枝條覆蓋對(duì)土壤質(zhì)量及生態(tài)效益影響的研究進(jìn)展

黎日輝，鐘曉敏，段鑫垚，顏亞賽，魏如騰，王琳，王華，李華,2*

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)葡萄酒學(xué)院，陜西楊凌 712100；2. 君頂酒莊有限公司，山東蓬萊 265600）

我國擁有著廣袤的果樹栽培面積，2019年我國園林果樹的種植面積達(dá)1227.67萬 hm2[1]。大多數(shù)林果樹木每年都需修剪枝條，一部分果樹可通過高接換優(yōu)等方式進(jìn)行品種更新，這會(huì)產(chǎn)生大量廢棄枝條，以產(chǎn)生廢棄枝條4500 kg·hm-2為例來計(jì)算，年產(chǎn)生枝條量達(dá)到5524萬 t，這些枝條中富含有機(jī)質(zhì)以及碳、氮、磷等元素，具有巨大的生態(tài)效益潛力[2-3]。我國目前對(duì)于枝條的利用較為粗放，利用率較低。約有60%～80%的枝條僅被用作燃料，不僅利用程度低，還會(huì)污染環(huán)境[4-5]，有些規(guī)模較大的果園，將部分枝條用于堆肥或制作有機(jī)肥。據(jù)王曉平等[6]報(bào)道，北京地區(qū)年廢棄枝條數(shù)量達(dá)23.83萬 t，其中用以焚燒或直接丟棄的占比約60%，僅25%用以堆肥制作有機(jī)肥，13%被用作秸稈氣化裝置燃料。

枝條利用及資源化包括覆蓋、堆肥、栽培基質(zhì)等，其中覆蓋是一種經(jīng)濟(jì)化、生態(tài)化的枝條利用方式[7-9]，能有效改善土壤構(gòu)成，增加土壤微生物豐度，提高區(qū)域土壤固碳能力，是一種便捷、實(shí)用的枝條資源化利用途徑。本文從土壤改良和生態(tài)效益兩個(gè)方面闡述枝條覆蓋對(duì)土壤質(zhì)量的改良，以期為枝條覆蓋操作推廣提供理論支持參考。

1 枝條覆蓋提高土壤質(zhì)量

枝條覆蓋能蓄水保墑，提高土壤有機(jī)質(zhì)與氮、磷、鉀元素含量，增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性和孔隙度，降低土壤容重，改善土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而提升果實(shí)質(zhì)量與產(chǎn)量。枝條覆蓋通過向土壤提供外源有機(jī)質(zhì)，提高了土壤微生物群落豐度，刺激土壤微生物群落迭代，增強(qiáng)了土壤抗病性，影響土壤酶活性，并能抑制雜草生長。

1.1 枝條覆蓋改善土壤理化性質(zhì)

研究表明，枝條覆蓋可改善、提高土壤含水量，緩沖地表溫度[10-11]。枝條覆蓋通過在土壤表面添加一層物理遮蔽層，阻遏太陽光直接輻射量，防止地表水分外蒸。減緩地表與空氣的溫度交換[12-13]，且枝條中含有的大量纖維素與半纖維素是天然的儲(chǔ)水材料[14]，起到了蓄水、保墑、平抑溫度差異的作用，創(chuàng)造出較為穩(wěn)定適宜的土壤溫度環(huán)境[15-16]。盧佳等[12]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄枝條不同覆蓋方式的土壤儲(chǔ)水量較無覆蓋增加了6.33%～13.07%，儲(chǔ)水量的增幅隨土壤深度的增加而減緩。

枝條中富含大量氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等土壤營養(yǎng)元素。研究表明，枝條覆蓋能將枝條中的營養(yǎng)元素通過淋溶等方式注入土壤，顯著提高土壤水溶性有機(jī)碳含量以及氮、磷、鉀元素含量[17-21]，盧佳等[12]研究表明，相較清耕處理，葡萄枝條粉碎覆蓋下土壤速效磷、速效鉀、堿解氮及土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提升了1.79%、2.38%、10.78%、4.83%。

容重和孔隙度是表征土壤通透性的重要指標(biāo)，土壤容重越小，土壤結(jié)構(gòu)越疏松。孫萌等[22]的試驗(yàn)表明，核桃枝條粉碎覆蓋下0～60 cm深度土壤平均容重降低了7.21%，土壤總孔隙度提高了24.67%。Yilmaz等[23]的試驗(yàn)顯示，葡萄枝條粉碎還田第一年土壤容重從1.49 mg·m-3降低至1.44 mg·m-3。土壤團(tuán)聚體是衡量土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，Y?lmaza等[24]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄枝條覆蓋能夠顯著提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加大粒徑團(tuán)聚體比例，粒徑大于4 mm的團(tuán)聚體比例由44.03%提升至59.17%。

綜上所述，枝條覆蓋通過改善地表環(huán)境，截留雨水，減少地表水分蒸騰，為作物生長創(chuàng)造了良好的水熱條件，且枝條腐解還能夠?yàn)橥寥缼淼V質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)質(zhì)等作物賴以生存的養(yǎng)分，同時(shí)枝條覆蓋能夠降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤理化性質(zhì)。

1.2 枝條覆蓋改善土壤微生物豐度及群落結(jié)構(gòu)

土壤微生物豐度是土壤生態(tài)質(zhì)量的反映，既是豐富的微量元素儲(chǔ)備，又參與土壤中礦物元素的礦化，因此土壤微生物常作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)[25]。研究表明，枝條覆蓋能夠有效提高土壤微生物豐度、多樣性以及優(yōu)勢(shì)種群數(shù)量[26-29]。呂三三[30]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄枝條覆蓋后能夠顯著提高土壤微生物群落功能多樣性，且枝條覆蓋后微生物群落代謝結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生明顯變化。袁敏[27]證明了蘋果粉碎枝條覆蓋能夠顯著提高土壤中的細(xì)菌以及真菌數(shù)量，土壤真菌和細(xì)菌數(shù)量較清耕處理分別提高了58.3%和32%。

枝條覆蓋帶來的外源有機(jī)物會(huì)優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)種群發(fā)生迭代，為了分解枝條覆蓋所帶來的外源有機(jī)物，降解木質(zhì)素的真菌生物量比例會(huì)大幅提升，其中的部分真菌成為土壤中的優(yōu)勢(shì)群落。張江紅等[31]研究發(fā)現(xiàn)，蘋果粉碎枝條覆蓋下，真菌中的優(yōu)勢(shì)菌落主要為子囊菌門（Ascomycota），通常為腐生菌，是土壤中主要的真菌分解者[34]。細(xì)菌、真菌的快速繁殖能夠進(jìn)一步提高土壤對(duì)氮磷鉀等元素的轉(zhuǎn)化效率。劉思等[33]的研究表明，葡萄枝條覆蓋下細(xì)菌相對(duì)豐度大于10%的優(yōu)勢(shì)群落為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）和綠彎菌門（Chloroflexi），其中變形菌門、酸桿菌門的豐度較清耕增加6.9%、6.7%；且變形菌門、放線菌門等優(yōu)勢(shì)菌群在土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全磷轉(zhuǎn)化中扮演著重要的角色[34]。

枝條覆蓋能通過提高土壤微生物活性刺激微生物群落迭代，有效抑制植株病蟲害。蘇宏等[29]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄枝條覆蓋能夠有效提高木質(zhì)素降解菌屬相對(duì)豐度，降低病原真菌相對(duì)豐度，改變土壤優(yōu)勢(shì)種群。有研究表明，覆蓋枝條在土壤微生物的作用下，分解而成的多種物質(zhì)能夠有效地消滅枝條中的病蟲害源，也可以作為有機(jī)肥料哺育作物[35]。外源有機(jī)物的添加，提高了土壤有益真菌相對(duì)豐度，非病原體能夠在競(jìng)爭(zhēng)中有效遏制致病菌增長，能促進(jìn)土壤微生物結(jié)構(gòu)由致病菌朝向有益菌轉(zhuǎn)化[36]。

綜上所述，枝條中富含木質(zhì)素、纖維素、糖類等有機(jī)物質(zhì)，以及氮磷鉀等礦物質(zhì)元素[12]。枝條覆蓋可為土壤注入豐富的有機(jī)物質(zhì)，刺激微生物代謝及群落迭代。菌群的繁殖也促進(jìn)了覆蓋枝條的分解，使得更多養(yǎng)分進(jìn)入土壤，提高了土壤生產(chǎn)力以及植株生長量。枝條覆蓋增強(qiáng)了微生物活性，間接提高了土壤及植株微生物的排異性，有效減少了植株由致病菌導(dǎo)致的病害[36]。

1.3 枝條覆蓋影響土壤酶活性

土壤酶活性能夠表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)之一[26]。枝條覆蓋對(duì)于土壤的酶活性影響主要表現(xiàn)在影響脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和纖維素酶等酶的活性[37]。宗慶姝等[38]研究表明，枝條覆蓋可以提高土壤蔗糖酶、脲酶活性，在設(shè)施西芹拉秧期時(shí)土壤蔗糖酶、脲酶、纖維素酶活性和微生物數(shù)量呈正相關(guān)。侯婷等[39]研究表明，葡萄枝條粉碎覆蓋能顯著提高土壤酶活性，對(duì)表層（0～20 cm）土壤酶活性的影響最為顯著，土層深度增加，酶活性下降。在0～20 cm深度，粉碎枝條覆蓋處理的蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性較清耕分別增強(qiáng)95.63%、34.74%、36.92%、51.81%。

適量枝條覆蓋能夠有效的提高土壤酶活性，而過量枝條覆蓋則會(huì)降低土壤某些酶的活性，使土壤積累帶毒物質(zhì)，抑制作物生長。史昊[40]對(duì)粉碎梨樹枝條覆蓋進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，每株施加常規(guī)量（8 kg）粉碎枝條可以顯著提高土壤過氧化氫酶的活性，而添加12 kg粉碎枝條會(huì)抑制土壤過氧化氫酶活性，對(duì)作物生長產(chǎn)生危害。蘇宏等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，添加適量葡萄枝條（枝條與土壤質(zhì)量比為1∶50）有助于微生物繁殖及增加酶活，添加過量枝條（枝條與土壤質(zhì)量比為1∶10）則會(huì)抑制作物生長。楊野[41]研究了蘋果枝條中的根皮苷對(duì)土壤酶活性的影響，當(dāng)根皮苷濃度低于7.58 mg·kg-1時(shí)，過氧化物酶和過氧化氫酶的活性明顯高于清耕處理，而當(dāng)根皮苷濃度高于7.58 mg·kg-1時(shí)，過氧化物酶以及過氧化氫酶的活性會(huì)低于清耕處理。由此可見，土壤酶活性與覆蓋枝條量密切相關(guān)，根據(jù)不同作物選擇合適的枝條種類有利于實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)。

1.4 抑制雜草生長

作物生長過程中，除草是一個(gè)不可忽視的問題，但除草劑的使用會(huì)對(duì)土壤造成污染并長時(shí)間殘留[42]。大量研究表明，枝條等有機(jī)覆蓋物對(duì)雜草生長有較好的抑制能力[43-45]。段鑫垚[46]用粉碎葡萄枝條對(duì)葡萄園進(jìn)行覆蓋，結(jié)果表明枝條覆蓋對(duì)于雜草的抑制率高達(dá)100%。郭軍成等[47]對(duì)寧夏葡萄園進(jìn)行枝條覆蓋的研究發(fā)現(xiàn)，無論覆蓋的枝條是否腐熟，對(duì)于雜草的抑制率都達(dá)到了90%以上。且覆蓋厚度增加，抑制效果增強(qiáng)[43]，使用枝條覆蓋可以極大的減少除草劑的使用，滿足我國綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。

2 枝條覆蓋的生態(tài)效益

枝條覆蓋生態(tài)效益不容小覷，我國黃土丘陵區(qū)已有研究表明，枝條覆蓋能夠改善土壤荒漠化，對(duì)我國荒漠化土壤果樹種植有一定參考價(jià)值。且枝條覆蓋能夠減少水土流失，防止土壤退化，有助于我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。此外枝條覆蓋能夠提高土壤固碳能力，降低大氣二氧化碳濃度，減緩溫室效應(yīng)。

2.1 枝條覆蓋改善土壤荒漠化

土壤水分過度缺失會(huì)導(dǎo)致植被死亡和土地荒漠化[48-50]。枝條覆蓋通過對(duì)土壤表層進(jìn)行遮蔽，阻擋了土壤表層與大氣的直接連通，削弱了土壤與空氣的水分交換，減緩了土壤干層以及荒漠化的發(fā)展。

以黃土丘陵區(qū)為例，相對(duì)于裸露的地表而言枝條覆蓋能夠有效的緩解土壤干燥現(xiàn)象[50-51]。Tang等[52]對(duì)黃土丘陵覆蓋枝條，發(fā)現(xiàn)雨后持續(xù)干旱一周的情況下，枝條覆蓋的水分流失率低于清耕。并且隨著干旱時(shí)間的延長，兩者水分流失率差距越來越大。Li等[53]通過在黃土高原將枝條覆蓋以及魚鱗坑相結(jié)合的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，枝條覆蓋能夠在暴雨期間過濾土壤顆粒，有效的減少土壤物理結(jié)皮的形成。

沙化土壤對(duì)水分的保持能力低，要維持干旱地區(qū)土壤水分需要改善沙化土壤理化性質(zhì)。枝條覆蓋可以有效降低地表水分蒸騰，減少土壤水分耗散，且通過對(duì)土壤注入有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分，改善沙化土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤自身的蓄水能力，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

2.2 枝條覆蓋防止水土流失

水土流失是影響土壤質(zhì)量的主要因素，也是世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要威脅[54]。目前，我國水土流失面積已經(jīng)達(dá)294.9萬 km2，年均侵蝕總量達(dá)45億 t，部分地區(qū)年侵蝕模數(shù)達(dá)3萬 t·km-2[55]。土地徑流會(huì)造成大范圍水土流失和土壤退化[56-58]。枝條、木屑等廢料覆蓋能夠有效的減少徑流以及水土侵蝕。Seeger等[59]采用葡萄枝條覆蓋葡萄園進(jìn)行有機(jī)栽培，較傳統(tǒng)栽培的徑流系數(shù)低40%。Neris等[60]使用木屑和松針等廢料覆蓋火災(zāi)后的林地，結(jié)果表明兩者均可有效減少徑流以及水土侵蝕。粉碎枝條相較于完整枝條能夠起到更好的防止土壤水土流失的作用，Cerdà等[61]研究表明，枝條覆蓋可有效提高土壤表面粗糙度，防止地面徑流，對(duì)降低土壤侵蝕率起到顯著效果。

枝條覆蓋能夠有效的減少土壤產(chǎn)流和產(chǎn)沙量，但是覆蓋效果和覆蓋量與土壤性狀的相關(guān)性不明確。Pan等[62]使用棗樹枝條對(duì)土壤進(jìn)行覆蓋，與裸土相比，枝條覆蓋減少了15.5%～78.6%的產(chǎn)流和40.7%～98.6%的產(chǎn)沙量。枝條粉碎覆蓋的有效性隨降雨強(qiáng)度增大而降低，并與覆蓋量關(guān)系復(fù)雜，地表覆蓋度、覆蓋截留、土壤滲透性、枝條材料的穩(wěn)定性都會(huì)影響枝條覆蓋的有效性。

粉碎枝條所形成的物理遮蔽層能保護(hù)土壤表面免受雨滴引起的飛濺侵蝕、密封和結(jié)殼，可增加地表的粗糙度，降低地表徑流的產(chǎn)生量和速度[53,56-57]。但枝條覆蓋防止水土流失的效果與施用量、土壤性狀呈復(fù)雜相關(guān)性。因此因地制宜采用適宜的枝條覆蓋能最大限度的防止土壤水土流失，提高土壤質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)農(nóng)業(yè)種植。

2.3 枝條覆蓋增強(qiáng)土壤固碳能力

耕地的碳損失所加劇的溫室效應(yīng)是全球范圍內(nèi)最大的環(huán)境問題之一[63]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放會(huì)導(dǎo)致大氣中CO2濃度升高[64]，但枝條覆蓋可以提高土壤固碳能力，將部分碳源以土壤有機(jī)碳的形式固存于土壤中，避免碳源礦化形成CO2釋放到大氣中，緩解全球溫室效應(yīng)[65]。枝條覆蓋能讓土壤擁有更強(qiáng)固碳能力，Thomas等[66]在葡萄園的試驗(yàn)證實(shí)，枝條覆蓋增強(qiáng)了土壤固碳能力，土壤有機(jī)碳存量較清耕處理增長率高5.8%，Pedro等[67]研究也表明，枝條覆蓋能顯著提高土壤有機(jī)碳存量，抑制其礦化。

Liang等[65]研究指出，枝條等有機(jī)投入物的80%～90%會(huì)在微生物的呼吸作用下短時(shí)間內(nèi)快速礦化，生成CO2，而形成土壤有機(jī)碳的關(guān)鍵在于土壤微生物大量繁殖所帶來的有機(jī)分子及腐殖質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)部分會(huì)作為土壤有機(jī)碳被封存，被封存的有機(jī)碳含量大概占外源有機(jī)碳總量的10%。有研究表明，枝條覆蓋所形成的腐殖質(zhì)進(jìn)入土壤后，能夠通過提高團(tuán)聚體粒徑形成大團(tuán)聚體，這些大團(tuán)聚體會(huì)以包裹的形式保護(hù)進(jìn)入土壤中的有機(jī)碳，抑制碳礦化，最終提高土壤有機(jī)碳含量[68]。

3 結(jié)論與展望

枝條覆蓋在提高土壤質(zhì)量，增加生態(tài)效益兩個(gè)方面效果顯著。枝條覆蓋能夠做到恒溫、蓄水，并且能夠?yàn)橥寥缼硗庠从袡C(jī)物，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，為作物生長提供良好的生長環(huán)境。外源有機(jī)物的分解能夠顯著提高土壤微生物活性以及酶活性。微生物活性以及酶活性的提高能夠加速枝條分解，為土壤帶來更多的可吸收有機(jī)質(zhì)，有益于作物生長。且枝條覆蓋能夠?qū)﹄s草起到遮蔽效果，抑制野草生長，最大限度的保護(hù)作物的生長環(huán)境。枝條覆蓋能有效阻擋雨水濺蝕，減少土壤徑流，減少土壤的水分蒸騰，進(jìn)一步防止水土流失與土壤荒漠化，通過提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，將土壤中的外部碳源轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳，提高土壤的碳封存能力，減少溫室氣體排放，緩解溫室效應(yīng)。

雖然枝條覆蓋在提高土壤質(zhì)量及生態(tài)效益方面具有卓越效果，但目前枝條覆蓋在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步研究。需結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、植株類別、裁剪枝條量、土壤類型、水土問題選擇合適的覆蓋厚度和覆蓋方法。當(dāng)前我國缺乏一種專業(yè)化、集約化、現(xiàn)代化的枝條覆蓋操作指南和管理措施。我國大部分地區(qū)缺乏配套枝條覆蓋農(nóng)機(jī)，難以大規(guī)模推廣枝條覆蓋技術(shù)，應(yīng)加大力度研發(fā)配套農(nóng)機(jī)，加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝與枝條覆蓋技術(shù)相配套的程度，以利于提高枝條覆蓋技術(shù)的泛用性。同時(shí)可將枝條覆蓋所帶來的生態(tài)效益如水土維持等，納入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的經(jīng)濟(jì)評(píng)估體系中，并將枝條覆蓋技術(shù)的生態(tài)價(jià)值也計(jì)入農(nóng)業(yè)面經(jīng)濟(jì)評(píng)估中，進(jìn)一步完善對(duì)枝條覆蓋模式的生態(tài)面評(píng)價(jià)，將枝條覆蓋所帶來的生態(tài)效益量化，以更好地評(píng)估枝條覆蓋所帶來的生態(tài)價(jià)值。