巨菌草对土壤生态环境的影响

刘凤山，宋 静，蔡杨星，贾泽祥，闫晓玲，林占熺*

(1.福建农林大学，国家菌草工程技术研究中心，福建福州350002；2.水利部黄河水利委员会，黄委会黄河上中游管理局，陕西西安710021；3.水利部黄河水利委员会，黄委会西峰水土保持科学试验站，甘肃庆阳745000)

巨菌草(Pennisetum Giganteumz.x.Lin)隶属禾本科狼尾草属，多年生，适宜在热带和亚热带地区生长，2005年从南非引进。其成熟期的植株特别高大，属典型的C4植物，太阳能转化率是阔叶树的4倍以上，年产鲜草达200～400 t·hm-2，种植4周粗蛋白含量达10.8%；其植株高大直立(3～5 m)，分蘖能力强，根系发达，具有较强的抗逆性(林占熺，2013；林兴生等，2014；刘凤山等，2017)。良好的生物学特性使其成为生态治理中的先锋植物，先后在水土流失、荒漠化、盐碱化和重金属污染等生态脆弱地区开展了定点和推广试验，取得了一定的生态效果(林占熺，2013；刘凤山等，2017)，进而推动了巨菌草的引种栽培、高产和标准化技术的推广和开发工作(张秀平等，2015；贾永红等，2016；卜耀军等，2017；刘凤山等，2018)。

土壤提供人类生存必须的各种营养物质，是保障人类赖以生存环境的基础。土壤生态环境的变化关系到生态、农业和社会的可持续发展等重大问题(任天志，2000)。土壤肥力、酶活性和微生物数量是土壤生态环境的重要研究内容。土壤肥力关系着土壤中的养分含量，进而直接影响植物生长；土壤酶活性参与土壤的许多重要生物化学过程和物质循环，可以客观地反映土壤的肥力状况(Schloteret al，2018)；土壤微生物数量通过分解动植物残体而参与生态系统的物质循环和能量流动，对于土壤健康和质量的维持至关重要(Xiaoet al，2017)。土壤质量的下降，与土壤肥力、酶活性和微生物数量的变化密切相关。例如，微生物种群结构失衡是作物产量下降和土壤质量下降的重要原因之一(Tautgeset al，2016)，土壤酶活性减弱降低了土壤养分的有效性和供给状态(Roldanet al，2005)。因此，通过分析土壤中微生物和酶活性的特点，以及与土壤养分变化的关系，可以综合反映土壤质量特征，进而为土壤生态环境质量评价提供依据。

目前利用土壤微生物、酶活性与养分综合分析土壤生态环境的相关研究主要集中在草原和农田(张桂玲，2011；肖烨等，2015)、森林(陈莉莉等，2014；牛小云等，2015)、荒漠(吕桂芬等，2010)等生态系统。利用土壤养分、酶活性和微生物等指标分析巨菌草对土壤生态环境质量的影响，更多集中在单一试验点尺度(姚俊新，2013；林冬梅等，2017)，缺少系统和区域尺度的研究结果。在乌兰布和沙漠的沙质荒漠地种植巨菌草后，显著提高土壤养分含量、酶活性和微生物数量，对土壤起到了一定的改良作用(姚俊新，2013；林冬梅等，2017)。该研究结果是否在不同环境条件下具有同样的适用性，具体的改良效果如何需要进一步研究。因此，本文在巨菌草推广种植的重点区域采集土壤样品，分析巨菌草生长前后的土壤微生物、酶活性和养分含量的变化，为巨菌草生态环境屏障建设提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

在巨菌草推广的重点区域进行取样，包括青海省贵德县、内蒙古阿拉善左旗、山东省滨州等地。由于巨菌草种植地区的气候条件差异，巨菌草的种植和管理存在一定的差别。其中，青海省贵德地区种植时间是5月中下旬，收获时间是9月中下旬，期间施加尿素750 kg·hm-2，大水漫灌3～5次；内蒙古阿拉善地区种植时间是4月中旬，收获时间是9月中下旬，期间施加尿素750 kg·hm-2，采用喷灌方法；山东省滨州地区种植时间是3月中下旬，收获时间是10月中下旬，期间施加尿素1 500 kg·hm-2以获得高产，基本不需要灌溉。

1.2 研究方法

巨菌草按照当地常规方法进行种植和管理，每个采样点设置裸地和种植巨菌草两个处理，采用相同的种植方法、施肥、灌溉等措施，每个处理3个重复。

巨菌草种植前和收获后各采集一次，采集巨菌草根系周围、深度10 cm左右位置的土样，以同样方法采集裸地土壤为对照。土壤样品密封保存带回实验室，分析土壤肥力(包括pH值、有机质、全氮、全磷、全钾)、酶活性(包括过氧化氢酶、多酚氧化酶、脲酶)、微生物数量(包括细菌、真菌、放线菌)等指标。具体方法参考林冬梅等(2017)和姚俊新(2013)。

采用单因素方差分析进行差异显著性检验，利用LSD进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 巨菌草对土壤肥力的影响

受杂草、施肥和降水等因素的影响，对照组的pH值、有机质、全氮、全磷和全钾含量有一定的波动(表1)。贵德、阿拉善和滨州地区的平均pH值由9.07增加到9.21，有机质由1.4增加到4.61 g·kg-1，全氮由 0.009 增加到 0.034 g·kg-1，全磷由 0.037 增加到 0.052 g·kg-1，全钾由1.78减小到1.70 g·kg-1。总体而言，对照组的pH值、有机质、全氮、全磷呈增加趋势，全钾含量呈下降趋势。相对而言，种植巨菌草的地块，pH值呈现明显的下降，3个地方的平均值由9.09下降到8.92，有机质由1.5增加到10.4 g·kg-1，全氮由0.007增加到0.060 g·kg-1，全磷由0.036增加到0.069 g·kg-1，全钾由1.80减小到1.64 g·kg-1。由对照组和巨菌草之间的差异可知，种植巨菌草有助于降低土壤pH值。从土壤肥力的变化幅度来看，对照组有机质、全氮、全磷和全钾的增加幅度平均为175.7%，而种植巨菌草对土壤肥力的增加幅度为462.8%，进而说明巨菌草极大的促进了土壤肥力。

表1 巨菌草对表层土壤肥力的影响Table 1 Effects of Giant Juncao on topsoil fertility

不同深度土壤的土壤肥力分析表明(表2)，巨菌草生长1 a后，表层的有机质和全磷含量比对照大，总体土壤肥力的增加幅度为12.1%，但是深层土壤的肥力有轻微的下降，说明巨菌草的深层根系消耗了部分土壤肥力，而对照无深层根系，肥力保持较好。

2.2 巨菌草对土壤微生物数量的影响

根据贵德和阿拉善的数据(滨州地区的样品缺测)，对照组的细菌数量由9.2×106，增加到1.2×107，真菌的数量由 3.7×104增加到 4.2×104，放线菌的数量由 1.1×106减少到 2.1×105。 巨菌草生长1 a后，细菌数量由1.0×107增加到1.4×107，真菌的数量由1.7×104增加到4.0×105，放线菌的数量由1.4×106增加到3.7×106(表3)。巨菌草生长明显促进了真菌和放线菌数量，对微生物数量的增加幅度达804.2%。对比滨州种植后的样品，发现对照与巨菌草土壤的微生物数量存在明显差别，种植巨菌草后的细菌、真菌和放线菌的数量分别超过对照的381.4%、22.0%和616.9%。

表2 巨菌草对不同土壤层次土壤肥力的影响Table 2 Effects of Giant Juncao on soil fertility at different soil levels

表3 巨菌草对表层土壤微生物数量的影响Table 3 Effects of Giant Juncao on the microorganism numbers in the topsoil

2.3 巨菌草对土壤酶活性的影响

从表4可以看出，3个地区对照组的过氧化氢酶由0.92增加到2.61 mL·g-1·h-1，多酚氧化酶由0.65增加到1.41 mg·g-1·d-1，脲酶由0.045降低到0.023 μg·g-1·d-1。巨菌草的过氧化氢酶由0.95增加到2.9 mL·g-1·h-1，多酚氧化酶由0.67增加到2.31 mg·g-1·d-1，脲酶由0.052增加到0.3 μg·g-1·d-1。对照组土壤酶活性的增加幅度为83.3%，巨菌草土壤酶活性的增加幅度为309.2%，说明巨菌草显著增强了土壤酶活性。

2.4 巨菌草对土壤性质的提高

从表1～表4看出，不同土壤样品在肥力、微生物数量和酶活性之间具有较大的差异，即使相同地区对照和巨菌草之间的初始性质也存在一定差异，这种情况对于定量说明巨菌草对土壤性质的改良产生了影响。我们消除土壤背景值之后计算巨菌草种植1 a后对土壤性质的改良(表5)。巨菌草生长1 a后，pH值和全钾呈下降趋势，降幅分别为3.5%和4.6%，其他指标均为上升趋势。尤其是有机质、全氮、真菌、放线菌、多酚氧化酶和脲酶，增长率超过100%，进而说明巨菌草对土壤生态环境有显著的促进作用。

表4 巨菌草对表层土壤酶活性的影响Table 4 Effects of Giant Juncao on the enzyme activity in the topsoil

表5 巨菌草生长1 a后土壤性质的变化率Table 5 Change rate of the soil properties after Giant Juncao has been grown for 1 year

3 讨论与结论

巨菌草推广的地区通常是相对贫瘠和偏碱性的土壤。由于接近中性的土壤被认为是良好的，pH值的下降说明巨菌草改善了土壤盐碱性。土壤肥力、微生物和酶活性通常是土壤变化的早期预警指标，其数量的增加指示土壤质量的好转(任天志，2000)。林冬梅等(2017)在乌兰布和沙漠东缘种植巨菌草后，有机质、全氮、全磷含量分别提高93.2%、75.4%和8.1%，全钾含量下降6.8%；本文消除施肥等外在因素，发现巨菌草对土壤肥力有更强的促进作用。林冬梅等(2017)种植巨菌草后，荒漠化土壤过氧化氢酶和脲酶分别较对照显著提高25%和508.7%；本文的结果相对较低，可能巨菌草对荒漠化土壤酶活性的促进作用更佳，对性质较好土壤(如山东滨州)的改善幅度有所降低。林冬梅等(2017)得到巨菌草对荒漠化土壤细菌、真菌、放线菌的提高幅度分别是2 715.8%、20.7%和94.2%；本文的研究结果与之有较大出入。土壤微生物受土壤养分(牛小云等，2015；肖烨等，2015)、土壤含水量和pH值等的影响(陈莉莉等，2014)，在土壤中具有较大的变异性。而且，巨菌草在不同地区的生长情况不同，在沙漠边缘，经常受到沙尘暴的影响，长势较弱，而在山东和青海地区，土壤性质和人为管理措施较好，进而增大了微生物的多样性。

相较于裸地，巨菌草在多种环境中更大幅度的提高了土壤肥力、微生物数量和酶活性，表明巨菌草具有改善土壤生态环境的作用，值得在黄河流域进行推广。