隴東黃土高原地區(qū)杏園土壤綜合肥力對(duì)人工生草模式的響應(yīng)及其環(huán)境解釋

王根旺, 宋 曦

(1.甘肅省高校隴東生物資源保護(hù)與利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽 745000；2.隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽 745000; 3.隴東學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

目前，作為生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)重要組成部分的果園生草管理模式，以其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)已逐步成為我國果園建設(shè)的主流模式[1]，在推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、減少面源污染和農(nóng)民增收等方面做出了重要貢獻(xiàn)[2]。但不同生草模式下果園土壤綜合肥力差異是制約我國果業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題[3]，同時(shí)也是我國現(xiàn)代化果業(yè)建設(shè)中亟待解決的問題之一。果園土壤綜合肥力差異通常與生草品種、管理模式、氣候條件、土壤養(yǎng)分、土壤類型和生草年限有關(guān)[4]，但人工構(gòu)建的生草管理模式對(duì)果園土壤養(yǎng)分互作與競(jìng)爭(zhēng)[5]、吸收與轉(zhuǎn)化[6]以及土壤綜合肥力[3]的影響機(jī)制尚不清楚，極大地制約了果園生草復(fù)合系統(tǒng)中果樹與生草間的養(yǎng)分互作與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的理解，最終影響果園生草復(fù)合系統(tǒng)土壤綜合肥力的提升和可持續(xù)經(jīng)營。

隴東黃土高原地區(qū)生態(tài)脆弱，土壤瘠薄，氣候干旱少雨，寒暑及晝夜溫差極大，植被分布因而有其獨(dú)特的地域性[7]。杏樹(PrunusarmeniacaL.)是我國原生經(jīng)濟(jì)樹種，因其抗逆性強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速、根系發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn)成為隴東黃土高原地區(qū)的主要造林樹種和經(jīng)濟(jì)林種[8]。為了落實(shí)國家退耕還林還草和生態(tài)環(huán)境重建政策，2001年慶陽市著力推廣建設(shè)經(jīng)濟(jì)林生草復(fù)合管理模式，為農(nóng)民增收的同時(shí)又為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善做出重要貢獻(xiàn)。但近年來黃土高原地區(qū)果園生草復(fù)合管理模式的研究集中在蘋果園土壤微生物多樣性[9]及其群落結(jié)構(gòu)[10]、土壤酶活性及理化性質(zhì)[5]和果實(shí)品質(zhì)[11]等方面，而有關(guān)黃土高原地區(qū)杏樹林人工生草管理模式相關(guān)研究以及有關(guān)影響該地區(qū)人工生草管理模式杏樹林土壤綜合肥力的關(guān)鍵環(huán)境因子的研究則鮮見報(bào)道。

為此，本研究以隴東黃土高原地區(qū)樹齡16 a并在2011年起采用不同生草管理模式的杏樹林根際土壤為研究對(duì)象，采用常規(guī)方法測(cè)定了土壤理化性質(zhì)、酶活性及土壤微生物群落遺傳多樣性等14項(xiàng)環(huán)境因子，利用非度量多維尺度(NMDS)排序和方差分解等多元分析法，系統(tǒng)分析了不同生草模式下杏樹樣地與土壤環(huán)境因子間的關(guān)系，以及環(huán)境因子在驅(qū)動(dòng)不同生草模式樣地分異過程中的相對(duì)重要性，初步確定了導(dǎo)致不同生草模式下杏樹林土壤綜合肥力出現(xiàn)差異的關(guān)鍵環(huán)境因子，旨在為今后隴東地區(qū)人工生草模式杏樹林土壤綜合肥力的提升、科學(xué)管理及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)地概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在隴東學(xué)院甘肅省高校隴東生物資源保護(hù)與利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行，該區(qū)位于隴東黃土高原慶陽市鎮(zhèn)原縣太平鄉(xiāng)慕坪村西坡組，土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為沙土。地處東經(jīng)107°38′-108°40′，北緯35°69′-35°71′，海拔1 380～1 420 m。上述區(qū)域?qū)冱S土高原溝壑地貌，是典型水土流失區(qū)之一，侵蝕面積25 050.5 km2，占全區(qū)總面積的92.4%，侵蝕模數(shù)6 383～9 000 t·hm-2。屬暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，光、熱等氣候資源豐富，作物種植制度為旱地一年一熟。由于季風(fēng)的強(qiáng)烈影響，冬季寒冷干燥，春季多風(fēng)且干旱少雨，夏季溫暖多雨，水熱同期，年降水量400～600 mm，雨量分布不均，且主要集中在7～9月，多年平均蒸發(fā)量1 000 mm以上，地面蒸發(fā)量為350～560 mm，地下水位深，土壤瘠薄，水土流失嚴(yán)重[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及土樣采集 試驗(yàn)于2016年5月進(jìn)行，選擇試驗(yàn)站內(nèi)樹齡16 a并在2011年起采用不同生草管理模式的杏樹林根際土壤為研究對(duì)象(A：杏樹+黃花菜；B：杏樹+紫花苜蓿；C：杏樹+黃花菜+紫花苜蓿；以杏樹+清耕作為對(duì)照組CK)，試驗(yàn)區(qū)面積為20 m×20 m=400 m2、陽坡(坡度2°～5°)、株距200 cm，行距150～200 cm，供試樣樹概況見表1。按對(duì)角線五點(diǎn)取樣法采集土樣，先撥去土壤表層的浮土(約5～8 cm)及石塊、落葉等雜質(zhì)，用取土鉆在每一樣地中采集0～40 cm深度的土壤，將5個(gè)點(diǎn)采集的土壤混勻成1個(gè)土樣，每個(gè)樣地取3個(gè)重復(fù)，所采土樣放在冷藏箱中及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室根土分離，除利用鮮土提取土壤微生物細(xì)菌基因組總DNA外，其余土樣在室溫背陰處風(fēng)干，過2 mm篩備用[7]。測(cè)定土壤養(yǎng)分所需的樣品采用“四分法”取樣，全部通過1 mm孔徑篩，再從過1 mm孔徑篩的土樣中均勻取出1/4，過0.149 mm孔徑篩[8]。

表1 供試樣樹概況Table 1 Basic parameters of the sample tree in the studied sites

1.2.2 土壤酶活性、理化性質(zhì)及土壤微生物群落遺傳多樣性測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法和堿解擴(kuò)散法[5]測(cè)定；土壤速效磷、速效鉀分別采用0.5 mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)法[8]測(cè)定；電位法(pHS-3酸度計(jì))測(cè)定土樣pH值；轉(zhuǎn)化酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶分別采用3，5-二硝基水楊酸比色法、靛酚藍(lán)比色法、磷酸苯二鈉比色法和容量法[11]測(cè)定。采用變性凝膠梯度電泳(PCR-DGGE)技術(shù)分析微生物群落遺傳多樣性[7]。

1.2.3 土壤微生物群落遺傳多樣性分析 采用變性凝膠梯度電泳(DGGE)技術(shù)分析微生物群落遺傳多樣性，利用4種多樣性指標(biāo)進(jìn)行土壤微生物群落遺傳多樣性分析，即Patrick豐富度指數(shù)(S)：S=物種數(shù)，即條帶數(shù)；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：H=-∑PilnPi，Pi代表土壤樣品中第i個(gè)條帶的吸光度占所有條帶吸光度總和(N)的比例；Margalef豐富度指數(shù)(D)：D=(S-1)/lnN，S為每條泳道的總條帶數(shù)[3]；Pielou均勻度指數(shù)(J)：J=H/Hmax，Hmax代表最大多樣性值(Hmax=lnS)[7]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 利用SPSS 16.0和R2.15.2(http:∥www.r-project.org/)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，用Origin 8.0和R 2.15.2做圖。為了闡述供試樣地與土壤環(huán)境因子間關(guān)系，基于Bray-Curtis相異指數(shù)，使用R語言“vegan”程序包中“envfit”程序，將所測(cè)定的14項(xiàng)土壤環(huán)境因子擬合到4個(gè)供試樣地的非度量多維尺度(NMDS)排序圖上，為防止樣點(diǎn)在各象限的分布發(fā)生移位，在擬合時(shí)對(duì)NMDS的排序軸進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，以確保NMDS第一軸能夠最大程度地代表群落相異性的變異。4個(gè)供試樣地矩陣及環(huán)境因子數(shù)據(jù)集分別用Bray-Curtis與Euclidean距離表示[12]。方差分解運(yùn)用“Vegan”數(shù)據(jù)包里的“Varpart”功能對(duì)供試樣地中14個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過Hellinger轉(zhuǎn)換，用Venn圖表示土壤理化性質(zhì)、酶活性及土壤微生物群落對(duì)供試杏樹根際土壤綜合肥力的純效應(yīng)以及共同效應(yīng)，圖中的數(shù)字代表上述環(huán)境因子對(duì)供試杏樹根際土壤綜合肥力的解釋率[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 杏樹林根際土壤酶活性及理化性質(zhì)對(duì)不同生草管理模式的響應(yīng)

土壤酶催化土壤生態(tài)系統(tǒng)中生物化學(xué)反應(yīng)，參與物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換，其活性大小是表征土壤肥力的重要指標(biāo)。由表2和表3可見，不同生草模式對(duì)隴東黃土高原地區(qū)杏樹林根際土壤酶活性及理化環(huán)境因子產(chǎn)生了顯著影響(P<0.01)，表現(xiàn)為3種生草模式的供試土壤酶活性均明顯高于CK組(P<0.05)，但各環(huán)境因子對(duì)不同生草模式的響應(yīng)則不盡相同。其中土壤轉(zhuǎn)化酶活性在模式A和B間無顯著差異，均低于模式C(P<0.05)；模式B和C的堿性磷酸酶活性低于模式A(P<0.05)，而其脲酶活性則高于模式A(P<0.05)；而過氧化氫酶活性在模式A、B和C間差異則未達(dá)顯著水平。

吳玉森等[1]研究了多年自然生草對(duì)黃河三角洲梨園土壤酶活性的影響，結(jié)果表明自然生草7 a梨園的土壤脲酶和堿性磷酸酶活性分別是對(duì)照的3.8倍和1.5倍；鄭海金等[14]分析了農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營模式對(duì)紅壤丘陵區(qū)侵蝕坡地土壤酶活性的影響，結(jié)果顯示原侵蝕裸露荒坡地建立農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)可提高土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶和磷酸酶活性，其中農(nóng)-林和純林經(jīng)營系統(tǒng)能顯著提升土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性，但農(nóng)-林-草系統(tǒng)卻降低了脲酶活性。上述結(jié)果與本研究結(jié)果不盡相同。究其原因可能是由于，首先土壤脲酶是一種作用于尿素肥料的中性水解酶類，可加速土壤中潛在養(yǎng)分有效化，使土壤中含氮有機(jī)化合物酰胺肽鍵水解生成的氨是植物氮素營養(yǎng)來源之一[15]。如表2所示，模式B和C的脲酶活性明顯高于模式A(P<0.05)，說明杏樹林嵌套種植紫花苜蓿可有效增加土壤氮素循環(huán)，提高了土壤養(yǎng)分有效化水平。其次，土壤轉(zhuǎn)化酶活性在模式A和B間無顯著差異，均低于模式C(P<0.05)，轉(zhuǎn)化酶參與土壤有機(jī)碳循環(huán)，將蔗糖分解成葡萄糖和果糖的同時(shí)為土壤微生物提供大量的速效碳源，通過刺激土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，加速土壤營養(yǎng)物質(zhì)的有效轉(zhuǎn)換[16]。由表2可見，模式A和B轉(zhuǎn)化酶活性均明顯低于模式C，說明多種經(jīng)濟(jì)植物嵌套種植的人工生草模式可有效增加土壤微生物群落多樣性，體現(xiàn)了地表植被多樣性與地下土壤微生物群落遺傳多樣性協(xié)同變化的特性[17]，進(jìn)而刺激土壤轉(zhuǎn)化酶活性，加速了土壤有機(jī)碳的地球生物化學(xué)循環(huán)速率，進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分有效化水平。第三，土壤過氧化氫酶廣泛存在于微生物和植物的細(xì)胞中，可清除由于生物呼吸過程中和有機(jī)物生物氧化過程中產(chǎn)生的過氧化氫[7]。雖然本研究中土壤過氧化氫酶活性在模式A、B和C間差異未達(dá)顯著水平，但均高于CK組，說明采取復(fù)合生草模式可明顯降低土壤過氧化氫的積累，進(jìn)而減少其對(duì)植物及土壤微生物的毒害作用。第四，堿性磷酸酶活性在模式B和C無顯著性差異，但均低于模式A，說明種植黃花菜的生草模式可有效加速土壤有機(jī)磷的礦化速率，土壤酶參與土壤肥力形成和演變，其活性易受植物根系分泌物、有機(jī)物礦化分解和經(jīng)營模式的影響[6]，上述結(jié)果亦說明選用不同經(jīng)濟(jì)作物參與復(fù)合生草模式對(duì)土壤磷素供應(yīng)水平的影響亦不相同。

就土壤理化性質(zhì)而言，土壤速效鉀和速效磷含量在模式A、B和C間無差異顯著，但均高于CK組(P<0.05)；模式B的土壤堿解氮含量高于模式A和C(P<0.05)；3種處理組土壤含水量均低于對(duì)照組CK，但模式A和CK組間差異達(dá)顯著水平；而有機(jī)質(zhì)及土壤pH值各處理組與CK組間均無顯著差異(表3)。

表2 隴東黃土高原地區(qū)不同生草模式下杏樹林根際土壤酶活性Table 2 Rhizosphere soil enzyme activity of apricot orchard with different grass patterns in eastern Gansu Province

注：平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列不同字母表示多重比較差異顯著(Duncan，α=0.05)。下同。

Notes: Data are means ± SE (n=3)； significant differences among treatments within each variable were tested using Duncan’s multiple range comparison (P=0.05) and are indicated by different letters. The following tables use the same representation.

表3 隴東黃土高原地區(qū)不同生草模式下杏樹林根際土壤理化性質(zhì)Table 3 Rhizosphere soil physicochemical properties of apricot orchard with different grass patterns in eastern Gansu Province

李會(huì)科等[5]對(duì)黃土高原渭北蘋果園生草土壤性狀測(cè)定結(jié)果表明，生草能降低0～60 cm土層土壤含水量，提高0～40 cm土層堿解氮、速效磷及速效鉀含量；Qian等[18]分析了我國黃土高原地區(qū)生草覆蓋對(duì)蘋果園土壤養(yǎng)分、酶活性及細(xì)菌群落遺傳多樣性的分析結(jié)果顯示，種植白三葉草和黑麥草可明顯增加土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量以及土壤含水量，其中豆科植物白三葉草可極顯著增加土壤堿解氮含量；惠竹梅等[19]研究了陜西楊凌葡萄生產(chǎn)園行間播種白三葉草、紫花苜蓿和高羊茅，以清耕為對(duì)照，分析了土壤微生物數(shù)量的變化及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系后得出，白三葉草和紫花苜蓿可有效增加土壤堿解氮和速效鉀含量，但種植高羊茅可明顯降低土壤堿解氮含量。上述試驗(yàn)結(jié)果與本研究試驗(yàn)結(jié)果基本一致，相較對(duì)照組CK，模式A、B和C可有效增加土壤速效鉀和速效磷含量(P<0.05)，且3組處理間無顯著性差異；而由紫花苜蓿參與的模式B和C土壤堿解氮含量明顯高于種植黃花菜的模式A(P<0.05)；但3種生草模式的土壤含水量卻明顯低于對(duì)照組CK(P<0.05)，其中模式C 的土壤含水量與CK間未達(dá)顯著差異。說明生草品種差異對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不盡相同，顯然豆科植物固氮作用可增加土壤氮素利用率，但種植生草可顯著增加0～40 cm土層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[20]及其種群數(shù)量[21]，加速有機(jī)碳的分解，提高土壤養(yǎng)分的礦化速率和營養(yǎng)水平[4]。前人研究得出，種植生草可對(duì)果園土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生顯著影響，但主要集中在0～20 cm的表層土壤[5]，而本研究中土壤有機(jī)質(zhì)及pH值在不同生草模式間無顯著性差異，究其原因可能是由于隴東黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)及含水量偏低，而生草果園的土壤有機(jī)質(zhì)庫容的演變主要以進(jìn)化為主，本研究所采集土樣深度為0～40 cm，加之6 a的生草年限以及隴東地區(qū)土壤較高的鹽堿化程度的共同影響，使得隴東黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的形成和pH值的改變尚未表現(xiàn)出顯著影響，這種情況可能隨著生草模式年限的增加而逐步顯現(xiàn)。

2.2 杏樹林根際土壤微生物群落遺傳多樣性對(duì)不同生草模式的響應(yīng)

圖1為隴東黃土高原地區(qū)杏樹林不同生草模式下土壤根際微生物群落PCR-DGGE指紋圖譜及其模式圖。圖譜上條帶信息反映了土壤微生物群落多樣性變化情況，其中電泳條帶的多少反映出土壤中細(xì)菌群落多樣性；條帶的粗細(xì)則反映了種群密度的差異，條帶亮度表征種群分布頻率高低。由圖1可見，與對(duì)照組CK相比，3種生草模式下杏樹根際土壤樣品DGGE條帶數(shù)量增多亮度增加，說明種植生草可有效增加隴東黃土高原地區(qū)杏樹林根際微生物種類和數(shù)量，改變其土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成。

圖1 不同生草模式下杏樹林土壤根際微生物群落PCR-DGGE指紋圖譜及其模式圖Fig 1 DGGE band patterns and models of rhizosphere soil microbial community of apricot orchard with different grass patterns

圖2反映了隴東黃土高原地區(qū)不同生草模式杏樹林土壤根際微生物群落多樣性指數(shù)變化情況。F檢驗(yàn)結(jié)果顯示，4種多樣性指數(shù)在各樣地間差異均達(dá)極顯著水平，上述結(jié)果體現(xiàn)了種植不同生草可對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。多重比較(Duncan，α=0.05)結(jié)果顯示，4種多樣性指數(shù)在不同生草模式下呈相似的變化趨勢(shì)，即模式C>模式B>模式A>CK (P<0.05)，其中Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou 均勻度在模式B和模式C之間未達(dá)顯著差異。前人研究得出果園的生草和土地利用方式均可增加土壤微生物的數(shù)量[5]，改變果園土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[21]和組成[20]。本研究結(jié)果與上述試驗(yàn)結(jié)果相一致，其主要原因是種植生草后有利于增加土壤有機(jī)碳的積累和轉(zhuǎn)化速率，加之生草凋落物可為果園土壤微生物提供大量速效碳氮源[17]，進(jìn)而刺激土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖和有機(jī)碳礦化速率；其二，種植生草后地表生物量[22]及群落結(jié)構(gòu)改變可引起地下微生物群落作出響應(yīng)，進(jìn)而有助于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成的改變[23]。

圖2 隴東黃土高原地區(qū)不同生草模式杏樹林土壤根際微生物群落多樣性指數(shù)變化Fig. 2 Changes on rhizosphere soil microbial community diversity indexes of apricot orchard with different grass patterns in eastern Gansu Province

2.3 隴東黃土高原地區(qū)杏樹林根際土壤肥力對(duì)不同生草模式的響應(yīng)

對(duì)所測(cè)定的14項(xiàng)土壤環(huán)境變量進(jìn)行中心化處理后,通過因子分析法對(duì)原始環(huán)境變量進(jìn)行信息重組[24]，得出各因子的特征根、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率(表4)；通過正交旋轉(zhuǎn)得到因子得分矩陣及其載荷矩陣(表5)，由表4可見前兩個(gè)公因子的累積貢獻(xiàn)率為86.998%，可用于評(píng)價(jià)隴東黃土高原地區(qū)不同生草模式下杏樹林根際土壤肥力變化情況。根據(jù)表5分析結(jié)果可知，土壤速效鉀、堿解氮、速效磷、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶、pH值、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù)對(duì)第一公因子起正相關(guān)作用；土壤有機(jī)質(zhì)、含水量和Patrick豐富度指數(shù)則起負(fù)相關(guān)作用。對(duì)第二公因子而言，土壤含水量、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、過氧化氫酶、脲酶、Patrick豐富度指數(shù)起正相關(guān)作用；而土壤速效磷、速效鉀、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、pH值、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)起負(fù)相關(guān)作用。

根據(jù)14項(xiàng)環(huán)境變量在兩個(gè)公因子中得分矩陣構(gòu)建因子得分函數(shù)：

Y1= 0.162X1+0.056X2+0.206X3-0.148X4+

0.102X5+0.183X6+0.12X7+0.063X8+

0.178X9+0.134X10-0.01X11+0.133X12+

0.128X13-0.104X14

Y2= -0.099X1+0.121X2-0.211X3+0.455X4+

0.036X5-0.169X6-0.009X7+0.107X8-

0.471X9-0.026X10+0.239X11-0.024X12-

0.019X13+0.021X14

式中，Y1，Y2為第一、第二公因子的得分：X1～X14為土壤環(huán)境變量的標(biāo)準(zhǔn)化值，分別對(duì)應(yīng)土壤速效鉀(X1)、堿解氮(X2)、速效磷(X3)、有機(jī)質(zhì)(X4)、過氧化氫酶(X5)、堿性磷酸酶(X6)、轉(zhuǎn)化酶(X7)、脲酶(X8)、pH (X9)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(X10)、Patrick豐富度指數(shù)(X11)、Pielou均勻度指數(shù)(X12)、Margalef豐富度指數(shù)(X13)和含水量(X14)。

表4 因子分量的特征根、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Table 4 Factor component characteristic root and contribution rate and cumulative contribution rate

注：提取方法為主成分分析法。

Notes: Extraction method were principal component analysis.

表5 土壤環(huán)境因子旋轉(zhuǎn)載荷矩陣及其因子得分矩陣Table 5 Rotating comprehensive factor loading matrix and component score coefficient matrix

注：因子提取采用主成分法，旋轉(zhuǎn)方法為方差最大正交法。

Notes: The factors were extracted by principal component analysis and rotated by varimax, then calculated the factor loading and the score of the factors.

將14項(xiàng)環(huán)境變量均值標(biāo)準(zhǔn)化后代入上述兩式，根據(jù)公因子特征根值計(jì)算其權(quán)重分別為0.728和0.272，根據(jù)W=Y1T1+Y2T2公式加權(quán)求和，計(jì)算不同生草模式下杏樹林根際土壤綜合肥力得分(圖3)，式中W為土壤綜合肥力得分；T1，T2為第一、第二公因子的權(quán)重。

圖3反映了隴東地區(qū)不同生草模式下杏樹林根際土壤綜合肥力變化情況，3種生草模式均不同程度增加了杏樹林根際土壤綜合肥力；其中以套種紫花苜蓿及黃花菜的模式C土壤綜合肥力最高(P<0.05)，而模式B和A間差異未達(dá)顯著水平。前人研究提出果園土壤肥力差異易受生草品種及其播種方式的影響[25]，究其原因可能是由于不同生草品種的混合播種對(duì)土壤有機(jī)碳的積累[26]及土壤微生物多樣性[27]的影響不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤綜合肥力的變化存在差異，而這種差異亦隨土壤類型及生草年限的差異而不同[28]。本研究結(jié)果與上述結(jié)果基本一致，以套種紫花苜蓿及黃花菜的模式C土壤綜合肥力最高(P<0.05)，而模式B和A間差異未達(dá)顯著水平，但均高于對(duì)照組CK，說明隴東黃土高原地區(qū)開展果園生草模式需增加生草品種的同時(shí)，要選用本地適生豆科植物進(jìn)行混合播種，將有利于該地區(qū)杏樹果園土壤綜合肥力的增加。

2.4 影響杏樹林不同生草模式土壤肥力差異的環(huán)境因子

為了闡明不同生草模式下杏樹樣地與土壤環(huán)境因子間關(guān)系，以及環(huán)境因子在驅(qū)動(dòng)不同樣地分異過程中的相對(duì)重要性，基于Bray-Curtis相異指數(shù)，將所測(cè)定的14項(xiàng)土壤環(huán)境因子擬合到4種樣地的非度量多維尺度(NMDS)排序圖上，脅強(qiáng)系數(shù)Stress=0.0481，說明該二維NMDS分析具有一定的擬合效果，可解釋樣地環(huán)境因子信息量的99.95%。

圖3 不同生草模式杏樹林根際土壤綜合肥力變化Fig.3 Changes on rhizosphere soil comprehensive fertility of apricot orchard with different grass patterns

由圖4可見，基于Bray-Curtis相異性指數(shù)，模式B和C在NMDS排序圖上發(fā)生重合，而模式A介于模式B、C和CK之間，說明4種樣地存在顯著差異。14個(gè)環(huán)境因子變量擬合至NMDS排序圖的結(jié)果顯示，14項(xiàng)環(huán)境因子中有9個(gè)環(huán)境變量與樣地NMDS排序結(jié)果顯著相關(guān)。由圖4可見，各樣地在NMDS排序圖上的分異主要與土壤酶活性中的脲酶(r2=0.8111，P=0.002)，轉(zhuǎn)化酶(r2=0.743 3，P=0.002)和過氧化氫酶(r2=0.689 1，P=0.007)顯著相關(guān)；4種土壤微生物群落遺傳多樣性指數(shù)中主要與Patrick豐富度指數(shù)(r2=0.848 9，P=0.001)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(r2=0.697 4，P=0.006)和Pielou 均勻度指數(shù)(r2=0.649 7，P=0.009)相關(guān)；就土壤理化因子而言，6項(xiàng)理化因子中只有土壤有機(jī)質(zhì)與樣地分異有關(guān)(r2=0.510 5，P=0.035)。上述結(jié)果說明影響杏樹林不同生草模式土壤肥力差異的最主要環(huán)境因子分別是Patrick豐富度指數(shù)和土壤脲酶，其余依次為經(jīng)營模式(r2=0.758 5，P=0.001)、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、土壤微生物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)。前人研究[5]得出生草栽培可明顯增加杏樹根際微生物數(shù)量，生草栽培對(duì)果園生理生態(tài)的影響隨草種和生草模式不同而有所差異，如豆科植物有助于土壤氮素積累，禾本科植物能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，這與本研究結(jié)果相一致，說明隴東地區(qū)氣候和土壤條件具有獨(dú)特的地域性，生草栽培對(duì)果園土壤生物學(xué)及非生物學(xué)特性的影響隨草種和生草模式不同而有所差別，即如何增加土壤微生物數(shù)量以及配植適應(yīng)隴東地域特點(diǎn)的林下生草對(duì)于隴東地區(qū)杏樹果園的良性發(fā)展至關(guān)重要。

注：排序圖上顯示了與各樣地分異有關(guān)的土壤環(huán)境因子，橢圓代表平行樣品間的標(biāo)準(zhǔn)差；*代表與各樣地分異相關(guān)的土壤環(huán)境因子顯著水平：***表示P<0.001，**表示 P<0.01，*表示 P<0.05Note: The correlations between 13 vectors and 12 rhizosphere soil samples treated by different planting patterns were tested using the R package (based on 999 permutations), and significant vectors (r2 values and P values were shown on the right panels) were fitted to the NMDS ordination plots; Ellipses represent standard deviation among parallel samples圖4 隴東黃土高原地區(qū)杏樹林不同生草模式的非度量多維尺度(NMDS)排序及其與環(huán)境因子間關(guān)系Fig.4 Nonmetric multidimensional scaling (NMDS) ordination patterns of apricot orchard with different grass patterns and relationship with their environment factors in eastern Gansu Province

2.5 不同生草模式下杏樹根際土壤綜合肥力的影響因子方差分解

圖5為影響不同生草模式下杏樹根際土壤綜合肥力的環(huán)境因子方差分解Venn圖，結(jié)果顯示，本研究所涉及的14項(xiàng)環(huán)境變量可劃分為3類環(huán)境因子(土壤微生物學(xué)特性、土壤酶活性及土壤理化特性)。根據(jù)方差分解殘差可知，3類環(huán)境因子總疊加效應(yīng)共同解釋了不同生草模式下杏樹根際土壤綜合肥力變異的79%(圖5)；而3類環(huán)境因子獨(dú)立效應(yīng)分析結(jié)果顯示，土壤理化特性只解釋了綜合肥力差異的3%，而土壤酶活性與微生物群落分別解釋了15%和13%。從3類環(huán)境因子交互作用來看，影響不同生草模式下杏樹根際土壤綜合肥力的因素主要來自土壤理化特性和土壤酶活性(39%)以及土壤微生物群落和酶活性(41%)，而三者的共同作用可解釋土壤肥力變異的63% (圖5)。

圖5 土壤環(huán)境因子對(duì)不同生草管理模式杏樹根際土壤綜合肥力的方差分解Fig.5 Variance analysis on rhizosphere soil comprehensivefertility of apricot orchard with different grass patterns

上述結(jié)果說明，在隴東地區(qū)對(duì)杏樹林采用不同生草模式后土壤綜合肥力出現(xiàn)明顯差異，而造成其土壤肥力差異最主要的環(huán)境因子為土壤酶活性和土壤微生物學(xué)特性。之前在對(duì)4種生草模式進(jìn)行NMDS排序分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響不同生草模式土壤肥力差異的最主要環(huán)境因子分別是Patrick豐富度指數(shù)和經(jīng)營模式，其余依次為土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、土壤微生物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)，所測(cè)定的6項(xiàng)理化因子中只有土壤有機(jī)質(zhì)與樣地分異有關(guān)，且貢獻(xiàn)率為相關(guān)因子中最低，這一結(jié)果與方差分解結(jié)果相吻合。土壤生態(tài)系統(tǒng)中理化因子是物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞的不可或缺的環(huán)節(jié)，可與其它環(huán)境因子相互作用，共同完成生物地球化學(xué)循環(huán)過程[6]。但本研究中土壤理化因子對(duì)于該地區(qū)不同生草模式杏樹林土壤綜合肥力的單獨(dú)效應(yīng)只有3%，但縱觀共同效應(yīng)后可見，土壤理化特性與土壤微生物特性間可共同解釋土壤肥力差異的11%，而NMDS排序中土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)于樣地分異之間呈顯著關(guān)系(r2=0.510 5，P=0.035)，說明隴東黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量是物質(zhì)和能量循環(huán)的基礎(chǔ)，土壤中有機(jī)成分的高低直接影響了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成，有機(jī)質(zhì)含量高低決定了土壤微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的礦化的速率[29]，進(jìn)而引起土壤微生物數(shù)量以及群落結(jié)構(gòu)和組成的改變[4]，同時(shí)與植物根際分泌物實(shí)現(xiàn)共代謝[17]，加速無機(jī)物的同化作用的同時(shí)刺激了植物根際土壤酶活性，進(jìn)而完成地球生物化學(xué)循環(huán)[23]。因此，對(duì)隴東地區(qū)杏樹林實(shí)施不同生草模式時(shí)應(yīng)增施有機(jī)肥，增加生草品種多樣性可為其根際微生物提供大量的速效碳、氮源的同時(shí)有效刺激杏樹根際胞外酶的分泌進(jìn)而有效提高土壤綜合肥力。

3 結(jié) 論

本研究以隴東黃土高原地區(qū)不同模式(A:杏樹+黃花菜；B:杏樹+紫花苜蓿；C:杏樹+黃花菜+紫花苜蓿；以杏樹+清耕作為對(duì)照組CK)人工生草6年的杏樹林根際土壤為研究對(duì)象，測(cè)定了14項(xiàng)土壤生物學(xué)及非生物學(xué)環(huán)境因子，利用NMDS排序和方差分解初步分析了不同生草模式下杏樹樣地與土壤環(huán)境因子間關(guān)系，以及環(huán)境因子在驅(qū)動(dòng)不同生草模式樣地土壤綜合肥力分異過程中的相對(duì)重要性，結(jié)論如下：

1)杏樹林嵌套種植紫花苜蓿可有效增加土壤氮素循環(huán)；黃花菜生草模式可有效加速土壤有機(jī)磷的礦化速率；復(fù)合生草模式可有效增加土壤微生物群落多樣性，進(jìn)而刺激土壤轉(zhuǎn)化酶活性，加速了土壤有機(jī)碳的地球生物化學(xué)循環(huán)速率的同時(shí)，顯著降低了土壤過氧化氫的積累(P<0.05)。土壤理化方面，草種差異對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不盡相同，豆科植物固氮作用可增加土壤氮素利用率。隴東地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)及含水量偏低，6a的生草年限和隴東地區(qū)土壤較高的鹽堿化程度的共同影響，使得該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的形成和pH值的改變尚未表現(xiàn)出顯著影響，而這種情況可能隨著生草經(jīng)營模式年限的增加而逐步顯現(xiàn)。

2)基于PCR-DGGE技術(shù)分析結(jié)果說明生草模式可對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，4種多樣性指數(shù)在不同生草模式間呈相似的變化趨勢(shì)，即模式C>模式B>模式A>CK。說明生草有助于增加土壤有機(jī)碳的積累，刺激土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖和有機(jī)碳礦化速率，同時(shí)草種差異是導(dǎo)致了杏樹根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成變化的主要因素，即土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成隨地表植被多樣性及群落結(jié)構(gòu)改變而呈不同的響應(yīng)模式。

3)利用因子分析法探討了隴東黃土高原地區(qū)杏樹林根際土壤肥力對(duì)不同生草模式的響應(yīng)，結(jié)果顯示3種生草模式增加了杏樹林根際土壤綜合肥力，其中以套種紫花苜蓿及黃花菜的模式C土壤綜合肥力最高(44.39±5.44)，而模式B和A間差異未達(dá)顯著水平。說明隴東地區(qū)開展果園生草經(jīng)營模式需增加生草品種的同時(shí)，要選用本地適生豆科植物進(jìn)行混合播種，將有利于該地區(qū)杏樹果園土壤綜合肥力的增加。

4) 基于Bray-Curtis相異指數(shù)，將所測(cè)定的14項(xiàng)土壤環(huán)境因子擬合到4種樣地NMDS排序圖上，結(jié)果顯示影響隴東地區(qū)杏樹林不同生草模式土壤肥力差異的最主要環(huán)境因子是Patrick豐富度指數(shù)和土壤脲酶，其余依次為經(jīng)營模式、土壤轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶、土壤微生物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)。隴東地區(qū)生草栽培對(duì)果園土壤生物學(xué)及非生物學(xué)特性的影響隨草種和生草模式不同而有所差別，即如何增加土壤微生物數(shù)量以及配植適應(yīng)隴東地域特點(diǎn)的林下生草對(duì)于隴東地區(qū)杏樹果園的良性發(fā)展至關(guān)重要。

5)對(duì)不同生草模式下杏樹根際土壤綜合肥力進(jìn)行因子方差分解后結(jié)果顯示，在隴東地區(qū)對(duì)杏樹林采用不同生草模式后土壤綜合肥力出現(xiàn)明顯差異，而造成其土壤肥力差異最主要的環(huán)境因子為土壤酶活性和土壤微生物學(xué)特性。土壤中有機(jī)成分的高低直接影響了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成，因此對(duì)隴東地區(qū)杏樹林實(shí)施不同生草模式時(shí)應(yīng)增施有機(jī)肥，增加生草品種多樣性可為其根際微生物提供大量的速效碳、氮源的同時(shí)有效刺激杏樹根際胞外酶的分泌進(jìn)而有效提高土壤綜合肥力。

致謝：感謝隴東學(xué)院王鑫教授在土樣采集及其理化性質(zhì)和酶活性測(cè)定過程中給予的幫助；感謝青海師范大學(xué)石國璽副教授在數(shù)據(jù)分析中的悉心指導(dǎo)。