白三葉降解對陜西地區(qū)蘋果園土壤酶活性的影響

楊文權(quán)，盧彪儒，程宇陽，魏倩倩，寇建村

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 青海省興?？h環(huán)境保護(hù)和林業(yè)局，青海 興海 813300；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

我國是世界第一大蘋果生產(chǎn)國，而以陜西、甘肅為代表的黃土高原地區(qū)是中國乃至世界上最大的蘋果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)特殊的土壤和氣候條件是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果最主要的因素[1-2]。但是，黃土高原地區(qū)生產(chǎn)蘋果有兩個(gè)限制因子。第一是水分，蘋果生產(chǎn)是一個(gè)高耗水過程，而黃土高原又是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降水少而蒸發(fā)量大，這是該地生產(chǎn)蘋果的一大障礙[3]；第二是土壤肥力，蘋果生產(chǎn)需要大量的肥力，尤其是有機(jī)肥，但隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及蘋果種植面積的擴(kuò)大，原來的廄肥、農(nóng)家肥及秸稈等越來越少，可用于蘋果園的有機(jī)肥源嚴(yán)重不足，因此，生產(chǎn)上主要以化肥為主，尤其是氮肥過量使用，造成了肥料的浪費(fèi)及空氣和地下水的污染[4-5]。為改善黃土高原蘋果園的土壤水分和肥力，研究人員提出果園種草的栽培模式，即在果樹行間種草，然后將草刈割后通過覆蓋或埋置的方式返園，既能降低蒸發(fā)，保持土壤含水量，而果園草降解后，又能改善土壤肥力，為果園提供長期穩(wěn)定的有機(jī)肥源[6-7]。但是，有關(guān)果園草的不同利用方式及對果園土壤生理生態(tài)功能的影響還鮮有報(bào)道。

研究表明，植物殘?bào)w降解的本質(zhì)就是特定條件下的酶解過程[8-9]，因此，植物殘?bào)w降解對土壤酶活性有重要的影響[10-11]。土壤酶能加速土壤生化反應(yīng)速率，酶活性大小可表征土壤中生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向[12]，是觀察土壤肥力的重要指標(biāo)[13-14]。而土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶以及磷酸酶與有機(jī)質(zhì)數(shù)量、土壤呼吸強(qiáng)度等養(yǎng)分狀況密切相關(guān)，對土壤肥力有重要的影響[15-17]。但是，目前對植物殘?bào)w降解的研究多集中于秸稈還田以及森林凋落物等方面，而對于果園草覆蓋或埋置后降解時(shí)對土壤酶活性影響的研究還鮮有報(bào)道[18-19]。為此，本研究以黃土高原地區(qū)蘋果園最適宜的白三葉(Trifolium repens)為材料，在蘋果典型優(yōu)生區(qū)—陜西的洛川和旬邑蘋果園中進(jìn)行白三葉埋置降解試驗(yàn)，研究白三葉降解對不同蘋果園土壤酶活性的影響，以為果園種草及果園草的合理利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西省洛川縣和旬邑縣，均地處渭北黃土高原溝壑區(qū)。洛川縣試驗(yàn)地設(shè)在延安市洛川縣無公害蘋果示范園，平均海拔1 100 m，年均氣溫 9.2 ℃，年降水量 622 mm，無霜期 167 d，日照時(shí)數(shù) 2 552 h，≥ 10 ℃ 年積溫 3 040 ℃·d，土壤為疏松的黑壚土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.41%，全氮含量 0.07 g·kg-1，全磷含量 0.11 g·kg-1，全鉀含量 1.47 g·kg-1，速效氮含量 11.1 g·kg-1，速效磷含量 16.2 g·kg-1，速效鉀含量 171.3 g·kg-1。旬邑縣試驗(yàn)地設(shè)在旬邑縣原底鄉(xiāng)，平均海拔1 300 m，年均氣溫9.0 ℃，年降水量 600 mm，無霜期 179 d，日照時(shí)數(shù) 2 390 h，≥ 10 ℃ 年積溫2 956 ℃·d，土壤為粘黑壚土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.38%，全氮含量0.11 g·kg-1，全磷含量 0.09 g·kg-1，全鉀含量 1.70 g·kg-1，速效氮含量 10.7 g·kg-1，速效磷含量 14.8 g·kg-1，速效鉀含量275.7 g·kg-1。果園均管理水平成熟，耕作方式為旱作，種植的蘋果樹種為半矮化的紅富士。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證材料的一致性，試驗(yàn)用材料為2009年3月底種植于楊凌蘋果試驗(yàn)基地的白三葉。2014年5月底，將白三葉(孕蕾期)刈割后裝入尼龍袋(20 cm × 20 cm)中，每袋裝鮮草 200 g。同時(shí)，為了定量測定白三葉的養(yǎng)分釋放速度、土壤養(yǎng)分變化以及減少田間操作對試驗(yàn)的影響，也為了便于與同期進(jìn)行的覆蓋試驗(yàn)進(jìn)行比較，在蘋果樹行的中間位置，每隔一定距離，挖深40 cm、寬30 cm的溝，將溝內(nèi)取出的土壤混勻后，先在容器(直徑40 cm、高 40 cm的營養(yǎng)缽，底部有孔)內(nèi)裝入15～20 cm深的土，將裝有白三葉的尼龍袋放入容器中，每個(gè)容器中放一個(gè)尼龍袋，然后用土把容器裝滿，容器表面與周圍地面保持平整，即白三葉埋深15～20 cm。對照為不放白三葉的土壤裝滿容器，5次重復(fù)。

前期研究表明，埋置的白三葉大部分物質(zhì)降解在前3個(gè)月，完全降解約需要12個(gè)月(待發(fā)表)。因此，分別于埋置后1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月進(jìn)行土壤樣品采集。采集時(shí)，取尼龍袋下方約5 cm深的土壤，除去可見植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物，混勻后采用四分法留取土樣，用無菌自封袋封裝，放入裝有冰袋的保溫箱，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。樣品置于實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后用于土壤酶活性測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤酶的活性測定參考關(guān)松蔭[20]的相關(guān)方法。蛋白酶采用茚三酮比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH2-N的質(zhì)量(mg)表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤葡萄糖的質(zhì)量(mg)表示；脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH3-N的質(zhì)量(mg)表示；堿性磷酸酶的活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的質(zhì)量(mg)表示，3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 Microsoft Excel 2016 對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，使用SPSS 18.0軟件對土壤含水量和酶活性進(jìn)行差異顯著性分析，對土壤酶活性與日均溫、月均溫及土壤肥力進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 埋置白三葉對蘋果園土壤含水量的影響

埋置白三葉后蘋果園土壤含水量增加。無論在洛川還是在旬邑蘋果園中，埋草的土壤含水量均高于對照，且除埋置6個(gè)月時(shí)埋草與對照之間差異不顯著外，其余埋草處理均顯著高于對照(P＜0.05)，特別是在埋置后1個(gè)月時(shí)土壤含水量增加最多，洛川和旬邑土壤含水量分別較對照增加6.4%和4.3%(圖 1)。

2.2 埋置白三葉對蘋果園土壤蛋白酶活性的影響

蘋果園中埋置白三葉的12個(gè)月內(nèi)，均會使土壤蛋白酶活性顯著升高(P＜0.05)(圖2)。不同地區(qū)蘋果園中土壤蛋白酶活性的變化不同，在白三葉埋置前3個(gè)月，洛川和旬邑蘋果園中土壤蛋白酶活性升高幅度基本一致，但在埋草6個(gè)月和12個(gè)月時(shí)，洛川蘋果園中土壤蛋白酶的活性較對照分別提高 0.17 和 0.14 mg·(g·d)-1，而旬邑蘋果園中土壤蛋白酶的活性僅提高 0.04 和 0.05 mg·(g·d)-1。

圖1 埋置白三葉對蘋果園土壤含水量的影響Figure 1 Effect of buried white clover on soil water content in apple orchards

圖2 埋置白三葉對蘋果園土壤蛋白酶活性的影響Figure 2 Effect of buried white clover on soil protease activity in apple orchards

2.3 埋置白三葉對蘋果園土壤脲酶活性的影響

蘋果園中埋置白三葉后，除旬邑6個(gè)月時(shí)埋草和對照之間無顯著差異外(P ＞ 0.05)(圖3)，在白三葉埋置的其他時(shí)間，洛川和旬邑蘋果園土壤中脲酶活性均較對照增加，且差異顯著(P＜0.05)。埋草對洛川蘋果園土壤脲酶活性的影響較旬邑的大，在3個(gè)月和6個(gè)月時(shí)，洛川處理較對照分別增加0.13和0.07 mg·(g·d)-1，而旬邑分別增加 0.04 和 0.01 mg·(g·d)-1。

圖3 埋置白三葉對蘋果園土壤脲酶活性的影響Figure 3 Effect of buried white clover on soil urease activity in apple orchards

2.4 埋置白三葉對蘋果園土壤蔗糖酶活性的影響

蘋果園中埋置白三葉后，使兩地蘋果園土壤蔗糖酶活性在12個(gè)月內(nèi)均較不埋置白三葉的對照增加。同時(shí)，埋置白三葉后3個(gè)月內(nèi)蘋果園土壤蔗糖酶變化較大。埋置白三葉后土壤蔗糖酶活性較不埋草的對照顯著升高(P＜0.05)。埋草后，在旬邑、洛川兩地蘋果園中，蔗糖酶活性的變化幅度基本一致，在埋草后3、6和12個(gè)月時(shí)，兩地埋草較對照均分別增加約 1.1、0.6 和 0.5 mg·(g·d)-1(圖 4)。

圖4 埋置白三葉對蘋果園土壤蔗糖酶活性的影響Figure 4 Effect of buried white clover on soil sucrase activity in apple orchards

2.5 埋置白三葉對蘋果園土壤堿性磷酸酶活性的影響

蘋果園中埋置白三葉后，能使蘋果園土壤堿性磷酸酶活性升高，且在白三葉埋置的后期(6～12個(gè)月)，對土壤堿性磷酸酶活性的增加更明顯。在洛川蘋果園，埋置白三葉會使土壤堿性磷酸酶活性升高，除3個(gè)月時(shí)處理和對照間差異不顯著外，其余時(shí)間均是埋置白三葉的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于(P＜0.05)不埋白三葉的對照，尤其是6個(gè)月和12個(gè)月時(shí)，較對照分別增加61%和233%。在旬邑蘋果園中，除1個(gè)月時(shí)不埋草的對照土壤堿性磷酸酶活性較埋置白三葉的高外，其余時(shí)間均是埋置白三葉的土壤堿性磷酸酶活性高于不埋草的對照，但是3個(gè)月時(shí)處理和對照之間無顯著差異，而6個(gè)月和12個(gè)月時(shí)，埋置白三葉的土壤堿性磷酸酶活性較不埋草的對照顯著升高(P ＜0.05)。6個(gè)月以后，洛川蘋果園埋草處理的堿性磷酸酶活性較對照增加幅度大于旬邑蘋果園的，尤其在12個(gè)月時(shí)，洛川酶活性增幅是旬邑的2.8倍(圖 5)。

圖5 埋置白三葉對不同地區(qū)蘋果園土壤堿性磷酸酶活性的影響Figure 5 Effect of buried white clover on soil phosphatase activity in apple orchards

2.6 不同土壤酶活性相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明(表1)，土壤蔗糖酶和脲酶之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.664。土壤堿性磷酸酶與蛋白酶、蔗糖酶之間呈正相關(guān)關(guān)系，而土壤蛋白酶與脲酶、蔗糖酶之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均不顯著(P ＞ 0.05)。

2.7 酶活性與土壤含水量、日均溫、月均溫的相關(guān)性分析

當(dāng)日的平均溫度、當(dāng)月的月平均溫度與土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶活性相關(guān)性均未達(dá)顯著水平，而與堿性磷酸酶顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)(表2)。土壤含水量與蛋白酶、蔗糖酶活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性未達(dá)顯著水平；與脲酶、堿性磷酸酶活性呈顯著 (P＜0.05)和極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P ＜0.01)。各種酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、速效和全效氮磷鉀均呈正相關(guān)性，且速效氮與脲酶，速效磷與蛋白酶、脲酶、酸性磷酸酶，全氮與蔗糖酶相關(guān)性達(dá)顯著 (P＜0.05)或極顯著水平 (P＜0.01)。

表1 4種土壤酶活性的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of four soil enzyme activity

表2 土壤酶活性與日均溫、月均溫及土壤肥力的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of soil enzyme activity, daily and monthly mean temperature, soil fertility

3 討論

蘋果園中埋置白三葉后引起土壤酶活性升高與土壤微生物、動(dòng)物及白三葉的添加有直接的關(guān)系。土壤酶主要來源于土壤微生物的分泌，其次是動(dòng)、植物的分泌及其殘?bào)w的腐解[21]。白三葉降解影響土壤酶活性，究其原因，首先，植物殘?bào)w在腐解的過程中可以向土壤釋放酶，引起土壤酶的升高[20]。埋置的白三葉是新鮮的莖葉，其對土壤酶的影響較干枯的植物殘?bào)w對土壤酶的影響可能更明顯；最后，植物殘?bào)w的降解，影響土壤的質(zhì)量及生態(tài)條件。如玉米(Zea mays)秸稈還田后，土壤孔隙度增加，土壤容重下降，土壤通氣與水分狀況顯著改善[22]。鄭思俊等[23]對上海外環(huán)線綠化帶8個(gè)具有凋落物的人工植物群落研究表明，具有凋落物的群落其土壤最大持水量、總孔隙度、土壤通氣性等均顯著高于裸地。蘋果園中埋置白三葉后，土壤的理化性狀也會受到影響，這直接改變了土壤微生物和動(dòng)物的生存條件，使微生物和動(dòng)物的繁殖和活動(dòng)加強(qiáng)，從而造成土壤酶活性的升高；再次，土壤肥力狀況與土壤酶活性也有直接的關(guān)系[24-25]。植物殘?bào)w降解后，可釋放大量的營養(yǎng)物質(zhì)，引起土壤肥力的改變，如土壤氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)及微量元素等均會發(fā)生變化[26]，而土壤肥力與土壤微生物的多樣性及數(shù)量有直接的相關(guān)性[27-28]，土壤微生物的變化最終會引起土壤酶活性的變化。

而在白三葉不同的降解時(shí)期，土壤酶活性變化存在差異，這可能與白三葉在不同的降解階段釋放的營養(yǎng)物質(zhì)的量和速度有關(guān)。白三葉在埋置降解的前3個(gè)月，主要釋放的是糖類、蛋白質(zhì)，而后期主要是纖維素、木質(zhì)素，因此，土壤中利用這些營養(yǎng)物質(zhì)的微生物種類前后也有差異，最終引起土壤酶活性的變化[29]。如蔗糖酶，在白三葉降解的前期較高，而在后期卻越來越低，可能也與白三葉營養(yǎng)物質(zhì)釋放的不同有關(guān)，這一結(jié)果也與對白三葉降解過程中土壤微生物的研究結(jié)果[29-30]一致。

當(dāng)然，試驗(yàn)地點(diǎn)不同，環(huán)境溫度、濕度、土壤養(yǎng)分等條件也不同，自然會影響土壤微生物、動(dòng)物的活動(dòng)及白三葉的降解與養(yǎng)分釋放速度，從而最終會使土壤酶的活性有差異。洛川和旬邑雖都處于渭北高原，但兩地的海拔、年降水量、日照時(shí)數(shù)、土壤類型都有差別。本研究表明，埋草后，洛川蘋果園土壤酶活性變化較旬邑蘋果園的大，為了探究其原因，就采樣時(shí)的日均溫、月均溫、土壤含水量、土壤肥力與土壤酶活性進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性因酶而異。堿性磷酸酶活性與日均溫、月均溫顯著負(fù)相關(guān)，這可能因?yàn)榇嗣傅幕钚院桶兹~降解后對土壤養(yǎng)分的影響關(guān)系更大，有研究表明，在蘋果園覆草6個(gè)月后堿性磷酸酶活性和速效磷含量顯著正相關(guān)[29]，可能導(dǎo)致埋置白三葉后對土壤酶的影響有差別；脲酶、堿性磷酸酶活性與土壤含水量顯著正相關(guān)，在一定程度上說明埋草后土壤堿性磷酸酶活性增加與埋草能提高土壤含水量密切相關(guān)；土壤肥力與各酶活性正相關(guān)，說明埋草后土壤肥力的提高對酶活性的增加有重要作用。而埋置地區(qū)洛川和旬邑，氣溫、土壤含水量、土壤肥力等均存在差異，導(dǎo)致未埋草時(shí)，洛川蘋果園蛋白酶活性普遍高于旬邑的，蔗糖酶、脲酶。堿性磷酸酶活性低于旬邑的，但埋草后，洛川土壤酶活性變化卻大于旬邑的。這一方面說明在果園草埋置時(shí)也應(yīng)根據(jù)地區(qū)的不同選擇合適的埋置時(shí)間和最佳的白三葉埋置量進(jìn)行埋置；另一方面，影響酶活性的變化原因眾多，不是一種因子能決定的，而是多種因子綜合影響的結(jié)果，探究其原因還需對影響因子進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。

土壤酶也是土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑[31]，植物殘?bào)w的降解反過來又是在土壤中各種酶的共同作用下完成的[31-32]，因此，土壤酶活性的高低，也表征了植物殘?bào)w的分解速率及各養(yǎng)分元素的釋放與轉(zhuǎn)化速率[33-34]。如徐秋芳等[35]對杉木(Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)和檫樹(Sassafras tsumu)凋落物室內(nèi)混土培養(yǎng)的結(jié)果表明，3類凋落物分解均能顯著增加過氧化氫酶、脲酶、纖維素酶和多酚氧化酶的活性，其中檫樹處理的過氧化氫酶和脲酶活性最強(qiáng)。Sinsabaugh等[36]對木材分解過程中土壤酶活性的研究表明，土壤酶在木材分解和氮磷元素的釋放過程中起著重要的作用。而土壤蔗糖酶與有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化有關(guān)，磷酸酶與土壤有機(jī)質(zhì)及P養(yǎng)分的循環(huán)狀態(tài)有關(guān)[21]。因此，從白三葉降解過程中蔗糖酶的變化就可預(yù)知，白三葉的添加，可提高果園土壤有機(jī)質(zhì)。而從土壤堿性磷酸酶的活性變化可知，白三葉中的磷元素在降解的前期轉(zhuǎn)化較慢，在后期轉(zhuǎn)化較快。同時(shí)，本研究表明，土壤脲酶與蔗糖酶之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，也印證了土壤酶在參與反應(yīng)時(shí)不僅具有特定的專一性，還存在著一定的共性，而這些具有共性關(guān)系的土壤酶類的總體的消長在一定程度上反映了土壤肥力水平的高低[37]。

4 結(jié)論

蘋果園中埋置的白三葉降解后能提高土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性，但此作用與蘋果栽培地區(qū)和白三葉降解時(shí)間有一定的關(guān)系。對土壤蛋白酶和堿性磷酸酶的作用在6個(gè)月之前小于6個(gè)月之后，而對蔗糖酶的作用降解6個(gè)月之前大于6個(gè)月之后；埋草對洛川蘋果園的影響較旬邑蘋果園大。