土壤微生物量是指土壤中体积小于50 μm3的生物总量，它是活的土壤有机质部分，是土壤有机质和土壤养分 C、N、P、S 等转化和循环的动力，并参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、土壤养分的转化循环等各个生化过程；是衡量土壤质量、维持土壤肥力和作物生产力的一个重要指标^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}。土壤微生物量受地理条件、气候、土地利用方式等因素的影响。前人进行的多是秸秆还田结合施肥、秸秆还田结合水分管理、不同的秸秆还田量、不同的还田方式和连作对农田生态系统中土壤微生物量影响的研究，而且是集中在作物生长一季或几季的短期农田系统^{[2, 3, 4, 5, 6, 7]}。杨滨娟等^[2]研究表明秸秆还田配施化肥能合理调节土壤温度，显著提高土壤微生物的数量与活性，增加土壤微生物量碳、氮含量，有利于土壤生态环境的改善。汤宏等^[5]研究发现不同水分管理方式对不同秸秆还田量下稻田土壤微生物量碳、 氮的影响不同。王丹丹等^[6]研究发现免耕秸秆还田能显著提高微生物生物量碳的含量。刘瑜等^[7]研究新疆棉花长期连作时发现微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）随连作年限的延长显著下降。刘建国等^[8]研究表明棉田土壤微生物种群数量及作物连作障碍的负面效应和秸秆长期还田培肥地力的正面效应的双重影响。目前，国内外学者多从土壤类型、施肥方式和土地利用方式等方面对农田生态系统中土壤微生物生物量、微生物数量、微生物种群的影响进行研究，而关于长期连作及秸秆还田条件下的微生物量的含量变化的研究却较少。长期连作会产生连作障碍，导致农田病虫害加剧、土壤肥力下降、作物减产等一系列问题^{[9, 10, 11, 12]}，秸秆还田在提高土壤肥力、改良土壤结构和理化性质的同时又会加剧病虫害，利与弊共存^{[13, 14, 15, 16]}。因此，研究长期连作棉田土壤中微生物量含量变化，对于评价秸秆还田对长期连作棉田土壤质量的变化具有十分重要的意义。本文以棉花长期连作定位试验田为依托，旨在探明随着连作年限的增加在秸秆还田条件下不同土层深度微生物量碳、氮、磷含量的动态变化规律，为衡量和评价秸秆还田对长期连作棉田土壤质量和肥力的影响提供理论依据，为植棉区合理应用秸秆还田技术提供科学的理论支撑。 1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验小区位于石河子大学农学院试验站（东经86°03′，北纬45°19′）长期连作定位试验田。海拔443 m，年平均日照时间达2 865 h，大于10 ℃积温为3 480 ℃，无霜期160 d，多年平均降水量208 mm，平均蒸发量1 660 mm，属温带大陆性气候，光照资源丰富而降雨稀少，温度日差较大，为典型的绿洲灌溉农业区，供试土壤为壤土。 1.2 田间试验设计

本试验于2005年开始，在石河子大学农学院试验站设置棉花长期连作定位试验，设有秸秆还田模式下连作5、10、15、20、25年和30年棉田连作小区，无秸秆还田模式下连作1、5、10年和15年连作小区（标记为CK1、CK5、CK10和CK15），共计10个处理，每个处理3次重复。各个小区土壤于2005年取自农八师石河子总场三分场二连，按0~20、20~40 cm和40~60 cm分层取土，按原层次放入长期连作定点微区试验田内，土壤初始背景值相近。棉花秸秆还田连作模式是每年秋季棉花收获后将全部秸秆（平均7 000 kg·hm^-2）用铡刀切成5~8 cm，即模拟大田棉花秸秆机械还田方式，入冬前结合施化肥翻入耕层，然后冬灌；棉花无秸秆还田连作模式是棉花收获后将全部秸秆带出农田，然后施化肥、翻耕、冬灌。每处理1.5 m×1.5 m，不同处理间用厚塑料膜隔开，每处理3次重复。棉花品种为“新陆早46号”，按“30+60+30”宽窄行距配置，采用膜下滴灌，2014年4月20日播种，留苗密度为每hm² 19.8万株，7月9日打顶。全生育期滴灌11次，滴灌总量5 400 m³·hm^-2，共施纯氮495 kg·hm^-2，30%作基肥，其余随水滴施，其他管理措施同一般大田管理。 1.3 样品采集及预处理

于2014年春季棉花播种前，用土钻采集0～20、20～40、40～60 cm土层不同连作年限棉田土壤样品，土壤采集后存放在 4 ℃冰箱保鲜备用。 1.4 微生物量碳氮磷测定

土壤微生物量碳氮采用氯仿灭菌-K₂SO₄提取法，浸提液中全氮、有机碳分别用茚三酮比色法、重铬酸钾氧化-容量法测定；土壤微生物量磷采用土壤熏蒸提取法测定。计算公式如公式（1）、公式（2）和公式（3）^[17]。

微生物量 C 的计算公式：

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微生物量 N 的计算公式：

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其中E_C为熏蒸与未熏蒸土壤有机碳的差值，K_EC为转换系数，取值0.38；E_N为熏蒸与未熏蒸土壤全氮的差值，K_EN为转换系数，取值0.45。

微生物量磷（B_p）的计算公式：

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其中：F为熏蒸土壤浸提的磷，uF为未熏蒸土壤浸提的磷，K_p为浸提的微生物量磷占熏蒸杀死的微生物量磷的比例，取0.40。 1.5 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 19.0统计分析软件进行方差分析，处理间的差异采用 Duncan法进行多重比较。 2 结果与分析 2.1 长期连作棉田土壤微生物量碳含量的变化

土壤微生物量碳的大小反映了微生物利用土壤碳源的能力。从图 1可以看出，非秸秆还田处理土壤SMBC含量明显低于秸秆还田处理，0～20 cm土层连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了20.8%、67.2%和70.4%。20～40 cm土层连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了18.1%、64.4%、83.1%；40～60 cm土层连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了1.50%、74.2%、77.2%，随着连作年限的增加差异逐渐增大。在秸秆还田条件下不同土层SMBC含量均随着连作年限的增加呈现先增加后略微降低然后又上升的变化趋势，5年到10年增加，10年到15年稍微下降，15年后又呈现增加的变化趋势；0～20 cm土层连作30年的SMBC比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了116.6%、86.2%、101.6%、28.9%和7.99%，差异极显著（P＜0.01）；20～40 cm土层连作30年的SMBC含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加103.1%、72.3%、71.1%、23.0%和8.62%，差异显著（P＜0.05）；40～60 cm土层连作30年的SMBC含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了195.5%、85.3%、118.8%、52.1%和17.9%，差异极显著（P＜0.01）。随着连作年限的增加不同土层SMBC增加的幅度逐渐减小。非秸秆还田模式下不同土层深度随连作年限增加SMBC含量呈降低的变化趋势，0～20 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低 30.7%、23.8%、9.34%；20～40 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低 26.7%、23.4%、9.61%；40～60 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低23.6%、20.1%、14.0%。这表明，秸秆还田可以显著提高土壤微生物量碳含量，且随着连作年限增加土壤微生物量碳含量逐渐升高。

图 1 长期连作棉田土壤微生物量碳含量变化 Figure 1 Microbial biomass C content of long-term continuous cropping cotton field

图选项

秸秆还田与无秸秆还田不同土层间SMBC含量均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，且不同土层间SMBC含量都有明显的差异性。随着连作年限的增加，秸秆还田模式下随着连作年限增加土层SMBC在0～20 cm土层和20～40 cm之间差异逐渐增大，而20～40 cm土层与40～60 cm土层间的差异较小；这说明随着种植年限的增加0～20 cm土层SMBC积累幅度最大。而秸秆不还田模式下不同土层土壤微生物量碳含量差异随着连作年限的增加均呈现逐渐减小的趋势。由表 1不同连作年限SMBC 方差表明，秸秆还田和长期连作作为单一因子和秸秆还田长期连作交互作用对长期连作棉田SMBC影响均达到显著水平，且秸秆还田作用F _秸秆=295.1>秸秆连作交互作用F _交互=20.3>长期连作作用F _连作=4.97。表明秸秆还田是长期连作棉田土壤SMBC的主要影响因子。

表 1 不同连作年限SMBC方差分析 Table 1 Variance analysis of SMBC of different continuous cropping years

表选项

土壤微生物量氮反映土壤氮素的有效性，参与土壤氮的供应和循环^[18]。从图 2可以看出，无秸秆还田处理SMBN含量显著低于秸秆还田处理，0～20 cm土层，连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了22.2%、81.2%和85.4%；20～40 cm土层，连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了23.5%、70.2%和96.0%；40～60 cm土层，连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了4.60%、94.1%、99.9%，差异都达到极显著水平（P＜0.01）。在秸秆还田条件下0～20、20～40、40～60 cm土层SMBN含量随着连作年限的增加呈现先增长后降低再增长的变化趋势，5年到10年上升，10年到15年减少，15年后显著增加；0～20 cm土层，连作30年的SMBN含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了114.1%、82.1%、99.7%、27.8%和7.15%，差异极显著（P＜0.01）；20～40 cm土层，连作30年的SMBN含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了97.2%、73.7%、77.2%、22.6%和6.43%，差异极显著（P＜0.01）；40～60 cm土层，连作30年的SMBN含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了191.7%、74.2%、99.8%、39.3%和13.7%。非秸秆还田模式下不同土层随连作年限增加SMBN含量呈现逐渐降低的变化趋势，0～20 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低 40.4%、29.3%、10.9%，20～40 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低32.2%、29.9%、13.7%，40～60 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低27.5%、23.6%、15.3%，差异显著（P＜0.05）。

图 2 长期连作棉田土壤微生物量氮含量变化 Figure 2 Microbial biomass N content of long-term continuous cropping cotton field

图选项

秸秆还田与无秸秆还田不同土层间SMBN含量差异表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，且不同土层间SMBN含量都有明显的差异性。随着连作年限的增加，秸秆还田模式下随着连作年限增加土层土壤微生物量氮含量在0～20 cm土层和20～40 cm之间差异逐渐增大，而20～40 cm土层与40～60 cm土层间的差异稳定；这说明随着种植年限的增加0～20 cm土层微生物量氮积累幅度最大。而无秸秆还田模式下，不同土层土壤微生物量氮含量随着连作年限的增加均呈现逐渐减小的趋势，且各个土层的表现具有一致性。表 2不同连作年限SMBN 方差分析表明，秸秆还田和长期连作作为单一因子和秸秆还田长期连作交互作用对长期连作棉田SMBN影响均达到显著水平，且秸秆还田作用F_秸秆=261.8>秸秆连作交互作用F_交互=19.7>长期连作作用F_连作=5.28。表明秸秆还田对长期连作棉田土壤SMBN的影响较大。

表 2 不同连作年限SMBN方差分析 Table 2 Variance analysis of SMBN of different continuous cropping years

表选项

土壤微生物磷关系到土壤磷素的供给和调节^[19]。从图 3可以看出，无秸秆还田处理SMBP含量显著低于秸秆还田处理，0～20 cm土层，连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了42.7%、184.5%和223.3%；20～40 cm土层连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了52.5%、195.7%和268.9%；40～60 cm土层连作5、10年和15年处理比CK5、CK10和CK15分别增加了10.2%、245.7%、130.5%，差异都达到极显著水平（P＜0.01）。在秸秆还田条件下，0～20、20～40、40～60 cm土层SMBP含量随着连作年限的增加其变化趋势与SMBC 和SMBN变化完全一致，5年到10年上升，10年到15年减少，15年后显著增加；在0～20 cm土层，连作30年的SMBP含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了65.7%、6.93%、34.2%、1.42%和2.22%；20～40 cm土层，连作30年的SMBP含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了97.2%、73.7%、77.2%、22.6%和6.43%；40～60 cm土层，连作30年的SMBP含量比连作5、10、15、20年和25年的分别增加了132.9%、39.1%、122.7%、12.5%和9.65%。非秸秆还田模式下不同土层深度随连作年限增加SMBP含量呈现逐渐降低的变化趋势，1年时最大，15年最小，0～20 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低 72.5%、62.2%、21.7%；20～40 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低 78.4%、66.5%、36.1%；40～60 cm土层连作15年分别比连作1、5年和10年降低72.9%、54.6%、6.30%，差异极显著（P＜0.01）。表 3不同连作年限SMBP 方差分析表明，秸秆还田和长期连作作为单一因子和秸秆还田长期连作交互作用对长期连作棉田SMBP影响均达到显著水平，且长期连作作用F_连作=63.8>秸秆还田作用F_秸秆=52.6>F_交互=1.3。

表 3 不同连作年限SMBP方差分析 Table 3 Variance analysis of SMBP of different continuous cropping years

表选项

图 3 长期连作棉田土壤微生物量磷含量变化 Figure 3 Microbial biomass P content of long-term continuous cropping cotton field

图选项

秸秆还田与无秸秆还田不同土层间SMBP含量差异表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，且不同土层间土壤微生物量磷含量都有明显的差异性。随着连作年限的增加，秸秆还田模式下随着连作年限增加土层土壤微生物量氮含量在0～20 cm土层和20～40 cm之间差异逐渐增大，而20～40 cm土层与40～60 cm土层间的变化差异不大；这表明随着种植年限的增加0～20 cm土层微生物量磷积累幅度最大。而无秸秆还田模式下，不同土层土壤微生物量磷含量随着连作年限的增加均呈现逐渐减小的趋势。 2.4 长期连作棉田土壤微生物量碳、氮、磷比值的变化 2.4.1 长期连作棉田土壤微生物量碳氮比的变化

土壤的MBC/MBN可用来表征土壤微生物群落结构特征，也可用作土壤氮素供应能力和有效性的评价指示^[20]。由表 4 可以看出不同连作年限秸秆还田条件下，MBC/MBN大体在4～6间变化。无秸秆还田模式下不同土层中CK15处理下MBC/MBN均明显高于其他处理，且差异显著（P＜0.05）；而秸秆还田处理下连作5、10、15、20、25、30年的MBC/MBN值差异不显著。土壤MBC/MBN在不同土层的变化规律不明显。

表 4 长期连作棉田土壤微生物量碳氮比（MBC/MBN）的变化 Table 4 The ratio change of the soil microbial biomass C and N under long-term continuous cropping cotton field

表选项

不同的连作年限和不同的土层中土壤MBC/MBP值大体在10～43间变化（表 5），变化幅度较大。在各个处理及不同土层中，CK15明显高于其他处理，且差异显著（P＜0.05）。在无秸秆还田处理中，MBC/MBP随连作年限的延长而呈增大趋势，在0～20 cm土层，CK15处理比CK1、CK5和CK10分别增加了151.7%、101.4%和15.8%。在秸秆还田处理中，MBC/MBP随连作年限的延长呈先增加后减少再增加的变化趋势，在连作5～15年MBC/MBP增大，在连作15~20年MBC/MBP减少，20~30年增加。在各个土层中，不同连作年限处理MBC/MBP均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm。

表 5 长期连作棉田土壤微生物量碳磷比（MBC/MBP）的变化 Table 5 The ratio change of the soil microbial biomass C and P under long-term continuous cropping cotton field

表选项

土壤微生物量是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力^[21]，可作为土壤中有效养分的储备库^[22]。因此，其在土壤供肥能力和植物营养中具有重要作用。土壤微生物生物量对土壤环境因子的变化极为敏感，土壤的微小变动均会引起其活性变化^[23]。秸秆还田是经过机械操作的土壤扰动过程，它不但影响土壤的物理化学性质，而且影响土壤的微生物学特征。Carter等^[24]就曾把土壤微生物碳含量作为由不同耕作法引起的土壤生物学性质变化的一个重要因素。秸秆还田能有效改善土壤物理性结构，改善各类土壤细菌营养条件与提高细菌活性^[25]，胡诚等^[26]研究表明秸秆分解中产生的可利用的氮及其他营养元素，促进了作物的生长，增加了根的生长和根系分泌物，促进了土壤微生物的生长和繁殖，从而提高了微生物生物量，与本试验结果具有一致性。

本试验结果表明，秸秆还田条件下土壤微生物量碳、氮、磷含量和微生物熵随着连作年限的延长呈增加的变化趋势，且随着连作年限的增加，各土层的微生物量含量的变化极为显著，这与前人关于秸秆还田可以提高土壤微生物量的结果一致^{[13, 14, 15]}。本试验中秸秆还田条件下土壤微生物量碳、氮、磷含量明显高于无秸秆还田条件，也与前人研究结果具有一致性^{[11, 13]}。在本试验中，微生物量碳、氮、磷在各个土层间表现的差异性并不完全一致，这一现状在微生物量磷的含量上表现的较为明显，SMBP在CK5和30年2个处理中20～40 cm和40～60 cm 2个土层中含量相差很近；产生这种现象的原因可能是因为秸秆还田主要是在土壤耕作层进行的，使秸秆产生的有机物主要积累在0～20 cm土层，且土壤表层能更好地与外界进行物质与能量的交换，从而能使表层土壤形成更好地适宜微生物生存的环境。而有研究表明秸秆覆盖还田显著提高了0～10 cm土壤微生物量含量，对10～20 cm土层土壤微生物量含量的影响较小^[26]，与本试验结果产生偏差，产生这种现象的原因可能与秸秆利用方式不同有关，本试验是将秸秆切割成5～8 cm后翻耕还田，其中MBC/MBN低于其他研究者的报道值，MBC/MBP与其他研究者的报道值相近^[27]。这可能与长期秸秆还田造成土壤中细菌与真菌的比例不同，从而引起MBC/MBN不同。

秸秆还田对土壤微生物量的影响多集中于秸秆还田量与水肥管理、秸秆还田方式等方面的研究，而秸秆还田对长期连作条件下土壤微生物量影响的研究报道较少，土壤微生物量在提高土壤肥力和改善土壤中的生态环境发挥着重要作用。因此，研究秸秆还田对长期连作棉田土壤微生物量的变化，评价秸秆还田对提高土壤肥力和土壤质量有重要意义。 4 结论

在秸秆还田条件下，随着棉花连作年限的增加，棉田土壤微生物量碳、氮、磷的含量显著增加，而秸秆不还田条件下，棉田土壤微生物量碳、氮、磷的含量随着连作年限的增加均呈现下降的趋势。说明秸秆还田可以显著提高连作棉田土壤微生物量的含量，可以缓解棉花连作的不利影响，有利于提高土壤质量。

秸秆还田对连作棉田不同土层间微生物量影响表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，且随着秸秆还田年限增加，0～20 cm土层土壤微生物量显著高于20～40 cm和40～60 cm，而20～40 cm 和40～60 cm土层间差异变小，说明秸秆还田对棉田土壤微生物量的影响受秸秆翻耕深度限制仅限于0～20 cm耕作层土壤。