平茬对3种苗木来源蛋白桑林地土壤理化性质的影响

李敏， 李钢铁*， 张宏武， 陈家欢

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010000；2.内蒙古正镶白旗林业工作站，内蒙古 锡林郭勒盟 013800）

蛋白桑（Morus albaL.）也叫饲料桑，落叶乔木或灌木，无刺，由全国28个桑树品种经过杂交选育出的优良品种。其花期在5月，果熟期在6—7月，该树具有抗干旱、耐严寒、耐贫瘠、抗风沙、抗沙埋、适应性强等特性［1-2］。茎叶可作动物饲料，具有营养价值高、适口性好和消化率高等特点，桑叶中粗蛋白含量高达16%～30%［3］。营养价值高于北方常用饲料牧草——苜蓿［4-5］。由于国内蛋白源饲料严重缺乏，我国饲料行业过度依赖于大豆进口［6］。因此，开发蛋白桑资源对解决我国饲料短缺的问题具有重要意义。

植被对土壤理化性质有很大影响，部分植被下土壤pH随土壤深度增加而增大，有机质随土壤深度增加而减小，粘粒含量随土壤深度增加而减小，砂粒含量则随土壤深度增加而增加，而部分植被则表现出与上述相反的趋势。究其原因，不同植被根部所分泌的物质不同，对土壤理化性质的影响存在差异［7-10］。

平茬是指在木本植物的休眠期，将苗木从地面以上剪平，以刺激顶部芽的生长、培养优质苗木而采取的一项技术措施［11］。植物平茬后对土壤理化性质也有显著影响［12-14］，如通过减少枯枝对水分的消耗，使平茬区土壤含水率高于不平茬区［15］。平茬对林下的影响高于林间，不同土层变化不同，土壤养分有明显改善，枝条地上平茬后，根系将储存态氮转化为游离态氮等生长所需物质，从根系供给地上部分，促进枝条再生长［16］。由此可见，平茬对植株下土壤理化性质有显著影响，但针对蛋白桑平茬后土壤理化性质的研究尚不多见。

本研究以2 a林龄且种植当年进行齐地平茬的3种苗木来源蛋白桑的林下土壤为研究对象，对照为同一时间种植但未进行平茬处理的蛋白桑林下土壤，对比分析平茬前及平茬后土壤pH、机械组成、土壤养分的变化规律以及土壤因子与土壤机械组成间的相关性，探究平茬对蛋白桑林地土壤理化性质的影响以及适于研究区种植的最佳苗木，以期为荒漠地区科学种植蛋白桑提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

达拉特旗（N 40°24′34.1″，E 110°19′49.8″）地处温带半干旱区，属典型大陆性季风气候，年均降水量150～400 mm，蒸发量2 100～2 700 mm，年际、月际变幅悬殊，降雨主要集中在7—9月；年均气温6.0～7.5 ℃；风大且多，年均风速3～4 m·s−1，年大风日数为25～35 d，冬春以北风和西北风为主；土壤侵蚀主要以风力侵蚀为主；土壤类型主要为沙质土壤，质地粗糙，土层平均厚度30～50 cm。平茬前蛋白桑为2017年春季人工种植的实生苗，株行距30 cm×60 cm，平均高度37.7 cm，基径5.31 cm，每株平均枝条数量3.37根。

1.2 试验材料

以2 a林龄且种植当年进行齐地平茬的3个不同苗木来源（内蒙古通辽、吉林、西安）蛋白桑植株下和行带间的土壤为研究对象，于2019年9月20日在研究区选择相邻、立地条件相似的株行距为30 cm×60 cm的蛋白桑林地的植株下和行带间，设计平茬和不平茬处理，共计植株下−平茬、植株下−不平茬、行带间−平茬、行带间−不平茬4个处理。平茬处理为齐地平茬，每个处理3次重复，每小区为10 m×20 m，每个处理各挖取3个土壤剖面，采用剖面法，按 0—5、5—10、10—20、20—40 cm共4个土层分层取样，3次重复。由于蛋白桑根系深度只达30 cm左右，因此调查土壤剖面深度选为40 cm。共采集156个土样，各土样充分混匀，所有土样挑去活体根系，密封，带回实验室，除去可见植物残体和土壤动物，风干后过1 mm筛，用于土壤pH、速效钾、速效磷等指标的测定。

1.3 指标的测定及方法

土壤理化指标检测均参照鲍士旦［17］方法，土壤有机质采用重铬酸钾容量法−外加热法测定；土壤pH采用ST3100 pH计测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效钾采用乙酸铵提取法测定；速效磷采用 0.5 mol·L−1NaHCO3法测定；土壤机械组成用XSB-88型顶击式标准振筛机进行测定，每个土样筛分时间为5 min。土粒分级标准：极粗砂（2.0＜粒径≤1.0 mm）、粗砂（1.0＜粒径≤0.5 mm）、中砂（0.50＜粒径≤0.25 mm）、细砂（0.25＜粒径≤0.10 mm）、极细砂（0.10＜粒径≤0.05 mm）、粘粒（粒径＜0.05 mm）。

首先，将0—5、5—10、10—20、20—40 cm土壤的机械组成、速效养分、pH、有机质含量等指标分别进行算数平均，即均值化处理，将指标值合为0—40 cm土壤理化性质，然后进行相关性分析。

1.4 数据分析与处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和作图，采用单因素方差分析进行显著性分析，采用Origin 2018进行相关性分析。

首先，运用隶属函数将6个土壤理化指标数据标准化处理，公式如下。

式中，µ(Xij)为各土壤理化指标的隶属度值；Xij为土壤理化指标值；Xj，max、Xj，min分别为第j项土壤理化指标的最大值和最小值。

采用标准差系数法确定各个理化指标的权重，首先用公式（2）计算标准差系数Vj，将公式归一后得到各指标的权重Wj，然后通过公式（4）计算土壤综合质量指数H，H越大，土壤质量越高［18］。

2 结果与分析

2.1 蛋白桑林地的土壤pH

不同来源苗木、不同处理、不同土层的土壤pH结果见表1。对于通辽来源的蛋白桑，植株下−平茬处理0—40 cm pH显著高于植株下−不平茬处理，平均（0—40 cm土层指标平均值，下同）上升4.42%；行带间−平茬处理0—20 cm土层的土壤pH较行带间−不平茬处理同土层显著降低；而20—40 cm土层的土壤pH显著增加，平均上升1.94%。对于黑龙江来源的蛋白桑，植株下−平茬处理0—5、20—40 cm土层的土壤pH显著低于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理0—5、20—40 cm土层的土壤pH显著低于行带间−不平茬处理。对于西安来源蛋白桑，植株下−平茬处理0—10、20—40 cm土层的土壤pH显著低于植株下−不平茬处理，而10—20 cm土层的土壤pH显著提高；行带间−平茬处理的0—10 cm、20—40 cm土层的土壤pH显著高于行带间−不平茬处理，而10—20 cm土层土壤pH显著降低。由此可见，3种不同来源蛋白桑数据均表明，无论是植株下还是行带间，平茬均对土壤pH产生显著影响。

表1 不同苗木来源不同处理的蛋白桑林地土壤pHTable 1 pH of protein mulberry fields from different seedling sources and different treaments

2.2 蛋白桑林地的土壤机械组成

不同来源苗木不同处理不同土层的土壤机械组成见表2，各处理下均为极细砂所占比例最高，为49.78%～71.61%；且中砂、细砂和极细砂是土壤颗粒的主要组成部分，占比为90%左右。对于通辽来源的蛋白桑，植株下−平茬处理0—40 cm土层的粗砂、中砂、细砂含量显著低于植株下−不平茬处理，极细砂含量显著高于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理0—40 cm土层的粗砂、中砂显著高于行带间−不平茬处理，而细砂、极细砂、粘粒均显著低于行带间−不平茬处理。对于哈尔滨来源的蛋白桑，植株下−平茬处理0—40 cm土层的粗砂、中砂、细砂含量显著低于植株下−不平茬处理，而极细砂、粘粒含量均显著高于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理0—40 cm土层的粗砂、粘粒含量均显著高于行带间−不平茬处理，而中砂、细砂、极细砂含量显著低于行带间−不平茬处理。对于西安来源的蛋白桑，植株下−平茬处理0—40 cm土层的中砂、极细砂、粘粒均显著低于植株下−不平茬处理，而中砂、细砂含量显著高于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理0—40 cm土层的粗砂、极细砂、粘粒含量均显著高于行带间−不平茬处理，而中砂、细砂含量显著低于行带间−不平茬处理。总体来看，不同苗木来源的平茬处理均显著增加了表层土壤粘粒含量，其中西安来源的蛋白桑对于土壤粘粒含量的增加更为显著。

表2 蛋白桑林地土壤的机械组成Table 2 Mechanical composition of protein mulberry fields

续表Continued

2.3 蛋白桑林地的土壤养分

通辽来源的蛋白桑4个土层不同处理的土壤养分含量结果见图1。0—5 cm土层，植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间的养分含量均无显著差异。5—10 cm土层，植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间的碱解氮含量无显著差异；但植株下−平茬处理的速效磷含量显著高于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理的速效钾含量显著高于行带间−不平茬处理。10—20 cm土层，植株下−平茬处理的速效磷含量显著低于植株下−不平茬处理；但碱解氮、速效钾和有机质含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异。20—40 cm土层，植株下−平茬处理的碱解氮含量显著高于植株下−不平茬处理；但速效磷、速效钾和有机质含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异。

图1 通辽蛋白桑林地不同土层的土壤养分含量Fig.1 Soil nutrient content in different soil layers of Tongliao protein mulberry forest

图2是哈尔滨来源的蛋白桑4个土层不同处理的土壤养分含量。在0—5 cm土层，土壤养分含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异。在5—10 cm土层，土壤碱解氮和速效钾含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异；但植株下−平茬处理的土壤速效磷含量显著高于植株下−不平茬处理，有机质含量却显著低于植株下−不平茬处理。在10—20和20—40 cm土层，土壤碱解氮、速效磷、有机质含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异；但植株下−平茬处理20—40 cm土层的土壤速效钾含量显著高于植株下−不平茬处理。

图2 哈尔滨蛋白桑林地不同土层的土壤养分含量Fig.2 Soil nutrient content in different soil layers of Harbin protein mulberry forest

图3是西安来源的蛋白桑4个土层不同处理的土壤养分含量。在0—5 cm土层，土壤养分含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异。5—10 cm土层，植株下−平茬的有机质含量显著高于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理的速效钾含量显著低于行带间不平茬处理；行带间−平茬处理的有机质含量显著高于行带间−不平茬处理。10—20 cm土层，土壤碱解氮、速效磷和有机质含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理间均无显著差异；但植株下−平茬处理的速效钾含量显著高于植株下−不平茬处理；行带间−平茬处理的速效钾含量显著高于行带间−不平茬处理。20—40 cm土层，土壤养分含量在植株下−平茬与植株下−不平茬处理之间、行带间−平茬与行带间−不平茬处理之间均无显著差异。

图3 西安蛋白桑林地不同土层的土壤养分含量变化Fig.3 Soil nutrient content in different soil layers of Xi’an protein mulberry forest

综上所述，3种来源的蛋白桑林下及行带间不同处理下土壤养分均表现为表层土壤（0—5 cm）养分无显著变化（P＞0.05）；所有土层的碱解氮含量无显著变化；平茬处理（植株下−平茬和行带间平茬）的速效磷、速效钾、有机质含量显著高于不平茬处理（植株下−不平茬和行带间−不平茬），由此表明平茬有利于提高土壤养分含量。

2.4 土壤机械组成与速效养分、pH、有机质之间的相关性

将3种来源的蛋白桑林下及行带间土壤的机械组成、速效养分、pH、有机质含量进行均值化处理后，分析土壤机械组成与土壤因子之间的相关性，结果（表3）表明，植株下−平茬处理土壤的碱解氮、有机质、速效钾含量与极细沙含量呈极显著正相关关系，与中砂含量呈显著负相关关系；有机质、速效钾含量与粗砂含量呈显著负相关关系。行带间−平茬处理土壤的碱解氮、有机质、速效钾含量与极细砂含量呈显著正相关关系；且碱解氮、速效钾含量与中砂、细砂含量呈显著负相关关系；速效钾含量与粗砂含量呈显著负相关关系。植株下−不平茬处理土壤的碱解氮、速效钾、速效磷含量与极细砂含量呈极显著正相关关系，与粗、中、细砂含量呈显著负相关关系；有机质含量与粘粒含量呈极显著负相关关系；pH与细砂含量呈极显著正相关关系，与极细砂含量呈显著负相关关系。行带间−不平茬土壤的碱解氮、速效钾、速效磷含量与极细砂含量呈极显著正相关关系，与粗砂、中砂、细砂含量呈极显著负相关关系；有机质含量与细砂含量呈显著正相关关系，与粘粒含量呈显著负相关关系；pH与粗砂、中砂、细砂含量呈极显著正相关关系，与极细砂含量呈极显著负相关关系。

表3 土壤速效养分、pH、有机质与机械组成的相关性Table 3 Correlation between soil factors and mechanical composition

2.5 不同苗木来源蛋白桑林下土壤理化性质综合评价

土壤理化性质是诸多土壤因子综合作用的结果，其综合评价结果反映了土壤的质量水平。3个样地土壤理化性质的综合评价值（表4）表明，样地间土壤理化性质存在显著差异，即西安林下土壤＞通辽林下土壤＞哈尔滨林下土壤，由此推断更适于研究区种植的为西安来源蛋白桑。

表4 土壤理化性质的综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of soil physical and chemical properties

3 讨论

本研究表明，平茬处理后，植株下或行带间土壤的pH下降，土壤颗粒组成细化，土壤养分含量增加，与前人对平茬处理林下土壤的研究结果相一致［19-20］。董雪等［12］对沙冬青灌丛下土壤的研究表明平茬显著影响沙冬青灌丛下土壤的有机碳含量；杨燕等［21］研究显示平茬林下土壤的有机质含量和N、P、K含量明显提高。这可能是由于平茬可以去除植物顶端优势，抑制生长素合成，促进细胞分裂素生成，使二者比例降低，有效刺激根部的分生组织分裂，使根部生长速度加快，进而影响土壤特性［22］。其中，植物根的离子吸收是通过释放酸根离子实现［23］，而酸根离子会导致土壤酸化。平茬后植物根系网络明显优于不平茬，而庞大根系的固定作用不仅可以拦截粘粒等土壤细颗粒物质，还可以穿插在土壤中以粉碎部分大颗粒［24］。另外，植物根系的固结作用极大提高了土壤的抗侵蚀能力，在一定程度上抵御了沙地遭受风蚀的威胁，使得土壤粘粒的含量有所提高［25］。

平茬对植物地上生物量也有显著影响。研究表明，当植株地上部分遭到平茬破坏后，地上生物量能够迅速恢复［26］，植物新生枝数量、株高、基径、灌丛冠幅、叶片长度、叶片宽度、叶片厚度等参数较未平茬存在显著差异［27］。地上生物量的增加使植株郁闭度增加，同时减少水分蒸发，在一定程度上提高了植物的防风固沙作用，进而使土壤的粘粒等细颗粒物质有所保留。另外，地上生物量的增加势必导致枯落物增多，而在枯落物的分解过程中，均会对土壤养分以及pH产生显著影响。同时，平茬后加速了微生物对土壤有机质的分解，生成的纤维素、木质素、多糖和腐殖酸等黑色胶体物能够促进土壤团粒结构的形成，从而降低土壤容重和pH，使土壤N、P、K含量增加［28］。