保水劑施用量對(duì)膠園土壤微生物和土壤酶活性及產(chǎn)量的影響

王紀(jì)坤,安 鋒,周立軍,彭文濤,程琳琳,謝貴水

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所,?？?571101;2.海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,海南 儋州 571737)

【研究意義】天然橡膠是重要的工業(yè)原料和戰(zhàn)略物質(zhì),主要產(chǎn)自巴西橡膠樹(Heveabrasiliensis)。巴西橡膠樹是重要的經(jīng)濟(jì)樹種,于20世紀(jì)50年代開始在我國大規(guī)模種植[1],經(jīng)過60多年發(fā)展,國內(nèi)種植面積達(dá)到約1.13×106hm2,年產(chǎn)橡膠8.0×105t,天然橡膠已成為我國熱區(qū)重要農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)。巴西橡膠樹原產(chǎn)于南美洲亞馬遜河流域[2],喜高溫且雨量充沛的氣候環(huán)境,而我國植膠區(qū)屬非傳統(tǒng)植膠區(qū),常受低溫、干旱影響[3]。近年來,我國云南、海南植膠區(qū)多次出現(xiàn)旱情,給橡膠樹生長(zhǎng)和天然橡膠的生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。干旱會(huì)導(dǎo)致橡膠樹生長(zhǎng)遲緩、產(chǎn)量降低、落葉甚至干枯死亡等[4-5]?？购嫡T導(dǎo)、保持土壤持水量是橡膠樹抗旱和高產(chǎn)栽培的主要技術(shù)措施[3],在土壤中添加保水劑是保持土壤持水量的重要手段之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】保水劑是一種高吸水性聚合物,無毒無害、可降解,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[6],能夠反復(fù)吸水與釋水,吸水量可達(dá)自身重量的幾百倍以上,常被添加至土壤中以減少土壤水分散失。相關(guān)研究表明適量施用保水劑可以增強(qiáng)土壤持水性,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤養(yǎng)分含量,促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)[7-9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,保水劑已被應(yīng)用在橡膠樹栽培中,有研究表明保水劑能夠提高橡膠樹定植成活率,促進(jìn)橡膠樹生長(zhǎng),提高膠乳產(chǎn)量[10-11],還能提高肥料的緩釋作用,減少養(yǎng)分淋失[12-13],然而關(guān)于成齡膠園施用保水劑對(duì)膠園土壤微生物區(qū)系和土壤酶活性影響的系統(tǒng)研究未見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文研究不同保水劑施用量對(duì)成齡膠園土壤養(yǎng)分、土壤酶活性、微生物數(shù)量及橡膠樹產(chǎn)量的影響,以期明確最佳保水劑用量,為保水劑在成齡橡膠樹抗旱與高產(chǎn)栽培提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)?zāi)z園位于中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)6隊(duì),橡膠樹品種為熱研7-33-97,割齡15年,株行距為3 m×7 m。供試土壤為膠園0～30 cm耕層土壤,養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)16.98 g/kg、全氮0.78 g/kg、全磷0.95 g/kg、硝態(tài)氮7.34 mg/kg、銨態(tài)氮4.51 mg/kg、速效磷17.71 mg/kg、速效鉀12.17 mg/kg、pH 3.99;膠園年施肥量為復(fù)合肥(NPK:15-15-15)372 kg/hm2,有機(jī)肥4.65 t/hm2,化肥和有機(jī)肥均施于膠園肥穴;保水劑由北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供,主要有效成分為丙烯酰胺-丙烯酸鉀共聚交聯(lián)物,型號(hào)為BJ2101XL。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年10月布置試驗(yàn),2017年11月觀測(cè)到橡膠樹營養(yǎng)根已生長(zhǎng)到施用穴的保水劑中,2018年7—10月開始測(cè)產(chǎn)。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn),設(shè)置5個(gè)處理:① CK:有機(jī)肥10 kg/tree;② T1:保水劑用量60 g/tree+有機(jī)肥10 kg/tree;③ T2:保水劑用量120 g/tree +有機(jī)肥10 kg/tree;④ T3:保水劑用量180 g/tree +有機(jī)肥10 kg/tree;⑤ T4:保水劑用量300 g/tree +有機(jī)肥10 kg/tree。每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)15個(gè)小區(qū),每小區(qū)16株橡膠樹,小區(qū)間隔6 m。保水劑施用穴位于肥穴隔行的萌生帶中線上,每4株橡膠樹共用1穴,施用穴尺寸為 2.0 m×0.6 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。施用方法為干混法,即將保水劑、有機(jī)肥與表土混合后回填至施用穴。試驗(yàn)基本情況見表1。

表1 試驗(yàn)地基本情況

1.3 采樣與測(cè)產(chǎn)

分別于施用保水劑前(2016年9月)和施用保水劑后(2018年9月)進(jìn)行取土樣。每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)施用穴作為采樣點(diǎn),用土鉆采集穴內(nèi)0～30 cm土壤,并將土壤混合,每個(gè)處理采集土壤樣品3個(gè),共計(jì)15個(gè)樣品。鮮土樣裝入消毒密封塑料袋,帶入實(shí)驗(yàn)室,供微生物分析,用于土壤酶活性測(cè)定的土壤經(jīng)風(fēng)干后,過20目篩(孔徑1 mm)。每月測(cè)定橡膠樹產(chǎn)量3次,按小區(qū)劃分,收集所有開割樹的膠乳混合后,測(cè)定其質(zhì)量和干膠含量。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 土壤理化性質(zhì)分析 土壤pH 采用pH計(jì)測(cè)定,按照水土比2.5∶1.0。土壤含水量采用烘干法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定;全氮采用硫酸重鉻酸鉀消化,半微量開氏法測(cè)定;硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用流動(dòng)分析儀測(cè)定;全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效磷采用NH4F-HCl法;全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測(cè)定,速效鉀采用乙酸銨浸提,火焰光度法測(cè)定[14]。

1.4.2 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性分析 土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板法測(cè)定;土壤脲酶活性采用苯酚鈉法測(cè)定;蔗糖轉(zhuǎn)化酶采用3,5-二硝基水楊酸法測(cè)定;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀法測(cè)定;酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測(cè)定[15]。

1.4.3 膠乳干膠含量與膠乳質(zhì)量分析 干膠含量采用湖南赫西儀器裝備有限公司生產(chǎn)的微波水分測(cè)定儀(RH2010SF-I)測(cè)定,膠乳質(zhì)量采用通用電子秤測(cè)量。

1.4.4 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,IBM-SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,采用OriginPro 2021軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑用量對(duì)膠園土壤含水量和土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2可見,不同處理土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)。施用保水劑各處理土壤含水量均顯著高于CK(P<0.05),較CK顯著增加13.47%～21.52%,T4最高,不同保水劑用量處理間差異不顯著(P>0.05)。施用保水劑提高了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量,T1～T4較CK分別增加4.81%～31.42%、3.34%～26.15%,T2、T3、T4顯著高于CK(P<0.05),T2最高。施用保水劑各處理的土壤速效磷含量較CK提高1.25%～29.33%,T2最高。施用保水劑各處理土壤速效鉀含量較CK提高4.37～31.22%,T1最高,T2、T3與CK之間差異不顯著。表明,施用保水劑能夠提高土壤含水和土壤速效養(yǎng)分含量,但并未影響土壤酸堿度。

2.2 不同保水劑用量處理對(duì)土壤微生物數(shù)量和區(qū)系的影響

保水劑能夠增加土壤細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量和微生物總量,減少真菌數(shù)量。由圖1可見,土壤細(xì)菌數(shù)量隨保水劑用量增加呈先增后降趨勢(shì),施用保水劑各處理細(xì)菌數(shù)量均高于CK(P<0.05),T1～T4相對(duì)CK細(xì)菌數(shù)量顯著增加250.01%、346.42%、300.04%、240.57%,T2細(xì)菌數(shù)量最高。土壤放線菌數(shù)量變化規(guī)律與細(xì)菌變化規(guī)律一致,也呈先增后降趨勢(shì),T1～T4土壤的放線菌數(shù)量均高于CK(P<0.05),與CK相比較分別增加185.26%、191.48%、183.03%、167.52%,T2放線菌數(shù)量最高,達(dá)到CK的2.91倍,不同保水劑用量之間土壤放線菌數(shù)量差異不顯著(P>0.05)。土壤真菌數(shù)量變化趨勢(shì)與細(xì)菌和放線菌不同,真菌數(shù)量隨保水劑用量增加呈先降后升趨勢(shì),T1～T4處理土壤真菌與CK相比較,分別降低2.87%、15.31%、4.35%、3.71%,T2真菌數(shù)量最低,但保水劑用量處理與CK間差異不顯著(P>0.05)。土壤微生物總量隨保水劑用量增加呈先增后降趨勢(shì),施用保水劑顯著提高各處理土壤微生物總量,其中T2處理最高,是CK的4.24倍。上述結(jié)果說明,保水劑顯著促進(jìn)了膠園土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量的增加,且促進(jìn)作用存在劑量效應(yīng),綜合分析T2促進(jìn)作用最明顯。

表2 不同處理土壤pH、水分含量和速效養(yǎng)分含量

不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。下同。

土壤細(xì)菌、真菌、放線菌是土壤微生物的主要組成部分,其數(shù)量是土壤生物活性高低的重要標(biāo)志之一。由表3可見,不同處理土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量為細(xì)菌>放線菌>真菌,細(xì)菌、放線菌、真菌占總微生物數(shù)量的87.52%～92.06%、7.69%～11.21%、0.25%～1.27%;保水劑處理的細(xì)菌數(shù)量占總微生物數(shù)量比例均高于對(duì)照,而放線菌和真菌比例均低于對(duì)照。表明,保水劑能夠提高細(xì)菌在總微生物數(shù)量的占比,降低放線菌和真菌比例,膠園土壤微生物仍然以細(xì)菌為主。

2.3 不同保水劑用量對(duì)膠園土壤酶活性的影響

由圖2可見,不同保水劑用量處理對(duì)土壤酶活性影響存在差異,土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性隨保水劑用量的增加呈先升后降態(tài)勢(shì),峰值為T2處理用量,而土壤酸性磷酸酶未出現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢(shì)。T2、T3和T4處理相對(duì)CK脲酶活性分別增加40.01%、16.32%、11.37%,T2處理顯著高于CK(P<0.05),T1處理與CK差異不顯著。T2和T3處理轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于CK(P<0.05),較CK分別增加15.74%、9.9%,T2和T3處理差異不顯著(P>0.05)。T2、T3和T1處理過氧化氫酶活性顯著高于CK(P<0.05),與CK相比較,分別增加31.44%、30.86%、18.32%。不同處理土壤酸性磷酸酶活性差異不顯著(P>0.05)。表明,土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性隨施用量增加呈現(xiàn)低促進(jìn)高抑制,其中T2處理的保水劑用量為最佳用量。

表3 不同處理土壤細(xì)菌、放線菌、真菌在微生物總量的占比

圖2 不同保水劑施用量對(duì)膠園土壤酶活性的影響

2.4 不同保水劑用量對(duì)橡膠樹產(chǎn)量的影響

由圖3和表4可見,不同保水劑用量處理與CK膠乳干膠含量在測(cè)產(chǎn)期內(nèi)變化趨勢(shì)一致,7月總體保持平穩(wěn),8—9月干膠含量波動(dòng)上升,9月中旬達(dá)到峰值,10—11月再次平穩(wěn)。在測(cè)產(chǎn)期內(nèi)不同保水劑處理與CK膠乳干膠含量差異不顯著(P>0.05),所有處理膠乳干膠含量均在29.95%～35.28%范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)。不同保水劑用量處理的干膠產(chǎn)量存在差異,T1、T2和T3處理干膠產(chǎn)量高于CK和T4處理,T2處理較CK產(chǎn)量提高11.99%(P<0.05),其他用量保水劑處理與CK產(chǎn)量差異未達(dá)到顯著水平。干膠產(chǎn)量在測(cè)產(chǎn)周期基本呈下降態(tài)勢(shì),T2處理干膠產(chǎn)量持續(xù)高于對(duì)照。結(jié)果表明不同用量保水劑處理對(duì)膠乳干膠含量無影響,T2處理用量保水劑能夠促進(jìn)橡膠樹膠乳產(chǎn)量的增加。

2.5 不同保水劑用量處理土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量、土壤酶活性及膠乳產(chǎn)量相關(guān)性分析

由圖4可知,土壤細(xì)菌數(shù)量與土壤含水量、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮和速效磷呈顯著正相關(guān);放線菌數(shù)量與土壤含水量、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、速效磷和細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān);土壤脲酶與硝態(tài)氮、細(xì)菌數(shù)量呈顯著相關(guān);土壤轉(zhuǎn)化酶與氨態(tài)氮、速效磷、細(xì)菌數(shù)量和土壤脲酶呈顯著正相關(guān);土壤過氧化氫酶與氨態(tài)氮、速效磷、細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量和轉(zhuǎn)化酶呈顯著正相關(guān);橡膠樹膠乳產(chǎn)量與氨態(tài)氮、速效磷、土壤脲酶和土壤轉(zhuǎn)化酶呈顯著正相關(guān);真菌數(shù)量、酸性磷酸酶與上述指標(biāo)間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。說明土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量、土壤酶活性及膠乳產(chǎn)量之間存在相互作用與影響。

圖3 不同處理下橡膠樹膠乳干膠含量與產(chǎn)量變化情況

pH:土壤pH;SW:土壤含水量;OM:有機(jī)質(zhì);NN:硝態(tài)氮;AN:銨態(tài)氮;AP:速效磷;AK:速效鉀;BQ:細(xì)菌數(shù)量;FQ:真菌數(shù)量;FQ:放線菌數(shù)量;UA:脲酶活性;TA:轉(zhuǎn)化酶活性;CA:過氧化氫酶活性;AA:酸性磷酸酶活性;YI:橡膠產(chǎn)量。*表示顯著相關(guān)(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)(P<0.01),***表示極顯著相關(guān)(P<0.001)。

3 討 論

施用保水劑能夠提高能夠土壤水保墑能力,改善土壤物理性質(zhì)也能有效提高土壤養(yǎng)分含量[16-17]。楊永輝等[18]研究顯示,保水劑能夠減少冬小麥土壤水分無效蒸發(fā),提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,降低土壤密度。張文榮等[19]研究顯示1.5 kg/667 m2凹凸棒石保水劑可以有效提高土壤養(yǎng)分含量。本研究中,與對(duì)照相比較,施用保水劑各處理土壤水分含量增加13.47%～21.52%,土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別增加4.81%～31.42%、3.34%～26.15%,速效磷提高1.25%～29.33%,速效鉀提高4.37%～31.22%,其中T2處理土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量增幅最高,保水劑使用量最高的T4處理僅土壤含水量增幅最高,土壤銨態(tài)氮、速效磷含量反而低于T2處理,與CK相當(dāng),說明保水劑能夠有效提高土壤含水和土壤養(yǎng)分含量,但施用過量會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量減少,這與胡慧蓉等[20]研究保水劑用量對(duì)膏桐土壤養(yǎng)分影響的結(jié)果一致。

表4 不同處理膠乳干膠含量和干膠產(chǎn)量

土壤微生物主要生存在土壤顆粒表面及孔隙內(nèi),增加土壤團(tuán)塊比率和土壤孔隙能夠促進(jìn)微生物增長(zhǎng)。保水劑能夠降低土壤容重和比重,增大土壤總孔隙度,提高土壤團(tuán)聚體比例[21],促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)[22],但并不是保水劑施用越多效果越好,過量施用反而對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生消極影響[23]。本研究中,當(dāng)保水劑用量高于120 g/tree后,土壤微生物總量開始下降,可能是過多保水劑會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體比例下降、土壤孔隙度變小,土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞[24],進(jìn)而抑制土壤微生物增長(zhǎng)。施用保水劑處理相對(duì)于對(duì)照,細(xì)菌和放線菌數(shù)量顯著增加,真菌數(shù)量減少,這與崔娜等[25]和劉洋等[26]在番茄和核桃施用保水劑后土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量減少、真菌數(shù)量增加的結(jié)果截然相反,可能是與土壤微生物種類的區(qū)域差異有關(guān)。另外,不同用量保水劑處理下膠園土壤細(xì)菌、放線菌、真菌分別占總微生物數(shù)量的87.52%～92.06%、7.69%～11.21%、0.25%～1.27%,施用保水劑并未顯著改變土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌的總體比例,膠園土壤微生物仍以細(xì)菌為主,這與王琰等[22]在楊樹上的研究結(jié)果一致。

土壤酶是土壤功能重要指標(biāo)之一,其活性能夠表征土壤的生物活性。保水劑作用于土壤,對(duì)土壤酶活性有一定影響[27-29]。本研究中,土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性隨保水劑用量的增加呈先升后降趨勢(shì),120 g/tree用量處理土壤酶活性最高,表明保水劑對(duì)土壤酶活性影響存在劑量效應(yīng)。本研究中土壤脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和過氧化氫酶活性與土壤細(xì)菌數(shù)量正相關(guān),這種劑量效應(yīng)可能是不同用量保水劑處理的土壤微生物數(shù)量差異引起,因?yàn)橥寥牢⑸锘顒?dòng)分泌釋放是土壤酶的重要來源,隨著土壤微生物數(shù)量增減,會(huì)導(dǎo)致釋放到土壤中酶活性隨之相應(yīng)變化。另外根系分泌釋放也是土壤酶的來源之一,土壤酶活性隨保水劑用量的差異是否為根系分泌釋放所引起,有待進(jìn)一步研究。

橡膠樹產(chǎn)量以樹體排出的膠乳為體現(xiàn),膠乳含有大量的水分和養(yǎng)分,所以膠乳產(chǎn)量在割膠期對(duì)水分和養(yǎng)分更加敏感,土壤水分和養(yǎng)分供應(yīng)狀況成為影響橡膠樹產(chǎn)量的重要因素[30]。從橡膠樹產(chǎn)量的分析結(jié)果來看,僅T2處理顯著提高橡膠樹膠乳產(chǎn)量,其增產(chǎn)可能是因?yàn)楦钅z期內(nèi)T2用量保水劑處理能夠有效減少土壤水分下降速度同時(shí),提供更優(yōu)的土壤速效養(yǎng)分供應(yīng)條件,促進(jìn)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化吸收和提高水分利用率;本試驗(yàn)中,橡膠樹膠乳產(chǎn)量與土壤氨態(tài)氮含量、速效磷含量、土壤脲酶活性以及土壤轉(zhuǎn)化酶活性呈顯著正相關(guān),進(jìn)一步說明橡膠樹產(chǎn)量的提高與施用保水劑處理后促進(jìn)土壤氨態(tài)氮含量、速效磷含量、土壤脲酶活性以及土壤轉(zhuǎn)化酶活性有關(guān),同時(shí)也可能是土壤微生物對(duì)氨態(tài)氮、速效磷轉(zhuǎn)化和利用,進(jìn)而提高土壤酶活性有關(guān),這與楊永輝等[31]在小麥上研究結(jié)果相似。

保水劑的保水蓄肥能力受自身組成和結(jié)構(gòu)、水溶液的鹽類和含量以及土壤質(zhì)地和pH等多種因素影響。馬曉凡等[32]研究顯示保水劑在含鹽量低和含沙量低的棕壤中保水和養(yǎng)分吸附效果顯著優(yōu)于鹽堿土和風(fēng)沙土,說明含鹽的水溶液和土壤中沙粒含量占比高均會(huì)降低保水劑的吸水能力。宮辛玲等、孫秀秀等[33-34]研究顯示聚丙烯酸鹽類以及粒度較小的保水劑在水溶液和土壤中持水性能優(yōu)于淀粉-丙烯酸共聚物類和粒度大的保水劑,這說明保水劑在土壤中保水性能與其主要有效成分、制作工藝、顆粒度密切相關(guān)。本研究中,T2處理保水劑施用量為120 g/tree促進(jìn)橡膠樹增產(chǎn),與原惠芳等[11]研究保水劑提高橡膠樹干膠產(chǎn)量的施用量不同(200 g/tree),分析原因可能是兩者試驗(yàn)地土壤質(zhì)地及水溶液中含鹽種類和劑量存在差異,也可能是所使用的保水劑類型、顆粒度不一樣,導(dǎo)致保水劑在土壤中吸水倍率及蓄肥能力不同,所以保水劑用量也不同。

4 結(jié) 論

隨保水用量增加,微生物數(shù)量、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量呈先增后降趨勢(shì),與不施用保水劑相比,T2(120 g/tree)處理的微生物數(shù)量、土壤酶活性、土壤養(yǎng)分含量和橡膠產(chǎn)量最高或較高,因此在成齡膠園適量施用保水劑有利于提高土壤含水量,增加土壤微生物數(shù)量,提高土壤養(yǎng)分含量和提高橡膠產(chǎn)量。