李 茜，劉松濤，何 俊，孫兆軍，呂 雯

(1.寧夏大學(xué) 環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021；2.教育部中阿旱區(qū)特色資源環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021； 3.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；4.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；5.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】近年來(lái)，中國(guó)葡萄栽培面積和葡萄產(chǎn)量呈快速上升的發(fā)展趨勢(shì)，釀酒葡萄種植面積增速在13 %～15 %[1]。膠東半島和新疆產(chǎn)區(qū)是我國(guó)葡萄栽培面積最大的產(chǎn)區(qū)，而寧夏賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)的釀酒葡萄種植面積最大，是我國(guó)釀酒葡萄的主要原料供應(yīng)基地，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，寧夏賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)業(yè)基地已增加到4萬(wàn)hm2，栽植的葡萄品種的數(shù)量也從14個(gè)增加到30多個(gè)，目前已建成86個(gè)葡萄酒莊，年產(chǎn)葡萄酒近10萬(wàn)噸，綜合產(chǎn)值超過(guò)200億元，寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)帶已初具規(guī)模。但是隨著釀酒葡萄栽植年限的增加，很多老齡葡萄園表現(xiàn)出了嚴(yán)重的連作障礙問(wèn)題，導(dǎo)致葡萄幼苗生長(zhǎng)不良，葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，病蟲(chóng)害問(wèn)題嚴(yán)重?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】專(zhuān)家學(xué)者普遍認(rèn)為土壤中的養(yǎng)分虧缺或失衡、有害微生物種類(lèi)和數(shù)量的增加以及根系分泌物導(dǎo)致的植物-土壤間的互作關(guān)系毒害是連作障礙的主要原因[2-4]。目前，針對(duì)賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)區(qū)土壤肥力、水肥管理、重金屬污染評(píng)價(jià)等方面開(kāi)展了部分研究[5-10]，但是對(duì)不同栽培年限葡萄土壤養(yǎng)分變化規(guī)律鮮見(jiàn)報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以寧夏賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)種植3、8和20年的“赤霞珠”葡萄根際土壤和非根際土壤為研究對(duì)象，測(cè)定不同種植年限下土壤各理化指標(biāo)，分析土壤養(yǎng)分及相關(guān)因子變化規(guī)律對(duì)栽培年限的響應(yīng)關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】旨在探討長(zhǎng)期種植葡萄后土壤養(yǎng)分的變化趨勢(shì)，為本區(qū)釀酒葡萄的合理種植及葡萄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)的青銅峽市甘城子，屬于中溫帶干旱氣候區(qū)。年平均氣溫為8.5 ℃，≥10 ℃的有效積溫3135～3272 ℃，晝夜溫差達(dá)10～15 ℃，日照時(shí)數(shù)為3032 h，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年平均降水量為180～200 mm，年蒸發(fā)量1000 mm以上，無(wú)霜期180 d。土壤以普通灰鈣土為主，肥力較低， 但光照充足，氣候干燥，適合釀酒葡萄的種植。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集方法 本研究選取栽培3、8和20年的赤霞珠葡萄園，地力與栽培管理基本一致。于2018年6月底采集根際土壤和非根際土壤。每1個(gè)栽培年限取選5個(gè)樣地，每個(gè)樣地采取五點(diǎn)采樣法，混合土樣為一個(gè)樣品，3次重復(fù)。根際土壤(Rhizosphere soil)采集方法為抖落法，非根際土壤(Non-rhizosphere soil)的采集，于距離葡萄主莖50 cm處無(wú)根系附著的土壤，為非根際土壤。以未種植葡萄的撂荒地為對(duì)照。采集的土樣分別收集到滅菌的自封袋中低溫條件保存，供測(cè)試分析。

1.2.2 測(cè)試指標(biāo)及測(cè)試方法 土壤微生物生物量C用熏蒸提取-容量分析法[11]；土壤微生物生物量N用凱氏定氮法[11]；土壤微生物生物量P用氯仿熏蒸法[12]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 本文用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

根際對(duì)土壤養(yǎng)分的富集程度用“富集率”表示[13]。

富集率=[(根際土壤含量-非根際土壤含量)/非根際土壤含量]×100 %。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培年限葡萄土壤pH和電導(dǎo)率變化

2.1.1 不同栽培年限葡萄土壤pH變化 栽植3年時(shí)，葡萄根際和非根際土壤pH值無(wú)差異(圖1)，但是和對(duì)照土壤差異顯著。栽植8年后，葡萄非根際土壤和對(duì)照土壤pH值降幅較大，和根際土壤pH值差異顯著；而栽植20年后，葡萄根際土壤pH值反而上升，pH值達(dá)8.81；整體來(lái)看，pH值隨著栽培年限的延長(zhǎng)出現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)。

圖1 不同栽培年限土壤pH值Fig.1 pH values under different planting years

2.1.2 不同栽培年限葡萄土壤電導(dǎo)率變化 整體來(lái)看，土壤電導(dǎo)率隨著栽培年限的增加表現(xiàn)出先升高在降低的變化趨勢(shì)(圖2)。無(wú)論栽培年限長(zhǎng)短，葡萄根際和非根際土壤的電導(dǎo)率之間差異不顯著，但是和對(duì)照土壤存在顯著差異。當(dāng)栽培年限達(dá)20年時(shí)，葡萄根際和非根際土壤電導(dǎo)率分別為0.2726和0.2550 g/kg，而對(duì)照土壤的電導(dǎo)率為0.4265 g/kg。

圖2 不同栽培年限土壤電導(dǎo)率Fig.2 EC under different planting years

2.2 不同栽培年限葡萄土壤養(yǎng)分變化

2.2.1 不同栽培年限葡萄土壤全N、全P及全K變化 隨著栽培年限的延長(zhǎng)，葡萄根際土壤全N和全K的變化規(guī)律一致(表2)，即種植3年時(shí)，根際土壤全N和全K含量最低，栽培年限為8年時(shí)，其含量達(dá)到峰值，而栽培年限為20年時(shí)，其含量又略微降低，根際土壤全N和全K含量整體表現(xiàn)為先升高在降低的變化趨勢(shì)。同一個(gè)栽培年限下葡萄根際土壤和非根際土壤全N和全K含量的差異顯著。無(wú)論是根際土壤還是非根際土壤，其全P的含量都隨著栽培時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高，栽培年限為20年時(shí)含量最高，且葡萄根際土壤和非根際土壤全P含量差異顯著。

表2 不同栽培年限葡萄根際/非根際土壤全N、全P及全K

2.2.2 不同栽培年限葡萄土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效P及速效K變化 從葡萄土壤的均值分析，有機(jī)碳和和速效K隨著栽培年限表現(xiàn)出先升高在降低的趨勢(shì)(表3)，栽培8年時(shí)土壤有機(jī)碳和和速效K平均值為0.5543 %和125.4912 mg/kg，從數(shù)據(jù)可以看出，栽植20年時(shí)土壤有機(jī)碳和和速效K的值有所降低，但是差異不顯著，基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平；而堿解氮和速效P隨著種植年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，栽培20年時(shí)土壤堿解氮和速效P的平均值達(dá)到了28.9370和6.3498 mg/kg，和栽培3年時(shí)相比，其增幅達(dá)到了77.23 %和144.64 %。

表3 不同栽培年限葡萄根際/非根際土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效P及速效K

2.2.3 不同栽培年限葡萄土壤微生物生物量變化 整體來(lái)看，土壤微生物生物量C和微生物生物量N隨著栽植年限的延長(zhǎng)(表4)，呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，種植8a時(shí)土壤微生物生物量C和微生物生物量N的值達(dá)到最高，分別為17.9222 和20.8417 mg/kg。而土壤微生物生物量P表現(xiàn)出先降低在升高的變化趨勢(shì)，但是種植8年土壤微生物生物量P含量和種植3年及種植20年比較，降幅僅為6.21 %和6.63 %。土壤微生物生物量C含量在種植8和20年時(shí)，非根際土壤的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根際土壤的含量，且差異顯著，但是非根際土壤并無(wú)顯著差異。種植3和20年葡萄根際土壤和非根際土壤微生物生物量N和微生物生物量P含量無(wú)顯著差異。

表4 不同栽培年限葡萄根際/非根際土壤微生物生物量

2.2.4 不同栽培年限葡萄根際土壤養(yǎng)分富集率 從不同的土壤養(yǎng)分角度分析，不同栽培年限葡萄根區(qū)全N、全P、堿解氮和微生物生物量C的富集率表現(xiàn)規(guī)律一致(表5)，即在栽培3年時(shí)呈現(xiàn)出正的富集率，全N、全P、堿解氮和微生物生物量C的富集率分別為27.3 %、11.57 %、6.96 %和21.25 %，但是種植8和20年時(shí)，這4種指標(biāo)的富集率為負(fù)值，并未表現(xiàn)出根際養(yǎng)分的富集作用。土壤的全K和有機(jī)碳只在栽培8年時(shí)出現(xiàn)了富集作用，其富集率分別為8.37 %和16.03 %；而微生物生物量N在只在栽培8年時(shí)沒(méi)有富集作用，而在栽培3和20年時(shí)有富集作用，微生物生物量N的富集率分別為8.53 %和12.30 %。土壤速效P在栽培3和8年時(shí)根際有一定的富集作用，其富集率分別為4.61 %和17.23 %；土壤微生物生物量P在不同栽培年限下都表現(xiàn)出了根際富集作用，但是富集作用較微弱，栽培3、8和20年土壤微生物生物量P的富集率僅為0.37 %、1.65 %和1.37 %，而土壤速效K在不同栽培年限下都未表現(xiàn)出富集作用。

表5 不同栽培年限葡萄根區(qū)土壤養(yǎng)分富集率

從不同栽培年限的角度分析，栽培3年時(shí)根際對(duì)土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出富集作用的養(yǎng)分指標(biāo)最多，全N、全P、堿解氮、速效磷和微生物生物量C、N、P都有根際的富集作用；栽培8年時(shí)對(duì)全K、有機(jī)碳、速效P和微生物量P有根際的富集作用；而栽培20年時(shí)僅有微生物量N和微生物量P有根際的富集作用。說(shuō)明隨著栽培時(shí)間的延長(zhǎng)，根際對(duì)土壤養(yǎng)分的富集作用越來(lái)越弱，并未表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分富集。

3 討 論

近年來(lái)，植物根際微域環(huán)境的研究越來(lái)越受到專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，目前已成為土壤學(xué)最活躍、最敏感的研究領(lǐng)域之一。根際pH值的變化是由于根系呼吸作用釋放CO2以及在離子的主動(dòng)吸收和根尖細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中分泌質(zhì)子和有機(jī)酸所致[14]。植物的發(fā)育階段不同，植物體自身的蒸騰作用使土壤中的鹽分隨著土壤水運(yùn)移到植物根際周?chē)?，使得葡萄根際土壤的電導(dǎo)率高于非根際土壤，這和張學(xué)利[15]的研究結(jié)果一致。不同發(fā)育階段根際土壤中鹽分積累的程度與植物蒸騰強(qiáng)度的變化密切相關(guān)。

土壤養(yǎng)分是土壤提供植物生命活動(dòng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是評(píng)價(jià)土壤自然肥力的重要因素之一。有研究結(jié)果顯示，隨著種植年限的增加有助于改善土壤肥力與土壤質(zhì)量的提高[16-17]，也有部分研究表明天然林自然更新過(guò)程中土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[18-19]。張玉樹(shù)[20]認(rèn)為耕作30年范圍內(nèi)果園土壤全氮含量隨種植年限的延長(zhǎng)而顯著增加。張仕穎[21]提出，隨著葡萄種植年限的延長(zhǎng)土壤肥力呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，雖然測(cè)定的各養(yǎng)分指標(biāo)變化規(guī)律不一致，但是栽培8和20年多數(shù)養(yǎng)分指標(biāo)之間差異不顯著。栽培20年后土壤養(yǎng)分平均含量明顯高于栽培3年，表明隨著種植年限的延長(zhǎng)，葡萄園土壤養(yǎng)分總體呈積累的變化趨勢(shì)，王志秀[22]等人也得到了相同結(jié)論。說(shuō)明在賀蘭山東麓長(zhǎng)期種植葡萄后，在水肥等田間管理措施的干預(yù)下，有利于土壤養(yǎng)分水平的整體提升。

土壤微生物生物量是衡量土壤養(yǎng)分的有效性以及土壤微生物變化情況的敏感性指標(biāo)[23-25]。 “富集率”表示根際對(duì)土壤養(yǎng)分的富集程度?！案患省痹礁弑砻鞲祵?duì)土壤中的養(yǎng)分富集程度越高。在葡萄栽培3年時(shí)，對(duì)大多數(shù)測(cè)試的土壤養(yǎng)分均有富集作用，栽培8年時(shí)，全K、有機(jī)碳、速效P和微生物生物量P表現(xiàn)出了一定程度的富集作用，而栽培20年時(shí)僅有微生物生物量N和微生物生物量P有較弱的根際富集作用。隨著栽培時(shí)間的延長(zhǎng)，根際對(duì)土壤養(yǎng)分的富集作用越來(lái)越弱，分析原因，可能是隨著葡萄樹(shù)體的不斷生長(zhǎng)，葡萄根系在不斷的向更深更廣的區(qū)域擴(kuò)張，導(dǎo)致根際周?chē)鸁o(wú)明顯的富集效應(yīng)。

在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，根系可以從土壤中攝取養(yǎng)分和水分，同時(shí)也會(huì)向土壤中分泌、釋放大量的次生代謝物質(zhì)。這些次生代謝物質(zhì)會(huì)改變植物根際微區(qū)的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響根際土壤養(yǎng)分和微生物的結(jié)構(gòu)和功能。土壤中的微生物參與土壤的養(yǎng)分循環(huán)，在一定程度上反映了土壤的質(zhì)量。多年連栽會(huì)導(dǎo)致土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使土壤中的養(yǎng)分循環(huán)受到阻礙，從而引起了土壤質(zhì)量的下降[26]。根際土壤微環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，種植葡萄后根際土壤肥力指標(biāo)變化對(duì)根際土壤的微生物、土壤酶活性的影響如何，需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

不同栽培年限，葡萄根際土壤的pH值和電導(dǎo)率均高于非根際土壤。根際土壤和非根際土壤pH值均表現(xiàn)為先下降后上升的變化趨勢(shì)，而土壤電導(dǎo)率隨著栽培年限的增加表現(xiàn)出先升高在降低的變化趨勢(shì)。

不同栽培年限下葡萄土壤全N、全K、有機(jī)碳和速效K都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，栽培8年時(shí)土壤全N、全K平均含量最高，較栽培3年時(shí)分別提高了1.03和0.28倍；不同栽培年限下葡萄土壤有機(jī)碳、速效K含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。葡萄土壤堿解氮、速效P和全P隨著栽培年限的增加，其含量逐漸增加。

除了栽培20年葡萄非根際土壤的土壤微生物生物量C以外，栽培3和20年之間，葡萄根際土壤和非根際土壤的微生物生物量C、N和P含量并無(wú)顯著差異，表明長(zhǎng)期種植葡萄后，對(duì)根際土壤和非根際土壤微生物生物量C、N和P無(wú)明顯影響。