保水剂施用量对胶园土壤微生物和土壤酶活性及产量的影响

2023-09-12王纪坤周立军彭文涛程琳琳谢贵水

西南农业学报 2023年7期

王纪坤,安锋,周立军,彭文涛,程琳琳,谢贵水

(1.中国热带农业科学院橡胶研究所,海口 571101;2.海南儋州热带农业生态系统国家野外科学观测研究站,海南儋州 571737)

【研究意义】天然橡胶是重要的工业原料和战略物质,主要产自巴西橡胶树(Heveabrasiliensis)。巴西橡胶树是重要的经济树种,于20世纪50年代开始在我国大规模种植[1],经过60多年发展,国内种植面积达到约1.13×106hm2,年产橡胶8.0×105t,天然橡胶已成为我国热区重要农业支柱产业。巴西橡胶树原产于南美洲亚马逊河流域[2],喜高温且雨量充沛的气候环境,而我国植胶区属非传统植胶区,常受低温、干旱影响[3]。近年来,我国云南、海南植胶区多次出现旱情,给橡胶树生长和天然橡胶的生产带来严重影响。干旱会导致橡胶树生长迟缓、产量降低、落叶甚至干枯死亡等[4-5]。抗旱诱导、保持土壤持水量是橡胶树抗旱和高产栽培的主要技术措施[3],在土壤中添加保水剂是保持土壤持水量的重要手段之一。【前人研究进展】保水剂是一种高吸水性聚合物,无毒无害、可降解,物理化学性质稳定[6],能够反复吸水与释水,吸水量可达自身重量的几百倍以上,常被添加至土壤中以减少土壤水分散失。相关研究表明适量施用保水剂可以增强土壤持水性,改善土壤结构,提高土壤养分含量,促进作物生长和增产[7-9]。【本研究切入点】目前,保水剂已被应用在橡胶树栽培中,有研究表明保水剂能够提高橡胶树定植成活率,促进橡胶树生长,提高胶乳产量[10-11],还能提高肥料的缓释作用,减少养分淋失[12-13],然而关于成龄胶园施用保水剂对胶园土壤微生物区系和土壤酶活性影响的系统研究未见报道。【拟解决的关键问题】本文研究不同保水剂施用量对成龄胶园土壤养分、土壤酶活性、微生物数量及橡胶树产量的影响,以期明确最佳保水剂用量,为保水剂在成龄橡胶树抗旱与高产栽培提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试验胶园位于中国热带农业科学院试验场6队,橡胶树品种为热研7-33-97,割龄15年,株行距为3 m×7 m。供试土壤为胶园0～30 cm耕层土壤,养分含量为有机质16.98 g/kg、全氮0.78 g/kg、全磷0.95 g/kg、硝态氮7.34 mg/kg、铵态氮4.51 mg/kg、速效磷17.71 mg/kg、速效钾12.17 mg/kg、pH 3.99;胶园年施肥量为复合肥(NPK:15-15-15)372 kg/hm2,有机肥4.65 t/hm2,化肥和有机肥均施于胶园肥穴;保水剂由北京汉力淼新技术有限公司提供,主要有效成分为丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物,型号为BJ2101XL。

1.2 试验设计

2016年10月布置试验,2017年11月观测到橡胶树营养根已生长到施用穴的保水剂中,2018年7—10月开始测产。采用随机区组试验,设置5个处理:① CK:有机肥10 kg/tree;② T1:保水剂用量60 g/tree+有机肥10 kg/tree;③ T2:保水剂用量120 g/tree +有机肥10 kg/tree;④ T3:保水剂用量180 g/tree +有机肥10 kg/tree;⑤ T4:保水剂用量300 g/tree +有机肥10 kg/tree。每个处理3次重复,共计15个小区,每小区16株橡胶树,小区间隔6 m。保水剂施用穴位于肥穴隔行的萌生带中线上,每4株橡胶树共用1穴,施用穴尺寸为 2.0 m×0.6 m×0.5 m(长×宽×高)。施用方法为干混法,即将保水剂、有机肥与表土混合后回填至施用穴。试验基本情况见表1。

表1 试验地基本情况

1.3 采样与测产

分别于施用保水剂前(2016年9月)和施用保水剂后(2018年9月)进行取土样。每个小区内随机选取3个施用穴作为采样点,用土钻采集穴内0～30 cm土壤,并将土壤混合,每个处理采集土壤样品3个,共计15个样品。鲜土样装入消毒密封塑料袋,带入实验室,供微生物分析,用于土壤酶活性测定的土壤经风干后,过20目筛(孔径1 mm)。每月测定橡胶树产量3次,按小区划分,收集所有开割树的胶乳混合后,测定其质量和干胶含量。

1.4 测定方法

1.4.1 土壤理化性质分析土壤pH 采用pH计测定,按照水土比2.5∶1.0。土壤含水量采用烘干法测定;有机质采用重铬酸钾容量法测定;全氮采用硫酸重铬酸钾消化,半微量开氏法测定;硝态氮、铵态氮采用流动分析仪测定;全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定;速效磷采用NH4F-HCl法;全钾采用氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定,速效钾采用乙酸铵浸提,火焰光度法测定[14]。

1.4.2 土壤微生物数量与土壤酶活性分析土壤微生物数量采用稀释平板法测定;土壤脲酶活性采用苯酚钠法测定;蔗糖转化酶采用3,5-二硝基水杨酸法测定;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾法测定;酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定[15]。

1.4.3 胶乳干胶含量与胶乳质量分析干胶含量采用湖南赫西仪器装备有限公司生产的微波水分测定仪(RH2010SF-I)测定,胶乳质量采用通用电子秤测量。

1.4.4 数据分析采用Excel 2016进行数据整理,IBM-SPSS 25.0软件进行单因素方差分析,采用OriginPro 2021软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同保水剂用量对胶园土壤含水量和土壤养分含量的影响

由表2可见,不同处理土壤pH和有机质含量差异不显著(P>0.05)。施用保水剂各处理土壤含水量均显著高于CK(P<0.05),较CK显著增加13.47%～21.52%,T4最高,不同保水剂用量处理间差异不显著(P>0.05)。施用保水剂提高了土壤硝态氮和铵态氮含量,T1～T4较CK分别增加4.81%～31.42%、3.34%～26.15%,T2、T3、T4显著高于CK(P<0.05),T2最高。施用保水剂各处理的土壤速效磷含量较CK提高1.25%～29.33%,T2最高。施用保水剂各处理土壤速效钾含量较CK提高4.37～31.22%,T1最高,T2、T3与CK之间差异不显著。表明,施用保水剂能够提高土壤含水和土壤速效养分含量,但并未影响土壤酸碱度。

2.2 不同保水剂用量处理对土壤微生物数量和区系的影响

保水剂能够增加土壤细菌数量、放线菌数量和微生物总量,减少真菌数量。由图1可见,土壤细菌数量随保水剂用量增加呈先增后降趋势,施用保水剂各处理细菌数量均高于CK(P<0.05),T1～T4相对CK细菌数量显著增加250.01%、346.42%、300.04%、240.57%,T2细菌数量最高。土壤放线菌数量变化规律与细菌变化规律一致,也呈先增后降趋势,T1～T4土壤的放线菌数量均高于CK(P<0.05),与CK相比较分别增加185.26%、191.48%、183.03%、167.52%,T2放线菌数量最高,达到CK的2.91倍,不同保水剂用量之间土壤放线菌数量差异不显著(P>0.05)。土壤真菌数量变化趋势与细菌和放线菌不同,真菌数量随保水剂用量增加呈先降后升趋势,T1～T4处理土壤真菌与CK相比较,分别降低2.87%、15.31%、4.35%、3.71%,T2真菌数量最低,但保水剂用量处理与CK间差异不显著(P>0.05)。土壤微生物总量随保水剂用量增加呈先增后降趋势,施用保水剂显著提高各处理土壤微生物总量,其中T2处理最高,是CK的4.24倍。上述结果说明,保水剂显著促进了胶园土壤细菌、放线菌数量的增加,且促进作用存在剂量效应,综合分析T2促进作用最明显。

表2 不同处理土壤pH、水分含量和速效养分含量

不同小写字母表示0.05水平差异显著。下同。

土壤细菌、真菌、放线菌是土壤微生物的主要组成部分,其数量是土壤生物活性高低的重要标志之一。由表3可见,不同处理土壤细菌、放线菌、真菌数量为细菌>放线菌>真菌,细菌、放线菌、真菌占总微生物数量的87.52%～92.06%、7.69%～11.21%、0.25%～1.27%;保水剂处理的细菌数量占总微生物数量比例均高于对照,而放线菌和真菌比例均低于对照。表明,保水剂能够提高细菌在总微生物数量的占比,降低放线菌和真菌比例,胶园土壤微生物仍然以细菌为主。

2.3 不同保水剂用量对胶园土壤酶活性的影响

由图2可见,不同保水剂用量处理对土壤酶活性影响存在差异,土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性随保水剂用量的增加呈先升后降态势,峰值为T2处理用量,而土壤酸性磷酸酶未出现规律性变化趋势。T2、T3和T4处理相对CK脲酶活性分别增加40.01%、16.32%、11.37%,T2处理显著高于CK(P<0.05),T1处理与CK差异不显著。T2和T3处理转化酶活性显著高于CK(P<0.05),较CK分别增加15.74%、9.9%,T2和T3处理差异不显著(P>0.05)。T2、T3和T1处理过氧化氢酶活性显著高于CK(P<0.05),与CK相比较,分别增加31.44%、30.86%、18.32%。不同处理土壤酸性磷酸酶活性差异不显著(P>0.05)。表明,土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性随施用量增加呈现低促进高抑制,其中T2处理的保水剂用量为最佳用量。

表3 不同处理土壤细菌、放线菌、真菌在微生物总量的占比

图2 不同保水剂施用量对胶园土壤酶活性的影响

2.4 不同保水剂用量对橡胶树产量的影响

由图3和表4可见,不同保水剂用量处理与CK胶乳干胶含量在测产期内变化趋势一致,7月总体保持平稳,8—9月干胶含量波动上升,9月中旬达到峰值,10—11月再次平稳。在测产期内不同保水剂处理与CK胶乳干胶含量差异不显著(P>0.05),所有处理胶乳干胶含量均在29.95%～35.28%范围内小幅度波动。不同保水剂用量处理的干胶产量存在差异,T1、T2和T3处理干胶产量高于CK和T4处理,T2处理较CK产量提高11.99%(P<0.05),其他用量保水剂处理与CK产量差异未达到显著水平。干胶产量在测产周期基本呈下降态势,T2处理干胶产量持续高于对照。结果表明不同用量保水剂处理对胶乳干胶含量无影响,T2处理用量保水剂能够促进橡胶树胶乳产量的增加。

2.5 不同保水剂用量处理土壤理化性质、微生物数量、土壤酶活性及胶乳产量相关性分析

由图4可知,土壤细菌数量与土壤含水量、硝态氮、氨态氮和速效磷呈显著正相关;放线菌数量与土壤含水量、硝态氮、氨态氮、速效磷和细菌数量呈显著正相关;土壤脲酶与硝态氮、细菌数量呈显著相关;土壤转化酶与氨态氮、速效磷、细菌数量和土壤脲酶呈显著正相关;土壤过氧化氢酶与氨态氮、速效磷、细菌数量、放线菌数量和转化酶呈显著正相关;橡胶树胶乳产量与氨态氮、速效磷、土壤脲酶和土壤转化酶呈显著正相关;真菌数量、酸性磷酸酶与上述指标间不存在显著相关关系。说明土壤理化性质、微生物数量、土壤酶活性及胶乳产量之间存在相互作用与影响。

图3 不同处理下橡胶树胶乳干胶含量与产量变化情况

pH:土壤pH;SW:土壤含水量;OM:有机质;NN:硝态氮;AN:铵态氮;AP:速效磷;AK:速效钾;BQ:细菌数量;FQ:真菌数量;FQ:放线菌数量;UA:脲酶活性;TA:转化酶活性;CA:过氧化氢酶活性;AA:酸性磷酸酶活性;YI:橡胶产量。*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01),***表示极显著相关(P<0.001)。

3 讨论

施用保水剂能够提高能够土壤水保墒能力,改善土壤物理性质也能有效提高土壤养分含量[16-17]。杨永辉等[18]研究显示,保水剂能够减少冬小麦土壤水分无效蒸发,提高土壤有机质含量,降低土壤密度。张文荣等[19]研究显示1.5 kg/667 m2凹凸棒石保水剂可以有效提高土壤养分含量。本研究中,与对照相比较,施用保水剂各处理土壤水分含量增加13.47%～21.52%,土壤硝态氮和铵态氮含量分别增加4.81%～31.42%、3.34%～26.15%,速效磷提高1.25%～29.33%,速效钾提高4.37%～31.22%,其中T2处理土壤硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾含量增幅最高,保水剂使用量最高的T4处理仅土壤含水量增幅最高,土壤铵态氮、速效磷含量反而低于T2处理,与CK相当,说明保水剂能够有效提高土壤含水和土壤养分含量,但施用过量会导致土壤养分含量减少,这与胡慧蓉等[20]研究保水剂用量对膏桐土壤养分影响的结果一致。

表4 不同处理胶乳干胶含量和干胶产量

土壤微生物主要生存在土壤颗粒表面及孔隙内,增加土壤团块比率和土壤孔隙能够促进微生物增长。保水剂能够降低土壤容重和比重,增大土壤总孔隙度,提高土壤团聚体比例[21],促进土壤微生物生长[22],但并不是保水剂施用越多效果越好,过量施用反而对微生物生长产生消极影响[23]。本研究中,当保水剂用量高于120 g/tree后,土壤微生物总量开始下降,可能是过多保水剂会导致土壤团聚体比例下降、土壤孔隙度变小,土壤结构遭到破坏[24],进而抑制土壤微生物增长。施用保水剂处理相对于对照,细菌和放线菌数量显著增加,真菌数量减少,这与崔娜等[25]和刘洋等[26]在番茄和核桃施用保水剂后土壤细菌和放线菌数量减少、真菌数量增加的结果截然相反,可能是与土壤微生物种类的区域差异有关。另外,不同用量保水剂处理下胶园土壤细菌、放线菌、真菌分别占总微生物数量的87.52%～92.06%、7.69%～11.21%、0.25%～1.27%,施用保水剂并未显著改变土壤中细菌、放线菌、真菌的总体比例,胶园土壤微生物仍以细菌为主,这与王琰等[22]在杨树上的研究结果一致。

土壤酶是土壤功能重要指标之一,其活性能够表征土壤的生物活性。保水剂作用于土壤,对土壤酶活性有一定影响[27-29]。本研究中,土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性随保水剂用量的增加呈先升后降趋势,120 g/tree用量处理土壤酶活性最高,表明保水剂对土壤酶活性影响存在剂量效应。本研究中土壤脲酶活性、转化酶活性和过氧化氢酶活性与土壤细菌数量正相关,这种剂量效应可能是不同用量保水剂处理的土壤微生物数量差异引起,因为土壤微生物活动分泌释放是土壤酶的重要来源,随着土壤微生物数量增减,会导致释放到土壤中酶活性随之相应变化。另外根系分泌释放也是土壤酶的来源之一,土壤酶活性随保水剂用量的差异是否为根系分泌释放所引起,有待进一步研究。

橡胶树产量以树体排出的胶乳为体现,胶乳含有大量的水分和养分,所以胶乳产量在割胶期对水分和养分更加敏感,土壤水分和养分供应状况成为影响橡胶树产量的重要因素[30]。从橡胶树产量的分析结果来看,仅T2处理显著提高橡胶树胶乳产量,其增产可能是因为割胶期内T2用量保水剂处理能够有效减少土壤水分下降速度同时,提供更优的土壤速效养分供应条件,促进养分的转化吸收和提高水分利用率;本试验中,橡胶树胶乳产量与土壤氨态氮含量、速效磷含量、土壤脲酶活性以及土壤转化酶活性呈显著正相关,进一步说明橡胶树产量的提高与施用保水剂处理后促进土壤氨态氮含量、速效磷含量、土壤脲酶活性以及土壤转化酶活性有关,同时也可能是土壤微生物对氨态氮、速效磷转化和利用,进而提高土壤酶活性有关,这与杨永辉等[31]在小麦上研究结果相似。

保水剂的保水蓄肥能力受自身组成和结构、水溶液的盐类和含量以及土壤质地和pH等多种因素影响。马晓凡等[32]研究显示保水剂在含盐量低和含沙量低的棕壤中保水和养分吸附效果显著优于盐碱土和风沙土,说明含盐的水溶液和土壤中沙粒含量占比高均会降低保水剂的吸水能力。宫辛玲等、孙秀秀等[33-34]研究显示聚丙烯酸盐类以及粒度较小的保水剂在水溶液和土壤中持水性能优于淀粉-丙烯酸共聚物类和粒度大的保水剂,这说明保水剂在土壤中保水性能与其主要有效成分、制作工艺、颗粒度密切相关。本研究中,T2处理保水剂施用量为120 g/tree促进橡胶树增产,与原惠芳等[11]研究保水剂提高橡胶树干胶产量的施用量不同(200 g/tree),分析原因可能是两者试验地土壤质地及水溶液中含盐种类和剂量存在差异,也可能是所使用的保水剂类型、颗粒度不一样,导致保水剂在土壤中吸水倍率及蓄肥能力不同,所以保水剂用量也不同。