水肥處理對竹葉花椒土壤養分和微生物的影響

唐海龍，龔 偉，王景燕，舒正悅，黃 帥，趙昌平，周書玉

（四川農業大學 林學院 林業生態工程四川省重點實驗室，四川 成都611130）

竹葉花椒Zanthoxylum armatum屬蕓香科Rutaceae花椒屬Zanthoxylum植物，其果實是重要的調味料、香油料和中藥材，因其具有適應性廣、生長迅速、早實豐產、抗病蟲性強和盛產期長，以及耐干旱瘠薄、根系發達和固土保水保肥能力強等優點，在退耕還林工程中，作為經濟價值高、生態效益好的經濟樹種廣泛栽植［1］。竹葉花椒以其葉片狹長如同竹葉狀而得名，又因其成熟后鮮果碧綠色、干果灰綠色而又被稱為 “青花椒”［2-3］。目前，竹葉花椒已成為低海拔山丘區新的經濟增長點，在國家實施精準扶貧帶動山區農民脫貧致富過程中發揮了重要作用。另外，竹葉花椒喜熱喜肥，不耐水淹，適宜在排水良好和濕潤肥沃的土壤條件下生長［4-5］。因此，進行科學的水肥管理對促進竹葉花椒更好生長和盡早掛果投產具有重要作用［6］。目前，有關土壤水分和施肥對土壤養分含量和微生物特性的研究較多，如韋澤秀等［7］研究發現：適當的水肥處理使土壤有效養分含量和微生物多樣性顯著提高，土壤生產潛力增加；陳鴻飛等［8］研究發現：合理的水肥調控有利于增加土壤中養分的有效性，提高土壤微生物的功能多樣性；王景燕等［9］研究發現：水肥耦合對漢源花椒Z.buugeauum‘Hanyuan’的地徑、苗高和生物量有顯著提高作用。有關水肥管理對花椒土壤養分和微生物影響等方面的研究尚未見報道，難以滿足當前花椒產業發展需要。本研究以竹葉花椒新品種漢源葡萄青椒Z.armatum‘Hanyuan Putaoqing’為對象，通過水肥處理盆栽試驗明確不同土壤含水量和氮、磷、鉀配方施肥量對竹葉花椒生長、土壤有效養分和微生物特性的影響，為竹葉花椒栽培管理過程中，水肥管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗設計

供試土壤為四川農業大學成都校區周邊農田耕層（0～20 cm）沙壤土。多點采集有代表性的土壤樣品共計約1.0 kg，土樣自然風干去除雜質過5 mm篩混勻后待用，用于測定土壤理化性質本底值。盆栽前土壤理化性質：pH 7.5，土壤含水量為25.2%的田間持水量，有機質16.6 g·kg-1，全氮1.0 g·kg-1，堿解氮 80.3 mg·kg-1， 全磷 0.48 g·kg-1， 有效磷 15.4 mg·kg-1， 全鉀 23.9 g·kg-1和速效鉀 22.5 mg·kg-1。 栽植前，取風干土6.3 kg（相當于6.0 kg烘干土），其中2/3先裝入聚乙烯塑料盆內（盆口直徑22 cm，盆底直徑20 cm，高23 cm）中，另外1/3與需添加的肥料充分混勻后再裝在上部，盆內土壤厚度約20 cm。

水肥耦合試驗采用4因素4水平正交試驗設計，共計16個處理（表1），3次重復，每重復栽植3盆，總計9盆·處理-1，共計144盆。土壤含水量設置為20.0%，40.0%，60.0%和80.0%的田間持水量，氮肥（尿素，氮質量分數為46.4%，施肥量以氮計）施肥量設置為0，75.0，150.0和300.0 kg·hm-2，磷肥（過磷酸鈣，五氧化二磷質量分數為12.0%，施肥量以五氧化二磷計）施肥量設置為0，30.0，60.0和120.0 kg·hm-2，鉀肥（硫酸鉀，氧化鉀質量分數為 51.0%，施肥量以氧化鉀計）施肥量設置為0，75.0，150.0和300.0 kg·hm-2。盆內具體的施肥量按照單位面積進行折算，所有肥料均一次性施入。在2016年4月中旬將苗高約10 cm的竹葉花椒 ‘漢源葡萄青椒’幼苗移植于各處理盆栽土壤中，試驗在溫室大棚內完成（本試驗中溫室大棚只避雨不控制溫度和濕度）。整個試驗過程中，各處理土壤田間持水量采用每日定時稱量補水法進行調控。

1.2 測定項目及方法

于2016年11月中旬，用游標卡尺和卷尺測定竹葉花椒幼苗地徑和苗高。將竹葉花椒苗從盆中移出后采集土壤樣品，一份帶回實驗室風干后用于測定土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數；另外一份用無菌袋裝好，帶回實驗室用于測定土壤細菌、放線菌和真菌數量。堿解氮采用堿解-擴散法，有效磷采用Olsen法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法［10］；微生物數量采用稀釋平板法［11］。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0和Excel 2013對數據進行統計分析；用單因素方差分析（one-way ANOVA）對各處理竹葉花椒苗高、地徑、土壤速效養分和土壤微生物數量進行方差分析；采用最小顯著差異法（SSR）和多因素方差分析對處理間各指標進行多重比較。數據為平均值±標準差。指標間相關性采用Pearson相關性分析。采用隸屬函數法對每個處理土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數，細菌、放線菌、真菌和總微生物數量進行轉換， 數據轉換公式為：x（u）=（x-xmin）/（xmax-xmin）。 其中：x（u），x，xmin和xmax分別表示各指標隸屬度值、指標測定值、該指標值的最小值和最大值；然后將每個處理土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數隸屬度相加得到土壤養分隸屬度，細菌、放線菌、真菌和總微生物數量隸屬度值相加得到土壤微生物隸屬度，所有土壤肥力指標的隸屬度值累加得到土壤肥力隸屬度，值越大土壤肥力就越高。

2 結果與分析

2.1 苗高和地徑

由表1可知：不同水肥處理竹葉花椒幼苗地徑和苗高差異顯著。與W20N0P0K0處理（ck）相比，其他各處理的地徑和苗高均顯著增加。地徑和苗高以W60N300P30K0處理的最大，分別比ck增加107.5%和76.2%。地徑平方與苗高的乘積（D2H）在各水肥處理下的變化規律與地徑相似，以W60N300P30K0處理最高，比ck增加648.1%。由表2多因素方差分析可知：土壤含水量和氮肥施入量對D2H影響顯著（P＜0.05）。說明適量的土壤水分和較高的氮肥施入有利于竹葉花椒的高粗生長。

表1 4因素4水平正交試驗方案處理及植株地徑和苗高Table 1 4 factors and 4 levels orthogonal test scheme processing,ground diameter（D）and height（H）of seedlings

2.2 土壤有效養分質量分數

由圖1可知：不同水肥處理下土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數差異顯著。與ck相比，其他各處理的有效養分質量分數均顯著增加，土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數均隨氮磷鉀施肥量的增加而增加。W60N300P30K0處理的堿解氮質量分數最高，比ck增加51.3%；W60N75P120K150處理的有效磷質量分數最高，比ck增加39.7%；W80N150P30K300處理的速效鉀質量分數最高，比ck增加37.9%。利用隸屬函數對堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數轉化，三者之和為土壤養分隸屬度。由表2多因素方差分析可知：土壤水分和氮磷鉀肥施入量對土壤養分隸屬度影響顯著（P＜0.05）。說明適當的增加土壤施肥量可顯著提高土壤有效養分質量分數。

圖1 不同水肥處理竹葉花椒土壤速效養分Figure 1 Soil available nutrients of Zanthoxylum armatum under different water and fertilizer treatments

2.3 土壤微生物數量

由圖2可知：不同水肥處理土壤細菌、放線菌、真菌和總微生物數量差異顯著。與ck相比，其他各處理的細菌、放線菌、真菌和總微生物數量均顯著增加。細菌和總微生物數量以W60N150P0K75處理的最高，分別比ck增加341.9%和307.5%；放線菌和真菌數量以W60N300P30K0處理的最高，分別比ck增加271.6%和208.2%。利用隸屬函數對細菌、放線菌、真菌和總微生物數量轉化，相加之和為土壤微生物隸屬度。由表2多因素方差分析可知：土壤水分和氮肥施入量對土壤微生物隸屬度影響顯著（P＜0.05）。說明保證磷鉀養分充足的基礎上，著重調節土壤水分和氮肥施入量可以提高竹葉花椒土壤微生物數量。

2.4 綜合評價與相關分析

由圖3可知：不同水肥處理下竹葉花椒幼苗土壤肥力隸屬度差異顯著。與ck相比，其他各處理的土壤肥力隸屬度均顯著增加，比ck的增加41.5%～307.5%。土壤肥力隸屬度以W60N75P120K150處理的最高。D2H和土壤肥力隸屬度呈顯著相關（R2=0.904）。相關分析表明（表3）：竹葉花椒幼苗地徑、苗高和D2H，土壤堿解氮和有效磷質量分數及細菌、放線菌、真菌和總微生物數量顯著相關（P＜0.05），而與速效鉀質量分數相關性不顯著。土壤肥力隸屬度與土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數及細菌、放線菌、真菌和總微生物數量相關性顯著（P＜0.05）。說明土壤肥力隸屬度在一定程度上能表征竹葉花椒苗木品質的高低。

圖2 不同水肥處理竹葉花椒土壤微生物數量Figure 2 Soil microbial population of Zanthoxylum armatum under different water and fertilizer treatments

通過對土壤肥力隸屬度（y）與土壤含水量（x1）、 氮肥（x2）、 磷肥（x3）和鉀肥（x4）的多元回歸， 分別擬合得到方程y=-0.001 4x12+0.174x1-1.527（R2=0.779），y=-0.000 025x22+0.012x2+2.076（R2=0.763），y=-0.000 045x32+0.010x2+2.609（R2=0.793）和y=-0.000 011x42+0.005 2x4+2.562（R2=0.821）， 建立竹葉花椒土壤肥力隸屬度與水肥條件的關系。通過以上方程預測得到在土壤水分含量為61.47%，施肥量為244.28 kg·hm-2氮、112.36 kg·hm-2五氧化二磷和240.05 kg·hm-2氧化鉀時，能顯著增加土壤肥力，提高青花椒苗木品質。

表2 竹葉花椒D2H與土壤肥力多因素方差分析Table 2 Multifactor variance analysis of the D2H and soil fertility of Zanthoxylum armatum

圖3 不同水肥處理竹葉花椒土壤肥力隸屬度Figure 3 Soil fertility subordinate degree of Zanthoxylum armatum under different water and fertilizer treatments

表3 竹葉花椒土壤養分、微生物數量與生長的相關性Table 3 Correlative coefficient between soil nutrients,microbial biomass and growth of Zanthoxylum armatum

3 討論

土壤水分和養分含量是植株生長的基礎，在栽培管理過程中合理的水肥管理措施能顯著促進植株生長［12］。本研究發現，土壤含水量過低過高都會影響竹葉花椒植株生長，在土壤含水量為60%時竹葉花椒的地徑、苗高和D2H達到最大值。這與張志亮等［13］和張楠等［14］的研究結果相似，在土壤水分含量為46.1%～70.0%時，能顯著促進苗木的生長。而劉杜玲等［15］的研究發現，輕度干旱脅迫有利于花椒幼苗葉片葉綠素的合成，增加光合產物的形成和積累，從而促進植株的生長。這可能是本研究的竹葉花椒幼苗為長期水分梯度處理，而劉杜玲等［15］的研究為短期水分脅迫處理。王景燕等［9］通過建立漢源花椒幼苗生長隸屬度與水肥關系的方程，預測適宜漢源花椒幼苗生長和苗木品質提高的施肥量。本研究通過建立方程， 預測施肥量為 244.3 kg·hm-2氮肥， 112.4 kg·hm-2磷肥和 240.1 kg·hm-2鉀肥時， 竹葉花椒的生長最佳，可能是隨著施肥量的增加，植物生長及生物量也會隨之增加，超過最適量后，植物生長受到肥料脅迫， 生長和生物量下降［16］。

土壤水分作為土壤微生物活動的關鍵因子，其含量過高或過低均會對土壤微生物產生脅迫［17］。微生物作為土壤生態過程的直接參與者，促進土壤能量流動和物質循環，提高土壤養分含量。本研究中，隨著土壤水分含量的增加，土壤細菌、放線菌、真菌和總微生物數量均增加，超過60%土壤含水量后，又呈降低趨勢。這與曾成城等［18］和BROCKETT等［19］的研究結果相似。適宜的水分條件能促進植物生長，加快土壤熟化，為土壤微生物提供充足的營養，使土壤微生物數量增加［20-21］。本研究還發現：土壤堿解氮含量隨土壤含水量的增加呈先增加后減少的變化趨勢，在60%土壤含水量時達到最大值，而有效磷和速效鉀含量隨土壤含水量的增加無顯著差異，可能是由于盆栽試驗條件下，土壤養分淋失較慢，且本研究土壤養分供給量超過竹葉花椒生長所需的量。

施肥是作物種植和土壤管理的基本措施，適量施肥能快速增加土壤養分、改善土壤環境和促進作物生長［22］。微生物作為土壤生化反應的參與者，對土壤環境變化敏感，與施肥種類及施肥量關系密切［23］。本研究發現，施肥處理土壤細菌、放線菌、真菌和總微生物數量均顯著高于未施肥處理，且配方施肥土壤微生物數量更高，隨氮、磷、鉀施肥量的增加，土壤微生物數量呈先增加后降低的變化趨勢；土壤有效養分隨施肥量的增加而增加。這與馬冬云等［24］和陳立新［25］研究結果基本一致。而代景忠等［22］的研究發現，施肥顯著增加了土壤中真菌的數量，隨施肥水平增加，真菌和放線菌數量逐漸增大，細菌數量則逐漸減小。這可能與本研究中的土壤特性和施肥量梯度有關。也有研究［26-28］發現：隨施肥水平的增加，土壤微生物數量降低，可能與土壤pH降低和土壤表層板結有關，且肥料偏施導致土壤養分失衡，抑制植物生長和微生物繁殖［29］。因此，合理的配方施肥比例和施肥量是提高土壤有效養分含量和微生物數量的關鍵。

4 結論

本研究水肥處理顯著增加了竹葉花椒植株地徑和苗高，促進土壤有效養分含量和微生物數量的增加。植株苗高和地徑、土壤微生物數量、堿解氮和有效磷質量分數均隨土壤水分含量的增加呈先增加后降低的變化趨勢。植株苗高和地徑及土壤有效養分質量分數隨施肥量的增加而增加，土壤細菌、放線菌、真菌和總微生物數量隨施肥量的增加呈先增加后降低的變化趨勢。土壤微生物數量與堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數顯著相關，土壤微生物數量與地徑和苗高顯著相關；土壤肥力隸屬度與D2H顯著相關。多元回歸擬合方程預測，適宜于植株生長、養分含量提高和微生物數量增加的土壤水分含量為61.47%，氮、磷（五氧化二磷）和鉀（氧化鉀）施肥量分別為244.3，112.4和240.1 kg·hm-2時對促進竹葉花椒幼苗生長，提高土壤肥力具有重要作用。