果園紅壤供氮水平季節(jié)性變化及對長期套種綠肥的響應研究

摘要：本研究以柿子（Diospyros kaki）園為對象，研究了長期（近20年）套種豆科綠肥對土壤可溶性氮和氮水解酶季節(jié)性變化的影響。試驗設(shè)3個處理：套種平托花生（Arachis pintoi）（TPA）、套種圓葉決明（Chamaecrista rotundifolia）（TPC）和清耕果園（CK）。結(jié)果表明：長期套種2種豆科綠肥沒有改變果園紅壤供氮水平的季節(jié)性變化規(guī)律，6月各處理硝態(tài)氮（NO-3-N）、可溶性總氮（Total soluble nitrogen，TSN）和可溶性有機氮（Soluble organic nitrogen，SON）含量最高，分別為17.71～21.81，31.40～75.12和7.77～47.65 mg·kg-1；12月NO-3-N，TSN和SON含量最低，分別為4.88～6.02，15.17～17.45和5.03～7.92 mg·kg-1。3月、6月和8月銨態(tài)氮（NH+4-N）含量高于4月、10月和12月；6月4種氮水解酶活性最高，8月和12月活性最低。長期套種2種豆科綠肥顯著提高了生長季3—8月NO-3N，TSN，SON和NH+4-N含量以及蛋白酶、天冬酰胺酶、脲酶和谷氨酰胺酶活性。因此，長期套種圓葉決明和平托花生是通過增加生長季的可溶性氮含量和氮水化酶活性來增加土壤氮供應。

關(guān)鍵詞：豆科綠肥套種；可溶性氮；季節(jié)性變化；氮水解酶；定位試驗

中圖分類號：Q556""" 文獻標識碼：A"""" 文章編號：1007-0435（2024）08-2514-09

Seasonal Variation of Nitrogen Supply Level in Soil of Orchard and Its

Response to Interplanting Green Manure

ZHONG Zhen-mei1，3， LI Chun-yan1，3， XING Shi-he2*， WENG Bo-qi1，3*

（1. Institute of Resources， Environment and Soil Fertilizer， Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fuzhou， Fujian Province

350013， China; 2. College of Resource and Environmental Science， Fujian agriculture and forest university， Fuzhou， Fujian

Province 350002， China; 3. Fujian Engineering and Technology Research Center for Circular Agriculture， Fuzhou，

Fujian Province 350003， China）

Abstract：Legume mulch is an important approach to fix nitrogen from air and change nitrogen supply in soil. This study was conducted to determine the effects of 20-year legume mulch on seasonal changes of soil soluble nitrogen and N-hydration enzymes in persimmon orchard. Three treatments were Arachis pintoi mulch （TPA），Chamaecrista.rotundifolia mulch （TPC），and no vegetation mulch （CK）. Our results showed C.rotundifolia and A. pintoi mulch had no significantly effect on seasonal changes of 4 types of nitrogen concentrations and N-hydration enzyme activities. Among different treatments，the highest concentrations of NO-3-N （from 17.71 to 21.81 mg·kg-1），TSN （from 31.40 to 75.12 mg·kg-1） and SON （from 7.77 to 47.65 mg·kg-1） were observed in June，and the minimum values with 4.88～6.02 mg·kg-1 NO-3-N，15.17～17.45 mg·kg-1 TSN and 5.03～7.92 mg·kg-1 SON were in December. NH+4-N concentration was higher in March，June and August than in April，October and December. Simultaneously，the highest activities of urease，protease，L-asparaginase and L-glutaminase were in June，and the minimum values were observed in August or December. However，C.rotundifolia and A. pintoi mulch significantly increased the concentration of soil NO-3-N，TSN，SON，NH+4-N，and the activities of protease，urease，L-asparaginase，urease and L-glutaminase in growing season. Our study indicated that the long-term C.rotundifolia and A. pintoi mulch increased soil nitrogen supply by adding soluble nitrogen concentrations and N-hydration enzyme activities in growing reason.

Key words：Legume interplanting;Soluble nitrogen;Seasonal variation;N-hydration enzymes；Long-term experiment

果園生草技術(shù)起源于歐美，在歐美、日本等國已實施多年［1］，在防控雜草、防治和減少水土流失等方面效果明顯［2-4］。Wei等［5］從中國知網(wǎng)和Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索2016年2月之前有關(guān)果園生草的論文，根據(jù)meta-analysis法設(shè)定的標準最后選定了國內(nèi)73篇果園生草研究論文，涉及360個觀測指標，結(jié)果表明果園生草增加了土壤可溶性有機碳（SOC）、總氮（TN）和有效氮、有效磷和總鉀含量，在提高土壤肥力方面效果顯著。套種豆科植物是果園生草的一種類型，其不僅能提高土壤有機質(zhì)含量，提高土壤肥力和質(zhì)量，還能通過豆科植物的生物固氮作用提高植物和土壤氮含量［6］。

目前，關(guān)于果園套種豆科綠肥對氮的影響研究主要集中在總氮和有效氮含量的變化方面。研究表明，豆科植物對土壤氮含量的影響大于非豆科植物［7-8］，果園套種白三葉（Trifolium repens L.）［7，9］和皇冠野豌豆（Crown vetch）［7］能顯著提高土壤總氮含量，果園套種綠肥會改變土壤硝態(tài)氮（NO-3-N）、銨態(tài)氮（NH+4-N）的含量［10-12］，但對可溶性有機氮（SON）的影響研究較少。SON是土壤有機氮庫中最活躍的組分之一，在土壤氮素循環(huán)過程和植物氮素營養(yǎng)供給中具有重要的作用［13-14］，且與土壤供氮水平直接相關(guān)［15］，因此需加強果園套種綠肥后SON含量變化的研究。當前綠肥套種的土壤肥力效應研究主要集中在比較不同模式方面，關(guān)于長期套種豆科綠肥之后果園紅壤可溶性氮季節(jié)性變化的研究報道也較少。

土壤中的氮主要以有機氮的形式存在，在土壤酶及土壤微生物的作用下，大分子有機氮通過水解或礦化分解為小分子有機氮和無機氮，然后被植物或土壤微生物吸收利用［16-17］。因此，土壤酶活性被認為是土壤微生物功能發(fā)揮和土壤肥力的關(guān)鍵驅(qū)動因素。土壤脲酶、蛋白酶、天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶等是土壤氮循環(huán)的重要水解酶，直接參與土壤含氮有機物的分解和轉(zhuǎn)化，在土壤氮循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的作用［18］。由于土壤脲酶、蛋白酶、天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性強度可用來表示土壤氮素供應強度，研究這4種土壤酶活性的變化及與土壤肥力之間的關(guān)系，對揭示土壤肥力狀況，評估土壤供氮能力具有重要的意義。

圓葉決明和平托花生均為多年生豆科綠肥，20世紀80年代引進中國后，在我國南方地區(qū)具有很強的適應性，被廣泛應用于防治水土流失、提高土壤肥力、改善土壤理化性狀等［19-21］。目前關(guān)于套種圓葉決明和平托花生對土壤肥力的影響研究大多屬于短期研究［19-21］，而長期套種這兩種綠肥對果園紅壤可溶性氮及氮水解酶的影響研究報道較少，且綠肥套種之后果園紅壤SON及氮水解酶活性的季節(jié)性變化規(guī)律研究鮮見報道。本研究開展長期套種圓葉決明和平托花生后果園紅壤SON及氮水解酶的季節(jié)性變化規(guī)律研究，旨在揭示豆科綠肥套種對土壤供氮水平的影響規(guī)律及作用機理。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概述及試驗設(shè)計

研究區(qū)位于福建省尤溪縣玉池村，地理坐標26°25′N，117°57′E，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年實有日照時數(shù)1 781.7 h，年降水量1600～1800 mm，年均溫19.2℃，7月均溫26.6～28.9℃，1月均溫9.0～12.0℃，無霜期312 d以上；80%的降雨主要集中在2月至10月之間。試驗地所處海拔150 m，坡向為東南方向，坡度15°；成土母質(zhì)為第四紀紅色粘土，土壤為紅壤。試驗區(qū)建立于1996年，至今已連續(xù)套種圓葉決明和平托花生20多年。試驗設(shè)置3個處理，即（1）對照（CK）：果園清耕；（2）TPC：果園套種圓葉決明；（3）TPA：果園套種平托花生，圓葉決明和平托花生環(huán)繞柿樹（Diospyros kaki）主干周圍直徑20 cm以外種植。平托花生為多年生草本植物，不刈割，全年覆蓋，無枯草層，圓葉決明在研究區(qū)為一年生，5月種子自發(fā)萌發(fā)，6月中下旬快速生長，到10月地上部結(jié)莢完成生育期，隨后刈割地上部覆蓋在果樹周圍的地表，使其自然腐解；清耕果園每年人工除草3～4次。每處理每棵果樹施NPK復合肥［16∶16∶16］ 0.35 kg、鈣鎂磷肥（FCMP） 0.25 kg，氯化鉀（KCl） 0.5 kg。每個處理2個重復小區(qū)，每小區(qū)長25 m，寬4 m，面積100 m2，由8個梯臺組成，每個梯臺上種植有大小一致的1棵果樹，共16棵果樹。1995—2012年種植的果樹為桃樹，2012年至今種植的果樹為柿樹。

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品采集時間為2017年的3月15日、4月15日、6月15日、8月15日、10月15日和12月15日。首先，將每個小區(qū)的8棵果樹按從上到下的順序編號為1～8，每小區(qū)選編號為2、4和6的為取樣果樹，即為3次重復。其次，以選取的果樹樹冠環(huán)形投影線為基準，沿基準線外30 cm環(huán)形線設(shè)置5～6個取樣點進行取樣，取樣深度0～20 cm。將取得的土樣混合均勻，再次將2個重復小區(qū)同編號的2棵果樹采集的土壤按不同土層再次混勻，用四分法取500 g裝入封口袋中封好，放入保鮮箱中帶回實驗室，測定土壤可溶性氮含量和氮水解酶活性（圖1）。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤溫度和濕度的測定 在地表5 cm處埋設(shè)溫度計，每隔5 d分別于早（8：00）、中（12：00）和晚（6：00）記錄土壤溫度，持續(xù)1年，取3次溫度的平均值計為日均溫，每月的日均溫平均值即為月均溫。土壤含水量采用烘干法測定，土壤鮮樣稱初始重，在60℃烘干至恒重再稱重，2次稱量之差即為土壤含水量，用百分比表示。

1.3.2 土壤可溶性氮測定 稱取10.00 g鮮土過2 mm篩，置于100 mL離心管中，加入2 mol·L-1的KCl溶液50 mL，250 r·min-1震蕩1 h后靜置30 min，使用0.45 μm微孔濾膜過濾，制得待測母液。取待測母液5 mL用連續(xù)流動注射分析儀（Flowsys，Systea，意大利）測定土壤NO-3-N和NH+4-N含量。取待測母液5 mL稀釋2倍，用TOC儀（TOC-L，CPH/CPN，Shimadzu，日本）測定土壤TSN含量。SON含量用以下公式計算SON=TSN—（NH+4-N）—（NO-3-N）。

1.3.3 土壤氮水解酶測定 參考Kandeler and Gerber（1988）的方法測定脲酶活性［22］，土壤脲酶活性用經(jīng)脲酶水解后每克土產(chǎn)生的銨態(tài)氮含量表示，單位為mg·g-1。參考Lowry（1951）的方法測定土壤蛋白酶活性［23］，土壤蛋白酶活性用經(jīng)蛋白酶水解每克土產(chǎn)生的絡(luò)氨酸含量表示，單位為mg·g-1。參考Kanazawa amp; Kiyota（1995）的納氏試劑法測定L-天冬酰胺酶和L-谷氨酰胺酶活性［24］，土壤L-天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性用經(jīng)酶水解后每克土產(chǎn)生的銨態(tài)氮含量表示，單位為mg·g-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016整理，利用統(tǒng)計分析軟件SPSS 12.0進行統(tǒng)計分析，處理間的差異顯著性采用單因素方差分析法和Duncan新復極差法進行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)用“平均值±標準差”表示，差異顯著性水平Plt;0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 套種豆科綠肥對紅壤溫濕度的影響

研究區(qū)的年日均溫如圖2所示。CK、TPC和TPA處理月均溫范圍分別為15.58～32.83℃、16.50～31.33℃和16.33～29.00℃。1年當中3種處理最低月均溫均出現(xiàn)在12月，最高月均溫則出現(xiàn)在6月。6—10月是一年中的高溫期，該時期TPA和TPC處理月均溫低于CK，12—4月的月均溫則高于CK，表明套種綠肥有利于低溫和高溫季節(jié)的溫度調(diào)節(jié)。

不同月份3種處理下土壤含水量存在差異（圖3）。雨季（3—6月）土壤含水量高于其他季節(jié)；6月和8月TPA和TPC處理的土壤含水量顯著高于CK（P=0.02，0.001lt;0.05）。3月和12月，TPA處理土壤含水量也顯著高于CK（P=0.03，0.002lt;0.05），但在TPC處理與CK之間差異不顯著。4月和10月，3種處理之間沒有顯著差異。

2.2 雙因素方差分析

雙因素方差分析結(jié)果如表1所示。校正模型的F值和P值分別為122.153和0.000lt;0.01，表明線性模型具有統(tǒng)計學意義，且處理、月份及其2因素的交互作用對NO-3-N、TSN、SON、NH+4-N含量及脲酶、天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性均有顯著影響。處理和月份對蛋白酶活性有顯著影響。

2.3 果園紅壤可溶性氮含量的變化

3種處理的土壤可溶性氮呈相似的季節(jié)變化規(guī)律（表2）。NO-3-N，TSN和SON含量最高出現(xiàn)在平均溫度和土壤含水量最高的6月，分別為19.61，50.38和24.05 mg·kg-1，NO-3-N和TSN含量最低值出現(xiàn)在平均溫度最低的12月，分別為5.44和16.09 mg·kg-1，SON含量最低值在8月，為3.68 mg·kg-1。NH+4-N含量的季節(jié)分布不一致，3月、6月和8月NH+4-N含量最高，4月含量最低。套種綠肥圓葉決明和平托花生對土壤可溶性氮有顯著影響（表2）。TPA處理NH+4-N，SON和TSN含量最高，分別為6.12，14.84和32.12 mg·kg-1，TPC處理NO-3-N含量最高，為11.06 mg·kg-1。與CK相比，TPC和TPA處理均顯著提高土壤NH+4-N，NO-3-N，TSN和SON含量，且TPA處理TSN和SON含量高于TPC。

從圖4可知，與CK相比，3月、4月、6月和8月，TPC處理NO-3-N和TSN含量顯著增加了42.05%，18.52%，23.18%，22.91%和14.66%，45.15%，42.15%，47.45%；3月和10月TPC處理NH+4-N含量較CK顯著增加了28.53%和55.92%，4月、6月和8月TPC處理SON含量較CK也顯著增加了146.76%，115.16%和983.31%。與CK相比，3月和4月，TPA處理NO-3-N含量顯著提高了57.41%和24.42%，而6月和8月則相反；4月、6月和8月，TPA處理TSN和SON含量顯著提高了107.15%，139.24%，40.76%和421.15%，513.47%，1 096.52%。

2.4 果園紅壤氮水解酶活性

3種處理的4種土壤氮水解酶活性在全年均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)規(guī)律（表3）。6月份脲酶、天冬酰胺酶、谷氨酰胺和蛋白酶的酶活性最高，分別為407.18，163.71，69.80和6.21 mg·g-1。12月脲酶和谷氨酰胺酶活性最低，分別為216.73和38.27 mg·g-1。3月天冬酰胺酶活性最低，為72.78 mg·g-1，8月蛋白酶活性最低，為3.69 mg·g-1。圓葉決明和平托花生套種均對4種酶的活性有顯著影響（表3）。TPA處理酶活性最高，CK最低。TPA處理脲酶活性分別比CK和TPC顯著提高17.85%和8.96%。與CK相比，TPA和TPC處理天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶和蛋白酶活性均顯著提高，且TPA和TPC處理之間谷氨酰胺酶活性也差異顯著，TPA處理谷氨酰胺酶活性比TPC提高8.96%。

從圖5可知，與CK相比，3—12月，TPA處理均顯著提高了蛋白酶活性，3月、8月、10月和12月TPC處理蛋白酶活性也顯著增加。3月、4月、6月和8月，TPA處理的脲酶活性顯著高于CK，而TPC處理的脲酶活性僅在6月和8月顯著高于CK。3—10月，TPA和TPC處理天冬酰胺酶活性較CK顯著提高；3—8月，TPA和TPC處理谷氨酰胺酶活性較CK顯著提高，TPA和TPC在3月和6月之間存在顯著差異，TPA處理具有較高的天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性。

2.5 相關(guān)性分析

各指標相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤溫度和脲酶、天冬酰胺酶和蛋白酶活性以及NO-3-N，NH+4-N和TSN的含量顯著正相關(guān)；土壤含水量與天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性及NH+4-N和TSN含量顯著正相關(guān)。氮水解酶活性與可溶性氮含量的相關(guān)性分析結(jié)果表明，脲酶和蛋白酶與NO-3-N，TSN和SON含量呈顯著正相關(guān)；天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性與4種可溶性氮均呈顯著正相關(guān)。TSN與NO-3-N，NH+4-N和SON含量均呈顯著正相關(guān)，SON與NO-3-N和NH+4-N含量也呈顯著正相關(guān)。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，果園紅壤SON含量及4種氮水解酶變化具有明顯的季節(jié)性。6月溫度較高，是植物快速生長的季節(jié)，植物快速生長可能產(chǎn)生更多的根系分泌物，這可能是導致果園紅壤SON含量最高的原因之一。8月是全年溫度最高的月份，脲酶和蛋白酶活性急劇下降，表明高溫可能抑制土壤酶活性，這可能是導致8月果園紅壤SON含量最低的原因。而到12月至次年3月是全年的低溫期，該時期4種氮水解酶活性和SON含量也較低。趙滿興等［25］研究表明，黃土丘陵區(qū)人工林SON含量隨季節(jié)變化明顯，6月最高，11月最低。周碧青等［26］研究發(fā)現(xiàn)，亞熱帶龍眼（Dimocarpus longan）園和枇杷（Eriobotrya japonica）園土壤SON的季節(jié)變化表現(xiàn)為夏、冬季高于春、秋季，表明土壤SON變化具有明顯季節(jié)性。由于季節(jié)性變化涉及的生物因子和非生物因子復雜，僅套種綠肥這一項管理措施不足以顯著影響其季節(jié)性變化趨勢。圓葉決明和平托花生均是多年生豆科綠肥，其中平托花生地上部全年不枯萎，而圓葉決明引種到福建后生長具有明顯的季節(jié)性［19-20］，即每年5月下旬萌發(fā)生長，10月下旬地上部枯死，刈割后覆蓋于地表。盡管2種豆科綠肥生長存在一定的季節(jié)性差異，但其與對照相比，土壤可溶性氮含量和氮水解酶活性變化仍表現(xiàn)出一致的季節(jié)性規(guī)律。套種綠肥顯著增加了生長季果園紅壤可溶性氮含量和氮水解酶活性，表明綠肥的生長可以改變土壤局部微環(huán)境，進而影響土壤供氮水平。

研究表明，豆科綠肥是一種具有多種生態(tài)功能的植物，在提高土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量尤其是氮營養(yǎng)方面具有顯著效果［27］。本研究結(jié)果表明，長期套種平托花生，4—8月均顯著提高了果園紅壤SON含量，而套種圓葉決明則在3—8月期間顯著提高果園紅壤SON含量。Xing等［28］研究表明，土壤SON含量受到土壤有機質(zhì)的輸入影響較大，且受到土壤類型、植被覆蓋、土壤管理措施及土壤理化性狀等的影響［29］。4—8月為平托花生旺盛生長季節(jié)，植物根系凋落物及根系分泌物進入土壤，增加了土壤有機質(zhì)輸入，這可能是導致套種平托花生后土壤SON含量增加的主要原因；而圓葉決明的生長季節(jié)在5—10月，套種圓葉決明也提高了該時期0～20 cm土層SON含量，此外，豆科綠肥生長季根瘤菌的固氮作用也可能導致土壤氮含量的增加［21］。鐘珍梅等［30］研究表明，低溫條件下圓葉決明腐解需要4個月，圓葉決明11月刈割翻壓，到次年3月，腐解進入氮釋放階段，因此3—4月SON含量顯著提高。Dinesh等［31］研究發(fā)現(xiàn)，套種豆科綠肥蔓草蟲豆［Cajanus scarabaeoides （L.）］、山珠豆（Centrosema pubescens）、毛蔓豆（Calopogonium mucunoides）、野葛［Pueraria lobata （Willd.） Ohwi］12年能顯著提高土壤SON含量，這與本研究結(jié)果一致。同時也有學者［32］認為，當減少對土壤擾動時，能降低土壤的反硝化反應，提高土壤的SON含量。本研究中表層土壤擾動的減少可能也是增加SON含量的原因之一。此外，SON含量與植物根系分泌的有機物密切相關(guān)［27］，在微生物作用下，植物根系分泌的有機物能通過土壤微生物作用轉(zhuǎn)化為SON［27，33］。

本研究還發(fā)現(xiàn)，3—4月，套種平托花生提高了4種氮水解酶活性，套種圓葉決明則提高了天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性，6—8月，套種2種豆科綠肥均提高了4種氮水解酶活性。土壤酶活性的變化反映了土壤微生物功能的變化［18］，3—8月，套種2種綠肥后果園紅壤4種可溶性氮含量也顯著增加。3—8月是植物營養(yǎng)生長開始至旺盛生長的階段，豆科綠肥生長會分泌根系分泌物，改變了土壤微生物生存的微環(huán)境，進而導致土壤氮水解酶活性增強［10，27］，而水解酶活性的增加直接導致土壤溶解性氮含量增加。相關(guān)性分析也表明，脲酶和蛋白酶與NO-3-N，TSN和SON含量呈顯著正相關(guān)，天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性與4種可溶性氮均呈顯著正相關(guān)，表明脲酶和蛋白酶參與了土壤NO-3-N，TSN和SON的形成過程，而天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶則參與了4種溶解性氮的形成過程。

4 結(jié)論

長期套種圓葉決明和平托花生未改變土壤可溶性氮和氮水解酶的季節(jié)性變化規(guī)律，3種處理4種溶解性氮（NO-3-N，NH+4-N，TSN和SON）含量和4種氮水解酶的活性均在6月最高，12月至次年3月出現(xiàn)低谷。長期套種圓葉決明和平托花生在大部分月份顯著提高了NO-3-N，TSN和SON含量和4種氮水解酶的活性，且套種平托花生的效果強于圓葉決明。土壤溫度是影響土壤氮解酶活性和可溶性氮含量的主要因素，其次為土壤含水量。脲酶和蛋白酶與NO-3-N，TSN和SON含量呈顯著正相關(guān)；天冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性與4種可溶性氮均顯著正相關(guān)。

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（責任編輯 劉婷婷）