油莎豆播種期密度耦合對(duì)土壤酶活性的影響

董 琦，曹秭琦，張向前，任永峰，，侯智惠，慕宗杰，趙小慶，，路戰(zhàn)遠(yuǎn)，

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031）

油莎豆（Cyperus esculentus），又名油莎草，為莎草科（Cyperaceae）莎草屬（Cyperus）草本植物[1]，源于非洲地中海地區(qū)，目前西班牙、意大利等眾多國家均有種植[2-4]。油莎豆根系發(fā)達(dá)，分蘗能力強(qiáng)，具有適應(yīng)性廣、耐貧瘠等優(yōu)異特性，是一種集糧、油、牧、飼于一體，綜合利用價(jià)值高、開發(fā)潛力大的新興生態(tài)經(jīng)濟(jì)型作物。

播種期和密度對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響。不同播種期條件下，光照、水分、溫度等環(huán)境因子的差異會(huì)影響作物的產(chǎn)量。有研究表明，玉米的產(chǎn)量會(huì)隨著播種期的推遲而增加[5]，但在不同的地區(qū)條件、品種、種植模式影響下，播種期對(duì)產(chǎn)量的影響也存在一定差異，如部分地區(qū)會(huì)適時(shí)早播以有效提高玉米產(chǎn)量[6]。密度是影響產(chǎn)量性狀的主要因素，適宜的密度可以調(diào)節(jié)作物的群體結(jié)構(gòu)、增加葉面積指數(shù)、合理利用土壤養(yǎng)分，使作物豐產(chǎn)[7]。有研究表明，馬鈴薯的產(chǎn)量會(huì)隨著密度的增加呈現(xiàn)出先顯著增加后遞減的趨勢(shì)[8]。

土壤酶是植物、動(dòng)物與微生物生命代謝的產(chǎn)物[9-10]，參與催化土壤生物化學(xué)反應(yīng)過程，是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝和污染物降解的關(guān)鍵成員[11-12]。土壤酶活性與土壤理化性狀、耕作方式、施肥情況等農(nóng)藝措施存在緊密的關(guān)聯(lián)[13]。研究表明，播種期對(duì)土壤含水量、土壤容重等土壤理化性狀具有明顯影響[14]，適宜的土壤條件，利于促進(jìn)微生物群落活動(dòng)、增強(qiáng)土壤酶活性[15]；不同的播種期，土壤溫度存在差異，影響土壤酶活性和微生物數(shù)量，選擇適宜的播種期可以使土壤酶在作物的生長(zhǎng)周期中維持相對(duì)較高的活性[16]。研究表明，密度影響作物的群體結(jié)構(gòu)，適宜的群體結(jié)構(gòu)可以充分利用農(nóng)田地力與光熱資源，促進(jìn)作物地上部與地下部、營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官、群體與個(gè)體的發(fā)育，促進(jìn)作物與土壤微生物生命活動(dòng)代謝，進(jìn)而影響土壤酶活性[17-19]。密度還可以影響根際土壤微生物總量。研究表明，小麥根際土壤微生物總量隨著小麥種植密度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，土壤酶活性也呈同樣趨勢(shì)[20]。

前人研究主要集中在播種期或密度對(duì)油莎豆的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)及對(duì)土壤理化性狀、土壤酶活性等方面的影響。例如，適宜的播種期或密度可有效改善油莎豆冠層透光率、增加群體葉面積指數(shù)、影響光合特征及光響應(yīng)、增加含油率、促進(jìn)分蘗、增加單株塊莖數(shù)、提高千粒重和產(chǎn)量[21-24]。不同播種期密度耦合對(duì)油莎豆土壤酶活性影響等方面的研究未見報(bào)道。本試驗(yàn)通過探究不同播種期密度耦合對(duì)油莎豆土壤酶活性的影響，揭示不同播種期密度耦合下油莎豆土壤酶活性的變化規(guī)律，從土壤酶活性的角度探究油莎豆栽培適宜的播種期與密度，從而為油莎豆的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（40°75′N，111°67′E），海拔1 035 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，無霜期120 d 左右。平均氣溫年較差35.1 ℃，平均氣溫5～6 ℃。全年靜風(fēng)日100 d 左右，大風(fēng)季節(jié)多在春季。年平均降水量在400 mm 左右。試驗(yàn)地土壤類型為棕壤土，有機(jī)質(zhì)含量為22.68 g/kg、全磷含量為0.72 g/kg、全氮含量為0.54 g/kg、pH 值為8.2。

1.2 材料與設(shè)計(jì)

供試油莎豆品種為吉林好易收豐產(chǎn)2 號(hào)，試驗(yàn)時(shí)間為2020年4—10月。試驗(yàn)采用裂區(qū)區(qū)組設(shè)計(jì)，播種期為主處理，密度為副處理；具體為4 個(gè)播種期（S1：4月30日、S2：5月10日、S3：5月20日、S4：5月30日）×4 個(gè)密度（D1：6 萬株/hm2、D2：9 萬株/hm2、D3：12 萬株/hm2、D4：15 萬株/hm2），共16 個(gè)處理，重復(fù)3 次，小區(qū)面積為8 m2（5.0 m×1.6 m），小區(qū)間隔1.0 m。播種前采用漫灌補(bǔ)足底墑，其他管理方式同大田。10月15—16日油莎豆生長(zhǎng)進(jìn)入收獲期，通過對(duì)角線五點(diǎn)取樣法取0～20 cm 土層土壤樣品，將采集到的土壤樣品去除植物殘?bào)w、根系和土壤動(dòng)物等，自然陰干，過1 mm 篩后收集備用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤脲酶活性測(cè)定：苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[25]；土壤過氧化氫酶活性測(cè)定：高錳酸鉀滴定法[26]；土壤堿性磷酸酶活性測(cè)定：磷酸苯二鈉比色法[27]；土壤蔗糖酶活性測(cè)定：3，5-二硝基水楊酸比色法[28]。油莎豆產(chǎn)量測(cè)定：在每個(gè)小區(qū)選取2 m2的試驗(yàn)區(qū)，人工采收油莎豆并帶回實(shí)驗(yàn)室洗凈稱量鮮重，最后將收獲的油莎豆烘干至恒重，測(cè)定產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并繪制圖表，利用SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種期密度耦合對(duì)脲酶活性的影響

脲酶是參與尿素轉(zhuǎn)化的重要成員，脲酶活性在一定程度上與土壤供氮水平的高低成正相關(guān)[29-30]。由表1 和表2 可知，S4 的土壤脲酶活性顯著或極顯著高于其他處理（P<0.05 或P<0.01）；D1 的土壤脲酶活性與D2、D4 有顯著或極顯著差異（P<0.05 或P<0.01）。由圖1 和圖2 可知，在相同播種期下，土壤脲酶活性隨著密度的增加而逐漸升高；相同播種期下，D4 的脲酶活性均高于其他處理。相同密度下，S4的脲酶活性均顯著高于其他處理（P<0.05）。播種期處理對(duì)土壤脲酶活性影響高于密度處理。S4D4 的脲酶活性最大，為9.81 mg/（g·24 h），顯著高于其他處理（P<0.05）；S4D3 的脲酶活性次之，與S1D3、S2D3、S3D3 處理有顯著差異（P<0.05）。S3D1 的脲酶活性最小，為3.60 mg/（g·24 h）。

圖2 相同密度不同播種期對(duì)油莎豆土壤脲酶活性的影響

表1 播種期組間土壤脲酶活性的t 檢驗(yàn)

表2 密度組間土壤脲酶活性的t 檢驗(yàn)

小寫字母不同表示播種期密度耦合處理在P<0.05 水平下差異顯著。下同。

2.2 播種期密度耦合對(duì)過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫酶促進(jìn)過氧化氫的分解，可防止過氧化氫對(duì)作物的毒害。過氧化氫酶與有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)的形成有著重要的關(guān)系[31]。由表3 和表4 可知，S3、S4 的土壤過氧化氫酶活性較其他處理有顯著差異（P＜0.05）；密度組間差異不顯著（P＞0.05）。由圖3 和圖4 可知，在相同播種期下，S1、S2、S3 土壤過氧化氫酶活性隨著密度的增加而升高，S4 的土壤過氧化氫酶活性略有不同，其酶活性隨著密度的增加先升高后降低；相同密度下，土壤過氧化氫酶活性隨著播種期的推后呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；播種期處理對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響高于密度處理。S3D4 的過氧化氫酶活性最大，為38.20 mg/（g·24 h），與S3D3 相比無顯著差異（P＞0.05），與其他處理相比存在顯著差異（P＜0.05）。S3D4 比同播種期S3D1、S3D2、S3D3 的過氧化氫酶活性分別高1.24%、0.96%、0.51%，比同密度S1D4、S2D4、S4D4 的過氧化氫酶活性分別高4.67%、2.09%、18.93%。S4D4 的過氧化氫酶活性最低，為32.12 mg/（g·24 h），與其他處理相比存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 相同播種期不同密度對(duì)油莎豆土壤過氧化氫酶活性的影響

圖4 相同密度不同播種期對(duì)油莎豆土壤過氧化氫酶活性的影響

表3 播種期組間土壤過氧化氫酶活性的t 檢驗(yàn)

表4 密度組間土壤過氧化氫酶活性的t 檢驗(yàn)

2.3 播種期密度耦合對(duì)堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶能夠加快土壤中有機(jī)磷的脫磷，其活性大小是反映磷素生物轉(zhuǎn)化方向和強(qiáng)度的重要指標(biāo)[32]。由表5 和表6 可知，S1 的土壤堿性磷酸酶活性較其他處理差異極顯著（P＜0.01）；D3 與D1、D2 間存在顯著或極顯著差異（P＜0.05 或P＜0.01）。由圖5 和圖6 可知，在相同播種期下，S1、S2、S3 的土壤堿性磷酸酶活性隨著密度的增加緩慢升高，而S4 的土壤堿性磷酸酶活性則隨著密度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；相同密度下，土壤堿性磷酸酶活性隨著播種期的推后呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；播種期處理對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響高于密度處理。S3D4 的堿性磷酸酶活性最高，為0.45 mg/（g·24 h），與其他處理相比差異顯著（P＜0.05）；S3D3 的堿性磷酸酶活性次之，為0.41 mg/（g·24 h）；S1D1 的堿性磷酸酶活性最低，為0.28 mg/（g·24 h）。

圖5 相同播種期不同密度對(duì)油莎豆土壤堿性磷酸酶活性的影響

圖6 相同密度不同播種期對(duì)油莎豆土壤堿性磷酸酶活性的影響

表5 播種期組間土壤堿性磷酸酶活性的t 檢驗(yàn)

表6 密度組間土壤堿性磷酸酶活性的t 檢驗(yàn)

2.4 播種期密度耦合對(duì)蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶參與土壤中有機(jī)碳的循環(huán)，能增加土壤中易溶性養(yǎng)分，其活性大小可以反映土壤熟化程度[33]。由表7 和表8 可知，S3 的土壤蔗糖酶活性極顯著高于S1 和S2（P＜0.01）；密度組間差異不顯著（P＞0.05）。由圖7 和圖8 可知，在相同播種期下，S1、S2、S3 的土壤蔗糖酶活性隨著密度的增加而升高，S4 的土壤蔗糖酶活性有所不同，隨著密度的增加先升高后降低；相同密度下，土壤蔗糖酶活性隨著播種期的推后呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；播種期處理對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響高于密度處理。S3D4 的蔗糖酶活性最大，為52.02 mg/（g·24 h），比同播種期S3D1、S3D2、S3D3 的土壤蔗糖酶活性高3.33%、1.12%、0.57%，比同密度S1D4、S2D4、S4D4 的蔗糖酶活性分別高14.40%、10.49%、32.57%；S3D3 的蔗糖酶活性次之，為51.76 mg（/g·24 h）；S4D4 的蔗糖酶活性最低，為39.27 mg（/g·24 h）。

圖7 相同播種期不同密度對(duì)油莎豆土壤蔗糖酶活性的影響

圖8 相同密度不同播種期對(duì)油莎豆土壤蔗糖酶活性的影響

表7 播種期組間土壤蔗糖酶活性的t 檢驗(yàn)

表8 密度組間土壤蔗糖酶活性的t 檢驗(yàn)

2.5 播種期密度耦合對(duì)油莎豆產(chǎn)量的影響

由表9 可知，在S1、S2、S3 播種期下油莎豆產(chǎn)量隨著密度的增加而升高；相同密度下，油莎豆產(chǎn)量隨著播種期的推后呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，播種期S3 的油莎豆產(chǎn)量高于其他處理。S3D4 的產(chǎn)量最高，為16 333.42 kg/hm2，與其他處理相比差異顯著（P＜0.05）；S3D3 的產(chǎn)量次之，與S2D4 無顯著差異（P＞0.05），與其他處理相比顯著差異（P＜0.05）。S1D1的產(chǎn)量最低，為7 100.04 kg/hm2，與S4D1 無顯著差異（P＞0.05），與其他處理相比差異顯著（P＜0.05）。

表9 播種期密度耦合對(duì)油莎豆產(chǎn)量的影響

3 討論與結(jié)論

土壤酶是土壤動(dòng)物、植物和微生物生命活動(dòng)的產(chǎn)物，可催化土壤中復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，不同的土壤酶在有機(jī)物轉(zhuǎn)化途徑中扮演著不同的角色[34]。不同播種期處理下，油莎豆的土壤酶活性不同，這可能是因?yàn)橥寥赖奈锢硇誀钣兴町悓?duì)作物與微生物造成了影響[31]；不同密度處理下，油莎豆的土壤酶活性不同，可能是由于不同密度導(dǎo)致油莎豆生長(zhǎng)發(fā)育的差異，從而影響根量和根系代謝，也有可能其光合能力的差異造成同化物向根部輸送量的不同[30]。高永剛等[35]研究表明，玉米的生物量會(huì)隨著播種期的適當(dāng)推遲而增加，與本試驗(yàn)中適宜推后播種期而油莎豆產(chǎn)量增加的結(jié)果一致。在適宜的播種期下油莎豆的產(chǎn)量和土壤酶活性成正比，可能是因?yàn)檫m宜的播種期有利于地下生物量的生長(zhǎng)，使根際微生物、根基分泌物和根系殘留物在一定范圍內(nèi)增加，它們作為土壤酶的來源影響土壤酶活性。張繼衛(wèi)[36]研究表明，玉米早播條件下生育期相對(duì)延長(zhǎng)，根系生長(zhǎng)旺盛，根系分泌物在一定范圍內(nèi)增加并促進(jìn)土壤酶活性，該結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果不一致，一方面可能是由于地域的不同，光熱資源的差異引起；另一方面可能是因?yàn)樽魑锏牟煌?，油莎豆是一種分蘗能力強(qiáng)且喜溫的作物，過早播種可能會(huì)因低溫影響分蘗。查菲娜等[37]研究表明，土壤酶活性隨著冬小麥密度的增加先升高后降低，該結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致。低密度的植物量及根量較少，根系分泌物隨之減少，從而影響土壤酶的來源及根際的環(huán)境；而高密度處理下植株生物量大，相互遮擋，光合作用減弱，向根系運(yùn)輸?shù)墓夂袭a(chǎn)物減少，從而影響根系代謝，抑制土壤酶活性；適宜的密度協(xié)調(diào)了植株的群體結(jié)構(gòu)，可以充分利用光能、增加光合產(chǎn)物及提高根際微生物量，促進(jìn)土壤酶活性。以本試驗(yàn)的產(chǎn)量結(jié)果為基準(zhǔn)，探究不同播種期密度耦合下油莎豆土壤酶活性的變化規(guī)律，驗(yàn)證適宜的播種期與密度可以為油莎豆豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，脲酶活性在S4D4 時(shí)最大，為9.81 mg/（g·24 h）；過氧化氫酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶均在S3D4 最大，分別為38.20、0.45、52.02 mg/（g·24 h）。綜合比較，在相同播種期下，除了過氧化氫酶活性在S4 時(shí)，D3 酶活性最大外，其他播種期均在D4 時(shí)，土壤酶活性最大；在相同密度下，土壤酶活性在S3 下較好。綜上所述，本試驗(yàn)范圍內(nèi)得出內(nèi)蒙古中部地區(qū)油莎豆適宜的播種期為5月20日、合理的密度為15 萬株/hm2時(shí)，土壤酶活性最高，油莎豆產(chǎn)量顯著增加。