石漠化地区核桃套种不同作物的养地效果

2021-02-05曾成城苏利荣苏天明何铁光俞月凤韦爱娜蒙元清

中国水土保持 2021年2期

曾成城，秦芳，苏利荣，李琴，苏天明，何铁光，俞月凤，韦爱娜，韦楠，蒙元清

(1.广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007；2.东兰县林业局，广西河池 547400； 3.大化瑶族自治县核桃产业发展局，广西河池 530800)

喀斯特地区石漠化是指在喀斯特生境下，人类不合理的社会经济活动造成植被破坏、水土流失、岩石裸露、土地生产力丧失，地表呈现出类似荒漠的现象，它是喀斯特地区水土流失的最终结果[1]。广西喀斯特石山面积约9.77万hm2，占全区面积的41%[2]，全区90%以上的贫困人口都分布在石漠化地区，石漠化直接导致人地矛盾尖锐、植被逆向演替，以及干旱、滑坡、洪涝等灾害。由于造土能力差、土层薄、基岩出露，加之农民盲目开荒，当地石漠化程度日趋严峻。

核桃具有耐石漠化、耐旱、耐贫瘠等特点，不仅能够适应石漠化山区恶劣的自然条件，保护生态环境，还能产生巨大的经济效益。2016年，广西核桃种植面积约16.99万hm2，产值约6 933.52万元[3]。但单种核桃不仅浪费土地资源，还不利于当地的水土保持。科学的种植模式和种植制度可合理利用土壤养分，更有效地防治石漠化地区水土流失，提高土地利用率，改善土壤微生物区系，增强土壤酶活性，减少病虫害，进而创造更好的土壤环境。有研究表明，套种模式能够有效减小地表径流量[4]，选用早春能快速生长、匍匐于地表的或矮杆的植物进行套种，具有更好的水土保持效果[5]。池永宽[6]研究发现，石漠化治理中，林草空间优化配置模式不仅可以提高农作物单位面积产出率，提高经济效益，还能增加产量与品质。套种作物的枝叶或藤蔓自然覆盖裸露地面，不仅能降低土壤温度，还可缓和暴风雨对土壤的直接侵蚀，减少水、土、肥的流失，同时为微生物的繁殖与活动提供适宜环境，增加微生物的数量[7]。李纪元等[5]则认为，套种农作物后频繁或不合理的耕作措施有可能影响土壤物理性质，从而加重水土流失，降低退耕还林工程的生态效益。因此，如何更科学地利用光、热、水、土等条件，更高效地对石漠化地区进行生态修复还需进一步研究。本研究在典型的石漠化地区核桃林地套种作物，以单种核桃为对照，研究不同套作模式对核桃林地土壤基本理化性质、微生物数量及酶活性的影响，揭示不同套种方式对土壤的养地效果，以期为石漠化地区生态修复及核桃套种高效种植模式实施提供科学依据。

1 研究材料与方法

1.1 试验设计

本试验在广西河池市东兰县长乐镇进行，当地属于亚热带季风气候。核桃树均为大泡核桃，于2014年种植。本研究设6个处理，每个处理3个重复，共18个小区，小区面积为40 m2，随机区组排列。其中，处理1(CK)为核桃单种，处理2(YH)为核桃/玉米/红薯，处理3(YL)为核桃/玉米/绿豆，处理4(MH)为核桃/美洲菊苣/红薯，处理5(ML)为核桃/美洲菊苣/绿豆，处理6(ZL)为核桃/芝麻/绿豆(“/”表示套种)。于2018年6月10日进行套种作物种植，种植期间，按照常规施肥、追肥、除草、除虫等。于作物收获日，采集每个样地0～20 cm土层的土壤样品，按四分法取样后，用聚乙烯自封袋带回实验室，测定其理化性质。套种作物前的土壤基本理化性质见表1。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 土壤基本理化性质

全氮含量采用全自动凯氏定氮仪测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，全磷和有效磷含量用钼锑抗比色法测定，全钾及速效钾含量采用原子吸收光谱仪测定，pH值用电位计法(土∶水=1∶2.5)测定，有机质含量用重铬酸钾外加热法测定。

表1 土壤基本理化性质

1.2.2 土壤酶活性

纤维素酶活性的测定采用羧甲基纤维素钠法，酸性磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法，脲酶活性采用苯酚钠比色法。

1.2.3 土壤微生物数量

土壤细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基、放线菌用改良高氏一号合成培养基、真菌采用马丁培养基进行培养，均采用稀释涂布平板法测定。

1.3 统计分析

利用SPSS 20.0软件采用单因素方差分析(one-way ANOVA)来揭示核桃树套种不同作物处理对土壤基本理化性状、土壤微生物数量及酶活性的影响，并运用Duncan检验法(Duncan’s multiple range test)检验不同处理的各个指标差异显著性；采用Pearson相关系数评价土壤基本理化性状、土壤微生物数量及酶活性之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性状

试验中，除美洲菊苣种子未发芽外，其余作物全部存活并长势良好。如图1所示，每一种土壤养分全量和有效态含量均有套种作物处理高于核桃单种处理的现象，各套种处理的土壤养分含量也未出现较单种核桃处理普遍下降的情况，故从土壤养分的情况来看，核桃套种作物并未引起更多的养分流失，且YL的养分全量及有效态含量均高于核桃单种处理。核桃套种绿豆处理，即YL、ML和ZL的土壤全氮含量及碱解氮含量均高于核桃单种处理，说明绿豆具有固氮作用，适于种植在土壤较贫瘠的石漠化地区。

图1 不同处理土壤基本理化性状(平均值±标准误差)

方差分析结果表明，不同套种模式显著影响土壤全磷、有效磷及有机质含量(P<0.05)。ZL的土壤全磷含量在所有处理中最低，显著低于MH，YH的土壤有效磷含量显著低于MH、ML、ZL，因此在套种芝麻、绿豆、玉米、红薯时应注意磷肥的施加。不同套种模式显著影响pH值(P<0.05)，所有套种处理的pH值均显著低于核桃单种，且所有套种处理土壤pH值均低于7。YH的土壤有机质含量最低，可能与本处理对土壤有机质吸收量最大有关，在耕作中应注意施加有机肥，以避免化肥施用过多而造成土壤酸化。

2.2 土壤微生物数量

不同的核桃套种作物种植方式显著影响土壤微生物(细菌、真菌和放线菌)数量(P<0.05)。除放线菌数量及ML的细菌数量外，套种作物处理微生物数量均高于核桃单种(图2)。土壤细菌、真菌及放线菌数量最高的分别是YH、YL、ZL。由于整个试验过程中美洲菊苣未发芽，故套种美洲菊苣处理，即MH、ML的土壤细菌数均低于其他套种作物处理。

图2 不同处理土壤微生物数量(平均值±标准误差)

2.3 土壤酶活性

由图3可知，除ML的纤维素酶活性外，套种作物处理土壤纤维素酶活性、脲酶活性和酸性磷酸酶活性均高于核桃单种处理。不同的核桃套种方式显著影响土壤纤维素酶活性及酸性磷酸酶活性(P<0.05)，且该两种酶活性均为YH最高。YL的脲酶活性为所有处理中最高。

图3 不同处理土壤酶活性

2.4 土壤基本理化性状、微生物数量及酶活性相关性

由表2可知，土壤基本理化性质、微生物数量及酶活性具有较明显的相关性。其中，酸性磷酸酶活性与全钾含量和纤维素酶活性显著正相关(P<0.05)，与细菌数量达到极显著正相关(P<0.01)，脲酶活性与有机质含量显著负相关，纤维素酶活性与碱解氮含量、速效钾含量显著正相关，真菌数量与碱解氮含量、速效钾含量呈显著正相关，放线菌数量与有效磷含量呈显著正相关，有机质含量与pH值呈显著正相关，速效钾含量与碱解氮含量呈极显著正相关，纤维素酶活性与细菌数量呈极显著正相关。总体上，除真菌数量与酸性磷酸酶活性、放线菌数量与脲酶活性之间呈负相关外，其余酶活性与微生物数量间的相关性均为正相关。

3 讨论

恢复石漠化地区的植被覆盖对改善岩溶地区生态环境有重要意义[8]。本研究中，每一种土壤养分全量和有效态含量均有套种作物高于核桃单种的现象，各套种处理的土壤养分含量也未出现较单种核桃普遍下降的情况，故从土壤养分的情况来看，核桃套种作物并未引起更多的养分流失。前人研究发现，套种模式较单种模式有较好的水土保持效益，套种低矮作物是控制坡耕地水土流失的关键[9]，种植覆盖作物具有改变土壤化学特性的潜力，可以作为一种土壤保护策略进行推广应用[10]。套种豆科植物能有效固氮、增加土壤含氮量，套种红薯能有效提升土壤磷含量[11]。本研究中，核桃套种绿豆处理，即核桃/玉米/绿豆、核桃/美洲菊苣/绿豆及核桃/芝麻/绿豆处理的土壤全氮含量及碱解氮含量均高于单种核桃处理，说明套种农作物对增强土壤肥力有积极的意义。套种作物本身会消耗土壤养分，不同作物对土壤养分改善效果存在差异，生产中应根据实际情况合理补充施肥。

表2 土壤基本理化性状、微生物活性及酶活性相关性分析

土壤微生物是生态系统的重要组成部分，是土壤乃至整个生态系统物质循环的重要维持者、贡献者和土壤环境灵敏的指示者[12]。土壤酶是陆地生态系统功能的基础，对土壤环境因子的变化十分敏感，土壤微小的变动就会引起其活性的变化[13]。目前，土壤微生物数量和酶活性的监测已成为生态体系研究必不可少的内容[14]。本研究结果表明，土壤微生物数量及酶活性对不同套种处理有较敏感的响应。在植物的参与下，土壤微生物从根系分泌物中获取了更多的营养物质，促进了根际微生物的增多[15]。研究表明，植物根际土壤微生物数量明显高于非根际土壤[16]。本研究中，除放线菌数量及核桃/美洲菊苣/绿豆处理的细菌数外，套种作物处理微生物数量均高于核桃单种处理，与前人研究结果一致。酶活性方面，受根系活动影响，根系分泌物及残体在土壤分解过程中刺激微生物活动，进而使得根际土壤酶活性得以增强。本研究中，除核桃/美洲菊苣/绿豆处理的纤维素酶活性外，套种作物处理土壤纤维素酶活性、脲酶活性和酸性磷酸酶活性均高于核桃单种处理；除真菌数量与酸性磷酸酶活性、放线菌数量与脲酶活性之间呈负相关外，其余酶活性与微生物数量间的相关性均为正相关。

与单种核桃相比，核桃套种作物均有一定养地效果。其中，核桃/玉米/绿豆处理养分全量及有效态含量均高于核桃单种处理，且其土壤酶活性及微生物数量均处于较高水平。这可能是由于核桃/玉米/绿豆处理合理利用了空间，且绿豆作为豆科植物具有固氮作用。玉米作为广西喀斯特地区的重要粮食作物，可与豆科植物套种以提高经济效益及生态效益。