核桃林下復合種植對土壤培肥效果的影響

周楷玲，陳緒文，龔 偉，王景燕*，羅永飛，楊文龍，唐海龍，劉江麗，李靈聰

（1.四川農(nóng)業(yè)大學林學院林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，成都 611130；2.四川貢嘎山國家級自然保護區(qū)石棉管理處, 四川雅安 625400；3.石棉縣林業(yè)局, 四川雅安 625400）

核桃（JuglansregiaL.）是胡桃科（Juglandaceae）核桃屬（Juglans）的重要經(jīng)濟樹種，具有極高的營養(yǎng)價值和保健功能[1]。我國土地資源有限，農(nóng)林爭地矛盾嚴重，使核桃種植面積擴大和產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到了一定的阻礙。如何解決農(nóng)林爭地矛盾，營建優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的核桃園是當前急需解決的問題。農(nóng)林復合模式是立體農(nóng)業(yè)的一種[2]，是在同一土地經(jīng)營管理單元上，綜合考慮經(jīng)濟、社會和自然因素，按照生態(tài)經(jīng)濟學原理，人為地將多年生木本植物與農(nóng)業(yè)或牧業(yè)相結(jié)合，是林業(yè)與農(nóng)業(yè)有機結(jié)合的高效復合生產(chǎn)系統(tǒng)[3-4]。農(nóng)林復合經(jīng)營通過利用物種間的互補性提高植物產(chǎn)量和資源利用效率，起到緩解農(nóng)林爭地矛盾和提高綜合效益的作用，具有很好的開發(fā)潛力[5-6]。有關(guān)農(nóng)林復合種植對土壤性質(zhì)影響的研究已有報道，如汪貴斌等[7-8]的研究發(fā)現(xiàn)，銀杏林下復合種植與純農(nóng)作物相比可明顯改善土壤肥力；李晨晨等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，杉木與八種藥用植物復合種植能顯著改善土壤物理性質(zhì)和增加養(yǎng)分含量；趙昌平等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)林復合經(jīng)營模式總體上對土壤養(yǎng)分含量和酶活性具有增加作用。有關(guān)林下復合種植對土壤培肥影響的研究報道較多，但有關(guān)大渡河干熱河谷區(qū)核桃林下復合種植對土壤肥力影響方面的研究尚未見報道，難以滿足當?shù)厣鷳B(tài)與經(jīng)濟共贏發(fā)展的需要。基于此，本文以大渡河干熱河谷區(qū)核桃林下復合種植模式為對象，研究不同模式土壤肥力指標變化，并采用隸屬函數(shù)法綜合評價各模式土壤培肥效應(yīng)，為研究區(qū)林下復合模式構(gòu)建和發(fā)展林下經(jīng)濟提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地位于四川省雅安市石棉縣擦羅彝族鄉(xiāng)晏如村（102°33'E，29°15'N），該區(qū)屬于中緯度亞熱帶季風氣候為基帶的山地氣候，冬春干旱，夏秋多雨，干濕季明顯。年平均氣溫17.1 ℃，年平均降水量777.4 mm，年蒸發(fā)量1 573 mm，年日照時數(shù)1 245.6 h，無霜期平均326 d。最熱月為8 月，平均氣溫24.7 ℃，最冷月為1 月，平均氣溫為8 ℃。試驗地海拔1 750～1 890 m，坡度15°～20°。核桃造林時間為2011 年秋季，株行距為4 m×5 m，從2012 年開始復合種植，一年種植兩季農(nóng)作物。核桃林下復合種植模式包括：核桃+甘藍+甘藍（HGG）、核桃+甘藍+馬鈴薯（HGM）、核桃+白菜+大豆（HBD）、核桃對照（HCK，核桃林下不種植），以玉米+甘藍（NCK）為農(nóng)地對照。試驗地土壤為山地黃壤，試驗前表層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)：pH 5.47，有機質(zhì)37.8 g/kg，全氮2.1 g/kg，堿解氮132.8 mg/kg，有效磷22.0 g/kg，速效鉀98.5 g/kg。

1.2 研究方法

于2017 年12 月上旬在各種植模式中設(shè)置3個10 m×10 m 的標準地，采用蛇形5 點取樣法分別采集0～20 cm 土層的土樣并混勻，帶回實驗室后將每份樣品分為兩份，一份自然風干，用于測定土壤養(yǎng)分與酶活性，另一份新鮮土樣用于測定土壤微生物數(shù)量。同時用環(huán)刀法采集原狀土樣用于測定土壤物理性質(zhì)。土壤養(yǎng)分含量測定包括：有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀。土壤酶活性測定包括：蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶與過氧化物酶。土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量測定包括：細菌、真菌和放線菌。

測定方法：有機碳測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮測定采用半微量凱式定氮法，堿解氮測定采用堿解-擴散法，全磷測定采用堿熔-鉬銻抗比色法，有效磷測定采用Olsen 法，全鉀測定采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法，速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法[11]。蔗糖酶測定采用3，5 二硝基水楊酸比色法，脲酶測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法，磷酸酶測定采用磷酸苯二鈉比色法，過氧化氫酶測定采用KMnO4滴定法，多酚氧化酶和過氧化物酶測定采用鄰苯三酚比色法[12]。土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量測定采用稀釋平板法[13]。土壤物理性質(zhì)測定采用環(huán)刀法[11]。選用土壤容重、總孔隙、毛管孔隙、非毛管孔隙、有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶與微生物數(shù)量共18 個與土壤肥力較密切的指標，進行土壤肥力綜合評價。采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法[14-15]，對土壤肥力各個指標進行轉(zhuǎn)換[若指標與土壤肥力呈正相關(guān)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式為：X（u）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）；否則，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式為：X（u）=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）]，然后通過每個指標的隸屬值對土壤肥力進行綜合分析。分別將每個模式土壤肥力各指標隸屬函數(shù)值累加，求其土壤肥力綜合值，值越大表示土壤肥力越高。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 和Excel 2010 軟件進行統(tǒng)計與分析，表中數(shù)據(jù)均為平均值，不同種植模式下各變量之間的顯著性檢驗采用單因子方差分析（ANOVA）和最小顯著極差法（SSR）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模式土壤物理性質(zhì)

由表1 可知，農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)林復合經(jīng)營后，土壤容重降低，土壤孔隙度增加。與農(nóng)地對照相比，各核桃林下復合種植模式土壤容重降低4.6%～17.6%，其中除核桃對照外，其余各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；非毛管孔隙增加2.4%～14.8%，其中核桃+甘藍+甘藍模式與農(nóng)地對照間差異顯著；毛管孔隙增加2.8%～29.1%，其中核桃+甘藍+甘藍和核桃+甘藍+馬鈴薯模式與農(nóng)地對照間差異顯著；總孔隙增加2.6%～23.1%，其中核桃+甘藍+甘藍和核桃+甘藍+馬鈴薯模式與農(nóng)地對照間差異顯著。說明各模式均能降低土壤容重和增加孔隙度，其中核桃+甘藍+甘藍和核桃+甘藍+馬鈴薯模式效果最好。

2.2 不同模式土壤養(yǎng)分含量

由表2 可知，核桃林下復合種植模式的土壤養(yǎng)分含量均有明顯的變化。與農(nóng)地對照相比，各模式土壤有機碳含量均有所增加，增幅為5.1%～14.9%，其中核桃+甘藍+甘藍、核桃+甘藍+馬鈴薯模式與農(nóng)地對照間差異顯著；全氮含量增加3.9%～12.5%，其中核桃+甘藍+甘藍、核桃+甘藍+馬鈴薯模式與農(nóng)地對照間差異顯著；堿解氮含量增加25.1%～112.5%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；全磷含量增加11.4%～47.1%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；除核桃+甘藍+甘藍與核桃+甘藍+馬鈴薯模式有效磷含量分別增加21.9%和5.0%外，其余模式均有所降低，降幅為6.1%～28.3%，與農(nóng)地對照間差異顯著；全鉀含量增加0.2%～2.7%，各模式與農(nóng)地對照間差異不顯著；除核桃對照速效鉀含量降低17.4%外，其余模式均有所增加，增幅為20.4%～52.9%，各模式與農(nóng)地對照間差異顯著。說明核桃林下復合種植總體上能有效提高土壤養(yǎng)分含量，其中核桃+甘藍+甘藍和核桃+甘藍+馬鈴薯模式效果最好。

表1 不同核桃林下種植模式土壤容重和孔隙度Table 1 Soil bulk density and porosity in different planting models under walnut forests

表2 不同核桃林下種植模式土壤養(yǎng)分含量Table 2 Soil nutrient contents in different planting models under walnut plantations

2.3 不同模式土壤生化特性

由表3 可知，各模式土微生物數(shù)量均有一定程度的增加。與農(nóng)地對照相比，核桃林下復合種植，土壤細菌數(shù)量增加21.4%～54.3%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；放線菌數(shù)量增加19.2%～58.1%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；真菌數(shù)量增加17.8%～58.4%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；總微生物數(shù)量增加21.2%～54.6%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著。各模式土壤微生物數(shù)量組成中，細菌數(shù)量最多，真菌數(shù)量最少。各模式土壤微生物數(shù)量由多到少的順序為：核桃+甘藍+甘藍＞核桃+甘藍+馬鈴薯＞核桃+白菜+大豆＞核桃對照。

由表4 可知，與農(nóng)地對照相比，土壤蔗糖酶活性增加9.3%～57.8%，除核桃對照外，其余模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；脲酶活性增加16.6%～56.7%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；磷酸酶活性增加6.2%～30.8%，除核桃對照外，其余模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；過氧化氫酶活性增加8.9%～41.1%，除核桃對照外，其余模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；多酚氧化酶活性增加4.2%～14.3%，各模式與農(nóng)地對照間均差異不顯著；過氧化物酶活性增加1.4%～38.6%，除核桃對照外，其余各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著。說明各模式都具有較好的增加土壤酶活性的作用。

2.4 不同模式培肥效應(yīng)綜合評價

由表5 可知，農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)楹颂伊旨昂颂伊窒聫秃戏N植后，使土壤物理性質(zhì)綜合值、養(yǎng)分綜合值、生物特性綜合值和土壤肥力綜合值均有一定程度的提高。與農(nóng)地對照相比，土壤物理性質(zhì)綜合值增加74.8%～476.9%，除核桃對照外，其余模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；土壤養(yǎng)分綜合值增加6.3%～269.0%，除核桃對照外，其余模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；土壤生物特性綜合值增加164.8%～658.1%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著；土壤肥力綜合值增加69.6%～431.3%，各模式與農(nóng)地對照間均差異顯著。其中各模式的綜合值增加量由大到小的順序均為：核桃+甘藍+甘藍＞核桃+甘藍+馬鈴薯＞核桃+白菜+大豆＞核桃對照。核桃林下復合種植能顯著提高土壤肥力，具有良好的培肥效果。

表3 不同核桃林下種植模式土壤微生物數(shù)量Table 3 Soil microbe number in different planting models under walnut plantations

表4 不同核桃林下種植模式土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activity in different planting models under walnut plantations

表5 不同核桃林下種植模式土壤肥力綜合值Table 5 Comprehensive value of soil fertility in different planting models under walnut plantations

3 討論與結(jié)論

土壤容重是評價土壤物理性質(zhì)的重要指標，能較為綜合的反映土壤物理性質(zhì)[16]。一般土壤容重越小，土壤緊實度越低，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度與總孔隙度越大，土壤貯水能力越強[17-18]。大量的研究結(jié)果表明，復合種植能降低土壤容重，增加土壤孔隙度，如陳春峰等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，3種典型的橡膠復合種植模式與純橡膠林相比，土壤容重降低，孔隙度增加；拜得珍等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，3種復合種植模式的土壤容重均明顯降低，分別是對照區(qū)的0.83倍、0.89 倍和0.93 倍；李天陽等[21]對血橙的4 種復合種植模式研究發(fā)現(xiàn)，純血橙林的土壤容重最大，非毛管孔隙和總孔隙最小。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與農(nóng)地對照相比，核桃林下復合種植能降低土壤容重，增加毛管孔隙、非毛管孔隙和總孔隙；各種植模式對土壤容重和孔隙度的改善效果優(yōu)劣順序為核桃+甘藍+甘藍模式＞核桃+甘藍+馬鈴薯模式＞核桃+白菜+大豆模式＞核桃對照。土壤容重的降低，一方面與復合種植增加了枯落物數(shù)量與種類有關(guān)，增加了土壤有機碳的輸入，從而改善土壤結(jié)構(gòu)[20，22]；另一方面可能與復合種植增加植物根系生物量有關(guān)，根系在土壤中的伸長穿插和死亡形成了更多的通道，從而使土壤更疏松多孔[21，23]。

土壤養(yǎng)分可為植物生長發(fā)育提供必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，其含量的高低是評價土壤化學肥力的重要指標[2]。大量的研究報道發(fā)現(xiàn)，復合種植可提高土壤養(yǎng)分含量[24-27]。相反，也有部分研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)復合種植導致土壤中有效養(yǎng)分含量降低，如趙昌平等[10]對四川盆北地區(qū)的八種農(nóng)林復合種植模式的研究發(fā)現(xiàn)，與農(nóng)地對照相比，土壤有效磷和速效鉀含量均有所下降；趙斯等[28]對東北黑土區(qū)小黑楊（Ⅰ）、長白落葉松（Ⅱ）及紅皮云杉（Ⅲ）3種林木與大豆復合種植的研究發(fā)現(xiàn)，與純種大豆的農(nóng)耕地相比，模式Ⅰ的速效鉀和模式Ⅲ的有效磷含量均低于農(nóng)地對照。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各種植模式土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷和全鉀含量均高于農(nóng)地對照，核桃+甘藍+甘藍模式、核桃+甘藍+馬鈴薯模式和核桃+白菜+大豆模式土壤有效磷和速效鉀含量也均高于農(nóng)地對照，相反，核桃對照土壤有效磷和速效鉀含量卻低于農(nóng)地對照。復合種植模式中養(yǎng)分含量的增加應(yīng)該與林下種植相應(yīng)提高了肥料施用量而增加土壤有效養(yǎng)分含量有關(guān)，而核桃對照中有效養(yǎng)分含量的相對降低應(yīng)該與農(nóng)地退耕成林地后減少了肥料施用量有關(guān)。

土壤微生物和酶是土壤生物肥力的重要指標[29]。土壤微生物作為土壤系統(tǒng)中最為活躍的部分，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的活性庫和土壤質(zhì)量變化的靈敏指標[30-31]。大量的研究結(jié)果表明，復合種植能提高土壤微生物數(shù)量，如鄭海金等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)林復合經(jīng)營的土壤細菌、真菌和放線菌的數(shù)量要明顯高于裸露的坡地；張亮亮等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，棗樹-棉花間種與純棗林相比，土壤微生物數(shù)量有所增加。土壤酶主要來自土壤微生物和動物及植物根系分泌物，是土壤中重要的生物催化劑，能夠加速土壤生化反應(yīng)速率，其活性的高低直接反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強弱[33-35]。許多研究表明，復合種植可提高土壤酶活性，如Ma Y.H.等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，茶樹板栗復合種植模式能明顯提高土壤酶活性；寇建村等[37]對蘋果與3種豆科牧草間種的研究發(fā)現(xiàn)，復合經(jīng)營能夠改變蘋果園土壤微生物區(qū)系和增加土壤酶活性。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，復合種植增加了土壤細菌、真菌、放線菌和總微生物數(shù)量和蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性，各種植模式對土壤生物化學性質(zhì)的改善效果順序為核桃+甘藍+甘藍模式＞核桃+甘藍+馬鈴薯模式＞核桃+白菜+大豆模式＞核桃對照。土壤微生物數(shù)量和酶活性增加的原因可能與核桃復合種植改善了土壤生態(tài)環(huán)境有關(guān)，也可能與地面植物類型、植物根系分泌物和枯落物歸還量或影響不同而造成各模式土壤微生物數(shù)量和酶活性不同有關(guān)。

土壤肥力是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征，是土壤各方面性質(zhì)的綜合反映，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)[38]。土壤肥力的高低對作物生長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、效益及布局等方面都有很大影響。汪貴斌等[7-8]采用層次分析法對銀杏復合種植土壤肥力研究發(fā)現(xiàn)，肥力指數(shù)最高的為銀杏+桑樹模式，純農(nóng)作物的指數(shù)最低，說明復合種植能夠有效提高土壤綜合肥力。王會利等[24]采用灰色關(guān)聯(lián)法對桉樹-牧草復合種植模式土壤肥力進行了綜合評價，加權(quán)關(guān)聯(lián)度由大到小的順序為：桉樹-牧草＞純桉樹林＞種植前，結(jié)果表明種植牧草能有效提高桉樹林地的土壤肥力，以促進桉樹林地的可持續(xù)經(jīng)營。本研究采用隸屬函數(shù)法對核桃復合種植的培肥效應(yīng)進行研究，培肥效果優(yōu)劣順序為核桃+甘藍+甘藍模式＞核桃+甘藍+馬鈴薯模式＞核桃+白菜+大豆模式＞核桃對照＞農(nóng)地對照。這與核桃植株及其林下種植的經(jīng)濟作物根系和枯落物對土壤物理和生物化學性質(zhì)的影響有關(guān)，也與農(nóng)地退耕成核桃林后樹冠對土壤的避護減少雨滴濺蝕及林下植物和枯落物對土壤覆蓋度提高而減少地表徑流和水土流失等有關(guān)。因此，在大渡河干熱河谷區(qū)進行農(nóng)地退耕及在核桃林下開展復合種對改善土壤物理性質(zhì)、增加土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量和酶活性具有重要作用，且核桃林下種植模式的土壤改良效益以核桃+甘藍+甘藍模式為最好。這對研究區(qū)進一步開展退耕還林和發(fā)展林下種植及培肥改土具有重要意義。