隴中旱作區(qū)不同輪作方式對土壤碳、氮含量及酶活性的影響特征

趙思騰， 師尚禮， 陳建綱， 陳 鑫， 何 佳

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

隴中旱作區(qū)是我國主要的生態(tài)脆弱區(qū)，也是典型的丘陵旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，該區(qū)旱災(zāi)頻繁，水土流失嚴重，地形破碎，且長期以馬鈴薯、小麥、玉米連作為主的規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，自然資源過度利用，致使當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分耗竭，土壤質(zhì)量退化[1]。因當(dāng)?shù)刈非蠓N植業(yè)規(guī)?；б婧图Z食增產(chǎn)的需要，大量施用化學(xué)肥料不僅導(dǎo)致經(jīng)濟成本的增加，同時給當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境加重了壓力，培肥地力構(gòu)建健康的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)成為當(dāng)下面臨的嚴峻問題。

土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量的一個重要指標(biāo)[2-3]，其儲量大小由土壤中植物殘渣降解及土壤微生物活動等決定，土壤有機碳可以為微生物的代謝提供能量和底物，在維持土壤肥力的過程中發(fā)揮重要作用[4-5]，土壤微生物同樣為土壤有機碳及土壤養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)換提供動力，兩者關(guān)系密切[6]。其中，土壤微生物碳和微生物氮常被用作評價土壤養(yǎng)分和土壤肥力的重要指標(biāo)[7-8]。全氮作為一種大量且必要的營養(yǎng)元素，對土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)起著重要作用[9]。土壤酶是土壤的組成成分之一，其活性的強弱反映土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[10-11]。不同的輪作模式對土壤養(yǎng)分狀況有不同程度的影響，虎德鈺等[12]發(fā)現(xiàn)，有玉米和高粱參與的輪作模式其土壤酶活性比連作和有馬鈴薯、谷子參與的輪作模式高；趙靖靜等[13]發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植10 a苜蓿輪作糧食作物后土壤總有機碳含量下降；陳丹梅等[14]發(fā)現(xiàn)，烤煙與不同作物輪作后提高了土壤總有機碳、微生物碳和微生物氮含量，土壤脫氫酶活性增強；謝澤宇等[15]通過對苜蓿與不同作物輪作模式土壤進行比較試驗，研究發(fā)現(xiàn)苜蓿-玉米輪作模式土壤微生物氮含量提升明顯。由此可見，因氣候、作物、種植模式、土壤、施肥等因素對土壤碳、氮和土壤酶活性的影響十分復(fù)雜。玉米為隴中旱作區(qū)重要的規(guī)?；N植作物之一，在國家“糧改飼”調(diào)結(jié)構(gòu)中也扮演著重要角色，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，既能收獲糧食，又能全株青貯作飼草，適宜于作為調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和“以種帶養(yǎng)”的作物[16-17]。為此，本研究選擇定西市安定區(qū)閻家灣村開展長期定位試驗，研究了不同玉米輪作種植模式對土壤碳、氮和土壤酶活性的變化，并探究土壤碳和氮、土壤酶活性之間的交互作用，為隴中旱作區(qū)篩選最優(yōu)玉米輪作模式及維持健康可持續(xù)發(fā)展的土壤生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)有效的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地設(shè)在隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)團結(jié)鎮(zhèn)閻家灣村(35°23′ N，104°33′ E，海拔2 100 m)。該區(qū)年均太陽輻射592.9 KJ·cm-2，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥0℃年積溫2 933.5℃，≥10℃年積溫2 239.1℃；無霜期140 d。年平均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，降雨量為365 mm，屬于典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，黃土層較薄，土質(zhì)綿軟，土壤肥力均勻，貯水性能良好。試驗初期0～40 cm土壤全氮含量平均為1.06 g·kg-1，有機質(zhì)含量平均為15.41 g·kg-1，凋萎含水率約為7.30%，飽和含水率約為22%。

1.2 試驗設(shè)計

以玉米、紫花苜蓿、小麥、馬鈴薯、大豆為輪作供試作物，以玉米-苜蓿、玉米-馬鈴薯、玉米-大豆和玉米-小麥4種輪作模式作為處理，玉米連作模式作為對照，試驗設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積7 m×7 m，隨機區(qū)組排列，各處理詳見表1。所有模式均施尿素105 kg·hm-2，過磷酸鈣105 kg·hm-2，所有肥料僅在播種前施入作基肥，生育期未追肥。

表1 試驗處理描述Table 1 Description of treatments

1.3 土壤樣品采集與測定方法

于2018年10月用內(nèi)徑10 cm的土鉆在各樣地內(nèi)隨機采集3鉆土樣(2層，每層20 cm)，將土樣帶回實驗室，將混勻分好的土樣裝入自封袋。于實驗室去掉植物根系、石塊等，取部分土樣放入4℃冰箱保存用以測定土壤酶活性以及土壤微生物碳和氮，剩余部分置于室內(nèi)干燥通風(fēng)處自然陰干，用于有機碳與全氮指標(biāo)的測定。

土壤總有機碳(Total-organic carbon,TOC)含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[18]；全氮(Total-nitrogen,TN)含量的測定采用凱氏定氮法[18]。土壤微生物碳(Microbial-biomass carbon,MBC)含量的測定采用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提法[19]；土壤微生物氮(Microbial-biomass nitrogen,MBN)含量的測定采用氯仿熏蒸浸提法[19]。蔗糖酶(Sucrase-glucose,SG)活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[20]；脲酶(Urease,UR)活性的測定采用靛酚比色法，以NH3-N mg·g-1(37℃，24 h)表示[20]；過氧化氫酶(Catalase-gallicin,CG)活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差異(LSD)檢驗，Pearson雙尾檢驗法進行相關(guān)性分析，Origin 9.1軟件進行聚類分析和熱圖(heatmap)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤碳含量的影響

由圖1可知，不同輪作模式土壤總有機碳含量隨土層深度的增加呈降低趨勢，且不同土層間差異顯著(P<0.05)，變化范圍為14.07%～16.38%。在0～20 cm土層，土壤總有機碳含量以C-A輪作模式最高，C-C最低，其中C-A，C-P，C-S，C-W有機碳含量顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別高出27.52%，13.14%，21.93%和14.37%；在20～40 cm土層，土壤有機碳含量表現(xiàn)與0～20 cm土層基本一致，C-A，C-P，C-S，C-W與C-C差異顯著(P<0.05)，分別高出26.69%，14.16%，22.39%和16.75%。與試驗開展前土壤相比，玉米連作模式土壤有機碳含量下降最為明顯,說明玉米輪作模式更有利于土壤有機碳的積累，且不同輪作模式對土壤有機碳含量影響表現(xiàn)出差異性。

圖1 不同輪作模式土層間土壤有機碳含量Fig.1 Soil organic carbon content in different soil layers

由圖2可知，土壤微生物碳含量隨土層深度的增加呈降低趨勢，且不同土層間差異達顯著水平(P<0.05)，變化范圍為16.52%～25.79%。在0～20 cm土層，微生物量碳含量表現(xiàn)為C-A最高，C-P最低，C-A，C-S，C-W顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別高出18.11%，17.19%和6.75%；在20～40 cm土層，微生物碳含量表現(xiàn)與0～20 cm土層基本一致，C-A，C-S和C-W處理的微生物碳含量顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別比C-C處理提高32.86%，29.36%和17.78%。

2.2 不同輪作模式對土壤氮含量的影響

由圖3可知，土壤全氮含量隨土層深度的增加呈降低趨勢，不同土層間差異達顯著水平(P<0.05)，變化范圍為4.35%～15.59%。在0～20 cm土層中，土壤全氮含量排序為C-S最高，C-C最低，C-S，C-A，C-W和C-P顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別提高出57.61%，18.47%，58.69%和20.65%，說明輪作較連作模式有利于維持土壤全氮含量；在20～40 cm土層中，土壤全氮含量表現(xiàn)為C-A最高，C-C處理最低，相比于C-C處理，C-A，C-S提高顯著(P<0.05)，C-P，C-W無顯著差異(P>0.05)，C-A和C-S分別比C-C處理提高48.86%和40.91%。較初期土壤比，C-C模式土壤全氮含量有所降低，而C-A，C-S模式土壤全氮含量呈明顯上升趨勢。

圖2 不同輪作模式土層間土壤微生物碳含量Fig.2 Soil microbial biomass carbon content in different soil layers

圖3 不同輪作模式土層間土壤全氮含量Fig.3 Soil total nitrogen in different soil layers

圖4 不同輪作模式土層間土壤微生物氮含量Fig.4 Soil microbial biomass nitrogen content in different soil layers

由圖4可知，不同輪作模式下土壤微生物氮含量隨土層深度的增加呈降低趨勢，且不同土層間差異顯著(P<0.05)，變化范圍為4.45%～13.74%。在0～20 cm土層中，土壤微生物氮含量的大小表現(xiàn)為C-S最高，C-C最低，其中C-A，C-P，C-S，C-W顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別比C-C處理高出40.43%，20.68%，49.11%和18.31%；在20～40 cm土層中，土壤微生物氮含量表現(xiàn)與0～20 cm土層基本一致，C-A，C-P，C-S顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別高出55.51%，22.08%，58.96%和30.28%。

2.3 不同輪作模式對土壤酶活性的影響

由表2可知，土壤蔗糖酶活性隨著土層深度的增加呈降低趨勢，且不同土層間差異顯著(P<0.05)，變化范圍為3.53%～20.22%。在0～20 cm土層中，土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為C-S最高，C-C最低，C-A，C-S和C-W顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別比C-C處理高出13.26%，17.11%和14.19%；在20～40 cm土層中，土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)C-W最高，C-A，C-P，C-S和C-W顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別高出30.81%，24.45%，31.54%和37.98%。說明輪作模式土壤熟化程度比連作高，有利于增加土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)。

土壤脲酶活性總體隨土層深度的增加而降低(表2)，且土層間差異達顯著水平(P<0.05)，變化范圍為7.24%～19.78%。在0～20 cm土層中，土壤脲酶活性的表現(xiàn)為C-P最高，C-C最低，C-A，C-P，C-S土壤脲酶活性顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別比C-C處理高出15.09%，26.42%和8.96%；20～40 cm土層脲酶活性表現(xiàn)為C-A最高，C-C處理其余處理差異不顯著(P>0.05)，說明不同輪作模式對下層土壤脲酶活性影響較小。

土壤過氧化氫酶活性隨著土層深度的增加呈降低趨勢(表2)，土層間差異顯著(P<0.05)，變化范圍為16.95%～29.14%。在0～20 cm土層，土壤過氧化氫酶活性大小表現(xiàn)為C-W最高，C-C最低，C-A，C-P和C-W顯著高于C-C處理(P<0.05)，分別提高10.89%，12.17%和13.46%；20～40 cm土層中，土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)與上層基本一致，與C-C處理相比，C-A和C-W過氧化氫酶活性顯著高出17.09%和25.64%(P<0.05)，說明輪作較連作更有利于增強土壤生物氧化過程。

表2 不同輪作模式下不同土層土壤酶活性Table 2 Soil enzymes activities in different soil layers

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

Note: Different lowercase letters within the same column for the same soil layer indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level

2.4 土壤碳、氮含量與酶活性特征相關(guān)性分析

由圖5可知，全氮含量與過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其中全氮含量與蔗糖酶活性相關(guān)程度高，相關(guān)系數(shù)r=0.75；土壤有機碳含量與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)程度較高，r=0.85；微生物碳含量與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，且相關(guān)程度較高，r=0.81；微生物氮含量與蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其中微生物氮含量與蔗糖酶活性相關(guān)程度較高，r=0.71。

圖5 土壤碳、氮與土壤微生物量碳、氮相關(guān)性分析熱圖Fig.5 Correlation analysis heatmap of soil carbon and nitrogen with soil microbial biomass carbon and nitrogen

2.5 不同輪作模式土壤碳、氮含量與酶活性特征聚類分析

由圖6可知，根據(jù)不同指標(biāo)間差異，利用origin 9.1軟件對5種種植模式的土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行Z分數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，接近+1.5表示該輪作模式下養(yǎng)分含量較高，接近-1.5表示養(yǎng)分含量較低，后進行相似性聚類分析，將種植模式分為3組。C-A與C-S輪作模式的土壤養(yǎng)分狀況聚類距離最近，距離值為0.96，聚集在組1中，C-W與C-C模式聚類距離值為3.08，聚集在組2；C-P模式接著與組1聚集在組3，聚類距離值為3.47。說明C-A與C-S輪作模式的土壤養(yǎng)分狀況相似度最高，且土壤肥力表現(xiàn)較好。

圖6 土壤養(yǎng)分狀況與5種種植模式聚類分析熱圖Fig.6 Cluster analysis heat map of 5 planting patterns and soil nutrient status

3 討論

有研究[21-25]發(fā)現(xiàn)，包括苜蓿的輪作模式，苜蓿根部會形成大量根瘤菌，自身的固氮作用使土壤氮含量提高，且根系分泌的有機物和腐爛根系會增加土壤有機質(zhì)含量；也有研究[13]表明，連作方式使土壤處于免耕狀態(tài)，土壤的免擾動導(dǎo)致土壤有機碳含量保持在相對穩(wěn)定的水平。本研究結(jié)果表明，與玉米-作物輪作模式相比，玉米-苜蓿輪作更有利于土壤有機碳的積累，改善土壤結(jié)構(gòu)。其中玉米-馬鈴薯輪作模式中土壤有機碳含量最低，這可能是由于馬鈴薯產(chǎn)量較高，對土壤養(yǎng)分消耗較大，導(dǎo)致土壤有機碳含量下降。同時有研究[26]認為，輪作根系生物量較高的作物可以有效改良土壤氮素水平。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤全氮含量隨著種植年限的增長而降低，但玉米-苜蓿、玉米-大豆2種輪作處理的全氮和堿解氮含量呈現(xiàn)一定程度的提高，這可能是由于豆科作物能將空氣中的氮固定在土壤中，提高了土壤的氮含量[27]，因此玉米-苜蓿、玉米-大豆輪作模式下的土壤全氮含量處于較高水平。剡斌[28]通過對不同輪作模式下土壤氮素與酶活性進行比較試驗，研究結(jié)果顯示土壤脲酶活性較高時會加速土壤全氮的分解，導(dǎo)致土壤全氮含量降低。本研究結(jié)果與其一致，在玉米-馬鈴薯輪作模式下的土壤全氮含量較低，土壤脲酶活性較高。

不同的輪作處理顯著影響土壤微生物量碳、氮含量。本研究中，玉米-作物輪作處理的微生物碳、氮含量高于玉米連作模式。有研究[29-31]表明，全氮與總有機碳的輸入會提高土壤微生物碳、氮含量，這是由于碳源和氮源的供應(yīng)改良了土壤理化環(huán)境，為微生物活動提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，促進了微生物繁殖，使得土壤微生物碳、氮含量處于較高水平。但如果土壤碳、氮含量過高，土壤保持較高的速效養(yǎng)分濃度并不利于微生物的活動和繁殖。本研究結(jié)果顯示，玉米-作物輪作處理的微生物碳、氮含量均高于玉米連作模式，而且玉米-苜蓿、玉米-大豆輪作模式的土壤全氮含量與有機碳含量較高，其微生物碳、氮含量也處于較高水平。但玉米連作模式的土壤有機碳含量相對較低，微生物碳、氮含量處于較低水平。與輪作相比，這可能是由于輪作倒茬的方式豐富了土壤的生物多樣性，提高了土壤有機物質(zhì)含量，且有機碳含量相對穩(wěn)定，進而改善了土壤微生態(tài)環(huán)境，促進了微生物活動及腐殖質(zhì)的形成，而且由于玉米根系較深，耗氮能力強等特點，使玉米連作的土壤微生物碳、氮含量降低。臧逸飛[32]研究發(fā)現(xiàn)，輪作模式相比于連作可以明顯提高土壤微生物碳、氮含量，輪作倒茬的方式在土壤中存留了作物殘渣及腐爛根系，為土壤微生物活動及繁殖提供了重要的營養(yǎng)物質(zhì)，且不同作物自身對養(yǎng)分利用能力的差異性導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化，增強了土壤微生物活性，本研究結(jié)果與其一致。因此，通過合理輪作可以有效提高土壤微生物碳、氮含量。

土壤酶在參與土壤碳、氮循環(huán)過程中起著重要作用，其中包括土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶等。不同種植模式下土壤酶活性呈不同程度變化，研究發(fā)現(xiàn)輪作的種植模式土壤酶活性高于連作模式[33-34]。本研究結(jié)果表明，玉米連作較玉米-作物輪作模式相比，土壤酶活性較弱，這可能是由于長年連作同種作物會抑制土壤過氧化氫酶活性，土壤中的過氧化氫得不到酶的分解產(chǎn)生堆積，從而引起連作障礙[35-36]。輪作模式可以豐富植物多樣性，為土壤輸入新的有機物。改良土壤理化性狀不僅可以促進微生物活動，同時增強土壤酶活性，抑制土壤連作障礙的產(chǎn)生[37]。由相關(guān)性分析表明，不同種植模式的土壤碳和氮、土壤微生物碳和氮與土壤酶活性大多存在正相關(guān)關(guān)系，說明土壤酶活性對土壤環(huán)境變化較為敏感[12]。土壤微生物碳、氮含量與土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性相關(guān)性較強，推測土壤酶與土壤微生物代謝密切相關(guān)，說明在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中，土壤碳、氮的轉(zhuǎn)化會影響土壤微生物復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而引起土壤微生物碳、氮的改變，土壤酶參與了土壤碳和氮循環(huán)，三者協(xié)同在土壤質(zhì)量改良過程中發(fā)揮著重要作用。但有研究得出土壤微生物碳、氮含量對土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性無影響，而本研究結(jié)果與其不一致，可能與作物間不同的生理特性、氣候、土壤質(zhì)量、種植年限等因素有關(guān)，需進一步探究其原因。根據(jù)指標(biāo)間差異性，對5種種植模式的土壤養(yǎng)分狀況進一步聚類分析，結(jié)果表明玉米-苜蓿、玉米-大豆輪作模式土壤養(yǎng)分狀況相關(guān)性最強，可能由于輪作倒茬為土壤輸入更多有機物質(zhì)，緩解了連作作物對土壤肥力資源的過度利用，且有豆科作物參與的輪作模式更有利于改良土壤肥力。其具體原因還需進一步探究。

4 結(jié)論

在隴中旱作區(qū)采用玉米-玉米連作與玉米-作物輪作方式下，全氮含量以玉米-苜蓿、玉米-大豆輪作模式最高；總有機碳含量以玉米-苜蓿，玉米連作模式較高，玉米-作物輪作較低；微生物量碳、氮含量以玉米-苜蓿、玉米-馬鈴薯輪作模式最高；蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性以玉米-大豆、玉米-馬鈴薯和玉米-小麥輪作模式最高，玉米-玉米連作模式最低，輪作的種植方式較連作相比可以有效培肥地力。

相關(guān)性分析表明，土壤碳和氮、土壤微生物碳和氮含量與土壤酶活性之間存在正相關(guān)關(guān)系，聚類分析表明，玉米-苜蓿和玉米-大豆輪作模式土壤養(yǎng)分狀況相似度最高，土壤肥力狀況較好。本研究從土壤碳、氮含量和土壤酶活性的角度，闡明了有豆科作物參與的輪作模式改良土壤碳、氮含量及土壤酶活性效果最好，其中苜蓿為多年生作物，而大豆為一年生作物，輪作周期較短，因此，為發(fā)揮更優(yōu)經(jīng)濟效益，針對隴中旱作區(qū)作物輪作制度和土壤生態(tài)環(huán)境狀況，推薦農(nóng)戶采用玉米-大豆輪作模式。