桂西北喀斯特地区不同林龄核桃间作中草药对土壤生物化学性状的影响

俞月凤,韦建华,曾成城,李 琴,苏利荣,秦 芳,何铁光

(1.广西农业科学院农业资源与环境研究所,南宁 530007;2.广西大学林学院,南宁 530004)

【研究意义】喀斯特地区石漠化是我国西南部地区的两大根本性地域环境问题之一,是生态治理的难点和重点[1-2]。石漠化导致生态环境恶化,进一步加剧大石山区贫困问题,致使广西经济可持续发展受阻[3]。早在100多年前,广西已有核桃栽培,截至2018年,广西核桃种植面积约17.4×104hm2,主要分布在河池市和百色市石漠化严重的山区。种植核桃树存在收益慢、前期收益小、周期长等问题,而大力发展核桃林下经济是提高核桃林早期收益及土地生产力的有效途径[4]。实践表明,核桃-中草药和核桃-经济作物[4]复合种植模式能有效改善生态环境,促进资源高效利用[5],同时提高农民收入。十大功劳(Mahoniafortunei)是传统医药中一类重要的药用植物资源[6],具有耐阴和抗旱的特点,山区核桃林下种植十大功劳已有较多报道,但有关不同林龄核桃林套种十大功劳对土壤性状的影响程度尚未清楚。因此,探究核桃林药间作模式,对促进喀斯特地区生态恢复、核桃林林下经济可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】我国各地区间气候和环境差异较明显,林药间作类型较多样。刘伟玮等[7]通过评价不同林参间作模式的土壤质量,认为土壤质量会在不同程度上受到林分特征和种植年限的影响;闻晨晨[8]分析比较2种杨药间作模式(杨-蒲公英、杨-夏枯草)下杨树生长和土壤特性的差异,筛选出适合杨树郁闭后林下栽植的中草药品种;贾全全等[9]研究江西鄱阳湖周边平原岗地的泡桐纯林及桐-药复合经营模式(泡桐-玉竹、泡桐-麦冬和泡桐-射干)下泡桐丛枝菌根真菌群落的结构特征,发现桐-药复合经营模式下中药材种类差异会不同程度地改变泡桐AMF的群落结构;徐阳等[10]通过构建板栗-覆盆子、板栗-铁皮石斛、板栗-三叶青、板栗-白芨4种栗药种植模式,并进行板栗产量与品质分析,筛选出高效栗药种植模式(板栗-三叶青)。目前,核桃林下间作中草药已有较多研究报道。尹华等[11]研究认为,核桃林下种植药用植物牡丹、半夏、丹参、芍药、天麻、党参、猪苓和板蓝根等,在充分利用核桃林地空间的同时可增加收入、改良土壤质量及促进林木生长;郭颖等[12]研究3种代表性核桃复合经营模式对土壤肥力的影响,结果发现复合经营可改善桃核园土壤肥力;王超等[13]引进11种中药材与太行山核桃林间作并进行综合评价,筛选出5种适宜在核桃结果初期(树龄为10～12 年)间种及3种适宜在核桃幼树期(树龄为3～4 年)间种的药材;张欢[14]研究核桃林下套种款冬的栽培技术,结果显示,在3～5年树龄核桃树下种植是核桃林下套种款冬的最优种植条件。林药间作模式可提高林地土壤肥力,Gupta等[15]研究发现土壤有机碳含量在杨树农林复合系统中随着树龄的增加而增加;Paudel等[16-17]研究表明,通过复合经营可改善该复合系统内土壤酶活性和微生物数量。【本研究切入点】采取多样化林下种植模式已成为解决我国西南喀斯特地区生态恢复问题的有效途径之一,但石漠化地区林下种植仍处于实践探索阶段[18]。核桃林下套种十大功劳是广西喀斯特地区核桃林间作中草药的主要模式,但目前对喀斯特地区不同林龄核桃林套种十大功劳土壤效应的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】基于样地调查及采样,探究广西喀斯特地区不同林龄核桃(初果期和盛果期)林药间作模式下的土壤理化性质、土壤微生物数量和微生物生物量及土壤酶活性的变化特征及其相关关系,为喀斯特地区的生态恢复、核桃林下经济的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西河池市凤山县(24°15′～24°49′ N,106°40′～107°2′ E),山多地少,地势西北高东南底呈倾斜状,是典型喀斯特地貌,最高海拔1100 m,属亚热带季风气候区,年均气温15～17 ℃,年极端高温37.1 ℃,最低气温-3.4 ℃,日均气温稳定在10.0℃以上的日数255～283 d,无霜期313～328 d,全年降水量1564 mm。凤山县核桃林下种植十大功劳基地为首批广西中药材示范基地之一,目前该县种植十大功劳700 hm2。

1.2 试验材料

选择初果期(8～10年树龄)和盛果期(15～20年树龄)单种核桃林地及中草药十大功劳间作核桃林地土壤样品为试验材料。主要仪器设备:原子吸收分光光度计、紫外可见分光光度计、全自动定氮分析仪、电感耦合等离子发射光谱仪。

1.3 试验方法

1.3.1 样地设置及样品采集 在研究区选择初果期(8～10年树龄)和盛果期(15～20年树龄)2种类型核桃林,分别有间作十大功劳和单种2种种植方式,即4种种植类型[初果期核桃+十大功劳(CT)、盛果期核桃+十大功劳(ST)、初果期核桃单作(CD)、盛果期核桃单作(SD)],核桃种植株行距为3 m×4 m,十大功劳种植株行距约0.5 m×1.0 m,十大功劳与核桃树杆相隔约0.5 m。在坡向、坡度、海拔等条件基本相同或相似的坡中下位,每种种植方式分别建立3个重复样地(20 m×20 m),共计12个样地,各样地信息见表1。在各样地内按S型随机取5～8个表层(0～20 cm)土壤样品,混合后代表该样地土样,每份样品约1.0 kg。

1.3.2 样品处理与指标测定 每个样品充分混匀,然后按四分法分成2份,1份现场密封后放入4 ℃冰柜保存,带回实验室并尽快分析土壤微生物数量、微生物生物量及土壤酶活性;1份带回实验室,自然风干,先过1.000 mm筛,再过0.149 mm筛,用于测定土壤有机质、全磷、全氮含量。有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定,全氮含量采用半微量凯氏法-流动注射仪法测定,全磷含量采用NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法测定,碱解氮采用碱解-扩散法测定,速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法测定,速效钾采用NH4OAc 浸提法测定,pH采用电极电位法测定。土壤微生物量碳采用CHCl3熏蒸法-K2SO4提取-总有机碳自动分析仪法,微生物量氮采用CHCl3熏蒸-K2SO4提取-氮自动分析仪法,微生物量磷采用CHCl3熏-NaHCO3提取-Pi 测定-外加Pi校正法-紫外分光光度法测定;微生物碳、氮转换系数为0.45,微生物磷转换系数为0.40。细菌、真菌、放线菌的数量测定均采用稀释平板测数法[19]。土壤酶活性采用对应ELISA检测试剂盒(上海瑞番生物科技有限公司)进行测定。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 18.0进行统计分析,以单因素方差分析(ANOVA)检验不同类型样地土壤理化性质、微生物特性和酶活性间的差异,以最小显著差数法(LSD)检验差异显著性,以R 3.6.3中Corrplot包绘制Pearson相关性图,以SPSS 18.0进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式核桃林的土壤化学性质

从图1可看出,不同林龄核桃林间作模式的土壤理化性质间存在不同程度差异。不同林龄及间作方式核桃林的土壤pH分布在6.24～7.03,相互间差异不显著(P>0.05,下同);2种林龄核桃单种模式(SD和CD)的土壤有机碳含量(分别为72.03和63.56 g/kg)间无显著差异,但均显著高于核桃间作模式(ST和CT)(P<0.05,下同);在间作模式下,ST模式的土壤有机碳含量(51.85 g/kg)显著高于CT模式(35.77 g/kg),而ST和CT模式的核桃林土壤有机碳含量分别较SD和CD模式显著降低28.02%和43.72%,土壤全氮含量分别显著降低28.31%和43.36%,土壤速效氮含量分别显著降低17.94%和32.30%,土壤全磷含量分别显著低于单作模式46.26%和40.00%;在单作模式下,不同林龄核桃林的土壤全氮和速效氮含量差异不显著,土壤全氮和速效氮含量在不同林龄和间作方式之间表现均为SD>CD >ST >CT;土壤速效磷含量在4种种植类型间均存在显著差异,表现为SD>CD>ST>CT,其中,ST和CT模式分别较SD和CD模式降低53.56%和67.49%;土壤全钾和速效钾含量在不同种植类型核桃林间差异不显著。可见,林龄和间作方式对核桃林土壤养分具有显著影响,随着林龄的增加,土壤养分含量呈升高趋势,而间作十大功劳促使土壤养分含量降低。

同一小图图柱上不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。Different lowercase letters on columns represented significant difference(P<0.05).The same as below.图1 不同林龄和种植方式下的核桃林土壤化学性质比较Fig.1 Characteristics of soil chemical properties of walnut forest under different forest ages and planting methods

2.2 不同种植模式核桃林的土壤微生物特征

从图2可知,SD模式样地的土壤细菌、真菌和放线菌数量均显著高于其他种植模式,分别为12.36×106、5.23×104和10.87×106CFU/g;土壤细菌和放线菌数量在ST、CT和CD模式间差异不显著,而ST模式的土壤真菌数量(1.85×104CFU/g)显著低于CT、CD和SD模式;ST模式的土壤细菌、真菌和放线菌数量较SD模式显著降低62.39%、64.65%和90.25%;土壤微生物生物量氮在4种种植模式间差异不显著;SD模式的土壤微生物生物量碳含量最高(225.87 mg/kg),CT和CD模式次之,而ST模式最低(132.28 mg/kg),ST模式的土壤微生物生物量碳含量比CT模式显著降低41.43%;4种种植模式的土壤微生物生物量磷含量表现为CT>SD>CD>ST,其中CD和ST模式间无显著差异,但ST模式的微生物量磷含量较CT模式显著降低26.64%,CT模式的土壤微生物生物量磷含量较CD模式显著提高88.92%。综上所述,土壤微生物特征在核桃初果期间作相比单种无显著性变化,盛果期间作则使微生物数量及微生物量降低。

图2 不同林龄和种植方式下核桃林土壤微生物数量和生物量特征Fig.2 Quantity and biomass characteristics of soil microorganisms in walnut forest under different forest ages and planting methods

2.3 不同种植模式核桃林的土壤酶活性特征

从图3可看出,ST和SD模式的土壤蔗糖酶活性[分别为83.12和75.94 mg/(g·d)]显著高于CT模式[39.22 mg/(g·d)]和CD模式[47.28 mg/(g·d)],而同林龄核桃间作与单作样地间的土壤蔗糖酶活性无显著差异;核桃林ST和CT模式的土壤脲酶活性显著高于SD和CD模式17.32%和40.13%;SD模式的土壤蔗糖酶活性显著高于初果期核桃林单作CD模式;土壤磷酸酶活性和土壤过氧化氢酶活性在4种不同种植类型核桃林间无显著差异。综上所述,林龄和间作方式对核桃林土壤磷酸酶活性和过氧化氢酶活性有显著影响,林龄主要影响土壤蔗糖酶活性,间作十大功劳可提高核桃土壤脲酶活性。

图3 不同林龄和种植方式下核桃林的土壤酶活性比较Fig.3 Soil enzyme activity of walnut forest under different forest ages and planting methods

2.4 核桃林土壤生物化学性状的相关分析

从图4可知,核桃林的土壤全氮含量与土壤全磷含量、速效氮含量、有机碳含量、细菌数量、蔗糖酶和磷酸酶活性均呈极显著正相关(P<0.01,下同);土壤全磷含量与速效磷含量呈极显著正相关,与速效氮含量、速效钾含量、有机碳含量、细菌和放线菌数量均呈显著正相关;土壤全钾含量与土壤微生物生物量氮含量呈极显著正相关;速效氮含量与有机碳含量、蔗糖酶和磷酸酶活性均呈极显著正相关,与细菌数量呈显著正相关;速效磷含量与放线菌数量呈极显著正相关;有机碳含量与细菌数量、蔗糖酶和磷酸酶活性呈极显著正相关;真菌数量与放线菌数量、土壤微生物量碳含量分别呈显著和极显著正相关;蔗糖酶活性与磷酸酶活性呈显著正相关。可见,土壤微生物、土壤酶活性和养分含量间存在复杂的相互促进关系。

■表示负相关,■表示正相关;*表示显著相关(P< 0.05),**表示极显著相关(P< 0.01);N:全氮;TP:全磷;TK:全钾;AN:速效氮;AP:速效磷;AK:速效钾;SOC:土壤有机碳; X:细菌;Z:真菌;F:放线菌;MBC:微生物量碳;MBN:微生物量氮;MBP:微生物量磷;ZTM:蔗糖酶;NM:脲酶;LSM:磷酸酶;GM:过氧化氢酶。■ indicated negative correlation,■indicated positive correlation;* indicated significant correlation(P<0.05),** indicated extremely significant correlation(P<0.01);TN:Total nitrogen; TP:Total phosphorus; TK:Total potassium; An:Available nitrogen; AP:Available phosphorus; AK:Available potassium; SOC:Soil organic carbon; 10:Bacteria; Z:Fungi; F:Actinomycetes; MBC:Microbial biomass carbon; MBN:Microbial biomass nitrogen; MBP:Microbial biomass phosphorus; ZTM:Sucrase; Nm:Urease; LSM:Phosphatase; GM:Catalase.图4 核桃林土壤生物化学性状的相关分析Fig.4 Correlation between soil biochemical properties of walnut forest

2.5 核桃林土壤生物化学性质的主成分分析

喀斯特地区核桃林18个土壤指标的主成分分析结果(表2)表明,前5个主成分对方差的累积贡献率达90.48%,大于85.00%,能全面反映核桃林土壤的所有信息,但各主成分的贡献率均较低;影响喀斯特地区核桃林土壤生物化学性质的主导因子及第一主成分以全氮含量、速效氮含量、有机碳含量、全磷含量和细菌数量的载荷量最大,分别为0.93、0.91、0.89、0.85和0.81,说明土壤养分含量处于主导地位;第二主成分以土壤微生物微生物量磷含量、微生物量碳含量和真菌数量的载荷量最大,分别为0.84、0.75和0.67,表明微生物处于重要地位;第三主成分以土壤速效钾含量的载荷量(0.74)最大,第四主成分以脲酶活性的载荷量最(0.78)大,第五主成分以pH的载荷量(绝对值0.54)最大。说明土壤养分是核桃林土壤性状的主要影响因子。

表2 核桃林土壤生物化学性质的主成分分析

3 讨 论

合理的农林间作模式可避免因林地闲置时间过长造成耕地资源浪费[20]。林药间作模式能有效提高土壤理化性质,提高土壤肥力[21]。本研究中,核桃与中草药十大功劳间作模式的土壤养分含量降低,与杜洋文等[22]研究发现油桐林下套种麦冬和石蒜会使土壤有机质、氮、磷和钾含量降低的结果一致,但与Zhang等[21]的研究结果不一致,可能原因是十大功劳生长速度较快,需从土壤中吸收较多养分,加上其枯枝落叶较少,养分归还少,从而导致土壤中养分含量尤其是氮和磷含量降低,说明十大功劳对氮和磷元素需求较高,核桃林下间作十大功劳时需要注重氮肥和磷肥的添加;在核桃单作模式下,除土壤速效磷含量外,其他土壤养分含量在核桃盛果期和初果期间均无显著差异,土壤全氮、全磷、速效氮、速效磷和有机质含量均表现为盛果期显著高于初果期,表明随着核桃树龄的增大,土壤养分含量也逐渐增高,有助于改善土壤肥力。

土壤微生物数量与组成很大程度上影响并决定着土壤的生物活性、有机质分解、腐殖质合成、土壤团聚体形成及土壤养分转化[23-24]。本研究中不同种植类型核桃林土壤3大菌类的组成为细菌>放线菌>真菌,与喀斯特峰丛洼地人工林和次生林的组成一致[25]。盛果期核桃林单作土壤的细菌、放线菌和真菌均显著高于其他三种类型核桃林,可能原因是盛果期核桃林枯枝落叶的凋落、分解及根系分泌物死亡为微生物的生长提供充足的能量物质,而间作十大功劳促使土壤微生物发生改变。土壤细菌数量与土壤有机碳、全氮、全磷和速效氮含量显著或极显著正相关,表明土壤细菌数量与土壤养分含量密切相关。微生物量碳、氮是衡量土壤微生物活性的重要指标,其数值的降低直接说明了土壤肥力的下降[26]。本研究中,盛果期核桃林间作模式下土壤微生物量碳显著低于核桃林单作,说明盛果期核桃间作十大功劳会降低土壤微生物活性,从而导致土壤肥力下降。

土壤酶来源于土壤中动物、植物和微生物细胞的分泌物及其残体的分解物,与土壤理化条件、土壤微生物活性、数量等因素密切相关[27-28]。脲酶能促进土壤中尿素转化为植物生长所需的氮素,一般情况下,土壤脲酶活性增大能使氮素含量增加[29-30]。本研究中,核桃林间作模式下土壤脲酶活性显著高于同林龄核桃林单作,但间作土壤全氮和速效氮含量低于同林龄核桃单作,究其原因:一方面可能是十大功劳在生长过程吸收了分解的氮素;另一方面,可能是间作模式下十大功劳根系分泌物使土壤微生物发生改变。蔗糖酶在土壤有机质的分解转化中起重要作用,能反映土壤的生物化学活性[31]。土壤磷酸酶参与有机磷的矿化、水解等过程,是有机磷转化为无机磷的关键酶[32-33]。本研究中,核桃林间作十大功劳对土壤蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶均无显著影响,与曾成城等[34]研究核桃林下种植农作物对其林下土壤酶活性具有较明显的促进作用结果不一致,可能与间套种的作物品种、年限及不同施肥方式有关。土壤理化性质与酶活性紧密联系,并存在一定相关性[31],不同研究区同一种酶与同一种土壤养分的相关性不同,如土壤蔗糖酶与土壤全氮的相关性在不同研究区表现不同。本研究中,土壤蔗糖酶和磷酸酶均与土壤全氮、速效氮和有机质呈极显著正相关,与王玉琴等[31]的研究结果相似;土壤脲酶和过氧化氢酶与养分均无显著相关性,与白世红等[35]研究黄河三角洲不同退化程度人工刺槐林土壤酶活性、养分和微生物相关性的结果不一致。可见,土壤酶与养分之间的关系较复杂。本研究的主成分分析结果表明,土壤养分尤其是氮和磷元素,是核桃林土壤的主要影响因子,说明在喀斯特地区核桃林的管理中应注重氮磷肥的添加;同时微生物在土壤中也发挥着重要作用。

4 结 论

在喀斯特地区,核桃林间作十大功劳模式对土壤生物化学性状有较大影响,尤其初果期间作使核桃林土壤养分显著下降,因此核桃林下间作十大功劳(尤其是初果期)时,需要注重氮肥和磷肥的添加,从而保障核桃的营养供给,促进核桃林可持续发展。