巨菌草對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響

劉鳳山，宋 靜，蔡楊星，賈澤祥，閆曉玲，林占熺*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)，國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心，福建福州350002；2.水利部黃河水利委員會(huì)，黃委會(huì)黃河上中游管理局，陜西西安710021；3.水利部黃河水利委員會(huì)，黃委會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅慶陽(yáng)745000)

巨菌草(Pennisetum Giganteumz.x.Lin)隸屬禾本科狼尾草屬，多年生，適宜在熱帶和亞熱帶地區(qū)生長(zhǎng)，2005年從南非引進(jìn)。其成熟期的植株特別高大，屬典型的C4植物，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率是闊葉樹(shù)的4倍以上，年產(chǎn)鮮草達(dá)200～400 t·hm-2，種植4周粗蛋白含量達(dá)10.8%；其植株高大直立(3～5 m)，分蘗能力強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的抗逆性(林占熺，2013；林興生等，2014；劉鳳山等，2017)。良好的生物學(xué)特性使其成為生態(tài)治理中的先鋒植物，先后在水土流失、荒漠化、鹽堿化和重金屬污染等生態(tài)脆弱地區(qū)開(kāi)展了定點(diǎn)和推廣試驗(yàn)，取得了一定的生態(tài)效果(林占熺，2013；劉鳳山等，2017)，進(jìn)而推動(dòng)了巨菌草的引種栽培、高產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的推廣和開(kāi)發(fā)工作(張秀平等，2015；賈永紅等，2016；卜耀軍等，2017；劉鳳山等，2018)。

土壤提供人類生存必須的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是保障人類賴以生存環(huán)境的基礎(chǔ)。土壤生態(tài)環(huán)境的變化關(guān)系到生態(tài)、農(nóng)業(yè)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等重大問(wèn)題(任天志，2000)。土壤肥力、酶活性和微生物數(shù)量是土壤生態(tài)環(huán)境的重要研究?jī)?nèi)容。土壤肥力關(guān)系著土壤中的養(yǎng)分含量，進(jìn)而直接影響植物生長(zhǎng)；土壤酶活性參與土壤的許多重要生物化學(xué)過(guò)程和物質(zhì)循環(huán)，可以客觀地反映土壤的肥力狀況(Schloteret al，2018)；土壤微生物數(shù)量通過(guò)分解動(dòng)植物殘?bào)w而參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，對(duì)于土壤健康和質(zhì)量的維持至關(guān)重要(Xiaoet al，2017)。土壤質(zhì)量的下降，與土壤肥力、酶活性和微生物數(shù)量的變化密切相關(guān)。例如，微生物種群結(jié)構(gòu)失衡是作物產(chǎn)量下降和土壤質(zhì)量下降的重要原因之一(Tautgeset al，2016)，土壤酶活性減弱降低了土壤養(yǎng)分的有效性和供給狀態(tài)(Roldanet al，2005)。因此，通過(guò)分析土壤中微生物和酶活性的特點(diǎn)，以及與土壤養(yǎng)分變化的關(guān)系，可以綜合反映土壤質(zhì)量特征，進(jìn)而為土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

目前利用土壤微生物、酶活性與養(yǎng)分綜合分析土壤生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究主要集中在草原和農(nóng)田(張桂玲，2011；肖燁等，2015)、森林(陳莉莉等，2014；牛小云等，2015)、荒漠(呂桂芬等，2010)等生態(tài)系統(tǒng)。利用土壤養(yǎng)分、酶活性和微生物等指標(biāo)分析巨菌草對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，更多集中在單一試驗(yàn)點(diǎn)尺度(姚俊新，2013；林冬梅等，2017)，缺少系統(tǒng)和區(qū)域尺度的研究結(jié)果。在烏蘭布和沙漠的沙質(zhì)荒漠地種植巨菌草后，顯著提高土壤養(yǎng)分含量、酶活性和微生物數(shù)量，對(duì)土壤起到了一定的改良作用(姚俊新，2013；林冬梅等，2017)。該研究結(jié)果是否在不同環(huán)境條件下具有同樣的適用性，具體的改良效果如何需要進(jìn)一步研究。因此，本文在巨菌草推廣種植的重點(diǎn)區(qū)域采集土壤樣品，分析巨菌草生長(zhǎng)前后的土壤微生物、酶活性和養(yǎng)分含量的變化，為巨菌草生態(tài)環(huán)境屏障建設(shè)提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

在巨菌草推廣的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行取樣，包括青海省貴德縣、內(nèi)蒙古阿拉善左旗、山東省濱州等地。由于巨菌草種植地區(qū)的氣候條件差異，巨菌草的種植和管理存在一定的差別。其中，青海省貴德地區(qū)種植時(shí)間是5月中下旬，收獲時(shí)間是9月中下旬，期間施加尿素750 kg·hm-2，大水漫灌3～5次；內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)種植時(shí)間是4月中旬，收獲時(shí)間是9月中下旬，期間施加尿素750 kg·hm-2，采用噴灌方法；山東省濱州地區(qū)種植時(shí)間是3月中下旬，收獲時(shí)間是10月中下旬，期間施加尿素1 500 kg·hm-2以獲得高產(chǎn)，基本不需要灌溉。

1.2 研究方法

巨菌草按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法進(jìn)行種植和管理，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置裸地和種植巨菌草兩個(gè)處理，采用相同的種植方法、施肥、灌溉等措施，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

巨菌草種植前和收獲后各采集一次，采集巨菌草根系周?chē)?、深?0 cm左右位置的土樣，以同樣方法采集裸地土壤為對(duì)照。土壤樣品密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室，分析土壤肥力(包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀)、酶活性(包括過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶、脲酶)、微生物數(shù)量(包括細(xì)菌、真菌、放線菌)等指標(biāo)。具體方法參考林冬梅等(2017)和姚俊新(2013)。

采用單因素方差分析進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，利用LSD進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 巨菌草對(duì)土壤肥力的影響

受雜草、施肥和降水等因素的影響，對(duì)照組的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量有一定的波動(dòng)(表1)。貴德、阿拉善和濱州地區(qū)的平均pH值由9.07增加到9.21，有機(jī)質(zhì)由1.4增加到4.61 g·kg-1，全氮由 0.009 增加到 0.034 g·kg-1，全磷由 0.037 增加到 0.052 g·kg-1，全鉀由1.78減小到1.70 g·kg-1。總體而言，對(duì)照組的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷呈增加趨勢(shì)，全鉀含量呈下降趨勢(shì)。相對(duì)而言，種植巨菌草的地塊，pH值呈現(xiàn)明顯的下降，3個(gè)地方的平均值由9.09下降到8.92，有機(jī)質(zhì)由1.5增加到10.4 g·kg-1，全氮由0.007增加到0.060 g·kg-1，全磷由0.036增加到0.069 g·kg-1，全鉀由1.80減小到1.64 g·kg-1。由對(duì)照組和巨菌草之間的差異可知，種植巨菌草有助于降低土壤pH值。從土壤肥力的變化幅度來(lái)看，對(duì)照組有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的增加幅度平均為175.7%，而種植巨菌草對(duì)土壤肥力的增加幅度為462.8%，進(jìn)而說(shuō)明巨菌草極大的促進(jìn)了土壤肥力。

表1 巨菌草對(duì)表層土壤肥力的影響Table 1 Effects of Giant Juncao on topsoil fertility

不同深度土壤的土壤肥力分析表明(表2)，巨菌草生長(zhǎng)1 a后，表層的有機(jī)質(zhì)和全磷含量比對(duì)照大，總體土壤肥力的增加幅度為12.1%，但是深層土壤的肥力有輕微的下降，說(shuō)明巨菌草的深層根系消耗了部分土壤肥力，而對(duì)照無(wú)深層根系，肥力保持較好。

2.2 巨菌草對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

根據(jù)貴德和阿拉善的數(shù)據(jù)(濱州地區(qū)的樣品缺測(cè))，對(duì)照組的細(xì)菌數(shù)量由9.2×106，增加到1.2×107，真菌的數(shù)量由 3.7×104增加到 4.2×104，放線菌的數(shù)量由 1.1×106減少到 2.1×105。 巨菌草生長(zhǎng)1 a后，細(xì)菌數(shù)量由1.0×107增加到1.4×107，真菌的數(shù)量由1.7×104增加到4.0×105，放線菌的數(shù)量由1.4×106增加到3.7×106(表3)。巨菌草生長(zhǎng)明顯促進(jìn)了真菌和放線菌數(shù)量，對(duì)微生物數(shù)量的增加幅度達(dá)804.2%。對(duì)比濱州種植后的樣品，發(fā)現(xiàn)對(duì)照與巨菌草土壤的微生物數(shù)量存在明顯差別，種植巨菌草后的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量分別超過(guò)對(duì)照的381.4%、22.0%和616.9%。

表2 巨菌草對(duì)不同土壤層次土壤肥力的影響Table 2 Effects of Giant Juncao on soil fertility at different soil levels

表3 巨菌草對(duì)表層土壤微生物數(shù)量的影響Table 3 Effects of Giant Juncao on the microorganism numbers in the topsoil

2.3 巨菌草對(duì)土壤酶活性的影響

從表4可以看出，3個(gè)地區(qū)對(duì)照組的過(guò)氧化氫酶由0.92增加到2.61 mL·g-1·h-1，多酚氧化酶由0.65增加到1.41 mg·g-1·d-1，脲酶由0.045降低到0.023 μg·g-1·d-1。巨菌草的過(guò)氧化氫酶由0.95增加到2.9 mL·g-1·h-1，多酚氧化酶由0.67增加到2.31 mg·g-1·d-1，脲酶由0.052增加到0.3 μg·g-1·d-1。對(duì)照組土壤酶活性的增加幅度為83.3%，巨菌草土壤酶活性的增加幅度為309.2%，說(shuō)明巨菌草顯著增強(qiáng)了土壤酶活性。

2.4 巨菌草對(duì)土壤性質(zhì)的提高

從表1～表4看出，不同土壤樣品在肥力、微生物數(shù)量和酶活性之間具有較大的差異，即使相同地區(qū)對(duì)照和巨菌草之間的初始性質(zhì)也存在一定差異，這種情況對(duì)于定量說(shuō)明巨菌草對(duì)土壤性質(zhì)的改良產(chǎn)生了影響。我們消除土壤背景值之后計(jì)算巨菌草種植1 a后對(duì)土壤性質(zhì)的改良(表5)。巨菌草生長(zhǎng)1 a后，pH值和全鉀呈下降趨勢(shì)，降幅分別為3.5%和4.6%，其他指標(biāo)均為上升趨勢(shì)。尤其是有機(jī)質(zhì)、全氮、真菌、放線菌、多酚氧化酶和脲酶，增長(zhǎng)率超過(guò)100%，進(jìn)而說(shuō)明巨菌草對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境有顯著的促進(jìn)作用。

表4 巨菌草對(duì)表層土壤酶活性的影響Table 4 Effects of Giant Juncao on the enzyme activity in the topsoil

表5 巨菌草生長(zhǎng)1 a后土壤性質(zhì)的變化率Table 5 Change rate of the soil properties after Giant Juncao has been grown for 1 year

3 討論與結(jié)論

巨菌草推廣的地區(qū)通常是相對(duì)貧瘠和偏堿性的土壤。由于接近中性的土壤被認(rèn)為是良好的，pH值的下降說(shuō)明巨菌草改善了土壤鹽堿性。土壤肥力、微生物和酶活性通常是土壤變化的早期預(yù)警指標(biāo)，其數(shù)量的增加指示土壤質(zhì)量的好轉(zhuǎn)(任天志，2000)。林冬梅等(2017)在烏蘭布和沙漠東緣種植巨菌草后，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量分別提高93.2%、75.4%和8.1%，全鉀含量下降6.8%；本文消除施肥等外在因素，發(fā)現(xiàn)巨菌草對(duì)土壤肥力有更強(qiáng)的促進(jìn)作用。林冬梅等(2017)種植巨菌草后，荒漠化土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶分別較對(duì)照顯著提高25%和508.7%；本文的結(jié)果相對(duì)較低，可能巨菌草對(duì)荒漠化土壤酶活性的促進(jìn)作用更佳，對(duì)性質(zhì)較好土壤(如山東濱州)的改善幅度有所降低。林冬梅等(2017)得到巨菌草對(duì)荒漠化土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的提高幅度分別是2 715.8%、20.7%和94.2%；本文的研究結(jié)果與之有較大出入。土壤微生物受土壤養(yǎng)分(牛小云等，2015；肖燁等，2015)、土壤含水量和pH值等的影響(陳莉莉等，2014)，在土壤中具有較大的變異性。而且，巨菌草在不同地區(qū)的生長(zhǎng)情況不同，在沙漠邊緣，經(jīng)常受到沙塵暴的影響，長(zhǎng)勢(shì)較弱，而在山東和青海地區(qū)，土壤性質(zhì)和人為管理措施較好，進(jìn)而增大了微生物的多樣性。

相較于裸地，巨菌草在多種環(huán)境中更大幅度的提高了土壤肥力、微生物數(shù)量和酶活性，表明巨菌草具有改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用，值得在黃河流域進(jìn)行推廣。