蘋果園間作對土壤生態(tài)化學計量特征和酶活性的影響

穆嘉琳，韓明政，張 燕，張 杰，姚允聰

(北京農學院 植物科學技術學院/農業(yè)應用新技術北京市重點實驗室；林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206)

多層次、多功能、多效益為目的人工生態(tài)群落果園管理制度——行間生草的種植模式[1]，以其符合綠色發(fā)展理念和現(xiàn)代果業(yè)的發(fā)展需求被廣泛應用于實際生產活動中，生產過程中間作物的種類，間作時間、以及間作模式對果園生物多樣性有著舉足輕重的影響。芳香植物作為良好的間作物其體內除含有大量的營養(yǎng)元素外還含有較多的抗氧化以及抗菌物質[2]，此外國內外已經開展了許多關于芳香植物改善土壤理化性質，優(yōu)化微生物生態(tài)環(huán)境，以及抑制有害微生物和昆蟲等方面的功能研究[3]。

生態(tài)化學計量學對于揭示土壤碳、氮、磷間的相互作用以及平衡制約關系有著積極作用[4]。土壤酶參與各種生物化學過程，影響土壤生產力和環(huán)境質量。常作為衡量土壤質量和肥力以及土壤微生物活性的指標[5]。間作通常能夠增加微生物的數(shù)量，使得土壤酶的活性得到提高，進而促進有機質的分解，以及吸收利用C、N、P等營養(yǎng)元素[6-7]。因此，以蘋果砧木‘平邑甜茶’間作紫花苜蓿、孔雀草后的土壤為試驗材料，探討不同間作時間對土壤中C、N和P質量比與土壤酶的影響，從而為合理改良果園土壤提供實際參考和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

試驗在北京農學院科技園連棟溫室(N40°05′30.30″E116°18′35.35’)進行。蘋果砧木選用‘平邑甜茶’(Malushupenensis(Pamp.)Rheder var.pingyiensis Jiang)一年生實生幼苗；芳香植物選用紫花苜蓿(MedicagosativaL)和孔雀草(TagetespatulaL)。以清耕處理為對照，2種芳香植物為間作處理，共3個處理，每次處理6次重復。間作物種子于幼苗定植后進行撒播，芳香植物生長期進行間苗，除草，減少芳香植物間以及芳香植物與雜草間的養(yǎng)分競爭，刈割物留作自然分解。壤土取自北京市順義區(qū)木林鎮(zhèn)蔣各莊有機觀光蘋果園(N40°13′38.13″E116°46′45.35″)，土壤為沙礫沙壤土。試驗用花盆大小參數(shù)為上口徑33 cm，下口徑20 cm，深26.5 cm。

1.2 樣本采集

分別于間作芳香植物后20，40，90，140 d 采集土樣，采樣時祛除表層浮土與落葉后用管形土鉆采集?！笆纸徊妗狈ㄎ妩c取樣。四分法篩選(1 mm)成2份，1份自然風干后用于土壤理化性質的測定，另1份保存于4 ℃用于土壤酶活性的測定。

1.3 測定方法

土壤主要理化性質參考土壤農化分析法測定[8]。根據(jù)Frankenberger和Johanson法測土壤轉化酶活性[9]；根據(jù)Johnson和Temple法測過氧化氫酶活性[10]；根據(jù)Guan法測定土壤脲酶活性[11]；根據(jù)Dick法測土壤酸性磷酸酶活性[12]。

數(shù)據(jù)整理運用Excel 2007，對試驗數(shù)據(jù)分析運用SPSS 17，化學計量學特征采用質量比。包括單因素方差分析、非參數(shù)K-W 檢驗(P<0.05)以及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 間作不同時間后土壤主要理化性質

由表1、2可以發(fā)現(xiàn)，土壤pH隨間作時間增長逐漸升高，但間作芳香植物后土壤pH顯著低于清耕土壤pH，間作孔雀草與間作苜蓿后土壤pH僅在90 d 時存在顯著差異，其余間作時間沒有顯著差異；清耕土壤有機碳40 d 至90 d 顯著下降(P<0.05)，間作苜蓿、孔雀草后，前者在20 d 與40 d ，后者在40 d 和140 d 時有機碳顯著下降。140 d 時，間作芳香植物顯著提高了土壤有機碳含量(P<0.05)。清耕土壤全氮隨間作時間增長而顯著下降(P<0.05)，間作苜蓿后土壤全氮下降平緩，間作孔雀草后顯著提高了20 d 至90 d 的土壤全氮含量。清耕土壤全磷隨間作時間增長而下降，間作苜蓿、孔雀草后土壤全磷在90 d 至140 d 顯著低于清耕土壤全磷含量。

表1 間作不同時間后土壤主要理化性質特征Tab.1 Main soil physical and chemical properties at different periods

注:數(shù)值后不同字母表示處理之間差異達P<0.05顯著水平

Note: Values followed by different letters are significant atP<0.05 level among treatments

表2 間作不同時間后土壤理化指標的K-W非參數(shù)檢驗結果Tab.2 The K-W nonparametric test results of soil indicators at different periods

注：表中數(shù)據(jù)代表K-W非參數(shù)檢驗0.05水平差異顯著性

Note: The data in the table represents the K-W nonparametric test differences significance atP<0.05 level

2.2 間作不同時間后土壤C、N 和P 生態(tài)化學計量學特征

由表2、3可以發(fā)現(xiàn)，清耕土壤C/N呈顯著下降，間作孔雀草后土壤C/N下降平緩，間作苜蓿顯著降低了40 d 土壤C/N，間作芳香植物顯著提高了140 d 土壤C/N。清耕土壤C/P隨間作時間增長呈下降趨勢并在40 d 和90 d 顯著降低，間作芳香植物后土壤C/P隨間作時間增長呈先降低后上升的趨勢，C/P的減少表明磷的有效性逐漸增強[13]。同一時間內土壤N/P處理間差異不顯著，土壤N/P隨間作時間增長呈逐漸增加趨勢，清耕處理土壤40 d和140 d顯著增加，間作孔雀草后土壤N/P在20 d和140 d顯著增加，苜蓿處理在40 d和90 d顯著增加。

表3 間作不同時間后土壤生態(tài)化學計量學特征Tab.3 Soil ecological stoichiometry characteristics at different periods

注:數(shù)值后不同字母表示處理之間差異達P<0.05顯著水平

Note: Values followed by different letters are significant atP<0.05 level among treatments

2.3 間作不同時間后土壤酶活性特征

土壤酶作為土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝過程中的主要動力之一，參與各種生物化學過程，影響著作物生產力和環(huán)境質量，對衡量土壤質量和土壤肥力的有著重要作用[5]。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶活性隨間作時間增長呈逐漸增長趨勢，從表4可知，間作苜蓿先于間作孔雀草土壤過氧化氫酶活性增強。轉化酶活性呈波動下降，間作孔雀草后土壤轉化酶在20 d至40 d呈上升趨勢達峰值后再逐漸下降；清耕與間作苜蓿土壤轉化酶隨間作時間增長呈先降低再增長的趨勢；從表4可知，間作芳香植物后顯著提高了20 d至90 d的土壤轉化酶活性。由圖1、表4可以發(fā)現(xiàn)，清耕土壤脲酶活性逐漸增強，并在140 d時顯著增強，間作芳香植物后20 d和90 d土壤脲酶活性顯著增強，且間作芳香植物后土壤脲酶活性變化相對平穩(wěn)，90 d時達到峰值隨后再次下降，由圖1、表1、表2、表4可以發(fā)現(xiàn)脲酶活性增強時，土壤全氮含量減少。由表4可以發(fā)現(xiàn)，間作苜蓿，孔雀草后土壤酸性磷酸酶活性在20 d 時顯著高于清耕土壤，140 d時孔雀草處理下酸性磷酸酶顯著低于清耕。由圖1、表1、表2可知，孔雀草處理土壤磷酸酶活性在20 d至90 d逐漸下降，90 d至140 d時呈上升趨勢，苜蓿處理下酸性磷酸酶活性始終高于清耕，而孔雀草處理下酸性磷酸酶活性逐漸降低，與土壤中全磷的變化相同。

注：圖中不同字母分別表示不同處理，CT表示清耕處理，TP表示間作孔雀草，MS表示間作苜蓿圖1 間作不同時間土壤酶活性特征Fig.1 Characteristics of soil enzyme activity at different periodsNote:In this figure the CT indicates clear tillage, TP indicates intercropping with tagetes, and MS indicates intercropping with medicago

表4 間作不同時間后土壤酶活性特征Tab.4 Soil enzyme activity at different periods

注：數(shù)值后不同字母表示處理之間差異達P<0.05顯著水平

Notes：Values followed by different letters are significant atP<0.05 level among treatments

2.4 土壤酶活性與土壤生態(tài)化學計量學特征間的相關性分析

從表5可知，C/N與N/P在0.01水平上呈顯著負相關，C/N與C/P在0.05水平上呈顯著正相關，這種正負相關性表明三者之間存在的相互作用及平衡制約關系[14]。脲酶、過氧化氫酶顯著負相關C/N，顯著正相關N/P(P<0.05)，酸性磷酸酶與N/P呈顯著負相關 (P<0.01)。從表5中可以發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶與轉化酶在0.01水平呈顯著負相關，證明了過氧化氫酶參與了與磷素、氮素的轉化；相關研究表明土壤酸性磷酸酶與土壤速效磷存在聯(lián)系[15]，從表2,3、圖1可知酸性磷酸酶活性減弱時，N/P上升，因此與N/P呈負相關；土壤轉化酶轉化碳素形態(tài)，對土壤中的碳素總量沒有作用，此外，從表2,3、圖1可以發(fā)現(xiàn)當不同處理間轉化酶活性顯著差異時，C/N,C/P并沒有表現(xiàn)顯著差異,因此土壤轉化酶與C/N，C/P不存在相關性。

表5 土壤酶活性與C、N 和P 質量比相關性分析Tab.5 Correlation between soil enzyme activity and C, N and P mass ratio

注：表中數(shù)據(jù)代表Spearman相關性分析。*,**分別表示在0.05,0.01水平顯著差異Spearman

Note：The data in the table represents the Spearman correlation analysis.*,**indicate a significant difference of 0.05 and 0.01

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，隨著處理時間增加，所有處理土壤pH均呈現(xiàn)逐漸上升，但相比清耕，土壤間作芳香植物顯著降低了土壤pH。研究結果顯示間作芳香植物降低土壤pH，這與陳新新[16]的結果相一致；此外，試驗結果顯示土壤pH隨時間增加而上升，這可能是由于試驗用水pH偏高所造成，測定所用水pH值為7.5，這與姜體勝等[17]研究發(fā)現(xiàn)的昌平平原區(qū)地下水pH值在7.3～7.7之間結果一致。間作芳香植物后土壤有機碳僅在140 d顯著增加，分析原因可能是由于間作物增加了植物殘體的積累并最終發(fā)生顯著差異而造成，相關研究表明，在沒有外源碳添加的情況下，有機碳含量增加主要依賴于植物殘體積累[18]。間作芳香植物后土壤全氮、全磷在不同時期表現(xiàn)出差異，分析原因可能是由不同生長時期芳香植物次生代謝物不同以及凋落物被分解所造成。相關研究表明，芳香植物體內大量營養(yǎng)元素[2]，隨著凋落物的分解而回歸土壤，此外芳香植物次生代謝物具有促進礦化作用的功能[19]。

對土壤C/N、C/P、N/P研究結果表明，相比清耕，間作芳香植物顯著提高了90 d、140 d的土壤C/P，分析原因可能是由于芳香植物次生代謝物所造成，相關研究表明香植物次生代謝物具有促進礦化作用的功能[19]。相比間作孔雀草，間作苜蓿顯著提高了20 d土壤N/P，顯著降低了40 d時土壤C/N，造成這種原因可能是由于間作物特性所決定，研究表明土壤氮磷比的主導因素是土壤全磷所造成[20]，此外紫花苜蓿兼?zhèn)涠箍浦参锕痰盎罨姿氐裙δ躘21]。

試驗結果顯示，間作孔雀草、苜蓿后土壤酶活性在初期顯著升高，同時土壤酶活性呈現(xiàn)波動變化，造成這種現(xiàn)象的原因是由于芳香植物與平邑甜茶具有不同生長發(fā)育周期。有研究表明在夏秋季節(jié)間作物和果樹生長旺盛，土壤酶活性最高，這表明活躍的土壤酶能夠滿足植物生長發(fā)育，加快生物化學進程[22]，從而促進了土壤酶的活性；此外養(yǎng)分含量的減少，以及土壤pH的變化也可能是造成酶活性變化的原因[23]。實驗結果支持了過氧化氫酶對土壤磷素、氮素轉化關系密切的結果[14]。實驗結果表明脲酶與土壤中氮循環(huán)及促進氮的礦化有密切關系，這與李鑫等[24]結果相一致，但與萬欣等[25]結果不一致，造成這種原因的結果可能是由于利用芳香植物間作改變土壤養(yǎng)分環(huán)境，而沒有添加外源氮、磷肥所造成。過氧化氫酶與轉化酶顯著負相關，證明過氧化氫酶參與了土壤中磷、氮的轉化，這與萬欣等[25]結果相一致。

綜上所述，間作紫花苜蓿對土壤改良的效果比孔雀草更佳，該研究為果園間作物的篩選，果園土壤改良提供理論了參考和依據(jù)。