保水劑施用量對楊樹苗土壤物理性狀與微生物活性的影響

王 琰, 井大煒, 付修勇， 劉富剛， 段曉塵，劉 芬， 郭艷玲, 昝林生, 張 紅, 賈海慧

(1.德州學院 資源環境與規劃學院, 山東 德州 253023; 2.德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

保水劑施用量對楊樹苗土壤物理性狀與微生物活性的影響

王 琰1, 井大煒1, 付修勇1， 劉富剛1， 段曉塵1，劉 芬1， 郭艷玲2, 昝林生2, 張 紅2, 賈海慧2

(1.德州學院 資源環境與規劃學院, 山東 德州 253023; 2.德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

[目的] 探討保水劑不同施用量對楊樹土壤物理性狀與微生物活性的作用效果,為中國楊樹人工林節水高產實踐模式提供理論依據與技術參考。[方法] 研究CK(常規灌量)、CL(60%常規灌量配施10 g保水劑)、CM(60%常規灌量配施30 g保水劑)和CH(60%常規灌量配施50 g保水劑)4個處理對楊樹苗土壤物理性狀、水穩性團粒結構、微生物數量、微生物呼吸和代謝熵的影響。[結果] 同CK相比，CM處理顯著降低了土壤容重，并明顯提高了非毛管孔隙度，其中土壤容重分別較CK，CL和CH處理顯著下降13.71%，5.31%和7.76%；還明顯促進了土壤大團聚體(>0.25 mm團粒)的形成。同時，CM處理明顯增加了土壤微生物總量和微生物量碳、氮含量，并顯著增強了土壤微生物呼吸作用，其微生物呼吸速率分別比CK，CL和CH處理提高30.77%，11.84%和7.59%。此外，CM處理還降低了代謝熵，分別較CK，CL和CH處理下降4.81%，8.29%和9.74%。[結論] 適宜的節水灌溉措施(60%常規灌量與30 g保水劑組合)有助于改善楊樹苗土壤的物理環境，并增強微生物活性。

保水劑; 楊樹苗; 土壤團聚體; 土壤微生物呼吸; 代謝熵

文獻參數： 王琰, 井大煒, 付修勇， 等.保水劑施用量對楊樹苗土壤物理性狀與微生物活性的影響[J].水土保持通報，2017,37(3)：53-58.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.009； Wang Yan, Jing Dawei, Fu Xiuyong, et al. Effects of application amount of super-absorbent polymer on soil physical characteristics and microbial activity under poplar seedlings[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：53-58.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.009

目前，全世界干旱半干旱地區的面積已超過地球陸地總表面積的1/3[1]，中國干旱半干旱區面積約占全國陸地面積的47%，隨著全球氣候變暖，這種干旱化的趨勢仍在繼續增強[2]。部分地區雖雨量充沛但是降水季節性波動也比較大，經常出現季節性干旱，有效地利用有限的水資源也是解決水資源短缺的方法之一[2]。楊樹是中國速生豐產林工程的主要造林樹種，為了確保水資源的可持續利用，采取楊樹節水灌溉技術顯得尤為重要。

新型節水保水材料——保水劑的出現為節水灌溉技術的實施提供了一種新途徑和新方法[3]。保水劑是一種交聯密度很低、高水膨脹性、吸水力超強的高分子聚合物。它是土壤的良好膠結劑，有土壤“微型水庫”之稱，能迅速吸收并保持自身質量數百倍乃至上千倍的水分，而且所吸收水分的85%～95%以上是植物可以利用的有效水[4-5]。同時，施用保水劑可以提高水資源利用效率，調節水、肥、氣、熱狀況，改善作物生長條件，在節水農業和生態環境恢復中得到廣泛應用[6]。已有大量關于保水劑在玉米、白菜、棉花等農作物上的應用研究[7-9]，但針對楊樹的研究相對較少，尤其關于保水劑對楊樹土壤物理性狀與微生物活性的研究更是鮮見報道。土壤微生物量既是土壤有機質、土壤養分轉化與循環的動力,還可作為土壤中植物有效養分的儲備庫[10]。土壤微生物活性調控著土壤碳礦化過程、養分循環及生態系統生產力，并且土壤微生物量與活性是表征土壤質量的主要微生物學指標，可快速地指示土壤質量的變化趨勢[11]。此外，通過前期關于不同灌溉量與保水劑組合的研究發現[3]，60%常規灌溉量配施保水劑仍能顯著促進楊樹林木的生長，但關于同一灌溉量與不同保水劑用量的組合研究尚未涉及。為此，本研究擬以一年生楊樹苗為試材，以盆栽的方式，探討保水劑不同用量對楊樹苗土壤物理性狀和微生物活性的影響機制及效應，進一步明確保水劑對楊樹種植的節水效果，以期為中國楊樹人工林節水高產實踐模式提供理論依據與技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗地點設在山東省林業科學研究院試驗苗圃，供試土壤為潮土，土壤速效氮含量27.89 mg/kg，速效磷含量25.76 mg/kg，速效鉀含量78.52 mg/kg，有機質含量6.79 g/kg，pH 8.10。所用保水劑為XL型丙烯酰胺—丙烯酸鉀交聯共聚物，粒徑為1.6～4.0 mm，其陰離子度為12.3%，含水率為9.7%，表觀密度為0.78 g/cm3，吸純水倍數為350，吸1 000 mg/kg NaCl水溶液倍數為180。所用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)與氯化鉀(含K2O 60%)。楊樹扦插苗品種為I-107歐美楊，接穗長15～16 cm，莖粗2 cm，重量為25～27 g。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，每盆裝土10.0 kg，隨機區組設計，依據前期的研究[3]，共設4個處理： (1) CK，常規灌溉量； (2) CL，60%常規灌溉量配施0.1%保水劑(10 g/盆)； (3) CM，60%常規灌溉量配施0.3%保水劑(30 g/盆)； (4) CH，60%常規灌溉量配施0.5%保水劑(50 g/盆)。每個處理15盆，共計60盆。每個處理的肥料施用量保持一致，N，P和K含量分別為3.55，1.94，3.94 g。試驗用盆為塑料盆，盆高20 cm，直徑30 cm。于2016年4月12日盆栽試驗時，將保水劑、肥料與土壤充分混勻后裝盆，控制裝土容重為1.19 g/cm3。在楊樹苗整個試驗期間，CK的常規灌水量為90 L，而CL，CM和CH處理的灌水量均為54 L。

1.3 測定項目與方法

在2016年10月18日(落葉前)，用自制土鉆分別取各盆土面至盆底的土壤，混合均勻后分成兩份：一份新鮮土樣于4 ℃冰箱避光保存，盡快測定微生物數量、微生物量碳、氮和微生物呼吸；另一份樣品自然風干，用于測定土壤水穩性團粒結構。同時，采用環刀法測定土壤容重，并計算土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。

采用濕篩法[12]獲得各級別土壤團聚體的含量，分別通過孔徑為5，2，1，0.5和0.25 mm 5個篩級，并計算>0.25 mm的團聚體含量。土壤微生物數量采用稀釋平板計數法，細菌采用牛肉蛋白胨瓊脂培養基；放線菌采用改良高氏1號培養基；真菌采用馬丁—孟加拉紅培養基[13]。土壤微生物量碳和氮的測定采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法[14]。土壤微生物呼吸的測定采用室內密閉培養法[3]，并以單位質量土壤平均每小時釋放的CO2-C數量表示,單位為mg/(kg·h)。代謝熵是土壤微生物呼吸與土壤微生物量碳的比值，用mg/(g·h)表示。

1.4 統計分析

數據處理使用SPSS 11.5軟件，采用one-way ANOVA(單因素差異顯著性分析法)中的LSD(最小顯著法)在α=0.05水平下檢驗不同處理對土壤物理性狀與微生物活性等指標的影響。

2 結果與分析

2.1 土壤容重與孔隙度

從表1可知，同CK相比，CL，CM和CH處理均明顯降低了楊樹苗的土壤容重，其中CM處理最低，分別較CK，CL和CH處理下降13.71%，5.31%和7.76%，差異均達顯著水平。同時，CL，CM和CH處理顯著提高了土壤總孔隙度和毛管孔隙度，其中CH處理的毛管孔隙度顯著高于其他處理，而CM處理的總孔隙度最高，并明顯高于其他處理。此外，CM處理的非毛管孔隙度、非毛管孔隙度/毛管孔隙度比值均最高，其中非毛管孔隙度分別比CK，CL和CH處理顯著高出25.71%，9.98%和147.06%；而非毛管孔隙度/毛管孔隙度比值與CK，CL處理差異未達顯著水平，但均明顯高于CH處理。從表1還可見，CL與CH處理的土壤容重、總孔隙度均差異不顯著，而CL處理的非毛管孔隙度顯著高于CH處理。以上分析認為，減量灌溉配施保水劑能顯著降低楊樹苗的土壤容重，明顯提高總孔隙度。但隨著保水劑用量的增加，土壤容重呈先降低后升高的變化趨勢，總孔隙度和非毛管孔隙度呈先升高后降低的趨勢。這表明減量灌溉與適量保水劑(30 g/盆)組合對楊樹苗土壤物理性狀的改善效果最佳，而并非保水劑用量越多越好。

表1 不同處理對楊樹苗土壤容重與孔隙度的影響

注：CK為常規灌溉量； CL為60%常規灌溉量配施0.1%保水劑(10 g/盆)； CM為60%常規灌溉量配施0.3%保水劑(30 g/盆)； CH為60%常規灌溉量配施0.5%保水劑(50 g/盆)； 數據為平均值±標準差，同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 水穩性團粒結構

土壤結構決定土壤的物理肥力，同時也決定有效肥料元素在土壤中的遷移運動和土壤生物的生存，因此土壤結構是土壤肥力的基礎。通常把粒徑>0.25 mm的團粒作為評價土壤結構的標準[12]。從表2可見，減量灌溉條件下添加保水劑對楊樹苗土壤團粒結構的形成具有明顯促進作用，尤其是對創建土壤中0.5～5 mm粒徑的團粒影響顯著。而在3個保水劑處理中，以CM處理的>0.25 mm團粒含量最高，分別較CK，CL和CH處理高出27.07，13.05，6.35個百分點，差異均達到顯著水平。數據表明，60%常規灌量配施一定量的保水劑能顯著提高楊樹苗表層土壤結構的穩定性，這可能與保水劑促進了楊樹苗根系的生長和土壤微生物的活性有關。但當保水劑用量增加到0.5%時，>0.25 mm團粒含量不增加反而減小，說明在土壤中并不是施用保水劑量越多土壤結構就越穩定，當保水劑用量過大時會一定程度地破壞土壤結構，可能引起土壤板結，表現出一定的負面影響。

2.3 土壤微生物數量

由表3可以看出，楊樹苗土壤微生物以細菌為主，放線菌次之，而真菌最少，其所占微生物總量的比例分別為82.99%～87.35%，11.25%～15.73%和1.29%～1.60%。與CK相比，施用保水劑的3個處理均顯著提高了楊樹苗土壤的細菌數和真菌數，而對放線菌數的影響較小。在施用保水劑處理中，CM處理的細菌數達最高值，并顯著高于其它處理，分別較CK，CL和CH處理提高49.59%，20.36%和14.16%；CM和CH處理的真菌數差異不顯著，但均顯著高于CL處理。同時，各處理微生物總量的變化趨勢與細菌數一致。從表3還可見，楊樹苗土壤的微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量表現出基本一致的變化規律，其大小次序為：CM>CH≈CL>CK。CM處理的MBC和MBN含量均顯著高于其他處理，其中MBC含量分別比CK，CL和CH處理高出36.32%，21.93%和19.19%。此外，各處理MBC/MBN比值分別為6.17，6.23，6.98，6.24。方差分析表明，CM處理的MBC/MBN比值最大，并與其他3個處理差異達顯著水平，而CK，CL和CH處理之間MBC/MBN比值無顯著性差異。由此可見，減量灌溉與適量的保水劑組合能顯著增加楊樹苗土壤的微生物總量，并提高微生物量碳、氮含量，這對于提高微生物活性、增強土壤的供肥性具有重要的促進效應。

表2 不同處理對楊樹苗土壤水穩性團粒結構組成的影響

表3 不同處理對楊樹苗土壤微生物數量與微生物量碳、氮含量的影響

2.4 微生物呼吸與代謝熵

土壤呼吸指土壤由于代謝作用而釋放CO2的過程,包括3個生物學過程：植物的根系呼吸、土壤微生物的異氧呼吸與土壤動物呼吸，其中最重要的部分是根系呼吸與土壤微生物異氧呼吸[15]。因為本研究去除了植物的根系，并采用室內培養法測定土壤呼吸速率，故考察的土壤呼吸主要為土壤微生物呼吸。從圖1可以看出，施用保水劑較對照顯著提高了楊樹苗土壤的微生物呼吸速率，CL，CM和CH處理分別提高16.92%，30.77%和21.54%。而在3個保水劑處理中，CM處理的土壤微生物呼吸速率最高，分別比CL和CH處理顯著提高11.84%和7.59%，而CL與CH處理間無顯著性差異。

代謝熵指土壤微生物呼吸速率與微生物量碳的比率，不但能反映土壤微生物種群利用土壤有機成分的效率，而且還可指示土壤質量的變化趨勢與生態系統的成熟度[16]。從圖1可見，同對照相比，施用保水劑3個處理的代謝熵表現出明顯的差異，CL和CH處理的代謝熵顯著高于CK，且CL與CH處理之間差異不顯著，而CM處理的代謝熵則顯著低于CK，分別較CK，CL和CH處理降低4.81%，8.29%和9.74%，差異均達顯著水平。由此可知，60%常規灌量與適量的保水劑配施既可以顯著增強楊樹苗土壤的微生物呼吸作用，還能降低代謝熵，而保水劑用量過小或過大的作用效果則明顯減弱，表明保水劑的施用量至關重要。

圖1 不同處理對楊樹苗土壤微生物呼吸與代謝熵的影響

3 討 論

本試驗研究中，在減量灌溉的條件下添加保水劑能顯著降低楊樹苗的土壤容重，并增加了土壤總孔隙度和毛管孔隙度。這一結論在大量的研究中均得到了證實[3,10,17]。可能是因為保水劑具有高分子三維網狀結構，且有大量羧基、羥基等親水官能團，形成吸水動力。當保水劑吸水后會膨脹，而待其吸收的水分釋放時，它又收縮，再吸水又膨脹。這一過程在土壤中反復發生，因此會引起土壤中三相比例的不斷改變，從而使土壤變得疏松[5,18]。同時，本試驗表明，CL和CM處理較CK能顯著提高楊樹苗土壤非毛管孔隙度，說明減量灌溉配施保水劑不僅增加土壤總孔隙度，也增加非毛管孔隙度，增強了土壤的通氣性能；而CH處理的總孔隙度雖稍高于CK，但非毛管孔隙度僅有6.78%，表明過量施用保水劑反而降低土壤非毛管孔隙度，減弱了其通氣性，易造成土壤板結，不利于楊樹苗的生長。這與侯賢清等[19]關于馬鈴薯的研究結果基本一致。

粒徑0.25～5.00 mm的土壤團粒含量越高，土壤透氣度越大，土壤涵養水分和供應植物所需水分的能力越強[12]。本研究得出，施用保水劑措施有利于土壤大團粒結構的形成，這一結論與大多數學者的研究結果相似[6,8]。同時，隨著保水劑用量的增加，土壤容重呈現出先降低后升高的變化趨勢，而>0.25 mm團粒含量是先升后降的趨勢，這與許紫峻等[20]的研究結論基本一致。說明施用保水劑并非越多越好，只有適量的保水劑才能更好地改善楊樹苗土壤的物理性狀，而過高或過低的施用量均達不到最佳的作用效果。而崔英德等[21]的研究則認為，隨保水劑用量的增加，土壤中大團聚體仍呈遞增的趨勢，這與本研究結果不完全一致，造成這一差異可能與保水劑類型、土壤質地及試驗周期等因素有關，具體原因還有待于進一步研究。

土壤微生物是土壤有機質和土壤養分轉化循環的動力，對土壤肥力的形成起著重要作用[22-23]。土壤微生物呼吸主要是指微生物對土壤有機質的分解過程，即土壤有機質潛在的礦化速率。它是表征土壤肥力與質量的主要生物學指標之一，可以反映土壤的物質代謝強度與微生物總體活性[15]。本研究中，不同處理下楊樹苗土壤中細菌數、放線菌數和真菌數所占微生物總量的比例分別為82.99%～87.35%，11.25%～15.73%和1.29%～1.60%，配施保水劑并未顯著改變土壤中3大功能微生物的總體比例。這一結論在干旱山地新植核桃園土壤的研究中也得到了驗證[24]。與對照相比，施用保水劑能顯著提高楊樹苗土壤中細菌數、真菌數、微生物總量和微生物呼吸速率，其中CM處理的作用效果顯著優于CL和CH處理。這可能是由于：一方面，保水劑可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，明顯改善土壤物理性狀，而CM處理對土壤物理性狀的改善效果最佳，從而能為微生物的活動與發育創造更優越的環境，有利于增強土壤微生物的生命活力[3]；另一方面，土壤物理性狀的改善更利于增強楊樹苗的根系活性，刺激根系分泌大量的無機與有機物質，從而增加了微生物生長與繁殖所必需的營養來源與能量來源，也能使微生物更加活躍[14,25-26]。因此，土壤物理性狀的改善與較強的根系活性可能是保水劑施用條件下微生物數量增加的原因之一，而微生物數量的增加有利于提高土壤有機物的周轉利用效率，進而增強供肥性[27]。同時，CM處理亦顯著增加了土壤微生物量碳、氮含量，而微生物量碳、氮是土壤中有機質養分的一種短暫而最有效的貯存形式，是土壤養分的源、庫[15]，其含量的提高也是導致土壤微生物數量增加的原因之一。這也表明適量的施用保水劑可以促使較多的氮素通過同化作用轉入到微生物體內被暫時固定，對于調節土壤氮素供應、提高氮素利用率與保證林業可持續發展具有積極意義[5]。

代謝熵將微生物生物量的大小和微生物的功能與生物活性有機地聯系起來，能夠揭示微生物群落生理的特征[3]。有研究發現[15]，代謝熵較低意味著土壤中微生物對碳的利用效率較高，而代謝熵較高則表明用于微生物細胞合成的碳比例相對較小，即碳源的利用率低。本研究得出，CL和CH處理的代謝熵明顯高于CK，說明CL和CH處理對碳源的利用率較低；而CH處理的代謝熵顯著低于CK，這可能是由于： (1) 盡管各處理的微生物呼吸與微生物量碳表現出基本一致的變化規律，但CM處理相比CL與CH處理能使微生物量碳含量增加的更快，所以降低了代謝熵； (2) CM處理能更顯著地促進土壤微生物的大量繁殖與微生物活性的提高，明顯增加了微生物生物量，從而提高了對碳源的利用率，使得代謝熵降低，這與劉方春等[28]的研究結論相類似。這進一步驗證了保水劑的施用量具有決定性作用。

4 結 論

與CK相比，CM處理可顯著降低楊樹苗的土壤容重，并明顯提高了非毛管孔隙度，其中土壤容重分別較CK，CL和CH處理下降13.71%，5.31%和7.76%；還明顯促進了土壤大團聚體(>0.25 mm團粒)的形成。同時，CM處理明顯增加了土壤微生物總量和微生物量碳、氮含量，并顯著增強了土壤微生物呼吸作用，其微生物呼吸速率分別比CK，CL和CH處理提高30.77%，11.84%和7.59%。此外，CM處理還降低了代謝熵，分別較CK，CL和CH處理下降4.81%，8.29%和9.74%。綜合分析認為，適宜的節水灌溉措施(60%常規灌溉量與30 g保水劑組合)有利于改善楊樹苗土壤的物理環境，并增強微生物活性。

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Effects of Application Amount of Super-absorbent Polymer on Soil Physical Characteristics and Microbial Activity Under Poplar Seedlings

WANG Yan1, JING Dawei1, FU Xiuyong1, LIU Fugang1,DUAN Xiaochen1, LIU Fen1, GUO Yanling2, ZAN Linsheng2, ZHANG Hong2, JIA Haihui2

(1.CollegeofResourcesEnvironmentandPlanning,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China; 2.CollegeofEcologyandGardenArchitecture,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

[Objective] The effects of different application amounts of super-absorbent polymer(SAP) on soil physical characteristics and microbial activity under growing poplar were researched to provide theoretical basis and technical reference for high-yield and water-saving practice modes in Chinese poplar plantation. [Methods] Four treatments, including CK(conventional irrigation), CL(60% conventional irrigation quantity co-applied with 10 g SAP), CM(60% conventional irrigation quantity co-applied with 30 g SAP) and CH(60% conventional irrigation quantity co-applied with 50 g SAP) were set. Their effects on soil physical properties, water stability of crumb structure, microbial populations, microbial respiration and metabolic quotient under poplar seedlings grew in pots were determined. [Results] The CM treatment significantly reduced soil bulk density and obviously increased non-capillary porosity. The soil bulk densities decreased in 13.71%, 5.31% and 7.76% as compared with those of CK, CL and CH, respectively. The formation of soil large aggregate(>0.25 mm size) was also promoted by the CM treatment. Moreover, the CM treatment observably increased total microbial populations and the contents of microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen. And CM treatment significantly enhanced microbial respiration, having 30.77%, 11.84% and 7.59% increases in microbial respiration rate in comparison with the ones of CK, CL and CH, respectively. In addition, the metabolic quotient was reduced by the CM treatment, having 4.81%, 8.29% and 9.74% decreases as compared with the ones of CK, CL and CH, respectively. [Conclusion] As a result, the proper water-saving irrigation measure(60% conventional irrigation quantity co-applied with 30 g SAP) is beneficial to improve soil physical environment and enhance soil microbial activity under poplar seedlings.

super-absorbent polymer; poplar seedlings; soil aggregate; soil microbial respiration; metabolic quotient

2017-02-17

2017-03-16

國家自然科學基金項目“斷根對楊樹切口處不同根序細根的形態特征、解剖結構及生理代謝的調控機理研究”(31500513)； 德州學院科技人才引進項目(311890)

王琰(1998—),女(漢族),山東省聊城市人,本科,研究方向為自然地理與資源環境。E-mail:dlxwangyan@163.com。

井大煒(1982—),男(漢族),陜西省綏德縣人,講師,博士,主要從事植物營養機理與調控研究。E-mail:jingdawei009@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0053-06

S157.4， S728.2