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第 31 卷 第 14 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.14 116 2015 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2015 畦灌配施保水剂改善杨树林下土壤物理性状提高微生物活性 井大炜 1,2，邢尚军2，刘方春2，马海林2，杜振宇2，于学斗1，朱亚萍1 （1. 德州学院，德州 253023； 2. 山东省林业科学研究院，济南 250014） 摘 要：为指导杨树人工林节水灌溉和增产，通过大田试验，比较研究常规畦灌（720 m3/hm2） 、常规畦灌量 60%、常规 畦灌量 30%、60%常规畦灌量配施保水剂和 30%常规畦灌量配施保水剂等处理对杨树林下土壤容重、微生物量碳和氮、 微生物活性及生长的影响。结果表明：同常规畦灌相比，60%常规畦灌量配施保水剂处理明显降低了土壤容重，且显著 增加了土壤总孔隙度和毛管孔隙度，其土壤容重分别较常规畦灌、常规畦灌量 60%、常规畦灌量 30%和 30%常规畦灌量 配施保水剂处理下降 6.62%、11.19%、16.45%和 7.97%；显著提高了土壤微生物量碳、氮含量，并明显增强了土壤微生 物呼吸作用，其微生物呼吸速率较常规畦灌、常规畦灌量 60%、常规畦灌量 30%和 30%常规畦灌量配施保水剂处理分别 高出 13.89%、24.24%、41.38%和 12.33%；同时，60%常规畦灌量配施保水剂处理还降低了代谢熵，与其他 4 种处理相比 其下降幅度分别为 5.96%、 8.84%、 11.72%和 4.78%。 此外， 该处理的材积生长率达到最大值， 并显著大于其他处理 （P CKI60I30， 且各处理之间的差异均达显著水平， 其中 I60S 处理分别较 CK、 I60、 I30和 I30S 处理高出 41.46%、 55.36%、 84.62%和 13.73%。此外，各处理 MBC/MBN 比值分别为 8.10、7.90、7.99、6.92 和 6.68。方差分析表明，CK、I60 和 I30处理之间的 MBC/MBN 比值无显著性差异， 但显著 高于 I60S 和 I30S 处理，而 I60S 与 I30S 处理间差异亦不显 著。杨树林下土壤的微生物种群以细菌为主，放线菌次 之，而真菌最少16，不同种群的 C/N 比不一样，微生物 区系中细菌和真菌的比例有差异， 势必会导致MBC/MBN 比值的不同。以上分析认为，减量灌溉配合保水剂可明 显提高杨树林下土壤的微生物量碳、氮含量，这有助于 调节林地土壤的氮素供应，提高土壤氮素利用率；同时 还降低了 MBC/MBN 比值，表明配施保水剂有利于促进 土壤微生物群落结构的改变。 2.3 土壤微生物呼吸与代谢熵 从图 2 可以看出，减少灌水量明显抑制了杨树林下 土壤微生物的呼吸作用，I60和 I30处理的微生物呼吸速率 较 CK 分别降低 8.33%和 19.44%；而 I60S 和 I30S 处理的 微生物呼吸速率较对应的 I60和 I30处理显著升高，其中 I60S 处理明显高于其他处理，分别比 CK、I60、I30和 I30S 处理提高 13.89%、24.24%、41.38%和 12.33%，而 I30S 处理与 CK 差异未达显著水平。 代谢熵指土壤微生物呼吸和微生物量碳的比率，不 仅可以表示微生物生物量的大小和活性，还能指示土壤 生态系统的成熟程度17-18。图 2 可知，不同处理对杨树 林下土壤的代谢熵呈现出截然不同的作用效果。I30处理 的代谢熵最高，并明显高于其他处理；其次是 I60处理， 亦明显高于 CK。表明减少灌水量能显著提高土壤的代谢 熵，且灌水量越少，其提高的幅度越大。配施保水剂的 I60S 与 I30S 处理的代谢熵显著降低， 其中 I60S 处理达最低 值，分别较 CK、I60、I30和 I30S 处理降低 5.96%、8.84%、 11.72%和 4.78%。 数据分析表明， 减量灌溉配施保水剂既 能显著增强杨树林下土壤的微生物呼吸作用，也能明显 降低代谢熵，这有益于维持杨树林下土壤的优良性状与 可持续利用潜力，其中以 60%常规灌溉量结合保水剂措 施的效果较为明显。 图 2 畦灌和保水剂组合对土壤微生物呼吸与代谢熵的影响 Fig.2 Effects of border irrigation co-applied with super absorbent polymers on soil microbial respiration and metabolic quotient 2.4 材积生长率 畦灌不同灌水量与保水剂组合措施对杨树的材积生 长具有显著的影响。从图 3 可知，各处理材积生长率的 大小次序为：I60SCKI30SI60I30，其中 I60S 处理的材积 第 14 期 井大炜等：畦灌配施保水剂改善杨树林下土壤物理性状提高微生物活性 119 生长率达到 61.32%，分别较 CK、I60、I30和 I30S 处理显 著提高 8.05%、24.18%、45.38%和 12.12%；I30S 处理与 CK 无显著性差异，但均显著高于 I60和 I30处理，而 I60 处理也明显高于 I30处理。以上分析可见，减量灌溉对于 速生杨树材积的生长具有显著的抑制作用，且随着灌水 量的进一步减少，抑制程度越来越明显；而减量灌溉配 施保水剂措施则可显著促进杨树林木的生长。 图 3 畦灌和保水剂组合对杨树材积生长率的影响 Fig.3 Effects of border irrigation co-applied with super absorbent polymers on volume growth rate of poplar 2.5 相关性分析 减量灌溉与保水剂配施对杨树林下土壤物理性状、 微生物活性与材积生长之间的相关关系（表 2）表明， MBC、MBN 与土壤容重显著负相关，与总孔隙度、毛管 孔隙度显著正相关；微生物呼吸与总孔隙度极显著正相 关，与 MBC 和 MBN 显著正相关，这表明增加土壤孔隙 度有利于增强土壤微生物的呼吸作用，并有助于微生物 生物量的积累；材积生长率与毛管孔隙度极显著正相关， 与代谢熵极显著负相关，与土壤容重、MBC、MBN 和微 生物呼吸达显著相关关系。说明土壤容重的降低不仅有 利于降低代谢熵，增强微生物活性，还能显著提高杨树 的材积生长率。这进一步表明土壤各指标之间存在着一 定的内在联系，也印证了土壤物理性状的改善有助于微 生物活性的增强，并能促进杨树林木的生长16。 表 2 杨树林下土壤物理性状、微生物活性与材积生长的相关 性分析 Table 2 Correlation analysis of soil physical characteristics and microbial activity of poplar forest, and volume growth of poplar 指标 Index BD SP CP MBC MBN MRMq SP -0.995* CP 0.754 0.703 MBC -0.892* 0.829* 0.884* MBN -0.868* 0.847* 0.839* 0.720 MR -0.951* 0.909* 0.853* 0.882* 0.861* Mq 0.926* -0.922* -0.941* -0.976* -0.785 0.791 VGR -0.875* 0.746 0.930* 0.858* 0.879* 0.892* -0.914* 注：*表示显著性相关(P0.05)，*表示极显著性相关(P0.01)。BD 为土壤 容重；SP 为总孔隙度；CP 为毛管孔隙度；MBC 为微生物量碳；MBN 为微 生物量氮；MR 为微生物呼吸；Mq 为代谢熵；VGR 为材积生长率。 Note: *Correlation is significant at the 0.05 level, *Correlation is significant at the 0.01 level; BD is soil bulk density; SP is total soil porosity; CP is capillary porosity; MBC is microbial biomass C; MBN is microbial N; MR is microbial respiration; Mq is metabolic quotient; VGR is volume growth rate. 3 讨 论 保水剂具有高分子三维网状结构，通过吸水和溶胀 两种方式进行吸水，能显著提高土壤含水率，并有效改 善土壤物理性状19。 本试验研究表明， 60%常规灌溉量配 施保水剂较对照能明显降低杨树林下的土壤容重，并增 加非毛管孔隙度，表明减量灌溉结合保水剂措施既增加 土壤总孔隙度， 还增强了土壤的通气性能。 这与李希等20 在土壤-小白菜系统上的研究结论基本一致。可见，保水 剂吸水膨胀后改善了土壤的通气透水性，有助于加快根 系周围有机无机养分的转化和释放，进而促进杨树根系 的吸收与发育。本试验还得出，随灌水量的减少，土壤 微生物量碳、氮含量明显降低，而配施保水剂则可显著 提高微生物生物量。可能是由于保水剂的施用明显提高 了土壤含水率，并改善了土壤物理性状，为微生物的生 长创造了良好的环境，这必将刺激土壤微生物的大量繁 殖。证明了土壤微生物量会随着土壤含水率的增加而增 加21-22。也表明保水剂增加土壤含水率可能是间接刺激 微生物增长的原因之一。从相关性分析可见，微生物量 碳、氮与毛管孔隙度显著正相关也验证了这一点。 土壤微生物呼吸实际是指微生物对土壤有机质的分 解过程23-24，即有机质潜在的矿化速率，可反映土壤微 生物的总体活性，其变化与否及变化方向代表了系统对 胁迫的敏感程度与响应模式25-26。本研究得出，60%常规 灌溉量配施保水剂较对照能显著提高土壤微生物呼吸速 率，这与王丹等27的研究结论相似。究其原因可能与保 水剂对土壤物理性状的改善，从而提高土壤微生物的生 命活力有关。同时从相关分析可知，土壤微生物呼吸与 总孔隙度、微生物量碳和氮达极显著或显著正相关关系。 表明保水剂的施用不仅有利于增加土壤孔隙度和微生物 量碳、氮，还提高了有机质潜在的矿化速率，增强了土 壤微生物的总体活性。 代谢熵将微生物量的大小与微生物的生物活性、功 能有机地联系起来，可揭示微生物群落的生理特征，被 认为是反映土壤质量与环境胁迫的重要指标28。有研究 表明29，代谢熵较低说明微生物呼吸所消耗的碳的比例 小，而用于建造微生物细胞的碳的比例相对增大，土壤 中微生物对碳的利用效率较高，而代谢熵较高则意味着 用于微生物细胞合成的碳比例相对较小，即碳源的利用 率低。本试验表明，60%和 30%两种减量灌溉，尤其是 30%减灌措施，相比对照代谢熵明显升高，说明水分不足 的土壤环境导致微生物对碳的利用效率降低。而 60%常 规灌溉量与保水剂组合的代谢熵显著低于对照，分析其 原因一方面可能是虽然各个处理的微生物呼吸速率和微 生物生物量呈一致的变化规律，但施用保水剂使微生物 量碳含量升高的更快，故降低了代谢熵；另一方面可能 是保水剂促进微生物的大量繁殖及微生物活性的提高， 且显著增加微生物生物量，从而提高对碳源的利用率。 这与齐玉春等30的研究结论基本一致。杨树的生长发育 受到许多因素的影响，施用保水剂能改善土壤的供水通 气环境条件，进而促进杨树的生长。本试验得出，60%常 农业工程学报（） 2015 年 120 规灌溉量与保水剂配施使杨树的材积生长率显著高于其 他处理。相关性分析可见，材积生长率与土壤容重、微 生物呼吸、代谢熵达显著或极显著相关关系。表明土壤 物理性状的改善和微生物活性的增强，改善了根系生长 的微域环境条件，有利于促进杨树林木的生长，同时材 积生长率与毛管孔隙度的极显著相关性也印证了速生杨 与土壤水分之间的紧密联系。 此外，本研究发现，30%常规灌溉量与保水剂组合对 杨树林下土壤物理性状、微生物活性及材积生长的作用 效果明显小于 60%常规灌溉量与保水剂组合，这进一步 表明保水剂并非造水剂，足量的水分供给是必要的，也 说明适宜的减量灌溉与保水剂搭配才能起到更好的增产 效应。 4 结 论 本 文 通 过 大 田 试 验 ， 比 较 研 究 了 常 规 畦 灌 （720 m3/hm2）、常规畦灌量 60%、常规畦灌量 30%、60% 常规畦灌量配施保水剂和 30%常规畦灌量配施保水剂等 处理对杨树林下土壤容重、微生物量碳和氮、微生物活 性及林木生长的影响。主要结论如下： 1）与常规畦灌相比，60%常规畦灌量配施保水剂处 理能显著降低杨树人工林下的土壤容重，且明显增加了 土壤总孔隙度和毛管孔隙度，其土壤容重分别较常规畦 灌、常规畦灌量 60%、常规畦灌量 30%和 30%常规畦灌 量配施保水剂处理下降 6.62%、 11.19%、 16.45%和 7.97%； 2）60%常规畦灌量配施保水剂处理显著提高了土壤 微生物量碳、氮含量，并明显增强了土壤微生物呼吸作 用，其微生物呼吸速率较常规畦灌、常规畦灌量 60%、 常规畦灌量 30%和 30%常规畦灌量配施保水剂处理分别 高出 13.89%、24.24%、41.38%和 12.33%；同时，60%常 规畦灌量配施保水剂处理还降低了代谢熵，其下降幅度 分别为 5.96%、8.84%、11.72%和 4.78%； 3）60%常规畦灌量配施保水剂处理的材积生长率达 到最大值，并显著大于其他处理。同 60%常规畦灌量配 施保水剂相比， 30%常规畦灌量配施保水剂处理对杨树林 下土壤及材积的作用效果较小。相关分析表明，材积生 长率与毛管孔隙度、代谢熵有极显著相关关系(P0.01)， 与土壤容重、微生物量碳和氮、微生物呼吸有显著相关 关系(P0.05)。 综上，适宜的节水灌溉措施（常规畦灌量 60%与保 水剂组合）有利于改善杨树林下土壤的物理环境，增强 微生物活性，并促进杨树林木的生长。 参 考 文 献 1 贾黎明，邢长山，韦艳葵，等. 地下滴灌条件下杨树速生 丰产林生长与光合特性J. 林业科学，2004，40(2)：61 67. 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(in Chinese with English abstract) Border irrigation co-applied with super absorbent polymers improving soil physical characteristics and increasing microbial activity in poplar forest Jing Dawei1,2, Xing Shangjun2 , Liu Fangchun2, Ma Hailin2, Du Zhenyu2, Yu Xuedou1, Zhu Yaping1 (1. Dezhou University, Dezhou 253023, China; 2. Shandong Forestry Academy, Jinan 250014, China) Abstract: Super absorbent polymers can absorb water up to a few hundred or even a few thousand times their own mass. The special physical structure, unique chemical composition and characteristics of high water absorption capacity allow super absorbent polymers to be widely used in water-saving agriculture, horticulture and other industries to relieve drought and reserve water for farmland, seedling protection and crop yield improvement. A large number of studies have showed that super absorbent polymer has the properties of water saving and drought resistance. But the application amount of super absorbent polymer is an important parameter to evaluate. Applying with the improper amount can result in bad effects, either no effect, or soil permeability compromised if excess super absorbent polymer is used. This can cause plant roots to have difficulty in breathing or to get rotten. In the meantime, border irrigation is also an efficient measure which has the advantages of low cost, simple operation and easy popularization. Similarly, the irrigation quantity is a vital factor. Because excess irrigation not only causes the waste of water resource, but also poses a threat to the groundwater. While insufficient irrigation may have no effect. Therefore, it is speculated that super absorbent polymer co-applied with border irrigation should be an interesting thing, and investigating their appropriate proportion has important theoretic value and practical significance. However, there is little information on the effect of border irrigation measure co-applied with super absorbent polymer on the forest-tree plantation. With the purpose of promoting water-saving irrigation and poplar yield, a field experiment of 5 treatments, i.e. CK (conventional border irrigation), I60 (60% conventional border irrigation quantity), I30 (30% conventional border irrigation quantity), I60S (60% border irrigation quantity co-applied with super absorbent polymers) and I30S (30% border irri