不同種植年限桃樹根區(qū)土壤肥力變異特征

郭新送，于曉東，張 晶，張培蘋，趙 花，杜棟梁，馬鑫磊，丁方軍,,

（1農(nóng)業(yè)部腐植酸類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271000；2山東省腐植酸高效利用示范工程技術(shù)研究中心，山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東泰安 271000；3山東合泰檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，山東泰安 271000；4煙臺(tái)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東煙臺(tái) 264000；5肥城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東泰安 271000）

0 引言

桃(Prunus persica)是中國(guó)重要的落葉果樹，栽培面積達(dá)71.3萬hm2，總產(chǎn)量803.2萬t，栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。然而，中國(guó)桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在產(chǎn)量波動(dòng)大、優(yōu)質(zhì)果產(chǎn)量低、生產(chǎn)效率低等問題[2]，其中水肥管理措施不當(dāng)，果園土壤理化性狀變差是重要原因之一。根區(qū)土壤是果樹生長(zhǎng)的養(yǎng)分供應(yīng)核心區(qū)域，根區(qū)土壤肥力直接影響果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。因此，果園根區(qū)土壤肥力的變化，包括物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀的變化是桃樹生產(chǎn)重點(diǎn)關(guān)注問題。

土壤理化及生物學(xué)性狀在果實(shí)生長(zhǎng)中起著重要作用。土壤的物理性狀，如容重、孔隙度等影響田間持水量和土壤呼吸強(qiáng)度，土壤團(tuán)聚體影響土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分的含量[4]。土壤化學(xué)性狀，如土壤速效養(yǎng)分，是植物直接吸收利用的營(yíng)養(yǎng)來源，直接影響果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤生物學(xué)性狀，包括土壤酶和微生物活性，間接反映了土壤肥力，在維持土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)分解和植物養(yǎng)分利用等方面發(fā)揮著重要作用[5]。土壤肥力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)，這種動(dòng)態(tài)變化不僅體現(xiàn)在不同地區(qū)間的土壤肥力因子上，而且體現(xiàn)在不同種植年限上。研究顯示，果園土壤容重隨著種植年限的延長(zhǎng)逐年降低，果園土壤結(jié)構(gòu)隨種植年限增加日趨穩(wěn)定[6]；隨種植年限延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳和全氮呈增加趨勢(shì)，但C/N降低[7-8]；同時(shí)，還有研究表明，土壤酶活性與土壤有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、有效磷等養(yǎng)分含量呈顯著相關(guān)，隨著種植年限的延長(zhǎng)，土壤酶活性呈現(xiàn)不同程度下降[9]；盡管不同種植年限對(duì)土壤肥力的影響已引起廣泛關(guān)注，但不同種植年限桃園土壤肥力的變化規(guī)律尚不清楚。

本研究選取了4個(gè)不同種植年限的桃樹，對(duì)其根區(qū)土壤機(jī)械組成、土壤養(yǎng)分、酶活性以及微生物的變化進(jìn)行綜合分析，并通過探究土壤肥力因子間的交互作用和影響桃產(chǎn)量、品質(zhì)的關(guān)鍵因素，以期為桃樹的根區(qū)土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理提供了重要依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地基本概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省肥城市儀陽鎮(zhèn)劉臺(tái)村。該區(qū)為肥城桃主產(chǎn)區(qū)，屬溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，年日照時(shí)數(shù)約為2610 h，氣候溫暖，年平均氣溫13℃，無霜期200天左右，平均降雨量660 mm，適宜桃樹種植。

當(dāng)?shù)毓麍@習(xí)慣性施肥是以桃樹為中心，環(huán)狀開溝，其內(nèi)徑為20～30 cm，外徑為80～100cm，在環(huán)狀土壤表面均勻撒施肥料。每棵桃樹于秋季11月初施用無機(jī)肥料(N-P2O5-K2O=15-15-15)3 kg，春季3月初施用無機(jī)肥料(N-P2O5-K2O=22-10-10)2 kg，膨果期7月中旬施用無機(jī)肥料(N-P2O5-K2O=15-5-23)1.5 kg。

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品采集時(shí)間為2019年10月，選取該村同一農(nóng)戶種植年限分別為5年(FYT5)、10年(FYT10)、15年(FYT15)、20年(FYT20)的桃園進(jìn)行土壤采樣。以5株生長(zhǎng)相似的桃樹根區(qū)為采樣區(qū)。取每棵桃樹根區(qū)0～20 cm的土壤樣品，土壤樣品去除石礫，植物根系等雜質(zhì)，分成兩部分，一部分風(fēng)干，磨細(xì)過2 mm篩待用，另一部分樣品于4℃冰箱保存。

1.3 土壤指標(biāo)的測(cè)定

土壤理化性狀的測(cè)定方法：田間持水量、孔隙度、土壤容重、比重用環(huán)刀法測(cè)定；土壤機(jī)械組成采用濕篩法；土壤全氮用半微量凱式定氮法；土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬藍(lán)比色法；土壤速效鉀用1 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法。

土壤酶測(cè)定方法：土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；過氧化氫酶采用K2MOn4滴定法測(cè)定；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定。

微生物生物量碳和氮采用氯仿熏蒸，K2SO4溶液浸提，用Multi 2011N/C TOC儀測(cè)定。

產(chǎn)量測(cè)定按照每個(gè)處理在果樹不同方位隨機(jī)采集8個(gè)桃，稱重，取平均計(jì)算單果重，根據(jù)每棵桃樹結(jié)果量計(jì)算出單株產(chǎn)量，再根據(jù)每公頃種植720株果樹計(jì)算出產(chǎn)量；可溶性固形物測(cè)定采用折光儀法。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

不同年份土壤指標(biāo)的顯著差異(P＜0.05)采用Duncan多元極差法分析。土壤機(jī)械組成與其他物理指標(biāo)、土壤呼吸與土壤化學(xué)指標(biāo)、蘋果產(chǎn)量與土壤化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性(P＜0.05，P＜0.01)采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析。圖表制作采用SAS 8.0和Microsoft Office Excel 2007軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤機(jī)械組成

不同種植年限桃園土壤機(jī)械組成有一定差異（表1）。桃園根區(qū)土壤粘粒和粉粒含量隨種植年限的增加而增加，而砂粒含量的變化則相反。種植年限15年和20年的土壤粘粒和粉粒含量顯著高于其他年份，種植年限20年的土壤砂粒含量顯著小于其他年份。20年的種植年限，桃園土壤質(zhì)地未發(fā)生變化，一直為粉質(zhì)壤土。

表1 不同種植年限桃園土壤機(jī)械組成

2.2 土壤物理性狀

不同種植年限桃園田間持水量和土壤孔隙度隨種植年限發(fā)生顯著變化（表2）。20年間，土壤田間持水量和孔隙度先增大后減小，而土壤容重和比重變化則呈相反趨勢(shì)。土壤田間持水量以種植年限15年較大，顯著高于5年和10年，與20年種植年限差異不顯著。種植年限15年的果園土壤容重和比重顯著低于其他年份(P＜0.05)，分別降低7.8%～12.1%和6.9%～30.4%，而種植年限15年的果園土壤孔隙度顯著高于其他年份。

表2 不同種植年限桃園土壤物理特性

2.3 土壤養(yǎng)分含量

土壤養(yǎng)分含量隨種植年限的變化差異顯著(P＜0.05)（表3）。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。種植年限5年和10年的土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異，但均顯著低于種植年限15年和20年，這可能是隨著種植年限延長(zhǎng)，枯枝落葉、秸稈還田等條件下，有機(jī)質(zhì)含量提升。土壤全氮、速效鉀含量均以種植年限20年的最大，顯著高于其他種植年限，土壤全氮含量高出7.7%～26.9%，土壤速效鉀含量高出7.9%～54.2%；土壤有效磷含量以種植年限15年和20年的較高，顯著高于5年和10年種植年限。由于常年投入大量無機(jī)養(yǎng)分，形成了土壤養(yǎng)分富集現(xiàn)象，土壤養(yǎng)分隨種植年限延長(zhǎng)而增加。

表3 不同種植年限桃園土壤養(yǎng)分含量

2.4 土壤酶活性

不同種植年限的桃園土壤酶活性發(fā)生明顯變化（圖1）。土壤脲酶活性先升高后降低，以種植15年的土壤酶活性最高，顯著高于其他處理，較其他種植年限提高7.5%～65.3%。不同種植年限的土壤過氧化氫酶活性與脲酶表現(xiàn)一致，以種植年限15年的過氧化氫酶活性較高，顯著高于種植年限5年和10年。不同種植年限的土壤蔗糖酶活性隨種植年限整體呈逐年升高趨勢(shì)，種植20年的土壤蔗糖酶活性較其他年份提高11.2%～73.1%，差異顯著。

圖1 不同種植年限土壤酶活性

2.5 土壤微生物總量變化

土壤微生物是土壤中最活躍的部分，其積極參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化直接反映土壤環(huán)境變化。不同種植年限的桃園土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，土壤細(xì)菌數(shù)量隨種植年限延長(zhǎng)整體呈減少趨勢(shì)，種植年限5年和10年的土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于15年和20年，而兩者之間差異不顯著，說明種植年限10年為一個(gè)分水嶺，超過10年后土壤細(xì)菌數(shù)量大幅減少。土壤真菌數(shù)量變化趨勢(shì)與細(xì)菌基本一致，種植20年的桃樹根區(qū)真菌數(shù)量顯著低于其他種植年限，較其他種植年限，土壤真菌數(shù)量降低10.8%～23.8%。不同種植年限的土壤放線菌的數(shù)量與細(xì)菌、真菌不同，20年的桃樹種植對(duì)土壤放線菌數(shù)量無顯著影響。

2.6 微生物生物量碳氮含量

不同種植年限桃園土壤微生物量碳、氮含量的變化如圖2所示。隨著種植年限的增加，土壤微生物量碳呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。種植15年的土壤微生物量碳最高，較其他種植年限增加19.7%～106.8%，種植10年與20年的土壤微生物量碳差異不顯著，但均顯著高于5年種植年限。土壤微生物量氮隨種植年限的增加而減少，種植年限20年的果園微生物量氮比其他樹齡果園降低19.8%～42.0%，差異顯著，即隨桃樹種植年限的增加，土壤微生物氮量逐漸降低，這可能與微生物活性或代謝速率有關(guān)。

圖2 不同種植年限的土壤微生物碳氮含量

表4 不同種植年限桃園土壤微生物量

2.7 桃樹產(chǎn)量及品質(zhì)

不同種植年限桃樹產(chǎn)量如圖3所示。桃產(chǎn)量隨種植年限的增長(zhǎng)先增加后降低。種植年限15年和20年的桃樹產(chǎn)量無顯著差異，但種植15年的桃樹顯著高于5年和10年種植年限，較2個(gè)種植年限的桃產(chǎn)量分別增加5.5%、18.1%，說明種植年限15年達(dá)到桃樹豐產(chǎn)年份。

圖3 不同種植年限桃樹產(chǎn)量和可溶性固形物的含量

果實(shí)中可溶性固形物含量是果實(shí)品質(zhì)的主要指標(biāo)。隨種植年限，桃可溶性固形物含量呈先升高后降低趨勢(shì)，在種植10年時(shí)，果實(shí)中可溶性固形物含量達(dá)到最大值，較其他年份提高3.3%～15.6%，當(dāng)種植年限達(dá)到20年時(shí)，果實(shí)可溶性固形物含量顯著降低，這可能隨著種植年限的延長(zhǎng)，一直投入無機(jī)養(yǎng)分，忽視有機(jī)養(yǎng)分的補(bǔ)充，導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)下降。

3 討論

3.1 土壤理化性狀變化

土壤機(jī)械組成是衡量土壤生產(chǎn)力的重要物理性狀指標(biāo)[10]。在本研究中，不同種植年限桃園土壤物理性狀變化顯著（表1、2），雖然果園土壤質(zhì)地沒有顯著變化，但土壤的機(jī)械組成卻有顯著差異（表1），土壤粘粒和粉粒含量呈先升后降的趨勢(shì)，砂粒含量變化則呈相反趨勢(shì)，這可能與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化有關(guān)。土壤孔隙度和田間持水量與土壤機(jī)械組成密切相關(guān)，粘粒含量對(duì)田間持水量、容重、比重和孔隙度有明顯的影響（圖5），這與Peck等[11]研究一致。不同種植年限桃園土壤化學(xué)性狀變化顯著，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量逐漸增加，這一結(jié)果與魏樹偉等[12]研究一致。這可能是由于枯枝落葉、秸稈還田等條件下，有機(jī)質(zhì)含量提高，同時(shí)常年投入大量無機(jī)養(yǎng)分，形成了土壤養(yǎng)分富集現(xiàn)象，土壤養(yǎng)分隨種植年限延長(zhǎng)而增加。

3.2 土壤生物性狀變化

土壤酶是土壤養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化的催化劑，土壤酶活性高低直接反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率，在一定程度上表征土壤肥力。本研究中，桃園土壤脲酶、過氧化氫酶活性隨種植年限先升高后降低，蔗糖酶活性一直升高（圖2），這與Ye等[13]的研究一致。土壤脲酶活性與土壤微生物量碳呈正相關(guān)，土壤過氧化氫酶活性與土壤微生物量碳、有效磷含量呈正相關(guān)，土壤蔗糖酶活性與土壤全氮、速效鉀含量及土壤粘粒含量呈正相關(guān)（圖5）。土壤微生物參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化，土壤微生物量與土壤濕度、溫度、有機(jī)質(zhì)含量和pH密切相關(guān)[14]，不同種植年限的桃園土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量隨種植年限延長(zhǎng)整體呈減少趨勢(shì)，這與陳月星等[15]研究基本一致。土壤微生物生物量碳、氮含量與土壤微生物量呈正相關(guān)，本研究中，隨種植年限桃樹土壤微生物量碳先增加后減少趨勢(shì)，而土壤微生物量氮呈下降趨勢(shì)，兩者均與土壤全氮、有效磷、速效鉀呈負(fù)相關(guān)（圖4）。

圖4 土壤理化及生物學(xué)性狀之間相關(guān)性

3.3 土壤肥力和桃產(chǎn)量相關(guān)性分析

為了闡明不同種植年限的土壤肥力因子對(duì)桃樹產(chǎn)量的影響，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等12個(gè)土壤肥力因子與桃樹產(chǎn)量進(jìn)行了相關(guān)性分析（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，桃產(chǎn)量與土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、微生物量碳含量以及脲酶活性呈顯著正相關(guān)。因此，土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、微生物量碳含量和脲酶活性是影響桃產(chǎn)量的主要因素。

圖5 桃產(chǎn)量與土壤肥力相關(guān)性分析

3.4 土壤肥力和桃品質(zhì)相關(guān)性分析

影響桃品質(zhì)的因素有很多，土壤肥力是基礎(chǔ)因素。對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等12個(gè)土壤肥力因子與桃可溶性固形物進(jìn)行了相關(guān)性分析（圖6）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，桃可溶性固形物與土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、微生物量碳含量及土壤脲酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)。因此，土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、微生物量碳含量和土壤脲酶、蔗糖酶活性是影響桃可溶性固形物的主要因素。

圖6 桃品質(zhì)與土壤肥力相關(guān)性分析

4 結(jié)論

（1）隨著種植年限的增加，桃園土壤物理、化學(xué)和生物性狀發(fā)生了顯著變化。土壤粘粒、粉粒含量增加，但土壤質(zhì)地未改變；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量呈增加趨勢(shì)；土壤脲酶、過氧化氫酶活性以種植年限15年達(dá)到最大值；土壤真菌和細(xì)菌數(shù)量隨種植年限呈減少趨勢(shì)；微生物量氮逐年降低。

（2）土壤肥力因子之間存在一定相關(guān)性，不同土壤肥力因子間的交互關(guān)系影響桃園土壤肥力變化，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物量碳含量以及土壤酶活性是影響土壤肥力的主要因素。

（3）桃樹產(chǎn)量以種植年限15年最大，種植年限超過15年桃品質(zhì)下降。土壤肥力因子中土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)、微生物量碳含量和土壤脲酶活性是影響桃產(chǎn)量和品質(zhì)（可溶性固形物）的主要因素。