顾美英，徐万里，马 凯，欧提库尔·玛合木提，张志东，朱 静，唐琦勇，楚 敏，张丽娟

(1.新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室，乌鲁木齐 830091；2. 新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；3. 新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】核桃(JuglansregiaL.)是我国重要的经济树种、用材树种，生态树种和生物能源树种[1]。新疆是核桃主产区，主要集中在环塔里木盆地的灌溉绿州区，包括阿克苏、喀什、和田等地。近几年新疆大力发展林果业，核桃的种植面积已超过30×104hm2[2]。由于栽培技术和水肥管理粗放，多年定植的核桃园出现一定的生长障碍问题，如树体早衰、抗逆性差、根茎腐烂病等，产量低、品质优劣混杂[3-4]。评价新疆南疆不同定植年限核桃土壤微生物生态健康，对分析该核桃园土壤退化有实际意义。【前人研究进展】果树产量、品质与土壤生态系统健康具有一定相关性，而土壤微生物生态健康是土壤肥力的重要组成部分，其健康程度，将直接关系到果树的生长发育以及果品质量[5-6]。不同定植年限的树木土壤微生物生态健康与环境、施肥、病害和凋落物、根系分泌物等分泌的化感物质累积等关系密切[7-10]。木麻黄海防林成熟林中土壤微生物群落丰富度和均匀程度以及氧化还原酶类活性随林龄增长而逐渐降低，是地力衰退的一个重要原因[11]。朱海云等[12]研究表明，随种植年限增加，猕猴桃园土壤微生物功能多样性降低，应合理加大有机肥施用量，适量减少有效磷和速效钾的施用量。大叶女贞土壤随种植年限增加逐渐酸化和盐渍化，微生物多样性逐年降低，逐渐由“细菌型”向“真菌型”转化，活性有机碳含量逐年降低，尖孢镰刀菌数量逐渐增加，大叶女贞枯萎病逐年加重[13]。小黑杨防护林土壤质量随龄期而变化，微生物量碳和微生物量氮与土壤养分均呈较强相关性；近熟林土壤质量指数最低，后熟林土壤质量指数最高；10～20 cm土层土壤质量高于0～10 cm土层[14]。土壤养分、微生物相互作用和病原体宿主特异性在植物健康中发挥重要作用，多年种植造成果园土壤质量下降已成为威胁果园生态健康的一个重要问题。【本研究切入点】目前，针对多年生树木定植年限对土壤微生物生态健康也有较多研究，但缺乏对核桃不同定植年限下土壤理化性状、微生物数量和土壤酶等微生物生态健康的综合评价。核桃为多年生果树，不同定植年限核桃的根系分布和对养分需求不同，导致土壤营养状况不同[2]。李志军等[15]研究表明，随着树龄的增加，核桃园土壤养分总体呈现先增加后减小的趋势，土壤有机质、氮、磷养分元素缺乏，已成为可能影响核桃产量和品质进一步提高的主要因子之一。土壤养分的差异将导致核桃树体及土壤中微生物群落数量和活性的变化，果树的抗病性也发生了相应的改变[16]。对土壤生态健康评价的方法较多，主成分-聚类分析是近年来应用较广泛的统计方法，是以各原始指标为变量，从中提取出主成分，再以各主成分得分作为评价新指标，进行聚类分析[17]。开展不同定植年限核桃园土壤微生物生态健康的研究尤为必要。【拟解决的关键问题】调查与分析不同定植年限核桃园土壤养分、土壤酶和微生物数量的关系，并采用主成分分析、聚类分析等统计学手段，构建综合评价模型，对核桃土壤微生物生态健康进行评价，为评估不同定植年限核桃园土壤微生物生态健康以及指导核桃园合理管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

样品采自新疆喀什地区叶城县(76°08′～78°31′E，35°28′～38°34′N)，该地区位于昆仑山北麓，海拔最低1 200 m，最高处为7 000 m左右，属暖温带极干旱气候区。北部平原热量资源丰富，年平均气温11.4℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-22.7℃，年平均日照时数2 742 h，无霜期234 d，年均降水量53.2 mm，蒸发量2 489 mm[18]。

土壤样品于2018年11月采自叶城县土古其乡，在尽可能小的范围内，选取5年、8～10年、15年和20～25年生长年限的典型核桃园，选取能代表这个果园树龄阶段、长势均匀的样株3株。0～20 cm土样按年限依次编号为a-1、b-1、c-1和d-1；20～40 cm土样编号分别为a-2、b-2、c-2和d-2。在树冠投影边缘位置(此处是核桃毛细根最密集的地方)，树东西南北4个方向选点，0～20 cm表层和20～40 cm亚表层分别取土，混合均匀为一个土样。每个土样四分法混匀后，选取一部分装封口袋，冷藏，供分析土壤微生物；另一部分风干，测定土壤理化性质和土壤酶。

1.2 方 法

1.2.1 土壤理化性质的测定

采集的土壤样品，自然风干后，按照常规方法进行土壤pH值、总盐、有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾的测定[19]。pH值采用电位法、有机质测定采用重铬酸钾容量法，全氮测定采用凯氏定氮法，速效氮测定采用碱解扩散法，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法。

1.2.2 土壤微生物数量测定

平板涂抹培养计数法分析[20]。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用改良的高氏一号培养基(每300 mL培养基中加3%重铬酸钾1 mL)，真菌采用PDA培养基(每100 mL培养基加1%链霉素溶液0.3 mL)。

1.2.3 土壤酶活性测定

土壤脲酶和蔗糖酶活性的测定分别使用南京建成生物工程研究所土壤脲酶(S-UE)试剂盒和土壤蔗糖酶(S-SC)试剂盒，采用比色法进行测定。

1.3 数据处理

数据采用DPS v9.50版软件进行方差分析、主成分分析和聚类分析等工作，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)、最小显著差数法(LSD)进行多重比较差异显著性检验(P<0.05)。采用WPS office 2016进行试验数据处理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同定植年限核桃土壤微生物生态各评价指标

2.1.1 不同定植年限核桃土壤理化性质特征

研究表明，不同定植年限和土层的核桃土壤pH值分布在8.26～8.53，属碱性土壤。土壤pH在0～20 cm表层差异不显著，随着定植年限的增加，pH呈降低趋势；20～40 cm亚表层pH随定植年限增加呈先增加后降低趋势。随着土层加深，pH变化没有明显的规律性。随着土层加深，核桃土壤总盐含量总体降低，但20～25年后有所升高；不同定植年限核桃同一土层土壤总盐含量差异较显著，0～20 cm表层8～10年生最高，为2.00 g/kg；0～20 cm表层随定植年限增加呈先增加后降低趋势，而20～40 cm亚表层则差异不显著。

全氮和有机质含量随土层的加深表现出降低趋势。随着定植年限延长，0～20 cm和20～40 cm土层，均表现为8～10年含量最低，全氮含量分别为0.45和0.38 g/kg，有机质含量分别为8.78和7.00 g/kg，其余定植年限差异不显著，总体呈先降低后升高趋势。速效氮、速效磷和速效钾含量0～20 cm表层呈先升高后降低趋势，15年含量最高，分别为99.00、12.80和203.00 mg/kg；20～40 cm亚表层，10～15年速效氮和速效磷含量最高，分别为189.00和14.80 mg/kg，速效钾含量总体呈上升趋势，20～25年达最高，含量为136.00 mg/kg。同一年限，随土层加深，没有明显规律性。速效氮除8～10年土壤亚表层土壤显著高于表层土壤外，其余均呈降低趋势；速效磷含量定植5～10年表层土壤低于亚表层土壤，15年以后则差异不显著；速效钾含量呈下降趋势。表1

2.1.2 不同定植年限核桃土壤微生物数量特征

研究表明，同一定植年限随着土层加深细菌、放线菌和真菌数量显著减少。不同定植年限核桃土壤微生物数量变化表现出不同趋势。0～20 cm表层土壤随着定植年限延长，细菌数量总体表现为8～10年>5年>20～25年>15年；放线菌数量总体表现为20～25年>5年>15年>8～10年；真菌数量总体表现为8～10年>20～25年>5年>15年。20～40 cm亚表层土壤随着定植年限延长，细菌数量总体表现为8～10年>5年>15年>20～25年；放线菌数量总体表现为20～25年>15年>8～10年>5年；真菌数量总体表现为20～25年>8～10年>5年>15年。图1

注(Note)：细菌Bacteria ( 107 CFU/g ，放线菌 Actinomycetes(106CFU/g，真菌 Fungi (104CFU/g)

2.1.3 不同定植年限核桃土壤酶活性特征

研究表明，土壤酶在垂直分布上具有较为明显的特征，不同土层间差异显著，随着土层的加深脲酶活性降低。蔗糖酶活性除定植5年土壤20～40 cm亚表层活性高于0～20 cm表层外，定植8～10年后随着土层的加深酶活降低。不同定植年限之间，2种酶活性也存在较大差异，0～20 cm表层，随着定植年限的增大，脲酶活性表现为5年>8～10年>20～25年>15年，蔗糖酶活性表现为15年>20～25年>8～10年>5年；20～40 cm亚表层，随着定植年限的增大，脲酶活性表现为20～25年>8～10年>15年>5年，蔗糖酶活性表现为5年>8～10年>20～25年>15年。图2

图2 不同定植年限下核桃土壤酶活性变化Fig.2 Effect of different planting years on soil enzyme activitiesin walnut

2.1.4 土壤微生物生态因子的相关性

研究表明，0～20 cm核桃表层土壤细菌与pH呈极显著正相关(P<0.01)，与有机质含量呈极显著负相关(P<0.01)，与速效氮呈显著负相关(P<0.05)；放线菌与总盐呈极显著负相关(P<0.01)，与全氮含量呈极显著正相关(P<0.01)。真菌与速效氮呈显著负相关(P<0.05)；脲酶与速效钾呈极显著负相关(P<0.01)，与速效氮和速效磷呈显著负相关(P<0.05)；蔗糖酶与速效钾呈极显著正相关(P<0.01)，与速效磷呈显著正相关(P<0.05)。20～40 cm核桃亚表层土壤细菌与速效氮呈极显著正相关(P<0.01)，与速效钾呈极显著负相关(P<0.01)；放线菌与有机质呈极显著正相关(P<0.01)；真菌与总盐呈显著负相关(P<0.05)，与有机质呈显著正相关(P<0.05)；脲酶与有机质呈显著正相关(P<0.05)；蔗糖酶与pH呈显著负相关(P<0.05)。表2

表2 土壤微生物生态因子间的相关性Table 2 Pearson correlation coefficients among soil microbial ecology

2.2 土壤微生物生态因子的主成分评价

2.2.1 主成分提取、方差贡献率及特征向量

研究表明，0～20 cm表层共提取主成分3个，特征值分别为6.977、3.978、1.046，方差贡献率分别为58.139%、33.148%、8.713%，涵盖了所有的原始数据信息。第一主成分和第二主成分的方差贡献率较大，累计贡献率为91.287%。主成分因子载荷显示，对第一主成分贡献最大的指标中，细菌和pH与主成分1呈极显著负相关，有机质、速效氮和速效钾呈显著正相关，脲酶呈显著负相关，真菌呈负相关，蔗糖酶呈正相关；对第二主成分贡献最大的指标中，放线菌和全氮与主成分2呈显著负相关，速效磷呈显著正相关。

20～40 cm亚表层共提取主成分3个，特征值分别为6.192、3.979、1.829，方差贡献率分别为51.600%、33.158%、15.242%；第一主成分和第二主成分的方差贡献率较大，累计贡献率为84.758%。其中对第一主成分贡献最大的指标中，放线菌、全氮和有机质与主成分1呈极显著负相关，速效钾和脲酶与主成分1呈显著正相关，细菌与主成分1呈负相关，细菌与主成分1呈负相关。对第二主成分贡献最大的指标中，pH与速效氮与主成分2呈显著正相关，总盐呈负相关。表3

2.2.2 计算主成分得分、综合评价

研究表明，0～20 cm表层核桃定植15年左右的土壤微生物生态条件最好，其次分别为20～25年>8～10年>5年；20～40 cm亚表层核桃定植20～25年左右的土壤微生物生态条件最好，其次分别为8～10年>15年>5年。表4

不同定植年限核桃土壤聚类结果与主成分综合得分排序较吻合。0～20 cm表层土壤划分为3类，第一类为5年和20～25年土壤，这2个土壤微生物生态综合质量较为接近；第二类为8～10年土壤；15年土壤划为第三类，其主成分综合得分最高，土壤微生物生态最好。20～40 cm亚表层土壤也划分为3类，第一类为5年和15年土壤，这2个土壤微生物生态综合质量较为接近；第二类为8～10年土壤；20～25年土壤划为第三类，其主成分综合得分最高，土壤微生物生态最好。图3

表3 因子载荷与特征向量Table 3 Factor loadings and eigenvectors of matrix

表4 不同定植年限核桃土壤在PC1、PC2和PC3上的综合得分Fig.4 Comprehensive scores of walnut soil on PC1、PC2 and PC3 with different planting years

图3 不同定植年限核桃土壤微生物生态的聚类Fig.3 Hierarchical cluster analysis of soil microbial ecology of walnut in different years

3 讨 论

土壤作为植物生长的载体和所需养分的主要来源，对植物生长起着非常重要的作用。土壤理化性质是土壤的重要参数，反映了土壤为植物生长发育供应、协调营养元素(水分和养分)的能力[21]。不同种植年限树木受根系活动和地上有机体累积、施肥、枯枝落叶和根系分泌物等的影响，土壤特性、肥力和结构、微生物群落多样性发生相应的改变[22-24]。研究表明，随着核桃树定植年限的延长，表层土壤pH除与光照、降雨和施肥等因素关系密切外，枯落物分解和根际过程的变化也可导致土壤表层pH降低，而深层土壤在核桃树生长初期pH值升高，随着树木的生长，根系分泌物的增加，导致土壤酸化，pH逐渐降低，这与雷泽勇等和李歆博等的研究结果一致[25-26]。由于直接受气候和人为等因素干扰[27]，总盐含量对表层土壤影响较大，表层土壤高于亚表层土壤，在剖面垂直分布上呈现表聚性，且0～20 cm土层随定植年限增加呈先增加后降低的趋势，而20～40 cm土层则差异不显著。不同定植年限核桃土壤养分在不同年限及土层均有差异。随着土层深入，土壤养分指标除速效磷外，其余养分含量总体呈逐渐降低趋势，呈现明显的表聚现象，这与地上凋落物的分解转化和深层土壤被转化利用的植物根系减少及肥料主要分布在土壤表层有关[28-29]。10～15年生核桃树处于旺盛生长期，根系吸收养分量大，导致土壤中有机质、全氮和速效氮含量最少，而随着定植年限延长，枯枝落叶和根系分泌物累积造成土壤有机质含量增高，但核桃树处于逐渐衰老期，根系吸收能力下降，进而导致土壤中养分含量升高[30]。因此，在核桃定植10～15年前后应注意土壤中有机质和氮素的补充，以防地力衰退。

土壤微生物是土壤生态系统中极其重要和最为活跃的部分，在土壤养分转化循环、系统稳定性和抗干扰能力以及土壤可持续生产力中占据主导地位，其中细菌、真菌和放线菌是其中主要的3大类群，其组成和数量变化是表征土壤生态环境质量最为重要的生物学指标[31]。研究表明，同一定植年限细菌、放线菌和真菌数量存在表聚现象，这与土壤养分含量的趋势一致，说明微生物数量与土层养分状况存在密切的关系。土壤微生物随定植年限变化是一个复杂的过程，研究表明，随着核桃定植年限的延长，土壤细菌数量呈先升高后降低趋势，放线菌和真菌数量有增长趋势。树木凋落物和根系分泌物积累产生的化感效应对不同年限树木土壤微生物的影响较大，研究表明，种植初期，凋落物和根系分泌物浓度较低，对土壤细菌起促进作用，而随着种植年限延长，凋落物和根系分泌物浓度变高，对部分微生物产生毒害作用，抑制了细菌的生长和繁殖，间接提高了真菌和放线菌的养分竞争力，诱导土壤致病菌数量增加[32]。相关性研究表明，不同定植年限和不同土层土壤微生物与理化性质之间存在着一定的关联。其中0～20 cm土壤细菌与pH、有机质和速效氮，放线菌与总盐和全氮，真菌与速效氮之间关系密切；20～40 cm土壤细菌与速效氮和速效钾，放线菌与有机质，真菌与总盐和有机质之间关系密切。

土壤酶和微生物作为土壤生物化学过程的积极参与者，驱动着土壤生态系统养分的循环和控制生态系统的功能[33]。研究表明，2种土壤酶活性均是随着土层深度增加土壤酶活性总体降低。这与于德良等[33]的研究结果一致，由于土壤养分和微生物表现出的表聚性，使得随着土层的加深，参与各种酶反应的底物含量减少，土壤性状变差，土壤酶活性也表现出随着土层加深而降低的趋势[34]。但不同定植年限土壤脲酶和蔗糖酶活性没有明显变化规律，分别与土壤氮素和有机质含量的相关性研究表明，除0～20 cm土层速效氮对脲酶的影响较大外，其余相关性均不显著，这可能是环境、施肥和凋落物、根系分泌物、微生物等对土壤酶的综合影响[35]，对不同定植年限土壤酶的研究还需深入进行。

由于核桃定植年限较长，受环境、凋落物、根系分泌物和施肥等多方面影响，土壤微生物生态较为复杂，采用主成分-聚类分析进行评价，不仅简化了原始变量，降低了主观随意性，而且消除了多指标间的相互影响，提高了综合评价结果的准确性。幼龄期核桃表层和亚表层土壤微生物生态健康水平较低，应增施有机肥和加强田间管理，以提高土壤肥料、增强树势，促进核桃树生长。核桃表层土壤在壮龄期时达到最高，随后有所下降；而亚表层土壤在成熟期后土壤微生物生态健康水平仍较高，这可能是凋落物和根系分泌物双重作用的结果。

4 结 论

4.1不同定植年限核桃土壤微生物生态因子有一定差异。随着核桃定植年限的延长，表层(0～20 cm)和亚表层(20～40 cm)土壤pH总体呈酸化趋势。土壤总盐和除速效磷外的其余养分含量有明显表聚现象，全氮和有机质含量呈先降低后升高趋势。土壤可培养细菌、放线菌和真菌数量也存在表聚现象，随着核桃定植年限延长，土壤细菌数量呈先升高后降低趋势，放线菌和真菌数量有增长趋势。脲酶和蔗糖酶活性随土层深度增加总体降低，但不同定植年限没有明显变化规律。各微生物生态因子之间关系密切，土壤pH、总盐和养分含量与细菌、放线菌、真菌和土壤酶之间呈极显著或显著相关。

4.2运用主成分-聚类分析对不同定植年限和不同土层核桃土壤微生物生态的12个指标进行综合评价，0～20 cm土层提取2个主成分累积贡献率达91.287%，第一主成分以pH、有机质、速效氮和速效钾、细菌、脲酶的贡献最大；第二主成分以全氮、速效磷、放线菌的贡献最大。20～40 cm土层2个主成分累积贡献率达84.758%，第一主成分以全氮、有机质、速效钾、放线菌的贡献最大；第二主成分以速效氮、pH的贡献最大。0～20 cm表层土壤微生物生态综合得分排名为核桃定植15年>20～25年>8～10年>5年；20～40 cm亚表层土壤为核桃定植20～25年>8～10年>15年>5年。5年定植的核桃土壤微生物生态条件最差；0～20 cm表层定植15年、20～40 cm亚表层定植20～25年核桃土壤微生物生态条件最好。