fentton T, Moran.L. Effect of soil compaction on organic carbon amounts and distribution, south-central Iowa[J]. Environmental Pollution, 2002, 116: 137-141.

[32]王芸, 李增嘉, 韩宾, 等. 保护性耕作对土壤微生物量及活性的影响[J]. 生态学报, 2007, 27(8): 3384-3390.

Wang Y, Li Z J,Han B,etal. Effects of conservation tillage on soil microbial biomass and activity[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(8):3384-3390.

[33]徐凌飞, 韩清芳, 吴中营, 等. 清耕和生草梨园土壤酶活性的空间变化[J]. 中国农业科学, 2010, 43(23): 4977-4982.

Xu L F, Han Q F, Wu Z Y,etal. Spatial variability of soil enzyme activity in pear orchard under clean and sod cultivation models[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(23): 4977-4982.

[34]戴晓琴, 李运生, 欧阳竹. 免耕系统土壤氮素有效性及其管理[J]. 土壤通报, 2009, 40(3): 691-696.

Dai X Q, Li Y S, Ouyang Z. Availability of nitrogen and its management in no-till system[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(3): 691-696.

[35]黄华乾, 王金叶, 凌大炯, 等. 不同土地利用方式下土壤过氧化氢酶活性与土壤化学性质的关系研究—以雷州半岛为例[J]. 西南农业学报, 2013, 26(6): 2412-2416.

Huang H Q, Wang J Y, Ling D J,etal. Study on relationship between soil catalase activity and soil chemical properties under different land use patterns-take Leizhou Peninsula for example[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2013, 26(6): 2412-2416.

[36]Dick R P, Myrold D D, Kerle E A. Microbial biomass and soil enzyme activities in compacted and rehabilitated skid trail soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52: 512-516.

[37]关松荫, 沈桂琴, 孟昭鹏, 等. 我国主要土壤剖面酶活性状况[J]. 土壤学报, 1984, 21(4): 368-380.

Guan S Y, Shen G Q, Meng Z P,etal. Enzyme activities in main soils of China[J]. Acta Pedologica Sinica, 1984, 21(4): 368-380.

Effect of tillage system on soil organic carbon, microbial biomass and enzyme activities

CHEN Juan1, MA Zhong-ming1， 2*, LIU Li-li3, LÜ Xiao-dong2

(1CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China； 2GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou，Gansu730070,China； 3BureauofMeteorologyofZhuoniCounty，Zhuoni,Gansu747600，China)

【Objectives】An eight consecutive year (2005-2012) field experiment was conducted to evaluate tillage practices on soil organic carbon, microbial biomass and soil enzyme activity and their distributions in 0-90 cm depth of soils in arid northwestern China, to which would provide a theoretical basis for better choosing tillage practices. 【Methods】The treatments include permanent raised bed (PRB), zero tillage with control traffic on flat field (PFT) and conventional tillage (CT), and the total soil organic carbon(TOC), particulate organic carbon(POC), microbial biomass carbon(MBC), microbial biomass nitrogen(MBN), microbial biomass phosphorus(MBP), enzymatic activities (invertase, urease and catalase) and grain yield of spring wheat were measured. 【Results】The contents of TOC, POC, MBC, MBN and MBP and the activities of invertase and urease were declined with increasing depth (0-90 cm) in the PRB, PFT and CT treatments, and the catalase activity was decreased first and then increased. In the whole 0-60 cm soil depth, the SOC storage was the highest under PRB, followed by the PFT and CT treatments in crop growth areas. The activities of enzymes (invertase and urease) and the contents of TOC, POC, MBC, MBN and MBP in the upper layer (0-10 cm) in the plots tilled by PRB and PFT were higher than those in the plots tilled by CT. There were significant and extremely significant correlations among TOC, POC, MBC, MBN, MBP and enzyme activities (invertase, urease and catalase), while the catalase activity was not significantly affected by the three tillage modalities. 【Conclusions】The PRB and PFT treatments could improve the contents of soil organic carbon, microbial biomass, soil enzyme activities and the grain yield, and the sequestration of carbon in the whole profile of 60 cm under the PRB treatment was greater than that under the CT and PFT treatments. Beneath 10 cm, there was no significantly improvement in soil environment for the PRB and PFT treatments compare with the CT treatment.

permanent raised bed; soil organic carbon; microbial biomass; soil enzyme activity

2015-05-25接受日期： 2015-09-01网络出版日期： 2016-03-14

国家自然科学基金项目(31160128)； 公益性行业(农业)科研专项(201503125-02); 甘肃省国际科技合作专项(1504WKCA077)； 中澳国际合作项目(SMCN/2002/094)；甘肃省农业科技创新项目(GNCX-2014-35)资助。

陈娟(1982—)，女，甘肃庆阳人，博士研究生，主要从事作物营养与肥料研究。E-mail：chen0934@163.com

E-mail：mazhming@163.com

S152.4

A

1008-505X(2016)03-0667-09