不同植物覆盖下蕉园土壤化学性质和酶活性的变化特征

2024-03-13杨丽梅周昀璠徐胜涛王永芬俞春燕李迅东郑泗军

西南农业学报 2024年1期

杨丽梅,周昀璠,徐胜涛,王永芬,俞春燕,李迅东,郑泗军,4

(1.昆明学院农学与生命科学学院,昆明 650214;2.云南省农业科学院农业环境资源研究所,昆明 650205; 3.云南省农业科学院热带亚热带经济作物研究所,云南隆阳 678000;4.国际生物多样性中心,昆明 650205)

【研究意义】香蕉是热带亚热带地区重要的经济作物,也是中国南方和西南各省(区)产销量均居第二位的水果[1]。香蕉对水肥需求较大,土壤肥力状况直接影响了香蕉产量和品质,合理田间土壤管理对提高香蕉经济效益至关重要[2]。目前,中国蕉园田间管理模式主要以裸露土壤为主,极易受高温、干旱和强降雨等气候条件的影响,蕉园土壤水分和养分流失严重,造成了土壤退化问题[3]。另外,香蕉种植过程中施肥量大,造成了蕉园土壤板结、酸化、污染等问题[4],制约了香蕉产业可持续发展。按照农业农村部“一控、两减、三基本”治理农业污染的原则,发展有利于中国蕉园土壤健康管理的耕作措施势在必行。【前人研究进展】植物覆盖是农业绿色生产的保护性耕作方式,抑制了地表水分蒸发,使土壤固相、液相和气相比例趋于合理[5],可有效缓解因地表裸露导致的耕层土壤结构被破坏、侵蚀和保水保肥性下降等问题[6]。有研究表明,植物覆盖增加了地上及地下生物量碳的输入,地上部分的植物残渣被微生物分解和地下根系的脱落对提高土壤有机质浓度至关重要[7]。植物覆盖种类不同对土壤的反馈效果不同,植物覆盖种类的选择取决于预期覆盖目的和植物适应性,这对覆盖植物能否实现较好的覆盖效果至关重要[8]。目前,部分蕉农在香蕉间隔行种植了白菜、花生、中草药等经济作物,增加了化肥的施用量,对蕉园土壤造成严重干扰[9]。蕉园覆盖自然生杂草及豆科牧草能更好的改善蕉园土壤肥力,提高蕉园的生态功能,与覆盖其它经济作物相比,能有效增加土壤有机碳的累积量,有利于提高土壤有机质含量,改善土壤微生物群落结构,促进土壤养分的转化、循环和利用[10-11],克服土壤生产力下降[12]。植物覆盖措施会显著提高土壤酶活性,同时覆盖植物种类对土壤酶活性的影响也存在一定的差异。王明亮等[13]通过研究发现,豆科牧草种子混播于茶园行间,覆盖茶园行间裸露地表可显著提高茶园土壤酶活性;付学琴等[14]研究认为,自然生杂草可显著改善土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶及蛋白酶活性;潘学军等[15]研究认为,豆科植物覆盖能增加土壤中细菌和放线菌的数量,显著改善土壤脲酶及蛋白酶的活性。【本研究切入点】植物覆盖的绿色种植模式在其他作物和果园中已经广泛应用[16],但由于传统香蕉种植认为蕉园中其他植物会产生水肥竞争,影响其经济效益,难以在香蕉园中有效应用,本研究通过宽窄行种植模式探索有效可行的绿色种植模式,实现种地养地的有机结合,并对土壤理化指标和土壤酶活性进行连续监测,为覆盖植物在蕉园的有效应用提供数据支持,改善香蕉种植土壤退化的突出问题。【拟解决的关键问题】旨在通过分析植物覆盖下蕉园土壤化学性质及酶活性的影响,明确植物覆盖对蕉园土壤生产力的影响,促进香蕉种植的绿色可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于亚热带干热河谷云南省保山市潞江镇(98°53′14″ E,24°57′58″ N),海拔700 m,绝对最高气温40.4 ℃,绝对最低气温0.2 ℃,全年基本无霜,年平均气温21.3 ℃,≥10 ℃活动积温7800 ℃,适宜香蕉种植。香蕉品种选择该试验区主栽品种云蕉1号,在该地区生长周期约1年。研究区土壤初始理化性质为pH 6.71,有机质11.36 g/kg,全氮0.46 g/kg,全磷0.48 g/kg,全钾26.81 g/kg,碱解氮57.84 mg/kg,有效磷28.50 mg/kg,有效钾95.86 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以常规种植行间无覆盖物为对照(CK),设置行间自然生杂草(NW)和种植大翼豆(CP)2个覆盖处理,试验采用随机区组设计,4次重复。小区面积135 m2,每小区定植香蕉苗30株。采用宽窄行方式种植,行距:宽行3.5 m,窄行1.5 m,香蕉苗定植在窄行上,采用双行种植,种植采用错行的“之”字形,株距2.0 m。2017年7月定植香蕉苗,香蕉种植过程中的水肥和病虫害管理参照当地的传统种植方式。大翼豆种植时间为2017年4月,种植方式为条播,播种量为7～10 g/m2,行间覆盖植物的覆盖度及高度主要通过补播和刈割等物理方式管理。在香蕉生长前期,所有覆盖植物的高度保持在30 cm以下,以避免其对主栽作物香蕉生长的影响,需保证60%以上的覆盖度才能达到覆盖效果。自然生杂草种类如表1所示。

表1 香蕉行间杂草种类

1.3 测定指标及方法

土壤样品在蕉园行间的覆盖植物处理区域采集,第1次采集时间为2017年7月,之后每间隔3个月采集1次(2020年1月因为新冠疫情未能采样)。样品采用“S”形多点取样法采集30 cm土层样品,每个小区用直径3 cm的土钻采集15个点混合为一个土样,装入专用土壤取样袋运回实验室进行自然风干,充分混匀去除石块、根系等杂物后碾碎研磨,过18目(直径1 mm)筛子,所得样品一部分用于土壤酶活性、速效养分含量和pH测定;另一部分进一步研磨,过60目(直径0.25 mm)筛子,所得样品一部分用于土壤全磷、全氮与有机质含量测定;另一部分进一步研磨,过100目(0.15 mm)筛子,所得样品用于测定土壤全钾含量。

土壤化学性质测定参考土壤农业化学分析方法[17],土壤pH采用pH计[m(水)∶m(土)=2.5∶1.0]测定,土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定,全磷采用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定,全钾采用硫酸-高氯酸-火焰光度计法测定,碱解氮采用碱解扩散法测定,有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定,土壤酶活性测定参考关松荫等[18]的研究方法,土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法(DNS)法;土壤脲酶采用靛酚蓝比色法;

土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定;土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定。

1.4 数据统计与分析

采用统计软件SPSS 20.0分析不同处理土壤理化指标的差异性。Pearson相关性分析分析土壤酶活性与土壤理化性质间的相关性,主成分分析(Principal component analysis, PCA)主要对土壤化学性质和土壤酶活性进行分析,软件Microsoft Excel 2017绘制土壤酶活性变化柱状图。

2 结果与分析

2.1 不同植物覆盖下蕉园土壤养分的变化

从表2可知,在2017年10月至2018年1月CK、CP和NW处理间土壤有机质含量差异不显著,随着覆盖时间增长覆盖处理土壤有机质含量显著高于非覆盖处理(P<0.05),且大小顺序为CP>NW>CK ,2020年7月土壤有机质含量CP处理较CK处理提高51.92%,NW处理较CK处理提高25.37%。2017年10月至2019年7月各处理间土壤全氮含量无显著差异,2019年10月至2020年7月土壤全氮含量CP处理显著高于CK和NW处理,截止2020年7月,CP处理较CK处理高27.54%,较NW处理高20.29%。植物覆盖会提高土壤全磷含量,且是一个缓慢的过程,覆盖时间需要达到2年时才会差异显著性(P<0.05),截至2020年7月,CP处理土壤全磷含量较CK处理高41.86%,NW处理较CK处理高27.91%,CP处理高于NW处理,但差异不显著。2018年4月至2020年7月,CP处理土壤碱解氮及有效磷含量分别较CK处理高20.85%和29.70%,NW处理土壤碱解氮及有效磷含量分别较CK处理高14.74%和17.06%。说明植物覆盖可以显著改善土壤碱解氮及有效磷含量(P<0.05),且见效快。植物覆盖对土壤pH的影响仅在2018年7月有显著差异,在其他采样时期无显著差异,这说明植物覆盖对香蕉园土壤pH影响效果不明显。植物覆盖对土壤全钾含量的影响在2018年4月和7月及2020年4月有显著差异,对其他采样时期无显著差异;同时植物覆盖对土壤速效钾含量的影响在2018年4月和7月影响显著,对其他采样时期无显著差异,说明植物覆盖对香蕉园土壤钾素的吸收和利用不会产生直接影响。

表2 不同植物覆盖下蕉园土壤化学性质变化

由表3可知,不同植物覆盖处理对蕉园土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和有效磷影响极显著(P<0.01),对蕉园土壤pH、全钾及速效钾影响不显著。覆盖时间极显著(P<0.001)影响蕉园土壤理化性质各指标。不同植物覆盖处理和覆盖时间交互作用极显著(P<0.01)影响蕉园土壤有机质含量、pH和全氮含量,但对其他土壤理化性质指标影响不显著。

2.2 不同植物覆盖对蕉园土壤酶活性的影响

从表4可知,不同植物覆盖处理对土壤中4种酶活性的影响都极显著(P<0.001),而且覆盖时间对土壤酶活性影响也极显著(P<0.001)。不同植物覆盖处理和覆盖时间交互作用极显著(P<0.001)影响蕉园土壤酶活性。

表4 不同植物覆盖处理蕉园土壤酶活性变化方差分析

2.2.1 土壤酸性磷酸酶活性的变化如图1所示,在2017年10月至2018年7月,各覆盖处理间无显著差异,与CK相比,2018年10至2019年7月CP与NW处理显著提高了蕉园土壤酸性磷酸酶活性(P<0.05),2019年4月开始,覆盖处理显著(P<0.05)提高土壤酸性磷酸酶活性。2019年4月至2020年7月的后续5次采样, CP处理土壤磷酸酶活性分别为9.74、10.44、10.58、11.01和13.06 mg/g,与CK处理相比分别显著提高99.54%、74.78%、52.09%、94.93%和100.01%,NW处理土壤磷酸酶活性分别为8.25、9.01、7.84、8.01和10.21 mg/g,与CK处理相比分别提高68.97%、50.81%、12.68%、41.84%和57.68%,大翼豆覆盖效果(CP处理)优于自然生杂草覆盖(NW处理)。

CK: 无覆盖处理;CP:大翼豆覆盖处理;NW:自然生杂草覆盖处理,下同。CK:No cover; CP:Plant cover;NW:Natural weeds. The same as below.

2.2.2 土壤过氧化氢酶活性的变化如图2所示,土壤过氧化氢酶活性CK处理均值为44.30 mL/g;CP处理均值为51.07 mL/g,较CK处理高15.28%;NW处理均值为48.02 mL/g,较CK处理高8.40%。覆盖初期大翼豆覆盖(CP处理)显著改善了蕉园土壤过氧化氢酶活性(P<0.05),分别为2017年10月、2018年1月和4月,CP处理的土壤过氧化氢酶活性分别为50.20、57.47和62.11 mL/g,而自然生杂草覆盖(NW)改善效果不显著,但随着覆盖时间的增长自然生杂草和大翼豆覆盖处理均可显著改善蕉园土壤过氧化氢酶活性。

图2 不同覆盖处理蕉园土壤过氧化氢酶活性的变化Fig.2 The catalase activity of banana garden soil with different plant cover

2.2.3 土壤蔗糖酶活性的变化如图3所示,土壤蔗糖酶活性受采样时间的影响较大,每年10月份土壤蔗糖酶活性最低,每年7月份土壤蔗糖酶活性最高。植物覆盖措施显著影响4月、7月的土壤蔗糖酶活性(P<0.05),其中大翼豆覆盖(CP处理)较自然生杂草覆盖(NW处理)蕉园土壤蔗糖酶活性改善效果更好。在2018年、2019年和2020年4月份蕉园土壤蔗糖酶活性CP处理分别为40.55、32.40和51.02 mg/g,与CK处理相比分别显著提高40.52%、31.24%和38.11%,NW处理分别为39.25、30.10和40.85 mg/g,与CK处理相比分别显著提高36.02%、21.91%和10.58%;同时, 7月份蕉园土壤蔗糖酶活性CP处理分别为51.07、41.21和47.18 mg/g,与CK处理相比分别显著提高57.81%、85.31%和34.19%,NW处理分别为48.72、35.20和44.48 mg/g,与CK处理相比分别显著提高50.55%、58.25%和26.51%。说明不同处理随着定位时间延长土壤蔗糖酶活性呈一定程度增加趋势。

图3 不同覆盖处理对蕉园土壤蔗糖酶活性的变化Fig.3 The sucrase activity of banana garden soil with different plant cover

2.2.4 土壤脲酶活性的变化如图4所示,2018年4月和7月覆盖处理与CK处理土壤脲酶活性出现显著性差异,2018年10月至2019年4月各处理间无显著差异,2019年7月、2019年10月和2020年7月各处理间差异显著(P<0.05)且大小顺序为CP>NW>CK。说明覆盖处理能一定程度影响土壤中氮素的循环,改善了土壤中可利用的氮库。

图4 不同覆盖处理蕉园土壤脲酶活性的变化Fig.4 The urease activity of banana garden soil with different plant cover

2.3 不同植物覆盖下蕉园土壤养分主成分分析

由图5所示,第一主成分(PC1)的贡献率为52.5%,其包含的特征值主要为土壤酶活性及土壤有机质、全氮及全磷含量;第二主成分(PC2)的贡献率为15.7%,其包含的特征值主要为土壤碱解氮及有效磷含量,前2个主成分累计解释了变量方差的68.2%,不同覆盖处理可以由主成分1明显区分开。大翼豆覆盖(CP处理)较CK处理相比明显提高了土壤酶活性、土壤碱解氮和有效磷含量,其次为自然生杂草覆盖(NW处理)。

图5 不同植物覆盖处理蕉园土壤化学性质和酶活性指标主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil chemical properties and enzyme activity indexes in banana plantations under different plant cover treatments

3 讨论

植物覆盖能有效提高土壤中有机质含量,改善土壤微环境,促进土壤中物质转化与循环。通过3年定位试验发现,植物覆盖措施对蕉园土壤pH无显著影响,这与白漱玉等[19]关于植物覆盖对黄栌林土壤化学性质的影响的研究结果一致。本研究中,当植物覆盖时间超过1年时,覆盖区与对照区土壤有机质含量出现显著差异,当植物覆盖时间超过2年时,各处理间土壤有机质含量大小顺序为人工种植大翼豆>自然生杂草>裸露土壤对照,原因可能是覆盖作物茎叶凋落物还田,经过腐殖化过程,为土壤提供了丰富的纤维素及碳源,从而增加土壤表层0～30 cm有机质含量[20],同时植物覆盖改善了土壤微生物的生活环境使其活性增强,有助于促进土壤中有机质的转化过程[21]。

植物覆盖提升土壤酶活性,促进土壤中养分循环与利用。土壤酶活性是反应土壤肥力状况的敏感性指标,本研究中植物覆盖显著提高土壤中过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性及脲酶活性,这与孙计平等[22]的研究结果一致,可能是因为覆盖植物通过根系伸展改善了土壤结构,抑制了蕉园土壤水分蒸发及养分流失,提高了土壤保水保肥性,为土壤酶的合成及积累提供了有利的环境[23],进而促进了土壤酶活性,改善了土壤中物质循环。本研究中大翼豆覆盖效果较自然杂草覆盖好,可能是因为豆科植物根系的固氮菌能够固持更多的氮素,在其残体分解过程中增大土壤氮库,不同程度地激活了土壤酶参与土壤氮素的代谢循环[24]。

覆盖处理可有效改善土壤中养分状况,改善蕉园土壤质量,维持蕉园土壤生产力。大翼豆处理显著提高蕉园土壤全氮及碱解氮含量,这与王勤等[25]的研究结果一致,原因可能是因为大翼豆根系与根瘤菌构建的共生体系可以提高土壤的固氮效率,从而为蕉园土壤提供丰富的可利用氮素,进而促进香蕉根系生长。覆盖处理前期(2017—2018年)对土壤全磷含量无影响,覆盖处理后期(2019—2020年)土壤全磷含量显著高于对照处理(P<0.05),这与王元基等[26]关于植物覆盖对果园土壤磷素影响的研究结果一致。植物覆盖显著改善了蕉园土壤有效磷的含量,可能是因为植物覆盖残茬激活了土壤中生物的代谢活动,驱动了土壤中磷素的活化,同时根系分泌物也促进了土壤中难溶性和缓效态磷素的转化,转为可被植物利用的易溶性和速效态磷素[27]。植物覆盖措施对土壤全钾及速效钾含量无显著影响,这可能与蕉园施肥灌溉等管理措施有关,也可能是因为覆盖作物对土壤中钾素的消耗大于其对土壤钾素的补偿,具体原因尚不明确。