荒地不同压砂年限对土壤微生物区系、酶活性与土壤理化性状的影响

胡景田，马琨，王占军，何建龙

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川750021;2.宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，宁夏银川750002)

宁夏中卫市环香山地区梁峁起伏，沟壑纵横，具有典型的黄土丘陵地貌类型，当地农民将洪积扇(干旱、半干旱地区暂时性山地水流出山口堆积形成的扇形地貌)上冲刷下来的砂砾石拉到坡耕地、荒地、山地斜坡上，铺盖10—20 cm的砂层，形成能够种植农作物的压砂地[1]，逐步发展成为我国种植区域最为集中、连片规模最大的无公害压砂西瓜甜瓜生产基地[2]。压砂作为特殊的耕作方式，受到国内外学者的关注，许多研究表明，压砂地具有减少蒸发和径流，提高水分的入渗和土壤温度，阻止水土流失和土壤的次生盐渍化的作用[3-8]，砂田能有效地协调水、肥、气、热的矛盾，有利于作物的高产、稳产和早熟[6-7，9-11]。宁夏中卫环香山地区，对西瓜品种、栽培和高产等研究较多[12]，而压砂对土壤的影响研究较少，许强等人对其砂田水热及减尘效应、肥力演变特征进行了初步研究[13-14]，未见压砂覆盖对土壤生物学性质的研究报道。本文就不同压砂年限荒地压砂地土壤微生物区系、酶活性和理化性状进行研究，分析其压砂地土壤微生物区系、酶活性和理化性状的变化规律，为压砂地的持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

荒地压砂样地(105°09′E，37°03′N)位于宁夏中卫市香山乡，海拔为1 760～1 772 m，地处腾格里沙漠的边缘地带，原始景观为干草原—荒漠草原;气候属于干旱半干旱过渡带。降水稀少，蒸发强烈:年平均降水量为247.4 mm，而且降水分布不均衡，集中于7—9月，多为阵雨或暴雨，年均蒸发量在2 100～2 400 mm之间，约是降水量的7～8倍，是全国最干旱的地方之一;有效积温高，昼夜温差大:年均温6.8℃，≥10℃的有效积温2 332.05℃，年平均太阳总辐射量567.09 kJ/cm2。昼夜温差在12℃～16℃，无霜期140～170 d。

1.2 样品采集

选取荒地阳坡不同压砂年限种植田块作为典型样地 :3 a(西瓜)，8 a(西瓜)，15 a(油葵)，25 a(西瓜)，砂地厚度为10—20 cm，并以邻近未压砂无种植作为荒地对照。

采用土钻法，按梅花型方式设点10个，采取砂下层土壤，按0—20，20—40 cm分层采集土样，样品自然风干后剔除杂质、磨细、过筛、装瓶后供化学性质测定和酶活性分析;同时采集0—20，20—40 cm新鲜土样0℃～4℃保存供微生物量测定，48 h内测定。取土后把10重复的土壤分层均匀混合;采集0—20，20—40 cm环刀样品供土壤容重、田间持水量测定。采样时间为2008年7月19日，是作物生长旺盛时期，样地无人工施肥，天然降水补给水分。

1.3 测定项目与方法

(1)微生物区系。细菌、真菌及放线菌采用稀释平板计数法测定，分别用牛肉膏蛋白胨琼脂、马铃薯—蔗糖琼脂(PDA)、改良高氏1号作为培养基[15]。将涂好平板的培养皿放入28℃的培养箱中培养，细菌培养2～3 d，真菌培养3～5 d，放线菌培养5～7 d。每处理4个重复。

(2)土壤酶活性分析和理化性质:每处理3个重复，风干样测定。土壤脲酶活性采用苯酚—次氯酸钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，比色使用UV759S紫外可见分光光度计[16]。土壤容重、田间持水量采用环刀测定法，土壤含水量采用烘干法，机械组成采用比重计测定法，有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法，全氮采用K-370凯氏定氮仪，碱解氮采用碱解扩散法，全磷采用HClO4—H2SO4钼锑抗比色法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法，速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法，全盐采用电导法，pH 采用电位法[17]。

1.4 数据处理

数据用 Excel，SPSS15.0和SAS8.2软件进行分析，采用Duncan's新复极差法进行多重比较，并进行相关性分析和主成分分析，结果表示为mean±sd。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物区系的分布

对照是未压砂无种植地，3，8，15，25 a分别为3，8 ，15，25 a压砂地年限。

砂田耕作主要是耖砂，目的是疏松砂层，破除板结，消除杂草。一般说来，新砂田[18](20 a)(根据铺压年限)一年内耖l～2次;中砂田(20～40 a)砂层含土量增加，一年内耖3～5次;休闲的砂田耖5～7次[6]。15 a样地采用机械耖砂易使砂土混合，25 a采用牲畜耖砂不易搅动砂下土壤。

由表1分析得出，0—20 cm压砂地和未压砂地细菌、真菌和放线菌数量多于20—40 cm。0—20 cm对照细菌和真菌的数量高于压砂地;除15 a，0—20 cm和20—40 cm压砂地细菌和真菌数量随着压砂年限的延长而减少，15 a机械耖砂促进了细菌和真菌的生长;菌类数量与土壤含水量、pH值密切相关。除25 a，0—20 cm压砂地放线菌的数量高于对照，20—40 cm压砂地放线菌数量随着压砂年限的延长而减少，放线菌生长条件比较复杂，原因待进一步研究。

0—20 cm和20—40 cm土壤微生物总数对照多于压砂地，压砂抑制了菌类的生长。0—20 cm压砂地微生物总数随着压砂年限的延长而减少。是因为在压砂初期，水热条件较好，土壤微生物活性较强，但随着压砂年限的延长，砂田的蓄水保墒及增温效应的逐渐降低，土壤紧实，通气性较差，土壤微生物活性减弱。土壤微生物总数以细菌最多，放线菌次之，真菌只占总数的极少一部分。0—20 cm细菌占微生物总数的61.26%～85.23%，放线菌占总数的14.44%～38.61%，真菌占总数的0.12%～0.38%;20—40 cm细菌占微生物总数的78.19%～93.24%，放线菌占总数的6.58%～21.57%，真菌占总数的0.18%～0.83%。0—20 cm 和20—40 cm放线菌/细菌的比例对照最低，为16.95%和7.05%，8 a最高为63.03%和27.59%;0—20 cm和20—40 cm真菌与细菌的比例15 a最高，为0.52%和0.93%，说明压砂种植改变了菌类比例。

表1 不同压砂年限对土壤微生物区系及酶活性的影响

2.2 压砂对土壤酶活性的影响

压砂地脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性0—20 cm比20—40 cm高。脲酶是一种分解含氮有机物的水解酶，是植物氮素营养的直接来源。压砂地0—20 cm和20—40 cm脲酶活性随着压砂年限的延长呈下降趋势;过氧化物酶能氧化土壤有机物质，在土壤腐殖质的形成过程中有重要作用。除15 a，压砂地0—20 cm过氧化氢酶亦随着压砂年限的延长呈上升趋势，压砂地20—40 cm过氧化氢酶活性随着压砂年限的延长呈上升的趋势。

压砂种植特殊的耕作方式是尽量避免砂土混合保持地力，耖砂对20—40 cm扰动较少，西瓜须根系大部分留在地下，在微生物作用下腐烂分解产生过氧化氢物。磷酸酶是一种表征土壤磷素生物转化方向和强度的水解酶，使有机或无机磷酸盐转化为植物可吸收磷。

0—20 cm对照碱性磷酸酶活性高于压砂地，与土壤含磷量密切相关。压砂前8 a，0—20 cm压砂地脲酶和过氧化氢酶活性高于对照，压砂初期，水热条件利于土壤潜在养分的转移，作物生长处于旺盛时期，提高了酶活性。

2.3 压砂对土壤物理性质的影响

由表2分析得出，0—20 cm和20—40 cm压砂地土壤含水量高于对照，说明压砂具有蓄水保墒作用;压砂各年限土壤含水量差异明显，与砂土层厚度、覆沙层砂土比和降水时空分布不均有关;2008年60%的降雨集中在6月和8月，7月干旱少雨，土壤含水量远远少于田间持水量。0—20 cm土壤容重和砂粒含量比20—40 cm高，0—20 cm土壤含水量和黏粒含量比20—40 cm 低。25 a样地 0—20 cm 和20—40 cm粉粒和黏粒含量高于15 a，但低于前8 a，与耖砂方式造成的砂土比、砂层厚度和休闲次数有关[7]。前15 a样地0—20 cm和20—40 cm粉粒含量随着压砂年限的延长呈下降趋势。压砂地土壤容重和粉粒含量呈先下降后上升的趋势，田间持水量呈先上升后下降的趋势。压砂初期，作物生长旺盛，随着压砂年限延长，蓄水保墒能力下降，土壤紧实。

表2 压砂对土壤物理性质的影响

前8 a样地0—20 cm和20—40 cm砂粒含量低于对照，是研究区地处腾格里沙漠的边缘地带，荒地坡度明显，降水时空分布不均，干旱季节土壤水分较低，植被生长较少，干旱多风，吹走裸露疏松的地表土，导致土壤沙化;雨季降水多以阵雨或暴雨形式降落，雨水挟带冲走大量的表层土壤，水土流失严重。

2.4 压砂对土壤化学性质的影响

由表3分析得出，压砂地和未压砂地有机碳、全氮、碱解氮和速效钾0—20 cm含量高于20—40 cm。0—20 cm压砂地速效钾含量随着压砂年限的延长而降低;0—20 cm和20—40 cm前15 a压砂地有机碳、全氮和碱解氮含量随着年限的延长逐年降低，25 a含量普遍高于15 a;0—20 cm前15 a压砂地全磷和速效磷含量随着压砂年限的延长而降低，25 a全磷含量高于其它压砂年限。说明压砂连续种植，无人工施肥，休闲次数较少或没有的条件下，土壤肥力下降。0—20 cm和20—40 cm全磷和速效磷对照含量高于压砂地，压砂种植对土壤潜在养分磷肥释放迟缓。

表3 压砂对土壤化学性质的影响

0—20 cm压砂3 a有机碳、全氮、碱解氮和速效钾含量高于对照，原因是压砂种植初期，水热条件较好，砂田潜在养分释放较快，有效养分含量较对照略高，还有原因是研究区特殊的自然地理状况，风蚀、水蚀严重，疏松裸露表层土壤流失。

25 a样地0—20 cm和20—40 cm有机碳、全氮、碱解氮高于15 a，但低于3 a。土壤休闲期，没有作物吸收养分，降水冲刷覆沙层，覆沙层中土壤流失到耕作层，土壤养分增加。农彦称“吃砂要养砂，务砂如绣花”。砂土混合后，保墒能力降低，造成水土流失。

0—20 cm和20—40 cm压砂地全盐含量明显低于对照，压砂保水减蒸，有效地控制了土壤下层的可溶盐类随水分蒸发而上升地表积聚。20—40 cm压砂地全盐含量随着压砂年限的延长而增加。压砂地和未压砂地全盐0—20 cm含量低于20—40 cm。压砂3 a样地0—20 cm和20—40 cm全盐含量比对照分别降低91.61%～90.86%。25 a样地0—20 cm和20—40 cm全盐、pH值高于其它压砂年限，应种植10～20 a后，改变种植方式，选择耐旱压碱植被改善土壤，提高土壤质量。

砂地长期免耕，不施肥料，连续种植10～15 a后肥力衰退，作物产量降低。经调查，荒地砂田一般采用休闲耕作制，一种情况是雨量很少的年份，无人工灌水，土壤墒情太差，播种不能出苗而被迫休闲;另一种情况是连种几年后，安排休闲1 a或2 a，以便恢复地力。

15 a在2008年种植油葵，改善种植西瓜作物单一对土壤养分的影响，延缓地力衰退;25 a砂地轮歇次数较多，在2008年种植前歇地2 a。

2.5 相关性分析

0—20 cm土壤微生物区系、酶活性与土壤理化性状的相关分析表明，速效钾与细菌，速效磷、全盐与真菌，田间持水量、全磷与放线菌，有机碳、碱解氮和pH与脲酶，全氮、全盐与碱性磷酸酶具有较好的相关性(表4)。同一样地0—20 cm土壤含水量和pH值比20—40 cm低，而0—20 cm菌类数量比20—40 cm多，相关关系表明细菌和真菌与自然含水量呈显著负相关，放线菌也与自然含水量呈负相关关系。土壤含水量的差异是15 a细菌和真菌数量比8 a多的重要原因。细菌与速效磷、全盐呈显著正相关。酶活性0—20 cm比20—40 cm高，相关关系表明脲酶与砂粒呈显著负相关，与粉粒和速效钾呈显著正相关;过氧化氢酶与自然含水量有显著正相关性;碱性磷酸酶与全磷、pH呈显著正相关。

表4 0—20 cm土壤微生物区系、酶活性与土壤理化性质的相关系数

2.6 综合效应分析

0—20 cm土壤微生物区系、酶活性、物理性质和化学性质主成分分析表明，前3个主成分Prin1，Prin2，Prin3的贡献率分别为 37.25%，25.22%和22.01%，累积贡献率达84.48%。说明前3个主成分能基本反映土壤微生物区系、酶活性和理化性状信息。它们的表达式为:

第一主成分表达式中各指标的系数分别为0.263，0.192，0.073，0.242，-0.082，0.135，0.099，-0.254，0.288 ，-0.145 ，-0.110 ，-0.119 ，0.317 ，0.326 ，0.354 ，0.065，0.332，0.329，0.197，-0.077;第二主成分相应的系数分别为 0.025，0.062，-0.390，-0.291，0.099，0.348，0.140，0.222，-0.199，-0.059，-0.326，0.003，0.027，0.123 ，0.027，0.423，0.142，-0.169 ，0.234，0.334;第三主成分相应的系数分别为-0.304，-0.400 ，-0.119，0.143，0.451，0.171 ，0.040，-0.216，0.204，0.021 ，0.069，0.450，0.235 ，0.171，0.121 ，0.049，-0.131 ，0.032，-0.204 ，0.148。

可看出，0—20 cm第一主成分主要综合了有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾的变异信息，第二主成分则综合了放线菌、碱性磷酸酶、田间持水量、全磷和pH的变异信息，第三主成分则综合了细菌、真菌、过氧化氢酶和自然含水量的变异信息。第一主成分的累积方差贡献率最大，因此压砂对土壤养分有很大的影响。

3 结论

(1)土壤微生物区系和土壤酶活性与土壤理化性质有一定相关性，可以用来作为土壤肥力的指标，评价土壤肥力水平和土壤质量，但不能用同一种酶活性表征土壤肥力水平[19]。

随着压砂年限的增加，土壤微生物总数减少，前15 a压砂地有机碳、全氮和碱解氮含量随着年限的延长也逐年降低。土壤微生物承担着物质的转化功能，对土壤气候因子、物理和化学养分组成的变化很敏感，通过其种类、数量和分布来反映土壤质量，通过系统的土壤微生物调查，可为评估土壤质量提供量化指标[20]。

前15 a脲酶、全氮和碱解氮含量随着压砂年限的延长呈下降趋势。脲酶可用来表征有机氮的转化情况。0—20 cm对照碱性磷酸酶活性、全磷和速磷含量高于压砂地，相关性表明，碱性磷酸酶活性与土壤含磷量和pH值密切相关。

(2)土壤微生物区系数量排序为:细菌＞放线菌＞真菌，真菌的数量占菌类总数小于1%。主要是由于细菌与放线菌适宜在中性或微碱性的土壤环境上生长，真菌适宜在酸性土壤生存[21]。0—20 cm和20—40 cm土壤微生物总数对照多于压砂地，压砂抑制了菌类的生长。

(3)压砂的生态效应迥异:压砂地土壤含水量高于未压砂地，压砂蓄水保墒，防止土壤沙化。压砂地全盐含量远远低于未压砂地，压砂抑制了盐分的上升，有效降低土壤盐渍化。压砂连续种植，长期不施肥，肥力逐年下降，与许强等研究结果一致[14]。

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