不同耕作方式下土壤微生物在黑土有机碳固定中的作用研究

土壤微生物参与很多重要的生态过程,如支配着有机物质分解和养分循环等,对维持农田生态系统的可持续性有重要意义。同时土壤微生物极易受到外界环境的影响,土壤物理化学性质的变化将引起土壤微生物生物量、群落结构及活性等的快速响应,因此可以作为衡量土壤质量变化的重要指标。本研究以吉林省德惠市长期保护性耕作试验田黑土为研究对象,采用田间野外观测、室内分析以及同位素示踪等方法,研究了耕作方式、轮作方式和时间对耕层土壤有机碳组分、土壤物理性质和微生物性质的影响及土壤理化性质与微生物群落之间的关系。通过将13C标记的秸秆野外定点还田,分析不同秸秆还田方式(免耕和秋翻)对土壤微生物种群的影响以及新碳在微生物种群中的比例,以期揭示不同耕作方式下,微生物对黑土有机碳周转的影响机制。研究结果表明:(1)保护性耕作可显著改善表层(0-5 cm)土壤有机碳含量。长期免耕表层(0-5 cm)土壤有机碳的含量分别比垄作和秋翻高8.3%和28.2%,而5-10 cm处则表现为秋翻和垄作显著大于免耕,表明免耕可促进表层土壤碳源积累但可能造成亚表层(5-10 cm)亏损。(2)长期保护性耕作可显著提高表层(0-5 cm)土壤微生物量碳含量。(3)保护性耕作与常规性耕作下土壤MBC含量的季节变化规律不一致,免耕和垄作整体表现为8月土壤微生物生物量碳较高,而秋翻则表现为6月较高。(4)主响应曲线分析表明,采样时间对微生物磷脂脂肪酸的影响随土层深度增加而逐渐降低,耕作方式随土层深度增加而逐渐增高。免耕和垄作能够改善表层(0-5 cm)土壤微生物量(总量、真菌和细菌生物量),但是并没有形成较高的真菌与细菌比,并在5 cm以下土层中比值低于秋翻。这些结果说明长期保护性耕作有利于改善东北黑土表层微生物性质,但是并不一定促成真菌为优势种群的群落结构。(5)耕作和轮作方式均显著影响土壤微生物代谢功能,其中轮作方式起主导作用,胺和氨基酸类含氮性碳源是轮作下的敏感碳源,而糖类是连作下敏感碳源。免耕和玉米大豆轮作提高了表层(0-5 cm)土壤微生物代谢活性、基质丰富度指数和均匀度指数,表明免耕和轮作有利于提高土壤生态能力以及农业生态系统的可持续性。(6)本研究中土壤水分和温度与微生物群落结构没有显著影响,但是土壤孔隙分布的变化可能是微生物群落组成变化的驱动因素之一。免耕有利于促使表层(0-5 cm)土壤大孔隙的形成,而土壤大孔隙的数量与腐生真菌的相对丰富度极显著正相关,细菌主要出现在大孔隙和小孔隙中。(7)田间玉米秸秆还田实验表明,随培养时间延长,免耕下土壤微生物总丰富度逐渐增加,而秋翻最高值出现在培养的第二阶段;免耕下秸秆置于地表改善了表层土壤微生物量,促进土壤微生物群落向着以真菌为优势种群的方向发展。(8)免耕下新碳在真菌中的积累时间大于在细菌中的积累时间;真菌、放线菌和革兰氏阴性细菌中的新碳量为免耕显著大于秋翻,细菌和革兰氏阳性细菌为秋翻显著大于免耕。综上,保护性耕作有利于提高表层土壤有机碳含量,促进土壤微生物代谢活性的增强,使土壤微生物群落结构向着有利于有机碳积累的方向发展,有利农田生态系统的可持续发展。