有機物覆蓋對核桃園土壤有機碳庫及酶活性的影響

孫 萌，劉 洋，李 寒，李保國,2，齊國輝,2*，張雪梅,2

（1 河北農(nóng)業(yè)大學林學院/河北省林木種質(zhì)資源與森林保護重點實驗室，河北保定 071000；2 河北省核桃工程技術研究中心，河北臨城 054300）

土壤有機碳是評價土壤肥力的重要指標，它是指土壤中碳元素的總量，而土壤中的含碳有機物正是植物生長所需養(yǎng)分的重要來源，同時也是土壤微生物活動的重要能源[1]。土壤碳庫管理指數(shù)作為評價有機碳庫的重要指標，結(jié)合了碳庫活度與碳庫總碳量兩類指標，既反映了土壤碳庫中各有機碳組分情況，又反映了碳庫中有機碳總量的多少，碳庫管理指數(shù)的變化直接反映了土壤肥力狀況，其值上升表明土壤肥力提高，反之則土壤肥力下降[1]。國內(nèi)外研究表明，不同的耕作方式直接影響土壤中的有機碳儲量，保護性耕作可以避免由耕作造成的有機碳大量損失[2-4]，秸稈還田可以提高土壤的有機碳總量及活性有機碳含量，提高土壤的碳庫活度和碳庫管理指數(shù)[5-6]，施用有機肥有利于土壤可溶性有機碳的釋放。

土壤酶活性也是反映土壤肥力的重要指標，在土壤的各種生物化學反應中起著不可替代的作用。研究發(fā)現(xiàn)，有機物覆蓋可以有效改善土壤微域生態(tài)環(huán)境，提高微生物活性及酶活性[7-8]。而土壤酶活性與土壤碳氮代謝有直接關系，直接影響土壤營養(yǎng)物質(zhì)的代謝轉(zhuǎn)化。因此，研究土壤酶活性與土壤各有機碳組分之間的關系可以進一步探明和解釋不同處理土壤碳庫差異來源。

地面覆蓋是重要的土壤管理措施，也是保護性耕作之一，在很多發(fā)達國家早已廣泛應用，國內(nèi)外研究地面覆蓋效應的學者很多。研究表明，有機物覆蓋在調(diào)節(jié)土壤生態(tài)環(huán)境、活化土壤養(yǎng)分及酶活性方面的作用不可替代，且對土壤有機碳庫有顯著效應，可以調(diào)節(jié)活性有機碳與穩(wěn)定性有機碳的比例，調(diào)節(jié)碳庫指數(shù)[7-8]。核桃 (Juglans regia L.) 是我國重要的經(jīng)濟林樹種之一，不僅營養(yǎng)價值高，經(jīng)濟效益也相當可觀。近年來，我國核桃的栽培面積大幅度上升，已經(jīng)成為我國山區(qū)老百姓脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè)。因此，研究有機物覆蓋對核桃園土壤有機碳庫以及土壤酶活性的影響具有重要意義，可為探明地面覆蓋效應提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在河北綠嶺果業(yè)有限公司侯家韓核桃示范基地。該地位于太行山南段東麓臨城縣丘陵區(qū)，海拔80～135 m，土壤質(zhì)地為壤土，土壤pH均值為7.3，年均降水量521 mm，年均氣溫13℃，極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫為-23℃，無霜期202 d，年均日照2653 h。本底土壤有機碳含量及碳庫活度如表1。

1.2 試驗設計

本試驗始于2012年，以2007年春季栽植的核桃-苜蓿復合林為試驗地，株行距為3 m × 5 m，選擇生長發(fā)育良好、樹勢相對一致的‘綠嶺’核桃樹90株，試驗設行內(nèi)覆蓋有機肥、覆蓋碎木屑和對照3個處理，隨機區(qū)組設計，每個小區(qū)10株，3次重復，分別于2012年、2014年、2016年的4月上旬，即每隔一年覆蓋一次，將覆蓋材料覆蓋到樹行內(nèi)，每棵覆蓋有機肥200 kg、碎木屑0.45 m3，以不覆蓋為對照 (有機肥為干雞糞，碎木屑為粉碎的核桃枝條)。其中，碎木屑處理及對照采用開溝和穴施有機肥 (有機肥亦為干雞糞)，有機肥覆蓋處理不再施有機肥，其他均為常規(guī)管理，施肥量一致，栽培管理過程中不使用化肥。

表1 基礎土壤不同土層有機碳含量及碳庫活度Table 1 The basal soil organic matter content and carbon pool activity in different soil layers

1.3 土壤樣品采集及測定

1.3.1 土壤樣品采集 覆蓋后，分別于2016年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日用土鉆取土，將0—80 cm土層的土壤混勻后，風干過篩，測定土壤酶活性，三次重復。于2016年11月15日，在每個處理內(nèi)挖80 cm深的土壤剖面，用剖面刀分0—20、20—40、40—60、60—80 cm四個土層取土，3次重復，取約200 g土放入冰盒帶回實驗室，其中一部分自然風干后過1 mm篩，測定土壤總有機碳含量，另一部分保存在4℃冰箱中，用于測定易氧化有機碳含量和可溶性有機碳含量。

1.3.2 測定與計算方法 土壤總有機碳 (TOC) 采用重鉻酸鉀容量法[9]，可溶性有機碳 (DOC) 采用總有機碳分析儀[10](日本島津TOC-LCPH) 進行測定，易氧化有機碳 (ROC) 采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化比色法進行測定[10]。土壤過氧化氫酶采用紫外分光光度法，土壤中性蛋白酶采用福林酚試劑法，土壤脲酶采用靛酚藍比色法，土壤纖維素酶采用蒽酮比色法進行測定[11-12]。

碳庫管理指數(shù)采用Blair等[13]提出的方法進行計算：

穩(wěn)定態(tài)有機碳 (IOC) 含量 = 總有機碳 (TOC) 含量 - 易氧化有機碳 (ROC) 含量；

碳庫指數(shù) (CPI) = 樣品總有機碳含量/參考土總有機碳含量；

碳庫活度 (CPA) = 易氧化有機碳含量/穩(wěn)定態(tài)有機碳含量；

碳庫活度指數(shù) (CPAI) = 樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(shù) (CPMI) = 碳庫指數(shù) × 碳庫活度指數(shù) × 100。其中，本底土壤作為參考土壤。

數(shù)據(jù)采用Duncan LSR法進行統(tǒng)計分析，Pearson法進行相關分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物覆蓋對土壤各有機碳組分含量的影響

2.1.1 有機物覆蓋對土壤總有機碳含量的影響 圖1表明，在0—20 cm土層，覆蓋有機肥處理、覆蓋碎木屑處理的總有機碳含量分別為15.58、13.64 g/kg，分別較對照提高了65.7%、45.1% (P ＜ 0.01)，對照僅為9.40 g/kg，兩個覆蓋處理間差異也達到了極顯著水平；在20—40 cm土層，覆蓋處理總有機碳含量較對照分別提高了16.9%、12.9% (P ＜ 0.01)，但覆蓋處理間無顯著差異；40—60 cm土層處理間總有機碳變化規(guī)律與20—40 cm土層相同，而在60—80 cm土層，覆蓋有機肥處理的總有機碳含量顯著高于對照，但覆蓋碎木屑處理與對照間無顯著差異。

圖1 各處理不同層次土壤總有機碳含量Fig. 1 The total soil organic carbon content in different layers as affected by mulch

2.1.2 有機物覆蓋對土壤可溶性有機碳含量的影響

圖2表明，在0—20 cm土層，覆蓋有機肥處理、覆蓋碎木屑處理的可溶性有機碳含量分別為59.10、42.18 mg/kg，均極顯著高于對照，較對照分別提高了133.1%、80.6%，對照僅為25.35 mg/kg，兩個覆蓋處理間的差異也達到了極顯著水平，覆蓋有機肥處理極顯著高于覆蓋碎木屑的；在20—40 cm土層、40—60 cm土層、60—80 cm土層不同處理間可溶性有機碳變化規(guī)律與0—20 cm土層相同，但處理間差距縮小。由此可知，隨著土層的加深，有機物覆蓋對可溶性有機碳的影響有下降趨勢。

圖2 各處理不同深度土壤可溶性有機碳含量Fig. 2 The dissolvable soil organic carbon content in different layers as affected by mulch

2.1.3 有機物覆蓋對土壤易氧化有機碳含量的影響圖3表明，在0—20 cm土層，覆蓋有機肥處理的易氧化有機碳含量極顯著高于覆蓋碎木屑和對照，其值為5.38 g/kg，為對照的6.98倍，覆蓋碎木屑處理顯著高于對照，較對照提高了81.8%；在20—40 cm、40—60 cm土層，處理間易氧化有機碳變化規(guī)律與0—20 cm土層相同；而在60—80 cm土層，覆蓋有機肥處理的易氧化有機碳含量極顯著高于覆蓋碎木屑處理及對照，其值為2.48 g/kg，但覆蓋碎木屑處理與對照之間無顯著差異。由此可知，覆蓋有機肥對土壤易氧化有機碳含量的影響比覆蓋碎木屑更顯著。

圖3 各處理不同深度土壤易氧化有機碳含量Fig. 3 The soil readily oxidizable organic carbon at different depths as affected by mulch

2.1.4 有機物覆蓋對土壤穩(wěn)定性有機碳含量的影響由圖4可見，在0—20 cm土層，覆蓋有機肥處理、覆蓋碎木屑處理的穩(wěn)定性有機碳含量極顯著高于對照，它們分別為10.20、12.24 g/kg，較對照提高了18.2%、41.8%，對照僅為8.63 g/kg，兩個覆蓋處理間的差異也達到了極顯著水平，覆蓋碎木屑處理極顯著高于覆蓋有機肥的；在20—40 cm、40—60 cm土層，三個處理的土壤穩(wěn)定性有機碳含量無顯著差異；而在60—80 cm土層，覆蓋有機肥處理的土壤穩(wěn)定性有機碳含量顯著低于對照，覆蓋碎木屑處理與對照間無顯著差異。由此可知，覆蓋對穩(wěn)定性有機碳含量的效應以覆蓋碎木屑效果最佳。

圖4 各處理不同深度土壤穩(wěn)定性有機碳含量Fig. 4 The soil stable organic carbon content at different depth as affected by mulch

2.2 有機物覆蓋對核桃園土壤碳庫管理指標的影響

由表2可知，在0—80 cm土層中，覆蓋處理的碳庫活度均高于對照，其中，覆蓋有機肥處理的各土層碳庫活度均顯著高于對照，為對照的2.93～5.91倍，覆蓋碎木屑處理的碳庫活度為對照的1.28～2.48倍，僅在20—40 cm土層顯著高于對照，其他土層與對照間無顯著差異。覆蓋處理的碳庫活度指數(shù)亦均高于對照，覆蓋有機肥處理的0—20 cm土層的碳庫活度指數(shù)極顯著高于對照，其他土層均顯著高于對照，為對照的2.93～5.91倍；覆蓋碎木屑處理的碳庫活度指數(shù)在20—40 cm土層和60—80 cm土層顯著高于對照，其他土層與對照無顯著差異，為對照的1.28～2.48倍。覆蓋處理的碳庫指數(shù)均顯著高于對照，覆蓋有機肥處理較對照提高10.7%～65.7%，覆蓋有碎木屑處理較對照提高了4.5%～45.1%，但兩個覆蓋處理僅在0—20 cm土層有顯著差異，其他土層兩個覆蓋處理間無顯著差異。所有土層的碳庫管理指數(shù)均表現(xiàn)為覆蓋有機肥處理極顯著高于覆蓋碎木屑處理和對照。覆蓋有機肥處理的碳庫管理指數(shù)為對照的3.29～9.80倍，覆蓋碎木屑處理的為對照的1.63～2.79倍。

表2 各處理的碳庫活度及碳庫管理指數(shù)Table 2 Carbon pool activity and carbon pool management indexes

2.3 有機物覆蓋對土壤酶活性的影響

土壤酶活性的高低直接反映了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化效率，直接影響著土壤碳庫狀況。由各處理的土壤酶活性變化狀況（圖5）可知，在核桃整個生長期內(nèi)，土壤過氧化氫酶、中性蛋白酶、脲酶及纖維素酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，均在8月份達到峰值。覆蓋有機肥處理的土壤過氧化氫酶活性(CAT) 最大值為 60.79 μmol/(g·d)，較對照提高了 21.0%；覆蓋碎木屑處理的最大值為60.37 μmol/(g·d)，較對照提高了8.0%，處理間在5月份差異最大。

覆蓋有機肥處理的土壤中性蛋白酶活性 (NPT)最大值為2.72 mg/(g·d)，較對照提高了43.4%；覆蓋碎木屑處理的最大值為2.37 mg/(g·d)，較對照提高了24.9%，處理間在8月份差異最大。

覆蓋有機肥處理的土壤脲酶活性 (UE) 最大值為898.98 μg/(g·d)，較對照提高了14.3%；覆蓋碎木屑處理的最大值為863.56 μg/(g·d)，較對照提高了9.8%，處理間在7月份差異最大。

覆蓋有機肥處理的土壤纖維素酶活性最大值為30.55 mg/(g·d)，較對照提高了103.0%；覆蓋碎木屑的最大值為27.33 mg/(g·d)，較對照提高了47.3%，處理間在5月份差異最大。

2.4 相關性分析

2.4.1 有機碳含量與碳庫管理指數(shù)間相關性分析 由表3可以看出，土壤總有機碳含量與所有指標呈正相關，相關系數(shù)范圍為0.62～0.85，其中，與碳庫管理指數(shù)相關系數(shù)最高，為0.85，達到了顯著水平；可溶性有機碳含量與易氧化有機碳含量、碳庫管理指數(shù)呈顯著正相關，與碳庫活度、碳庫活度指數(shù)呈極顯著正相關，相關系數(shù)均在0.85以上。易氧化有機碳含量與碳庫活度、碳庫活度指數(shù)呈顯著正相關，與其他指標也呈正相關關系，但相關性不顯著。穩(wěn)定性有機碳含量與碳庫管理指數(shù)等指標的相關性不顯著，碳庫活度與碳庫活度指數(shù)呈極顯著正相關。碳庫活度指數(shù)與碳庫管理指數(shù)呈極顯著正相關，碳庫指數(shù)與碳庫管理指數(shù)呈顯著正相關。

圖5 各處理0—80 cm土層土壤酶活性Fig. 5 Activities of soil enzymes at different treatments in 0-80 cm soil layer

2.4.2 土壤酶活性與有機碳含量之間的相關性分析用各處理四個土層土壤有機碳組分含量的平均值與0—80 cm土層的各種土壤酶活性年均值來計算土壤酶活性與有機碳含量之間的相關系數(shù) (表4)。土壤過氧化氫酶與穩(wěn)定性有機碳含量呈顯著正相關，與其他有機碳組分含量呈負相關，但相關性不顯著；土壤蛋白酶與各有機碳組分含量呈正相關關系，但相關性不顯著；土壤脲酶活性 、土壤纖維素酶活性與土壤總有機碳含量、可溶性有機碳含量及易氧化有機碳含量呈極顯著正相關，相關系數(shù)均在0.93以上，均與穩(wěn)定性有機碳含量呈負相關關系，相關性不顯著。由此可知，不同處理間的各有機碳組分間的差異可能與各處理的土壤酶活性關系密切，尤其是土壤脲酶活性和纖維素酶活性，土壤脲酶直接參與有機態(tài)氮的生物化學反應，間接促進有機碳庫的活動，而纖維素酶的作用是催化纖維素的分解，直接影響著土壤中有機碳含量、活性有機碳含量，從而影響有機碳庫狀況。

表4 土壤有機碳含量與土壤酶活性間的相關系數(shù)Table 4 The correlation between soil organic carbon content and soil enzyme activity

3 討論

土壤總有機碳含量是指土壤中所有有機物質(zhì)所含總碳量，而土壤中的含碳有機物正是植物生長所需養(yǎng)分的重要來源，同時也是土壤微生物活動的重要能源，因此土壤中的總有機碳含量直接影響著植物及土壤動物、微生物的生長發(fā)育。土壤有機碳庫是全球碳循環(huán)的主要部分，而土壤可溶性有機碳、易氧化有機碳作為活性有機碳對土壤碳庫循環(huán)有著不可替代的作用。由本研究可知，覆蓋有機肥顯著提高了核桃園0—80 cm土層的有機碳含量、可溶性有機碳含量及易氧化有機碳含量，與前人[14-17]研究結(jié)果一致。這是由于覆蓋材料本身均含有豐富的有機質(zhì)，隨著雨水、灌溉水逐漸淋溶到土壤中，從而增加了土壤中各有機碳組分的含量。與覆蓋有機肥處理相比，覆蓋碎木屑處理效果稍差一些，碎木屑分解較慢，其有機質(zhì)含量不能與有機肥相比，但是從2012年開始，隔年覆蓋，連續(xù)3次覆蓋，最初覆蓋的碎木屑已經(jīng)完全分解并淋溶到土壤中，因此，與對照相比，覆蓋碎木屑處理的各有機碳組分的含量均在一定程度上有所提高，其中，覆蓋碎木屑在提高穩(wěn)定性有機碳含量方面效果顯著。此外，由于覆蓋物的存在，避免了外界對園地土壤的干擾，也避免了因耕作造成的有機碳流失。

土壤碳庫管理指數(shù)是反映土壤碳素動態(tài)變化靈敏而有效的指標，可表征土壤管理措施引起的土壤有機碳變化，通過對土壤碳庫管理指數(shù)的分析可以為增加土壤活性碳含量和土壤肥力提供量化依據(jù)[13]。土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)反映了土壤碳素的活躍程度，活度越大，土壤有機碳越易被微生物分解，土壤質(zhì)量也就越高。由本研究可知，覆蓋有機肥處理顯著提高了土壤的碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù)，覆蓋有機肥處理和覆蓋碎木屑處理均極顯著提高了土壤的碳庫管理指數(shù)。通過相關分析表明，土壤總有機碳含量與碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)呈顯著正相關，覆蓋處理的總有機碳含量高就意味著碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù)高。碳庫活度與易氧化有機碳含量呈顯著正相關，與穩(wěn)定性有機碳呈負相關，這兩個組分對碳庫活度起決定性作用。李琳等研究表明，保護性耕作可以提高碳庫指數(shù)[18-20]，與本文研究結(jié)果一致。田慎重研究指出，免耕結(jié)合秸稈還田可以增加碳庫水平[21]，主要也是通過秸稈還田增加了土壤總有機碳含量、可溶性有機碳含量、易氧化有機碳含量等[22]，從而提高了有機碳庫指數(shù)、碳庫活度。

土壤酶活性直接影響著土壤微生物活動，調(diào)控植物體對養(yǎng)分的吸收，也決定著土壤養(yǎng)分運移和轉(zhuǎn)化的程度[23]。影響土壤酶活性的因素很多，如土壤溫度、水分、通氣狀況以及土壤養(yǎng)分等[24]。在本研究中，在核桃生長期內(nèi)，有機物覆蓋處理的土壤過氧化氫酶、中性蛋白酶、脲酶、纖維素酶活性均有不同程度的提高，這是由于有機物覆蓋改變了園地土壤環(huán)境，同時隨著覆蓋材料的不斷分解，增加了土壤養(yǎng)分，即增加了酶促反應的底物，有利于反應的正向進行，從而提高了土壤酶活性。通過相關分析可知，土壤脲酶活性、纖維素酶活性與土壤總有機碳含量、可溶性有機碳含量及易氧化有機碳含量呈極顯著正相關，說明土壤酶活性的提高可以促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，有利于植物體的吸收利用。

4 結(jié)論

有機物覆蓋在不同程度上提高了土壤各有機碳組分含量、碳庫活度、碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)以及土壤過氧化氫酶、中性蛋白酶、脲酶、纖維素酶活性，其中在0—40 cm土層效果最顯著。覆蓋有機肥處理在提高土壤總有機碳及活性有機碳含量方面效果顯著，而覆蓋碎木屑在提高土壤穩(wěn)定性有機碳含量方面效果顯著。通過相關分析可知，土壤脲酶活性、土壤纖維素酶活性與土壤總有機碳含量、可溶性有機碳含量及易氧化有機碳含量呈極顯著正相關，相關系數(shù)均在0.93以上。

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