核桃園行內(nèi)地面覆蓋的土壤微域生態(tài)效應

孫 萌,劉齊國輝,2,*,張雪梅,2

1 河北農(nóng)業(yè)大學林學院,河北省林木種質(zhì)資源與森林保護重點實驗室, 保定 0710002 河北省核桃工程技術研究中心, 臨城 054300

核桃園行內(nèi)地面覆蓋的土壤微域生態(tài)效應

孫 萌1,劉齊國輝1,2,*,張雪梅1,2

1 河北農(nóng)業(yè)大學林學院,河北省林木種質(zhì)資源與森林保護重點實驗室, 保定 0710002 河北省核桃工程技術研究中心, 臨城 054300

為了探明核桃園行內(nèi)地面覆蓋的土壤微域生態(tài)環(huán)境效應、確立核桃園科學省力的土壤管理措施,以盛果期早實薄皮核桃‘綠嶺’為試材,通過連續(xù)4 a的行內(nèi)地面覆蓋,研究了園地土壤的水分、通氣、礦質(zhì)營養(yǎng)及三大微生物區(qū)系等微域生態(tài)環(huán)境的狀況,結(jié)果表明：通過連續(xù)四年覆蓋,0—20 cm土層,覆蓋牛糞、碎木屑、苜蓿處理及CK 2014年核桃生長期的土壤平均質(zhì)量含水量的變異系數(shù)分別為9.27%、10.27%、12.15%和13.96%,最大變幅分別為1.86%、1.95%、2.17%和2.63%；20—40 cm土層,覆蓋牛糞、碎木屑、苜蓿處理及CK的土壤平均質(zhì)量含水量分別為13.23%、12.46%、11.77%和11.43%。覆蓋牛糞、碎木屑、苜蓿及CK的0—60 cm土層的平均土壤容重為1.34、1.38、1.43 g/cm3和1.48 g/cm3,3類微生物總量分別為430.94×104、208.87×104、183.42×104個/g和160.46×104個/g。通過主成分分析對覆蓋牛糞、碎木屑、苜蓿處理及CK的土壤肥力進行綜合評價,得分分別為0.61、0.26、0.09和-0.96,各因子對土壤肥力水平的綜合效應排序為：土壤有機質(zhì)含量>全氮含量>全鉀含量>全磷含量>土壤質(zhì)量含水量>孔隙度>細菌數(shù)量>真菌數(shù)量>放線菌數(shù)量>土壤容重。

地面覆蓋；核桃；土壤微域；生態(tài)效應

近年來,核桃(JuglansregiaL.)已經(jīng)成為我國迅速發(fā)展的國家戰(zhàn)略性經(jīng)濟林樹種之一,我國核桃無論在栽植面積上還是在單位面積產(chǎn)量上都有了巨大增加。但是,隨著現(xiàn)代農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展,勞動力緊缺、勞動力價格高已成為核桃栽培過程中的重要問題,然而大部分核桃園仍采用傳統(tǒng)的土壤管理模式,即精耕細作、深翻施肥等,費工費力。開發(fā)操作簡單省力、有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的土壤管理模式已勢在必行。覆蓋法、生草法在日本、美國等國家早已廣泛應用,我國近幾年在蘋果園內(nèi)也在快速推廣[1-2],在核桃園內(nèi),作為省力化土壤管理的重要方法,覆蓋法也開始被應用[3]。

已有研究表明,地面覆蓋可以作為地面與大氣環(huán)境的有效隔層,增強地面對大氣環(huán)境劇烈變化的緩沖作用[1-2],可以有效降低園地土壤水分蒸發(fā),改善土壤水分狀況[4]。覆蓋物可以減輕人畜的干擾以及雨水對地面土壤沖擊,使表土不被壓實而下沉,并可以消除陽光暴曬而引起的表土硬結(jié)龜裂,使土壤保持良好的結(jié)構(gòu),從而改善土壤孔隙狀況[5-6]。與未覆蓋的自然狀態(tài)相比,稻草、谷糠和廄肥等地面覆蓋物可以顯著增加土壤的可利用氮、磷、鉀含量,其中覆蓋廄肥的效果最佳[7]。牛糞、秸稈作為供肥覆蓋物可顯著提高園地土壤的有機質(zhì)和養(yǎng)分含量[8]。并且覆蓋可以促進微生物活動,使土壤微生物增殖快,類群豐富[9],促進營養(yǎng)物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化[10],提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11-12]。

關于核桃園地面覆蓋,劉洋等[13]研究了玉米秸稈覆蓋對核桃幼園土壤養(yǎng)分及微生物數(shù)量的影響,本文作者前期研究了覆蓋核桃園對土壤理化性質(zhì)的影響[3],大部分研究均集中在覆蓋的單方面效應上,對于盛果期核桃園行內(nèi)連年覆蓋的土壤微域生態(tài)環(huán)境綜合效應還未見報道。為此,本文通過對盛果期核桃園連續(xù)4年進行行內(nèi)地面覆蓋,研究了土壤水分狀況、通氣狀況、礦質(zhì)營養(yǎng)及微生物多樣性的變化,以期為構(gòu)建新型的核桃園土壤管理模式提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設計

以河北綠嶺果業(yè)有限公司示范基地2007年春季栽植的核桃-苜蓿復合林為試驗地,該試驗地位于太行山南段東麓丘陵區(qū),年均日照2653 h,年平均氣溫13 ℃,極端最高氣溫41.8 ℃,最低-23 ℃,無霜期202 d,年均降水量521 mm。

選擇生長發(fā)育良好、樹勢相對一致的‘綠嶺’核桃樹120株,株行距為3 m×5 m,以牛糞、碎木屑(核桃樹修剪下來的枝條粉碎)、苜蓿(行間種植,待開花后刈割)為覆蓋材料,以不覆蓋為對照,每個處理10株樹,隨機區(qū)組設計,3次重復,其他均為常規(guī)管理,主要包括開溝施有機肥、行內(nèi)清耕等,牛糞覆蓋處理無需再施有機肥。本底取樣后,自2011到2014年,每年4月下旬將牛糞、碎木屑按試驗設計覆蓋到樹行內(nèi),厚度均為10 cm、于6月10日(苜蓿開花后)將苜蓿覆蓋到樹行內(nèi),干草厚度仍為10 cm(后期如有變動,隨時補蓋,以保證厚度為10 cm)。

2013年,分別于5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日和10月20日取0—20、20—40、40—60 cm 3個層次土樣1次,處理內(nèi)3次重復,測定土壤質(zhì)量含水量。2014年,分別于5月20日(園地灌水后20d)、6月20日、8月20日、9月20日和10月20日取0—20、20—40、40—60 cm 3個層次土樣一次(7月份降水過多,未能進行取樣),測定土壤質(zhì)量含水量。2014年11月20日,挖60 cm深的土壤剖面,用環(huán)刀分0—20、20—40、40—60 cm 3個土層取土,并測其土壤含水量、土壤容重、孔隙度及持水量,取3個土層的平均值代表該土壤剖面的物理指標值。用剖面刀分0—20、20—40、40—60 cm 3個土層取土,混勻,取約200 g土帶回實驗室,一部分風干過篩,測定礦質(zhì)元素及有機質(zhì)含量,另一部分將取好的土樣放入密封袋內(nèi),置于4 ℃冰箱保存,測定微生物數(shù)量。

1.2 測定方法

土壤質(zhì)量含水量的測定采用烘干法[14],并計算其生長期均值、最大變幅、變異系數(shù)。其中,最大變幅是指相鄰的兩個月份土壤水分的變化幅度最大值,變異系數(shù)為標準差與平均值的比值。

土壤容重、土壤孔隙度及持水特性采用環(huán)刀法測定[15]。

土壤全N的測定采用凱氏定氮法,全P的測定采用鉬銻鈧比色法,全K、速效K的測定采用原子吸收分光光度計法,土壤堿解氮測定采用堿解擴散法,土壤速效 P的測定采用0.05 mol/L NaHCO3法,土壤有機質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀容量法[14]。

微生物數(shù)量測定均采用平板接種法[16-17]。細菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基、改良高氏一號培養(yǎng)基進行培養(yǎng),然后計數(shù),并計算香農(nóng)-威納指數(shù)(Shannon-Wiener Index)和Simpson′s多樣性指數(shù)(Simpson′s Diversity Index)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)采用Duncan LSR法進行統(tǒng)計分析,并進行主成分分析及通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地面覆蓋對園地土壤水分環(huán)境的影響

2.1.1 地面覆蓋對園地土壤含水量的影響

覆蓋處理園地2013年、2014年核桃生長期內(nèi)的土壤質(zhì)量含水量如圖1至圖6所示。

由圖1、圖2可見,在核桃的整個生長期內(nèi),覆蓋處理的0—20 cm土層土壤質(zhì)量含水量均高于未覆蓋的CK,其中,覆蓋牛糞和覆蓋碎木屑的土層土壤質(zhì)量含水量極顯著高于其他處理,覆蓋苜蓿的與CK之間無顯著差異。因此認為,覆蓋可以提高生長期內(nèi)0—20 cm土層土壤含水量,顯著改善該層園地土壤的水分狀況,保證了核桃樹體的生長發(fā)育的水分需求。2014年,在干旱季節(jié)6月份及10月份以后,即在果實速長期、果實采收后,覆蓋處理的土壤含水量均在13%以上,而CK已經(jīng)接近臨界值甚至臨界值以下。而在雨季7、8月份,覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量始終處于較高水平,但均在20%以下,未超出核桃根系正常生長的適宜范圍。

由圖3、圖4可見,在核桃整個生長期內(nèi),20—40 cm土層的土壤質(zhì)量含水量狀況變化趨勢與0—20 cm土層基本相同,覆蓋處理該土層的土壤質(zhì)量含水量均極顯著高于未覆蓋的CK。其中,覆蓋牛糞的極顯著高于其他覆蓋處理及CK,覆蓋碎木屑的極顯著高于覆蓋苜蓿的及CK的,覆蓋苜蓿的極顯著高于CK的。由此認為,覆蓋可以提高生長期內(nèi)20—40 cm土層的土壤含水量,顯著改善核桃根系的水環(huán)境,使其更適宜核桃根系的生長發(fā)育。但在干旱季節(jié)6月份,僅有覆蓋牛糞處理該土層的土壤質(zhì)量含水量在13%以上,其他處理均在臨界值及以下。

圖1 2013年覆蓋處理0—20 cm土層土壤含水量Fig.1 The soil water contents of 0—20 cm layer in 2013

圖2 2014年覆蓋處理0—20 cm土層土壤含水量Fig.2 The soil water contents of 0—20 cm layer in 2014

圖3 2013年覆蓋處理20—40 cm土層土壤含水量Fig.3 The soil water contents of 20—40 cm layer in 2013

圖4 2014年覆蓋處理20—40 cm土層土壤含水量Fig.4 The soil water contents of 20—40 cm layer in 2014

由圖5、圖6可見,覆蓋對40—60 cm土層土壤的質(zhì)量含水量影響不大,各處理間無顯著差異,但覆蓋處理的土層土壤質(zhì)量含水量均高于未覆蓋的CK。由此可知,覆蓋在一定程度上改善了較深土層的土壤水分狀況,但影響不顯著。

圖5 2013年覆蓋處理40—60 cm土層土壤含水量Fig.5 The soil water contents of 40—60 cm layer in 2013

圖6 2014年覆蓋處理40—60 cm土層土壤含水量Fig.6 The soil water contents of 40—60 cm layer in 2014

2.1.2 地面覆蓋對園地土壤水分穩(wěn)定性的影響

覆蓋處理不同土層生長期土壤水分穩(wěn)定性指標如表1。0—20 cm土層,2013年,覆蓋處理的生長期土壤質(zhì)量含水量均高于未覆蓋的CK,覆蓋牛糞和碎木屑處理的平均質(zhì)量含水量顯著高于覆蓋苜蓿和未覆蓋的CK；整個生長期,覆蓋處理的質(zhì)量含水量變化最大變幅、變異系數(shù)與未覆蓋的CK之間無顯著差異。而2014年,覆蓋處理的生長期土壤質(zhì)量含水量均高于未覆蓋的CK；與2013年相比,覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量變化的最大變幅及變異系數(shù)均下降,且均顯著小于未覆蓋的CK,這表明連年覆蓋可以有效提高土壤含水量,穩(wěn)定土壤含水量,降低土壤水分的變化幅度,改善土壤水環(huán)境。

20—40 cm土層,該土層為核桃根系的主要分布區(qū)。綜合兩個連續(xù)生長期的數(shù)據(jù)來看,覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量均高于未覆蓋CK,但僅覆蓋牛糞處理的土壤質(zhì)量含水量始終在13%以上,即保持在核桃正常生長所需水分條件范圍內(nèi),而其它處理及CK均在13%以下；覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量變化最大變幅及變異系數(shù)均顯著小于未覆蓋的CK。與2013年相比,2014年覆蓋后,覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量變化最大變幅及變異系數(shù)均有所下降,這表明覆蓋可以在一定程度上穩(wěn)定該土層的土壤水分狀況。

40—60 cm土層,各覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量、變異系數(shù)與未覆蓋的CK之間無顯著差異。

表1 覆蓋處理園地土壤質(zhì)量含水量/%

2.2 地面覆蓋對土壤通氣狀況的影響

覆蓋處理0—60 cm土層土壤的通氣狀況相關指標如表2。與未覆蓋的CK相比,覆蓋處理土壤容重均有所降低,其中,覆蓋牛糞和覆蓋碎木屑處理的土壤容重顯著低于未覆蓋的CK,但二者無顯著差異,覆蓋苜蓿處理與未覆蓋CK之間無顯著差異。由表2還可以看出,各處理的毛管孔隙度及總孔隙度間差異一致,均表現(xiàn)為覆蓋處理顯著高于未覆蓋的CK,覆蓋牛糞處理顯著高于覆蓋碎木屑和苜蓿處理,覆蓋碎木屑處理與覆蓋苜蓿處理之間無顯著差異。土壤容重和土壤孔隙度是土壤通氣狀況的決定性因素,二者也直接影響著土壤涵養(yǎng)水分的能力。各處理的毛管持水量與最大持水量差異一致,均表現(xiàn)為覆蓋處理極顯著高于CK,其中,覆蓋牛糞處理極顯著高于覆蓋碎木屑處理,二者均極顯著高于苜蓿處理,三者均極顯著高于CK。

2.3 地面覆蓋對土壤養(yǎng)分含量的影響

覆蓋處理0—60 cm土層的養(yǎng)分含量如表3。覆蓋處理的土壤有機質(zhì)和全磷含量均極顯著高于未覆蓋的CK,其它養(yǎng)分含量均顯著高于未覆蓋的CK；其中,覆蓋牛糞處理的土壤有機質(zhì)含量和全磷含量均極顯著高于覆蓋碎木屑、覆蓋苜蓿處理,其他養(yǎng)分含量均顯著高于覆蓋碎木屑、覆蓋苜蓿處理；而覆蓋苜蓿處理僅土壤全氮含量顯著高于覆蓋碎木屑處理,這兩個處理的其它養(yǎng)分指標含量均無顯著差異。土壤中的礦質(zhì)營養(yǎng)是植物生長所需營養(yǎng)的主要來源,而土壤中速效養(yǎng)分才是植物可以直接吸收利用的養(yǎng)分,其含量與有機質(zhì)含量、全氮、全磷、全鉀含量直接相關,但其所占比例極小,由表3可知,覆蓋處理的速效氮、磷、鉀含量均顯著高于未覆蓋的CK,其中,覆蓋牛糞的速效養(yǎng)分含量最高,顯著高于其他處理。由此可知,覆蓋可以一定程度上改善土壤的養(yǎng)分狀況,只是因覆蓋材料的不同,覆蓋效應存在一定的差異。

表2 覆蓋處理0—60 cm土層土壤通氣狀況

不同大寫字母表示在 0.01 水平上差異極顯著,不同小寫字母表示在 0.05 水平上差異顯著

表3 覆蓋處理0—60 cm土層養(yǎng)分含量

2.4 地面覆蓋對土壤微生物區(qū)系的影響

覆蓋處理0—60 cm土層三大微生物區(qū)系的微生物數(shù)量如表4。覆蓋處理的細菌、真菌、放線菌數(shù)量及微生物總量均極顯著高于未覆蓋的CK。其中,覆蓋牛糞處理的微生物數(shù)量最高,極顯著高于其他處理,微生物總量為430.94×104個/g；覆蓋碎木屑處理的細菌數(shù)量和微生物總量極顯著高于覆蓋苜蓿處理,覆蓋苜蓿處理的真菌數(shù)量極顯著高于覆蓋碎木屑處理,覆蓋碎木屑處理的放線菌數(shù)量與覆蓋苜蓿處理之間無顯著差異。土壤中微生物多少與土壤通氣狀況、土壤溫度、土壤濕度都密切相關,同時微生物的活動也影響著土壤的通氣狀況以及土壤中礦物質(zhì)、腐殖質(zhì)的礦化和分解作用。覆蓋極顯著增加了土壤微生物數(shù)量,從而改善了土壤的通氣狀況、養(yǎng)分狀況等。Shannon-Wiener指數(shù)(Shannon-Wiener Index)和Simpson′s多樣性指數(shù)(Simpson′s Diversity Index)常用來表征群落多樣性,由表4可知,覆蓋處理的Shannon-Wiener指數(shù)(H值)和Simpson′s多樣性指數(shù)(D值)均顯著高于未覆蓋的CK,因此認為,覆蓋顯著提高了土壤中三大微生物群落多樣性,使土壤中的微生物更豐富、更均勻,這可能是由于覆蓋改變了土壤溫度、濕度、通氣性等土壤環(huán)境條件,有利于土壤微生物的生長繁殖。

表4 覆蓋處理0—60 cm土層三大微生物區(qū)系的微生物數(shù)量及多樣性指數(shù)

H: Shannon-Wiener指數(shù)Shannon -Wiener index,D: Simpson′s多樣性指數(shù)Simpson′s diversity index

2.5 地面覆蓋對土壤綜合肥力水平的影響

2.5.1 土壤肥力因子的主成分分析

以土壤質(zhì)量含水量、土壤容重、土壤總孔隙度、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀以及微生物數(shù)量等10個指標進行主成分分析的結(jié)果如表5、6,基礎數(shù)據(jù)均為2014年底測定。共選出3個特征值大于1的主成分因子,第一主成分因子的方差貢獻率為46.65%,土壤孔隙度及全部土壤養(yǎng)分信息在該主成分載荷較高,因此可將F1定義為養(yǎng)分因子；第二主成分因子的方差貢獻率為36.18%,包含了土壤水分及所有的微生物信息,因此可將F2定義為微生物因子；第三主成分因子中,土壤容重的載荷較高,因此可將F3定義為土壤密度因子。第一、二主成分因子的累積方差貢獻率為82.83%,基本涵蓋了所有的理化性質(zhì)及微生物信息,可以有效反應土壤的肥力特征；3個主成分的累積貢獻率為93.69%,可以全面反應土壤的肥力特征。

表5 各主成分因子的特征值、方差貢獻率

表6 主成分因子載荷矩陣

將各主成分因子載荷轉(zhuǎn)換成規(guī)格化的特征向量,得出3個反應土壤肥力特征的主成分表達式：

Y1=0.049X1+0.005X2+0.451X3+0.310X4+0.407X5+0.428X6+0.306X7+0.178X8+0.356X9+0.359X10

Y2=-0.530X1+0.062X2-0.062X3-0.392X4-0.155X5-0.151X6-0.379X7-0.516X8-0.291X9-0.317X10

Y3=-0.147X1+0.883X2-0.134X3-0.005X4+0.274X5-0.044X6+0.268X7-0.041X8+0.260X9-0.104X10

式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10分別代表土壤質(zhì)量含水量、土壤容重、土壤總孔隙度、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、細菌、真菌、放線菌。

4個處理各指標的標準化值代入表達式,以各主成分的方差貢獻率為權(quán)數(shù),對3個主成分加權(quán)求和,得到各處理綜合肥力水平的得分,如表7。覆蓋處理的土壤肥力水平均高于未覆蓋的CK,這說明覆蓋可以在不同程度上改善土壤肥力狀況。

表7 各處理的主成分因子得分及土壤肥力水平綜合得分

2.5.2 土壤肥力因子的通徑分析

在主成分分析的基礎上,采用通徑分析的方法,研究了土壤質(zhì)量含水量、土壤容重、土壤總孔隙度、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀以及微生物數(shù)量等10個指標與土壤肥力水平的關系,如表8。由表8可知,土壤質(zhì)量含水量、有機質(zhì)、全氮、全磷對土壤肥力水平產(chǎn)生直接正效應,并且這4個指標的直接通徑系數(shù)較大,土壤容重對土壤肥力水平產(chǎn)生直接負效應。土壤孔隙度主要通過土壤質(zhì)量含水量、土壤細菌數(shù)量等因子對土壤肥力水平產(chǎn)生正效應。而土壤的微生物數(shù)量在直接產(chǎn)生正效應的同時,還通過土壤孔隙度因子對土壤肥力水平產(chǎn)生正效應。

各土壤指標對土壤肥力水平的綜合效應系數(shù)為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)之和,通過計算可知綜合效應系數(shù)表現(xiàn)為X4>X5>X7>X6>X1>X3>X8>X9>X10>X2,其中,土壤容重X2由于直接負效應的抵消,綜合效應系數(shù)較低。

表8 各土壤指標與土壤肥力水平間的通徑系數(shù)

X1—X10分別代表土壤質(zhì)量含水量、土壤容重、土壤總孔隙度、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀及微生物數(shù)量,Y代表土壤肥力Represent water content, soil bulk density, soil porosity, organic matter, total N, total P, total K, bacteria, fungi, actinomyces andYrepresents soil fertility level

3 結(jié)論與討論

土壤水分是植物體生長所需水分的直接來源,其直接決定著植物體的生長狀況。有研究表明,核桃正常生長發(fā)育所需水分范圍為田間最大持水量的55%—90%,即土壤質(zhì)量含水量在13%—22%之間,最適田間最大持水量為60%—80%[18]。在本研究中,干旱季節(jié),即果實速長期和果實采收后,覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量均在核桃樹正常生長需水量范圍內(nèi),而CK的土壤質(zhì)量含水量部分時期已經(jīng)處于臨界值甚至臨界值以下。在整個核桃生長期內(nèi),覆蓋處理的土壤質(zhì)量含水量均大于未覆蓋的CK,變異系數(shù)、最大變幅均小于未覆蓋CK,這表明覆蓋不僅可以提高土壤含水量,而且在一定程度上穩(wěn)定了土壤水分狀況。這一方面是由于覆蓋物的保水作用,覆蓋物可以有效地隔絕交換熱,對地溫有一定的調(diào)節(jié)作用,減少了地面蒸發(fā)和樹體蒸騰作用,從而提高了土壤水分的利用率；另一方面是隨著覆蓋材料的不斷分解、淋溶,土壤中的腐殖質(zhì)含量大量增加,土壤中的微生物生長繁殖活躍,從而改善了土壤孔隙狀況,使根際土壤可以有效地蓄積較CK更多的灌溉水、雨水,以保證土壤質(zhì)量含水量處在正常所需的水平。

土壤孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù),是土壤中養(yǎng)分、水分、空氣和微生物等的遷移通道、貯存庫和活動場所[15]。而毛管孔隙度的大小反映了植被可吸持水分的能力[19]。本研究表明,覆蓋均降低了土壤容重,增加了毛管孔隙,即提高了土壤的供水能力,其中覆蓋牛糞的處理效果最好,土壤容重下降幅度最大,這是由于隨著覆蓋材料的分解,土壤中腐殖質(zhì)含量顯著增加,土壤中微生物數(shù)量及活性增加,從而改變了土壤的孔隙狀況,提高了土壤的持水蓄水能力,有效改善了土壤的通氣狀況。此外,牛糞作為供肥覆蓋物,避免了開溝施肥過程對土壤結(jié)構(gòu)的破壞,有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)、土壤孔隙的形成和發(fā)育。

通過本研究可知,地面覆蓋可以顯著提高土壤養(yǎng)分含量,這是由于隨著覆蓋物的不斷分解,營養(yǎng)物質(zhì)隨著雨水、灌溉水淋溶到土壤中,提高了土壤養(yǎng)分含量,另一方面土壤通氣狀況得到改善,微生物活動活躍,有利于土壤中礦物質(zhì)及有機質(zhì)的分解作用和礦化作用。其中,覆蓋牛糞的效果更顯著,這是由于牛糞本身含有豐富的腐殖質(zhì),而腐殖質(zhì)是礦質(zhì)元素的重要來源之一,也有研究表明,覆蓋牛糞、秸稈及免耕可顯著提高根際土壤有效氮、磷、鉀及有機質(zhì)含量[20-21],平衡土壤養(yǎng)分關系[22-23],與本研究結(jié)果一致。

有研究表明,與傳統(tǒng)耕作方式相比,保護性耕作有利于豐富土壤微生物多樣性[24-26],在一定程度上提高了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[27-28]。本研究中,覆蓋處理的真菌、細菌、放線菌的數(shù)量均顯著高于未覆蓋的CK,即增加了微生物的數(shù)量,說明覆蓋有利于微生物的生長繁殖。覆蓋處理的Shannon-Wiener指數(shù)指數(shù)和Simpson′s多樣性指數(shù)均顯著高于未覆蓋的CK,說明覆蓋可以提高土壤微生物群落多樣性。土壤微生物在土壤有機質(zhì)和礦物質(zhì)的分解過程中有不可替代的作用,其代謝活動亦有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成。因此,豐富的微生物類群不僅提高了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和積累,同時提高了土壤生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、穩(wěn)定性。

通過主成分分析的方法,綜合評價了覆蓋處理的肥力水平,覆蓋處理的肥力水平均高于CK,其中,覆蓋牛糞處理的肥力水平最高,覆蓋碎木屑處理次之,覆蓋苜蓿處理最次,該試驗基地覆蓋材料充足,養(yǎng)牛場可以為其提供充足的牛糞,春季修剪出大量的樹枝可以保證碎木屑需求,間作物苜蓿量亦充足,因此,該措施可行性較高。其它生產(chǎn)基地也可以就地取材,選擇來源充足的覆蓋材料。與傳統(tǒng)的土壤管理模式相比,該地面覆蓋模式更簡單省力,且有利于土壤生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。但是其對大氣環(huán)境的影響,尤其是有機肥覆蓋對環(huán)境的影響有待深入研究。

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Ecological effects of within-row mulching on soil microsites in walnut orchards

1 College of Forestry, Agricultural University of Hebei/ Key Lab of Genetic Resource of Forest and Forest Protection of Hebei Province, Baoding 071000, China2 Research Center for Walnut Engineering and Technology of Hebei, Lincheng 054300, China

In recent years, walnut (JuglansregiaL.) has become one of the state strategic economic tree species. However, although traditional soil management practices, such as intensive agriculture and deep tillage, are both time- and energy-consuming, they are still used in most walnut orchards. Therefore, it is imperative to develop a simple and effective soil management strategy to replace traditional practices. In the present study, we investigated the ecological effects of within-row mulching in soil microsites, which has been very popular in both Japan and America, and established an effective soil management practice in walnut orchards. Precocious ‘Lvling’ walnut trees in full fruit were used as trial materials, and soil ecological conditions, such as soil moisture, soil aeration, mineral nutrition, and three kinds of microflora (bacteria, fungi, and actinomyces), were studied in response to continuous within-row mulching. In the 2014 growing season, we found that the variation coefficients of soil water content of the 0—20 cm layer of soil mulched with dairy manure, wood chips, alfalfa, and control (non-mulching) were 9.27%, 10.27%, 12.15%, and 13.29%, respectively, and the maximum amplitudes were 1.86%, 1.95%, 2.17%, and 2.63%. Meanwhile, the average water contents of the 20—40 cm soil layer were 13.23%, 12.46%, 11.77%, and 11.43%, and the maximum amplitudes were 1.58%, 1.61%, 1.71%, and 2.44%, whereas the variation coefficients were 7.96, 9.49, 9.70, and 11.11%. In addition, continuous within-row mulching reduced the maximum amplitudes and variation coefficients of soil water content, which indicated that the soil moisture was more stable. The soil bulk densities in the 0—60 cm soil layer were 1.34, 1.38, 1.43 g/cm3, and 1.48 g/cm3; the total porosities were 37.62%, 36.19%, 35.29%, and 29.03%; and the maximum water capacities were 752.40, 723.80, 705.87, and 580.67 t/hm2. In addition, the density of three kinds of microflora (bacteria, fungi, and actinomyces) were 430.94×104, 208.87×104, 183.42×104cfu/g, and 160.46×104cfu/g, in soils mulched with dairy manure, wood chips, alfalfa, and control (non-mulching), respectively; the Shannon-Wiener indices were 0.62, 0.58, 0.41, and 0.30; and the Simpson′s diversity indices were 0.24, 0.21, 0.13, and 0.09. Therefore, our findings indicated that both soil aeration and microbial diversity were improved by mulching. Principal component analysis further indicated that the comprehensive scores of soil fertility with mulching dairy manure, wood chips, alfalfa, and control (non-mulching) were 0.61, 0.26, 0.09, and -0.96 and that the comprehensive effect order of the various fertility factors on soil fertility level was: organic matter > total N > total K > total P > water content > soil porosity > bacteria > fungi > actinomyces > soil bulk density. Therefore, the present study demonstrates that within-row mulching is beneficial to the development of soil microsites and that dairy manure was the most effective among the three mulching materials investigated, followed by wood chips and alfalfa, respectively. However, in the long-term, the effects of within-row mulching remain unclear and require further investigation.

mulching; walnut; soil microsite; ecological effect

國家林業(yè)行業(yè)公益專項(201504408)；河北省科技支撐計劃項目(16236810D)

2016- 03- 24; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201603240523

*通訊作者Corresponding author.E-mail: bdqgh@sina.com