覆蓋材料對黃土高原蘋果根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

陳軍宏 謝玉琴 張揚(yáng) 李小偉 薛應(yīng)鈺

摘要：【目的】研究覆蓋材料對黃土高原蘋果園土壤理化性質(zhì)及微生物的影響，為蘋果園管理提供理論依據(jù)。【方法】2018 年2—12 月在4 年生富士蘋果樹行間進(jìn)行干草（GC）、砂石（SS）、PE黑膜（HM）、園藝地布（DB）覆蓋和清耕（CK）處理，測定0～60 cm土壤含水量、pH、養(yǎng)分含量及全生育期的土壤微生物數(shù)量，并進(jìn)行相關(guān)性分析?！窘Y(jié)果】與CK相比，4 種覆蓋可顯著提高2.6%～5.0%的土壤含水量（p＜0.05），DB處理增幅最大，且含水量與微生物數(shù)量呈正相關(guān)；除SS外，其余處理均可降低土壤pH。4 種覆蓋均可提高土壤養(yǎng)分含量，其中DB對土壤速效氮磷鉀含量的提升作用最明顯，分別提高26.67%、113.40%和48.47%。4 種覆蓋均可提高土壤微生物數(shù)量。與CK相比，GC和DB 0～60 cm土壤真菌分別提高了47.91%和11.10%，SS和HM 0～60 cm土壤細(xì)菌和放線菌的數(shù)量分別提高了9.41%和29.60%。在果樹生育期，土壤真菌數(shù)量在休眠期呈現(xiàn)最大值，土壤細(xì)菌數(shù)量則在果實膨大期出現(xiàn)峰值；除SS 增加土壤細(xì)菌數(shù)量外，GC、HM和DB土壤細(xì)菌顯著降低了27.51%～61.81%。4 種覆蓋材料下均為果實成熟期的土壤放線菌數(shù)量最少，GC處理0～60 cm土壤放線菌數(shù)量顯著提高96.07%。【結(jié)論】比較4 種覆蓋材料，GC和DB處理可顯著提高土壤含水量，改善養(yǎng)分條件，提高土壤真菌和放線菌數(shù)量，可優(yōu)先作為黃土高原蘋果園區(qū)土地管理的方式。

關(guān)鍵詞：蘋果園；覆蓋；土壤理化性質(zhì)；土壤微生物

中圖分類號：S661.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-9980（2023）03-0471-10

黃土高原大部分地區(qū)光熱資源豐富，晝夜溫差大，適宜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果，已成為全球最大的蘋果集約化種植區(qū)[1]。位于黃土高原蘋果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的靜寧縣，蘋果種植面積已達(dá)6.67 萬hm2，產(chǎn)量約達(dá)88 萬t，產(chǎn)值達(dá)39.6 億元，蘋果產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村的經(jīng)濟(jì)支柱[2-3]。然而，黃土高原是世界公認(rèn)的嚴(yán)重侵蝕地區(qū)之一，黃土沉積嚴(yán)重，土質(zhì)疏松，土壤水分和有機(jī)碳缺乏，長期的果園清耕管理模式嚴(yán)重制約了靜寧縣蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4-6]。

近年來，為改善土壤結(jié)構(gòu)，如免耕、輪作、植草、覆蓋等保護(hù)性耕作在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，尤其覆蓋處理已成為提高土壤微生物活性和解決土壤質(zhì)量差等問題的有效方法[7-8]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，微生物作為土壤中的一個生物參數(shù)，對土壤養(yǎng)分循環(huán)和質(zhì)量改善具有重要作用[9]。由于微生物對環(huán)境條件和種植方式高度敏感，因此土壤的健康與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性和功能密切相關(guān)[10-11]。

然而，不同覆蓋材料下土壤環(huán)境的異質(zhì)性決定了土壤微生物優(yōu)勢群落及生物量變化的差異[8]。據(jù)報道，秸稈覆蓋和園藝地布覆蓋可有效提高蘋果園土壤含水量和速效鉀的含量，降低土壤pH 值，且植物殘基的輸入為土壤微生物提供棲息地和營養(yǎng)致使土壤微生物數(shù)量增多[12-13]。在干旱的西北地區(qū)果園，聚乙烯（PE）地膜覆蓋可有效抑制土壤水分蒸發(fā)，提高土壤溫度和養(yǎng)分含量，這種增溫保墑效應(yīng)促使土壤微生物增多[14-16]。砂石覆蓋作為黃土高原歷史悠久的特色農(nóng)業(yè)技術(shù)，可以有效減少地表徑流和土壤流失量，對土壤全氮、全磷等養(yǎng)分含量的流失具有明顯的抑制作用，是西北黃土地區(qū)一種有效的水土保持技術(shù)[17]。已有研究表明，微生物豐度及群落結(jié)構(gòu)與作物產(chǎn)量和品質(zhì)存在顯著正相關(guān)（p＜0.05），雖然不同覆蓋材料及方式對蘋果園的影響研究頗多，但大多都關(guān)注覆蓋處理一段時間后土壤理化性質(zhì)或微生物群落變化[18-20]，鮮有果園覆蓋處理對各生育期土壤微生物的影響及果園理化性質(zhì)和土壤微生物相關(guān)性的研究。因此，筆者在本研究中通過比較試驗，探討砂石覆蓋、干草覆蓋、園藝地布覆蓋和PE黑膜覆蓋下蘋果樹全生育期及0～60 cm根區(qū)土層中土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量的變化，分析土壤含水量、pH 和養(yǎng)分含量等與微生物種類及數(shù)量間的相互關(guān)系，以期為黃土高原蘋果園區(qū)的管理方式提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于暖溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)的甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣現(xiàn)代蘋果高新技術(shù)示范園（105°20′～106°05′E，35°01′～35°45′N），年均氣溫7.1 ℃，無霜期約159 d，日照時數(shù)2238 h；自然降水偏少，夏季雨水較多，冬春較少，年均降水量450.8 mm，可靠值383 mm，年蒸發(fā)量1469 mm。

1.2 試驗設(shè)計

2018 年2—12 月，以隴東海棠為基砧、M26 為中間砧的4 年生富士蘋果樹為供試材料，采用高紡錘形、3.5 m行距、1.2 m株距的矮砧密植栽植模式種植，適宜種植密度為2400 株?hm?2。在果園統(tǒng)一管理模式下設(shè)置干草覆蓋（GC）、砂石覆蓋（SS）、PE黑膜覆蓋（HM）、園藝地布覆蓋（DB）和清耕（CK）對照5 個處理進(jìn)行行間覆蓋，各覆蓋厚度：干草5 cm，砂石8 cm，PE黑膜0.008 mm，地布0.12 mm，覆蓋寬度為1.4 m。采用隨機(jī)取樣法，各處理選取3 株果樹，用土鉆定點采取蘋果樹各生育期根區(qū)土壤。取樣以同株果樹的樹干為中心，在果樹投影區(qū)域分別取東西南北4 個方位，土層深度分別為0～20、＞20～40、＞40～60 cm的土壤，混合去雜后標(biāo)記帶回，用2 mm篩子過篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定 土壤全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法；土壤全磷含量的測定采用硫酸高氯酸消煮-鉬銻抗混合試劑比色法；土壤全鉀含量的測定采用NaOH熔融-火焰光度法[21]。土壤含水量、pH、速效氮、速效磷、速效鉀含量測定參考李發(fā)康等[22]的測定方法進(jìn)行。

1.3.2 土壤微生物的測定 富士蘋果樹根區(qū)微生物群落研究均采用培養(yǎng)基培養(yǎng)法，將新鮮土樣用無菌水稀釋至適宜稀釋梯度和接種量，用稀釋平板涂布法計數(shù)[23]。菌落數(shù)量計算公式：

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 軟件記錄數(shù)據(jù)，用SPSS 21 軟件Duncnas 新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理對0～60 cm蘋果樹根區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1 可知，從整體看覆蓋技術(shù)能夠有效提高0～60 cm 土層的土壤含水量和養(yǎng)分含量，改善土壤酸堿度。與CK相比，4 種覆蓋處理均顯著提高土壤含水量（p＜0.05），增幅為2.6%～5.0%，不同覆蓋處理對土壤含水量影響大小為：DB>SS>GC>HM>CK。與CK相比，SS 處理使土壤pH上升0.08，但未呈現(xiàn)顯著差異（p＞0.05），其他處理均有效降低土壤pH，其中DB 和HM處理與CK 存在顯著差異。不同覆蓋材料對土壤養(yǎng)分含量的影響各有差異，與CK 相比，4 種覆蓋處理土壤全磷含量可提高0.08～0.11 g?kg?1，GC、SS 和DB 處理均顯著提高了土壤全鉀含量，4 種覆蓋處理土壤全氮含量雖未表現(xiàn)出顯著差異，但GC、SS 和HM處理土壤全氮含量均有提高。與CK相比，HM和DB處理增加了土壤有效氮的含量，增幅為9.12～21.22 mg?kg?1。各處理對土壤速效鉀和速效磷含量的影響未表現(xiàn)出顯著性差異，但與CK相比均有所提升，其中DB處理可以最大限度地提升0～60 cm土壤速效鉀和速效磷含量。

2.2 不同覆蓋處理對蘋果樹根區(qū)土壤真菌的影響

由表2 和圖1 可知，覆蓋處理顯著增加了土壤真菌數(shù)量（p＜0.05）。從空間分布來看，隨著土層深度的增加，土壤真菌數(shù)量逐漸減少。從時間分布來看，隨生育期的推進(jìn)，各土層中土壤真菌數(shù)量呈逐漸減少趨勢。在0～20 cm 土層，GC和DB處理可顯著增加土壤真菌數(shù)量，且除幼果期和果實膨大期外，其余生育期的土壤真菌數(shù)量皆大于CK；而HM處理在全生育期內(nèi)土壤真菌數(shù)量皆小于CK。在＞20～40 cm土層，除SS 處理下土壤真菌數(shù)量高于CK 外，其余處理下土壤真菌數(shù)量皆顯著低于CK，并且HM處理在果樹全生育期內(nèi)土壤真菌數(shù)量均小于CK；而對＞40～60 cm 土層，除HM處理下土壤真菌數(shù)量小于CK外，其余處理皆顯著高于CK；從全生育期看，除幼果期和果實膨大期外，各處理在其余生育期土壤真菌數(shù)量大于CK。從0～60 cm土層看，GC和DB處理可顯著提高土壤真菌數(shù)量，分別比CK處理提高47.91%和11.10%。

2.3 不同覆蓋處理對蘋果樹根區(qū)土壤細(xì)菌的影響

從空間分布來看，GC處理在0～20 cm 和＞40～60 cm土層的細(xì)菌數(shù)量顯著大于CK，而DB處理在各土層的土壤細(xì)菌數(shù)量均顯著小于CK（p＜0.05）。在0～60 cm土層，除SS處理外，其余處理土壤細(xì)菌數(shù)量均顯著小于CK，且HM和DB處理的結(jié)果和土壤真菌數(shù)量的變化趨勢一致（表3）。從時間分布來看，各處理在果實膨大期細(xì)菌數(shù)量出現(xiàn)最大值，在果實成熟期出現(xiàn)最小值（圖2）。較CK而言，SS處理可增加土壤細(xì)菌數(shù)量，但無顯著差異（p＞0.05），而GC、HM和DB處理可顯著降低27.51%～61.81%的土壤細(xì)菌數(shù)量。

2.4 不同覆蓋處理對蘋果樹根區(qū)土壤放線菌的影響

覆蓋處理可不同程度地增加土壤放線菌數(shù)量。與CK相比，GC和HM處理可顯著提高0～60 cm 土壤放線菌數(shù)量（p＜0.05），分別增加了96.07%和29.59%，而DB處理僅顯著增加了＞40～60 cm 土層的放線菌數(shù)量（表4）。從時間分布來看，GC和HM處理從休眠期到果實成熟期土壤放線菌數(shù)量表現(xiàn)為先降低再升高、又降低再升高的趨勢；而SS和DB處理則表現(xiàn)為持續(xù)降低的趨勢（圖3）。

2.5 土壤理化性質(zhì)與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析

由表5 可知，各處理土壤微生物數(shù)量的變化與土壤含水量呈正相關(guān)，DB處理細(xì)菌數(shù)量和CK處理放線菌數(shù)量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），其他處理均不顯著。GC處理下，土壤微生物數(shù)量與土壤pH、全磷、速效磷和全鉀含量呈負(fù)相關(guān)，但未表現(xiàn)出顯著性（p＞0.05）。SS 處理下的土壤細(xì)菌數(shù)量與土壤全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；HM處理下的土壤真菌數(shù)量與土壤速效氮含量呈顯著正相關(guān)，放線菌數(shù)量與土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；DB處理的土壤放線菌數(shù)量與速效氮含量呈顯著正相關(guān)；CK處理的放線菌數(shù)量與速效氮含量呈顯著正相關(guān)，真菌和放線菌數(shù)量與速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

黃土高原是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，土壤為黃綿土，結(jié)構(gòu)疏松，加之氣候干燥，降水稀少，果園清耕模式不利于蘋果園的可持續(xù)發(fā)展，而地面覆蓋作為一種改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量的措施，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[24]。筆者在本研究中發(fā)現(xiàn)，對果園進(jìn)行覆干草、覆砂石、覆PE 黑膜和覆園藝地布4 種處理后，均使土壤微環(huán)境產(chǎn)生一定的變化。

覆蓋對土壤水分的影響取決于降水和氣候因子，通過控制地表蒸發(fā)速率對土壤水分狀況有良好的影響[25]。4 種覆蓋處理比清耕顯著提高2.6%～5.0%的土壤含水量，其中園藝地布覆蓋處理最為明顯，這是因為地布作為新型覆蓋材料具有較強(qiáng)的滲水性，并且可有效地降低水分蒸發(fā)[15]。堿性土壤對植物的生長和礦物質(zhì)的吸收具有抑制作用[26]，而覆蓋PE黑膜和園藝地布可有效降低土壤pH，砂石覆蓋反而加重了土壤堿化。土壤養(yǎng)分作為作物生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤肥力的重要指標(biāo)之一[27]。較清耕處理而言，覆蓋處理可有效提高蘋果園0～60 cm 土層土壤全素含量和速效養(yǎng)分含量，尤其是磷素含量，4 種覆蓋處理下均表現(xiàn)為增高。雖然覆蓋處理對土壤養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為提高趨勢，但仍存在例外，其中園藝地布覆蓋降低了土壤全氮含量，PE黑膜覆蓋降低了土壤全鉀含量，干草覆蓋和砂石覆蓋則降低了土壤速效氮含量，這與Gan等[28]的研究結(jié)果一致，這主要是因為土壤養(yǎng)分的變化受多因素影響，包括初始土壤養(yǎng)分水平、微生物群落和活性、有效土壤水分等，而不單單是由覆蓋所致。

微生物群落不僅是生態(tài)系統(tǒng)健康和恢復(fù)水平的指標(biāo)，而且可以通過調(diào)控微生物群落來促進(jìn)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[29]。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要驅(qū)動者，在調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)、分解有機(jī)質(zhì)、影響土壤結(jié)構(gòu)、抑制植物病害和提高植物產(chǎn)量方面有著重要作用[30]。本研究表明，土壤中細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)大于真菌，4 種覆蓋均增加了土壤表層微生物的數(shù)量，且隨著土層深度的增加，土壤微生物數(shù)量逐漸減少，其中干草覆蓋顯著增加了0～60 cm土層土壤真菌和放線菌數(shù)量，土壤細(xì)菌數(shù)量相比清耕處理反而減少，這可能由于真菌善于分解有機(jī)物質(zhì)，新鮮有機(jī)質(zhì)的輸入可能優(yōu)先刺激土壤真菌的生長和繁殖[13]。放線菌作為一種可以產(chǎn)生分解木質(zhì)素酶的腐生菌類，可大量分解土壤中的植物有機(jī)殘體，因此干草覆蓋后土壤中的放線菌數(shù)量顯著增加[31]。與清耕相比，園藝地布覆蓋則只增加了土壤真菌數(shù)量，細(xì)菌和放線菌數(shù)量均有所降低，這與王元基[13]和薛曉敏等[12]的研究結(jié)果相反，可能是因為土壤真菌數(shù)量的大幅提高抑制了細(xì)菌和放線菌的生長，但具體原因還需進(jìn)一步研究。除放線菌數(shù)量變化外，砂石覆蓋對土壤微生物數(shù)量的改變與前2 種處理則相反，可能與砂石覆蓋增加土壤堿性有關(guān)，并且較其他覆蓋，砂石覆蓋對土壤性狀的影響較弱，在不同覆蓋模式下，土壤真菌的適應(yīng)性和功能多樣性略強(qiáng)于細(xì)菌，在微堿環(huán)境中，細(xì)菌生長比真菌生長較旺盛，因此砂石覆蓋與其他覆蓋處理對微生物數(shù)量的影響產(chǎn)生不同結(jié)果[8，32]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，覆蓋處理后，隨著果樹發(fā)育階段的進(jìn)行，土壤真菌數(shù)量逐漸降低，而土壤細(xì)菌數(shù)量在果實膨大期達(dá)到最大值，土壤放線菌數(shù)量則在干草覆蓋和PE黑膜覆蓋中先降低再升高再降低，砂石覆蓋和園藝地布覆蓋的變化趨勢與土壤真菌數(shù)量變化趨勢一致。與沈鵬飛[31]的研究相類似，這主要是因為覆蓋過程逐漸增加了有機(jī)質(zhì)，為微生物提供更多養(yǎng)料，從而促進(jìn)微生物的活動，且隨著覆蓋時間的延長，土壤酶活性、微生物數(shù)量的增加，使得微生物數(shù)量達(dá)到飽和狀態(tài)，因此微生物數(shù)量又會呈現(xiàn)降低趨勢[33]。

土壤是土壤微生物的一個高度異質(zhì)性的環(huán)境，土壤理化性質(zhì)對土壤微生物的生物量具有重要影響[29，34]。本研究中各覆蓋處理下，土壤含水量與土壤微生物數(shù)量均呈正相關(guān)，這可能是因為覆蓋處理可以抑制雜草生長，減少養(yǎng)分競爭，可以有效貯存水分，為微生物的生長繁殖提供相對穩(wěn)定的土壤環(huán)境[31]。除干草覆蓋下的微生物和PE 黑膜覆蓋下的土壤放線菌外，土壤微生物數(shù)量變化與土壤pH也呈正相關(guān)。而土壤全鉀、速效鉀和速效磷含量與土壤微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)（除SS 處理的細(xì)菌數(shù)量和HM處理），這可能與黃土高原蘋果園磷、鉀含量過剩有關(guān)[35]。土壤氮素的形成和轉(zhuǎn)化與土壤微生物氮素生理群密切相關(guān)[36]，因此，除砂石覆蓋的土壤真菌與放線菌數(shù)量與土壤速效氮含量呈負(fù)相關(guān)外，其余覆蓋處理的微生物量皆與其呈正相關(guān)，可能是因為覆蓋增加了氮素的積累，參與氮循環(huán)的微生物增多，但具體原因還得進(jìn)一步試驗驗證[5]。此外，本試驗只是對不同覆蓋處理的土壤微生物數(shù)量進(jìn)行了調(diào)查，微生物種類的變化是否與覆蓋處理的不同而有所差異還需進(jìn)一步試驗分析，并且只對果園進(jìn)行了為期一年的覆蓋處理，覆蓋時間的長短以及地面覆蓋物的薄厚對土壤微生物產(chǎn)生何種影響還需進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

與清耕（CK）相比，干草、砂石、PE 黑膜和園藝地布覆蓋均可有效改善0～60 cm 的土壤理化性質(zhì)。其中干草覆蓋和園藝地布覆蓋處理可顯著提高土壤含水量，改善養(yǎng)分條件，提高土壤真菌和放線菌數(shù)量，可優(yōu)先作為黃土高原蘋果園區(qū)土地管理的方式。

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