不同植物覆蓋下蕉園土壤化學性質和酶活性的變化特征

楊麗梅,周昀璠,徐勝濤,王永芬,俞春燕,李迅東,鄭泗軍,4

(1.昆明學院農學與生命科學學院,昆明 650214;2.云南省農業科學院農業環境資源研究所,昆明 650205; 3.云南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所,云南 隆陽 678000;4.國際生物多樣性中心,昆明 650205)

【研究意義】香蕉是熱帶亞熱帶地區重要的經濟作物,也是中國南方和西南各省(區)產銷量均居第二位的水果[1]。香蕉對水肥需求較大,土壤肥力狀況直接影響了香蕉產量和品質,合理田間土壤管理對提高香蕉經濟效益至關重要[2]。目前,中國蕉園田間管理模式主要以裸露土壤為主,極易受高溫、干旱和強降雨等氣候條件的影響,蕉園土壤水分和養分流失嚴重,造成了土壤退化問題[3]。另外,香蕉種植過程中施肥量大,造成了蕉園土壤板結、酸化、污染等問題[4],制約了香蕉產業可持續發展。按照農業農村部“一控、兩減、三基本”治理農業污染的原則,發展有利于中國蕉園土壤健康管理的耕作措施勢在必行。【前人研究進展】植物覆蓋是農業綠色生產的保護性耕作方式,抑制了地表水分蒸發,使土壤固相、液相和氣相比例趨于合理[5],可有效緩解因地表裸露導致的耕層土壤結構被破壞、侵蝕和保水保肥性下降等問題[6]。有研究表明,植物覆蓋增加了地上及地下生物量碳的輸入,地上部分的植物殘渣被微生物分解和地下根系的脫落對提高土壤有機質濃度至關重要[7]。植物覆蓋種類不同對土壤的反饋效果不同,植物覆蓋種類的選擇取決于預期覆蓋目的和植物適應性,這對覆蓋植物能否實現較好的覆蓋效果至關重要[8]。目前,部分蕉農在香蕉間隔行種植了白菜、花生、中草藥等經濟作物,增加了化肥的施用量,對蕉園土壤造成嚴重干擾[9]。蕉園覆蓋自然生雜草及豆科牧草能更好的改善蕉園土壤肥力,提高蕉園的生態功能,與覆蓋其它經濟作物相比,能有效增加土壤有機碳的累積量,有利于提高土壤有機質含量,改善土壤微生物群落結構,促進土壤養分的轉化、循環和利用[10-11],克服土壤生產力下降[12]。植物覆蓋措施會顯著提高土壤酶活性,同時覆蓋植物種類對土壤酶活性的影響也存在一定的差異。王明亮等[13]通過研究發現,豆科牧草種子混播于茶園行間,覆蓋茶園行間裸露地表可顯著提高茶園土壤酶活性;付學琴等[14]研究認為,自然生雜草可顯著改善土壤脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶及蛋白酶活性;潘學軍等[15]研究認為,豆科植物覆蓋能增加土壤中細菌和放線菌的數量,顯著改善土壤脲酶及蛋白酶的活性。【本研究切入點】植物覆蓋的綠色種植模式在其他作物和果園中已經廣泛應用[16],但由于傳統香蕉種植認為蕉園中其他植物會產生水肥競爭,影響其經濟效益,難以在香蕉園中有效應用,本研究通過寬窄行種植模式探索有效可行的綠色種植模式,實現種地養地的有機結合,并對土壤理化指標和土壤酶活性進行連續監測,為覆蓋植物在蕉園的有效應用提供數據支持,改善香蕉種植土壤退化的突出問題。【擬解決的關鍵問題】旨在通過分析植物覆蓋下蕉園土壤化學性質及酶活性的影響,明確植物覆蓋對蕉園土壤生產力的影響,促進香蕉種植的綠色可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于亞熱帶干熱河谷云南省保山市潞江鎮(98°53′14″ E,24°57′58″ N),海拔700 m,絕對最高氣溫40.4 ℃,絕對最低氣溫0.2 ℃,全年基本無霜,年平均氣溫21.3 ℃,≥10 ℃活動積溫7800 ℃,適宜香蕉種植。香蕉品種選擇該試驗區主栽品種云蕉1號,在該地區生長周期約1年。研究區土壤初始理化性質為pH 6.71,有機質11.36 g/kg,全氮0.46 g/kg,全磷0.48 g/kg,全鉀26.81 g/kg,堿解氮57.84 mg/kg,有效磷28.50 mg/kg,有效鉀95.86 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗以常規種植行間無覆蓋物為對照(CK),設置行間自然生雜草(NW)和種植大翼豆(CP)2個覆蓋處理,試驗采用隨機區組設計,4次重復。小區面積135 m2,每小區定植香蕉苗30株。采用寬窄行方式種植,行距:寬行3.5 m,窄行1.5 m,香蕉苗定植在窄行上,采用雙行種植,種植采用錯行的“之”字形,株距2.0 m。2017年7月定植香蕉苗,香蕉種植過程中的水肥和病蟲害管理參照當地的傳統種植方式。大翼豆種植時間為2017年4月,種植方式為條播,播種量為7～10 g/m2,行間覆蓋植物的覆蓋度及高度主要通過補播和刈割等物理方式管理。在香蕉生長前期,所有覆蓋植物的高度保持在30 cm以下,以避免其對主栽作物香蕉生長的影響,需保證60%以上的覆蓋度才能達到覆蓋效果。自然生雜草種類如表1所示。

表1 香蕉行間雜草種類

1.3 測定指標及方法

土壤樣品在蕉園行間的覆蓋植物處理區域采集,第1次采集時間為2017年7月,之后每間隔3個月采集1次(2020年1月因為新冠疫情未能采樣)。樣品采用“S”形多點取樣法采集30 cm土層樣品,每個小區用直徑3 cm的土鉆采集15個點混合為一個土樣,裝入專用土壤取樣袋運回實驗室進行自然風干,充分混勻去除石塊、根系等雜物后碾碎研磨,過18目(直徑1 mm)篩子,所得樣品一部分用于土壤酶活性、速效養分含量和pH測定;另一部分進一步研磨,過60目(直徑0.25 mm)篩子,所得樣品一部分用于土壤全磷、全氮與有機質含量測定;另一部分進一步研磨,過100目(0.15 mm)篩子,所得樣品用于測定土壤全鉀含量。

土壤化學性質測定參考土壤農業化學分析方法[17],土壤pH采用pH計[m(水)∶m(土)=2.5∶1.0]測定,土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定,全磷采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定,全鉀采用硫酸-高氯酸-火焰光度計法測定,堿解氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定,土壤酶活性測定參考關松蔭等[18]的研究方法,土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法(DNS)法;土壤脲酶采用靛酚藍比色法;

土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定;土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.4 數據統計與分析

采用統計軟件SPSS 20.0分析不同處理土壤理化指標的差異性。Pearson相關性分析分析土壤酶活性與土壤理化性質間的相關性,主成分分析(Principal component analysis, PCA)主要對土壤化學性質和土壤酶活性進行分析,軟件Microsoft Excel 2017繪制土壤酶活性變化柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 不同植物覆蓋下蕉園土壤養分的變化

從表2可知,在2017年10月至2018年1月CK、CP和NW處理間土壤有機質含量差異不顯著,隨著覆蓋時間增長覆蓋處理土壤有機質含量顯著高于非覆蓋處理(P<0.05),且大小順序為CP>NW>CK ,2020年7月土壤有機質含量CP處理較CK處理提高51.92%,NW處理較CK處理提高25.37%。2017年10月至2019年7月各處理間土壤全氮含量無顯著差異,2019年10月至2020年7月土壤全氮含量CP處理顯著高于CK和NW處理,截止2020年7月,CP處理較CK處理高27.54%,較NW處理高20.29%。植物覆蓋會提高土壤全磷含量,且是一個緩慢的過程,覆蓋時間需要達到2年時才會差異顯著性(P<0.05),截至2020年7月,CP處理土壤全磷含量較CK處理高41.86%,NW處理較CK處理高27.91%,CP處理高于NW處理,但差異不顯著。2018年4月至2020年7月,CP處理土壤堿解氮及有效磷含量分別較CK處理高20.85%和29.70%,NW處理土壤堿解氮及有效磷含量分別較CK處理高14.74%和17.06%。說明植物覆蓋可以顯著改善土壤堿解氮及有效磷含量(P<0.05),且見效快。植物覆蓋對土壤pH的影響僅在2018年7月有顯著差異,在其他采樣時期無顯著差異,這說明植物覆蓋對香蕉園土壤pH影響效果不明顯。植物覆蓋對土壤全鉀含量的影響在2018年4月和7月及2020年4月有顯著差異,對其他采樣時期無顯著差異;同時植物覆蓋對土壤速效鉀含量的影響在2018年4月和7月影響顯著,對其他采樣時期無顯著差異,說明植物覆蓋對香蕉園土壤鉀素的吸收和利用不會產生直接影響。

表2 不同植物覆蓋下蕉園土壤化學性質變化

由表3可知,不同植物覆蓋處理對蕉園土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷和有效磷影響極顯著(P<0.01),對蕉園土壤pH、全鉀及速效鉀影響不顯著。覆蓋時間極顯著(P<0.001)影響蕉園土壤理化性質各指標。不同植物覆蓋處理和覆蓋時間交互作用極顯著(P<0.01)影響蕉園土壤有機質含量、pH和全氮含量,但對其他土壤理化性質指標影響不顯著。

2.2 不同植物覆蓋對蕉園土壤酶活性的影響

從表4可知,不同植物覆蓋處理對土壤中4種酶活性的影響都極顯著(P<0.001),而且覆蓋時間對土壤酶活性影響也極顯著(P<0.001)。不同植物覆蓋處理和覆蓋時間交互作用極顯著(P<0.001)影響蕉園土壤酶活性。

表4 不同植物覆蓋處理蕉園土壤酶活性變化方差分析

2.2.1 土壤酸性磷酸酶活性的變化 如圖1所示,在2017年10月至2018年7月,各覆蓋處理間無顯著差異,與CK相比,2018年10至2019年7月CP與NW處理顯著提高了蕉園土壤酸性磷酸酶活性(P<0.05),2019年4月開始,覆蓋處理顯著(P<0.05)提高土壤酸性磷酸酶活性。2019年4月至2020年7月的后續5次采樣, CP處理土壤磷酸酶活性分別為9.74、10.44、10.58、11.01和13.06 mg/g,與CK處理相比分別顯著提高99.54%、74.78%、52.09%、94.93%和100.01%,NW處理土壤磷酸酶活性分別為8.25、9.01、7.84、8.01和10.21 mg/g,與CK處理相比分別提高68.97%、50.81%、12.68%、41.84%和57.68%,大翼豆覆蓋效果(CP處理)優于自然生雜草覆蓋(NW處理)。

CK: 無覆蓋處理;CP:大翼豆覆蓋處理;NW:自然生雜草覆蓋處理,下同。CK:No cover; CP:Plant cover;NW:Natural weeds. The same as below.

2.2.2 土壤過氧化氫酶活性的變化 如圖2所示,土壤過氧化氫酶活性CK處理均值為44.30 mL/g;CP處理均值為51.07 mL/g,較CK處理高15.28%;NW處理均值為48.02 mL/g,較CK處理高8.40%。覆蓋初期大翼豆覆蓋(CP處理)顯著改善了蕉園土壤過氧化氫酶活性(P<0.05),分別為2017年10月、2018年1月和4月,CP處理的土壤過氧化氫酶活性分別為50.20、57.47和62.11 mL/g,而自然生雜草覆蓋(NW)改善效果不顯著,但隨著覆蓋時間的增長自然生雜草和大翼豆覆蓋處理均可顯著改善蕉園土壤過氧化氫酶活性。

圖2 不同覆蓋處理蕉園土壤過氧化氫酶活性的變化Fig.2 The catalase activity of banana garden soil with different plant cover

2.2.3 土壤蔗糖酶活性的變化 如圖3所示,土壤蔗糖酶活性受采樣時間的影響較大,每年10月份土壤蔗糖酶活性最低,每年7月份土壤蔗糖酶活性最高。植物覆蓋措施顯著影響4月、7月的土壤蔗糖酶活性(P<0.05),其中大翼豆覆蓋(CP處理)較自然生雜草覆蓋(NW處理)蕉園土壤蔗糖酶活性改善效果更好。在2018年、2019年和2020年4月份蕉園土壤蔗糖酶活性CP處理分別為40.55、32.40和51.02 mg/g,與CK處理相比分別顯著提高40.52%、31.24%和38.11%,NW處理分別為39.25、30.10和40.85 mg/g,與CK處理相比分別顯著提高36.02%、21.91%和10.58%;同時, 7月份蕉園土壤蔗糖酶活性CP處理分別為51.07、41.21和47.18 mg/g,與CK處理相比分別顯著提高57.81%、85.31%和34.19%,NW處理分別為48.72、35.20和44.48 mg/g,與CK處理相比分別顯著提高50.55%、58.25%和26.51%。說明不同處理隨著定位時間延長土壤蔗糖酶活性呈一定程度增加趨勢。

圖3 不同覆蓋處理對蕉園土壤蔗糖酶活性的變化Fig.3 The sucrase activity of banana garden soil with different plant cover

2.2.4 土壤脲酶活性的變化 如圖4所示,2018年4月和7月覆蓋處理與CK處理土壤脲酶活性出現顯著性差異,2018年10月至2019年4月各處理間無顯著差異,2019年7月、2019年10月和2020年7月各處理間差異顯著(P<0.05)且大小順序為CP>NW>CK。說明覆蓋處理能一定程度影響土壤中氮素的循環,改善了土壤中可利用的氮庫。

圖4 不同覆蓋處理蕉園土壤脲酶活性的變化Fig.4 The urease activity of banana garden soil with different plant cover

2.3 不同植物覆蓋下蕉園土壤養分主成分分析

由圖5所示,第一主成分(PC1)的貢獻率為52.5%,其包含的特征值主要為土壤酶活性及土壤有機質、全氮及全磷含量;第二主成分(PC2)的貢獻率為15.7%,其包含的特征值主要為土壤堿解氮及有效磷含量,前2個主成分累計解釋了變量方差的68.2%,不同覆蓋處理可以由主成分1明顯區分開。大翼豆覆蓋(CP處理)較CK處理相比明顯提高了土壤酶活性、土壤堿解氮和有效磷含量,其次為自然生雜草覆蓋(NW處理)。

圖5 不同植物覆蓋處理蕉園土壤化學性質和酶活性指標主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil chemical properties and enzyme activity indexes in banana plantations under different plant cover treatments

3 討 論

植物覆蓋能有效提高土壤中有機質含量,改善土壤微環境,促進土壤中物質轉化與循環。通過3年定位試驗發現,植物覆蓋措施對蕉園土壤pH無顯著影響,這與白漱玉等[19]關于植物覆蓋對黃櫨林土壤化學性質的影響的研究結果一致。本研究中,當植物覆蓋時間超過1年時,覆蓋區與對照區土壤有機質含量出現顯著差異,當植物覆蓋時間超過2年時,各處理間土壤有機質含量大小順序為人工種植大翼豆>自然生雜草>裸露土壤對照,原因可能是覆蓋作物莖葉凋落物還田,經過腐殖化過程,為土壤提供了豐富的纖維素及碳源,從而增加土壤表層0～30 cm有機質含量[20],同時植物覆蓋改善了土壤微生物的生活環境使其活性增強,有助于促進土壤中有機質的轉化過程[21]。

植物覆蓋提升土壤酶活性,促進土壤中養分循環與利用。土壤酶活性是反應土壤肥力狀況的敏感性指標,本研究中植物覆蓋顯著提高土壤中過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性及脲酶活性,這與孫計平等[22]的研究結果一致,可能是因為覆蓋植物通過根系伸展改善了土壤結構,抑制了蕉園土壤水分蒸發及養分流失,提高了土壤保水保肥性,為土壤酶的合成及積累提供了有利的環境[23],進而促進了土壤酶活性,改善了土壤中物質循環。本研究中大翼豆覆蓋效果較自然雜草覆蓋好,可能是因為豆科植物根系的固氮菌能夠固持更多的氮素,在其殘體分解過程中增大土壤氮庫,不同程度地激活了土壤酶參與土壤氮素的代謝循環[24]。

覆蓋處理可有效改善土壤中養分狀況,改善蕉園土壤質量,維持蕉園土壤生產力。大翼豆處理顯著提高蕉園土壤全氮及堿解氮含量,這與王勤等[25]的研究結果一致,原因可能是因為大翼豆根系與根瘤菌構建的共生體系可以提高土壤的固氮效率,從而為蕉園土壤提供豐富的可利用氮素,進而促進香蕉根系生長。覆蓋處理前期(2017—2018年)對土壤全磷含量無影響,覆蓋處理后期(2019—2020年)土壤全磷含量顯著高于對照處理(P<0.05),這與王元基等[26]關于植物覆蓋對果園土壤磷素影響的研究結果一致。植物覆蓋顯著改善了蕉園土壤有效磷的含量,可能是因為植物覆蓋殘茬激活了土壤中生物的代謝活動,驅動了土壤中磷素的活化,同時根系分泌物也促進了土壤中難溶性和緩效態磷素的轉化,轉為可被植物利用的易溶性和速效態磷素[27]。植物覆蓋措施對土壤全鉀及速效鉀含量無顯著影響,這可能與蕉園施肥灌溉等管理措施有關,也可能是因為覆蓋作物對土壤中鉀素的消耗大于其對土壤鉀素的補償,具體原因尚不明確。

4 結 論

覆蓋模式提高了土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷和有效磷含量,顯著提高了土壤酶活性,豆科植物覆蓋處理對土壤化學性質和土壤酶活性的改善效果明顯優于自然生雜草處理。植物覆蓋有效改善了土壤養分狀況,促進了養分物質的代謝循環,有效維持了蕉園土壤生產力。