黃 萍 紀(jì) 拓 岳松青 李 萍 荀 咪 曹 輝 楊洪強(qiáng)
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安 271018)
土壤是果樹栽培的基礎(chǔ),“氣”是構(gòu)成土壤肥力的四大要素之一。土壤黏重、緊實(shí)度大、孔隙度小以及積水等常導(dǎo)致土壤通氣性變差、氧氣含量不足等問題出現(xiàn),進(jìn)而影響土壤微生物代謝、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,抑制根系有氧呼吸,限制對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收利用,不利于植物健康生長(zhǎng)以及作物產(chǎn)量形成[1-2]等。耕翻松土、黏土摻沙和加氧灌溉等措施可改善農(nóng)田土壤通氣狀況[2-3],施用生物炭能夠增強(qiáng)土壤通氣性[4]。土壤鉆孔可明顯改善草坪土壤通氣性,提高土壤微生物活性,促進(jìn)土壤有機(jī)物分解以及根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[5]。氮素是限制植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的首要因素,氮素代謝需要呼吸產(chǎn)生的能量,呼吸離不開氧氣,因此,土壤鉆孔在影響土壤通氣性、增強(qiáng)土壤含氧量的同時(shí),必然影響土壤氮素代謝。
硝酸鹽易被吸收利用也易隨水流失,在土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶等的作用下可轉(zhuǎn)化為氮氧化物,或者通過異化還原成銨態(tài)氮(NH4+),或者最終形成氮?dú)猓∟2)而逸散[6]。果樹枝條和作物秸稈是典型的農(nóng)業(yè)廢棄物,將果樹枝條制成發(fā)酵果木屑,施入土壤可降低土壤容重,促進(jìn)根系生長(zhǎng)[7];秸稈還田能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,改良土壤結(jié)構(gòu),增加速效養(yǎng)分含量,提高土壤氮素有效性[8];將秸稈等轉(zhuǎn)化成生物炭施入土壤,能夠降低土壤容重,增加土壤持水量,減少氮氧化物排放[9-10],這些有機(jī)物通過影響?zhàn)B分組成等土壤理化性狀直接或間接地影響了土壤硝酸鹽代謝,進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。但在常規(guī)應(yīng)用中,無論是作物秸稈、生物炭或發(fā)酵果木屑等均被埋在土壤淺層、壓在底層或覆蓋在土壤表層,目前很少有將它們垂直施入土壤的應(yīng)用,也不清楚它們對(duì)土壤硝酸鹽代謝以及對(duì)果樹光合、蒸騰等影響的差異性。在鉆孔改善土壤通氣性的條件下,本研究擬將土壤鉆孔通氣和施用有機(jī)物料結(jié)合起來,即在根區(qū)土壤鉆出深而窄的垂直小孔后,分別向孔內(nèi)施入玉米秸稈、果樹枝、生物炭和發(fā)酵果木屑,探討垂直施有機(jī)物對(duì)土壤硝酸鹽代謝和蘋果葉片光合速率、蒸騰速率、水分利用效率及植株生長(zhǎng)的影響,明確土壤鉆孔與施用有機(jī)物相結(jié)合的效果和作用特點(diǎn),以期為蘋果根區(qū)土壤管理提供參考。
試驗(yàn)于2015年11月—2016年9月在山東省高校果樹生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)的果樹試驗(yàn)站進(jìn)行。供試植株為2012年春季栽培于蘋果根窖樹穴中的紅富士蘋果(砧木為平邑甜茶Malus hupehensis Rehd.)。根窖是一種根系觀察系統(tǒng),即在地面挖深3.5 m、寬3.0 m的壕溝,在溝面上每間隔2.0 m挖長(zhǎng)1.4 m、寬1.2 m、深2.5 m樹穴,樹穴靠壕溝的一側(cè)為玻璃面,樹穴內(nèi)填滿土,壕溝用水泥澆注封頂,壕溝內(nèi)處于黑暗狀態(tài)。根窖樹穴內(nèi)土壤為褐土,pH 6.9,有機(jī)質(zhì)9.8 g·kg-1,全氮1.26 g·kg-1,堿解氮81.20 mg·kg-1,全磷1.01 g·kg-1,有效磷60.34 mg·kg-1,全鉀12.65 g·kg-1,速效鉀116.50 mg·kg-1。
2015年秋季(11月10日)從上述材料中選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株,參照專利“果園土壤通氣施肥方法”[11]進(jìn)行垂直孔施有機(jī)物處理,即在每株樹四個(gè)方向(東西南北)距樹干50 cm的土壤處,用上海本田GX-390型汽油機(jī)改裝的土壤鉆孔機(jī)均勻鉆四個(gè)孔,每孔直徑15 cm、深度50 cm;以單株為單位,分別將玉米秸稈(Corn stalk,CS)、果樹枝(Fruit tree branches,F(xiàn)TB)、生物炭(Biochar,BC)和發(fā)酵果木屑(Fermented sawdust of fruit tree branches,F(xiàn)FB)填入四個(gè)孔內(nèi)。玉米秸稈和果樹枝被截成55 cm長(zhǎng),按照每4~5根一束垂直插到孔的底部,用園土填滿縫隙,玉米秸稈和果樹枝露出地面5 cm;生物炭和發(fā)酵果木屑分別與園土按照1:1比例混合后填滿每株樹的四個(gè)孔,孔口不覆土;以每株樹鉆四個(gè)孔后回填土壤為對(duì)照(CK)。每5棵樹為一個(gè)處理單位,重復(fù)三次。生物炭是將玉米秸稈洗凈、風(fēng)干、粉碎后在600℃下厭氧加熱制成;發(fā)酵果木屑是將蘋果枝干粉碎為粒徑0.5~1 cm的顆粒,經(jīng)過127℃、0.25 MP壓力下處理后拌入EM(有效微生物群,Effective microorganisms)發(fā)酵40 d而成。四種有機(jī)物養(yǎng)分含量等基本性狀見表1。
為使各處理及與對(duì)照間的有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分含量相近,設(shè)置試驗(yàn)時(shí)根據(jù)所試有機(jī)物養(yǎng)分含量及用量向處理及對(duì)照各孔內(nèi)分別施入一定量的肥料,其中,CS各孔施入82 g尿素和109 g磷酸二氫鉀,F(xiàn)TB各孔施入93 g尿素、175 g磷酸二氫鉀和123 g硫酸鉀;BC各孔施入90 g尿素、151 g磷酸二氫鉀和119 g硫酸鉀;FFB各孔施入91 g尿素、154 g磷酸二氫鉀和124 g硫酸鉀;CK(對(duì)照)各孔施入800 g有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)含量450.0 g·kg-1、N+P2O5+K2O總含量50.00 g·kg-1)、61 g尿素、113 g磷酸二氫鉀和22 g硫酸鉀。施肥后測(cè)定顯示:每孔內(nèi)全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量在CS處理中分別為6.00、5.65、5.33和51.39 kg·m-3,在FTB處理中分別為6.04、5.56、5.16和51.74 kg·m-3,在BC處理中分別為6.00、5.05、5.67和51.87 kg·m-3,F(xiàn)FB處理分別為6.04、4.99、5.57和51.61 kg·m-3,對(duì)照(CK)中分別為6.06、5.67、5.13和51.81 kg·m-3。
處理后第6個(gè)月(在2016年5月4日,前后5天的平均氣溫為20.7℃)和第10個(gè)月(2016年9月20日,前后5天的平均氣溫為20.4℃)取樣測(cè)定。取樣時(shí)刮掉孔周邊的表層浮土,用洛陽鏟在距孔壁10 cm處挖取0~20 cm層土壤,剔除雜物、混勻,裝入自封袋中,放入帶有冰塊的保溫瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室置于4℃冰箱內(nèi)待測(cè)。9月20日土壤取樣前測(cè)定葉片葉綠素相對(duì)含量、新梢粗度和長(zhǎng)度、光合蒸騰參數(shù)以及孔內(nèi)距地表20 cm和40 cm處的土壤含水量
土壤硝化和反硝化強(qiáng)度的測(cè)定參照文獻(xiàn)[12]:稱取10 g新鮮土壤,置于三角瓶中,加入培養(yǎng)液,并用帶孔的橡皮塞(或脫脂棉)塞住,置于水浴恒溫振蕩器上振蕩、過濾,分析濾液中的硝態(tài)氮含量,每次取樣后補(bǔ)足培養(yǎng)液。用培養(yǎng)前后濃度的變化來計(jì)算土壤硝化強(qiáng)度(以1 kg烘干填料在1 h內(nèi)產(chǎn)生的量(mg)表示)。測(cè)定土壤反硝化強(qiáng)度時(shí)用培養(yǎng)液替換培養(yǎng)液,培養(yǎng)液由0.2 mol·L-1磷酸二氫鉀溶液、0.2 mol·L-1磷酸氫二鉀溶液、0.03 mol·L-1硝酸鉀溶液和0.02 mol·L-1葡萄糖按體積比3︰7︰30︰10配制而成,其他同土壤硝化強(qiáng)度測(cè)定。土壤硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)活性以及土壤銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮含量測(cè)定參照文獻(xiàn)[13-14]進(jìn)行。堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別用擴(kuò)散皿法、NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定;全氮、全磷、全鉀含量采用H2SO2-H2O2消煮后分別用凱氏定氮儀(K9860,濟(jì)南海能)、分光光度計(jì)(UV-5200,上海元析)和火焰光度計(jì)(F-300,上海元析)測(cè)定;有機(jī)碳含量采用總有機(jī)碳分析儀(Elab-TOC,江蘇埃蘭)測(cè)定。
葉片光合、蒸騰參數(shù)在上午9時(shí)選枝條中部功能葉,用便攜式光合儀(CIRAS-2,PP Systems,美國(guó))測(cè)定;水分利用效率(WUE)由葉片凈光合速率(Pn)除以對(duì)應(yīng)的蒸騰速率(Tr)得出。葉綠素相對(duì)含量用葉綠素測(cè)定儀(SPAD-502PLUS,Spectrum,美國(guó))測(cè)定;土壤含水量用土壤水分速測(cè)儀(TZS-1K,浙江托普)測(cè)定。
數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007和DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行,多重比較采用Tukey(圖基)法(α=0.05)。
由圖1可見,無論處理6個(gè)月還是10個(gè)月,垂直孔施玉米秸稈和發(fā)酵果木屑后,土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度均顯著提高;在處理10個(gè)月時(shí),玉米秸稈使土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度分別提高52.68%和45.81%,發(fā)酵果木屑使土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度分別提高45.55%和35.44%。在垂直孔施生物炭6個(gè)月和10個(gè)月時(shí),土壤硝化強(qiáng)度均顯著提高,而反硝化強(qiáng)度僅在施生物炭6個(gè)月時(shí)顯著提高。垂直孔施果樹枝在處理6個(gè)月時(shí)對(duì)土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度的影響不明顯,在處理10個(gè)月時(shí)使土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度分別提高18.88%和27.06%,差異顯著。
由圖2可知,無論在處理后6個(gè)月還是10個(gè)月,垂直孔施玉米秸稈、生物炭和發(fā)酵果木屑均顯著提高土壤NR和NiR活性,其中,垂直孔施玉米秸稈在6個(gè)月時(shí)土壤NR和NiR活性提高幅度最大(分別提高46.43%、18.02%),而垂直孔施發(fā)酵果木屑在10個(gè)月時(shí)土壤NR和NiR活性提高幅度最大(分別提高48.00%、9.30%)。垂直孔施果樹枝在6個(gè)月時(shí)降低土壤NiR活性,在10個(gè)月時(shí)提高土壤NiR活性而降低NR活性。
圖1 垂直孔施有機(jī)物處理下根區(qū)土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度Fig. 1 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil nitrification and denitrification intensities
圖2 垂直孔施有機(jī)物處理下土壤硝酸還原酶和亞硝酸還原酶Fig. 2 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil NR and NiR activities
由圖3可知,在處理6個(gè)月時(shí),垂直孔施玉米秸稈、果樹枝、生物炭和發(fā)酵果木屑均降低了土壤銨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量,而使硝態(tài)氮含量顯著提高,提高幅度分別為144.9%、28.36%、71.95%和102.1%。處理10個(gè)月時(shí),垂直孔施四種有機(jī)物均使土壤亞硝態(tài)氮含量降低,而使硝態(tài)氮含量顯著提高,提高幅度分別為39.18%、18.23%、10.38%、25.65%;垂直孔施玉米秸稈、果樹枝和發(fā)酵果木屑后,土壤銨態(tài)氮含量均顯著提高,三者使銨態(tài)氮含量的提高幅度分別為41.41%、27.44%和21.60%。
由圖4可知,垂直孔施有機(jī)物6個(gè)月后,玉米秸稈、生物炭和發(fā)酵果木屑均顯著提高了孔內(nèi)20 cm和40 cm處的土壤相對(duì)含水量(SRWC),其中,玉米秸稈處理最顯著,分別提高了26.70%、13.90%;果樹枝處理僅提高了孔內(nèi)40 cm處的SRWC。
處理10個(gè)月后,垂直孔施4種有機(jī)物均明顯降低了孔內(nèi)20 cm處SRWC而明顯提高了40 cm處的SRWC,孔內(nèi)20 cm處的SRWC由低至高以及40 cm處的SRWC由高至低均依次是玉米秸稈、果樹枝、生物炭和發(fā)酵果木屑處理??梢?,玉米秸稈對(duì)孔內(nèi)SRWC的作用效果最顯著,它使孔內(nèi)20 cm 處的SRWC降低了15.2%,使孔內(nèi)40 cm處的SRWC提高了7.80%(圖4)。
圖3 垂直孔施有機(jī)物處理下土壤無機(jī)氮含量Fig. 3 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil inorganic nitrogen content
圖4 垂直孔施有機(jī)物處理下孔內(nèi)20 cm和40 cm土壤相對(duì)含水量Fig. 4 Effects of organic materials applied into vertical holes on soil water content at 20 and 40 cm in the hole
由表2可以看出,垂直孔施四種有機(jī)物均提高了葉綠素相對(duì)含量、新梢粗度和新梢長(zhǎng)度,其中,玉米秸稈使新梢粗度提高幅度最大(達(dá)17.19%),其次是果樹枝和發(fā)酵果木屑,它們使新梢粗度分別提高14.06%、7.81%,而生物炭?jī)H使新梢粗度提高5.47%。使新梢長(zhǎng)度提高程度最大的也是垂直孔施玉米秸稈,提高幅度為11.63%,其次是果樹枝和生物炭,提高幅度分別為7.68%、5.79%。
由表3可以看出,垂直孔施四種有機(jī)物后,葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率均有不同程度的提高,其中,玉米秸稈使葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率的提高幅度最大,分別達(dá)57.32%、22.22%、29.12%;生物炭使葉片凈光合速率和蒸騰速率的提高程度僅次于玉米秸稈,其次是果樹枝。果樹枝和生物炭使葉片水分利用效率的提高幅度相近,均介于玉米秸稈和發(fā)酵果木屑之間。
表2 垂直孔施有機(jī)物對(duì)蘋果葉綠素、新梢粗度和長(zhǎng)度的影響Table 2 Effects of organic materials applied into vertical holes on chlorophyll, diameter and length of new shoots of apple trees
表3 垂直孔施有機(jī)物對(duì)蘋果葉片凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率的影響Table 3 Effects of organic materials applied into vertical holes on Pn, Tr and WUE of apple leaves
硝化—反硝化作用是自然界氮素循環(huán)的重要環(huán)節(jié),硝化作用需要較充足的氧氣,反硝化作用在無氧或缺氧條件下較容易進(jìn)行[15-16]。鉆孔為土壤氣體擴(kuò)散和交換提供通道,鉆孔后填充有機(jī)物料較填土(對(duì)照)能更好地維持地這一通道,更利于改善土壤通氣狀況,促進(jìn)好氣微生物活動(dòng),從而有利于硝化作用。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積(圖3)能為土壤硝化和反硝化細(xì)菌提供底物和能源,促進(jìn)土壤微生物代謝和有機(jī)質(zhì)分解,增強(qiáng)土壤呼吸作用,加快土壤耗氧[17],因而導(dǎo)致土壤局部產(chǎn)生厭氧微區(qū),改變微生物群落結(jié)構(gòu),使反硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)和反硝化強(qiáng)度提高,尤其是處理后10個(gè)月。因此,垂直孔施用四種有機(jī)物在提高土壤硝化強(qiáng)度的同時(shí),也相應(yīng)提高了土壤反硝化強(qiáng)度。秸稈深還田能夠提高土壤的飽和導(dǎo)水率,增強(qiáng)土壤的持水能力[18],隨著土壤水分增加,微生物硝化作用逐漸加強(qiáng)[19],同時(shí),玉米秸稈碳氮比高、易于分解,施入土壤可快速轉(zhuǎn)化,能夠?yàn)楫愷B(yǎng)微生物提供電子受體和能量,有利于硝化—反硝化微生物尤其是反硝化細(xì)菌大量繁殖[20],從而促進(jìn)了土壤反硝化作用,因而,無論在處理后6個(gè)月還是10個(gè)月,垂直孔施玉米秸稈均最顯著提高了土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度(圖1)。
單獨(dú)鉆孔能夠改善土壤通氣性,提高土壤微生物活性,促進(jìn)土壤有機(jī)物分解[5,21];生物炭施入土壤也能夠改善土壤通氣性,提高土壤微生物活性,促進(jìn)土壤有機(jī)物分解,增強(qiáng)土壤對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸持[4,22];秸稈還田可有效改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)通氣與保水能力[23]。硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)是反硝化作用過程中的重要酶,均來自土壤微生物所產(chǎn)生的活性蛋白,其活性非常容易受到土壤含氧量、溫濕度、養(yǎng)分等因素影響[24]。土壤鉆孔施入有機(jī)物料會(huì)對(duì)土壤的含氧量、溫濕度、養(yǎng)分以及土壤微生物的群落數(shù)量、活性和組成等造成一定的影響,而土壤中的NR和NiR活性也必然會(huì)受到影響,這些均會(huì)改變土壤硝化—反硝化作用,并最終影響土壤硝酸鹽代謝。
在草坪管理中已經(jīng)證明,打孔(鉆孔)可以疏松土壤,促進(jìn)土壤有機(jī)物分解,增加根系對(duì)養(yǎng)分的吸收,改善草坪質(zhì)量[5],而且土壤鉆孔可吸引根系向孔穴集中,提高大豆、小麥和玉米等作物生產(chǎn)力[27]。鉆孔的作用主要在于促進(jìn)土壤氣體交換,改善土壤滲透性,增加深層土壤蓄水量[21],從而改善土壤環(huán)境,促進(jìn)根系發(fā)育。鉆孔通氣的效果依賴于孔穴結(jié)構(gòu)的維持、孔內(nèi)填料及其分解狀況等[21],玉米秸稈和果樹枝分解需要一定時(shí)間,能較長(zhǎng)時(shí)間保持土壤孔穴的完整性,有利于改善根際氣體條件,促進(jìn)水分和養(yǎng)分吸收,提高葉片光合性能,促進(jìn)代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)和積累[28],因而也會(huì)提高蘋果葉片光合速率、水分利用效率和新梢生長(zhǎng)量(表2和表3)。此外,生物炭和發(fā)酵果木屑是粉末和顆粒狀,容易堆積沉實(shí);玉米秸稈和果樹枝與地面大氣連通,并且分解慢、能夠支撐孔穴結(jié)構(gòu),更便于氣體交換,因而整體效果也更好。
鉆孔施入四種有機(jī)物改善了孔穴內(nèi)的通氣性,使淺層土壤水分較快蒸發(fā),從而降低了孔內(nèi)淺層SRWC,使孔穴內(nèi)及其周邊淺層土壤處于輕度干旱狀態(tài),而輕度干旱有利于提高葉片WUE[29]。同時(shí),土壤鉆孔施入有機(jī)物便于水分向土壤較深層下滲,且有機(jī)物有較好的持水性,可提高孔內(nèi)及其周邊較深層SRWC;而較深層土壤水分更有利于保證果樹水分需求,改善葉片光合性能和水分利用效率[30];在四種有機(jī)物中,玉米秸稈對(duì)孔中20 cm和40 cm處的SRWC影響最顯著(圖4),因此,它對(duì)葉片光合速率和水分利用效率的提高也最顯著。
傳統(tǒng)施肥方法通常僅考慮向土壤補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),未注意土壤通氣性問題;土壤深翻熟化雖兼顧土壤結(jié)構(gòu)改良和補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),但需要對(duì)土壤進(jìn)行大規(guī)模擾動(dòng),工程量大、成本高,對(duì)根系損傷也大,不適于結(jié)果期果園、密植果園和山區(qū)果園。鉆孔施有機(jī)物采用“小型土壤鉆孔機(jī)”,操作簡(jiǎn)單、工程量低,對(duì)果樹根系損傷小,能夠增進(jìn)土壤通氣性,促進(jìn)土壤硝酸鹽代謝、增強(qiáng)葉片光合作用、提高葉片水分利用效率,有利于植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高。鉆孔施有機(jī)物用小型鉆孔機(jī)取代常規(guī)施肥時(shí)慣常采用的人工挖坑或開溝,提高了勞動(dòng)效率,減少了用工量,而且操作方便,非常適合山區(qū)果園和密植果園。
土壤垂直孔施四種有機(jī)物對(duì)土壤硝化與反硝化作用、土壤硝酸還原酶、土壤相對(duì)含水量、葉片光合與蒸騰作用、葉片水分利用效率及植株生長(zhǎng)均有不同程度的影響,其中玉米秸稈的促進(jìn)效果最顯著,它在處理第10個(gè)月時(shí),使土壤硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度分別提高52.68%和45.81%,使葉片凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率以及新梢粗度分別提高57.32%、22.22%、29.12%和17.19%。