试验地位于陕西杨凌国际合作科技园— — 现代农业创新园的苹果试验基地, 该地位于秦岭北麓、渭河平原西部的头道塬上, 34° 18' N、108° 02' E, 海拔525 m, 年均日照时数2 150 h, 年平均气温12~14 ℃, 极端最高气温40 ℃, 极端最低气温-21 ℃, 年平均降水量621.6 mm, 春季干旱降水偏少, 雨量主要集中在7-9月, 属暖温带半湿润气候。试验地土壤为黑垆土。

苹果园建于2009年春季, 苹果树行距4 m, 株距2 m, 品种为“ 长富2号” 。2009年3月底在新栽植好的苹果树行间种植白三叶, 白三叶宽度为1 m。2010年3月在果树行下起垄, 垄高0.35 m, 垄宽(顶1.5 m, 底2.0 m), 沟深0.3 m, 沟宽0.2 m(图1)。果园为旱作, 垄上覆黑膜, 其他措施均为果园常规管理方式。

图1

Fig.1

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	图1 试验地布局Fig.1 Layout of the experiment in the field

2012年6月2日刈割白三叶, 将白三叶鲜草均匀地覆盖在苹果园垄沟里, 覆草厚度分别为5、10、15、20 cm, 以不覆草的垄沟为对照。2012年12月初, 在每个处理的垄沟中分别随机取样。用环刀分别取0-10、10-20 cm土壤, 装入塑料袋中, 每个处理3次重复, 带回实验室。剔除石块、动物和植物残体等杂物, 风干后研磨, 过1 mm筛子, 用于土壤肥力测定。

全氮用半微量凯氏法测定; 全磷采用HClO₄-H₂SO₄消煮后, 分光光度法测定; 全钾采用HF-HClO₄消煮后, 火焰光度法测定; 速效氮采用碱解扩散法测定; 速效磷采用NaHCO₃浸提后, 分光光度法测定; 速效钾采用NH₄OAc浸提后, 火焰光度法测定; 有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定^[15]。

试验土壤肥力数据用Excel 2003进行初步处理, 用SPSS 12.0软件进行One-way ANOVA方差分析。

覆草6个月后, 不同覆盖厚度的白三叶降解后, 垄沟中土壤有机质含量均较未覆盖的高, 其中, 对0-10 cm土壤有机质的影响较10-20 cm的大(图2)。覆盖5 cm白三叶的土壤, 0-10、10-20 cm土层中有机质含量分别较对照增加了0.50和0.29个百分点, 覆盖10 cm白三叶的土壤, 0-10、10-20 cm土层中有机质含量分别较对照增加了0.86和0.53个百分点, 覆盖15、20 cm白三叶的土壤也较对照有所增加。不同覆盖厚度的白三叶降解后, 0-10 cm土壤中有机质含量的增加量是10-20 cm土壤中增加量的近2倍。

图2

Fig.2

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	图2 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤有机质含量的影响 注:不同小写字母分别表示同一土层不同处理间差异显著(P< 0.05)。下同。Fig.2 Effects of covering white clover with different thickness on the organic matter content of the furrow soil in apple orchard Note: Different lower case letters show significant difference among different treatments in the same depth soil at 0.05 level. The same bellow.

覆盖白三叶在15 cm以内时, 土壤有机质含量随覆盖厚度的增加而增加, 在15 cm时, 土壤有机质含量最大; 覆盖20 cm的白三叶后, 土壤有机质含量高于0、5、10 cm处理, 但较覆盖15 cm的处理低。覆盖5、10、15和20 cm的白三叶后, 在0-10 cm土层中, 土壤有机质含量分别为1.54%、1.90%、2.42%和2.16%; 10-20 cm土壤中, 有机质含量分别为1.19%、1.43%、1.78%和1.58%。说明苹果园覆盖白三叶能明显提高土壤有机质含量, 白三叶覆盖后降解6个月时, 覆草15 cm的土壤有机质含量增加最明显。

覆盖不同厚度的白三叶后, 苹果园垄沟中土壤速效氮含量显著增加(P< 0.05), 且10-20 cm较0-10 cm的增加幅度大(图3)。覆盖厚度在15 cm以内时, 土壤速效氮含量随覆盖厚度的增加而增加, 覆盖厚度在15 cm时, 增加量最大。但是, 覆盖20 cm白三叶的土壤速效氮含量较覆盖15 cm的低。在0-10 cm土层中, 对照的土壤速效氮含量最低, 为28.64 mg· kg^-1, 显著(P< 0.05)低于除覆草厚度5 cm外的其余各处理; 覆草厚度为15 cm时, 土壤速效氮含量最高, 为47.67 mg· kg^-1, 覆草20 cm的处理次之, 为44.47 mg· kg^-1, 两者无显著差异(P> 0.05), 但均显著高于其他处理(P< 0.05)。在10-20 cm的土层中, 覆草后土壤速效氮含量较对照增加了11.94~30.23 mg· kg^-1, 其中, 覆草厚度在15 cm时, 增加量最大, 为30.23 mg· kg^-1, 覆草厚度在5 cm时, 增加量最小, 为11.94 mg· kg^-1, 除覆草厚度5和10 cm外理之间差异不显著外, 其余各处理间差异显著(P< 0.05)(图3)。说明苹果园覆盖白三叶能明显提高土壤速效氮含量, 6个月内, 当覆草厚度在15 cm左右时, 对土壤速效氮含量影响最大。

图3

Fig.3

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	图3 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤速效氮含量的影响Fig.3 Effects of covering white clover with different thickness on the available N of the furrow soil in apple orchard

各处理垄沟中0-20 cm土壤的全氮含量均显著(P< 0.05)高于对照, 且0-10 cm土壤的增加幅度较10-20 cm的大。覆盖白三叶在15 cm以内时, 土壤全氮含量随白三叶覆盖厚度的增加而增加, 覆草厚度在15 cm时, 增加量最大(图4)。覆盖20 cm的白三叶较15 cm的土壤全氮含量低, 但是高于其余各处理(P< 0.05)。在0-10 cm的土层中, 覆草后土壤全氮含量较对照增加了0.27~0.83 g· kg^-1, 其中, 覆草厚度在15 cm时, 增加量最大, 为0.83 g· kg^-1, 覆草厚度在5 cm时, 增加量最小, 为0.27 g· kg^-1, 各处理间差异显著(P< 0.05)。在10-20 cm的土层中, 覆草后全氮含量较对照增加了0.15~0.51 g· kg^-1, 变化量较0-10 cm土层要小。覆草厚度在5 cm时, 土壤全氮的增加量最小, 为0.15 g· kg^-1, 覆草厚度在15 cm时, 全氮的变化最大, 约为0.51 g· kg^-1。说明苹果园覆盖白三叶能明显提高土壤全氮含量, 当覆草厚度为15 cm时, 土壤全氮含量最高。

图4

Fig.4

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	图4 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤全氮含量的影响Fig.4 Effects of covering white clover with different thickness on the total N of the furrow soil in apple orchard

不同覆盖厚度的白三叶降解6个月后, 0-20 cm垄沟中土壤速效磷含量显著增加(P< 0.05), 但0-10 cm土壤的速效磷较10-20 cm的增加明显(图5)。当白三叶覆盖厚度在15 cm以内时, 土壤速效磷含量随覆盖厚度的增加而增加。但是, 覆盖厚度为20 cm时, 土壤的速效磷含量反而较覆盖15 cm的处理低。在0-10 cm的土层中, 覆草后土壤速效磷含量较对照增加了22.46~35.40 mg· kg^-1, 其中, 覆草厚度在5 cm时, 增加量最小, 为22.46 mg· kg^-1, 和覆盖10 cm的处理差异不显著(P> 0.05), 覆草厚度在15 cm时, 增加量最大, 为35.40 mg· kg^-1, 均显著高于其他处理(P< 0.05)。在10-20 cm的土层中, 除覆草5 cm的处理外, 土壤中速效磷含量均显著高于对照, 覆草15 cm的处理速效磷含量最高, 显著高于其余处理(图5)。说明苹果园覆盖白三叶能提高土壤速效磷含量, 当覆草厚度为15 cm时, 土壤速效磷含量增加最多。

图5

Fig.5

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	图5 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤速效磷含量的影响Fig.5 Effects of covering white clover with different thickness on the available P of the furrow soil in apple orchard

苹果园覆盖白三叶后, 垄沟中土壤0-20 cm的全磷含量显著增加(P< 0.05), 且0-10 cm的土壤较10-20 cm增加的多(图6)。当白三叶覆盖厚度在15 cm以内时, 土壤全磷含量随覆盖厚度的增加而增加, 覆草厚度在15 cm时, 增加量最大。但是, 覆盖厚度为20 cm的土壤全磷含量反而较15 cm的低。在0-10 cm的土层中, 覆草后土壤全磷含量相对于对照增加了0.45~1.01 g· kg^-1, 其中, 覆草厚度在5 cm时, 增加量最小, 为0.45 g· kg^-1, 与覆草10 cm的处理差异不显著。覆草厚度在15 cm时, 增加量最大, 为1.01 g· kg^-1, 均显著高于其他处理(P< 0.05)。在10-20 cm的土层中, 覆草后土壤中全P含量较对照增加了0.27~0.50 g· kg^-1, 变化幅度较0-10 cm土层小, 覆草5 cm的处理与10 cm的处理、覆草15 cm的处理与覆草20 cm的处理间差异不显著。说明苹果园覆盖白三叶能明显提高土壤全磷含量, 降解6个月时, 覆草厚度为15 cm的土壤全磷含量最大。

图6

Fig.6

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	图6 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤全磷含量的影响Fig.6 Effects of covering white clover with different thickness on the total P of the furrow soil in apple orchard

不同覆盖厚度白三叶降解, 可显著提高苹果园垄沟中土壤0-20 cm速效钾含量(P< 0.05), 且0-10 cm土壤较10-20 cm土壤增加的多。当覆盖厚度在15 cm以内时, 随覆盖厚度的增加, 土壤速效钾含量增加(图7)。但是, 覆盖厚度在20 cm时土壤速效钾含量反而较覆草15 cm的处理低。在0-10 cm土层中, 覆草后土壤速效钾含量是对照的1.6~2.1倍, 均显著高于对照(P< 0.05), 各处理间也差异显著。其中, 覆草厚度在15 cm时, 增加量最大, 为299.36 mg· kg^-1, 覆草厚度在5 cm时, 增加量最小, 为155.63 mg· kg^-1。在10-20 cm的土层中, 覆草5 cm后土壤中速效钾含量较对照无显著变化(P> 0.05), 其余3个处理均显著高于对照(P< 0.05), 但相互间差异不显著(P> 0.05)(图7)。说明苹果园覆盖白三叶能明显提高土壤速效钾含量, 当覆草厚度为15 cm时, 对土壤速效钾含量影响最大。

图7

Fig.7

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	图7 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤速效钾含量的影响Fig.7 Effects of covering white clover with different thickness on the available K of the furrow soil in apple orchard

覆盖的白三叶降解可显著提高苹果园垄沟0-20 cm土壤全钾含量, 各覆盖处理间土壤全钾含量无显著差异(P> 0.05), 所有处理在0-10、10-20 cm土壤中全钾含量均较对照显著增加了约0.2g· kg^-1(P< 0.05)(图8)。

图8

Fig.8

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	图8 不同覆盖厚度白三叶降解对苹果园垄沟中土壤全钾含量的影响Fig.8 Effects of covering white clover with different thickness on the total K of the furrow soil in apple orchard

已有研究表明, 植物凋落物和秸秆覆盖后降解, 均可提高森林及农田土壤肥力, 增加土壤养分、有机质含量, 但表层土壤变化最为明显^{[11, 12, 13]}。本研究也表明, 苹果园覆草能明显提高垄沟土壤有机质、速效氮、全氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾的含量。不同覆盖厚度白三叶降解后, 苹果园土壤0-20 cm的养分含量显著增加, 且基本上均表现为0-10 cm的土壤较10-20 cm的增加明显, 这可能主要是由于牧草覆盖后对浅层土壤环境影响较大造成的。一方面, 牧草覆盖后抑制了土壤无效蒸发, 使浅层土壤的湿度增加^[16], 温度和湿度变化幅度减小^[5], 为土壤微生物创造了良好的生存和繁殖条件, 微生物的大量繁殖, 可以分泌更多与土壤养分代谢有关的酶, 酶活性的增加, 促进了土壤养分的转化, 从而提高了浅层土壤有机质及速效肥含量^{[17, 18]}; 另一方面, 覆盖牧草的降解, 为微生物的活动提供了更多的养分, 改变了土壤的C/N比, 促进了微生物的生长和繁殖, 增加了酶的活性, 也促进了土壤养分的转化速度^{[18, 19]}。秸秆覆盖可明显增加苹果园各土层固氮菌的数量, 0-20 cm土层中, 年均固氮菌数量增加了123.8%; 20-40 cm土层中增加了51.6%; 40-60 cm土层中增加了103.9%, 在0-60 cm耕作层内固氮菌数量年均增加了95.5%^[20]。茶园覆盖秸秆后, 土壤有机质、速效磷等含量增加, 土壤肥力提高^[21]。同时, 覆草降解后, 有机质和无机养分随雨水渗入土壤^[22], 而土壤有机质的增加, 可吸收和保存土壤速效磷、速效钾等, 减少淋溶损失, 有机酸与土壤中原有磷、钾等矿物质养料形成络合物, 提高它们的溶解度, 并释放出来, 从而提高土壤速效磷、速效钾等的含量^[21]。

植物残体覆盖可以提高土壤肥力, 但是, 最佳覆盖厚度的确定对土壤肥力的提高具有重要意义。不同覆盖厚度白三叶降解后, 苹果园垄沟中土壤各养分含量均较未覆盖垄沟中高, 但覆草厚度在15 cm以内时, 土壤中有机质、速效氮、全氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾的含量均随覆草厚度的增加而增加。但是, 覆草厚度在20 cm时, 土壤各养分含量反而较15 cm的低。导致这种现象的原因可能是, 当覆草厚度超过15 cm, 即覆草量太多。在秸秆还田和覆盖的相关研究中也发现类似结论^[23]。张静等^[24]在研究不同玉米(Zea mays)秸秆还田量对土壤肥力及冬小麦(Triticum aestivum)产量的影响时发现, 分别施鲜玉米秸秆6 000、9 000、12 000、15 000 kg· hm^-2后, 以9 000 kg· hm^-2施用量效果最好, 既能有效提高土壤肥力, 又能提高接茬的小麦产量。这可能是因为一方面植物体覆盖过多会影响土壤的透气性^[25], 另一方面使土壤的水分含量提高、温度降低^[24], 这些均可改变土壤的微环境, 从而使土壤中参与牧草降解的动物及微生物的生活力、生长和繁殖速率、土壤养分代谢酶的活性等均较合适覆盖量时降低^{[22, 26]}, 最终导致白三叶的降解速度减缓, 降解时间延长, 造成覆盖量超过一定水平, 土壤养分含量增加量减少, 覆盖效果并不理想的现象。