平茬對(duì)3種苗木來(lái)源蛋白桑林地土壤理化性質(zhì)的影響

李敏， 李鋼鐵*， 張宏武， 陳家歡

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古正鑲白旗林業(yè)工作站，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 013800）

蛋白桑（Morus albaL.）也叫飼料桑，落葉喬木或灌木，無(wú)刺，由全國(guó)28個(gè)桑樹(shù)品種經(jīng)過(guò)雜交選育出的優(yōu)良品種。其花期在5月，果熟期在6—7月，該樹(shù)具有抗干旱、耐嚴(yán)寒、耐貧瘠、抗風(fēng)沙、抗沙埋、適應(yīng)性強(qiáng)等特性［1-2］。莖葉可作動(dòng)物飼料，具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、適口性好和消化率高等特點(diǎn)，桑葉中粗蛋白含量高達(dá)16%～30%［3］。營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高于北方常用飼料牧草——苜蓿［4-5］。由于國(guó)內(nèi)蛋白源飼料嚴(yán)重缺乏，我國(guó)飼料行業(yè)過(guò)度依賴(lài)于大豆進(jìn)口［6］。因此，開(kāi)發(fā)蛋白桑資源對(duì)解決我國(guó)飼料短缺的問(wèn)題具有重要意義。

植被對(duì)土壤理化性質(zhì)有很大影響，部分植被下土壤pH隨土壤深度增加而增大，有機(jī)質(zhì)隨土壤深度增加而減小，粘粒含量隨土壤深度增加而減小，砂粒含量則隨土壤深度增加而增加，而部分植被則表現(xiàn)出與上述相反的趨勢(shì)。究其原因，不同植被根部所分泌的物質(zhì)不同，對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響存在差異［7-10］。

平茬是指在木本植物的休眠期，將苗木從地面以上剪平，以刺激頂部芽的生長(zhǎng)、培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)苗木而采取的一項(xiàng)技術(shù)措施［11］。植物平茬后對(duì)土壤理化性質(zhì)也有顯著影響［12-14］，如通過(guò)減少枯枝對(duì)水分的消耗，使平茬區(qū)土壤含水率高于不平茬區(qū)［15］。平茬對(duì)林下的影響高于林間，不同土層變化不同，土壤養(yǎng)分有明顯改善，枝條地上平茬后，根系將儲(chǔ)存態(tài)氮轉(zhuǎn)化為游離態(tài)氮等生長(zhǎng)所需物質(zhì)，從根系供給地上部分，促進(jìn)枝條再生長(zhǎng)［16］。由此可見(jiàn)，平茬對(duì)植株下土壤理化性質(zhì)有顯著影響，但針對(duì)蛋白桑平茬后土壤理化性質(zhì)的研究尚不多見(jiàn)。

本研究以2 a林齡且種植當(dāng)年進(jìn)行齊地平茬的3種苗木來(lái)源蛋白桑的林下土壤為研究對(duì)象，對(duì)照為同一時(shí)間種植但未進(jìn)行平茬處理的蛋白桑林下土壤，對(duì)比分析平茬前及平茬后土壤pH、機(jī)械組成、土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律以及土壤因子與土壤機(jī)械組成間的相關(guān)性，探究平茬對(duì)蛋白桑林地土壤理化性質(zhì)的影響以及適于研究區(qū)種植的最佳苗木，以期為荒漠地區(qū)科學(xué)種植蛋白桑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

達(dá)拉特旗（N 40°24′34.1″，E 110°19′49.8″）地處溫帶半干旱區(qū)，屬典型大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量150～400 mm，蒸發(fā)量2 100～2 700 mm，年際、月際變幅懸殊，降雨主要集中在7—9月；年均氣溫6.0～7.5 ℃；風(fēng)大且多，年均風(fēng)速3～4 m·s?1，年大風(fēng)日數(shù)為25～35 d，冬春以北風(fēng)和西北風(fēng)為主；土壤侵蝕主要以風(fēng)力侵蝕為主；土壤類(lèi)型主要為沙質(zhì)土壤，質(zhì)地粗糙，土層平均厚度30～50 cm。平茬前蛋白桑為2017年春季人工種植的實(shí)生苗，株行距30 cm×60 cm，平均高度37.7 cm，基徑5.31 cm，每株平均枝條數(shù)量3.37根。

1.2 試驗(yàn)材料

以2 a林齡且種植當(dāng)年進(jìn)行齊地平茬的3個(gè)不同苗木來(lái)源（內(nèi)蒙古通遼、吉林、西安）蛋白桑植株下和行帶間的土壤為研究對(duì)象，于2019年9月20日在研究區(qū)選擇相鄰、立地條件相似的株行距為30 cm×60 cm的蛋白桑林地的植株下和行帶間，設(shè)計(jì)平茬和不平茬處理，共計(jì)植株下?平茬、植株下?不平茬、行帶間?平茬、行帶間?不平茬4個(gè)處理。平茬處理為齊地平茬，每個(gè)處理3次重復(fù)，每小區(qū)為10 m×20 m，每個(gè)處理各挖取3個(gè)土壤剖面，采用剖面法，按 0—5、5—10、10—20、20—40 cm共4個(gè)土層分層取樣，3次重復(fù)。由于蛋白桑根系深度只達(dá)30 cm左右，因此調(diào)查土壤剖面深度選為40 cm。共采集156個(gè)土樣，各土樣充分混勻，所有土樣挑去活體根系，密封，帶回實(shí)驗(yàn)室，除去可見(jiàn)植物殘?bào)w和土壤動(dòng)物，風(fēng)干后過(guò)1 mm篩，用于土壤pH、速效鉀、速效磷等指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)的測(cè)定及方法

土壤理化指標(biāo)檢測(cè)均參照鮑士旦［17］方法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法?外加熱法測(cè)定；土壤pH采用ST3100 pH計(jì)測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效鉀采用乙酸銨提取法測(cè)定；速效磷采用 0.5 mol·L?1NaHCO3法測(cè)定；土壤機(jī)械組成用XSB-88型頂擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)土樣篩分時(shí)間為5 min。土粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：極粗砂（2.0＜粒徑≤1.0 mm）、粗砂（1.0＜粒徑≤0.5 mm）、中砂（0.50＜粒徑≤0.25 mm）、細(xì)砂（0.25＜粒徑≤0.10 mm）、極細(xì)砂（0.10＜粒徑≤0.05 mm）、粘粒（粒徑＜0.05 mm）。

首先，將0—5、5—10、10—20、20—40 cm土壤的機(jī)械組成、速效養(yǎng)分、pH、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)分別進(jìn)行算數(shù)平均，即均值化處理，將指標(biāo)值合為0—40 cm土壤理化性質(zhì)，然后進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，采用單因素方差分析進(jìn)行顯著性分析，采用Origin 2018進(jìn)行相關(guān)性分析。

首先，運(yùn)用隸屬函數(shù)將6個(gè)土壤理化指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式如下。

式中，μ(Xij)為各土壤理化指標(biāo)的隸屬度值；Xij為土壤理化指標(biāo)值；Xj，max、Xj，min分別為第j項(xiàng)土壤理化指標(biāo)的最大值和最小值。

采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法確定各個(gè)理化指標(biāo)的權(quán)重，首先用公式（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj，將公式歸一后得到各指標(biāo)的權(quán)重Wj，然后通過(guò)公式（4）計(jì)算土壤綜合質(zhì)量指數(shù)H，H越大，土壤質(zhì)量越高［18］。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白桑林地的土壤pH

不同來(lái)源苗木、不同處理、不同土層的土壤pH結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)于通遼來(lái)源的蛋白桑，植株下?平茬處理0—40 cm pH顯著高于植株下?不平茬處理，平均（0—40 cm土層指標(biāo)平均值，下同）上升4.42%；行帶間?平茬處理0—20 cm土層的土壤pH較行帶間?不平茬處理同土層顯著降低；而20—40 cm土層的土壤pH顯著增加，平均上升1.94%。對(duì)于黑龍江來(lái)源的蛋白桑，植株下?平茬處理0—5、20—40 cm土層的土壤pH顯著低于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理0—5、20—40 cm土層的土壤pH顯著低于行帶間?不平茬處理。對(duì)于西安來(lái)源蛋白桑，植株下?平茬處理0—10、20—40 cm土層的土壤pH顯著低于植株下?不平茬處理，而10—20 cm土層的土壤pH顯著提高；行帶間?平茬處理的0—10 cm、20—40 cm土層的土壤pH顯著高于行帶間?不平茬處理，而10—20 cm土層土壤pH顯著降低。由此可見(jiàn)，3種不同來(lái)源蛋白桑數(shù)據(jù)均表明，無(wú)論是植株下還是行帶間，平茬均對(duì)土壤pH產(chǎn)生顯著影響。

表1 不同苗木來(lái)源不同處理的蛋白桑林地土壤pHTable 1 pH of protein mulberry fields from different seedling sources and different treaments

2.2 蛋白桑林地的土壤機(jī)械組成

不同來(lái)源苗木不同處理不同土層的土壤機(jī)械組成見(jiàn)表2，各處理下均為極細(xì)砂所占比例最高，為49.78%～71.61%；且中砂、細(xì)砂和極細(xì)砂是土壤顆粒的主要組成部分，占比為90%左右。對(duì)于通遼來(lái)源的蛋白桑，植株下?平茬處理0—40 cm土層的粗砂、中砂、細(xì)砂含量顯著低于植株下?不平茬處理，極細(xì)砂含量顯著高于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理0—40 cm土層的粗砂、中砂顯著高于行帶間?不平茬處理，而細(xì)砂、極細(xì)砂、粘粒均顯著低于行帶間?不平茬處理。對(duì)于哈爾濱來(lái)源的蛋白桑，植株下?平茬處理0—40 cm土層的粗砂、中砂、細(xì)砂含量顯著低于植株下?不平茬處理，而極細(xì)砂、粘粒含量均顯著高于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理0—40 cm土層的粗砂、粘粒含量均顯著高于行帶間?不平茬處理，而中砂、細(xì)砂、極細(xì)砂含量顯著低于行帶間?不平茬處理。對(duì)于西安來(lái)源的蛋白桑，植株下?平茬處理0—40 cm土層的中砂、極細(xì)砂、粘粒均顯著低于植株下?不平茬處理，而中砂、細(xì)砂含量顯著高于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理0—40 cm土層的粗砂、極細(xì)砂、粘粒含量均顯著高于行帶間?不平茬處理，而中砂、細(xì)砂含量顯著低于行帶間?不平茬處理。總體來(lái)看，不同苗木來(lái)源的平茬處理均顯著增加了表層土壤粘粒含量，其中西安來(lái)源的蛋白桑對(duì)于土壤粘粒含量的增加更為顯著。

表2 蛋白桑林地土壤的機(jī)械組成Table 2 Mechanical composition of protein mulberry fields

續(xù)表Continued

2.3 蛋白桑林地的土壤養(yǎng)分

通遼來(lái)源的蛋白桑4個(gè)土層不同處理的土壤養(yǎng)分含量結(jié)果見(jiàn)圖1。0—5 cm土層，植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間的養(yǎng)分含量均無(wú)顯著差異。5—10 cm土層，植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間的堿解氮含量無(wú)顯著差異；但植株下?平茬處理的速效磷含量顯著高于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理的速效鉀含量顯著高于行帶間?不平茬處理。10—20 cm土層，植株下?平茬處理的速效磷含量顯著低于植株下?不平茬處理；但堿解氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異。20—40 cm土層，植株下?平茬處理的堿解氮含量顯著高于植株下?不平茬處理；但速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異。

圖1 通遼蛋白桑林地不同土層的土壤養(yǎng)分含量Fig.1 Soil nutrient content in different soil layers of Tongliao protein mulberry forest

圖2是哈爾濱來(lái)源的蛋白桑4個(gè)土層不同處理的土壤養(yǎng)分含量。在0—5 cm土層，土壤養(yǎng)分含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異。在5—10 cm土層，土壤堿解氮和速效鉀含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異；但植株下?平茬處理的土壤速效磷含量顯著高于植株下?不平茬處理，有機(jī)質(zhì)含量卻顯著低于植株下?不平茬處理。在10—20和20—40 cm土層，土壤堿解氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異；但植株下?平茬處理20—40 cm土層的土壤速效鉀含量顯著高于植株下?不平茬處理。

圖2 哈爾濱蛋白桑林地不同土層的土壤養(yǎng)分含量Fig.2 Soil nutrient content in different soil layers of Harbin protein mulberry forest

圖3是西安來(lái)源的蛋白桑4個(gè)土層不同處理的土壤養(yǎng)分含量。在0—5 cm土層，土壤養(yǎng)分含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異。5—10 cm土層，植株下?平茬的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理的速效鉀含量顯著低于行帶間不平茬處理；行帶間?平茬處理的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于行帶間?不平茬處理。10—20 cm土層，土壤堿解氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理間均無(wú)顯著差異；但植株下?平茬處理的速效鉀含量顯著高于植株下?不平茬處理；行帶間?平茬處理的速效鉀含量顯著高于行帶間?不平茬處理。20—40 cm土層，土壤養(yǎng)分含量在植株下?平茬與植株下?不平茬處理之間、行帶間?平茬與行帶間?不平茬處理之間均無(wú)顯著差異。

圖3 西安蛋白桑林地不同土層的土壤養(yǎng)分含量變化Fig.3 Soil nutrient content in different soil layers of Xi’an protein mulberry forest

綜上所述，3種來(lái)源的蛋白桑林下及行帶間不同處理下土壤養(yǎng)分均表現(xiàn)為表層土壤（0—5 cm）養(yǎng)分無(wú)顯著變化（P＞0.05）；所有土層的堿解氮含量無(wú)顯著變化；平茬處理（植株下?平茬和行帶間平茬）的速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量顯著高于不平茬處理（植株下?不平茬和行帶間?不平茬），由此表明平茬有利于提高土壤養(yǎng)分含量。

2.4 土壤機(jī)械組成與速效養(yǎng)分、pH、有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性

將3種來(lái)源的蛋白桑林下及行帶間土壤的機(jī)械組成、速效養(yǎng)分、pH、有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行均值化處理后，分析土壤機(jī)械組成與土壤因子之間的相關(guān)性，結(jié)果（表3）表明，植株下?平茬處理土壤的堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量與極細(xì)沙含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與中砂含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量與粗砂含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。行帶間?平茬處理土壤的堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量與極細(xì)砂含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；且堿解氮、速效鉀含量與中砂、細(xì)砂含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；速效鉀含量與粗砂含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。植株下?不平茬處理土壤的堿解氮、速效鉀、速效磷含量與極細(xì)砂含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與粗、中、細(xì)砂含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)含量與粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；pH與細(xì)砂含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與極細(xì)砂含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。行帶間?不平茬土壤的堿解氮、速效鉀、速效磷含量與極細(xì)砂含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與粗砂、中砂、細(xì)砂含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；有機(jī)質(zhì)含量與細(xì)砂含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與粘粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；pH與粗砂、中砂、細(xì)砂含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與極細(xì)砂含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 土壤速效養(yǎng)分、pH、有機(jī)質(zhì)與機(jī)械組成的相關(guān)性Table 3 Correlation between soil factors and mechanical composition

2.5 不同苗木來(lái)源蛋白桑林下土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

土壤理化性質(zhì)是諸多土壤因子綜合作用的結(jié)果，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果反映了土壤的質(zhì)量水平。3個(gè)樣地土壤理化性質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值（表4）表明，樣地間土壤理化性質(zhì)存在顯著差異，即西安林下土壤＞通遼林下土壤＞哈爾濱林下土壤，由此推斷更適于研究區(qū)種植的為西安來(lái)源蛋白桑。

表4 土壤理化性質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)Table 4 Comprehensive evaluation of soil physical and chemical properties

3 討論

本研究表明，平茬處理后，植株下或行帶間土壤的pH下降，土壤顆粒組成細(xì)化，土壤養(yǎng)分含量增加，與前人對(duì)平茬處理林下土壤的研究結(jié)果相一致［19-20］。董雪等［12］對(duì)沙冬青灌叢下土壤的研究表明平茬顯著影響沙冬青灌叢下土壤的有機(jī)碳含量；楊燕等［21］研究顯示平茬林下土壤的有機(jī)質(zhì)含量和N、P、K含量明顯提高。這可能是由于平茬可以去除植物頂端優(yōu)勢(shì)，抑制生長(zhǎng)素合成，促進(jìn)細(xì)胞分裂素生成，使二者比例降低，有效刺激根部的分生組織分裂，使根部生長(zhǎng)速度加快，進(jìn)而影響土壤特性［22］。其中，植物根的離子吸收是通過(guò)釋放酸根離子實(shí)現(xiàn)［23］，而酸根離子會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。平茬后植物根系網(wǎng)絡(luò)明顯優(yōu)于不平茬，而龐大根系的固定作用不僅可以攔截粘粒等土壤細(xì)顆粒物質(zhì)，還可以穿插在土壤中以粉碎部分大顆粒［24］。另外，植物根系的固結(jié)作用極大提高了土壤的抗侵蝕能力，在一定程度上抵御了沙地遭受風(fēng)蝕的威脅，使得土壤粘粒的含量有所提高［25］。

平茬對(duì)植物地上生物量也有顯著影響。研究表明，當(dāng)植株地上部分遭到平茬破壞后，地上生物量能夠迅速恢復(fù)［26］，植物新生枝數(shù)量、株高、基徑、灌叢冠幅、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度、葉片厚度等參數(shù)較未平茬存在顯著差異［27］。地上生物量的增加使植株郁閉度增加，同時(shí)減少水分蒸發(fā)，在一定程度上提高了植物的防風(fēng)固沙作用，進(jìn)而使土壤的粘粒等細(xì)顆粒物質(zhì)有所保留。另外，地上生物量的增加勢(shì)必導(dǎo)致枯落物增多，而在枯落物的分解過(guò)程中，均會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分以及pH產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)，平茬后加速了微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解，生成的纖維素、木質(zhì)素、多糖和腐殖酸等黑色膠體物能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而降低土壤容重和pH，使土壤N、P、K含量增加［28］。