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果园垄膜覆盖对土壤微生物量碳氮及土壤呼吸的影响

更新时间:2009-03-28

地表覆盖是当前世界旱农地区广泛推广的一项耕作技术。研究表明,地膜覆盖能抑制土壤水分蒸发,蓄水保墒,还能增温保温,保护土壤表层,改善土壤物理性状,提高水分利用效率等。在渭北旱作苹果园采用秸秆覆盖能起到较好的土壤保蓄水作用[1]。近年来,旱地果园地膜覆盖技术在甘肃中东部黄土高原旱作区得到了大面积示范推广,在一定程度上解决了该区域季节性干旱和水分匮乏对果树生产的限制。地膜覆盖改变了土壤环境,促进了土壤微生物的活性,植物营养物质主要靠土壤微生物提供,同时土壤微生物积极参与养分循环[2]。在生产中影响土壤特性变化的因素有很多,如气候条件[3-4]、土壤类型[5-6]、栽培方式[1,7]等均能不同程度地使土壤微生物特性和土壤养分有效性的关系发生改变。与其他土壤性质相比,土壤生物学特性更能迅速地响应栽培方式、作物体系、耕作及土地利用方式的差异[8-11]。近年来,地面覆盖栽培技术在旱农地区广泛应用,研究者们针对区域自然生态条件,开展了大量覆膜措施对果树生长影响方面的研究[12-13],如覆盖对土壤效应[14-15]、水肥利用[16]、水分利用效率(water use efficiency,WUE)、果实产量[17]等。但该技术对土壤微生物特性变化和土壤养分有效性关联的影响尚鲜见深入研究。本研究以甘肃秦安长期定位试验为平台,在年降雨量450 mm左右的西北黄土高原半干旱丘陵沟壑区,探索17年成龄苹果园长期不同垄膜覆盖方式下土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、微生物生物量碳氮、微生物熵、土壤呼吸以及微生物代谢熵等生物生化指标的变化规律,明确在季节性干旱对干旱区果树生长限制下,长期垄膜不同覆盖方式下土壤微生物量碳氮、土壤呼吸的变化及其与土壤养分有效性间的关联,旨在寻求一种适宜该地区的果园土壤管理模式。

1.2.1 胎心监护 孕产妇在产检均接受胎心监护,采用BFM-700+胎心监护仪(上海伊沐医疗器械有限公司)进行监护,将记录纸速度设置为3 cm/min。患者稍仰坐位,确认胎心位置后将探头置于胎心监测最佳位置,监测20 min,若胎儿处于睡眠状态可推动腹部刺激胎儿出现胎动为止,监测时间可延长至40 min。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于西北黄土高原甘肃省秦安县刘坪乡邓坪村(105°41′14″N,34°53′57″E,海拔1 547 m)。近30年平均气温10~11.4℃,近30年年均降水量449 mm,年平均蒸发量1 423 mm。土壤类型为黄绵土,土壤容重1.29 g·cm-3,土壤基本理化性质:有机质13.10 g·kg-1、全氮1.03 g·kg-1、碱解氮104.20 mg·kg-1、全磷0.17 g·kg-1、速效钾315.20 mg·kg-1、pH值8.5。田间最大持水量26.40%。

1.2 试验设计

试验选择在17年成龄天王1号苹果园进行。试验地面积为2亩。株行距为400 cm×500 cm,南北行方向,平均树高3.5 m。试验设3个处理:全年覆膜(PFM,垄膜覆盖在每年2月底果园土壤解冻之前完成,直到来年重新覆膜)、揭膜(JM,2月底覆膜,6月底完全揭掉)和清耕(CK),垄膜覆盖技术主要由1个垄面和2个沟组成,垄面覆盖厚度0.008 mm以上,宽 1.2 m黑色聚乙烯塑料薄膜,垄面内高外低呈5°~8°斜面,垄面平整,以利于覆膜后形成集雨面集水(图1),其他同常规管理,人工进行杂草控制,施肥量按每株纯N 130 g、P 70 g、K 130 g、基肥27 kg,在距树干120 cm处挖沟槽(深30 cm)施肥。于2012-2015年,每年苹果采摘后取土样。每处理分2个土层,即0~30 cm和30~60 cm。0~30 cm土层3处理分别记作PFM-30、JM-30、CK-30;30~60 cm土层3种处理分别记作PFM-60、JM-60、CK-60。

  

图1 垄膜保墒小沟集雨覆盖示意图Fig.1 Schematic view of plastic film mulched ridge with furrow for rainfall harvesting system

1.3 测定项目与方法

试验于2012年开始,在距苹果树主干1 m处,6个土层(0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60 cm)随机多点采样,然后分别将0~30 cm土样混合,30~60 cm土样混合。苹果采收后,留取部分过1mm筛,4℃保存备用。一部分用于测定土壤微生物量碳、氮并计算土壤呼吸。另一部分风干过筛,用于测定土壤pH 值、有机质以及全氮磷钾等含量。微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[18]测定。微生物量碳、氮的换算系数均为0.45。土壤呼吸采用碱液吸收滴定法[19]测定,pH值利用雷磁PHB-4 pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司生产)测定,土壤有机质、全氮、磷、钾含量参照鲁如坤[20]的方法进行测定。

土壤微生物量碳、氮对土壤肥力和植物营养都有重要意义。由图3-A、B可知,各处理对土壤微生物量碳含量变化有显著差异,总体上,0~30 cm土层比30~ 60 cm土层微生物量碳含量高,且0~30 cm土层,CK和PFM处理均呈先下降后上升趋势,JM变化趋势较慢。2015年,与CK-30相比,PFM-30、JM-30的微生物量碳含量分别增加了11.1%和15.9%,而 PFM-60、JM-60的微生物量碳分别增加了7.9%和17.2%。表明垄膜覆盖激发了浅根层土壤微生物潜能,使其大量繁殖。

(1)

土壤微生物代谢熵(qCO2,mg·g-1·h-1)=土壤呼吸强度/土壤微生物量碳

(2)

1.4 数据处理

前人研究发现不同土壤管理模式和栽培方式均能显著影响土壤微生物活性和土壤微生物量[21]。本研究中,果园垄膜保墒不同覆膜时间显著影响了旱地雨养区果园土壤的化学和生物学性质。长期PFM和JM处理均提高了果园养分含量,说明PFM和JM处理给微生物活动提供了大量能源,加快了土壤养分的循环过程和矿化过程,土壤碳源迅速增加,土壤有机碳含量相应提高,此结果可通过PFM和JM处理后微生物量碳含量均增加得到证实,JM土壤有机质含量显著高于PFM,说明PFM处理微生物呼吸消耗的碳较少,能更有效地将有机碳转化为生物量碳,减少土壤中有机碳含量,这与高翔等[22]研究结果一致。

土壤微生物量变化受多种因素影响,在生产中土壤微生物量更易受水热的限制。谢驾阳等[15]研究表明,在西北旱地覆膜,其土壤微生物量碳含量在培养过程中均低于常规。本研究中,经过长期2种不同地膜覆盖使旱地苹果园土壤微生物生物量碳含量较CK增加了约30.0%,且JM处理土壤微生物量碳在不同土层均高于PFM,这可能是由于覆膜改变了土壤内部微环境,提高了土壤微生物的活性,加速了土壤呼吸,进而影响了微生物量。此外,由于微生物生长繁殖过程中需要大量的能量供给,使土壤中碳源降低,土壤中有机碳得以快速分解,有机碳的相应减少影响了微生物的数量,使其不易增殖。表明适时揭膜能够促进微生物生长繁殖,提高土壤活性,使土壤微生物量碳含量明显提高,这与张鸽香[23]研究结论相似。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量

果园土壤有机质含量随着处理年份的增加均发生了相应变化(图2-A、B),随着试验时间的延长,0~30 cm土层的土壤有机质含量呈增加趋势,且该土层各处理有机质含量显著高于30~60 cm土层;除30~60 cm(2012年)外,0~30 cm和30~60 cm的JM土壤有机质均显著高于PFM处理,在0~30 cm土层,2015年JM土壤有机质含量较PFM处理增加20.6%; 30~60 cm不同处理土壤有机质变化明显,且每年处理间差异显著。由图2-C、D可知,0~30 cm土层中,PFM-30和JM-30处理苹果园土壤碱解氮随着时间变化呈上升趋势,CK-30在4年内变化不明显,2015年PFM-30、JM-30分别较CK-30高21.7%和12.8%,在30~60 cm土层中,各处理前3年变化趋势比较平缓,但处理间差异显著,2015年PFM-60和JM-60较CK-60明显增加,分别高出21.2%和12.7%。土壤有效磷含量处理间变化趋势基本一致,逐年呈上升趋势(图2-E、F)。2015年,0~30 cm土层中,与CK-30相比,PFM-30、JM-30处理土壤有效磷分别提高了36.6%和31.7%,30~60 cm土层中分别增加了44.3%和32.3%。

4年试验结果表明,在0~30 cm土层中,3种处理土壤速效钾含量均随着处理时间的延长呈上升趋势,且处理间存在差异(图2-G、H),但在30~60 cm土层土壤速效钾含量各处理存在差异,除PFM处理外,其他处理速效钾含量缓慢上升,连续4年处理后,0~30 cm土层速效钾含量PFM-30、JM-30分别较CK-30增加了17.6%和9.5%;30~60 cm土层土壤速效钾含量PFM、JM分别较CK增加了12.7%和11.8%。

2.2 土壤微生物生物量碳

土壤微生物熵=土壤微生物量碳/土壤有机碳×100%

由图3-C、D可知,PFM和JM处理均对苹果园土壤微生物量氮影响较大,0~30 cm土层土壤微生物量氮随着试验年份的延长呈递增趋势,各个时期处理间差异显著,同样在30~60 cm土层处各处理间差异显著(P<0.05),4年试验结果表明,不同土层PFM和JM处理土壤微生物量氮含量均高于CK。

由图4可知,垄膜保墒PFM和JM处理后苹果园土壤基础呼吸和微生物代谢熵均随着处理年份的增加而变化,试验期间,0~30 cm内土壤基础呼吸和微生物代谢熵呈“反S”状增加趋势(图4-A)。覆膜处理均对土壤呼吸有不同程度的抑制作用,2015年,JM-30处理土壤基础呼吸强度较PFM-30显著高11.4%。4年试验结果表明,0~ 30 cm土层土壤呼吸强度明显高于30~60 cm土层。30~ 60 cm土层3种处理,土壤呼吸强度变化缓慢,且每年处理间差异显著(P<0.05)。随着试验时间的延长,微生物代谢熵变化趋势与基础呼吸基本一致(图4-C、D)。0~30 cm内,以CK土壤微生物代谢熵为最高,处理间土壤微生物代谢熵依次为CK-30>JM-30>PFM-30。30~60 cm土层,3种处理土壤代谢熵变化缓慢,且每年处理间差异显著。

2.3 土壤基础呼吸及代谢熵

微生物熵是土壤微生物量碳与土壤总有机碳的比值。由图3-E、F可知,3种处理在各个时期土壤微生物熵值在4.50%~9.10%之间。0~ 30 cm 土层,JM-30和PFM-30土壤微生物熵在不同时期均高于 CK-30。2015年,与CK-30相比,JM-30和PFM-30土壤微生物熵分别增加了6.3%和30.5%;30~60 cm土层,试验第1年(2012年)CK-30土壤微生物熵高于其他处理,之后则相反;由图3-G、H可知,2个土层的生物量碳氮化随着处理时间的增加呈上升的趋势,且0~30 cm 土层土壤生物量碳、氮比值大于30~60 cm土层,4年试验期间,0~30 cm 土层PFM处理土壤C/N值低于其他处理。

  

注:不同字母表示差异达5%显著水平。下同。Note: Different letters mean significant difference at 0.05 level. The same as following.图2 2012-2015年期间苹果园地膜覆盖对不同土层土壤有机质、土壤碱解氮、土壤有效磷、速效钾含量的影响Fig.2 Effects of different mulching on soil organic matter, soil alkali-hydrolyzable nitrogen, soil available phosphorus, available phosphorus, soil available K content of different soil layer in apple orchard during 2012-2015

  

图3 不同处理对2012-2015年苹果园土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物熵、生物量碳氮比变化的影响Fig.3 Effects of different mulching on microbial biomass C, microbial biomass N, microbial quotient, microbial biomass C/N of different soil apple orchard during 2012-2015

  

图4 不同处理对2012-2015年期间苹果园土壤不同土层土壤基础呼吸和微生物代谢熵的影响Fig.4 Effects of different mulching on soil basal respiration and qCO2 different soil layer in apple orchard during 2012-2015

3 讨论

3.1 果园地膜覆盖对土壤微生物量碳的影响及其机理

采用Microsoft Excel 2003进行数据整理;采用 SPSS 18.0软件进行单因素方差分析及相关分析,不同处理之间采用Duncan 新复极差法进行多重比较。

评析 此题以旋转过程中点D的特殊位置关系为研究对象.前两问需抓住旋转中的不变量,注意边之间的联系与转化,“锁定”所研究的直角三角形即可解答.两问中都涉及到了坐标的计算,虽都应用勾股定理,但前者用算术,后者为方程,而后者是前者思维的跨越;第三问基于旋转对应点到旋转中心的等距性,知旋转中隐藏着以点A为圆心的同心圆.作辅助圆助解旋转问题,体现了知识之间的内在联系与转化.围绕求点K到边DE的最小距离,寻找此种情况下点D的特殊位置(对角线AB上)需几何直观的助力.

土壤微生物量碳含量与微生物熵大小转化呈正相关,微生物熵值大小能够反映出土壤养分的释放能力[24]。研究发现,土壤微生物熵值一般为1%~4%[25],也有报道显示土壤微生物熵值在0.27%~7.00%之间[26-27]。研究表明,水田微生物熵的范围为水田3.4%~4.9%,红壤2.5%~4.3%[28]。前人发现土壤微生物熵显著提高,与有机物施用量呈极显著相关(P<0.01),这是由于有机物料的增加使得土壤微生物量碳转化频率增加造成的[29]。本研究中,微生物熵范围为4.5%~9.1%,与前人研究[25,28]结果不同,这可能由于苹果园长期地膜覆盖,改变了土壤生态环境,使得土壤微生物量维持能力加强,从而提高了土壤微生物熵,但其机理还需进一步证明。

⑤资料来源于广州增城万家旅舍旅游网:http://www.zcly.gov.cn/a/wj/qkjs/2015/0320/1817.html。

基于双轨迹构图可知本题有两解,解法1漏解.构造△ADB的外接圆圆心E,点E可在AB下方如图4;也可在AB上方,如图5;因此有必要思考圆心E还可在AB边上,如图6.

3.2 果园地膜覆盖对土壤微生物量氮的影响及其机理

土壤微生物量氮是土壤氮素矿化势的重要组成部分,土壤微生物量氮变化受多因素影响,与土壤中氮元素循环关系密切[30]。同时,土壤微生物量氮转化速率较快,可直接或间接地反映土壤肥力和土壤环境变化,是比较敏感的生物学指标[31]。本研究中,与CK相比,不同覆盖时间PFM和JM处理均提高了旱地苹果园土壤微生物生物量氮含量,4年试验结果表明,JM处理土壤微生物量氮含量较PFM增加4.9%,地膜覆盖影响了果园土壤微生物量氮含量。因此,合理的覆膜时间有利于提高土壤微生物活性,加速土壤氮素的转化,增加土壤微生物量氮的累积,相反,长期覆膜会降低土壤中微生物量氮的含量,这与前人研究结果一致[32-33]

3.3 果园地膜覆盖对土壤呼吸的影响及其机理

通常将土壤呼吸简单分为根系呼吸(自养呼吸)与土壤微生物的异养呼吸,其中,异养呼吸与土壤生物活性强度具有一致性,同时也是能够表征土壤透气性和肥力大小的重要指标[34]。影响土壤呼吸作用的因素有很多,如不同的耕作、施肥、栽培方式、水热环境等[1,22]。涂纯等[35]研究表明,秸秆覆盖能够减弱干旱年份旱作冬小麦农田土壤呼吸,提高经济-环境效益值;李昌珍等[36]研究认为秸秆覆盖处理对土壤呼吸速率有显著影响(P<0.05),且秸秆覆盖能够降低夏季玉米地土壤呼吸速率;高翔等[22]研究发现与露地相比覆膜可抑制旱作春玉米地土壤呼吸,促进碳积累,提高玉米产量。本研究中,2种覆膜措施下土壤呼吸显著低于CK,说明JM和PFM处理能使苹果园土壤微生物处于良好的循环状态,以便储存更多的土壤养分,这与前人研究结论基本一致。微生物代谢熵能够反映出微生物量的多少和活性,是联系微生物活性、微生物生物量与微生物功能的纽带。本研究中,JM和PFM处理土壤代谢熵低于CK,可能是长期JM和PFM处理,一方面抑制了果园土壤呼吸,减少了土壤中碳排放量;另一方面使果园表层土壤含水量过高阻断了土壤和大气间的联系导致膜下呼吸产生的 CO2不能及时排出,抑制了土壤呼吸。综上,无论浅层还是深层,经过长期不同覆膜处理,苹果园土壤具有相对较高的微生物生物量和活性,可以维持土壤根际环境的正常功能。在甘肃秦安果业生产中更应该注重地膜覆盖,以维持和提高微生物量和增强土壤微生物活性,使土壤质量得到保持或提升。

4 结论

苹果园经过长期PFM、JM处理形成的土壤微环境能够增强土壤内部物质和能量的循环,改善土壤生态环境,提高微生物量活性,土壤微生物量碳、氮比发生相应变化,加快了土壤微生物功能转化,促进了果园土壤质量变化,导致苹果园土壤微生物量含量、微生物质量及土壤基础呼吸在不同土层表现各异。与PFM相比,JM处理可显著提高果园土壤生物活性和微生物熵,抑制土壤基础呼吸和代谢熵,促进碳积累量,为果树生长提供更多养分有效性,有利于果园土壤碳管理。因此,苹果园2月底覆膜6月底揭膜为西北干旱雨养区垄膜覆盖技术中更为科学合理有效的果园土壤管理栽培模式。

蒋以任希望华谊集团着力提升核心竞争力,走在全国化工行业前列,为推动“上海制造”贡献“华谊智慧”和“华谊力量”。

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张帆,王晨冰,赵秀梅,王发林
《核农学报》 2018年第07期
《核农学报》2018年第07期文献

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