葡萄园土壤养分变化特征对不同栽培年限的响应

2020-08-28刘松涛孙兆军

西南农业学报 2020年7期

李茜，刘松涛，何俊，孙兆军，吕雯

(1.宁夏大学环境工程研究院，宁夏银川 750021；2.教育部中阿旱区特色资源环境治理国际合作联合实验室，宁夏银川 750021； 3.宁夏职业技术学院，宁夏银川 750021；4.宁夏大学资源环境学院，宁夏银川 750021；5.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，宁夏银川 750021)

【研究意义】近年来，中国葡萄栽培面积和葡萄产量呈快速上升的发展趋势，酿酒葡萄种植面积增速在13 %～15 %[1]。胶东半岛和新疆产区是我国葡萄栽培面积最大的产区，而宁夏贺兰山东麓产区的酿酒葡萄种植面积最大，是我国酿酒葡萄的主要原料供应基地，具有很大的发展潜力。据不完全统计，宁夏贺兰山东麓葡萄产业基地已增加到4万hm2，栽植的葡萄品种的数量也从14个增加到30多个，目前已建成86个葡萄酒庄，年产葡萄酒近10万吨，综合产值超过200亿元，宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄产业带已初具规模。但是随着酿酒葡萄栽植年限的增加，很多老龄葡萄园表现出了严重的连作障碍问题，导致葡萄幼苗生长不良，葡萄的产量和品质出现下降的趋势，病虫害问题严重。【前人研究进展】专家学者普遍认为土壤中的养分亏缺或失衡、有害微生物种类和数量的增加以及根系分泌物导致的植物-土壤间的互作关系毒害是连作障碍的主要原因[2-4]。目前，针对贺兰山东麓葡萄产区土壤肥力、水肥管理、重金属污染评价等方面开展了部分研究[5-10]，但是对不同栽培年限葡萄土壤养分变化规律鲜见报道。【本研究切入点】本研究以宁夏贺兰山东麓产区种植3、8和20年的“赤霞珠”葡萄根际土壤和非根际土壤为研究对象，测定不同种植年限下土壤各理化指标，分析土壤养分及相关因子变化规律对栽培年限的响应关系。【拟解决的关键问题】旨在探讨长期种植葡萄后土壤养分的变化趋势，为本区酿酒葡萄的合理种植及葡萄产业的可持续发展提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏贺兰山东麓产区的青铜峡市甘城子，属于中温带干旱气候区。年平均气温为8.5 ℃，≥10 ℃的有效积温3135～3272 ℃，昼夜温差达10～15 ℃，日照时数为3032 h，太阳辐射强，年平均降水量为180～200 mm，年蒸发量1000 mm以上，无霜期180 d。土壤以普通灰钙土为主，肥力较低，但光照充足，气候干燥，适合酿酒葡萄的种植。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集方法本研究选取栽培3、8和20年的赤霞珠葡萄园，地力与栽培管理基本一致。于2018年6月底采集根际土壤和非根际土壤。每1个栽培年限取选5个样地，每个样地采取五点采样法，混合土样为一个样品，3次重复。根际土壤(Rhizosphere soil)采集方法为抖落法，非根际土壤(Non-rhizosphere soil)的采集，于距离葡萄主茎50 cm处无根系附着的土壤，为非根际土壤。以未种植葡萄的撂荒地为对照。采集的土样分别收集到灭菌的自封袋中低温条件保存，供测试分析。

1.2.2 测试指标及测试方法土壤微生物生物量C用熏蒸提取-容量分析法[11]；土壤微生物生物量N用凯氏定氮法[11]；土壤微生物生物量P用氯仿熏蒸法[12]。

1.2.3 数据分析本文用Excel2007进行数据整理，用SPSS19.0统计软件进行数据分析。

根际对土壤养分的富集程度用“富集率”表示[13]。

富集率=[(根际土壤含量-非根际土壤含量)/非根际土壤含量]×100 %。

2 结果与分析

2.1 不同栽培年限葡萄土壤pH和电导率变化

2.1.1 不同栽培年限葡萄土壤pH变化栽植3年时，葡萄根际和非根际土壤pH值无差异(图1)，但是和对照土壤差异显著。栽植8年后，葡萄非根际土壤和对照土壤pH值降幅较大，和根际土壤pH值差异显著；而栽植20年后，葡萄根际土壤pH值反而上升，pH值达8.81；整体来看，pH值随着栽培年限的延长出现先降低后升高的变化趋势。

图1 不同栽培年限土壤pH值Fig.1 pH values under different planting years

2.1.2 不同栽培年限葡萄土壤电导率变化整体来看，土壤电导率随着栽培年限的增加表现出先升高在降低的变化趋势(图2)。无论栽培年限长短，葡萄根际和非根际土壤的电导率之间差异不显著，但是和对照土壤存在显著差异。当栽培年限达20年时，葡萄根际和非根际土壤电导率分别为0.2726和0.2550 g/kg，而对照土壤的电导率为0.4265 g/kg。

图2 不同栽培年限土壤电导率Fig.2 EC under different planting years

2.2 不同栽培年限葡萄土壤养分变化

2.2.1 不同栽培年限葡萄土壤全N、全P及全K变化随着栽培年限的延长，葡萄根际土壤全N和全K的变化规律一致(表2)，即种植3年时，根际土壤全N和全K含量最低，栽培年限为8年时，其含量达到峰值，而栽培年限为20年时，其含量又略微降低，根际土壤全N和全K含量整体表现为先升高在降低的变化趋势。同一个栽培年限下葡萄根际土壤和非根际土壤全N和全K含量的差异显著。无论是根际土壤还是非根际土壤，其全P的含量都随着栽培时间的延长而逐渐升高，栽培年限为20年时含量最高，且葡萄根际土壤和非根际土壤全P含量差异显著。

表2 不同栽培年限葡萄根际/非根际土壤全N、全P及全K

2.2.2 不同栽培年限葡萄土壤有机碳、碱解氮、速效P及速效K变化从葡萄土壤的均值分析，有机碳和和速效K随着栽培年限表现出先升高在降低的趋势(表3)，栽培8年时土壤有机碳和和速效K平均值为0.5543 %和125.4912 mg/kg，从数据可以看出，栽植20年时土壤有机碳和和速效K的值有所降低，但是差异不显著，基本维持在一个稳定的水平；而碱解氮和速效P随着种植年限的延长呈现上升趋势，栽培20年时土壤碱解氮和速效P的平均值达到了28.9370和6.3498 mg/kg，和栽培3年时相比，其增幅达到了77.23 %和144.64 %。

表3 不同栽培年限葡萄根际/非根际土壤有机碳、碱解氮、速效P及速效K

2.2.3 不同栽培年限葡萄土壤微生物生物量变化整体来看，土壤微生物生物量C和微生物生物量N随着栽植年限的延长(表4)，呈现出先升高后降低的变化趋势，种植8a时土壤微生物生物量C和微生物生物量N的值达到最高，分别为17.9222 和20.8417 mg/kg。而土壤微生物生物量P表现出先降低在升高的变化趋势，但是种植8年土壤微生物生物量P含量和种植3年及种植20年比较，降幅仅为6.21 %和6.63 %。土壤微生物生物量C含量在种植8和20年时，非根际土壤的含量远远大于根际土壤的含量，且差异显著，但是非根际土壤并无显著差异。种植3和20年葡萄根际土壤和非根际土壤微生物生物量N和微生物生物量P含量无显著差异。

表4 不同栽培年限葡萄根际/非根际土壤微生物生物量

2.2.4 不同栽培年限葡萄根际土壤养分富集率从不同的土壤养分角度分析，不同栽培年限葡萄根区全N、全P、碱解氮和微生物生物量C的富集率表现规律一致(表5)，即在栽培3年时呈现出正的富集率，全N、全P、碱解氮和微生物生物量C的富集率分别为27.3 %、11.57 %、6.96 %和21.25 %，但是种植8和20年时，这4种指标的富集率为负值，并未表现出根际养分的富集作用。土壤的全K和有机碳只在栽培8年时出现了富集作用，其富集率分别为8.37 %和16.03 %；而微生物生物量N在只在栽培8年时没有富集作用，而在栽培3和20年时有富集作用，微生物生物量N的富集率分别为8.53 %和12.30 %。土壤速效P在栽培3和8年时根际有一定的富集作用，其富集率分别为4.61 %和17.23 %；土壤微生物生物量P在不同栽培年限下都表现出了根际富集作用，但是富集作用较微弱，栽培3、8和20年土壤微生物生物量P的富集率仅为0.37 %、1.65 %和1.37 %，而土壤速效K在不同栽培年限下都未表现出富集作用。

表5 不同栽培年限葡萄根区土壤养分富集率

从不同栽培年限的角度分析，栽培3年时根际对土壤养分表现出富集作用的养分指标最多，全N、全P、碱解氮、速效磷和微生物生物量C、N、P都有根际的富集作用；栽培8年时对全K、有机碳、速效P和微生物量P有根际的富集作用；而栽培20年时仅有微生物量N和微生物量P有根际的富集作用。说明随着栽培时间的延长，根际对土壤养分的富集作用越来越弱，并未表现出明显的养分富集。

3 讨论

近年来，植物根际微域环境的研究越来越受到专家学者的关注，目前已成为土壤学最活跃、最敏感的研究领域之一。根际pH值的变化是由于根系呼吸作用释放CO2以及在离子的主动吸收和根尖细胞伸长过程中分泌质子和有机酸所致[14]。植物的发育阶段不同，植物体自身的蒸腾作用使土壤中的盐分随着土壤水运移到植物根际周围，使得葡萄根际土壤的电导率高于非根际土壤，这和张学利[15]的研究结果一致。不同发育阶段根际土壤中盐分积累的程度与植物蒸腾强度的变化密切相关。

土壤养分是土壤提供植物生命活动所必需的营养元素，是评价土壤自然肥力的重要因素之一。有研究结果显示，随着种植年限的增加有助于改善土壤肥力与土壤质量的提高[16-17]，也有部分研究表明天然林自然更新过程中土壤养分指标呈现下降趋势[18-19]。张玉树[20]认为耕作30年范围内果园土壤全氮含量随种植年限的延长而显著增加。张仕颖[21]提出，随着葡萄种植年限的延长土壤肥力呈现先增加后降低的变化趋势。总体来看，虽然测定的各养分指标变化规律不一致，但是栽培8和20年多数养分指标之间差异不显著。栽培20年后土壤养分平均含量明显高于栽培3年，表明随着种植年限的延长，葡萄园土壤养分总体呈积累的变化趋势，王志秀[22]等人也得到了相同结论。说明在贺兰山东麓长期种植葡萄后，在水肥等田间管理措施的干预下，有利于土壤养分水平的整体提升。

土壤微生物生物量是衡量土壤养分的有效性以及土壤微生物变化情况的敏感性指标[23-25]。 “富集率”表示根际对土壤养分的富集程度。“富集率”越高表明根系对土壤中的养分富集程度越高。在葡萄栽培3年时，对大多数测试的土壤养分均有富集作用，栽培8年时，全K、有机碳、速效P和微生物生物量P表现出了一定程度的富集作用，而栽培20年时仅有微生物生物量N和微生物生物量P有较弱的根际富集作用。随着栽培时间的延长，根际对土壤养分的富集作用越来越弱，分析原因，可能是随着葡萄树体的不断生长，葡萄根系在不断的向更深更广的区域扩张，导致根际周围无明显的富集效应。

在植物的生长过程中，根系可以从土壤中摄取养分和水分，同时也会向土壤中分泌、释放大量的次生代谢物质。这些次生代谢物质会改变植物根际微区的物理和化学性质，从而影响根际土壤养分和微生物的结构和功能。土壤中的微生物参与土壤的养分循环，在一定程度上反映了土壤的质量。多年连栽会导致土壤中微生物的群落结构发生改变，使土壤中的养分循环受到阻碍，从而引起了土壤质量的下降[26]。根际土壤微环境是一个复杂的生态系统，种植葡萄后根际土壤肥力指标变化对根际土壤的微生物、土壤酶活性的影响如何，需进一步深入研究。