枝條覆蓋對土壤質量及生態效益影響的研究進展

黎日輝，鐘曉敏，段鑫垚，顏亞賽，魏如騰，王琳，王華，李華,2*

（1. 西北農林科技大學葡萄酒學院，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1227.67萬 hm2[1]。大多數林果樹木每年都需修剪枝條，一部分果樹可通過高接換優等方式進行品種更新，這會產生大量廢棄枝條，以產生廢棄枝條4500 kg·hm-2為例來計算，年產生枝條量達到5524萬 t，這些枝條中富含有機質以及碳、氮、磷等元素，具有巨大的生態效益潛力[2-3]。我國目前對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，還會污染環境[4-5]，有些規模較大的果園，將部分枝條用于堆肥或制作有機肥。據王曉平等[6]報道，北京地區年廢棄枝條數量達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、栽培基質等，其中覆蓋是一種經濟化、生態化的枝條利用方式[7-9]，能有效改善土壤構成，增加土壤微生物豐度，提高區域土壤固碳能力，是一種便捷、實用的枝條資源化利用途徑。本文從土壤改良和生態效益兩個方面闡述枝條覆蓋對土壤質量的改良，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量

枝條覆蓋能蓄水保墑，提高土壤有機質與氮、磷、鉀元素含量，增加團聚體穩定性和孔隙度，降低土壤容重，改善土壤理化性質，進而提升果實質量與產量。枝條覆蓋通過向土壤提供外源有機質，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

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水材料[14]，起到了蓄水、保墑、平抑溫度差異的作用，創造出較為穩定適宜的土壤溫度環境[15-16]。盧佳等[12]研究發現，葡萄枝條不同覆蓋方式的土壤儲水量較無覆蓋增加了6.33%～13.07%，儲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、鉀和有機質等土壤營養元素。研究表明，枝條覆蓋能將枝條中的營養元素通過淋溶等方式注入土壤，顯著提高土壤水溶性有機碳含量以及氮、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、堿解氮及土壤有機質含量分別提升了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，土壤容重越小，土壤結構越疏松。孫萌等[22]的試驗表明，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。土壤團聚體是衡量土壤結構穩定性的重要指標，Y?lmaza等[24]研究發現，葡萄枝條覆蓋能夠顯著提高土壤團聚體穩定性，增加大粒徑團聚體比例，粒徑大于4 mm的團聚體比例由44.03%提升至59.17%。

綜上所述，枝條覆蓋通過改善地表環境，截留雨水，減少地表水分蒸騰，為作物生長創造了良好的水熱條件，且枝條腐解還能夠為土壤帶來礦質營養和有機質等作物賴以生存的養分，同時枝條覆蓋能夠降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤團聚體穩定性，改善土壤理化性質。

1.2 枝條覆蓋改善土壤微生物豐度及群落結構

土壤微生物豐度是土壤生態質量的反映，既是豐富的微量元素儲備，又參與土壤中礦物元素的礦化，因此土壤微生物常作為評價土壤質量的重要標準[25]。研究表明，枝條覆蓋能夠有效提高土壤微生物豐度、多樣性以及優勢種群數量[26-29]。呂三三[30]研究發現，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構也會發生明顯變化。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菌以及真菌數量，土壤真菌和細菌數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物會優化土壤微生物群落結構，優勢種群發生迭代，為了分解枝條覆蓋所帶來的外源有機物，降解木質素的真菌生物量比例會大幅提升，其中的部分真菌成為土壤中的優勢群落。張江紅等[31]研究發現，蘋果粉碎枝條覆蓋下，真菌中的優勢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]。細菌、真菌的快速繁殖能夠進一步提高土壤對氮磷鉀等元素的轉化效率。劉思等[33]的研究表明，葡萄枝條覆蓋下細菌相對豐度大于10%的優勢群落為變形菌門（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、放線菌門等優勢菌群在土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全磷轉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]研究發現，葡萄枝條覆蓋能夠有效提高木質素降解菌屬相對豐度，降低病原真菌相對豐度，改變土壤優勢種群。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能夠有效地消滅枝條中的病蟲害源，也可以作為有機肥料哺育作物[35]。外源有機物的添加，提高了土壤有益真菌相對豐度，非病原體能夠在競爭中有效遏制致病菌增長，能促進土壤微生物結構由致病菌朝向有益菌轉化[36]。

綜上所述，枝條中富含木質素、纖維素、糖類等有機物質，以及氮磷鉀等礦物質元素[12]。枝條覆蓋可為土壤注入豐富的有機物質，刺激微生物代謝及群落迭代。菌群的繁殖也促進了覆蓋枝條的分解，使得更多養分進入土壤，提高了土壤生產力以及植株生長量。枝條覆蓋增強了微生物活性，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分轉化能力，是評價土壤質量的重要生物學指標之一[26]。枝條覆蓋對于土壤的酶活性影響主要表現在影響脲酶、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，在設施西芹拉秧期時土壤蔗糖酶、脲酶、纖維素酶活性和微生物數量呈正相關。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降低土壤某些酶的活性，使土壤積累帶毒物質，抑制作物生長。史昊[40]對粉碎梨樹枝條覆蓋進行研究發現，每株施加常規量（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粉碎枝條會抑制土壤過氧化氫酶活性，對作物生長產生危害。蘇宏等[29]的研究發現，添加適量葡萄枝條（枝條與土壤質量比為1∶50）有助于微生物繁殖及增加酶活，添加過量枝條（枝條與土壤質量比為1∶10）則會抑制作物生長。楊野[41]研究了蘋果枝條中的根皮苷對土壤酶活性的影響，當根皮苷濃度低于7.58 mg·kg-1時，過氧化物酶和過氧化氫酶的活性明顯高于清耕處理，而當根皮苷濃度高于7.58 mg·kg-1時，過氧化物酶以及過氧化氫酶的活性會低于清耕處理。由此可見，土壤酶活性與覆蓋枝條量密切相關，根據不同作物選擇合適的枝條種類有利于實現作物高產。

1.4 抑制雜草生長

作物生長過程中，除草是一個不可忽視的問題，但除草劑的使用會對土壤造成污染并長時間殘留[42]。大量研究表明，枝條等有機覆蓋物對雜草生長有較好的抑制能力[43-45]。段鑫垚[46]用粉碎葡萄枝條對葡萄園進行覆蓋，結果表明枝條覆蓋對于雜草的抑制率高達100%。郭軍成等[47]對寧夏葡萄園進行枝條覆蓋的研究發現，無論覆蓋的枝條是否腐熟，對于雜草的抑制率都達到了90%以上。且覆蓋厚度增加，抑制效果增強[43]，使用枝條覆蓋可以極大的減少除草劑的使用，滿足我國綠色農業發展的需求。

2 枝條覆蓋的生態效益

枝條覆蓋生態效益不容小覷，我國黃土丘陵區已有研究表明，枝條覆蓋能夠改善土壤荒漠化，對我國荒漠化土壤果樹種植有一定參考價值。且枝條覆蓋能夠減少水土流失，防止土壤退化，有助于我國農業可持續發展。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。

2.1 枝條覆蓋改善土壤荒漠化

土壤水分過度缺失會導致植被死亡和土地荒漠化[48-50]。枝條覆蓋通過對土壤表層進行遮蔽，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展。

以黃土丘陵區為例，相對于裸露的地表而言枝條覆蓋能夠有效的緩解土壤干燥現象[50-51]。Tang等[52]對黃土丘陵覆蓋枝條，發現雨后持續干旱一周的情況下，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合的試驗發現，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皮的形成。

沙化土壤對水分的保持能力低，要維持干旱地區土壤水分需要改善沙化土壤理化性質。枝條覆蓋可以有效降低地表水分蒸騰，減少土壤水分耗散，且通過對土壤注入有機質等養分，改善沙化土壤結構，增強土壤自身的蓄水能力，實現良性循環。

2.2 枝條覆蓋防止水土流失

水土流失是影響土壤質量的主要因素，也是世界農業可持續發展的主要威脅[54]。目前，我國水土流失面積已經達294.9萬 km2，年均侵蝕總量達45億 t，部分地區年侵蝕模數達3萬 t·km-2[55]。土地徑流會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行有機栽培，較傳統栽培的徑流系數低40%。Neris等[60]使用木屑和松針等廢料覆蓋火災后的林地，結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流和產沙量，但是覆蓋效果和覆蓋量與土壤性狀的相關性不明確。Pan等[62]使用棗樹枝條對土壤進行覆蓋，與裸土相比，枝條覆蓋減少了15.5%～78.6%的產流和40.7%～98.6%的產沙量。枝條粉碎覆蓋的有效性隨降雨強度增大而降低，并與覆蓋量關系復雜，地表覆蓋度、覆蓋截留、土壤滲透性、枝條材料的穩定性都會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土壤表面免受雨滴引起的飛濺侵蝕、密封和結殼，可增加地表的粗糙度，降低地表徑流的產生量和速度[53,56-57]。但枝條覆蓋防止水土流失的效果與施用量、土壤性狀呈復雜相關性。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，提高土壤質量，實現可持續發展的生態農業種植。

2.3 枝條覆蓋增強土壤固碳能力

耕地的碳損失所加劇的溫室效應是全球范圍內最大的環境問題之一[63]。農業活動產生的碳排放會導致大氣中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[65]。枝條覆蓋能讓土壤擁有更強固碳能力，Thomas等[66]在葡萄園的試驗證實，枝條覆蓋增強了土壤固碳能力，土壤有機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碳存量，抑制其礦化。

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

3 結論與展望

枝條覆蓋在提高土壤質量，增加生態效益兩個方面效果顯著。枝條覆蓋能夠做到恒溫、蓄水，并且能夠為土壤帶來外源有機物，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增強土壤團聚體穩定性，為作物生長提供良好的生長環境。外源有機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質，有益于作物生長。且枝條覆蓋能夠對雜草起到遮蔽效果，抑制野草生長，最大限度的保護作物的生長環境。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，進一步防止水土流失與土壤荒漠化，通過提高土壤中有機質含量，提高土壤的團聚體穩定性，將土壤中的外部碳源轉化為土壤有機碳，提高土壤的碳封存能力，減少溫室氣體排放，緩解溫室效應。

雖然枝條覆蓋在提高土壤質量及生態效益方面具有卓越效果，但目前枝條覆蓋在農業生產中的應用仍需要進一步研究。需結合當地氣候條件、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。當前我國缺乏一種專業化、集約化、現代化的枝條覆蓋操作指南和管理措施。我國大部分地區缺乏配套枝條覆蓋農機，難以大規模推廣枝條覆蓋技術，應加大力度研發配套農機，加強農機農藝與枝條覆蓋技術相配套的程度，以利于提高枝條覆蓋技術的泛用性。同時可將枝條覆蓋所帶來的生態效益如水土維持等，納入傳統農業生產種植的經濟評估體系中，并將枝條覆蓋技術的生態價值也計入農業面經濟評估中，進一步完善對枝條覆蓋模式的生態面評價，將枝條覆蓋所帶來的生態效益量化，以更好地評估枝條覆蓋所帶來的生態價值。