荒地不同壓砂年限對土壤微生物區系、酶活性與土壤理化性狀的影響

胡景田，馬琨，王占軍，何建龍

(1.寧夏大學農學院，寧夏銀川750021;2.寧夏農林科學院荒漠化治理研究所，寧夏銀川750002)

寧夏中衛市環香山地區梁峁起伏，溝壑縱橫，具有典型的黃土丘陵地貌類型，當地農民將洪積扇(干旱、半干旱地區暫時性山地水流出山口堆積形成的扇形地貌)上沖刷下來的砂礫石拉到坡耕地、荒地、山地斜坡上，鋪蓋10—20 cm的砂層，形成能夠種植農作物的壓砂地[1]，逐步發展成為我國種植區域最為集中、連片規模最大的無公害壓砂西瓜甜瓜生產基地[2]。壓砂作為特殊的耕作方式，受到國內外學者的關注，許多研究表明，壓砂地具有減少蒸發和徑流，提高水分的入滲和土壤溫度，阻止水土流失和土壤的次生鹽漬化的作用[3-8]，砂田能有效地協調水、肥、氣、熱的矛盾，有利于作物的高產、穩產和早熟[6-7，9-11]。寧夏中衛環香山地區，對西瓜品種、栽培和高產等研究較多[12]，而壓砂對土壤的影響研究較少，許強等人對其砂田水熱及減塵效應、肥力演變特征進行了初步研究[13-14]，未見壓砂覆蓋對土壤生物學性質的研究報道。本文就不同壓砂年限荒地壓砂地土壤微生物區系、酶活性和理化性狀進行研究，分析其壓砂地土壤微生物區系、酶活性和理化性狀的變化規律，為壓砂地的持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

荒地壓砂樣地(105°09′E，37°03′N)位于寧夏中衛市香山鄉，海拔為1 760～1 772 m，地處騰格里沙漠的邊緣地帶，原始景觀為干草原—荒漠草原;氣候屬于干旱半干旱過渡帶。降水稀少，蒸發強烈:年平均降水量為247.4 mm，而且降水分布不均衡，集中于7—9月，多為陣雨或暴雨，年均蒸發量在2 100～2 400 mm之間，約是降水量的7～8倍，是全國最干旱的地方之一;有效積溫高，晝夜溫差大:年均溫6.8℃，≥10℃的有效積溫2 332.05℃，年平均太陽總輻射量567.09 kJ/cm2。晝夜溫差在12℃～16℃，無霜期140～170 d。

1.2 樣品采集

選取荒地陽坡不同壓砂年限種植田塊作為典型樣地 :3 a(西瓜)，8 a(西瓜)，15 a(油葵)，25 a(西瓜)，砂地厚度為10—20 cm，并以鄰近未壓砂無種植作為荒地對照。

采用土鉆法，按梅花型方式設點10個，采取砂下層土壤，按0—20，20—40 cm分層采集土樣，樣品自然風干后剔除雜質、磨細、過篩、裝瓶后供化學性質測定和酶活性分析;同時采集0—20，20—40 cm新鮮土樣0℃～4℃保存供微生物量測定，48 h內測定。取土后把10重復的土壤分層均勻混合;采集0—20，20—40 cm環刀樣品供土壤容重、田間持水量測定。采樣時間為2008年7月19日，是作物生長旺盛時期，樣地無人工施肥，天然降水補給水分。

1.3 測定項目與方法

(1)微生物區系。細菌、真菌及放線菌采用稀釋平板計數法測定，分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂、馬鈴薯—蔗糖瓊脂(PDA)、改良高氏1號作為培養基[15]。將涂好平板的培養皿放入28℃的培養箱中培養，細菌培養2～3 d，真菌培養3～5 d，放線菌培養5～7 d。每處理4個重復。

(2)土壤酶活性分析和理化性質:每處理3個重復，風干樣測定。土壤脲酶活性采用苯酚—次氯酸鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法，比色使用UV759S紫外可見分光光度計[16]。土壤容重、田間持水量采用環刀測定法，土壤含水量采用烘干法，機械組成采用比重計測定法，有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，全氮采用K-370凱氏定氮儀，堿解氮采用堿解擴散法，全磷采用HClO4—H2SO4鉬銻抗比色法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法，全鹽采用電導法，pH 采用電位法[17]。

1.4 數據處理

數據用 Excel，SPSS15.0和SAS8.2軟件進行分析，采用Duncan's新復極差法進行多重比較，并進行相關性分析和主成分分析，結果表示為mean±sd。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物區系的分布

對照是未壓砂無種植地，3，8，15，25 a分別為3，8 ，15，25 a壓砂地年限。

砂田耕作主要是耖砂，目的是疏松砂層，破除板結，消除雜草。一般說來，新砂田[18](20 a)(根據鋪壓年限)一年內耖l～2次;中砂田(20～40 a)砂層含土量增加，一年內耖3～5次;休閑的砂田耖5～7次[6]。15 a樣地采用機械耖砂易使砂土混合，25 a采用牲畜耖砂不易攪動砂下土壤。

由表1分析得出，0—20 cm壓砂地和未壓砂地細菌、真菌和放線菌數量多于20—40 cm。0—20 cm對照細菌和真菌的數量高于壓砂地;除15 a，0—20 cm和20—40 cm壓砂地細菌和真菌數量隨著壓砂年限的延長而減少，15 a機械耖砂促進了細菌和真菌的生長;菌類數量與土壤含水量、pH值密切相關。除25 a，0—20 cm壓砂地放線菌的數量高于對照，20—40 cm壓砂地放線菌數量隨著壓砂年限的延長而減少，放線菌生長條件比較復雜，原因待進一步研究。

0—20 cm和20—40 cm土壤微生物總數對照多于壓砂地，壓砂抑制了菌類的生長。0—20 cm壓砂地微生物總數隨著壓砂年限的延長而減少。是因為在壓砂初期，水熱條件較好，土壤微生物活性較強，但隨著壓砂年限的延長，砂田的蓄水保墑及增溫效應的逐漸降低，土壤緊實，通氣性較差，土壤微生物活性減弱。土壤微生物總數以細菌最多，放線菌次之，真菌只占總數的極少一部分。0—20 cm細菌占微生物總數的61.26%～85.23%，放線菌占總數的14.44%～38.61%，真菌占總數的0.12%～0.38%;20—40 cm細菌占微生物總數的78.19%～93.24%，放線菌占總數的6.58%～21.57%，真菌占總數的0.18%～0.83%。0—20 cm 和20—40 cm放線菌/細菌的比例對照最低，為16.95%和7.05%，8 a最高為63.03%和27.59%;0—20 cm和20—40 cm真菌與細菌的比例15 a最高，為0.52%和0.93%，說明壓砂種植改變了菌類比例。

表1 不同壓砂年限對土壤微生物區系及酶活性的影響

2.2 壓砂對土壤酶活性的影響

壓砂地脲酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性0—20 cm比20—40 cm高。脲酶是一種分解含氮有機物的水解酶，是植物氮素營養的直接來源。壓砂地0—20 cm和20—40 cm脲酶活性隨著壓砂年限的延長呈下降趨勢;過氧化物酶能氧化土壤有機物質，在土壤腐殖質的形成過程中有重要作用。除15 a，壓砂地0—20 cm過氧化氫酶亦隨著壓砂年限的延長呈上升趨勢，壓砂地20—40 cm過氧化氫酶活性隨著壓砂年限的延長呈上升的趨勢。

壓砂種植特殊的耕作方式是盡量避免砂土混合保持地力，耖砂對20—40 cm擾動較少，西瓜須根系大部分留在地下，在微生物作用下腐爛分解產生過氧化氫物。磷酸酶是一種表征土壤磷素生物轉化方向和強度的水解酶，使有機或無機磷酸鹽轉化為植物可吸收磷。

0—20 cm對照堿性磷酸酶活性高于壓砂地，與土壤含磷量密切相關。壓砂前8 a，0—20 cm壓砂地脲酶和過氧化氫酶活性高于對照，壓砂初期，水熱條件利于土壤潛在養分的轉移，作物生長處于旺盛時期，提高了酶活性。

2.3 壓砂對土壤物理性質的影響

由表2分析得出，0—20 cm和20—40 cm壓砂地土壤含水量高于對照，說明壓砂具有蓄水保墑作用;壓砂各年限土壤含水量差異明顯，與砂土層厚度、覆沙層砂土比和降水時空分布不均有關;2008年60%的降雨集中在6月和8月，7月干旱少雨，土壤含水量遠遠少于田間持水量。0—20 cm土壤容重和砂粒含量比20—40 cm高，0—20 cm土壤含水量和黏粒含量比20—40 cm 低。25 a樣地 0—20 cm 和20—40 cm粉粒和黏粒含量高于15 a，但低于前8 a，與耖砂方式造成的砂土比、砂層厚度和休閑次數有關[7]。前15 a樣地0—20 cm和20—40 cm粉粒含量隨著壓砂年限的延長呈下降趨勢。壓砂地土壤容重和粉粒含量呈先下降后上升的趨勢，田間持水量呈先上升后下降的趨勢。壓砂初期，作物生長旺盛，隨著壓砂年限延長，蓄水保墑能力下降，土壤緊實。

表2 壓砂對土壤物理性質的影響

前8 a樣地0—20 cm和20—40 cm砂粒含量低于對照，是研究區地處騰格里沙漠的邊緣地帶，荒地坡度明顯，降水時空分布不均，干旱季節土壤水分較低，植被生長較少，干旱多風，吹走裸露疏松的地表土，導致土壤沙化;雨季降水多以陣雨或暴雨形式降落，雨水挾帶沖走大量的表層土壤，水土流失嚴重。

2.4 壓砂對土壤化學性質的影響

由表3分析得出，壓砂地和未壓砂地有機碳、全氮、堿解氮和速效鉀0—20 cm含量高于20—40 cm。0—20 cm壓砂地速效鉀含量隨著壓砂年限的延長而降低;0—20 cm和20—40 cm前15 a壓砂地有機碳、全氮和堿解氮含量隨著年限的延長逐年降低，25 a含量普遍高于15 a;0—20 cm前15 a壓砂地全磷和速效磷含量隨著壓砂年限的延長而降低，25 a全磷含量高于其它壓砂年限。說明壓砂連續種植，無人工施肥，休閑次數較少或沒有的條件下，土壤肥力下降。0—20 cm和20—40 cm全磷和速效磷對照含量高于壓砂地，壓砂種植對土壤潛在養分磷肥釋放遲緩。

表3 壓砂對土壤化學性質的影響

0—20 cm壓砂3 a有機碳、全氮、堿解氮和速效鉀含量高于對照，原因是壓砂種植初期，水熱條件較好，砂田潛在養分釋放較快，有效養分含量較對照略高，還有原因是研究區特殊的自然地理狀況，風蝕、水蝕嚴重，疏松裸露表層土壤流失。

25 a樣地0—20 cm和20—40 cm有機碳、全氮、堿解氮高于15 a，但低于3 a。土壤休閑期，沒有作物吸收養分，降水沖刷覆沙層，覆沙層中土壤流失到耕作層，土壤養分增加。農彥稱“吃砂要養砂，務砂如繡花”。砂土混合后，保墑能力降低，造成水土流失。

0—20 cm和20—40 cm壓砂地全鹽含量明顯低于對照，壓砂保水減蒸，有效地控制了土壤下層的可溶鹽類隨水分蒸發而上升地表積聚。20—40 cm壓砂地全鹽含量隨著壓砂年限的延長而增加。壓砂地和未壓砂地全鹽0—20 cm含量低于20—40 cm。壓砂3 a樣地0—20 cm和20—40 cm全鹽含量比對照分別降低91.61%～90.86%。25 a樣地0—20 cm和20—40 cm全鹽、pH值高于其它壓砂年限，應種植10～20 a后，改變種植方式，選擇耐旱壓堿植被改善土壤，提高土壤質量。

砂地長期免耕，不施肥料，連續種植10～15 a后肥力衰退，作物產量降低。經調查，荒地砂田一般采用休閑耕作制，一種情況是雨量很少的年份，無人工灌水，土壤墑情太差，播種不能出苗而被迫休閑;另一種情況是連種幾年后，安排休閑1 a或2 a，以便恢復地力。

15 a在2008年種植油葵，改善種植西瓜作物單一對土壤養分的影響，延緩地力衰退;25 a砂地輪歇次數較多，在2008年種植前歇地2 a。

2.5 相關性分析

0—20 cm土壤微生物區系、酶活性與土壤理化性狀的相關分析表明，速效鉀與細菌，速效磷、全鹽與真菌，田間持水量、全磷與放線菌，有機碳、堿解氮和pH與脲酶，全氮、全鹽與堿性磷酸酶具有較好的相關性(表4)。同一樣地0—20 cm土壤含水量和pH值比20—40 cm低，而0—20 cm菌類數量比20—40 cm多，相關關系表明細菌和真菌與自然含水量呈顯著負相關，放線菌也與自然含水量呈負相關關系。土壤含水量的差異是15 a細菌和真菌數量比8 a多的重要原因。細菌與速效磷、全鹽呈顯著正相關。酶活性0—20 cm比20—40 cm高，相關關系表明脲酶與砂粒呈顯著負相關，與粉粒和速效鉀呈顯著正相關;過氧化氫酶與自然含水量有顯著正相關性;堿性磷酸酶與全磷、pH呈顯著正相關。

表4 0—20 cm土壤微生物區系、酶活性與土壤理化性質的相關系數

2.6 綜合效應分析

0—20 cm土壤微生物區系、酶活性、物理性質和化學性質主成分分析表明，前3個主成分Prin1，Prin2，Prin3的貢獻率分別為 37.25%，25.22%和22.01%，累積貢獻率達84.48%。說明前3個主成分能基本反映土壤微生物區系、酶活性和理化性狀信息。它們的表達式為:

第一主成分表達式中各指標的系數分別為0.263，0.192，0.073，0.242，-0.082，0.135，0.099，-0.254，0.288 ，-0.145 ，-0.110 ，-0.119 ，0.317 ，0.326 ，0.354 ，0.065，0.332，0.329，0.197，-0.077;第二主成分相應的系數分別為 0.025，0.062，-0.390，-0.291，0.099，0.348，0.140，0.222，-0.199，-0.059，-0.326，0.003，0.027，0.123 ，0.027，0.423，0.142，-0.169 ，0.234，0.334;第三主成分相應的系數分別為-0.304，-0.400 ，-0.119，0.143，0.451，0.171 ，0.040，-0.216，0.204，0.021 ，0.069，0.450，0.235 ，0.171，0.121 ，0.049，-0.131 ，0.032，-0.204 ，0.148。

可看出，0—20 cm第一主成分主要綜合了有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的變異信息，第二主成分則綜合了放線菌、堿性磷酸酶、田間持水量、全磷和pH的變異信息，第三主成分則綜合了細菌、真菌、過氧化氫酶和自然含水量的變異信息。第一主成分的累積方差貢獻率最大，因此壓砂對土壤養分有很大的影響。

3 結論

(1)土壤微生物區系和土壤酶活性與土壤理化性質有一定相關性，可以用來作為土壤肥力的指標，評價土壤肥力水平和土壤質量，但不能用同一種酶活性表征土壤肥力水平[19]。

隨著壓砂年限的增加，土壤微生物總數減少，前15 a壓砂地有機碳、全氮和堿解氮含量隨著年限的延長也逐年降低。土壤微生物承擔著物質的轉化功能，對土壤氣候因子、物理和化學養分組成的變化很敏感，通過其種類、數量和分布來反映土壤質量，通過系統的土壤微生物調查，可為評估土壤質量提供量化指標[20]。

前15 a脲酶、全氮和堿解氮含量隨著壓砂年限的延長呈下降趨勢。脲酶可用來表征有機氮的轉化情況。0—20 cm對照堿性磷酸酶活性、全磷和速磷含量高于壓砂地，相關性表明，堿性磷酸酶活性與土壤含磷量和pH值密切相關。

(2)土壤微生物區系數量排序為:細菌＞放線菌＞真菌，真菌的數量占菌類總數小于1%。主要是由于細菌與放線菌適宜在中性或微堿性的土壤環境上生長，真菌適宜在酸性土壤生存[21]。0—20 cm和20—40 cm土壤微生物總數對照多于壓砂地，壓砂抑制了菌類的生長。

(3)壓砂的生態效應迥異:壓砂地土壤含水量高于未壓砂地，壓砂蓄水保墑，防止土壤沙化。壓砂地全鹽含量遠遠低于未壓砂地，壓砂抑制了鹽分的上升，有效降低土壤鹽漬化。壓砂連續種植，長期不施肥，肥力逐年下降，與許強等研究結果一致[14]。

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