果草套種對(duì)南方丘陵山地表層土壤微生物量碳氮及酶活性的影響

姚月鋒, 徐廣平, 黃玉清, 莫 凌

(廣西壯族自治區(qū) 中國科學(xué)院 廣西植物研究所 廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541006)

果草套種對(duì)南方丘陵山地表層土壤微生物量碳氮及酶活性的影響

姚月鋒, 徐廣平, 黃玉清, 莫 凌

(廣西壯族自治區(qū) 中國科學(xué)院 廣西植物研究所 廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541006)

摘要：[目的] 探究不同果草套種模式下0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮及酶活性的差異，為改善土壤肥力條件、促進(jìn)桂林旅游城市生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供理論依據(jù)。[方法] 在桂林潮田河流域大山口農(nóng)業(yè)綜合示范區(qū)內(nèi)設(shè)置樣地，采集表層(0—10 cm)土壤樣品，測定與分析不同果草套種模式下表層土壤微生物量碳、氮及酶活性的差異。[結(jié)果] 0—10 cm土層土壤氮磷鉀、土壤微生物量碳氮和土壤酶活性大小基本表現(xiàn)為：陽朔金桔+牧草>桂橙1號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地。其中，陽朔金桔+牧草模式對(duì)0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量和土壤酶活性的影響最為明顯(p<0.05)。相關(guān)性分析表明，土壤微生物量碳氮和3種土壤酶活性存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。[結(jié)論] 果草套種模式特別是陽朔金桔+牧草模式對(duì)南方丘陵山地表層土壤肥力條件的改善作用較為明顯。

關(guān)鍵詞：果草套種; 土壤微生物量碳; 土壤微生物量氮; 土壤酶活性; 丘陵山地

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其參與整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)的地球化學(xué)循環(huán)過程[1]。土壤微生物量碳(microbial biomass C， MBC)、氮(microbial biomass N， MBN)含量比較穩(wěn)定，一般占土壤有機(jī)碳和全氮比例的1%～5%，是土壤有機(jī)碳中最活躍的部分和植物所需養(yǎng)分重要的“源”和“庫”[2]。其不僅是研究土壤有機(jī)碳和氮素循環(huán)及其轉(zhuǎn)化過程的重要指標(biāo)，同時(shí)又是衡量土壤質(zhì)量、維持作物生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)。土壤酶活性作為土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)代謝所需和有效養(yǎng)分的直接反映[3]，受種植模式、地理位置、植被等諸多因子的影響[4-5]，不同生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力狀況存在較大差異[6]。盡管土壤中的酶以質(zhì)量計(jì)的數(shù)量很小，但作為土壤中生物活性最強(qiáng)的部分之一，常被用來表征土壤環(huán)境的優(yōu)劣、土壤肥力以及生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)能力的強(qiáng)弱[7-9]。

桂林地區(qū)因氣候條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)資源豐富，名優(yōu)農(nóng)特產(chǎn)品眾多，素有“桂北糧倉”之稱。近年來，作為廣西地區(qū)唯一的全國首批10個(gè)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)示范市之一，桂林市把發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)作為推動(dòng)農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展的主要途徑。其中，在水果主產(chǎn)區(qū)重點(diǎn)推廣普及的“養(yǎng)殖—沼氣—種植”三位一體的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式已逐漸成為循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系的核心之一。這種循環(huán)農(nóng)業(yè)不僅可以改善土壤肥力、提高單位面積的復(fù)種指數(shù)，同時(shí)還可以有效改善小氣候，提高生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益等[10-11]。本研究通過在桂林市潮田河流域大山口農(nóng)業(yè)綜合示范區(qū)內(nèi)，對(duì)引進(jìn)的桂橙1號(hào)、陽朔金桔和翠冠梨進(jìn)行種植，同時(shí)套種牧草，分析果草套種模式對(duì)表層土壤微生物量碳氮及酶活性的影響，以期為改善土壤肥力條件、促進(jìn)桂林旅游城市生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

取樣點(diǎn)位于桂林市潮田河流域，靈川縣潮田鄉(xiāng)大山口農(nóng)業(yè)綜合示范區(qū)(25°13′N，110°30′E)內(nèi)，海拔高度為210～240 m。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫18.7 ℃，極端最低氣溫為-4.9 ℃，極端最高氣溫為38.5 ℃，年平均日照1 614.7 h，年平均雨量1 926 mm，年平均無霜期318 d。植被類型主要以灌木為主。土壤類型為地帶性紅壤。本試驗(yàn)選擇示范區(qū)內(nèi)2009年春季新引進(jìn)種植的桂橙1號(hào)、陽朔金桔和翠冠梨樣地為研究對(duì)象，樣地內(nèi)果樹株行距為3 m×3 m。同時(shí)，選擇沒有種植果樹且沒有修整過的同一地形自然撂荒地為對(duì)照樣地。在果樹樣地內(nèi)，于2009年10月下旬套種豆科牧草白三葉(TrifoliumrepensL.，多年生)、禾本科牧草鴨茅(DactylisglomerataL.，多年生)及特高黑麥草(LoliumperenneL.，1年生)，開溝播種，豆科與禾本科牧草相間種植(表1)。于2010年4月底在特高黑麥草旁開溝播種柱花草(Stylosanthesguianensias，1年生熱帶草種，于2010年12月刈割)，2011年2月初補(bǔ)播特高黑麥草。牧草播種前樣地內(nèi)撒施300 kg/hm2的石灰及鈣鎂磷肥，并在播種后每2個(gè)月澆1次沼氣液。禾本科牧草于40～50 cm高、豆科于20～30 cm高時(shí)刈割，每年刈割3～4次。

表1　牧草播種標(biāo)準(zhǔn)

1.2　樣本采集及分析

于2011年4月28日在作物生長期進(jìn)行采樣。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)，用土鉆采集0—10 cm的表層土壤樣本，設(shè)3次重復(fù)。將樣地采集的土壤樣品，裝在無菌自封袋中，迅速置于密封冰袋容器中冷藏后帶回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃冰箱中保存。去除土樣中的植物和動(dòng)物殘?bào)w等雜質(zhì)，混合均勻后風(fēng)干、磨細(xì)過100目篩，置于干燥陰涼處密封保存。

土壤氮磷鉀指標(biāo)采用常規(guī)方法進(jìn)行測定[12]。土壤微生物量碳用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法，島津TOC-VCPH分析儀測定，計(jì)算公式為：

MBC=2.22Ec

式中：Ec——熏蒸與未熏蒸土樣有機(jī)碳的差值[13]。

土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸浸提—全氮測定法測定[14]。土壤脲酶采用苯酚鈉比色法，以37 ℃在脲酶作用下24 h內(nèi)每克土中生成的NH3—N質(zhì)量表示(mg/g)；蛋白酶用銅鹽比色法，以37 ℃在蛋白酶作用下24 h 內(nèi)每克土中生成的氨基氮質(zhì)量表示(mg/g)；過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法，以在過氧化氫酶作用下每克土24 h所消耗的0.1 mol/L KMnO4的體積表示[15]。

2結(jié)果與分析

2.1　不同果草套種模式表層土壤氮磷鉀

由表2所示，經(jīng)過不同果草套種模式處理，南方丘陵山地0—10 cm土層土壤的氮磷鉀含量變化較大。其中，陽朔金桔+牧草模式處理0—10 cm土層土壤的全氮、全磷、全鉀及其速效成分含量最高，分別達(dá)0.31，0.62，7.48，43.28，14.75和48.36 mg/kg。而對(duì)照樣地全氮、全磷、全鉀及其速效成分含量均最低，分別為0.13，0.42，4.04，31.56，9.75和35.46 mg/kg，顯著低于3種不同果草套種模式(p<0.05)。3種不同果草套種模式下，桂橙1號(hào)+牧草和陽朔金桔+牧草0—10 cm土層土壤全鉀、速效氮、速效磷差異不顯著(p>0.05)。同時(shí)，桂橙1號(hào)+牧草與翠冠梨+牧草表層土壤全磷差異也不顯著(p>0.05)。而3種不同果草套種模式0—10 cm土層土壤全氮、速效鉀差異顯著(p<0.05)。

表2　不同果草套種模式處理對(duì)表層土壤氮磷鉀的影響

注：不同指標(biāo)同列中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2　不同果草套種模式表層土壤微生物量碳氮

果草套種模式下樣地0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量均顯著高于對(duì)照樣地(p<0.05)，依次表現(xiàn)為：陽朔金桔+牧草>桂橙1號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地(表3)。LSD分析結(jié)果表明，陽朔金桔+牧草模式樣地0—10 cm土層微生物量碳、氮含量顯著高于桂橙1號(hào)+牧草、翠冠梨+牧草模式(p<0.05)，分別為350.50和7.21 mg/kg。而對(duì)照樣地0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量最低，分別為214.89和3.05 mg/kg。不同果草套種模式下0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤微生物量碳和氮相關(guān)性顯著(r=0.992，p<0.01)，說明不同果草套種模式下土壤碳、氮相互作用關(guān)系密切。

表3　不同果草套種模式處理對(duì)表層土壤

2.3　不同果草套種模式表層土壤酶活性

不同果草套種模式對(duì)0—10 cm土層土壤脲酶活性影響差異顯著(p<0.01)(圖1)，其中，陽朔金桔+牧草模式的0—10 cm土層土壤脲酶活性最高為1.95 mg/g，而對(duì)照樣地的最低為0.92 mg/g。在0—10 cm土層中土壤脲酶活性大小表現(xiàn)為：陽朔金桔+牧草>桂橙1號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地。果草套種模式明顯提高0—10 cm土層土壤蛋白酶活性。3種果草套種模式的土壤蛋白酶活性與對(duì)照樣地間的差異顯著(p<0.01)，但3種果草套種模式的土壤蛋白酶差異不顯著(p>0.01)。陽朔金桔+牧草模式的0—10 cm土層土壤蛋白酶活性最高為0.79 mg/g，而撂荒地的最低為0.37 mg/g，各模式間0—10 cm土層土壤蛋白酶活性大小依次為：陽朔金桔+牧草>桂橙1號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地。不同果草套種模式中，陽朔金桔+牧草模式的0—10 cm土層土壤過氧化氫酶活性最高為2.95 mg/g，而對(duì)照樣地最低為1.91 mg/g。除陽朔金桔+牧草模式與其他果草套種模式間0—10 cm土層土壤過氧化氫酶活性大小差異顯著外(p<0.01)，桂橙1號(hào)+牧草、翠冠梨+牧草與對(duì)照樣地間差異不顯著(p>0.01)，表明陽朔金桔+牧草模式相比其他模式對(duì)表層土壤過氧化氫酶活性的影響最大。

圖1　不同果草套種模式0-10 cm土層土壤酶活性

3討 論

果草套種模式即有利于改善土壤理化性質(zhì)、增加果樹產(chǎn)量，同時(shí)改善土壤—植被—大氣的環(huán)境，使其形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[11,16]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，發(fā)展經(jīng)濟(jì)果樹種植已成為廣西區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的主要途徑。“桂橙1號(hào)”是廣西地區(qū)首個(gè)通過審定的甜橙新品種。陽朔金桔以樹形挺直美觀、四季常青，果實(shí)金黃亮麗，品質(zhì)細(xì)嫩清脆、甜酸適度而聞名于世。翠冠梨屬砂梨系，可溶性固形物含量12%～14%。因此，通過對(duì)以上3種水果的引進(jìn)種植，同時(shí)套種牧草，分析果草套種模式下的表層土壤微生物量碳氮及酶活性的響應(yīng)，以期為促進(jìn)桂林旅游城市生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

本研究中3種果草套種模式下的0—10 cm土層土壤全氮、全磷、全鉀及其有效成分含量均明顯高于對(duì)照樣地，說明合理的施肥、果草套種等人為措施可以改良土壤環(huán)境條件，從而促進(jìn)果樹及牧草的成長。同時(shí)，3種果草套種模式下0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量明顯高于對(duì)照樣地，表明果草套種模式可以有效促進(jìn)土壤微生物量碳、氮含量的提高。其中，陽朔金桔+牧草模式對(duì)土壤微生物量碳、氮含量的影響尤為顯著。而對(duì)照樣地中，由于地表未套種果樹及牧草，加上土壤微生物的呼吸作用，0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量明顯低于其他果草套種模式。在套種的牧草當(dāng)中，白三葉、柱花草作為豆科植物，具有發(fā)達(dá)的根瘤菌，有很強(qiáng)的固氮能力，可以明顯提高土壤氮的含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤微生物的生長[17-18]。此外，白三葉草在高溫干旱季節(jié)地上部分枯萎死亡，在土壤表面可以形成覆蓋物，其木質(zhì)素及蛋白質(zhì)復(fù)合體在土壤中形成土壤有機(jī)質(zhì)，明顯增加了土壤微生物量碳氮含量，有效增加土壤肥力[19]。這表明在果草套種模式下，通過果草有機(jī)體的分解、根系分泌物以及豆科植物根瘤菌的固氮作用向土壤中提供碳源、氮源物質(zhì)，有助于提高土壤微生物量碳氮含量。俞慎[20]等在研究馬尾松林、小葉櫟林、馬尾松和小葉櫟混交林以及荒地的紅壤微生物量碳含量表明，荒地表層土壤微生物量碳的含量相比其他3種不同植被覆蓋下最低。王光華[21]等研究也表明休閑裸地表層土壤微生物量碳與其他種植作物的土地管理方式相比最低，這與地面上缺乏套種作物為微生物生長提供可利用的能源少有關(guān)。土壤微生物量的變化主要受環(huán)境條件、植物生長、土地利用模式等因素的綜合影響[2]。果草套種模式不同，植物殘?bào)w和根系殘留物及根系分泌物在土壤中積累亦不同，則土壤微生物所得碳源數(shù)量不同，從而使土壤微生物量碳、氮在不同果草套種模式下表現(xiàn)出較大差異。果草套種模式下，枯枝落葉和植物根系的分泌物和脫落物向土壤提供了大量的功能物質(zhì)，同時(shí)促進(jìn)了土壤微生物的繁殖，增加了土壤微生物量碳氮含量。土壤微生物量碳氮含量的增加，表明果草套種模式下的土壤條件更適合于土壤微生物生存和繁殖。

土壤酶是土壤中活躍的有機(jī)成分之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起到重要的作用[22]。由于土壤酶主要來自土壤微生物、植物根系和土壤動(dòng)物，因此，不同果草套種模式下0—10 cm表層土壤脲酶、蛋白酶和過氧化氫酶的酶活性間存在著顯著的差異性。其中，陽朔金桔+牧草模式下0—10 cm土層土壤酶尤其為脲酶和過氧化氫酶的活性最活躍，而對(duì)照樣地的3種土壤酶活性最差，表明經(jīng)過果草套種，土壤的酶活性得到提高；而在對(duì)照樣地中，由于缺乏植物有機(jī)體的分泌物和凋落物向土壤提供有機(jī)碳，使得表層土壤的微生物量碳、氮和相應(yīng)的酶活性降低，導(dǎo)致土壤肥力下降。分別對(duì)不同果草套種模式的土壤微生物量碳、氮和土壤酶進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，土壤微生物量碳、氮與土壤酶活性都存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)的范圍為0.83～0.99(p<0.01)。表明土壤酶活性與土壤微生物存在著密切的關(guān)系。通過果草套種、合理的施肥、割草等人為措施可以改良土壤環(huán)境條件，增加土壤微生物量、提供土壤酶活性，進(jìn)而促進(jìn)果樹與牧草的生長。

4結(jié) 論

(1) 在果草套種模式下，0—10 cm土層土壤的全氮、全磷、全鉀及其速效成分含量大小依次表現(xiàn)為：陽朔金桔+牧草>桂橙1號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地，合理的人為措施可以提高0—10 cm土層土壤全氮、全磷、全鉀及其速效成分，改善土壤肥力條件。

(2) 不同果草套種模式對(duì)0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量有顯著影響，其影響大小依次表現(xiàn)為：陽朔金桔+牧草>桂橙1號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地。其中，陽朔金桔+牧草模式樣地0—10 cm土層微生物量碳、氮含量顯著高于其他果草套種模式。各果草套種模式下0—10 cm土層土壤微生物量碳、氮相關(guān)性顯著，彼此間相互作用關(guān)系密切。

(3) 陽朔金桔+牧草模式對(duì)0—10 cm土層土壤酶活性的影響最為顯著。不同果草套種模式下0—10 cm土層土壤3種酶(脲酶、蛋白酶、過氧化氫酶)的酶活性大小均表現(xiàn)為：陽朔金桔+牧草>桂橙一號(hào)+牧草>翠冠梨+牧草>對(duì)照樣地。

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Effects of Fruit and Grass Intercropping on Soil Microbial Biomass C, N and Soil Enzyme Activities in Hilly Lands of Southern China

YAO Yuefeng, XU Guangping, HUANG Yuqing, MO Ling

(GuangxiKeyLaboratoryofPlantConservationandRestorationEcologyinKarstTerrain，GuangxiInstituteofBotany,CASandGuangxiZhuangAutonomousRegion,Guilin，Guangxi541006,China)

Abstract：[Objection] Differences of soil microbial biomass carbon, nitrogen and soil enzyme activities in different patterns of fruit and grass intercropping were compared in order to provide a support for soil fertility melioration and agriculture modernization. [Methods] Top soil layer(0—10 cm) from four patterns of fruit and grass intercropping was sampled in sites of Dashankou comprehensive agriculture demonstration zone, which located at Chaotian watershed of Guilin area. Variance and correlation analyses were used to compare the differences of soil microbial biomass carbon, nitrogen and soil enzyme activities. [Result] Soil total nitrogen, total phosphorus, total potassium and their available components, soil microbial biomass carbon, nitrogen and soil enzyme activities behaved almost similar ranks as: Fortunella margarita+grass>Guicheng No.1+grass>Pyrus spp+grass>control plot. Pattern of Fortunella margarita+grass intercropping had significant effects on soil microbial biomass carbon, nitrogen and soil enzyme activities(p<0.05). This pattern ameliorated soil better than other patterns did. There existed positive correlations between soil microbial biomass carbon, biomass nitrogen and soil enzyme activities. [Conclusion] Fruit and grass intercropping, especially the pattern of Fortunella margarita+grass, had significant effects on soil amelioration in hilly lands in the southern of China.

Keywords:fruit and grass intercropping model; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil enzyme activity; hilly lands

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0053-05

中圖分類號(hào)：S154.3

通信作者：莫凌(1974—),女(漢族),廣西自治區(qū)來賓縣人,學(xué)士,副研究員,主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。E-mail:ml@gxib.cn。

收稿日期：2014-10-31修回日期：2014-12-04

資助項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“漓江流域遙感動(dòng)態(tài)評(píng)估與監(jiān)管技術(shù)體系研究； 漓江流域面源污染和水土流失治理技術(shù)研究與示范”(2012BAC16B01/2); 廣西科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1298006-2); 廣西科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(13YJ22ZWS22); 廣西植物研究所基本業(yè)務(wù)費(fèi)(13010; 12001)

第一作者：姚月鋒(1981—),男(漢族),廣西自治區(qū)靈山縣人,博士,助理研究員,主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。E-mail:yuefeng.yao@yahoo.com。