水肥耦合處理對竹葉花椒生長和土壤酶活性的影響

唐海龍，龔偉，王景燕，舒正悅，黃帥，趙昌平，周于波

(四川農(nóng)業(yè)大學林學院，林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

土壤酶由植物根系及其殘體、土壤動物及其遺骸和微生物等分泌產(chǎn)生，能催化土壤中復雜的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的無機化合物，以供植物再利用[1].而土壤潛在的有效養(yǎng)分和土壤膠體吸收性離子的有效程度，均與土壤酶活性密切先相關[2].土壤酶可分為水解酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶和裂合酶四大類，土壤酶催化土壤代謝性能的強弱，可指示土壤代謝作用強度及其適應外界環(huán)境和維持植物生長的土壤肥力[3-4].研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶中的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶等水解酶能夠催化加快土壤C、N、P等養(yǎng)分的循環(huán)狀況，過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶等氧化還原酶也常被認為是土壤有機質(zhì)和微生物活性的有效性指標[5-6].在一定程度上，土壤酶活性的高低能表征土壤肥力的高低及土壤耕作管理措施的優(yōu)劣[7].良好的土壤水肥條件既能促進植物生長，增加土壤酶活性；較高土壤酶活性能促進土壤養(yǎng)分無機化，增加土壤供肥能力和植物生長.因此，采用合理的水肥管理等措施提高土壤酶活性，對土壤培肥和促進植物生長具有重要意義.

水肥的合理利用是植株生長，提高其產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率提高的關鍵因素.水和肥對植株的生長均存在臨界值，合理的水肥耦合能改善土壤環(huán)境，增加土壤微生物數(shù)量和活力，提高土壤酶活性，在一定程度提高植株生長臨界值[8].大量研究表明，水肥耦合處理能顯著提高土壤酶活性，促進土壤養(yǎng)分礦化，利于植株吸收利用，從而促進作物生長和提高產(chǎn)量[9-11].而目前，有關水肥耦合處理對花椒屬植物只有對花椒(Zanthoxylumbungeanum)的幼苗生長[12]、光合[13]及抗逆性[13]進行了的研究，而對土壤酶活性的影響未見報道，難以滿足當前花椒土壤管理的科學需求.本研究以竹葉花椒為對象，通過水肥耦合試驗研究土壤含水量和N、P、K配方施肥對其生長和土壤酶活性的影響，篩選適宜的土壤水分含量和肥料施用量，促進竹葉花椒幼苗的生長和土壤酶活性的提高，為其水肥管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗設計

供試土壤為四川農(nóng)業(yè)大學成都校區(qū)周邊農(nóng)田耕層(0～20 cm)沙壤土.土樣采集后自然風干去除雜質(zhì)過5 mm篩混勻后待用，并多點采集有代表性的土壤樣品共計約1 kg，用于測定土壤理化性質(zhì)本底值.風干土的理化性質(zhì)為：pH 7.51，田間持水量25.2%，有機質(zhì)16.6 g/kg，全氮1.0 g/kg，堿解氮80.3 mg/kg，全磷0.48 g/kg，有效磷15.4 mg/kg，全鉀23.9 g/kg和速效鉀22.5 mg/kg.栽植前，取風干土6.3 kg(相當于6.0 kg烘干土)，其中2/3先裝入聚乙烯塑料盆內(nèi)(盆口直徑22 cm，盆底直徑20 cm，高23 cm)中，另外1/3與需添加的肥料充分混勻后再裝在上部，盆內(nèi)土壤厚度約20 cm.

水肥耦合試驗采用4因素4水平正交試驗設計，共計16個處理，3次重復，各重復種植3盆，共144盆.土壤含水量包括：田間持水量(FWC)分別為20%，40%，60%和80% FWC，氮肥(尿素，N含量46.4%)包括：0，75，150和300 kg/hm2，磷肥(過磷酸鈣，P2O5含量12.0%)包括：0，30，60和120 kg/hm2，鉀肥(硫酸鉀，K2O含量51.0%)包括：0，75，150，300 kg/hm2.盆內(nèi)具體的施肥量按照單位面積進行折算，所有肥料均一次性施入.在2016年4月中旬將苗高10 cm左右的竹葉花椒幼苗移植于各處理盆栽土壤中，每盆種植1株，試驗在大棚內(nèi)完成(本試驗中大棚只避雨不控制溫度和濕度).整個試驗過程中，各處理土壤田間持水量采用每日定時稱質(zhì)量補水法進行調(diào)控.

1.2 測定指標及方法

于2016年11月中旬，用游標卡尺和卷尺測定竹葉花椒幼苗地徑和苗高.將竹葉花椒苗整株從盆中移出，收獲整株(根莖葉)植株.土壤樣品自然風干后用于測定蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性，植物樣品洗凈后烘干至恒重，測定生物量.蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，過氧化氫酶采用KMnO4滴定法測定，多酚氧化酶和過氧化物酶采用鄰苯三酚比色法測定[15-16].

表1 四因素四水平正交試驗設計方案

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結果與分析

2.1 水肥耦合處理對竹葉花椒幼苗生長的影響

由圖1可知，不同水肥耦合處理對竹葉花椒幼苗的地徑，苗高和生物量影響顯著.地徑，苗高和生物量均隨土壤含水量的增加呈先增加后降低的變化趨勢；在相同水分條件下，各施肥處理處理的地徑，苗高和生物量均顯著高于不施肥處理，且隨施肥量的增加而增加.與不施肥處理相比，各施肥處理的地徑增加28.5%～105.3%，苗高增加14.8%～76.2%，生物量增加65.7%～332.6%.各處理中，地徑，苗高和生物量以W60N300P30K0處理的最大，而W20N0P0K0處理的最小.不同水分處理中，60% FWC條件下竹葉花椒幼苗地徑，苗高和生物量平均值最高；40%，60%，80%FWC處理與20%FWC處理相比，地徑分別增加72.1%，92.3%和77.4%，苗高分別增加41.4%，66.5%和48.6%，生物量分別增加216.5%，298.8%和244.9%.說明60%FWC水平的土壤含水量及中高量的肥料施用量能有效提高竹葉花椒幼苗的地徑，苗高和生物量，促進苗木質(zhì)量的提高.

2.2 水肥耦合處理對土壤水解酶的影響

由圖2可知，不同水肥耦合處理對土壤蔗糖酶，脲酶和中性磷酸酶活性影響顯著，其活性均隨土壤含水量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.各施肥處理的土壤酶活性均顯著高于不施肥處理，土壤酶活性隨施氮量的增加而增加，隨施磷或鉀量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.與不施肥處理相比，各施肥處理的蔗糖酶活性增加5.0%～51.3%，脲酶增加2.7%～39.6%，中性磷酸酶增加1.5%～37.8%.各處理中，W60N300P30K0和W60N150P0K75處理的蔗糖酶活性均顯著高于其他處理，W60N300P30K0處理的脲酶和中性磷酸酶活性均顯著高于其他處理，W20N0P0K0處理的3種水解酶活性均最小.不同水分處理條件下，60%FWC時土壤蔗糖酶，脲酶和中性磷酸酶活性均值最高；40%FWC，60%FWC和80%FWC處理與20%FWC處理相比，蔗糖酶活性分別增加66.2%，176.1%和81.7%，脲酶活性分別增加46.9%，71.6%和56.3%，中性磷酸酶活性分別增加49.7%，78.3%和54.0%.說明適宜的土壤水分及磷肥和鉀肥施用，以及較高的氮肥施用能促進土壤蔗糖酶，脲酶和中性磷酸酶活性的提高.

圖1 水肥耦合處理竹葉花椒生長Figure 1 The growth of Zanthoxylum armatum under different water and fertilizer treatments

圖2 水肥耦合處理土壤水解酶活性Figure 2 Soil hydrolase activities under different water and fertilizer treatments

2.3 水肥耦合處理對土壤氧化還原酶的影響

由圖3可知，不同水肥耦合處理對土壤過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性影響顯著，其活性均隨土壤含水量的增加而呈先增加后降低的變化趨勢；各施肥處理酶活性平均值均顯著高于不施肥處理，酶活性平均值隨施氮量的增加而增加，隨施磷或鉀量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.與不施肥處理相比，各施肥處理的過氧化氫酶活性增加41.2%～310.9%，多酚氧化酶增加46.2%～271.6%；過氧化物酶增加43.4%～208.2%.各處理中，W60N300P30K0，W60N150P0K75，W60N75P120K150處理的過氧化氫酶活性均顯著高于其他處理，W60N300P30K0和W60N150P0K75處理的多酚氧化酶活性均顯著高于其他處理，W60N300P30K0處理的過氧化物酶活性顯著高于其他處理，W20N0P0K0處理的3種氧化還原酶活性最小.不同水分處理中，60%FWC條件下過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性平均值均最高；40%，60%FWC，80%FWC處理與20%FWC處理相比，過氧化氫酶活性分別增加35.4%，62.0%和49.3%，多酚氧化酶分別增加64.6%，102.8%和88.4%，過氧化物酶分別增加39.0%，75.7%和47.9%.說明適宜的土壤水分，氮肥和磷肥，以及較高的鉀肥能促進土壤過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性的提高.

2.4 最佳水肥管理組合篩選

由圖4可知，不同水肥處理對竹葉花椒苗木生長隸屬度和土壤酶活性隸屬度值影響顯著.生長隸屬度和酶活性隸屬度均隨土壤水分含量的增加呈先增加后降低的變化趨勢；各施肥處理生長隸屬度和酶活性隸屬度均顯著高于不施肥處理，隨施氮量的增加而增加，隨施磷或施鉀量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.各處理中，W60N300P30K0和W60N150P0K75處理的生長隸屬度均顯著高于其他處理，W60N300P30K0處理的酶活性隸屬度顯著高于其他處理.生長隸屬度和土壤酶活性隸屬度呈顯著相關(R2= 0.970,P<0.01)，相關分析發(fā)現(xiàn)(表2)，竹葉花椒苗木地徑，苗高和生物量與土壤蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性相關性極顯著(P<0.01).說明水肥耦合處理對竹葉花椒土壤酶活性和幼苗生長影響顯著，且土壤酶活性與竹葉花椒苗木的質(zhì)量密切相關.

圖3 水肥耦合處理土壤氧化還原酶Figure 3 Soil oxidoreductase activities under different water and fertilizer treatments

圖4 苗木生長和土壤酶活性隸屬度及兩者關系Figure 4 Subordinate degree of seedling growth and soil enzyme activities,and their relationship

指標Index蔗糖酶Invertase脲酶Urease中性磷酸酶NeutralPhosphatase過氧化氫酶Catalase多酚氧化酶Polyphenal oxidase過氧化物酶Peroxidase酶活性隸屬度Enzyme activity degree苗高Seeding height0.861??0.876??0.816??0.859??0.888??0.885??0.927??地徑Ground diamete0.758??0.857??0.773??0.805??0.872??0.801??0.868??生物量Biomass0.853??0.921??0.784??0.906??0.944??0.901??0.951??生長隸屬度Enzyme acti-vity subordinate0.850??0.912??0.812??0.884??0.930??0.890??0.944??

*和** 分別表示在0.05和0.01水平顯著.**P<0.05，*P<0.01.

通過對土壤酶活性隸屬度(y)與土壤含水量(x1)，氮肥(x2)，磷肥(x3)和鉀肥(x4)的多元回歸，分別擬合得到方程y= -0.001 558 9x12+0.193 382 3x1-2.102 237 74(R2=0.747)，y=-0.000 032 5x22+0.016 463 3x2+1.690 158 7(R2=0.754)，y=-0.000 062 2x32+0.006 837 4x2+2.824 971 4(R2=0.764)和y= -0.000 005 2x42+0.000 846 8x4+2.933 022 4(R2=0.718)，建立竹葉花椒土壤酶活性隸屬度與水肥條件的關系.通過以上方程預測得到土壤水分含量為62.0%FWC，氮磷鉀肥施用量分為253.0，55.0 kg/hm2，81.1 kg/hm2時，對竹葉花椒土壤酶活性的促進作用最佳.

3 討論

土壤含水量是影響土壤酶活性的主要因子，在一定范圍內(nèi)酶活性隨土壤濕度的增大而增強，但濕度過高時會降低土壤酶活性，水澇和干旱均會改變土壤生態(tài)環(huán)境，影響土壤酶的釋放，并脅迫土壤中還原態(tài)或氧化態(tài)離子濃度增加而抑制土壤酶活性[17-18].本研究發(fā)現(xiàn)，土壤蔗糖酶，脲酶，中性磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性均隨土壤含水量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.這與張鑫等[19]和謝偉等[20]的研究結果相似，說明土壤水分含量與土壤酚氧化酶和過氧化物酶活性呈極顯著相關.而與瑪伊努爾·依克木等[21]研究結果有一定差異，可能與本研究中土壤含水量設置梯度較大(20%～80% WFC)有關，瑪伊努爾·依克木等[19]研究的土壤水分含量均設置較低.本研究中土壤含水量較低時植株苗高，地徑和生物量均較低，可能是由于較低的土壤水分含量形成干旱脅迫所致，也導致土壤酶活性降低；土壤含水量較高時，植株生長指標值也較低，其原因可能與土壤孔隙多被水占據(jù)而通氣性不好，引起植株生長不良和減弱土壤性質(zhì)的改善作用，使土壤酶活性降低有關[22].本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤含水量為62% FWC時，土壤水解酶和氧化還原酶活性達到最高.說明在竹葉花椒栽培管理中，應注意土壤水分管理，以促進植株生長，提高土壤酶活性及土壤肥力.

土壤酶有較強的專一性，水解酶催化土壤中各種有機無機化合物水解，蔗糖酶催化有機質(zhì)等分解，脲酶催化氮化合物轉(zhuǎn)化，磷酸酶加速磷化物的脫磷，利于植物和微生物吸收利用[23]；土壤氧化還原酶促進土壤復雜物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和腐殖質(zhì)的形成，過氧化氫酶促進過氧化氫等的分解，多酚氧化酶參與芳香族化合物的轉(zhuǎn)化，減緩對生物體的毒害作用，過氧化物酶氧化有機質(zhì)，加速土壤腐殖質(zhì)的形成[24].農(nóng)林經(jīng)營過程中，有機肥和化肥的施入將改變土壤中各種有機無機化合物的含量，直接影響土壤酶活性.本研究發(fā)現(xiàn)，土壤蔗糖酶，脲酶，中性磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性隨施氮量的增加而增加，隨施磷或鉀量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.這與張燕等[25]和李慧杰等[26]的研究結果相似，而與馬亞娟等[27]和蘇潔瓊等[28]的研究結果有一定差異.可能試驗土壤性質(zhì)和后期管理措施相關.也有研究發(fā)現(xiàn)單施氮肥可能會導致土壤pH降低和植物根系淺層化，而導致土壤酶活性降低；偏施氮肥或磷肥會導致土壤養(yǎng)分失衡，降低植物根系長勢和土壤微生物數(shù)量，使土壤酶活性降低[29]，從而降低土壤供肥能力.

土壤酶活性與土壤物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化，以及植物吸收礦質(zhì)元素的強弱關系密切，是土壤生物活性與土壤肥力的重要組成部分，廣泛應用于土壤管理措施和施肥效果的評價[30].水肥管理是現(xiàn)階段農(nóng)作物和經(jīng)濟林等獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關鍵性生產(chǎn)經(jīng)營管理措施.本研究發(fā)現(xiàn)，水肥耦合能顯著提高土壤酶活性，相關分析表明土壤蔗糖酶，脲酶，中性磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性與竹葉花椒幼苗地徑，苗高和根莖葉生物量均呈極顯著正相關(P<0.01)，這與Brockett等[31]和楊瑞等[32]學者的研究結果一致.說明土壤酶活性的增加在一定程度上能提高土壤肥力，且與植株生長關系密切.楊長明等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，肥料配施和干濕交替條件下，土壤酶活性和微生物量顯著高于單施肥料和淹水灌溉的組合處理.韋澤秀等[12]的研究也發(fā)現(xiàn)，中等(70%～80%)土壤含水量和較高的肥料配施能顯著提高土壤酶活性.本研究發(fā)現(xiàn)，水肥耦合能較好的促進竹葉花椒苗木生長和提高土壤酶活性；在土壤水分含量為62.0% FWC，氮肥施肥量為253.0 kg/hm2，磷肥施肥量為55.0 kg/hm2和鉀肥施肥量為81.1 kg/hm2時，土壤酶活性綜合值最高.說明適宜的土壤水分含量和肥料施用量是促進植株生長和提高土壤肥力的關鍵.

4 結論

竹葉花椒苗木地徑，苗高和生物量，以及土壤蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性均隨土壤水分含量的增加呈先增加后降低的變化趨勢；地徑，苗高和生物量隨施肥量的增加而增加，土壤酶活性隨氮施用量的增加而增加，隨磷肥或鉀肥施用量的增加呈先增加后降低的變化趨勢.竹葉花椒幼苗地徑，苗高和生物量與蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，過氧化氫酶，多酚氧化酶和過氧化物酶活性相關性顯著，生長隸屬度與土壤酶活性隸屬度呈顯著相關(P<0.05).土壤水分含量為62.0% FWC，氮磷鉀施肥量分別為253.0，55.0，81.1 kg/hm2時，土壤酶活性隸屬度值最高，對促進竹葉花椒生長和土壤肥力提高具有重要作用.