枝条覆盖对土壤质量及生态效益影响的研究进展

黎日辉，钟晓敏，段鑫垚，颜亚赛，魏如腾，王琳，王华，李华,2*

（1. 西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌 712100；2. 君顶酒庄有限公司，山东蓬莱 265600）

我国拥有着广袤的果树栽培面积，2019年我国园林果树的种植面积达1227.67万 hm2[1]。大多数林果树木每年都需修剪枝条，一部分果树可通过高接换优等方式进行品种更新，这会产生大量废弃枝条，以产生废弃枝条4500 kg·hm-2为例来计算，年产生枝条量达到5524万 t，这些枝条中富含有机质以及碳、氮、磷等元素，具有巨大的生态效益潜力[2-3]。我国目前对于枝条的利用较为粗放，利用率较低。约有60%～80%的枝条仅被用作燃料，不仅利用程度低，还会污染环境[4-5]，有些规模较大的果园，将部分枝条用于堆肥或制作有机肥。据王晓平等[6]报道，北京地区年废弃枝条数量达23.83万 t，其中用以焚烧或直接丢弃的占比约60%，仅25%用以堆肥制作有机肥，13%被用作秸秆气化装置燃料。

枝条利用及资源化包括覆盖、堆肥、栽培基质等，其中覆盖是一种经济化、生态化的枝条利用方式[7-9]，能有效改善土壤构成，增加土壤微生物丰度，提高区域土壤固碳能力，是一种便捷、实用的枝条资源化利用途径。本文从土壤改良和生态效益两个方面阐述枝条覆盖对土壤质量的改良，以期为枝条覆盖操作推广提供理论支持参考。

1 枝条覆盖提高土壤质量

枝条覆盖能蓄水保墒，提高土壤有机质与氮、磷、钾元素含量，增加团聚体稳定性和孔隙度，降低土壤容重，改善土壤理化性质，进而提升果实质量与产量。枝条覆盖通过向土壤提供外源有机质，提高了土壤微生物群落丰度，刺激土壤微生物群落迭代，增强了土壤抗病性，影响土壤酶活性，并能抑制杂草生长。

1.1 枝条覆盖改善土壤理化性质

研究表明，枝条覆盖可改善、提高土壤含水量，缓冲地表温度[10-11]。枝条覆盖通过在土壤表面添加一层物理遮蔽层，阻遏太阳光直接辐射量，防止地表水分外蒸。减缓地表与空气的温度交换[12-13]，且枝条中含有的大量纤维素与半纤维素是天然的储水材料[14]，起到了蓄水、保墒、平抑温度差异的作用，创造出较为稳定适宜的土壤温度环境[15-16]。卢佳等[12]研究发现，葡萄枝条不同覆盖方式的土壤储水量较无覆盖增加了6.33%～13.07%，储水量的增幅随土壤深度的增加而减缓。

枝条中富含大量氮、磷、钾和有机质等土壤营养元素。研究表明，枝条覆盖能将枝条中的营养元素通过淋溶等方式注入土壤，显著提高土壤水溶性有机碳含量以及氮、磷、钾元素含量[17-21]，卢佳等[12]研究表明，相较清耕处理，葡萄枝条粉碎覆盖下土壤速效磷、速效钾、碱解氮及土壤有机质含量分别提升了1.79%、2.38%、10.78%、4.83%。

容重和孔隙度是表征土壤通透性的重要指标，土壤容重越小，土壤结构越疏松。孙萌等[22]的试验表明，核桃枝条粉碎覆盖下0～60 cm深度土壤平均容重降低了7.21%，土壤总孔隙度提高了24.67%。Yilmaz等[23]的试验显示，葡萄枝条粉碎还田第一年土壤容重从1.49 mg·m-3降低至1.44 mg·m-3。土壤团聚体是衡量土壤结构稳定性的重要指标，Yılmaza等[24]研究发现，葡萄枝条覆盖能够显著提高土壤团聚体稳定性，增加大粒径团聚体比例，粒径大于4 mm的团聚体比例由44.03%提升至59.17%。

综上所述，枝条覆盖通过改善地表环境，截留雨水，减少地表水分蒸腾，为作物生长创造了良好的水热条件，且枝条腐解还能够为土壤带来矿质营养和有机质等作物赖以生存的养分，同时枝条覆盖能够降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤团聚体稳定性，改善土壤理化性质。

1.2 枝条覆盖改善土壤微生物丰度及群落结构

土壤微生物丰度是土壤生态质量的反映，既是丰富的微量元素储备，又参与土壤中矿物元素的矿化，因此土壤微生物常作为评价土壤质量的重要标准[25]。研究表明，枝条覆盖能够有效提高土壤微生物丰度、多样性以及优势种群数量[26-29]。吕三三[30]研究发现，葡萄枝条覆盖后能够显著提高土壤微生物群落功能多样性，且枝条覆盖后微生物群落代谢结构也会发生明显变化。袁敏[27]证明了苹果粉碎枝条覆盖能够显著提高土壤中的细菌以及真菌数量，土壤真菌和细菌数量较清耕处理分别提高了58.3%和32%。

枝条覆盖带来的外源有机物会优化土壤微生物群落结构，优势种群发生迭代，为了分解枝条覆盖所带来的外源有机物，降解木质素的真菌生物量比例会大幅提升，其中的部分真菌成为土壤中的优势群落。张江红等[31]研究发现，苹果粉碎枝条覆盖下，真菌中的优势菌落主要为子囊菌门（Ascomycota），通常为腐生菌，是土壤中主要的真菌分解者[34]。细菌、真菌的快速繁殖能够进一步提高土壤对氮磷钾等元素的转化效率。刘思等[33]的研究表明，葡萄枝条覆盖下细菌相对丰度大于10%的优势群落为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和绿弯菌门（Chloroflexi），其中变形菌门、酸杆菌门的丰度较清耕增加6.9%、6.7%；且变形菌门、放线菌门等优势菌群在土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全磷转化中扮演着重要的角色[34]。

枝条覆盖能通过提高土壤微生物活性刺激微生物群落迭代，有效抑制植株病虫害。苏宏等[29]研究发现，葡萄枝条覆盖能够有效提高木质素降解菌属相对丰度，降低病原真菌相对丰度，改变土壤优势种群。有研究表明，覆盖枝条在土壤微生物的作用下，分解而成的多种物质能够有效地消灭枝条中的病虫害源，也可以作为有机肥料哺育作物[35]。外源有机物的添加，提高了土壤有益真菌相对丰度，非病原体能够在竞争中有效遏制致病菌增长，能促进土壤微生物结构由致病菌朝向有益菌转化[36]。

综上所述，枝条中富含木质素、纤维素、糖类等有机物质，以及氮磷钾等矿物质元素[12]。枝条覆盖可为土壤注入丰富的有机物质，刺激微生物代谢及群落迭代。菌群的繁殖也促进了覆盖枝条的分解，使得更多养分进入土壤，提高了土壤生产力以及植株生长量。枝条覆盖增强了微生物活性，间接提高了土壤及植株微生物的排异性，有效减少了植株由致病菌导致的病害[36]。

1.3 枝条覆盖影响土壤酶活性

土壤酶活性能够表征土壤养分转化能力，是评价土壤质量的重要生物学指标之一[26]。枝条覆盖对于土壤的酶活性影响主要表现在影响脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和纤维素酶等酶的活性[37]。宗庆姝等[38]研究表明，枝条覆盖可以提高土壤蔗糖酶、脲酶活性，在设施西芹拉秧期时土壤蔗糖酶、脲酶、纤维素酶活性和微生物数量呈正相关。侯婷等[39]研究表明，葡萄枝条粉碎覆盖能显著提高土壤酶活性，对表层（0～20 cm）土壤酶活性的影响最为显著，土层深度增加，酶活性下降。在0～20 cm深度，粉碎枝条覆盖处理的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性较清耕分别增强95.63%、34.74%、36.92%、51.81%。

适量枝条覆盖能够有效的提高土壤酶活性，而过量枝条覆盖则会降低土壤某些酶的活性，使土壤积累带毒物质，抑制作物生长。史昊[40]对粉碎梨树枝条覆盖进行研究发现，每株施加常规量（8 kg）粉碎枝条可以显著提高土壤过氧化氢酶的活性，而添加12 kg粉碎枝条会抑制土壤过氧化氢酶活性，对作物生长产生危害。苏宏等[29]的研究发现，添加适量葡萄枝条（枝条与土壤质量比为1∶50）有助于微生物繁殖及增加酶活，添加过量枝条（枝条与土壤质量比为1∶10）则会抑制作物生长。杨野[41]研究了苹果枝条中的根皮苷对土壤酶活性的影响，当根皮苷浓度低于7.58 mg·kg-1时，过氧化物酶和过氧化氢酶的活性明显高于清耕处理，而当根皮苷浓度高于7.58 mg·kg-1时，过氧化物酶以及过氧化氢酶的活性会低于清耕处理。由此可见，土壤酶活性与覆盖枝条量密切相关，根据不同作物选择合适的枝条种类有利于实现作物高产。

1.4 抑制杂草生长

作物生长过程中，除草是一个不可忽视的问题，但除草剂的使用会对土壤造成污染并长时间残留[42]。大量研究表明，枝条等有机覆盖物对杂草生长有较好的抑制能力[43-45]。段鑫垚[46]用粉碎葡萄枝条对葡萄园进行覆盖，结果表明枝条覆盖对于杂草的抑制率高达100%。郭军成等[47]对宁夏葡萄园进行枝条覆盖的研究发现，无论覆盖的枝条是否腐熟，对于杂草的抑制率都达到了90%以上。且覆盖厚度增加，抑制效果增强[43]，使用枝条覆盖可以极大的减少除草剂的使用，满足我国绿色农业发展的需求。

2 枝条覆盖的生态效益

枝条覆盖生态效益不容小觑，我国黄土丘陵区已有研究表明，枝条覆盖能够改善土壤荒漠化，对我国荒漠化土壤果树种植有一定参考价值。且枝条覆盖能够减少水土流失，防止土壤退化，有助于我国农业可持续发展。此外枝条覆盖能够提高土壤固碳能力，降低大气二氧化碳浓度，减缓温室效应。

2.1 枝条覆盖改善土壤荒漠化

土壤水分过度缺失会导致植被死亡和土地荒漠化[48-50]。枝条覆盖通过对土壤表层进行遮蔽，阻挡了土壤表层与大气的直接连通，削弱了土壤与空气的水分交换，减缓了土壤干层以及荒漠化的发展。

以黄土丘陵区为例，相对于裸露的地表而言枝条覆盖能够有效的缓解土壤干燥现象[50-51]。Tang等[52]对黄土丘陵覆盖枝条，发现雨后持续干旱一周的情况下，枝条覆盖的水分流失率低于清耕。并且随着干旱时间的延长，两者水分流失率差距越来越大。Li等[53]通过在黄土高原将枝条覆盖以及鱼鳞坑相结合的试验发现，枝条覆盖能够在暴雨期间过滤土壤颗粒，有效的减少土壤物理结皮的形成。

沙化土壤对水分的保持能力低，要维持干旱地区土壤水分需要改善沙化土壤理化性质。枝条覆盖可以有效降低地表水分蒸腾，减少土壤水分耗散，且通过对土壤注入有机质等养分，改善沙化土壤结构，增强土壤自身的蓄水能力，实现良性循环。

2.2 枝条覆盖防止水土流失

水土流失是影响土壤质量的主要因素，也是世界农业可持续发展的主要威胁[54]。目前，我国水土流失面积已经达294.9万 km2，年均侵蚀总量达45亿 t，部分地区年侵蚀模数达3万 t·km-2[55]。土地径流会造成大范围水土流失和土壤退化[56-58]。枝条、木屑等废料覆盖能够有效的减少径流以及水土侵蚀。Seeger等[59]采用葡萄枝条覆盖葡萄园进行有机栽培，较传统栽培的径流系数低40%。Neris等[60]使用木屑和松针等废料覆盖火灾后的林地，结果表明两者均可有效减少径流以及水土侵蚀。粉碎枝条相较于完整枝条能够起到更好的防止土壤水土流失的作用，Cerdà等[61]研究表明，枝条覆盖可有效提高土壤表面粗糙度，防止地面径流，对降低土壤侵蚀率起到显著效果。

枝条覆盖能够有效的减少土壤产流和产沙量，但是覆盖效果和覆盖量与土壤性状的相关性不明确。Pan等[62]使用枣树枝条对土壤进行覆盖，与裸土相比，枝条覆盖减少了15.5%～78.6%的产流和40.7%～98.6%的产沙量。枝条粉碎覆盖的有效性随降雨强度增大而降低，并与覆盖量关系复杂，地表覆盖度、覆盖截留、土壤渗透性、枝条材料的稳定性都会影响枝条覆盖的有效性。

粉碎枝条所形成的物理遮蔽层能保护土壤表面免受雨滴引起的飞溅侵蚀、密封和结壳，可增加地表的粗糙度，降低地表径流的产生量和速度[53,56-57]。但枝条覆盖防止水土流失的效果与施用量、土壤性状呈复杂相关性。因此因地制宜采用适宜的枝条覆盖能最大限度的防止土壤水土流失，提高土壤质量，实现可持续发展的生态农业种植。

2.3 枝条覆盖增强土壤固碳能力

耕地的碳损失所加剧的温室效应是全球范围内最大的环境问题之一[63]。农业活动产生的碳排放会导致大气中CO2浓度升高[64]，但枝条覆盖可以提高土壤固碳能力，将部分碳源以土壤有机碳的形式固存于土壤中，避免碳源矿化形成CO2释放到大气中，缓解全球温室效应[65]。枝条覆盖能让土壤拥有更强固碳能力，Thomas等[66]在葡萄园的试验证实，枝条覆盖增强了土壤固碳能力，土壤有机碳存量较清耕处理增长率高5.8%，Pedro等[67]研究也表明，枝条覆盖能显著提高土壤有机碳存量，抑制其矿化。

Liang等[65]研究指出，枝条等有机投入物的80%～90%会在微生物的呼吸作用下短时间内快速矿化，生成CO2，而形成土壤有机碳的关键在于土壤微生物大量繁殖所带来的有机分子及腐殖质，这些有机质部分会作为土壤有机碳被封存，被封存的有机碳含量大概占外源有机碳总量的10%。有研究表明，枝条覆盖所形成的腐殖质进入土壤后，能够通过提高团聚体粒径形成大团聚体，这些大团聚体会以包裹的形式保护进入土壤中的有机碳，抑制碳矿化，最终提高土壤有机碳含量[68]。

3 结论与展望

枝条覆盖在提高土壤质量，增加生态效益两个方面效果显著。枝条覆盖能够做到恒温、蓄水，并且能够为土壤带来外源有机物，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增强土壤团聚体稳定性，为作物生长提供良好的生长环境。外源有机物的分解能够显著提高土壤微生物活性以及酶活性。微生物活性以及酶活性的提高能够加速枝条分解，为土壤带来更多的可吸收有机质，有益于作物生长。且枝条覆盖能够对杂草起到遮蔽效果，抑制野草生长，最大限度的保护作物的生长环境。枝条覆盖能有效阻挡雨水溅蚀，减少土壤径流，减少土壤的水分蒸腾，进一步防止水土流失与土壤荒漠化，通过提高土壤中有机质含量，提高土壤的团聚体稳定性，将土壤中的外部碳源转化为土壤有机碳，提高土壤的碳封存能力，减少温室气体排放，缓解温室效应。

虽然枝条覆盖在提高土壤质量及生态效益方面具有卓越效果，但目前枝条覆盖在农业生产中的应用仍需要进一步研究。需结合当地气候条件、植株类别、裁剪枝条量、土壤类型、水土问题选择合适的覆盖厚度和覆盖方法。当前我国缺乏一种专业化、集约化、现代化的枝条覆盖操作指南和管理措施。我国大部分地区缺乏配套枝条覆盖农机，难以大规模推广枝条覆盖技术，应加大力度研发配套农机，加强农机农艺与枝条覆盖技术相配套的程度，以利于提高枝条覆盖技术的泛用性。同时可将枝条覆盖所带来的生态效益如水土维持等，纳入传统农业生产种植的经济评估体系中，并将枝条覆盖技术的生态价值也计入农业面经济评估中，进一步完善对枝条覆盖模式的生态面评价，将枝条覆盖所带来的生态效益量化，以更好地评估枝条覆盖所带来的生态价值。