賀蘭山東麓葡萄園自然生草對土壤養(yǎng)分酶活性及微生物的影響

李 超，王曉玲，劉 思，李 輝，張軍翔,*

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)葡萄酒學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】長期以來，我國果園管理一直采用傳統(tǒng)的清耕方式，很難滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。在西方及日本等果品生產(chǎn)發(fā)達(dá)國家，果園生草已成為綠色果園建設(shè)的首選模式，55 %～70 %以上的果園選擇生草模式，有的國家實(shí)施生草的果園面積占總面積的90 %以上[1]，然而我國果園生草栽培研究起步較晚，20世紀(jì)60年代才有個(gè)別報(bào)道，90年代才陸續(xù)開始[2]。【前人研究進(jìn)展】賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)地處埋土防寒區(qū)，果園生草需要每年春季進(jìn)行人工補(bǔ)種，因此果園成本和工作量大幅上升，不符合果園經(jīng)濟(jì)化管理需求，果園自然生草則可避免以上弊端。果園自然生草憑借其適應(yīng)性強(qiáng)、覆蓋率高、易于腐爛分解等特點(diǎn)，可明顯增加土壤微生物，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤肥力，減少土壤板結(jié)，不同程度地促進(jìn)果樹生長發(fā)育[3]。但目前我國果園生草技術(shù)主要以人工種草為主，自然生草由于起步較晚，基礎(chǔ)研究相對薄弱，成功經(jīng)驗(yàn)較少，尚處于試驗(yàn)研究階段，難以將其推廣到果園實(shí)際生產(chǎn)中[4]。【本研究切入點(diǎn)】本試驗(yàn)以賀蘭山東麓蘭山云昊4年赤霞珠葡萄園為試驗(yàn)基地，以傳統(tǒng)清耕方式為對照，研究葡萄園自然生草一年對土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量和酶活性的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以期為推進(jìn)賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，進(jìn)而為果園推行自然生草制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

寧夏蘭山云昊酒莊位于中國西北部賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)內(nèi)，屬于典型的大陸性氣候。該地區(qū)適宜種植中熟歐亞釀酒葡萄品種，晝夜溫差較大(10～15 ℃)，尤其在葡萄轉(zhuǎn)色期間，果實(shí)的糖份和色素物質(zhì)可以充分積累；光能資源豐富，日照時(shí)間長，全年日照時(shí)數(shù)2851～3106 h，年平均積溫≥10 ℃，葡萄生長季節(jié)(4-10 月)>10 ℃的活動(dòng)積溫約3300 ℃，有效積溫1534.9 ℃，7-9月有效積溫961.6 ℃，葡萄成熟期間溫度相對降低，葡萄漿果可以進(jìn)行緩慢成熟，有利于香氣物質(zhì)和多酚物質(zhì)的積累，從而使?jié){果中各物質(zhì)達(dá)到平衡；因處于西北部干旱氣候區(qū)，年降水量193.4 mm，但引黃灌溉工程和豐富的地下水資源可以在葡萄需水時(shí)期提供及時(shí)灌溉，8-9月降雨量相對少，有利于提升釀酒葡萄的品質(zhì)和減少葡萄病蟲害的發(fā)生。土壤類型多樣，成土母巖以沖積物為主，土壤以淡灰鈣土為主，土質(zhì)多為沙壤土，土層較厚，有些土壤含有礫石，富含鈣、鉀素，土壤通氣透水性好，每立方米所含礫石(半徑8 mm以內(nèi))體積約占41.20 %，土層深約40～100 cm，pH 8.5 左右[5]。因其得天獨(dú)厚的自然條件,該地區(qū)釀酒葡萄含糖量高，酸度適中，香氣馥郁，轉(zhuǎn)色充分，成熟度良好，被國內(nèi)外專家確認(rèn)為世界釀酒葡萄生長最佳生態(tài)區(qū)之一[6]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理，每個(gè)處理有3組：①行間清耕作為對照；②行間自然生草；草帶寬2.4 m，每個(gè)處理分4個(gè)行間，每個(gè)行間面積480 m2，共250株樹。葡萄開花期(6月)、轉(zhuǎn)色期(7-8月)和果實(shí)成熟期(9-10月)在每個(gè)處理行間按對角線選取5個(gè)點(diǎn)，用鐵鍬挖取剖面采集0～20,20～40,40～60 cm土樣，每個(gè)行間土樣分別混合均勻，按四分法保留并做好標(biāo)記，一部分土樣用無菌袋裝好帶回實(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行土壤微生物量的測定，另一部分帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后過1 mm篩后用于土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的測定。

1.3 樣品采集與測定方法

土壤全磷和速效磷測定用鉬銻抗比色法，全鉀和速效鉀測定用火焰光度法，土壤有機(jī)質(zhì)測定用重鉻酸鉀容量法，全氮測定用凱氏法，堿解氮測定用堿解擴(kuò)散法，pH值用酸度計(jì)測定，全鹽用電導(dǎo)率儀進(jìn)行測定[7]。

土壤細(xì)菌、放線菌、真菌計(jì)數(shù)采用稀釋涂布平板法測定[8]。細(xì)菌培養(yǎng)用牛肉膏蛋白培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)用改良高氏1號培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)用孟加拉紅培養(yǎng)基。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以mg(NH3-N)/g(37 ℃，24 h)表示;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法，以葡萄糖mg/g(37 ℃，24 h)表示;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，以毫升(0.02 mo1/L KMnO4)/(h·g)表示[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用DPS V7.05版軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用LSD法進(jìn)行顯著性比較,并使用Excel 2007進(jìn)行圖表繪制和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然生草對土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1 自然生草對土壤速效磷、速效鉀、速效氮含量的影響 氮素的合理使用可提高植株的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量，延長植株的壽命[10]。由表1可得，自然生草和清耕條件下不同深度土壤中速效磷、速效鉀和堿解氮的含量均存在不同的差異。自然生草處理使速效磷含量在0～20 cm土層呈顯著下降，在20～40和40～60 cm土層表現(xiàn)相反，其中40～60 cm上升了2.01 mg/kg，達(dá)顯著水平；與清耕對照相比，自然生草速效鉀含量在各土層均呈顯著下降，其中0～20 cm土層下降最，達(dá)76.66 mg/kg；土壤堿解氮(包括無機(jī)態(tài)氮和部分有機(jī)質(zhì)中分解的)能反映土壤近期內(nèi)氮素供應(yīng)情況，測定土壤堿解氮的含量對了解土壤的供氮能力，指導(dǎo)合理施肥具有一定意義。由表1可知，堿解氮含量除在0～20 cm土層呈顯著降低外，在20～40 cm土層和40～60 cm土層表現(xiàn)為顯著上升，上升幅度最大達(dá)到2.33 mg/kg。

表1 自然生草對不同深度土壤速效磷、速效鉀和堿解氮的影響

注：同一行中不同小寫字母表示P<0.05差異顯著。

2.1.2 自然生草對土壤全磷、全氮、全鉀的影響 與清耕對照相比，自然生草處理全磷含量在0～20 cm土層、20～40 cm土層和40～60 cm土層均有所增加(表2)，其中0～20 cm土層增長幅度最大；自然生草處理全氮含量較清耕對照在各土層中均呈現(xiàn)下降趨勢，其中0～20 cm土層和40～60 cm土層達(dá)到顯著降低水平；自然生草處理全鹽與全氮含量與清耕對照變化一致，整個(gè)土層含量均呈現(xiàn)下降趨勢，且達(dá)到顯著水平。

2.1.3 自然生草對土壤pH和有機(jī)質(zhì)的影響 土壤的pH是土壤性質(zhì)的綜合反映，土壤中營養(yǎng)元素的存在形態(tài)、植物吸收的有效程度、土壤微生物的組成和活動(dòng)，以及有機(jī)物合成和分解均受pH值的影響，土壤pH在影響土壤中礦質(zhì)營養(yǎng)成分的同時(shí)也會(huì)對葡萄的生長帶來顯著影響[11-12]。土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量象征土壤的肥力大小，對影響土壤理化性質(zhì)、通氣性、抗蝕能力、保水能力、供肥保肥能力和養(yǎng)分有效性等起重要作用[13]。如表3所示，自然生草處理較清耕對照各土層降低但無顯著變化，自然生草1年處理有機(jī)質(zhì)則普遍降低，其中0～20 cm土層，20～40 cm土層則顯著降低。

2.2 自然生草對果園土壤微生物數(shù)量的影響

由表4可知，自然生草處理對0～20 cm土層土壤微生物的影響是復(fù)雜的。細(xì)菌在5次測定過程中有增有減，其中6月15日和9月23日測定的細(xì)菌自然生草處理較清耕對照顯著增加，且9月23日增幅最大，達(dá)到15.1 105CFU·g-1。真菌數(shù)量在前4次測量過程中只有7月10日自然生草較清耕對照有所增加，其余3次均下降，然而9月23日測定的結(jié)果顯示自然生草較清耕對照真菌數(shù)量顯著優(yōu)化增加，說明長時(shí)間自然生草處理可提高土壤真菌數(shù)量。放線菌在5次測量過程中自然生草較清耕對照均有所增加，其中6月15日和9月23日達(dá)到顯著增加水平。

表2 自然生草對不同深度土壤全磷、全氮、全鹽的影響

表3 自然生草對不同深度土壤pH和有機(jī)質(zhì)的影響

表4 自然生草對0～20 cm土壤微生物數(shù)量的影響

由表5可知，20～40 cm土層細(xì)菌變化較為復(fù)雜，其中6月15日，8月4日和8月29日測定結(jié)果顯示自然生草較清耕對照土壤細(xì)菌數(shù)量有所降低，6月15日達(dá)到顯著降低，7月10日和9月23日自然生草處理可提高土壤中土層20～40 cm細(xì)菌數(shù)量， 9月23日達(dá)到顯著提高水平。20～40 cm土層真菌在前3次測定過程中清耕對照均高于自然生草，但隨著自然生草時(shí)間的增加，自然生草處理真菌數(shù)量分別在8月29日和9月23日,高于清耕對照。20～40 cm土層放線菌在前4次測定過程中清耕對照也均高于自然生草，其中6月15日和8月4日達(dá)到顯著水平，然而9月23日測定結(jié)果顯示自然生草處理土壤放線菌數(shù)量顯著高于清耕對照。

由表6可知，40～60 cm土層自然生草處理較清耕對照細(xì)菌，真菌和放線菌數(shù)量都有不同程度的增長。5次測定中，只有8月4日自然生草處理土壤細(xì)菌較清耕對照有所下降，6月15日自然生草較清耕對照土壤真菌數(shù)量下降，8月4日自然生草較清耕對照土壤放線菌數(shù)量降低，其余4次自然生草較清耕對照土壤細(xì)菌，真菌，放線菌均有所增加。其中9月23日測定則顯著增加。

表5 自然生草對20～40 cm土壤微生物數(shù)量的影響

表6 自然生草對40～60 cm土壤微生物數(shù)量的影響

2.3 自然生草對土壤酶活性的影響

2.3.1 自然生草對過氧化氫酶的影響 過氧化氫酶活性是衡量土壤有機(jī)質(zhì)積累程度和腐質(zhì)化強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，其本身通過緩解由有機(jī)物生化反應(yīng)和生物呼吸而產(chǎn)生的過氧化氫毒害作用，參與土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化。如圖1～3所示，過氧化氫酶活性各土層大小為0～20 cm土層>40～60 cm土層>40～60 cm土層，各土層過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，自然生草處理?xiàng)l件下的過氧化氫酶活性前4次測定結(jié)果顯示0～20 cm土層和40～60 cm土層均低于清耕對照相應(yīng)土層，然而9月23日測定顯示不同土層的過氧化氫酶活性自然生草處理均高于清耕對照，由此可以說明長時(shí)間自然生草可提高土壤不同土層的過氧化氫酶活性。

圖1 自然生草對0～20 cm過氧化氫酶活性影響Fig.1 Effect of natural grass on catalase activity of 0-20 cm

圖2 自然生草對20～40 cm過氧化氫酶活性影響Fig.2 Effect of natural grass on catalase activity of 20-40 cm

2.3.2 自然生草對蔗糖酶的影響 蔗糖酶活性是土壤碳氮轉(zhuǎn)化的速率的表現(xiàn)，自然生草總體有利于提高土壤中酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[13]。圖4～5所示，0～20 cm土層和40～60 cm土層清耕對照蔗糖酶活性均高于自然生草處理，但整體差距隨時(shí)間增長而不斷減。40～60 cm土層自然生草處理和清耕對照蔗糖酶活性互有高低，其中8月4日和8月29日自然生草處理蔗糖酶活性顯著高于清耕對照，由此說明自然生草處理對土壤蔗糖酶活性大小的影響先從40～60 cm土層開始，蔗糖酶活性各土層大小為0～20 cm土層>40～60 cm土層>40～60 cm土層。

圖3 自然生草對40～60 cm過氧化氫酶活性影響Fig.3 Effect of natural grass on catalase activity of 40-60 cm

圖4 自然生草對0～20 cm蔗糖酶活性影響Fig.4 Effect of natural grass on invertase activity of 0-20 cm

圖5 自然生草對20～40 cm蔗糖酶活性影響Fig.5 Effect of natural grass on invertase activity of 20-40 cm

圖6 自然生草對40～60 cm蔗糖酶活性的影響Fig.6 Effect of natural grass on invertase activity of 40-60 cm

2.3.3 自然生草對脲酶的影響 脲酶是參與土壤氮素循環(huán)的重要酶類，直接參與土壤中含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，在土壤氮素循環(huán)進(jìn)程中起著重要作用，其活性強(qiáng)度常用來表示土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度[14]。如圖7～9所示，各土層脲酶活性：0～20 cm土層>40～60 cm土層>深土40～60 cm土層，其中0～20 cm土層和40～60 cm土層脲酶活性整體呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，40～60 cm土層自然生處理脲酶活性始終低于清耕對照，而0～20 cm土層和40～60 cm土層自然生草和清耕對照脲酶活性互有高低，其中40～60 cm土層自然生草脲酶活性自7月10日后一致高于清耕對照，由此說明持續(xù)性自然生草可提高土壤表土層和深土層脲酶活性。

圖7 自然生草對0～20 cm脲酶活性影響Fig.7 Effect of natural grass on urease activity of 0-20 cm

圖8 自然生草對20～40 cm脲酶活性影響 Fig.8 Effect of natural grass on urease activity of 20-40 cm

圖9 自然生草對40～60 cm脲酶活性影響Fig.9 Effect of natural grass on urease activity of 40-60 cm

3 討 論

果園生草能提高樹體根際土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全鹽、全磷、速效磷、堿解氮、速效鉀的含量，降低北方土壤pH[15-16]。本研究結(jié)果顯示自然生草1年不同深度土壤中速效鉀、全氮、全鹽、pH和有機(jī)質(zhì)的含量均呈現(xiàn)整體下降的態(tài)勢，究其原因可能生草前期自然草與樹體形成競爭，土壤養(yǎng)分消耗大于積累，故而降低了土壤中全氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量[49]。

果園自然生草對土壤礦質(zhì)元素的影響較為復(fù)雜，并不是果園自然生草就直接可以提高土壤中的礦質(zhì)元素，養(yǎng)分的提高需要一段時(shí)間，綜合前人研究發(fā)現(xiàn)果園自然生草達(dá)到4年以上土壤養(yǎng)分才會(huì)有所增加，果園自然生草對每個(gè)土層之間的養(yǎng)分影響并沒有明顯的規(guī)律，絕大多數(shù)研究者發(fā)現(xiàn)果園自然生草對土壤礦質(zhì)元素的影響上表層先于下表層，但也有研究者持不同觀點(diǎn)。自然生草對不同種元素的影響并不是同步的且增加和下降的幅度也不盡相同。

微生物是土壤生態(tài)體系的重要組成部分，參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、物質(zhì)代謝等生化反應(yīng)過程[17]，但本研究發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量變化趨勢與土壤養(yǎng)分的變化趨勢并不一致，造成這個(gè)結(jié)果的原因，可能是自然生草降低土壤pH，減少土壤鹽含量，降低土壤溫度，提高土壤濕度，為土壤微生物生長提供了一個(gè)低堿、低鹽、高濕、低溫的適宜環(huán)境而促使它們大量繁殖的。

土壤酶活性是體現(xiàn)土壤肥力、土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，自然生草能改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)，影響酶活性[18]。結(jié)合前人研究并綜合本試驗(yàn)得出，持續(xù)性自然生草能夠?qū)﹄迕浮⒄崽敲浮⑦^氧化氫酶起到一定的提高作用，尤其是對上層土壤酶活性的改善較為明顯，此結(jié)論也與付學(xué)琴[13]、魏樹偉[15]、張鵬飛[19]、吳玉森[20]的研究結(jié)果基本一致，而自然生草初期對土壤酶活性影響不顯著甚至呈負(fù)增長，且不同種類的酶受到的影響也不相同，自然生草對土壤酶活性的影響是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，需要長時(shí)間才能達(dá)到積極的效果。

4 結(jié) 論

自然生草1年與清耕對照相比，不同土層土壤中速效磷、速效鉀、堿解氮、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)的含量均呈現(xiàn)整體下降的趨勢，但自然生草可明顯降低土壤pH和全鹽的含量，為葡萄營造一個(gè)適宜的生長環(huán)境，可促進(jìn)葡萄果樹的生長發(fā)育，對葡萄品質(zhì)的提高具有積極作用。

葡萄園土壤中3大微生物種群數(shù)量有垂直分布的特點(diǎn)，且隨著土層深度的不斷增加，微生物數(shù)量均有所下降。葡萄園土壤中3種微生物種群數(shù)量的排序?yàn)榧?xì)菌>放線菌>真菌，且0～20和20～40 cm土壤中細(xì)菌菌群數(shù)量均高于相同深度土層中真菌和放線菌菌群的數(shù)量。持續(xù)性自然生草可提高土壤中不同土層細(xì)菌，真菌，放線菌數(shù)量，且20～40 cm土層明顯于0～20 cm土層。

自然生草1年對葡萄園脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶起到一定的提高作用，尤其是對表土層(0～20 cm)土壤酶活性的提高更為明顯。