北京果園土壤養分和pH與微生物數量的相關分析及優化方案

摘要：通過對北京蘋果、梨、桃和葡萄48個果園0～40cm土層土壤養分、pH和微生物種群數量的調查，應用典型相關、多元統計分析與線性規劃等方法分析土壤養分、pH對土壤微生物種群數量影響的主要因子、相關性和優化方案。結果表明，土壤有機質、全氮、有效鉀、有效鐵和陽離子交換量(cation exchange capacitv，CEC)以及土壤中的細菌、真菌數量以蘋果園最高，葡萄和桃園次之，梨園最低。土壤細菌數量與土壤有機質、有效磷和有效硼含量呈顯著正相關，與土壤全氮含量呈顯著負相關；真菌數量與土壤全氮、有效鉀和CEC呈顯著正相關；放線菌數量與土壤有機質、有效鋅和有效硼含量呈顯著正相關，與有效磷含量呈顯著負相關；土壤pH與細菌和真菌數量均呈顯著負相關。線性規劃求出了8-10月土壤微生物種群數量最大的土壤養分和pH因子優化方案為：土壤有機質為55.0g·kg^-1、全氮為1.50-3.00g·kg^-1、有效磷為20-200mg·kg^-1、有效鉀為120-600mg·kg^-1、有效鋅為0.5-20.0mg·kg^-1、有效硼為10mg·kg^-1、CEC為300mmol·kg^-1、pH值為6.5。北京地區果園通過提高土壤有機質含量和CEC、降低果園土壤pH值來調節鋅、硼等微量元素含量是土壤管理中的關鍵技術措施。

關鍵詞：果園土壤養分；土壤pH；微生物數量；多元統計分析；線性規劃

中圖分類號：S66 文獻標識碼：A 文章編號：1009-9980(2011)01-15-05

土壤是人類生存的基本資源和農業生產的重要基礎，也是土壤生物的棲息場所。土壤中的微生物種群數量、分布與活性等表明了土壤中物質代謝的旺盛程度，也是衡量土壤肥力和養分的一個重要指標。土壤營養狀況和物理性狀直接影響土壤微生物的種類、數量和分布等，土壤生物又影響土壤營養物質的分解、轉化以及植物根系的吸收利用。國內外果樹工作者關于果園土壤養分狀況、土壤理化性狀分布特點進行了一些研究。李會民等通過大量土壤樣品分析探討了陜西咸陽地區蘋果園土壤養分現狀。姜遠茂等調查分析了山東省3種主要土壤類型蘋果園土壤有效養分狀況及分布特點。土壤微生物種群數量與土壤養分的關系前人也做了一定的工作，陳偉等分別進行了不同產量的蘋果園秋季土壤養分、微生物類群及土壤酶活性與施用有機肥和氮肥對平邑甜茶實生苗根際微生物影響的研究工作。常顯波等采用常規方法對山東省煙臺市周邊地區不同種植年限果園土壤理化性質和微生物數量進行了調查。許景偉等探討了海岸帶不同類型黑松混交林土壤微生物數量與土壤養分含量的關系，這些研究對探討果園肥力水平與土壤微生物的關系奠定了一定的基礎。但是，關于果園土壤養分和pH與土壤微生物種群數量關系與優化方案報道尚少，我們通過對北京郊區蘋果、梨、桃和葡萄共計48個果園的土壤取樣調查分析，應用多元統計分析和線性規劃方法，篩選出影響土壤微生物種群數量的主要土壤養分因子，求解果園土壤微生物種群數量最大的土壤養分因子優化方案，為果園土壤改良和培肥地力、促進土壤有益微生物增殖、維持果園土壤質量可持續發展等提供理論依據和指導方案。

1 材料和方法

2006-2007年的8-10月，在北京昌平、大興、平谷和通州分別選擇在北京市果品評優中連續3a獲獎的蘋果、梨、桃和葡萄園各12個，主栽品種分別為紅富士蘋果(果實平均單果質量280g左右，可溶性固形物含量14.0％)、黃金梨(果實平均單果質量300g左右，可溶性固形物含量13.0％)、大久保桃(果實平均單果質量250g左右，可溶性固形物含量12.5％)、黃意大利葡萄(果實平均單穗質量500 g左右，可溶性固形物含量18.0％)，樹齡10-15a生；蘋果、梨、桃和葡萄園的土壤類型分別為壤土、砂土、黏壤土和砂壤土，在每個果園隨機選取3-5個取樣小區，每個小區選擇3株樹，分別在每株樹冠東、西、南、北4個方位外緣垂直向內50cm處用土鉆采集0-40cm層次的土壤，棄去植物殘體后過2mm篩，把每個取樣小區的土樣混合均勻分成2份，1份帶回室內風干用于分析土壤養分，另1份置于4℃冰箱內用于分析土壤微生物。

土壤微生物數量用稀釋平板計數法，細菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，放線菌用重鉻酸鉀改良高氏瓊脂培養基，真菌用鏈霉素一馬丁氏孟加拉紅瓊脂培養基。高溫重鉻酸鉀容量法一外加熱法測定土壤有機質，凱氏定氮法測定土壤全氮，碳酸氫鈉浸提一鉬銻抗比色法測定有效磷，乙酸銨浸提一火焰光度法測定有效鉀，DTPA浸提一原子吸收分光光度法分析有-效鐵和有效鋅，沸水浸提一甲亞胺H酸比色法分析有效硼，氯化銨一乙酸銨法測定陽離子交換量(CEC)，電位計法測定土壤pH。SAS、LIND0軟件統計分析。

2 結果與分析

2.1 果園土壤養分、pH和微生物種群數量的基本狀況

北京地區主要果園土壤養分和微生物種群數量的基本狀況如表1。從表1看出，北京地區不同樹種果園土壤有機質含量差異較大，蘋果園含量最高為16.82±5.31g·kg^-1，其次是葡萄園和桃園，分別為15.81±4.69和15.04±4.58g·kg^-1，最低為梨園僅10.43±3.29g·kg^-1，這主要與種植區縣的土壤類型和管理水平的差異有關，大興區梨園土壤多為河灘沙性土；昌平蘋果園主要為壤土，加上近幾年大力增施腐熟有機肥有密切關系。土壤全氮、有效鉀、有效鐵和CEC以及土壤中的細菌、真菌數量均與土壤有機質含量有相近的趨勢，說明了果園土壤有機質含量不僅直接影響土壤中全氮、有效鉀、有效鐵含量和CEC，還影響到土壤中的細菌、真菌數量，說明提高果園土壤有機質含量是提高果園土壤肥力的關鍵。土壤中有效磷和有效鋅含量蘋果園最高，葡萄園最低；有效硼含量葡萄園最高，蘋果園和桃園次之，梨園最低；土壤放線菌含量桃園最高，蘋果園最低；土壤中有效磷、鋅、硼含量和放線菌數量沒有規律性，表明了土壤營養成分中元素間的關系及土壤養分與細菌、真菌和放線菌數量的關系比較復雜，需要借助多元統計分析方法探討其相關性。

2.2 土壤養分和pH對土壤微生物的影響因子篩選和回歸方程建立

為了說明土壤養分和pH因子對土壤微生物種群數量影響的重要程度，應用典型相關分析方法對土壤微生物因素(細菌、真菌和放線菌數量)與土壤有機質、全氮、有效磷、鉀、鐵、鋅、硼含量、CEC和土壤pH進行分析，依據典型相關系數的大小，結合專業知識和統計分析方法等篩選出影響土壤微生物的主要土壤養分和pH因子(表2)。從表2看出，土壤細菌數量主要受土壤pH、有效硼、有效磷、全氮和有機質含量的影響；土壤真菌數量主要受CEC、土壤pH和有效鉀、全氮含量的影響；土壤有效磷、有機質、有效硼和有效鋅含量主要影響土壤放線菌數量。

為了進一步明確土壤養分和pH對土壤微生物因素的影響，分別以土壤細菌、真菌和放線菌為目標函數(n)，以影響土壤微生物種群數量的主要土壤養分和pH因子為自變量(Xn)，建立了多元線性回歸方程(表2)，通過對回歸方程進行顯著性檢驗，均達到顯著性差異水平，說明建立的方程穩定可靠。從表2看出：土壤有機質(x₁)、全氮(x₂)、有效磷(x₃)、有效硼(x₇)和pH值(x₉)共同影響土壤細菌數量(y₁)，其中土壤有機質(x₁)、有效磷(x₃)、有效硼(x₇)與細菌數量(y₁)呈顯著正相關，而全氮(x₂)和pH值(x₉)呈顯著負相關；真菌數量(y₂)與pH(x₉)呈顯著負相關，與土壤全氮(x₂)、有效鉀(x₄)、CEC(x₈)均呈顯著正相關，各變量重要性為x₂>x₉>x₈>x₄；放線菌數量(y₃)與有效磷(x₃)呈顯著負相關，與土壤有機質(x₁)、有效鋅(x₆)和有效硼(x₇)均呈顯著正相關，各變量重要性為x₇>x₁>x₆>x₃。

2.3 果園土壤微生物種群數量最佳的土壤養分和pH因子優化方案

果園土壤微生物種群數量與土壤養分和pH的關系極為復雜，為進一步探討它們內部因子的相互關系，以土壤細菌數量最大(y_max1)為目標函數(A)，真菌數量(y₂)、放線菌數量(y₃)和土壤養分因子[土壤有機質(x₁)、全氮(x₂)、有效磷(x₃)、有效鉀(x₄)、有效鐵(x₅)、有效鋅(x₆)、有效硼(x₇)、CEC(x₈)和pH(x₉)]為約束條件(B)，其中方程中土壤養分和pH的約束條件依據調查的資料，參考國內外土壤適宜水平；細菌、真菌和放線菌數量約束值上浮1個冪次單位，建立了求解土壤細菌數量最大的線性規劃方程組，

應用相同的方法，建立求解土壤真菌、放線菌數量最大的線性規劃方程組，其中(B)中的細菌數量約束條件均為≥10⁸。

通過對方程求解，獲得了8-10月果園土壤細菌、真菌和放線菌數量最大的土壤養分和pH因子指標體系和最佳取值范圍(表3)。由表3可知，除土壤全氮、有效磷、鉀、鋅外，不同土壤微生物菌落對主要土壤養分因子和pH的要求一致，從而獲得了土壤微生物種群數量最佳的土壤養分和pH因子指標體系和最適范圍是：土壤有機質為55.0g·kg^-1，全氮為1.50-3.00g·kg^-1，有效磷為20-200mg·kg^-1，有效鉀為120-600mg·kg^-1，有效鋅為0.5-20.0mg·kg^-1，有效硼為10mg·kg^-1，CEC為300mmol·kg^-1，pH值為6.5；理論計算出土壤微生物各菌落數量最佳值分別為：細菌9.5×10⁸cfu·g^-1，真菌8.6×10⁵cfu·g^-1，放線菌1.8×10⁷cfu·g^-1。

從表1的調查資料和表3的優化取值及提高果園土壤微生物種群活性方面分析，今后北京地區果園提高土壤有機質含量和陽離子交換量、降低果園土壤pH值到7.0左右，并通過提高土壤有機質和降低果園土壤pH值等措施調節鋅、硼等微量元素含量是土壤管理中的關鍵措施。

3 討論

3.1 果園土壤微生物種群數量與土壤養分含量和pH的關系

果園土壤微生物種群數量、分布與活性是衡量土壤肥力和養分的一個重要指標。本研究初步獲得了8-10月果園土壤微生物種群數量受土壤養分和pH因子影響的重要程度及其相關性，土壤中細菌數量主要受土壤pH值、有效硼、有效磷、全氮和有機質含量的影響，并與土壤有機質、有效磷、有效硼含量呈顯著正相關，而與土壤全氮和pH值呈顯著負相關；土壤真菌數量主要受CEC、土壤pH和有效鉀、全氮含量的影響，并與土壤全氮、有效鉀、CEC均呈顯著正相關，與土壤pH呈顯著負相關：土壤放線菌數量主要受土壤有效磷、有機質、有效硼和有效鋅含量影響，并與土壤有機質、有效鋅和有效硼含量均呈顯著正相關，與土壤有效磷含量呈顯著負相關。這與陳偉等施肥對平邑甜茶實生苗根際微生物的影響研究，細菌數量隨有機肥的增加而顯著增加，高氮對細菌產生抑制作用，3％有機肥處理可以顯著提高根際細菌數量；氮肥可以增加土壤中真菌數量，3％和6％有機肥處理，對真菌數量的影響差異不顯著：有機肥與氮肥交互作用能夠顯著促進根際放線菌數量的增加等結果；鄭詩樟等研究認為，土壤微生物類群和酶活性與土壤有機質、全氮和有效氮之間具有極顯著相關性的結論基本一致。而土壤養分的其他元素對土壤微生物種群數量影響的重要程度及其相關性尚缺乏詳細資料。

3.2 果園土壤養分和pH因子的優化方案

果園土壤質量評價是果樹土壤管理的關鍵，土壤有機質是評價果園土壤質量動態變化的重要指標㈣，本研究優化方案獲得的果園土壤有機質最佳含量為55.0g·kg^-1，對中國果園來說是一個理想數值，并且高于荷蘭果園土壤有機質的平均含量，而與日本和新西蘭等國蘋果園土壤有機質含量(40-80g·kg^-1)㈣接近；土壤有效磷最佳含量為20-200mg·kg^-1，這與劉子龍等、劉建玲等等的研究結果相一致；有效鉀最佳含量為120-600mg·k^-1，與京津地區果園土壤有效鉀含量㈣相一致。優化方案強調果園土壤偏酸適宜，具備較高的土壤有機質、全氮和有效硼的含量，微生物各菌落數量適宜，這些理論結果與目前北京果園土壤pH值偏高、有機質和有效硼不足、土壤微生物總量偏低的生產現狀相吻合，符合果園土壤管理實際，能合理全面地反映果園土壤養分與土壤微生物種群數量的關系。北京地區果園土壤pH值總體偏高、土壤有機質和有效硼不足、土壤微生物總量偏低等是今后果園土壤改良、培肥地力的重點。然而，本文只探討了北京果園土壤微生物種群數量與土壤養分和pH的關系，關于土壤養分、pH和土壤微生物對果樹樹體營養及果實產量品質指標的影響等問題還有待于進一步研究。