胶园覆盖对土壤肥力及橡胶树根系活力的影响

贺军军，姚艳丽，张华林，戴小红，罗 萍

(中国热带农业科学院湛江实验站/广东省旱作节水农业工程技术中心 广东 湛江 524013)

【研究意义】橡胶园管理以改良土壤结构、提高土壤肥力，防止土壤冲刷，创造适于橡胶树根系生长的群落环境，满足对水分、养分和其他条件需求为目的，利于橡胶树根系的正常发育，进而影响橡胶树的生长和产量。在橡胶树幼龄期原有的植物群体环境被破坏，新的群体环境尚未形成，对不良环境抵抗力较差。胶园覆盖(特别是幼龄胶园)是胶园生态系统重要的生物调控措施之一[1-2]，既可抑制茅草和其它杂草，也可快速与胶树形成新的群落环境，提高对不良环境抵抗力，形成对幼龄胶树有利的生长环境。橡胶树与覆盖绿肥形成的群落环境可防止水土流失、改变土壤物理性质、改变土壤肥力、提高酶活力和微生物活性、改变胶树生长[3-13]。【前人研究进展】柱花草(StylosanthesguianensiasSW.)是多年生草本植物，株丛高60～120 cm，根系发达，适宜胶果园套种作饲料或绿肥用，是水土保持、改良土壤的优良覆盖作物，对保持生态平衡有很大的意义[14]。胶果园覆盖柱花草研究显示：由于光照、水分竞争和病害影响，中、成龄胶园不适宜覆盖柱花草，仅在幼龄胶园适宜覆盖[15-16]，幼龄胶园覆盖柱花草使橡胶园经济效益增加11.71 %[17]，明显改善火龙果果园土壤物理性状，增加土壤有机质、全氮和碱解氮含量等[18]。柱花草覆盖对胶果园生态适应性、土壤理化性质和效益等方面的研究多为短期覆盖试验结果，覆盖柱花草多年的研究及对橡胶树根系生长的影响报道较少。【本研究切入点】本研究覆盖柱花草6年后胶园土壤肥力、土壤酶活性和胶树根系分布等进行调查，分析覆盖柱花草多年后胶园土壤养分和根系分布特征，【拟解决的关键问题】为科学合理地建立胶园覆盖柱花草复合系统奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验区建在广东省南华农场3队2008年7月种植的橡胶园，胶园为平坦长方形状，土壤是玄武岩发育的砖红壤，橡胶树种植品种为热研7-33-97，种植规格为株距×行距=4 m×6 m，在距橡胶树行1 m的行间覆盖热研5号柱花草。橡胶树每年施肥3～4次，施肥位置在橡胶树种植行的树冠垂直投影到地面的位置，分别在植株2侧轮换施肥，施肥坑为长×宽×深=50 cm×30 cm×40 cm；除柱花草覆盖区，其余区域保持表面无杂草生长。

试验区概况：广东省南华农场地处雷州半岛南端的徐闻县中部，地理坐标为北纬20°20′58″～20°28′47″、东经110°08′32″～110°16′10″，属于缓坡地形，海拔50～170 m；属于南亚热带季风气候，高温多雨多风、雨季来临较迟，冬春干旱季节长，雨量集中，干湿季分明；年平均气温22.7 ℃，5-8月为高温期，平均温度27.4 ℃，12月至翌年2月为低温期，平均温度16.4 ℃；平均降雨量1600 mm左右，年蒸发量1600 mm左右，常风2～3级，夏秋期间台风频繁。土壤绝大部分为玄武岩砖红壤，风化程度深、土层厚、土质黏重。从2008年试验区建立后，覆盖区与未覆盖区在2012-2014年间土壤有机质含量不断提高、速效钾含量极显著升高(表1)。

覆盖材料：热研5号柱花草(Stylosanthesguianensiscv.Reyan No.5)，为多年生直立草本，适于我国热带、南亚热带地区种植，耐干旱、耐酸性贫瘠土；既可作为建植人工草地和改良天然草地的主要牧草品种，又可在林果园种植保持水土。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 在当年种植的橡胶树行间覆盖柱花草(Z)、以保持干净无杂草为对照(CK)；覆盖柱花草距橡胶树种植行1 m的距离不覆盖；覆盖柱花草种植后，保持柱花草自然生长与凋落。

1.2.2 样品采集与指标分析 试验区土壤样品采集采用多点取样法，挖坡面采集不同土层样品，同层混合装袋，带回实验室处理备用。根系采集采用挖掘法，取1 m3内不同土层土壤中的根系，洗净晾干表面水分备用。

土壤指标参照鲍士旦主编的《土壤农业化学分析》中的相关方法测定[18]，土壤酶活性参照李振高等主编的《土壤与环境微生物研究法》中的相关方法测定[19]。根系采用Microtek ScanMaker i800进行扫描，根系分析系统CXY-A进行根系分析。

表1 2012-2014年试验区土壤肥力状况

1.2.3 数据分析 试验数据应用Excel 2016软件进行整理分析、作图和方差分析，应用SPSS Statistics 17.0软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 覆盖柱花草后土壤环境与肥力状况

2.1.1 土壤水分与容重 由图1可以看出，不覆盖的胶园土壤含水量基本随着土层的加深在提高，表层土壤水分含量最低；覆盖柱花草后土壤含水量在10～20 cm土层最低，0～10 cm土层土壤含水量升高，比不覆盖的高1.36 %、增幅6.13 %，其余土层覆盖与不覆盖水分含量基本一致。这是由于土壤调查时处于雨季，降雨量比较多、且光照强、蒸发量大，覆盖柱花草减少了地表蒸发，保持了土壤表层水分。

由图2可以看出，不覆盖的胶园0～10 cm土层土壤容重低于其它深层土壤容重，其余3个层次的土壤容重为1.14 g·cm-3。覆盖柱花草胶园从表层到深层先升高后下降，10～20 、20～30 cm土层土壤容重高于0～10 、30～40 cm土层的；覆盖柱花草对10～20 、20～30 cm土层土壤容重比30～40 cm(与不覆盖深层容重一致为1.14 g·cm-3)分别提高了4.58 %和7.54 %。与不覆盖相比，覆盖柱花草对0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm土层土壤容重分别提高了6.74 %、5.58 %、7.72 %和0.35 %，在20～30 cm土层达到显著差异。

2.1.2 土壤酶活性 土壤转化酶存在于所有土壤中，能酶促蔗糖分子中果糖残基内的β-葡萄糖苷碳原子处的键裂解，使蔗糖水解成还原己糖。由图3可以看出，土壤转化酶活性随着土层的加深而降低，覆盖柱花草比不覆盖的降低幅度小，覆盖与不覆盖柱花草0～10 cm土层土壤酶活性分别是10～20、20～30、30～40 cm土层的1.83、2.70、3.44倍与2.31、3.16、5.18倍。覆盖柱花草提高了土壤转化酶活性，差异不显著，0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层提高幅度分别为84 %、131 %、114 %和177 %。土壤转化酶活性增强，表征土壤熟化程度和肥力水平的提高。由此可以看出，随着土壤层次的加深、土壤熟化程度在降低；覆盖柱花草促进了土壤的熟化，对加速深层土壤的熟化作用意义更大。

图1 覆盖柱花草不同土层土壤水分含量Fig.1 Soil water content in different layers covering with Stylosanthes

土壤脲酶活性随着土层的加深而降低，覆盖柱花草与不覆盖的降低的幅度基本一致，0～10 cm土层土壤酶活性分别是10～20、20～30、30～40 cm土层的1.18、1.29、1.50倍与1.13、1.20、1.25倍。覆盖柱花草提高了不同土层土壤转脲酶活性，10～20和20～30 cm土层显著提升，0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层提高幅度分别为84 %、131 %、114 %和177 %。土壤脲酶是一种高度专一的酶，酶促尿素的水解。因此，覆盖柱花草提高了土壤脲酶活性、加速了N素的转化与利用。

土壤酸性磷酸酶活性随着土层的加深而降低，20～30、30～40 cm土层酶活性相差很小，覆盖柱花草比不覆盖的降低幅度小， 0～10 cm土层土壤酸性磷酸酶活性分别是10～20、20～30、30～40 cm土层的3.09、4.68、4.63倍与2.40、4.57、5.00倍。覆盖柱花草提高了不同土层土壤酸性磷酸酶活性，10～20 cm土层显著提升，0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层提高幅度分别为63 %、108 %、66 %和50 %。土壤磷酸酶活性能促进有机磷化合物的水解，促进磷的转化与利用。因此，覆盖柱花草提高了土壤酸性磷酸酶活性，促进土壤磷的转化与利用。

2.1.3 土壤肥力 从表2可以看出，土壤有机质含量随着土层的加深而降低，不覆盖柱花草的0～10、10～20 cm土层的有机质含量一致、各层次相差不大，覆盖柱花草0～10 cm土层土壤有机质含量远高于其他土层；覆盖与不覆盖柱花草0～10 cm土层土壤有机质分别是10～20、20～30、30～40 cm土层的1.26、1.38、1.72倍与1.00、1.25、1.42倍。覆盖柱花草提高了不同土层土壤有机质含量、0～10 cm土层极显著提升、10～20 cm土层显著提高，0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层提高幅度分别为46 %、17 %、33 %和21 %。

图2 覆盖柱花草不同土层土壤容重Fig.2 Soil bulk density in different soil layers covering with Stylosanthes

图3 覆盖柱花草不同层次土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activities in different soil layers covering with Stylosanthes

土壤全氮和碱解氮含量随着土层的加深而降低。覆盖柱花草提高了不同土层土壤全氮和碱解氮含量、未达到显著水平(除10～20 cm土层碱解氮含量显著提高、30～40 cm土层碱解氮含量降低外)，0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层全氮和碱解氮含量提高幅度分别为8 %、17 %、16 %、5 %与14 %、21 %、13 %、-3 %。

土壤有效磷含量随着土层的加深而降低(不覆盖0～10 cm比10～20 cm土层含量低除外)，覆盖与不覆盖柱花草0～10 cm土层土壤有效磷含量分别是10～20、20～30、30～40 cm土层的1.23、2.03、5.13倍与0.92、1.81、4.13倍。覆盖柱花草提高了0～10 cm土层土壤有效磷含量、降低了10～20 cm土层土壤有效磷含量，差异不显著，对20～30、30～40 cm土层土壤影响较小。

土壤速效钾含量随着土层的加深而降低，不覆盖比覆盖柱花草的下降幅度大，覆盖与不覆盖柱花草0～10 cm土层土壤速效钾含量分别是10～20、20～30、30～40 cm土层的1.64、2.00、2.26倍与2.08、2.73、2.97倍。覆盖柱花草提高了10～20、20～30、30～40 cm土层土壤速效钾含量、差异不显著， 0～10 cm土层土壤速效钾含量与不覆盖一致。

土壤pH值在0～30 cm土层中随着深度加深而降低，覆盖柱花草提高了0～10、10～20、20～30 cm土层土壤pH值0.01、0.06、0.04，差异不显著；不覆盖30～40 cm土壤pH值最高、覆盖柱花草pH值比不覆盖低0.05。从中可以看出，覆盖柱花草改变了胶园土壤pH值。

表2 覆盖柱花草不同层次土层土壤肥力状况

图4 覆盖柱花草不同土层橡胶树根系鲜重Fig.4 Fresh root weight of rubber tree in different soil layer covering with Stylosanthes

2.2 覆盖柱花草橡胶树根系生长

2.2.1 根系生物量 从不同层次土壤根系分布来看，在0～40 cm土层中，根系主要分布在0～20 cm土层土壤中，不覆盖0～20 cm土层中根系鲜重和干重分别占79.48 %和79.53 %、覆盖的占77.07 %和81.75 %；从根系干重占鲜重比例分析，浅层土壤所占比例小，深层土壤所占比例大，覆盖与不覆盖柱花草0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层中根系干重占鲜重比例分别为38.44 %、4.12 %、50.25 %、61.54 %与34.08 %、44.62 %、47.45 %、49.53 %，由此可推断出浅层土壤根系含水量大、木质化低，根系活力强。

覆盖柱花草改变了不同层次土壤中根系的分布与构成，同时也增加了根系总量。由图4可以看出，覆盖柱花草后根系由不覆盖的10～20 cm分布为主变为0～10 cm分布为主，不覆盖的0～10、10～20 cm土层土壤中根系鲜重和干重分别占0～40 cm总量的22.74 %、56.74 %和20.31 %、54.22 %，覆盖柱花草的0～10、10～20 cm土层土壤中根系鲜重和干重分别占0～40 cm总量的64.73 %、17.02 %和57.34 %、19.73 %；覆盖柱花草后0～40 cm土层根系总量增加，鲜重和干重总量分别比不覆盖的增加了98.07 %和77.11 %；且从干重占鲜重比例分析，覆盖柱花草后根系干重所占比例小于50 %，比不覆盖的大幅降低(30～40 cm土层中为61.54 %)，可以推断得出覆盖柱花草增加了细根(吸收根)数量、增强了根系活力，改变了土壤根系结构。

图5 覆盖柱花草不同土层橡胶树根系干重Fig.5 Dry root weight of rubber tree in different soil layer covering with Stylosanthes

2.2.2 根系长度、表面积和直径等 覆盖柱花草改变了橡胶树根系在土壤的空间分布，显著提高了0～10 cm土层土壤根系的分布，增加了根系长度、表面积和体积，降低了根系平均直径；显著降低了10～20 cm土层的根系分布，降低了根系长度、表面积和体积，提高了根系平均直径(表3)。

2.3 根系分布和酶活性与土壤养分的相关性分析

通过对土壤酶活性、根系分布与土壤养分相关分析发现：土壤酶活性与土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量极显著正相关。橡胶树根系生物量、表面积和体积与土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量极显著正相关，根系直径大小仅与氮极显著正相关。由此可以看出，土壤转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性对土壤有机质、氮、磷和钾的转化与利用起着积极作用，可以作为表征土壤肥力状况的重要因子。增施有机肥、氮、磷和钾肥可以提高酶活性，增加土壤酶活性；增施有机肥、氮肥和磷肥可促进橡胶树根系生物量的增加，氮肥促进根系的增粗，钾肥可促进橡胶树根系长度和表面积的增加(表4)。

3 讨论与小结

3.1 土壤养分与活性

橡胶园是人为营造的经济林。人为活动极明显的影响着胶园环境和土壤肥力状况，对胶园植物群落的更替起着巨大的作用，而植物群落的更替直接影响胶园生态环境、土壤生物群落和肥力的变化。因此，结合橡胶树种植区的优越气候条件和生物循环特征(即一方面生物的生长和繁殖很快，有机质累计的过程长、累积量大，另一方面有机物的腐解速度快，土壤形成的生物小循环极为迅速，是土壤肥力形成很重要的有利因素)，建立适宜的胶园复合生态系统，利用覆盖物生物量的不断积累和有机物的更新，保持胶园土壤表层有未彻底分解的有机质，发挥应有的保水保肥作用，减少胶园水土流失，防止土壤侵蚀和调节胶园生态与土壤环境。胶园覆草构建的复合胶林生态系统利用，不断积累的生物量与凋落物的腐解，提高土壤有机质和加速矿质元素的转化与利用。吴志祥等[9]在2龄胶园行间覆盖葛藤1年内提高了土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量和脲酶、磷酸酶活性和多酚氧化酶等活性；赵春霞等[10]在14割龄胶园覆盖不同绿肥1年不同程度地提高胶园土壤有机质、全氮和速效磷等含量，提升了土壤肥力。本研究表明：覆盖柱花草提高了胶园土壤有机质、全氮和碱解氮含量，提高了土壤转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性；并通过相关分析表明：土壤酶活性的提高与土壤有机质和氮含量的提高极显著正相关，而土壤酶活性的提高加速了土壤养分的转化与利用，熟化了胶园土壤(特别是0～10 cm土层土壤)，更好地为橡胶树根系生长发育奠定基础。

表3 覆盖柱花草不同层次根系分布状况

表4 根系特征、土壤酶活性与主要养分含量相关系数

注：**表示在0.01水平显著；*在0.05水平显著。

Note: ** means a highly significant difference at 0.01 level; * means a significant difference at 0.05 level.

3.2 橡胶树根系

橡胶树根系具有较强的可塑性，根系环境因素的轻微变化就会使根系产生较明显的反应，尤其是根系的生长及其生理功能。可塑性使橡胶树根系对环境敏感，易受土壤环境左右，但也使它更易受技术措施调控。橡胶园管理正是基于橡胶树根系的可塑性和根系土壤环境的可调整性展开的。各种增强根系生长的环境因子和栽培技术都会促进根系的生长，从而促进整个树体的生长；这为胶园管理提供了内在条件和依据。1958-1959年华南亚热带作物科学研究所橡胶系栽培生态组研究发现：表层土壤的物理化学性质均比下层土壤的较好，更适合橡胶树根系的生长，且橡胶树根系受水肥作用的影响，具有趋肥性[20]。因此，橡胶幼树根系主要分布在10～30 cm的土层，与成林胶树根系活力分布情况一致。本研究表明，橡胶园覆盖柱花草复合系统改变了胶园不同层次土壤的肥力和活性，提高了表层土壤有机质和氮含量和酶活性；从而诱导调节了橡胶树根系分布和活性的变化，促进了橡胶树根系的生长发育、改变了空间分布、提高了根系活性，根系干重和鲜重分别增加了98.07 %和77.11 %，根系分布从10～20 cm为主变为0～10 cm为主，根系水分含量大于50 %、细根增加、木质化程度降低。这在根系分布指标与土壤养分指标相关分析中得到证实，橡胶树根系生物量、表面积和体积与土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量极显著正相关，与交换性镁含量显著相关。

综上所述，胶园覆盖柱花草复合系统提高了胶园土壤有机质、全氮和碱解氮含量，以及土壤转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，熟化了胶园土壤，为橡胶树根系生长奠定了基础。胶园覆盖柱花草复合系统促进了橡胶树根系的生长，改变了根系的分布，提高了根系活性，提高了对土壤养分的吸收与利用。