信陽茶區(qū)不同植茶年限土壤酶活性演變

李貞霞，陳倩倩，胡宏賽，王廣印，黎星輝

茶樹（Camellia sinensis）起源于中國西南地區(qū)的云貴高原，是中國重要的經(jīng)濟作物。2016年中國茶園面積已達2.933×106hm2，占世界茶園總面積的63%（陳宗懋，2018）。茶樹在連年種植過程中，因其旺盛的次生代謝及施肥、修剪等措施，會造成茶園土壤養(yǎng)分失調(diào)、理化性質(zhì)惡化（顏明娟等，2014；張倩等，2014；Hu et al.，2007）等。中國學(xué)者對茶園生態(tài)進行了很多研究，但關(guān)于植茶年限對土壤的影響研究主要集中在土壤養(yǎng)分、土壤pH值、土壤鋁活性變化等方面（張小琴等，2017；母媛等，2016；蘇有健等，2013；陳嬋嬋等，2009）。土壤酶是微生物進行土壤養(yǎng)分分解轉(zhuǎn)化的催化物質(zhì)，其活性直接影響土壤中的物質(zhì)循環(huán)，已被作為土壤質(zhì)量的生物指標(biāo)（顏慧等，2008）。目前人們對土壤酶與土壤肥力關(guān)系的研究主要集中在林地（孫慧等，2016；羅英等，2007）、菜地（褚素貞等，2015）、煙地（葉協(xié)鋒等，2013）等方面。關(guān)于茶園土壤酶活性演變的研究還很少，因此對茶園土壤酶與茶園養(yǎng)分、交換性能變化規(guī)律的研究在理論與實踐上都具有重要意義。河南省信陽市浉河區(qū)董家河鎮(zhèn)是優(yōu)質(zhì)信陽毛尖茶的集中產(chǎn)地，全鎮(zhèn)茶葉面積 6336.5 hm2，年產(chǎn)干茶1500 t。本研究以董家河鎮(zhèn)茶園土壤為試材，研究茶園土壤酶活性演變與植茶年限、土壤 pH、土壤養(yǎng)分的關(guān)系，為茶園土壤分析與評價、施肥及可持續(xù)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與制備

土樣采自河南省信陽市浉河區(qū)董家河鎮(zhèn)黃龍寺村，根據(jù)浉河區(qū)農(nóng)業(yè)局提供的基本信息，對研究區(qū)域內(nèi)茶園建園時間、施肥種類、結(jié)構(gòu)、比例、用量、茶園農(nóng)藥施用等情況向茶農(nóng)進行問卷調(diào)查。根據(jù)問卷調(diào)查情況篩選8個管理方式相似的茶園進行采樣。茶園每年施肥情況相似，有機肥以農(nóng)家肥、豆餅肥、羊糞肥等為主，復(fù)合肥以磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀等為主，為了提高茶葉產(chǎn)量，氮肥的施用量較大。其中，植茶0 a土樣采自8個采樣茶園附近荒地，充分混合后，以四分法取樣；植茶10 a、20 a、30 a、40 a茶園土壤，采用“S”型多點（20點）混合取樣法，釆集0～20 cm土樣，土壤樣品從茶園取回后按常規(guī)處理方法處理，剔除植物根系、石塊等，充分混合后用四分法留取部分土樣，自然風(fēng)干后，過 2 mm篩備用。不同植茶年限土壤養(yǎng)分變化情況見表1，不同植茶年限土壤交換性離子變化見表2。

1.2 測定項目與方法

堿解氮采用擴散法測定；有機質(zhì)采用油浴法測定；速效磷采用氟化銨和鹽酸提取比色法測定；速效鉀采用醋酸銨提取火焰光度法測定；土壤pH采用玻璃電極法（1?2.5土水比）測定；土壤交換性H+和Al3+用1mol?L-1KCl滴定法測定；土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+均采用 1 mol?L-1乙酸銨交換法處理土壤，獲得浸出液，然后用火焰光度計測定土壤樣品浸出液中的交換性K+、Na+含量，用EDTA絡(luò)合滴定法測定土壤樣品浸出液中的交換性Ca2+、Mg2+含量；采用靛酚藍比色法測定土壤中 NH4+-N的含量；以上測定方法均參考鮑士旦（2008）《土壤農(nóng)化分析》方法。土壤 NO3--N用紫外分光光度計法測定（魯如坤，2000）。

土壤酶活性分析采用關(guān)松蔭（1986）的方法：土壤脲酶活性（AU）采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，土壤酸性磷酸酶活性（AP）采用磷酸苯二鈉比色法，土壤蔗糖酶活性（AS）采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定，過氧化氫酶活性（AC）采用高錳酸鉀滴定法。土壤酶活性是評價土壤質(zhì)量的重要參數(shù)，但很難用單一的酶活性來說明土壤質(zhì)量的變化，目前人們用酶活動的幾何平均數(shù)（GMea）作為評價土壤質(zhì)量的指數(shù)（García-Ruiz et al.，2008，2009）。一般而言，GMea值越高，土壤質(zhì)量越好。GMea計算方法如下：GMea=(AU×AS×AC×AP)1/4

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2003進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 19.0進行方差分析，處理間差異分析采用LDS多重比較法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植茶年限茶園土壤酶活性變化

不同植茶年限土壤酶活性變化如圖1所示。由圖1可知，過氧化氫酶、蔗糖酶活性隨植茶年限的延長而降低，其中植茶20 a與植茶30 a差異性不顯著；過氧化氫酶、蔗糖酶活性與植茶年限呈顯著負(fù)相關(guān)（r1=0.9447，r2=0.9058，P＜0.05，r1為過氧化氫酶，r2為蔗糖酶）。植茶10 a酸性磷酸酶活性顯著高于植茶0 a、20 a、30 a、40 a，酸性磷酸酶活性與植茶年限相關(guān)性不顯著。植茶土壤脲酶活性顯著高于未植茶土壤；植茶10 a脲酶活性最高，其次是植茶30 a，植茶20 a與植茶40 a脲酶活性差異不顯著；脲酶活性與植茶年限相關(guān)性不顯著。綜上，土壤過氧化氫酶與蔗糖酶活性變化受植茶年限影響，隨著植茶年限的延長而逐漸降低；而酸性磷酸酶與脲酶活性受植茶年限影響不顯著。

2.2 不同植茶年限土壤pH、土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的關(guān)系

土壤過氧化氫酶、蔗糖酶與土壤 pH、土壤養(yǎng)分的關(guān)系如表3所示。由表3可知，過氧化氫酶、蔗糖酶與土壤pH呈顯著正相關(guān)，與土壤堿解氮、有機質(zhì)、速效鉀、NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān)。過氧化氫酶、蔗糖酶與速效磷、NO3--N的相關(guān)性不顯著。酸性磷酸酶和脲酶與土壤 pH、土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)未達到臨界r值，相關(guān)性不顯著。

綜上，土壤 pH、土壤養(yǎng)分的多個因子都會影響過氧化氫酶、蔗糖酶的活性，而這些因子間可能存在多重共線性，特別是各因子間存在高度依賴關(guān)系時，都會影響其與過氧化氫酶、蔗糖酶關(guān)系的判斷，為此又進行逐步線性回歸分析；逐步線性回歸分析能從大量可供選擇的變量中選出對建立回歸方程具有重要作用的變量，逐步剔除對過氧化氫酶、蔗糖酶影響不顯著的變量，最終獲得最優(yōu)方程。逐步線性回歸分析表明，對過氧化氫酶活性（y1）影響最顯著的因子為堿解氮（x1）、速效鉀（x2）與NH4+-N（x3），對蔗糖酶活性（y2）影響最顯著的因子為有機質(zhì)（x4），其方程分別為 y1=2.4888-0.0088x1-0.0047x2+0.0057x3，P=0.002（P＜0.01）；y2=16.9890-0.34818x4，P=0.001（P＜0.01）。

表1 不同植茶年限土壤pH、土壤養(yǎng)分變化Table 1 Variation of soil pH and soil nutrient in different tea plantation ages

表2 不同植茶年限土壤交換性離子的變化Table 2 Change of soil exchangeable cations in different tea plantation ages

圖1 土壤酶活性隨植茶年限的變化Fig. 1 The Soil enzyme activity changes with the tea plantation ages圖中數(shù)據(jù)為平均值，n=5 Data in the figure are Mean, n=5

表3 過氧化氫酶、蔗糖酶與土壤pH、土壤主要養(yǎng)分的回歸分析Table 3 The regression analysis of catalase, sucrose enzyme and soil pH and soil main nutrients

分析茶園土壤養(yǎng)分變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、NH4+-N均隨植茶年限增加而增加，與植茶年限呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；說明土壤過氧化氫酶演變主要受土壤速效氮肥與鉀肥的影響，土壤蔗糖酶演變主要受土壤有機質(zhì)的影響。

2.3 不同植茶年限土壤交換性離子與土壤酶活性的關(guān)系

過氧化氫酶、蔗糖酶與土壤交換性離子的關(guān)系如表4所示。由表4可知，過氧化氫酶、蔗糖酶與土壤交換性離子呈直線相關(guān)。過氧化氫酶與土壤交換性 H+、Mg2+在 0.05水平上顯著相關(guān)，與交換性Al3+、Ca2+、K+相關(guān)性不顯著；蔗糖酶與土壤交換性H+、Mg2+、K+在0.05水平上顯著相關(guān)，與Al3+、Ca2+相關(guān)性不顯著。逐步線性回歸分析表明，過氧化氫酶（P=0.0128）、蔗糖酶活性（P=0.0127）都受交換性Mg2+的顯著影響。酸性磷酸酶與交換性K+呈二次曲線極顯著相關(guān)（r=0.9920，P＜0.01）；脲酶與交換性 Mg2+也呈二次曲線顯著相關(guān)（r=0.9690，P＜0.05）。綜上，土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性演變主要受土壤交換性Mg2+變化的影響，酸性磷酸酶活性演變主要受交換性K+變化的影響。

2.4 土壤酶的幾何平均數(shù)評價

由圖2可知，土壤酶的幾何平均數(shù)（GMea）隨著植茶年限的延長而降低，植茶20 a與植茶30 a差異不顯著。回歸分析表明，GMea與植茶年限呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=0.9618，P＜0.01），說明隨著植茶年限的延長，土壤酶活性降低，土壤質(zhì)量下降。

圖2 不同植茶年限土壤酶的幾何平均數(shù)Fig. 2 The geometrical average of soil enzymes in different tea plantation ages圖中數(shù)據(jù)為平均值，n=5 Data in the figure are Mean, n=5

2.5 GMea與土壤各因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是把土壤各因子視為一個灰色系統(tǒng)進行分析，用關(guān)聯(lián)度表達因子之間的關(guān)系大??；在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。關(guān)聯(lián)度分析是對土壤各因子關(guān)系的定量描述和比較，其與相關(guān)分析的理論基礎(chǔ)不同，相關(guān)分析是基于概率論的隨機過程，而灰色關(guān)聯(lián)度分析是基于灰色系統(tǒng)的灰色過程；二者分析方法也不同，灰色關(guān)聯(lián)度分析主要包括：原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，求關(guān)聯(lián)度、排序，得出關(guān)聯(lián)矩陣。由表5可知，GMea與土壤各因子的關(guān)聯(lián)度排序為：交換性 Mg2+＞土壤 pH＞NO3--N＞速效磷＞交換性 Ca2+＞CEC＞速效鉀＞植茶年限＞交換性AL3+＞有機質(zhì)＞NH4+-N＞交換性 H+＞交換性 K+＞堿解氮；與GMea關(guān)聯(lián)度在0.8以上的因子有4個，最大的是交換性Mg2+，其次依次為土壤pH、NO3--N、速效磷；與GMea關(guān)聯(lián)度在0.7以上的因子有1個，為交換性Ca2+；與GMea關(guān)聯(lián)度在0.6以上的因素有 1個，為 CEC；其余因子與 GMea關(guān)聯(lián)度均在0.6以下。

3 討論

土壤酶是一種生物催化劑，它們參與土壤的發(fā)生和發(fā)育及其與有效肥力形成有關(guān)的諸多過程（楊揚等，2011）。土壤酶與土壤肥力關(guān)系的探討存在各方爭論，有研究學(xué)者（邱莉萍等，2004；唐玉姝等，2008）認(rèn)為土壤酶與土壤肥力呈顯著相關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為土壤酶與土壤養(yǎng)分之間不存在顯著相關(guān)（周瑞蓮等，1997）。因此，探討土壤酶活性與土壤各方關(guān)系在理論與實踐方面都有重要意義。

土壤過氧化氫酶是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，其強度可表征土壤腐殖化強度和有機質(zhì)積累程度。本研究茶園土壤過氧化氫酶與土壤有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，這與孫慧等（2016）研究林地土壤、羅英等（2007）研究珠穆朗瑪峰北坡土壤、褚素貞等（2015）研究云南設(shè)施土壤過氧化氫酶與有機質(zhì)關(guān)系的結(jié)論相反，與黃華乾等（2003）研究荒地土壤、王偉東等（2015）研究秦嶺西部松林地土壤過氧化氫酶與有機質(zhì)關(guān)系研究結(jié)論一致，說明土壤過氧化氫酶與有機質(zhì)的關(guān)系與種植地的植物類型、土壤類型等因素有關(guān)，土壤過氧化氫酶與有機質(zhì)的關(guān)系變化受具體的土壤環(huán)境影響。土壤過氧化氫酶與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，這與褚素貞等（2015）、葉協(xié)鋒等（2013）研究結(jié)論相一致。本研究茶園土壤過氧化氫酶與NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān)，與NO3--N的相關(guān)性不顯著，而張雪艷等（2011）研究菜地土壤特性發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶與 NH4+-N顯著性不強，與NO3--N呈顯著正相關(guān)，分析原因可能與土壤pH有關(guān)，本研究茶園土壤 pH在 6以下，而張雪艷等（2011）研究的菜地土壤pH在6.4以上。本研究茶園土壤過氧化氫酶與土壤pH呈顯著正相關(guān)，與趙靜等（2011）研究酸化梨園土壤過氧化氫酶結(jié)果相一致。本研究土壤過氧化氫酶與土壤堿解氮呈顯著正相關(guān)，與張喜煥等（2012）研究生草栽培對酸化梨園土壤過氧化氫酶的影響的結(jié)論一致。

表4 過氧化氫酶、蔗糖酶與土壤交換性離子回歸分析Table 4 The regression analysis between catalase, sucrose enzyme and soil exchange ion

表5 GMea與土壤各因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析Table 5 The analysis of grey relational degree of GMea and soil factors

土壤蔗糖酶直接參與土壤碳素循環(huán)。本研究茶園土壤蔗糖酶與土壤有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，這與羅英等（2007）、王偉東等（2015）、張雪艷等（2011）研究土壤蔗糖酶與土壤有機質(zhì)關(guān)系相反，分析原因可能與茶樹連年種植有關(guān)；茶園土壤蔗糖酶與植茶年限呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著植茶年限的增加，茶園土壤呈酸化趨勢，土壤pH下降，土壤蔗糖酶活性降低，但土壤有機質(zhì)卻因茶園土壤連年培肥而增加，所以土壤蔗糖酶與土壤有機質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤酸性磷酸酶和脲酶與土壤 pH、土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)未達到臨界 r值，相關(guān)性不顯著。這與薛冬等（2005）對茶園土壤酸性磷酸酶和脲酶研究結(jié)論不一致，分析原因可能與茶園施肥等管理措施有關(guān)。

關(guān)于土壤交換性離子對土壤酶活性的影響研究尚未出現(xiàn)相關(guān)報道。本研究茶園土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性都受土壤交換性Mg2+的影響。由表2可知，土壤交換性Mg2+隨著植茶年限的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，尤其植茶20 a后，茶園土壤交換性Mg2+顯著低于對照；相關(guān)分析表明，土壤交換性Mg2+與土壤有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)；而土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性都與土壤有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能是茶園土壤過氧化氫酶、蔗糖酶受土壤交換性Mg2+影響的一個原因；土壤交換性Mg2+影響過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性的另外一種原因可能是土壤交換性Mg2+可影響過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶的催化反應(yīng)過程的某個方面。酸性磷酸酶與交換性K+呈二次曲線極顯著相關(guān)，分析原因可能與交換性K+與植茶年限、土壤pH都呈二次曲線極顯著相關(guān)有關(guān)。

單一酶活性很難判斷其對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，在研究土壤酶對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響方面，通常采用綜合評價的方法進行研究，其中酶活性的幾何平均數(shù)（GMea）是被應(yīng)用得較多的一種綜合評價方法（García-Ruiz et al.，2008，2009；牛文靜等，2009），代表著土壤酶活性的總體發(fā)展趨勢。本研究結(jié)果顯示，GMea隨著植茶年限的增加而降低，二者呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明植茶年限越長，GMea越低。與GMea關(guān)聯(lián)度最高的4個因子為：交換性Mg2+、土壤pH、NO3--N、速效磷；交換性Mg2+影響GMea的原因如前所述，土壤pH與GMea的關(guān)系與隨植茶年限的延長，土壤酸化加劇有關(guān)，土壤酸化會導(dǎo)致土壤中有效態(tài)養(yǎng)分（包括交換性Mg2+、NO3--N、速效磷）降低，土壤各種酶的活性會因此受到影響，呈現(xiàn)出的綜合狀態(tài)就是GMea隨植茶年限的增加而顯著降低。

4 結(jié)論

土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性隨著植茶年限的延長而逐漸降低；而酸性磷酸酶與脲酶活性受植茶年限影響不顯著。土壤速效氮肥與鉀肥顯著影響土壤過氧化氫酶活性變化，土壤有機質(zhì)顯著影響土壤蔗糖酶活性變化。土壤交換性離子也影響土壤酶活性，過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性變化主要受土壤交換性Mg2+變化的影響，酸性磷酸酶活性變化主要受交換性K+變化的影響。隨著植茶年限的延長，土壤綜合酶活性（GMea）降低，土壤質(zhì)量下降。

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