不同施肥處理對紐荷爾臍橙根系生長及土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

朱婧 李倩磊 郭等等 管冠

摘要：紐荷爾臍橙是贛南地區(qū)臍橙的主栽品種，多種植于土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低的山地丘陵。長期以來，為保持贛南臍橙的高產(chǎn)，化學(xué)肥料的大量施用使得贛南地區(qū)果園土壤問題逐漸顯現(xiàn)。設(shè)計(jì)盆栽試驗(yàn)研究紐荷爾臍橙根系生長、土壤酶活性與微生物多樣性對不同施肥處理的響應(yīng)過程，設(shè)置不施肥、單施有機(jī)肥、80%有機(jī)肥和20%復(fù)合肥、60%有機(jī)肥和40%復(fù)合肥、40%有機(jī)肥和60%復(fù)合肥、20%有機(jī)肥和80%復(fù)合肥、單施復(fù)合肥等7種處理。研究結(jié)果表明，20%有機(jī)肥和80%復(fù)合肥處理的臍橙根尖數(shù)相比于CK增加了0.86倍，同時(shí)其脲酶活性也最高，與CK相比提高約3.1倍;而單施復(fù)合肥則更有利于土壤中性磷酸酶活性增加，相比CK提高1.17倍。所有施肥處理的土壤微生物功能多樣性均顯著高于對照，其中60%有機(jī)肥和40%復(fù)合肥的土壤微生物功能多樣性最優(yōu)，相比于CK增加0.67～1.13倍。說明有機(jī)肥與復(fù)合肥配施有利于臍橙根系生長與土壤生物學(xué)性質(zhì)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：根際土壤;紅壤;微生物功能多樣性;臍橙;施肥

中圖分類號： S666.406 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）10-0096-06

贛州地區(qū)的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候十分適合臍橙生長，贛南臍橙被譽(yù)為中華名果[1]。目前當(dāng)?shù)匾约~荷爾為主栽臍橙品種，該品種的栽種面積占總面積的88%，其他品種則只占了12%[2]。長期以來，為保持贛南臍橙的高產(chǎn)，化學(xué)肥料的大量施用使得贛南地區(qū)果園土壤退化問題逐漸顯現(xiàn)[3]。

作物產(chǎn)量和品質(zhì)的獲得通常來源于礦質(zhì)營養(yǎng)的合理供應(yīng)，而土壤礦質(zhì)營養(yǎng)的合理供應(yīng)則主要依賴于土壤的肥力水平。相關(guān)研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施可以通過有機(jī)肥中有機(jī)碳的添加而影響土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響有效養(yǎng)分的供應(yīng)，而土壤氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)也與土壤有機(jī)碳源的輸入密不可分[4]。另外，植物根系的生長狀況也直接決定了植物對土壤養(yǎng)分的吸收效率[5-7]。一般認(rèn)為，肥料施用有助于促進(jìn)植物根系的生長延伸，且與環(huán)境因素關(guān)系密切[8-9]，根際一般是指根土界面5 mm范圍內(nèi)的微區(qū)土壤，承載著植物-土壤-微生物互作的空間[10]。根際微生物直接參與土壤有機(jī)碳礦化，在土壤肥力形成及植物營養(yǎng)吸收過程中的作用不可替代[11-12]。相關(guān)研究指出，根際微生物群落的宏基因組可以看作是植物體的第二基因組，不僅反映土壤生物活性水平，也直接影響植物對于土壤養(yǎng)分的吸收利用，并對土壤根際生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的影響[13]。

相關(guān)研究人員圍繞土壤酶活性開展了大量工作。有報(bào)道稱，化肥與菜籽餅配施處理的茶園土壤酶活性顯著高于單施化肥處理[14];圍繞油茶的研究結(jié)果也表明，生物有機(jī)肥提高土壤脲酶活性的效果最佳[15];于鎮(zhèn)華等研究結(jié)果表明，化肥施用量過大會(huì)降低農(nóng)田黑土所有土層的過氧化氫酶活性[16]。穩(wěn)定的果園土壤微生物功能多樣性有利于土壤酶活性的維持，也是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果園的共性特征，平均顏色變化率（average well colour development，簡稱AWCD）可以有效地反映土壤微生物的代謝活力[17]。崔佩佩等認(rèn)為，長期配施磷鉀肥將顯著增強(qiáng)高粱根際微生物的代謝活性，且其微生物種類及優(yōu)勢度指數(shù)也同時(shí)增加[18]。張恩平等研究結(jié)果表明，有機(jī)肥配施氮磷肥處理的番茄根際土壤微生物功能多樣性較高[19]。而水稻采用有機(jī)肥與磷肥配施也有利于豐富土壤微生物多樣性[20-21]。

前人針對不同施肥處理對各種植物的根系生長及土壤酶活性和土壤微生物多樣性的影響開展大量研究，但針對贛南臍橙果園土壤特別是根際土壤方面的相關(guān)研究還相對較少。本研究以贛南臍橙果園的酸性紅壤為對象，采用清耕模式設(shè)計(jì)盆栽試驗(yàn)，分析不同施肥處理對紐荷爾臍橙根系生長狀況、根際和非根際土壤酶活性、土壤微生物功能多樣性的影響。研究結(jié)果將有助于明確不同復(fù)合肥和有機(jī)肥比例對贛南臍橙根際土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響，對于維持贛南地區(qū)臍橙果園土壤的可持續(xù)利用能力，提高贛南臍橙植株礦質(zhì)營養(yǎng)利用率及果實(shí)品質(zhì)等都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2019年1月開始在贛南師范大學(xué)溫網(wǎng)室開展。贛南師范大學(xué)位于江西省贛州市中部（25°47′N、114°52′E），本試驗(yàn)以贛南師范大學(xué)試驗(yàn)園區(qū)的紅壤為供試土壤（原始土壤pH值為5.92，有機(jī)質(zhì)含量為7.95 g/kg，堿解氮含量為21.72 mg/kg，速效磷含量為5.40 mg/kg，速效鉀含量為97 mg/kg），盆栽苗木以2年生枳殼為砧木，嫁接紐荷爾臍橙，1年生紐荷爾臍橙苗木為植物樣本。用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)盆栽試驗(yàn)，用直徑35 cm、深20 cm的塑料桶裝土7 kg/桶，管理模式同大田管理。共設(shè)置7個(gè)處理，以CK為對照組，T1～T6為試驗(yàn)組。施用的復(fù)合肥為15%-15%-15%（氮、磷、鉀含量），購自深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司;有機(jī)肥為腐熟的干雞糞，購自山東棗莊滕州姜屯工業(yè)園區(qū)。全氮含量為2.08%，堿解氮含量為549.73 mg/kg，全磷含量為1.94%，速效磷含量為109.50 mg/kg，全鉀含量為1.19%，速效鉀含量為1 105 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為44.73%，根據(jù)常規(guī)管理施肥量以1 kg土壤施用0.77 g氮為100%復(fù)合肥總氮量的基準(zhǔn)，用過磷酸鈣和硫酸鉀調(diào)節(jié)補(bǔ)充，有機(jī)肥作為基肥，每月月初采樣前施加復(fù)合肥，設(shè)置不同施肥處理，不同施肥處理復(fù)合肥與有機(jī)肥比例見表1。

1.2 測定方法

1.2.1 根系生長參數(shù) 采集經(jīng)不同施肥處理6個(gè)月后的根系，用Epson數(shù)字掃描儀（Expression 10000XL1.0）掃描，分析采用WinRHIZO圖像分析軟件。

1.2.2 土壤酶活性 土壤脲酶活性的測定采用靛酚藍(lán)比色法[22];過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[23];蔗糖酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[24];中性磷酸酶活性的測定，采用PNPP法[25]。

1.2.3 土壤微生物功能多樣性 采用Biolog Eco微平板法測定土壤微生物功能多樣性[26]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

利用Microsoft Excel 2007計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用Sigmaplot 12.5軟件作圖，利用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對紐荷爾臍橙根系生長的影響

從表2可以看出，有機(jī)肥和復(fù)合肥混施效果總體上優(yōu)于單施有機(jī)肥或復(fù)合肥。在施肥6個(gè)月后，與CK比較，各試驗(yàn)組的根尖數(shù)、平均直徑分別增加22.0%～85.8%、3.33%～172.22%;與試驗(yàn)組相比，CK根總長長70.4%、51.1%、59.4%、31.2%、26.5%、74.2%。由此可以發(fā)現(xiàn)，不施肥會(huì)使其根系向下生長更明顯，但根尖數(shù)較少，根系并不發(fā)達(dá)。隨著復(fù)合肥施用量的增加，T2～T5處理根總長、根表面積、平均直徑、根體積和根尖數(shù)呈上升趨勢;與T1和T6相比，其根總長分別增加6.9%～34.7%和9.3%～37.7%，而T5處理的根表面積、平均直徑、根體積和根尖數(shù)均高于其他處理，分別增加5.3%～46.4%、12.4%～163.4%、12.3%～104.4%和 1.9%～52.2%。

2.2 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同施肥處理對根際土壤酶活性的影響 在根際土中，施肥能顯著提高根際土壤脲酶活性。其中T5處理提升效果最佳，與對照相比提高了 2.3～3.3倍;除T5處理外，其他施肥處理明顯提高了過氧化氫酶活性， 其中T3處理提高效果最佳，相比其他施肥處理提高了25.8%～88.7%;在試驗(yàn)前期，T1、T6處理的蔗糖酶活性較高，相比CK分別提高23.5%、20.6%（圖1-A）。值得注意的是，試驗(yàn)初期（2月），施肥處理的根際土壤中性磷酸酶活性均顯著低于CK處理，其中T6最低，與CK相比降低了53.4%;而在試驗(yàn)后期（6月），T4、T5和T6處理的根際土壤中性磷酸酶活性升高，處理間差異不顯著，但處理組均顯著高于CK（圖1-D）。

2.2.2 不同施肥模式對非根際土壤酶活性的影響 在非根際土中，施肥處理的土壤過氧化氫酶活性相比對照均有顯著提升。除T4處理外，其他施肥處理的土壤脲酶活性與CK相比提高了0.14～1.52倍（圖2-A、圖2-B）。而非根際土壤的中性磷酸酶活性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢（圖2-D）。非根際土壤過氧化氫酶活性在試驗(yàn)前期較高，之后下降并趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)前期，T2處理蔗糖酶活性最高，與CK相比提高了0.20倍，T3～T6處理與CK相比較差異不顯著;在試驗(yàn)后期，T4～T6處理的蔗糖酶活性普遍升高（圖2-C）。

2.3 不同施肥處理對土壤微生物功能多樣性的影響

2.3.1 根際土壤微生物功能多樣性 2019年2、6月所采根際土壤中的微生物多樣性見表3、表4。

在根際土中，經(jīng)施肥處理后，試驗(yàn)組的平均顏色變化率（AWCD）值顯著高于對照組，表明肥料施用有利于提升根際土壤的微生物功能多樣性，其中T3處理的根際土壤微生物功能多樣性最大，相比于CK增加了1.31倍（6月樣品處理后120 h）。而在所有施肥處理中，T1的AWCD值最低，其中2月樣品T3處理比T1處理提高了49.3%，6月樣品提高了90.5%（120 h），有機(jī)肥和復(fù)合肥配施相比單施有機(jī)肥或復(fù)合肥更有利于土壤微生物功能多樣性的提高。

2.3.2 非根際土壤微生物功能多樣性 2019年2、6月非根際土樣所測土壤微生物多樣性見表5、表6。

在試驗(yàn)前期，施肥處理對非根際土壤微生物功能多樣性影響并不明顯;而在試驗(yàn)后期，施肥處理對非根際土壤微生物功能多樣性的影響逐漸顯著。其中，T3、T4處理的土壤AWCD值較高，在試驗(yàn)前期（2月）T4處理的非根際土壤AWCD值最大，T3處理次之，與CK相比分別增加0.72、0.69倍;在試驗(yàn)后期（6月），T3處理的非根際土壤AWCD值最大，T4處理次之，與CK相比分別增加了0.79、0.65倍（表5、表6）。

3 討論與結(jié)論

植物根系承擔(dān)包括水分和養(yǎng)分吸收及機(jī)械固定的功能，同時(shí)也是植物與根際環(huán)境建立相互關(guān)系的紐帶，因此根系結(jié)構(gòu)會(huì)對養(yǎng)分及水分的吸收產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[27-28]。本試驗(yàn)中不施肥處理的紐荷爾臍橙在生長發(fā)育過程中為了攝取更豐富的土壤養(yǎng)分，會(huì)促使根伸長[29]，但其根尖數(shù)較少，根系并不發(fā)達(dá);在復(fù)合肥施用比例較大條件下，臍橙根總長、根表面積等隨著其比例增大而增大[30]。這時(shí)土壤養(yǎng)分豐富，臍橙通過增加根尖數(shù)可以更好地吸收養(yǎng)分;但當(dāng)單施復(fù)合肥時(shí)又會(huì)降低，有機(jī)肥和無機(jī)肥配施能夠提升根系生長指標(biāo)，優(yōu)化土壤物理學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)微生物代謝的同時(shí)也有利于根部的生長[31]。

施肥處理的土壤脲酶活性均比CK高，說明增施肥料有利于提升贛南紅壤土壤脲酶活性[32]，隨著施肥處理時(shí)間延長，脲酶活性都有所增加，但T4處理活性下降，這可能與春季多雨從而產(chǎn)生土壤礦質(zhì)元素的淋失作用有關(guān)。在所有施肥處理中，T5處理（復(fù)合肥占80%）的根際土壤脲酶活性最高，可能是因?yàn)閺?fù)合肥提高了土壤有效氮含量[33]。另外，研究結(jié)果表明，在肥料施用初期土壤過氧化氫酶活性發(fā)生了下降，其原因可能是由于不同的施肥措施在試驗(yàn)初期影響了土壤大量元素的分布，破壞了原有的土壤生態(tài)，使得短時(shí)間內(nèi)土壤酶活性產(chǎn)生了較大的波動(dòng)[34]。蔗糖酶與有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[35]，本試驗(yàn)中根際土的蔗糖酶活性中表現(xiàn)為CK每月變化非常微小，在試驗(yàn)前期，T1、T2、T3處理施肥顯著提升蔗糖酶活性，在試驗(yàn)后期，T4、T5、T6處理的蔗糖酶活性最佳。復(fù)合肥和有機(jī)肥配施及單施有機(jī)肥增加了酶反應(yīng)底物，使得蔗糖酶活性提高。而與非根際土相比，根際區(qū)域碳元素代謝旺盛，根際土的蔗糖酶活性明顯較大[36]。在試驗(yàn)后期，根際土壤中性磷酸酶活性較高;在非根際土中，中性磷酸酶活性峰值則集中在T1、T6處理，對其他處理的酶活性影響則相對較小，表明臍橙根際土壤的中性磷酸酶活性對肥料的施用相比非根際土壤更為敏感[37]，可能是有機(jī)肥復(fù)合肥配施后非根際區(qū)域中離子濃度過高，影響了中性磷酸酶活性。非根際土的脲酶和中性磷酸酶土壤酶活性呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，可能與試驗(yàn)所在地春季降水量偏多，土壤通氣性變差，微生物活性受抑制有關(guān)。

AWCD值表征微生物功能多樣性，本試驗(yàn)中無論是根際土還是非根際土，各試驗(yàn)組的AWCD值均高于CK，表明有機(jī)肥和復(fù)合肥配施處理的微生物功能多樣性優(yōu)于單施有機(jī)肥和復(fù)合肥，這與土壤有機(jī)質(zhì)增加及土壤性狀改良有關(guān)，土壤微生物生境得到了改善，其種類數(shù)量和功能都愈發(fā)豐富[38-39]。對比根際土和非根際土發(fā)現(xiàn)，根際土的微生物多樣優(yōu)于非根際土的微生物多樣性，這可能是因?yàn)橹参锔岛椭参餁報(bào)w給根際土壤微生物提供了適宜生長的場所與物質(zhì)來源，植物向根際土壤分泌的碳水化合物越多，根際微生物對碳底物利用的能力便越強(qiáng)[40]。但當(dāng)施肥6個(gè)月后，試驗(yàn)組的AWCD值會(huì)低于施肥處理2個(gè)月后的，經(jīng)推測可能是紐荷爾臍橙在生長過程吸收大量的養(yǎng)分，造成土壤中養(yǎng)分不足，限制了土壤微生物的生長。

本研究結(jié)果表明，施肥會(huì)增加根系的根尖數(shù)，使根部更發(fā)達(dá)，有助于提升贛南臍橙土壤酶活性。相比非根際土壤，根際土壤的蔗糖酶活性對于施肥更為敏感。而有機(jī)肥和復(fù)合肥混施可以顯著提高紐荷爾臍橙土壤微生物功能多樣性，根際土壤的微生物功能多樣性也更為豐富。

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