黃土高原果園不同覆蓋模式對土壤酶活性的影響

田玉莉， 吳小蘋， 陳欣佛， 郭亞茹， 李澤林， 倪新華， 張嘉濤， 李會科*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.青海省水文水資源測報中心， 青海 西寧 810009)

黃土高原是中國優(yōu)質(zhì)蘋果主產(chǎn)區(qū)，蘋果產(chǎn)業(yè)已成為促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)[1]。然而，長期清耕管理造成了土壤侵蝕、土壤肥力退化、果實減產(chǎn)等諸多問題[2-3]。對比清耕處理，覆蓋秸稈或行間生草等果園土壤管理措施能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤質(zhì)量、改善果品品質(zhì)[3-5]。分析評價黃土高原果園覆蓋模式下土壤環(huán)境質(zhì)量變化對于優(yōu)化果園覆蓋模式，促進覆蓋在黃土高原蘋果園推廣具有重要作用。

土壤酶主要來源于動植物殘體及微生物殘體的分解釋放，是具有生物催化能力的高分子活性物質(zhì)[6]。土壤酶能快速、準確地反映農(nóng)業(yè)管理措施導(dǎo)致的微生物群落活動、土壤有機質(zhì)和其他土壤性質(zhì)的細微變化，在土壤碳、氮、磷轉(zhuǎn)化過程中有重要作用[7-8]。土壤絕對酶活性和相對酶活性是土壤酶活性的兩種不同表達。通常所說的酶活性是指土壤絕對酶活性，是在單位土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)上來表示酶活性，而土壤相對酶活性是在單位土壤有機碳的基礎(chǔ)上來表示酶活性[7]。與土壤絕對酶活性相比，相對酶活性(單位土壤有機碳酶活性)是以有機碳為基礎(chǔ)表達土壤微生物特性，代表了以有機物質(zhì)為基礎(chǔ)的微生物群落的代謝狀態(tài)[9]，能指示土壤微生物群落變化[10]，表征微生物代謝活性[11]，是評價土壤質(zhì)量的重要指標[12]。因此，揭示不同覆蓋模式下果園土壤絕對酶活性和相對酶活性的變化特征對于客觀評價不同覆蓋模式下土壤質(zhì)量的變化具有重要作用。

本研究立足于渭北黃土高原果園長期覆蓋定位試驗，以傳統(tǒng)的果園土壤清耕作為對照，測定分析不同覆蓋下果園土壤理化性質(zhì)、土壤絕對酶活性和相對酶活性，揭示不同覆蓋模式下果園土壤絕對酶活性和相對酶活性的變化特征及其影響因素。本研究旨在為深入了解覆蓋模式下果園土壤質(zhì)量提升效益機制，優(yōu)化果園覆蓋技術(shù)提供依據(jù)，為促進覆蓋技術(shù)在黃土高原蘋果園推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于陜西省白水縣(35°03′～ 35°47′ N，109°16′～ 109°45′ E)西北農(nóng)林科技大學(xué)蘋果試驗站，屬于黃土高原溝壑區(qū)，平均海拔850 m。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫11.4℃，降水量577.8 mm，主要集中在6 ～ 9月。果園長期定位試驗均采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理設(shè)置三個重復(fù)。本試驗共設(shè)置四個處理，分別為：(a)清耕(Conventional tillage，CT)；(b)秸稈覆蓋(Cornstalk，CS)；(c)黑麥草(LoliumperenneL.)覆蓋(Ryrgrass,RE)，(d)白三葉(TrifoliumrepensL.)覆蓋(White clover，WC)。于2006年在蘋果園中種植果樹，栽培密度為每公頃2 500株(行距4 m，株距1 m)。清耕(CT)地在每年3月、8月和11月用旋耕機進行旋耕，保持土壤表面無雜草。秸稈(CS)覆蓋處理每年10月在樹行施用相同數(shù)量的玉米秸稈，覆蓋寬度為4 m，厚度保持在10～15 cm。2012年在蘋果行間播種多年生黑麥草(RE)和白三葉草(WC)，播種量為0.75 g·m-2，每年刈割3次(5月、8月和10月)，將殘茬作為有機覆蓋物保留在土壤表面。果園肥料施用量為每年3 660 kg·ha-1，所有處理均按相同的施肥標準(N 18%，P2O510%，K2O 18%)處理。其他田間管理措施與整個果園的管理措施一致。該試驗設(shè)計示意圖1所示。

圖1 試驗布設(shè)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental design

1.2 土壤樣品采集

于2020年8月初進行土樣采集。每個處理小區(qū)中采用五點取樣法，使用直徑為5 cm的土鉆，分3層(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)采集土樣，取出的樣品按土層充分混合，每個處理包括3個重復(fù)。所有的新鮮土樣(4個處理×3個土層×3個重復(fù)=36個土壤樣品)都通過2 mm篩。其中一部分土壤放入4℃冰箱中用于測定土壤微生物量和酶活性。另一部分土壤樣品自然風(fēng)干，分別過1 mm和0.15 mm篩分，用于測定土壤基本理化性質(zhì)。

1.3 測定指標與方法

(2)土壤絕對酶活性測定：α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶均采用熒光分析法測定。以熒光4-羥甲基-7-香豆素(MUB)綴合物為底物，接種96孔微板，后使用多功能酶標儀在激發(fā)波長365 nm、發(fā)射波長450 nm的條件下測定土壤絕對酶活性[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

單位有機碳酶活性：

式中，SOCE表示單位有機碳酶活性(nmol·g-1·h-1)；EA為土壤絕對酶活性(nmol·g-1·h-1)；SOC為土壤有機碳含量(g·kg-1)。

表1 不同覆蓋模式土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties under diversity mulching model

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010分析平均值和標準差；利用SPSS 26.0軟件單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD檢驗(α=0.05)分析土壤理化性質(zhì)、絕對酶活性和相對酶活性的差異。采用Canoco5.0進行冗余分析(RDA)，分析絕對酶和相對酶活性與土壤環(huán)境因子的關(guān)系。采用Origin 2019繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋模式對土壤絕對酶活性的影響

不同覆蓋模式下土壤絕對酶活性如圖2所示。由圖2可知，不同覆蓋對果園7種土壤絕對酶活性的影響主要集中在0～20 cm和20～40 cm土層。方差分析結(jié)果表明，不同覆蓋模式下土壤絕對酶活性與CT處理差異顯著，而在40～60 cm土壤中不同覆蓋與CT處理間絕對酶活性無顯著差異。0～40 cm土層3種覆蓋處理下的7種土壤碳、氮、磷轉(zhuǎn)化相關(guān)絕對酶活性均高于CT處理，但不同覆蓋處理下土壤絕對酶活性不同。

AG、BG、BXYL和CBH是參與植物多糖水解的主要碳循環(huán)酶，在不同處理下的活性大小總體上表現(xiàn)為CS處理下活性最高。其中，0～20 cm和20～40 cm土層AG活性為CS>RE>WC>CT，RE與WC處理間無顯著差異(圖2(a))。0～20 cm和20～40 cm土壤BG活性在CS處理下最高，RE與WC在0～20 cm無顯著差異，在20～40 cm為CS>RE>WC>CT(圖2(b))。0～20 cm和20～40 cm土壤BXYL活性在CS處理下最高，RE與WC在0～40 cm無顯著差異(圖2(c))。0～20 cm內(nèi)土壤CBH活性為CS>WC>RE>CT，20～40 cm土壤CBH在CS處理最高，RE與WC無顯著差異，但均高于CT處理(圖2(d))。

NAG和LAP是主要的氮循環(huán)酶，在土壤氮素供應(yīng)中扮演重要角色。氮循環(huán)酶在不同覆蓋處理下土壤絕對酶活性有所差異。NAG在CS處理下活性最高而LAP在WC處理下活性最高。0～20 cm土層中，與CT相比，CS，RE和WC處理下土壤NAG分別提高了60.7%，21.8%和24.2%，在20～40 cm土層分別提升了48.3%，20.1%和20.9%，RE與WC無顯著差異(圖2(e))。LAP在WC處理下活性最高，0～20 cm和20～40 cm土層基本表現(xiàn)為WC>CS>RE>CT。0～20 cm土層CS，RE，WC覆蓋下LAP較CT分別提升了30.1%，22.6%和59.9%，20～40 cm分別提升了34.8%，25.9%和45.8%(圖2(f))。ALP參與有機磷向無機磷的轉(zhuǎn)化過程，是主要的磷循環(huán)酶。ALP在CS處理下的活性最高，在0～20 cm和20～40 cm分別提升了62.7%和39.6%。而0～40 cm 土層內(nèi)RE與WC無顯著差異，但均顯著高于CT處理(P<0.05)(圖2(g))。

圖2 覆蓋模式對土壤絕對酶活性的影響Fig.2 Soil absolute enzyme activity under mulching model注：CT，清耕；CS，秸稈覆蓋；RE，黑麥草；WC，白三葉。同一土層中不同小寫字母表示處理差異顯著(P < 0.05)。下同Note：CT,conventional tillage;CS,cornstalk mulch;RE,ryegrass;WC,white clover. Different lowercase letters in the same soil depth indicate significant differences in treatments at the 0.05 level. The same as below

2.2 不同覆蓋模式對土壤相對酶活性的影響

不同覆蓋措施下土壤單位有機碳酶活性如圖3所示。由圖3可知，不同覆蓋管理措施對0～20 cm和20～40 cm土層土壤單位有機碳酶活性影響顯著，而40～60 cm土層不同覆蓋與CT處理間土壤單位有機碳酶活性無顯著差異。0～20 cm和20～40 cm土層不同覆蓋模式下7種土壤單位有機碳酶活性均高于CT處理，但不同覆蓋處理下土壤單位有機碳酶活性不同。

碳循環(huán)土壤單位有機碳酶在不同覆蓋下的活性大小為：AG/SOC在 0～20 cm和20～40 cm均表現(xiàn)為CS>RE>WC>CT(圖3(a))。0～20 cm土層中BG和SOC活性在各處理間無顯著差異，20～40 cm中RE處理增加了土壤BG/SOC活性，CS與CT處理無顯著差異，而WC覆蓋降低了土壤BG/SOC活性(圖3(b))。BXYL/SOC在CS處理下活性最大，RE與WC差異較小，均高于CT處理(圖3(c))。不同覆蓋均增加了土壤CBH/SOC活性，且不同處理下土壤酶活性增長幅度基本一致(圖3(d))。氮循環(huán)酶在不同處理下的活性大小為：NAG/SOC以CS處理活性最高，RE與WC差異較小，CT處理下活性最低(圖3(e))。WC覆蓋增加了0～20 cm和20～40 cm土層土壤LAP/SOC活性，CS,RE處理與CT差異不大(圖3(f))。磷循環(huán)酶在不同處理下的活性大?。涸?～20 cm，覆蓋處理下ALP/SOC活性顯著高于CT，而20～40 cm各處理間差異不顯著(圖3(g))。

圖3 覆蓋模式下土壤相對酶活性Fig.3 Soil specific enzyme activity under mulching model

2.3 土壤絕對酶活性和相對酶活性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

圖4 土壤絕對酶活性(a)和相對酶活性(b)與土壤理化性質(zhì)的冗余分析圖Fig.4 The redundancy analysis of soil physicochemical and soil absolute and specific enzyme activities注：SWC，土壤水分；BD，容重；SOC，有機碳；TN，總氮；TP，總磷；DOC，溶解性有機碳；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；AP，速效磷；AG，α-葡萄糖苷酶；BG，β-葡萄糖苷酶；BXYL，β-木糖苷酶；CBH，纖維二糖苷酶；NAG，乙酰氨基葡萄糖苷酶；LAP，亮氨酸氨基肽酶；ALP，堿性磷酸酶；AG/SOC，單位有機碳α-葡萄糖苷酶；BG/SOC，單位有機碳β-葡萄糖苷酶；BXYL/SOC，單位有機碳β-木糖苷酶；CBH/SOC單位有機碳纖維二糖苷酶；NAG/SOC，單位有機碳乙酰氨基葡萄糖苷酶；LAP/SOC，單位有機碳亮氨酸氨基肽酶；ALP/SOC，單位有機碳堿性磷酸酶Notes:SWC,Soil water content;BD,Bulk density;SOC,Soil organic carbon;TN,Total nitrogen;TP,Total phosphorus;DOC,Dissolved organic nitrogen;AP,Available phosphorus;AG,α-glucosidase;BG,β-glucosidase;BXYL,β-xylosidase;CBH,cellobiosidase;NAG,acetylglucosaminidase;LAP,L-leucine aminopeptidase;ALP,Alkaline phosphatase;AG/SOC,α- glucosidase per unit of soil organic carbon;BG/SOC,β-glucosidase per unit of soil organic carbon;BXYL/SOC,β-xylosidase per unit of soil organic carbon;CBH/SOC,cellobiosidase per unit of soil organic carbon;NAG/SOC,acetylglucosaminidase per unit of soil organic carbon;LAP/SOC,L-leucine aminopeptidase per unit of soil organic carbon;ALP/SOC,Alkaline phosphatase per unit of soil organic carbon

3 討論

不同覆蓋措施通過向土壤中輸入有機質(zhì)改變土壤性質(zhì)、微生物群落來影響土壤絕對酶活性。溫曉霞等[17]在旱作蘋果園的研究結(jié)果顯示，秸稈覆蓋、生草覆蓋和地膜覆蓋均能提高0～20 cm和20～40 cm土層土壤酶活性，以秸稈覆蓋效果最好。侯婷等[18]在葡萄園的研究表明不同覆蓋對0～20 cm和20～40 cm土壤的蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均有促進作用，秸稈覆蓋下酶活性更高?？芙涞萚19]在蘋果園的研究結(jié)果顯示，行間種植豆科牧草白三葉、紅三葉能提高0～20 cm土壤蔗糖酶和脲酶活性。本研究中覆蓋措施下0～20 cm和20～40 cm土壤絕對酶活性與清耕差異顯著(P< 0.05)，表明3種覆蓋模式均能提升0～20 cm和20～40 cm土壤酶活性，覆蓋對土壤酶活性的改善具有積極作用，這與其他的研究結(jié)果類似。同時，本研究結(jié)果也顯示，不同覆蓋類型下的土壤絕對酶活性存在差異。α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和纖維二糖甘酶參與纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等的降解過程，促進有機物質(zhì)的分解。土壤中與碳循環(huán)相關(guān)的酶活性在秸稈、黑麥草和白三葉覆蓋處理均顯著升高，且秸稈覆蓋處理下酶活性大于黑麥草和白三葉處理，這可能是因為秸稈覆蓋措施下土壤有機物質(zhì)輸入量更大，引起酶活性的提升[20]。Wang等[4]的研究表明，秸稈覆蓋處理能刺激土壤微生物功能表達，導(dǎo)致有機質(zhì)積累，進而顯著提高碳周轉(zhuǎn)酶活性。乙酰氨基葡糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶對不同覆蓋措施的響應(yīng)差異較大，可能與它們的代謝底物、對土壤氮含量的不同反應(yīng)有關(guān)[21]。乙酰氨基葡糖苷酶參與甲殼素的水解以及甲殼素向氨基糖的轉(zhuǎn)化過程，而甲殼素主要存在于土壤昆蟲和真菌的細胞壁中[22]。覆蓋措施下土壤中乙酰氨基葡糖苷酶活性升高，可能與植物殘茬分解引起的土壤真菌增多有關(guān)[5]。亮氨酸氨基肽酶是獲取氮的關(guān)鍵參與者，可以水解多肽終端的蛋白質(zhì)和亮氨酸等疏水氨基酸[23]。與其他覆蓋處理相比，白三葉覆蓋下亮氨酸氨基肽酶活性更高，表明白三葉生草栽培更有利于土壤微生物分泌亮氨酸氨基肽酶，這一現(xiàn)象應(yīng)該與白三葉的結(jié)瘤固氮作用相關(guān)。冗余分析結(jié)果也顯示亮氨酸氨基肽酶活性與氮組分(總氮和硝態(tài)氮)之間存在正相關(guān)關(guān)系。肖力婷等[24]在蜜橘園的研究也表明，種植白三葉能顯著提高土壤氮循環(huán)酶活性，促進養(yǎng)分周轉(zhuǎn)和氮素供應(yīng)。堿性磷酸酶能礦化土壤磷化合物，秸稈、黑麥草和白三葉覆蓋下堿性磷酸酶活性均高于清耕處理，這與Wang等[25]的研究結(jié)果一致。覆蓋模式下較高的土壤堿性磷酸酶活性水平表明覆蓋處理能不同程度提高土壤微生物礦化磷化合物的能力[26]。

本研究結(jié)果顯示，果園覆蓋管理能顯著影響0～20 cm和20～40 cm土壤相對酶活性，這表明土壤單位有機碳酶活性對土壤管理措施較為敏感，土壤酶的變化可以獨立于有機碳的變化而改變[27]。盡管覆蓋下土壤有機碳和土壤酶活性同時增加，但單位有機碳酶活性的升高，表明果園覆蓋措施有利于土壤微生物產(chǎn)生和釋放土壤酶，使土壤酶活性的增加速率高于有機碳[8]。首先，長期果園清耕處理可能會導(dǎo)致土壤硬度增加、密度升高以及土壤養(yǎng)分流失，致使土壤微生物儲量下降、活性降低[5]。而秸稈、植物凋落物的輸入以及植物根系作用能夠促進土壤微生物循環(huán)，增加土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能多樣性[22,28-29]，進而促進土壤酶的合成[30]。其次，覆蓋處理有助于土壤保溫和保濕[31]，避免土壤有效淋濾和土壤侵蝕造成的土壤碳氮流失[14]，有利于微生物的生長和繁殖[28]，從而提高土壤酶活性。再者，大量研究表明，土壤單位有機碳酶活性與土壤團聚體密切相關(guān)[27]。果園覆蓋措施避免了土壤機械干擾，再加上有機質(zhì)的輸入，增加了有機膠結(jié)物和載體介質(zhì)，促進了團聚體的形成，使土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高，增加了對土壤酶的保護作用[32]。此外，總體上，秸稈處理下土壤單位有機碳酶活性高于黑麥草和白三葉處理(圖3)，表明秸稈覆蓋處理更有利于土壤微生物產(chǎn)生和釋放土壤酶，微生物代謝活性更強[33]。這可能是因為秸稈覆蓋下土壤有機碳和溶解性有機碳等有機物質(zhì)含量更高，能增強有機-無機轉(zhuǎn)化過程，為微生物的活動提供充足的碳源[23]，促進土壤酶活性提升。

土壤酶活性對周圍環(huán)境的變化響應(yīng)迅速，但由于生態(tài)系統(tǒng)和氣候環(huán)境的差異，酶活性變化的關(guān)鍵因素有所不同[34-35]。我們的研究結(jié)果表明，絕對酶活性和相對酶活性與土壤養(yǎng)分因子密切相關(guān)，有機碳、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是影響土壤絕對酶活性和相對性酶活性的關(guān)鍵環(huán)境因素，硝態(tài)氮是影響土壤絕對酶活性和相對酶活性的共有驅(qū)動因子。肖力婷等[24]在橘園生草栽培管理措施下的研究表明，土壤酶活性主要受到有機質(zhì)、總氮、速效磷和速效鉀的影響。方凱凱等[36]在蘋果園生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶與肥力因子關(guān)系的研究中也發(fā)現(xiàn)，土壤酶受到有機質(zhì)和總氮的影響。土壤碳氮是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵元素，對土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要作用[37]。通過控制微生物所需養(yǎng)分供應(yīng)，土壤碳和氮控制土壤酶活性[23,38]。有機碳是酶的主要底物，酶活性與溶解性有機碳等活性有機碳組分之間存在較強的相關(guān)性，證實了碳庫對土壤酶生產(chǎn)和活性的控制作用[37,39]。然而，單位有機碳亮氨酸氨基肽酶活性與有機碳之間的相關(guān)性較弱，說明土壤有機質(zhì)對亮氨酸氨基肽酶固定作用較弱，可能是因為亮氨酸氨基肽酶主要由微生物活動產(chǎn)生[40]。此外，土壤酶與土壤水分正相關(guān)，可能與土壤水分通過抑制化合物的擴散速率和調(diào)節(jié)微生物活動影響酶的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化有關(guān)[22-23,41]。土壤pH值也是影響覆蓋模式下土壤酶活性的重要因子。RDA結(jié)果表明，pH值與土壤酶活性呈負相關(guān)關(guān)系，說明在一定pH值范圍內(nèi)，pH值降低更有利于土壤酶分解釋放[12]。

4 結(jié)論

果園覆蓋措施不同程度提高了0～40 cm各土層土壤絕對酶活性。α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纖維二糖苷酶、乙酰葡糖氨糖苷酶和堿性磷酸酶活性大小表現(xiàn)為秸稈>黑麥草>白三葉>清耕，亮氨酸氨基肽酶表現(xiàn)為白三葉>秸稈>黑麥草>清耕。不同覆蓋處理下土壤相對酶活性與土壤絕對酶活性基本一致。冗余分析結(jié)果表明，土壤酶活性與有機碳、全氮、全磷和溶解性有機碳等土壤養(yǎng)分因子正相關(guān)，而與土壤中pH值和容重負相關(guān)。有機碳、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是影響土壤絕對酶活性和相對性酶活性的關(guān)鍵環(huán)境因素。