苹果园间作苜蓿绿肥对土壤理化性质的影响

2020-10-29李杨辉张朝阳席琳乔廖结安

塔里木大学学报 2020年3期

李杨辉张朝阳席琳乔* 廖结安王栋韩路

（1塔里木大学动物科学学院/塔里木畜牧科技兵团重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

（2塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300）

（3塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300）

新疆林果业种植总面积已达1.027×106公顷，占全国林果面积的13%，南疆林果区面积和产量占全疆的75%以上，形成了以红枣（Ziziphus jujubaM.）、核桃（Juglans regiaL.）、苹果（Malus pumilaM.）等为主的特色林果业［1］，南疆林果区土壤以棕色荒漠土为主，砂性大、有机质低，制约林果业的健康发展。果园种植绿肥和自然生草已广泛应用在土壤管理中，粉碎翻压后可提高土壤肥力，改善土壤结构，降低病虫害的发生率，改善果园小气候，促进树体生长发育，改善果实着色和品质，但在不同的立地条件下，研究结果也不尽相同［2-5］。近几年，很多研究者从绿肥种类选择、应用栽培模式、绿肥间作效益等方面对果园间作绿肥进行了大量的研究，取得了许多有价值的研究成果。果园生草红富士产量可以提高60.23%，乔纳金、金冠和红富士果实的单果重比对照增加28～40 g，果形指数均较高，大中果型比例提高了11.67%～26.70%，果实糖酸比40以上［6］。

紫花苜蓿（Medicago.sativaL.）是一种良好的栽培绿肥作物，富含氮素，有较强的富集磷、钾元素的能力，根系共生根瘤菌促进益生菌的增殖。近年来南疆果园生草技术逐渐被接受，习惯种植一年生绿肥，如油菜、苏丹草、甜菜等［7-8］，种植多年生紫花苜蓿绿肥比较少，认可度较低。为明确苹果园种植苜蓿的生态效应，以阿拉尔市连续种植了5年苜蓿的苹果园土壤为试材，探讨苹果园苜蓿生草栽培对土壤理化性质的影响，以期为干旱荒漠区果园间作苜蓿模式的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地在新疆阿拉尔市九团二营主干型苹果园，2015年建园，苹果树龄5年，株行距1.5 m×4 m，灌溉方式为春秋季漫灌和生长期滴灌。试验点绿肥播种前取行间0～60 cm土壤进行理化性质分析，苹果园土壤总碳3.39%、全氮0.76%、碱解氮14.20 mg/kg、pH 8.58、总盐1.55 mg/g、速磷14.90 mg/kg、速钾150.17 mg/kg。

1.2 试验设计

2016年春季4月初在苹果园行间间作紫花苜蓿（M.sativaL.），苹果树行间播种苜蓿8行，行距15 cm，播种量1.2 g/m2（A），以清耕（QG）作为对照，每小区10行苹果3次重复。生长季以果树为主进行田间管理，每年10月初行间增施有机肥（牛，羊粪）、生物肥。11月初冬灌水，每年5月底、6月底、8月初共放3遍水，每次放水前10天左右施腐植酸水溶性肥，另外每年叶面肥喷施4～5次。6月中旬第一次碎草，7月底第二次碎草，每年碎草3～4次。2019年5月、7月和9月中旬在苹果树行间进行土样采集，土样取样采用定点定位分层的取样方法，分别在行间用土钻5点取样，取五行土样，深度0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，然后装入铝盒带回实验室进行分析。

1.3 土样测定与分析方法

1.3.1 方法

土壤基本理化性质:土壤pH采用水土比2.5∶1（pH计法），土壤总碳和全氮含量采用杜马斯燃烧法测定，碱解氮用碱解扩散法-标准酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法，微量元素采用原子吸收法测定［9］。在土壤理化实验室用马尔文激光粒度仪（MALVERN2000）测定各层土壤颗粒组成，粒度测定范围为0.2～2 000 μm。用烘干称重法测定0～20 cm土层土壤的质量含水量。根据此模型计算分形维数［10］，公式为:D=3-lg［V（r＜Ri）/Vr］/lg（Ri/Rmax），式中：D是土壤颗粒分形维数；V（r＜Ri）为小于某一粒径Ri的土壤颗粒累积体积；Vr为土壤颗粒总体积；Ri是特征尺度，Rmax为最大粒径。通过对于某一土壤各级粒径的土壤含量进行整理,并以lg（V（r＜Ri）/Vr）为纵坐标，lg（Ri/Rmax）为横坐标作图，得到直线的斜率为3-D，即可得到土壤分形维数D。

1.3.2 数据分析

数据均用EXCEL2016和SPSS21.0软件分析、统计，做图。

2 结果与分析

2.1 对土壤物理性质的影响

2.1.1 苹果园间作苜蓿对土壤粒径分布及其分形维数的影响

由表1可知，苹果园下种植紫花苜蓿绿肥和清耕对土壤的分形维数均为2.60。果园间作苜蓿绿肥后20～40 cm土层2～20 μm土壤粒径体积从27.6%提高到30.4%，明显提高0～60 cm土层20～50 μm土壤粒径体积百分比；降低0～40 cm土层＞50 μm土壤粒径体积百分比；＜2 μm土壤无显著差异，因苜蓿根系主要分布在0～40 cm，其根系的穿插、分泌有机酸等作用能够熟化土壤和增加土壤团聚体。

表1 苹果园间作苜蓿绿肥土壤粒径分布及其分形特征

表2 土壤粒径分形维数D与各颗粒含量R的相关性分析

由表2可见，20 μm粒径是荒漠土壤分形维数的临界粒径，因为＜20 μm粒径的颗粒体积含量越高，分形维数D越大；＞20 μm粒径的颗粒体积含量越高，分形维数越小。土壤体积分形维数和土壤的细颗粒（＜0 μm）体积含量呈正相关（P＜0.01）其中与＜2 μm土壤颗粒含量的相关性最高（r=0.987 0）。

2.1.2 苹果园间作苜蓿对pH的影响

由图1可知，种植苜蓿绿肥能够显著降低土壤的pH值，降幅范围为0.04～0.38；0～20 cm土壤的pH降低作用明显高于20～40 cm和40～60 cm。从季节性变化来看，pH值呈现降低趋势，5月、7月和9月份苜蓿绿肥显著低于清耕（P＜0.05），5月份降低幅度最大达0.38。苹果园苜蓿绿肥翻压后在分解过程中，会产生较多的小分子有机酸，降低土壤pH值，有利于果树的生长发育。

图1 不同月份不同处理下的土壤pH

2.1.3 苹果园间作苜蓿对土壤全盐的影响

由图2可知，苹果园种植苜蓿绿肥后，土壤含盐量0～20 cm ＜20～40 cm＜ 40～60 cm，种植苜蓿绿肥引起土壤全盐含量的增加（8.24%～117.65%），5月差异显著（P＜0.05），7月和9月差异不显著。从时间来看，7月土壤全盐最高，其次为9月和5月。

图2 不同月份不同处理下的土壤全盐

2.2 果园间作苜蓿绿肥对土壤化学性质的影响

由表3可见，果园种植苜蓿绿肥翻压能够提高土壤的总碳（3.39%～8.53%）和全氮含量（4.55%～18.99%），7月份提高效果最明显，其次为5月份和9月份。但行间间作苜蓿土壤NH3-N含量低于清耕，且随土层增加呈降低趋势。苜蓿绿肥速效磷和速效钾含量5月份高于清耕，7月份和9月份低于清耕。苜蓿绿肥Cu、Zn、Fe和Mn含量低于清耕，但是差异不显著。苜蓿绿肥Ca含量高于清耕（P＜0.05）。苜蓿绿肥Mg含量5月高于清耕，7月和9月低于清耕。苜蓿绿肥能够提高（Ca+Mg）/K的比率，9月＞7月＞5月，其中9月和7月与清耕5月差异显著（P＜0.05），种植苜蓿绿肥可以减少K，Ca和Mg之间的拮抗，保持土壤养分更好的平衡。

表3 苜蓿绿肥对土壤养分和矿质元素动态测定结果

2.3 相关性分析

pH与TS、AP显著负相关，与Ca极显著负相关，与NH3-N显著正相关。TS与NH3-N、AK显著负相关，与TC极显著负相关，与Ca极显著正相关，与Mg显著正相关。TC与TN、AK极显著正相关，与NH3-N和Fe显著正相关。NH3-N与AK显著正相关，与AP极显著负相关，与Ca显著负相关。Zn与AP极显著正相关，与Cu、Fe和Mn显著正相关。AP与Cu显著正相关。Fe与Mn极显著正相关，与Mg显著负相关。Ca与Mg显著正相关。

表4 土壤理化性质相关性分析

3 讨论

不同的土地利用方式是影响土壤颗粒分形特征的重要因子，土壤分形维数不仅很好地反映了土壤中不同粒径的颗粒损失状况，还可以体现间作不同绿肥对土壤的改良作用［11］。茶园种植绿肥能够提高土壤的分形维数，减少砂砾的体积比35.41%和66.04%，提高粉粒和黏粒的体积比，鼠茅草优于黑麦草［12］。连续种植绿肥有利于土壤水稳性大聚体的形成，土壤水稳性团聚体＞5 mm粒级的增加有利于水稳性大团聚体的积累［13］。本次实验发现果园种植绿肥对果园土壤分形维数没有改变，苜蓿绿肥能够增加粉粒和粘粒的体积，减少砂砾的体积，可能苜蓿绿肥作物的根系分布、生物量相关，根系的活动以及根系分泌物、根际微生物、根瘤菌等都会不同程度影响土壤团聚体的形成与结构。

对施用有机物后作物生长的某一特定时期土壤pH的变化，结论不尽一致，有增加的，也有降低的报道，造成这种差异的原因可能与绿肥翻压量、种类以及观测土壤pH有关。在中性至微酸性土壤上，绿肥翻压量越大，土壤pH降低越明显，翻压20 000～30 000 kg/hm2绿肥，可以降低土壤 pH 0.1～0.6［14］，本次试验在荒漠碱性土壤苹果园种植苜蓿绿肥，能够降低土壤的pH值，pH与NH3-N变化趋势一致，显著正相关（P＜0.05）。在酸性土壤上种植绿肥可以提高pH，种植3种绿肥能提高茶园土壤pH，其中白三叶（Trifolium repensL.）pH提高10%［15］；3种豆科植物提高茶园土壤pH，pH的增幅与植物物料所含灰化碱的大小相一致［16］。

土壤水溶性盐是盐碱土的一个重要属性，也是限制植物生长的障碍因素。绿肥植物对土壤盐分有吸收和体内累积作用，土壤中部分盐分被耐盐植物吸收后，通过收割带去盐分，生物量越大，带走土壤表层盐分越多［17］。本次研究发现苹果园种植绿肥对土壤的盐分有增加趋势，且0～20 cm差异显著（P＜0.05），可能是苜蓿绿肥中能够积累一定的盐分，植株翻压还田导致0～60 cm盐分增加，绿肥植物与根系对土壤的穿插和挤压作用，改善了土壤的结构，使土壤疏松，增加了团聚体含量，能促进盐分的淋溶，可能在干旱地区蒸腾作用大于淋溶作用。土壤含盐量的季节性存在差异，这可能与蒸发量和土壤含水量有一定关系。

在果树生命周期的各个阶段，土壤N、P、K等矿质营养元素的稳定供应是保证果树正常生长发育的前提。果园生草提高果园土壤有机质，增加果园土壤矿质养分含量，活化土壤矿质元素的能力，不同的草种之间存在差异，葡萄园行间种植白三叶（T.repensL.）和紫花苜蓿（M.sativaL.）碱解N、全N、速效K含量升高，种植高羊茅（Festuca arundinaceaSchreb.）速效P的含量提高［18］。在梨园种植白三叶（T.repensL.）土壤碱解N含量较高、种植多年生黑麦草（Lolium perenneL.）速效K含量较高。火龙果果园生草，种植紫花苜蓿（M.sativaL.）、百喜草（Paspalum natatuFlugge）和柱花草（Stylosanthes guianensis（Aubl）Sw.）均可使土壤全N、碱解N含量明显增加，且种植紫花苜蓿和百喜草后土壤有效磷和速效钾含量明显增加，但种植柱花草后土壤有效P和速效K明显减少。苹果园间作紫花苜蓿可以改善苹果园生态系统［19］和生物结构组成［20］；库尔勒香梨套种苜蓿能显著提高果园土壤的有效养分和微量元素含量，0～60 cm土层有机质、碱解氮以及有效钾含量得到提高，0～90 cm土层苜蓿套种果园土壤的有效铁、有效锌和有效铜含量显著高于清耕果园土壤［21］。本次研究苜蓿绿肥翻压之后，能够提高有机质和全氮的含量，苜蓿绿肥能够活化矿物元素，5月份高于清耕，7和9月低于清耕，可能是苜蓿绿肥生长从土壤中吸收了部分矿质元素，导致土壤的含量降低，但是能够在9月到第二年5月腐解矿化之后释放出来。紫花苜蓿绿肥间作园显著提升矿质元素，可能苜蓿根系具有根瘤，分泌物有机酸等有关，特别是Ca的显著增加，能减轻苹果苦痘病的发病率［22］。