不同耕作方式对果园土壤养分和微生物活性的影响

刘洪坤，严贤春

(1.南充职业技术学院，四川 南充 637131；2.西华师范大学生命科学学院，四川 南充 637002)

【研究意义】对于整个生态系统来说，占据主体的属于陆地和海洋，在陆地生态系统之中，土壤起着相当关键的作用，毕竟土壤是众多陆生植物的生长载体[1-2]，为植被的生长提供必要的养分等，可以说陆生植被的生长发育离不开土壤[3]。而对于土壤而言，腐殖质等有机质分解能够为之带来较丰富的营养成分[4-5]，而在此过程中，土壤养分作为重要的参与者，能够对土壤生态的能量及物质循环产生多方面的影响[6]，甚至可以说是土壤质量指标之一；微生物在腐殖质等分解过程中同样起着关键作用[7-8]，不仅能够促进土壤循环和交换，还能促进有机质转化，堪称土壤活性养分储备库，为作物生长提供必要的养分。因此，植被的生长离不开土壤养分和微生物量，二者在其生长发育过程中起着关键作用，并对土壤肥力保持起着无可替代的作用，对于农作物亦是如此，农作物的产量将深受二者的影响；但是就我国而言，土壤养分及微生物量在时空分布方面存在较大的差异，在气候、土质等影响下肥力差异明显，对作物生长产生明显不同的影响。【前人研究进展】在现代农业生产过程中，为了保持土壤肥力和活性，常常通过犁地、施肥等进行耕种，并在作物生长过程中进行施肥、喷洒农药等[9-10]，这些耕种活动必然会对土壤产生不同的影响，尤其是化肥和农药的使用，将对土壤结构产生不可恢复性影响；适度的施肥等耕作对于提升土壤肥力等具有明显促进作用[11]，但是过度的耕种等将破坏土壤原有的结构，使得土壤肥力短期化严重。不同地区，因气候等原有影响使得土壤的结构及肥力等方面存在明显的差异，但是势必受到耕作方式的影响，尤其是在土壤养分及活性具有显著的地区差异。土壤作为农作物生长的载体，其肥力和活性必然制约作物的产量[12-13]，因此研究耕种方式造成的土壤肥力变化具有重要现实意义[14]。果园作为农业生产的重要环节之一，在社会生产生活中具有重要地位和现实意义，其具有典型的开放性及目的性，受人为干预较为明显[15-16]，四川独特的土壤及气候条件等使得其成为我国农业生产大省，但是其果园土壤退化近年来较为明显[9]，严重制约了该地区的果业生产。【本研究切入点】本研究将从果园生态的角度来开展相关的土壤研究，具体从土壤养分、微生物活动2个方面来探究。【拟解决的关键问题】为土地合理开发提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域选择的主要是果园地，位于南充职业技术学院野外试验基地，在研究区域进行随机的分组设计，主要的耕种方式处理为以下2种：旋耕、翻耕，同时设置了免耕分组，从而强化实验的对比性。为了提升实验的准确性，本研究对以上3种耕种处理方式进行3次重复，对每个随机分组进行8行区分，要求每行长度为50 m，间距在0.65 m。然后对果园样地分别施肥尿素、磷酸二铵和硫酸钾，其中氮、磷、钾施用量要分别达到240、120、90 kg·hm-2；本实验将全部磷、钾肥作为基肥，除此之外还要将70 %氮肥作为辅助基肥，实验中的基肥在播种的时候一次性施肥，而剩余30 %的氮肥进行追肥处理。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 本实验从2015年开始，直到2017年7月，对于各个采样区进行了 3 次重复样地设置，对于各样地，通过五点法进行0～20 cm取土，待均匀混合之后通过四分法进行土样采集，将土壤表面杂物等去除，之后将一部分土样取出，并充分混合后装入无菌塑料袋，备测试之用；对土样要分为2份：1份首先进行过筛处理，在测定其土壤酶活性之后进行微生物活度测定，另1份土样需要经过近20 d 的风干处理，之后去除杂物后过筛处理，然后再进行土样养分的测定。

1.2.2 样品测定 土壤有机碳、全磷、全氮、全钾的测定方法分别是氧化外加热法、比色法、凯氏定氮法、分光光度法；对微生物量碳、氮的测定要通过氯仿熏蒸-K2SO4浸提法；在对土壤pH测定之前，需要经过1︰2.5土水混合后进行浸提液，之后开展电极电位法测定；在实验过程中利于电导法进行电导率的测定[17]；对于有效磷及钾含量的测定分别采取比色法、分光光度计法进行。之后进行微生物数量的测定：具体通过平板梯度稀释法进行[18]，其中培养基涉及到细菌、真菌、放线菌。

实验还需要对土壤微生物的周转进行相应计算，具体的估算方式利用高云超[19]所提的测算方法进行，具体如下。

微生物量库容值β= ΣA/N

式中：β单位为mg·kg-1；A是微生物量总和，单位用mg·kg-1表示；其中N是采样次数。

微生物量周转率rb= ΣB/β

其中：rb单位为mg·kg-1。

周转周期T=1/rb

流通量F=β×ρ×h/T

其中：土壤密度用ρ表示，单位为kg·m-3；采样深度利用h表示，单位为m。

对于土壤微生物活度的测定通过优化之后的FDA法进行测定[20]。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对果园土壤物理性质的影响

由表1可知，0.05～1 mm土壤所占比例为14.79 %～19.13 %，大致表现为免耕>翻耕>旋耕，其中免耕和翻耕差异不显著(P>0.05)，但均显著高于旋耕(P<0.05)；0.002～0.05 mm土壤所占比例为52.55 %～65.04 %，大致表现为旋耕>翻耕>免耕，不同耕作方式差异显著(P<0.05)；<0.002 mm土壤所占比例为20.17 %～28.32 %，大致表现为免耕>翻耕>旋耕，不同耕作方式差异显著(P<0.05)；土壤电导率的变化范围为63.28～89.02 μs/cm2，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差异显著(P<0.05)；土壤容重的变化范围为0.76～1.03 g/cm3，大致表现为免耕>翻耕>旋耕，其中免耕显著高于翻耕和旋耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤pH值略显酸性，其变化范围为6.03～7.29，大致表现为免耕>旋耕>翻耕，其中免耕显著高于翻耕和旋耕(P<0.05)。

表1 不同耕作方式对果园土壤物理性质的影响

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

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

2.2 不同耕作方式对果园土壤养分的影响

由表2可知，在不同耕作方式下，土壤养分(有机碳、全氮)和有效养分(有效磷、有效氮和有效钾)均呈现出一致性规律，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式下土壤有机碳、全氮含量差异均显著(P<0.05)；不同耕作方式土壤全磷含量变化范围为0.82～0.83 g/kg，大致表现为旋耕>翻耕>免耕，不同耕作方式土壤全磷含量差异不显著(P>0.05)；不同耕作方式土壤有效磷含量变化范围为13.59～19.23 mg/kg，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤有效磷含量差异显著(P<0.05)；不同耕作方式土壤有效氮含量变化范围为5.18～9.16 mg/kg，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，其中免耕和旋耕差异不显著(P>0.05)，但二者显著低于免耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤有效钾含量变化范围为1.52～3.65 mg/kg，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤有效钾含量差异均显著(P<0.05)。

2.3 不同耕作方式对果园土壤微生物数量的影响

土壤微生物的数量分布，不仅可以敏感地反映土壤质量的变化，而且是土壤中生物活性的具体体现。根据采样点数据，得到不同耕作方式下土壤微生物数量的变化(表3)。不同耕作方式下土壤各类群微生物数量存在较大差异，细菌、真菌和放线菌与微生物总数的变化趋势相一致，在组成微生物种群的细菌、放线菌和真菌3大类中，细菌数量处于绝对优势地位。土壤放线菌和细菌数量变化范围分别在(0.86～1.32)×105和(1.02～1.75)×105cfu·g-1，基本表现为翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差异均显著(P<0.05)；土壤真菌数量变化范围在0.37～0.86 cfu·g-1，基本表现为翻耕>旋耕>免耕其中不同耕作方式差异均显著(P<0.05)；土壤固氮菌数量变化范围在(5.14～9.23)×103cfu·g-1，旋耕和免耕差异不显著(P>0.05)，二者显著低于翻耕(P<0.05)。

表2 不同耕作方式对果园土壤养分的影响

表3 不同耕作方式对果园土壤微生物数量的影响

2.4 不同耕作方式对果园土壤酶活性的影响

土壤酶活性能够灵敏地反映土壤管理措施的变化，可用于表征土壤养分循环速率。由表4可知，不同耕作方式下土壤酶活性存在较大差异，不同耕作方式脲酶活性的变化范围为0.65～0.76 mg/(g·d)，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差异均不显著(P>0.05)；脱氢酶活性的变化范围为0.61～0.96 mg/(g·d)，大致表现为翻耕>旋耕>免耕，其中不同耕作方式差异均显著(P<0.05)；蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的变化范围分别为98.14～130.25 和198.19～236.25 mg/(g·d)；不同耕作方式差异均显著(P<0.05)。

2.5 不同耕作方式对果园土壤微生物周转的影响

土壤微生物周转对土壤有机质和养分循环起着决定作用，对了解土壤养分供应潜力和植物养分的有效性有非常重要的意义。由表5可知，免耕土壤微生物周转率最低，微生物量碳周转率为0.98 a-1，周转周期为1.54 a，说明免耕土壤微生物量碳在0.98 a 更新1次；微生物量氮周转率为0.85 a-1，周转周期为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转率高于氮周转率，说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转基本呈现出一致性规律，其中，土壤微生物量碳转移量依次表现为翻耕>旋耕>免耕；土壤微生物量碳周转率依次表现为翻耕>旋耕>免耕；土壤微生物量碳周转期依次表现为翻耕<旋耕<免耕；土壤微生物量碳流通量依次表现为翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式差异均显著(P<0.05)。土壤微生物量氮转移量、周转率和流通量均表现翻耕>旋耕>免耕，土壤微生物量氮周转期呈现出相反的变化趋势。

2.6 不同耕作方式对果园土壤微生物活度的影响

不同耕作方式下土壤微生物活度如图1所示。单因素方差分析结果表明，不同耕作方式下土壤微生物活度的变化范围在0.47～0.75，依次表现为翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式下土壤微生物活度差异均显著(P<0.05)。主要是由于免耕导致土壤肥力较低，造成了活动区土壤微生物数量和酶活性的降低，从而土壤微生物活度较低。

表4 不同耕作方式对果园土壤酶活性的影响

表5 不同耕作方式对果园土壤微生物周转的影响

图1 不同耕作方式对果园土壤微生物活度的影响Fig.1 Effect of tillage system on soil microbial activity in orchard

3 讨 论

经过试验对比得知，在不同的耕作方式影响之下，土壤结构、养分及肥力等方面存在较大差异，微生物活动及活性也受到其显著影响；施肥方式的不同会直接影响土壤结构和肥力，尤其是施肥合理性对土壤的影响最大，适度的耕作能够改善土壤板结等问题，最终改善土壤结构和肥力保持，从而对作物产量进行有效提升，但是盲目的施肥将破坏土壤结构，不利于农作物生产，无法合理利用农田资源[21]。对于土壤容重而言，其与土壤养分之间具有负相关的关系，因此降低土壤容重对于改善土壤质量具有重要作用。通过比较得知，不同耕作方式使得土壤养分含量不同，其中养分含量最高的属于翻耕条件下的土壤，其次是旋耕，而免耕处理下的土壤并无较高含量的土壤养分，综合来看，土壤养分在不同耕作影响之下存在较大差异。

土壤养分是作物生长的必要条件，其含量受多方面因素的影响，但是土壤pH值较高的情况下会直接降低土壤养分，二者具有明显的负相关关系，在土壤pH值的直接影响之下，土壤全量养分会发生显著变化，此外，有效养分的变化也受到其深入影响，在根系分泌作用下有机酸生成，而其存在较强的溶解性，pH值的降低能够促进其溶解性，在其综合作用下土壤养分的吸收能力增强，进而提供更多的土壤养分[22-23]。对于水溶性养分来说，耕作的不同会导致养分含量发生明显的变化，经过翻耕及深耕处理的土壤，其孔隙度明显提升，有利于微生物活动，从而提升养分的矿化作用，促进作物对养分的吸收利用[24]。通过研究发现不同的耕作对土壤全磷并未能产生明显影响，主要原因在于磷沉积性强，难以在短时间内分解，因此耕作方式带来的影响不明显；在翻耕和旋耕的影响下，铵态氮和硝态氮含量提升较为明显[25-26]。

对于土壤养分而言，其含量不仅代表着土壤“营养库”的储量，而且对有效养分的供应水平产生较大的制约[27]，二者具有较为紧密的关系。通过研究发现，土壤的多种因子常常会发生动态变化，并寻求相对平衡，与土壤养分相比，微生物量的变异程度较高，其对于土壤肥力具有更好的表现水平；即使土壤微生物量库发生的变化不大，但是仍然能够对养分循环产生直接作用，并影响其有效性[28]，土壤结构良好的情况下，微生物活动增强，进而能够为作物的生长提供有利条件。在大量施肥的影响之下，农田土壤水溶性养分的含量在不断提升，最终使得微生物量发生显著变异，同时，作物的浅层根系较为紧密，对于土壤微生物量的积累起着重要作用[21-22]。土壤有机质不仅是为碳源等提供营养成分来源，同时为微生物在其生长及代谢活动过程中进行必要的营养供给，从而在微生物活动及土壤酶活性提升方面起到明显促进作用，最终改善土壤结构、保持土壤肥力。

对于土壤微生物而言，其新陈代谢越强说明其具有更强的活性，此外，微生物活性在碳素循环过程中起着明显的作用，制约碳循环效率，在土壤结构改善、酶活性增强、肥力保持等方面作用显著，能够作为土壤质量的反映指标之一[29]；土壤的耕种方式不同，将直接影响到微生物活动，最终导致的土壤结构也会出现显著差异，进而影响农作物生产质量和效率[24]。通过对比分析得知，在翻耕、旋耕的耕种方式之下，土壤能够形成较疏松的土质，同时使得土壤孔隙提升，能够对土壤容重起到较为明显的降低作用，这样能够为微生物活动及新陈代谢创造良好活动条件，同时对于土壤肥力的保持起到相当重要作用。此外，在翻耕及旋耕处理下，腐殖质等埋入土壤之中，加速了其分解及微生物的利用，对于增强土壤肥力作用显著[25-26]。土壤有机碳能够为微生物活动提供较为充足的养分，能够明显提升微生物的活性和代谢水平；在微生物量碳的作用下，土壤有效养分积累较多，另一方面，土壤pH的上升将严重制约微生物活动。综合来说，与免耕相比而言，翻耕和旋耕利于改善土壤结构，利于微生物活动，最终提升作物产量。