生草栽培下果園土壤酶活性與肥力因子的關(guān)系

方凱凱 賈曼莉 杜毅飛 王志康 李會科

摘要：為探究生草栽培下土壤酶活性與肥力因子的關(guān)系，通過短期室內(nèi)培養(yǎng)法測定蘋果園清耕、蘋果‖百脈根間作、蘋果‖白三葉間作、蘋果‖小冠花間作、蘋果‖雞腳草間作這5種管理模式下，土壤理化性質(zhì)變化和4種土壤酶活性。結(jié)果表明，土壤剖面中4種酶活性的變化趨勢是表層明顯高于下層。土壤酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)。通徑分析結(jié)果表明，土壤肥力因子對纖維素酶活性的直接作用系數(shù)從小到大依次為有機(jī)質(zhì)含量>全氮含量>pH值>速效鉀含量，有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量是影響土壤酶活性的最主要因素，而速效鉀含量和pH值含量的直接和間接通徑系數(shù)相對較小，是影響土壤酶活性的次要因素。

關(guān)鍵詞：生草；肥力因子；通徑分析；酶活性

中圖分類號： S812.8；S158文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0461-06

土壤酶常以穩(wěn)定蛋白質(zhì)形態(tài)存在，是具有高度催化作用的生物催化劑，土壤中的一切生物化學(xué)過程都是在土壤酶的作用下進(jìn)行的。土壤酶素參與包括土壤生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)，既是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，又是植物營養(yǎng)元素的活性庫[1-5]。土壤酶活性反映了土壤營養(yǎng)循環(huán)過程的速率[6-7]，可作為土壤生物功能多樣性的指標(biāo)[8]、土壤生產(chǎn)力[9]和微生物活性潛力的指標(biāo)[10]，土壤酶活性能夠及時反映土地利用和生物的改變[2]。因此，研究土壤酶活性，有助于了解土壤的供肥能力，并可用其作為評判土壤肥力的輔助指標(biāo)。土壤酶活性與土壤肥力狀況的關(guān)系歷來為各國學(xué)者所關(guān)注，但目前所用的分析方法多見于簡單相關(guān)、多元回歸分析。應(yīng)用通徑分析不僅能測定兩變數(shù)間的相互關(guān)系，而且還能給出原因?qū)Y(jié)果的重要性，并可將相關(guān)系數(shù)分解為直接作用和間接作用，提示各個因素對結(jié)果的相對重要性[11-12]。通過通徑系數(shù)的大小與正負(fù)來表示自變量對應(yīng)變量的大小與方向，且通徑系數(shù)之間可進(jìn)行相互比較，比相關(guān)分析提供更多的信息[11-14]。

長期以來，酶活性研究已成為土壤學(xué)的研究熱點(diǎn)，但國內(nèi)外學(xué)者對酶活性的研究主要集中在農(nóng)田[15-16]、森林[17-18]、草地[19-20]生態(tài)系統(tǒng)，對生草種植下的蘋果園生態(tài)系統(tǒng)的研究還較少。本研究以渭北黃土高原蘋果園為例，對4種生草栽培下的土壤不同酶活性及理化性質(zhì)進(jìn)行深入的探討，應(yīng)用通徑分析方法定量解釋土壤酶活性與理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，以期進(jìn)一步闡明渭北蘋果園土壤酶活性特征，并揭示其對土壤肥力因子的指示作用，為渭北黃土高原蘋果園的合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)，同時豐富我國黃土高原蘋果園土壤酶活性研究的基礎(chǔ)資料。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)是白水縣中部杜康鎮(zhèn)塬面西北農(nóng)林科技大學(xué)蘋果試驗(yàn)站果園，位于渭北黃土高原蘋果代表產(chǎn)區(qū)白水縣，地處109°16′～109°45′E，35°4′～35°27′N，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔850 m左右，土壤為黃綿土，土層深厚，剖面質(zhì)地均勻，多年平均氣溫11.4 ℃，多年平均降水量 577.8 mm，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，日照充足，光熱資源豐富，全年無霜期207 d。蘋果品種為十三年生喬化紅富士[富士/新疆野蘋果（Malus demestica Borkh）]，栽植密度 3 m×8 m。

1.2試驗(yàn)設(shè)計與土壤樣品采集

[CM（24]選取蘋果園清耕、蘋果‖百脈根、蘋果‖雞腳草、蘋果‖[CM）]〖LM〗白三葉、蘋果‖小冠花間作5種管理模式（下文分別用對照、百脈根、雞腳草、白三葉和小冠花簡稱），每個模式重復(fù)3次，共有9個小區(qū)，每小區(qū)面積是30 m2（6棵蘋果樹），2005年3月進(jìn)行間生草播種，現(xiàn)已持續(xù)種生草7年，播前深翻整地，開溝條播，播種密度為0.74 g/m2，每年刈割2～3次，覆蓋于蘋果樹行間，各處理區(qū)的生態(tài)條件和田間管理措施保持一致。

2012年7月在各處理區(qū)隨機(jī)布設(shè)3個采樣點(diǎn)，清除表層凋落物，用土鉆分別采集 0～5、5～10、10～20、 20～40 cm土層土樣，同一采樣點(diǎn)同一層次土壤混勻作為1個樣品，共36個樣，土樣去除根系、枯落物，分成2個部分，一部分自然風(fēng)干用于測定土壤基本理化性質(zhì)和土壤酶活性，另一部分裝入冰袋立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室用于土壤有機(jī)碳礦化的室內(nèi)培養(yǎng)測定。

1.3試驗(yàn)方法

土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)：將樣品放在30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)1周，以使土壤從4 ℃狀態(tài)下恢復(fù)到常溫狀態(tài)，使各種條件相對一致。稱取20 g預(yù)培養(yǎng)過的鮮土置于廣口瓶底部，用蒸餾水調(diào)土壤含水量至田間持水量的60%，在50 mL吸收瓶裝入20 mL 0.01 mol/L NaOH溶液，并置于廣口瓶內(nèi)，加蓋密封，置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每個樣設(shè)置3個重復(fù)，每次用稱質(zhì)量法矯正土壤含水量。分別在培養(yǎng)的第1天、第3天、第5天、第7天、第10天、第13天、第17天、第23天、第31天，取出裝有堿液的吸收瓶，加入2 mL 1 mol/L BaCl2溶液和2滴酚酞指示劑，用0.1 mL/L鹽酸滴定至微紅色，測定土壤中CO2-C的釋放量。

土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀容量法（外加熱）測定；土壤pH值直接用pH計進(jìn)行測定，水土比2.5 ∶[KG-3]1；土壤全氮消解，用凱氏定氮儀測定；速效鉀用醋酸銨浸提，用火焰分光光度法測定；輕組有機(jī)碳用碘化鈉提取，在島津TOC-SSM-5000A碳分析儀上測定；土壤蔗糖酶和纖維素酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定；土壤脲酶活性用靛酚比色法測定[20]。各處理土壤的基本性質(zhì)見表1。

采用Origin 8.5和Excel軟件作圖表，數(shù)據(jù)的相關(guān)分析采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理，用單因素方差分析對不同土地利用方式下土壤酶活性和理化指標(biāo)的差異性進(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后建立土壤酶活性與理化因子的多元線性回歸方程并完成顯著性檢驗(yàn)，在顯著性檢驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上運(yùn)用通徑分析方法[21]計算理化因子對土壤酶活性的直接、間接通徑系數(shù)和決定系數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1不同生草栽培下4種酶活性特征

圖1表示在白三葉、小冠花、百脈根、雞腳草4種生草的栽培下，取0～5、5～10、10～20、20～40 cm深度的土樣，測定過氧化氫酶活性。結(jié)果表明，在同一取樣深度，種植生草后過氧化氫酶活性比清耕高，種生草的過氧化氫酶活性為0.32～0.70 mg/g，而清耕的僅為0.25～0.45 mg/g，說明生草能夠顯著增強(qiáng)土壤中過氧化氫酶的活性。在各剖面中土壤過氧化氫酶的變化趨勢是表層活性明顯高于下層，隨著土層的加深，酶活性逐漸減弱。

圖2中的蔗糖酶活性在各個土層深度都比圖1中的過氧化氫酶強(qiáng)。土壤淺層部分（0～5、5～10 cm）不同生草蔗糖酶的活性從強(qiáng)到弱依次是百脈根>白三葉>雞腳草>小冠花>清耕；而在土壤深層部分（10～20、20～40 cm）蔗糖酶的活性強(qiáng)弱順序與淺層不一致，表現(xiàn)為白三葉>百脈根>小冠花>雞腳草>清耕。

3結(jié)論

果園生草能顯著提高土壤酶活性，4種不同類型的生草對提高土壤酶活性的作用效果不完全一致，總體上表現(xiàn)為百脈根>白三葉>雞腳草>小冠花。隨著土層深度的增加，蘋果園土壤酶活性逐漸降低，表層土壤的酶活性明顯高于下層土壤，層次之間變化明顯。土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律基本一致，但并不完全相同。

土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、速效鉀含量、pH值等密切相關(guān)。土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、纖維素酶4種酶活性之間有顯著的相關(guān)性，表明土壤酶在促進(jìn)土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化中存在共性關(guān)系，而有共性關(guān)系酶的總體活性在一定程度上能指示土壤肥力水平。4種酶活性與全氮含量、速效鉀含量、pH值及有機(jī)質(zhì)含量等顯著相關(guān)，土壤酶活性也能較好地反映土壤肥力狀況。

綜合3種生草的通徑分析得出，土壤肥力因子對過氧化氫酶活性的直接作用系數(shù)從大到小依次為全氮含量>速效鉀含量>有機(jī)質(zhì)含量>pH值；土壤肥力因子對蔗糖酶活性的直接作用系數(shù)從大到小依次為全氮含量>有機(jī)質(zhì)含量>速效鉀含量>pH值；土壤肥力因子對脲酶活性的直接作用系數(shù)從大到小依次為有機(jī)質(zhì)含量>全氮含量>速效鉀含量>pH值；土壤肥力因子對纖維素酶活性的直接作用系數(shù)從大到小依次為有機(jī)質(zhì)含量>全氮含量>pH值>速效鉀含量。

相關(guān)分析和通徑分析的結(jié)果均說明土壤過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性和纖維素酶活性可以表征土壤的養(yǎng)分水平，反映土壤的肥力狀況，可作為評價土壤肥力水平的指標(biāo)。

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對酶活性的貢獻(xiàn)最大，這與圖1和圖2的分析結(jié)果一致。

圖1、圖2、圖3和圖4分析結(jié)果表明，酶的活性隨著土壤深度的加大而呈減弱的趨勢。這主要是由于土壤表層積累了較多的枯枝落葉和腐殖質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量高，有充分的營養(yǎng)源以利于微生物的生長，加之表層水熱條件和通氣狀況好，因微生物生長旺盛、代謝活躍、呼吸強(qiáng)度加大而使表層的土壤酶活性

較強(qiáng)[22]。果園生草與清耕對比能顯著增強(qiáng)土壤酶活性，這與徐凌飛等[23-26]的研究結(jié)果一致。

2.2土壤酶活性之間及其與土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)分析

2.2.1多種酶活性之間的關(guān)系土壤酶活性之間存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，表2、表3和表4中蔗糖酶和纖維素酶的相關(guān)性較高，r值分別為0.989、0.936和0.940。蔗糖酶和纖維素酶的活性顯著相關(guān)，表明土壤中多糖的轉(zhuǎn)化與纖維素轉(zhuǎn)化之間關(guān)系密切并相互影響。同時，脲酶與纖維素酶的相關(guān)性較高，r值分別為0.995、0.884和0.904，表明土壤中尿素氮肥的水解與纖維素類物質(zhì)的轉(zhuǎn)換關(guān)系密切。土壤酶活性之間的相互關(guān)系表明，土壤酶在促進(jìn)土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化中不僅顯示專性特性，同時也存在共性關(guān)系。酶的專性作用反映了土壤中與某類酶相關(guān)的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化過程，而有共性關(guān)系酶的總體活性在一定程度上反映土壤肥力水平的高低[27]。

2.2.2酶活性與養(yǎng)分含量的關(guān)系相關(guān)分析結(jié)果（表2、表3和表4）表明，土壤脲酶活性與所測土壤肥力因子存在極密切的關(guān)系。土壤脲酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量呈正相關(guān)。其中，與有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在表1中最高達(dá)0.955和0.996，在表3中最低為0.836和0892，這表明脲酶在土壤中參與C、N轉(zhuǎn)化過程。

過氧化氫酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮含量具有極顯著的關(guān)系。表2的r值分別為0.920、0.966，表3中為0.839、0.840，表4的r值是0.758、0.774，與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

[JP3]蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈顯著正相關(guān)，圖2中相關(guān)系數(shù)為0.964、0.958，表3中的為0.906、0.955，表4為0872、0940，與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。