不同耕作方式對果園土壤養分和微生物活性的影響

劉洪坤，嚴賢春

(1.南充職業技術學院，四川 南充 637131；2.西華師范大學生命科學學院，四川 南充 637002)

【研究意義】對于整個生態系統來說，占據主體的屬于陸地和海洋，在陸地生態系統之中，土壤起著相當關鍵的作用，畢竟土壤是眾多陸生植物的生長載體[1-2]，為植被的生長提供必要的養分等，可以說陸生植被的生長發育離不開土壤[3]。而對于土壤而言，腐殖質等有機質分解能夠為之帶來較豐富的營養成分[4-5]，而在此過程中，土壤養分作為重要的參與者，能夠對土壤生態的能量及物質循環產生多方面的影響[6]，甚至可以說是土壤質量指標之一；微生物在腐殖質等分解過程中同樣起著關鍵作用[7-8]，不僅能夠促進土壤循環和交換，還能促進有機質轉化，堪稱土壤活性養分儲備庫，為作物生長提供必要的養分。因此，植被的生長離不開土壤養分和微生物量，二者在其生長發育過程中起著關鍵作用，并對土壤肥力保持起著無可替代的作用，對于農作物亦是如此，農作物的產量將深受二者的影響；但是就我國而言，土壤養分及微生物量在時空分布方面存在較大的差異，在氣候、土質等影響下肥力差異明顯，對作物生長產生明顯不同的影響。【前人研究進展】在現代農業生產過程中，為了保持土壤肥力和活性，常常通過犁地、施肥等進行耕種，并在作物生長過程中進行施肥、噴灑農藥等[9-10]，這些耕種活動必然會對土壤產生不同的影響，尤其是化肥和農藥的使用，將對土壤結構產生不可恢復性影響；適度的施肥等耕作對于提升土壤肥力等具有明顯促進作用[11]，但是過度的耕種等將破壞土壤原有的結構，使得土壤肥力短期化嚴重。不同地區，因氣候等原有影響使得土壤的結構及肥力等方面存在明顯的差異，但是勢必受到耕作方式的影響，尤其是在土壤養分及活性具有顯著的地區差異。土壤作為農作物生長的載體，其肥力和活性必然制約作物的產量[12-13]，因此研究耕種方式造成的土壤肥力變化具有重要現實意義[14]。果園作為農業生產的重要環節之一，在社會生產生活中具有重要地位和現實意義，其具有典型的開放性及目的性，受人為干預較為明顯[15-16]，四川獨特的土壤及氣候條件等使得其成為我國農業生產大省，但是其果園土壤退化近年來較為明顯[9]，嚴重制約了該地區的果業生產。【本研究切入點】本研究將從果園生態的角度來開展相關的土壤研究，具體從土壤養分、微生物活動2個方面來探究。【擬解決的關鍵問題】為土地合理開發提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域選擇的主要是果園地，位于南充職業技術學院野外試驗基地，在研究區域進行隨機的分組設計，主要的耕種方式處理為以下2種：旋耕、翻耕，同時設置了免耕分組，從而強化實驗的對比性。為了提升實驗的準確性，本研究對以上3種耕種處理方式進行3次重復，對每個隨機分組進行8行區分，要求每行長度為50 m，間距在0.65 m。然后對果園樣地分別施肥尿素、磷酸二銨和硫酸鉀，其中氮、磷、鉀施用量要分別達到240、120、90 kg·hm-2；本實驗將全部磷、鉀肥作為基肥，除此之外還要將70 %氮肥作為輔助基肥，實驗中的基肥在播種的時候一次性施肥，而剩余30 %的氮肥進行追肥處理。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 本實驗從2015年開始，直到2017年7月，對于各個采樣區進行了 3 次重復樣地設置，對于各樣地，通過五點法進行0～20 cm取土，待均勻混合之后通過四分法進行土樣采集，將土壤表面雜物等去除，之后將一部分土樣取出，并充分混合后裝入無菌塑料袋，備測試之用；對土樣要分為2份：1份首先進行過篩處理，在測定其土壤酶活性之后進行微生物活度測定，另1份土樣需要經過近20 d 的風干處理，之后去除雜物后過篩處理，然后再進行土樣養分的測定。

1.2.2 樣品測定 土壤有機碳、全磷、全氮、全鉀的測定方法分別是氧化外加熱法、比色法、凱氏定氮法、分光光度法；對微生物量碳、氮的測定要通過氯仿熏蒸-K2SO4浸提法；在對土壤pH測定之前，需要經過1︰2.5土水混合后進行浸提液，之后開展電極電位法測定；在實驗過程中利于電導法進行電導率的測定[17]；對于有效磷及鉀含量的測定分別采取比色法、分光光度計法進行。之后進行微生物數量的測定：具體通過平板梯度稀釋法進行[18]，其中培養基涉及到細菌、真菌、放線菌。

實驗還需要對土壤微生物的周轉進行相應計算，具體的估算方式利用高云超[19]所提的測算方法進行，具體如下。

微生物量庫容值β= ΣA/N

式中：β單位為mg·kg-1；A是微生物量總和，單位用mg·kg-1表示；其中N是采樣次數。

微生物量周轉率rb= ΣB/β

其中：rb單位為mg·kg-1。

周轉周期T=1/rb

流通量F=β×ρ×h/T

其中：土壤密度用ρ表示，單位為kg·m-3；采樣深度利用h表示，單位為m。

對于土壤微生物活度的測定通過優化之后的FDA法進行測定[20]。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對果園土壤物理性質的影響

由表1可知，0.05～1 mm土壤所占比例為14.79 %～19.13 %，大致表現為免耕>翻耕>旋耕，其中免耕和翻耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于旋耕(P<0.05)；0.002～0.05 mm土壤所占比例為52.55 %～65.04 %，大致表現為旋耕>翻耕>免耕，不同耕作方式差異顯著(P<0.05)；<0.002 mm土壤所占比例為20.17 %～28.32 %，大致表現為免耕>翻耕>旋耕，不同耕作方式差異顯著(P<0.05)；土壤電導率的變化范圍為63.28～89.02 μs/cm2，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差異顯著(P<0.05)；土壤容重的變化范圍為0.76～1.03 g/cm3，大致表現為免耕>翻耕>旋耕，其中免耕顯著高于翻耕和旋耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤pH值略顯酸性，其變化范圍為6.03～7.29，大致表現為免耕>旋耕>翻耕，其中免耕顯著高于翻耕和旋耕(P<0.05)。

表1 不同耕作方式對果園土壤物理性質的影響

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05). The same as below.

2.2 不同耕作方式對果園土壤養分的影響

由表2可知，在不同耕作方式下，土壤養分(有機碳、全氮)和有效養分(有效磷、有效氮和有效鉀)均呈現出一致性規律，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式下土壤有機碳、全氮含量差異均顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤全磷含量變化范圍為0.82～0.83 g/kg，大致表現為旋耕>翻耕>免耕，不同耕作方式土壤全磷含量差異不顯著(P>0.05)；不同耕作方式土壤有效磷含量變化范圍為13.59～19.23 mg/kg，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤有效磷含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤有效氮含量變化范圍為5.18～9.16 mg/kg，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，其中免耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于免耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤有效鉀含量變化范圍為1.52～3.65 mg/kg，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤有效鉀含量差異均顯著(P<0.05)。

2.3 不同耕作方式對果園土壤微生物數量的影響

土壤微生物的數量分布，不僅可以敏感地反映土壤質量的變化，而且是土壤中生物活性的具體體現。根據采樣點數據，得到不同耕作方式下土壤微生物數量的變化(表3)。不同耕作方式下土壤各類群微生物數量存在較大差異，細菌、真菌和放線菌與微生物總數的變化趨勢相一致，在組成微生物種群的細菌、放線菌和真菌3大類中，細菌數量處于絕對優勢地位。土壤放線菌和細菌數量變化范圍分別在(0.86～1.32)×105和(1.02～1.75)×105cfu·g-1，基本表現為翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差異均顯著(P<0.05)；土壤真菌數量變化范圍在0.37～0.86 cfu·g-1，基本表現為翻耕>旋耕>免耕其中不同耕作方式差異均顯著(P<0.05)；土壤固氮菌數量變化范圍在(5.14～9.23)×103cfu·g-1，旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，二者顯著低于翻耕(P<0.05)。

表2 不同耕作方式對果園土壤養分的影響

表3 不同耕作方式對果園土壤微生物數量的影響

2.4 不同耕作方式對果園土壤酶活性的影響

土壤酶活性能夠靈敏地反映土壤管理措施的變化，可用于表征土壤養分循環速率。由表4可知，不同耕作方式下土壤酶活性存在較大差異，不同耕作方式脲酶活性的變化范圍為0.65～0.76 mg/(g·d)，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差異均不顯著(P>0.05)；脫氫酶活性的變化范圍為0.61～0.96 mg/(g·d)，大致表現為翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差異均顯著(P<0.05)；蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的變化范圍分別為98.14～130.25 和198.19～236.25 mg/(g·d)；不同耕作方式差異均顯著(P<0.05)。

2.5 不同耕作方式對果園土壤微生物周轉的影響

土壤微生物周轉對土壤有機質和養分循環起著決定作用，對了解土壤養分供應潛力和植物養分的有效性有非常重要的意義。由表5可知，免耕土壤微生物周轉率最低，微生物量碳周轉率為0.98 a-1，周轉周期為1.54 a，說明免耕土壤微生物量碳在0.98 a 更新1次；微生物量氮周轉率為0.85 a-1，周轉周期為1.98 a，免耕土壤微生物量氮在1.98 a 更新1次；不同耕作方式下土壤微生物量碳周轉率高于氮周轉率，說明微生物量碳更新比微生物量氮快。不同耕作方式土壤微生物量碳和氮周轉基本呈現出一致性規律，其中，土壤微生物量碳轉移量依次表現為翻耕>旋耕>免耕；土壤微生物量碳周轉率依次表現為翻耕>旋耕>免耕；土壤微生物量碳周轉期依次表現為翻耕<旋耕<免耕；土壤微生物量碳流通量依次表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式差異均顯著(P<0.05)。土壤微生物量氮轉移量、周轉率和流通量均表現翻耕>旋耕>免耕，土壤微生物量氮周轉期呈現出相反的變化趨勢。

2.6 不同耕作方式對果園土壤微生物活度的影響

不同耕作方式下土壤微生物活度如圖1所示。單因素方差分析結果表明，不同耕作方式下土壤微生物活度的變化范圍在0.47～0.75，依次表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式下土壤微生物活度差異均顯著(P<0.05)。主要是由于免耕導致土壤肥力較低，造成了活動區土壤微生物數量和酶活性的降低，從而土壤微生物活度較低。

表4 不同耕作方式對果園土壤酶活性的影響

表5 不同耕作方式對果園土壤微生物周轉的影響

圖1 不同耕作方式對果園土壤微生物活度的影響Fig.1 Effect of tillage system on soil microbial activity in orchard

3 討 論

經過試驗對比得知，在不同的耕作方式影響之下，土壤結構、養分及肥力等方面存在較大差異，微生物活動及活性也受到其顯著影響；施肥方式的不同會直接影響土壤結構和肥力，尤其是施肥合理性對土壤的影響最大，適度的耕作能夠改善土壤板結等問題，最終改善土壤結構和肥力保持，從而對作物產量進行有效提升，但是盲目的施肥將破壞土壤結構，不利于農作物生產，無法合理利用農田資源[21]。對于土壤容重而言，其與土壤養分之間具有負相關的關系，因此降低土壤容重對于改善土壤質量具有重要作用。通過比較得知，不同耕作方式使得土壤養分含量不同，其中養分含量最高的屬于翻耕條件下的土壤，其次是旋耕，而免耕處理下的土壤并無較高含量的土壤養分，綜合來看，土壤養分在不同耕作影響之下存在較大差異。

土壤養分是作物生長的必要條件，其含量受多方面因素的影響，但是土壤pH值較高的情況下會直接降低土壤養分，二者具有明顯的負相關關系，在土壤pH值的直接影響之下，土壤全量養分會發生顯著變化，此外，有效養分的變化也受到其深入影響，在根系分泌作用下有機酸生成，而其存在較強的溶解性，pH值的降低能夠促進其溶解性，在其綜合作用下土壤養分的吸收能力增強，進而提供更多的土壤養分[22-23]。對于水溶性養分來說，耕作的不同會導致養分含量發生明顯的變化，經過翻耕及深耕處理的土壤，其孔隙度明顯提升，有利于微生物活動，從而提升養分的礦化作用，促進作物對養分的吸收利用[24]。通過研究發現不同的耕作對土壤全磷并未能產生明顯影響，主要原因在于磷沉積性強，難以在短時間內分解，因此耕作方式帶來的影響不明顯；在翻耕和旋耕的影響下，銨態氮和硝態氮含量提升較為明顯[25-26]。

對于土壤養分而言，其含量不僅代表著土壤“營養庫”的儲量，而且對有效養分的供應水平產生較大的制約[27]，二者具有較為緊密的關系。通過研究發現，土壤的多種因子常常會發生動態變化，并尋求相對平衡，與土壤養分相比，微生物量的變異程度較高，其對于土壤肥力具有更好的表現水平；即使土壤微生物量庫發生的變化不大，但是仍然能夠對養分循環產生直接作用，并影響其有效性[28]，土壤結構良好的情況下，微生物活動增強，進而能夠為作物的生長提供有利條件。在大量施肥的影響之下，農田土壤水溶性養分的含量在不斷提升，最終使得微生物量發生顯著變異，同時，作物的淺層根系較為緊密，對于土壤微生物量的積累起著重要作用[21-22]。土壤有機質不僅是為碳源等提供營養成分來源，同時為微生物在其生長及代謝活動過程中進行必要的營養供給，從而在微生物活動及土壤酶活性提升方面起到明顯促進作用，最終改善土壤結構、保持土壤肥力。

對于土壤微生物而言，其新陳代謝越強說明其具有更強的活性，此外，微生物活性在碳素循環過程中起著明顯的作用，制約碳循環效率，在土壤結構改善、酶活性增強、肥力保持等方面作用顯著，能夠作為土壤質量的反映指標之一[29]；土壤的耕種方式不同，將直接影響到微生物活動，最終導致的土壤結構也會出現顯著差異，進而影響農作物生產質量和效率[24]。通過對比分析得知，在翻耕、旋耕的耕種方式之下，土壤能夠形成較疏松的土質，同時使得土壤孔隙提升，能夠對土壤容重起到較為明顯的降低作用，這樣能夠為微生物活動及新陳代謝創造良好活動條件，同時對于土壤肥力的保持起到相當重要作用。此外，在翻耕及旋耕處理下，腐殖質等埋入土壤之中，加速了其分解及微生物的利用，對于增強土壤肥力作用顯著[25-26]。土壤有機碳能夠為微生物活動提供較為充足的養分，能夠明顯提升微生物的活性和代謝水平；在微生物量碳的作用下，土壤有效養分積累較多，另一方面，土壤pH的上升將嚴重制約微生物活動。綜合來說，與免耕相比而言，翻耕和旋耕利于改善土壤結構，利于微生物活動，最終提升作物產量。