甘肅中部高寒區(qū)覆蓋栽培對(duì)馬鈴薯土壤酶活性及產(chǎn)量變化影響

陳和平，竇俊煥，郭天順，王 鵬，李芳弟，頡煒清，羅照霞，齊小東，呂 汰

（1.隴南市武都區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 隴南 746000；2.甘肅省天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水 741001）

覆膜栽培一直以來(lái)作為甘肅中部高寒區(qū)旱作區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水栽培的關(guān)鍵示范技術(shù)，因地制宜的被應(yīng)用到不同作物栽培中。馬鈴薯作為旱作農(nóng)作物之一，其栽培技術(shù)及增產(chǎn)增收備受人們關(guān)注。天水是甘肅典型的旱作馬鈴薯種植區(qū)，由于受干旱條件制約，覆膜栽培就成為當(dāng)?shù)伛R鈴薯抗旱增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施[1]。土地覆膜后，土壤質(zhì)量、養(yǎng)分性狀、生產(chǎn)能力、減藥減肥等方面發(fā)生了哪些改變和優(yōu)化，其中一些重要的土壤性狀是否得到有效改善，成為研究者們關(guān)心的問(wèn)題[2]。

土壤酶作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)流和能量流的重要媒介，是土壤微生物和植物根系等產(chǎn)生專(zhuān)一生物化學(xué)反應(yīng)的酶類(lèi)物質(zhì)。近年來(lái)，由于覆膜栽培能夠達(dá)到增溫保墑、增產(chǎn)增收的效果，覆膜栽培下的土壤溫度、土壤含水量、土壤肥力、土壤酶及微生物區(qū)系變化特征方面的研究就成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[3,4]。周麗霞和丁明懋[5]從揭膜時(shí)期的選擇分析土壤酶活性的變化特征。孟立君和吳鳳芝[6]從不同壟溝覆膜栽培分析了不同土層中土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性變化特征。本研究通過(guò)甘肅旱作區(qū)馬鈴薯田間試驗(yàn)，研究不同種類(lèi)地膜及覆膜栽培方式對(duì)馬鈴薯種植的土壤酶活性變化特征及產(chǎn)量的影響，以期為完善旱作區(qū)地膜栽培技術(shù)及地膜有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在甘肅省天水市中梁試驗(yàn)站（中梁鎮(zhèn)何家灣村），該地區(qū)海拔1 650 m，試驗(yàn)地為山旱地，土壤為典型的黃綿土，前茬作物為冬小麥[1]，其基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分狀況為有效磷25.9 mg/kg，速效鉀95 mg/kg，堿解氮54 mg/kg，全氮0.56 g/kg，全磷1.12 g/kg，全鉀15.75 g/kg。研究表明，土壤N、P、K有效態(tài)的轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)與土壤酶活性息息相關(guān)。

1.2 試驗(yàn)材料及來(lái)源

試驗(yàn)材料為馬鈴薯品種‘天薯12號(hào)’，為馬鈴薯一級(jí)種（G3），由天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。試驗(yàn)地膜選用厚度為0.008 mm、幅寬120 cm的聚乙烯吹塑農(nóng)用白膜、黑膜和厚度為0.012 mm、幅寬120 cm的黑色降解地膜。秸稈選用小麥秸稈。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)5個(gè)處理，分別為：露地栽培（OF）、降解地膜覆蓋栽培（DF）、黑色地膜覆蓋栽培（BF）、秸稈覆蓋栽培（SM）和白色地膜覆蓋栽培（WF）。3次重復(fù)，小區(qū)面積36 m2（15 m×2.4 m）。播種整地前施尿素（總氮≥ 46.4%）224.9 kg/hm2、磷酸二銨（總養(yǎng)分N+P2O5≥ 64%）75.0 kg/hm2、有機(jī)肥（N+P2O5+K2O ≥5.0%，有機(jī)質(zhì)≥45%）374.8 kg/hm2、農(nóng)家肥（腐熟人畜的糞尿）14 992.5 kg/hm2。于2016年4月13日，按照不同覆蓋處理打孔點(diǎn)播，6月19日結(jié)合培土起壟追施尿素（總氮≥46.4%）224.9 kg/hm2和磷酸二銨（總養(yǎng)分N+P2O5≥ 64%）150.0 kg/hm2，9月28日收獲入窖。

1.4 試驗(yàn)方法

在馬鈴薯生長(zhǎng)的成熟期采集土壤樣品，分表土層（10 cm）、亞土層（20和30 cm）3個(gè)土層梯度，參考“S”形取樣法，采取植株垂直下方土壤，每個(gè)小區(qū)5個(gè)采樣點(diǎn)，將每區(qū)5個(gè)土樣混合均勻后采集500 g；新鮮土樣過(guò)0.2 mm篩后保存于4℃冰箱，用于土壤酶活性的測(cè)定。

測(cè)定土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性[6-8]，其中土壤脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定（以每克土24 h產(chǎn)生的NH3-N毫克數(shù)表示）；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法（以每克土24 h產(chǎn)生的酚毫克數(shù)表示）；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法（以每克土24 h產(chǎn)生的葡萄糖毫克數(shù)表示）；土壤過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法（以每克土消耗0.1 mol/L KMnO4毫升數(shù)表示）。酶標(biāo)儀采用DNM-9602G型酶標(biāo)分析儀。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖分別采用SPSS 20.0和Excel 2010軟件。數(shù)據(jù)處理采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和鄧肯氏新復(fù)極差檢驗(yàn)法（DMRT法）進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋栽培模式馬鈴薯成熟期土壤表土層、亞土層土壤酶活性

由圖1可以看出，在表土層（10 cm）土壤中，BF處理蔗糖酶活性顯著高于OF和DF處理，SM顯著高于OF，其他各處理間差異不顯著，OF和DF蔗糖酶活性較差，分別為8.22和9.39 mg/g·d；WF和DF過(guò)氧化氫酶活性與BF的差異顯著，且活性較低，分別為0.88和0.97 mL/g·h；脲酶活性各處理間差異不顯著；堿性磷酸酶活性WF與BF差異顯著，酶活性較低，為5.9 mg/g·d。

圖1 表土層（10cm）土壤酶活性Figure 1 Soil enzyme activity in topsoil(10 cm)

由圖2可以看出，在亞土層（20 cm）土壤中，蔗糖酶活性BF處理與其他處理差異顯著，為10.62 mg/g·d；過(guò)氧化氫酶活性SM和BF處理與DF差異顯著，分別為1.28和1.16 mL/g·h，DF較差，為0.88 mL/g·h；脲酶活性各處理間差異不顯著；堿性磷酸酶活性BF、SM和OF與WF差異顯著，分別為16.01，13.43和11.66 mg/g·d。

由圖3可以看出，在亞土層（30 cm）土壤中，除堿性磷酸酶活性DF處理顯著高于SM處理，其他酶活性各處理間差異均不顯著，說(shuō)明在較深土層土壤酶活性差異性明顯降低，受作物及覆膜方式的影響變小。

2.2 不同覆蓋栽培模式馬鈴薯成熟期土壤酶活性垂直分布

由圖4可以看出，不同覆蓋栽培處理在10，20和30 cm土層4種酶活性變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。隨著土層深度增加，各處理蔗糖酶活性逐漸降低；DF和WF堿性磷酸酶、脲酶活性變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為“先降低后升高”，其他處理降低；OF和DF過(guò)氧化氫酶活性降低，其他處理“先升高后降低”。

2.3 不同覆蓋栽培模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表1可知，各處理主莖數(shù)、單株薯重、平均薯重?zé)o顯著差異，SM株高和商品薯率（除了OF處理）顯著高于其他處理；與OF處理對(duì)比，SM處理各經(jīng)濟(jì)性狀表現(xiàn)最好，說(shuō)明秸稈覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響要優(yōu)于其他地膜，可能原因是秸稈覆蓋能良好的保溫、保水、降溫及改變降水入滲等調(diào)節(jié)作用有利于薯塊膨大，形成大薯，提高商品薯率，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

不同覆蓋栽培模式對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量影響不同，SM模式下馬鈴薯產(chǎn)量最高為24 268 kg/hm2，較OF增產(chǎn)7 235 kg/hm2，增幅為42.5%；其次為BF，產(chǎn)量為20 907 kg/hm2，較OF增產(chǎn)3 874 kg/hm2，增幅為22.7%；WF處理的產(chǎn)量為17 229 kg/hm2，較OF增產(chǎn)196 kg/hm2，增幅為1.2%。

圖2 亞土層（20 cm）土壤酶活性Figure 2 Soil enzyme activity in sub-soil layer(20 cm)

圖3 亞土層（30 cm）土壤酶活性Figure 3 Soil enzyme activity in sub-soil layer(30 cm)

圖4 土壤（10，20和30 cm）酶活性的垂直變化Figure 4 Vertical changes in soil enzyme activity in soil (10, 20 and 30 cm)

表1 不同覆蓋栽培模式對(duì)馬鈴薯經(jīng)濟(jì)性狀的影響Table1 Effects of different mulching cultivation patterns on potato economic characteristics

3 討 論

土壤酶作為土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量鏈流動(dòng)的主要參與者，其活性大致反映了某一種土壤生態(tài)狀況下生物化學(xué)過(guò)程的相對(duì)強(qiáng)度；測(cè)定相應(yīng)酶的活性，以間接了解某種物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化情況[9]。土壤蔗糖酶參與植物體內(nèi)碳水化合物的代謝。蔗糖酶活性在土層（10～20 cm）活性最強(qiáng)，說(shuō)明耕層土壤豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及馬鈴薯生長(zhǎng)的活躍微環(huán)境區(qū)系對(duì)蔗糖酶活性具有重要作用；土壤脲酶活性常用于表征土壤的氮素情況，并能間接反映出土壤的生產(chǎn)力[10]。脲酶活性整體較低且隨土層深度下降，推測(cè)馬鈴薯在塊莖膨大過(guò)程中需要消耗大量的養(yǎng)分，出現(xiàn)作物與微生物爭(zhēng)奪氮素營(yíng)養(yǎng)的局面，此時(shí)的脲酶活性受到抑制，而DF和WF處理脲酶活性上升可能與土壤微生物的活動(dòng)有關(guān)，劉飛等[11]也有類(lèi)似的結(jié)論。土壤堿性磷酸酶主要參與土壤含磷化合物的合成及磷素循環(huán)。堿性磷酸酶活性在20 cm土層活性最強(qiáng)，可能與馬鈴薯根系生長(zhǎng)有關(guān)；土壤過(guò)氧化氫酶活性表征土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱。在整個(gè)土層過(guò)氧化氫酶活性較低且變化較平穩(wěn)，說(shuō)明不同覆蓋栽培對(duì)于土壤中過(guò)氧化氫酶活性的表達(dá)影響效果有限。

引起土壤不同梯度酶活性變化不穩(wěn)定的原因可能是因?yàn)椴煌母采w栽培模式改變了耕層土壤的結(jié)構(gòu)，以及影響到馬鈴薯根系的生長(zhǎng)分布變化，進(jìn)而影響到土壤養(yǎng)分的利用及土壤微生物區(qū)系的改變，這與倪麗佳等[12]、曹莉等[13]的研究是相吻合的。

另一方面，溫度也是影響土壤酶變化的一大因素。王學(xué)娟等[14]、王娟等[15]認(rèn)為土壤脲酶與過(guò)氧化氫酶活性對(duì)地溫很敏感。在馬鈴薯種植期，較低的地溫持續(xù)較長(zhǎng)，而生長(zhǎng)旺盛階段又持續(xù)高溫，導(dǎo)致土壤酶活性變化特征出現(xiàn)較大的波動(dòng)，影響了試驗(yàn)的穩(wěn)定性。