生草栽培下果园土壤酶活性与肥力因子的关系

方凯凯 贾曼莉 杜毅飞 王志康 李会科

摘要：为探究生草栽培下土壤酶活性与肥力因子的关系，通过短期室内培养法测定苹果园清耕、苹果‖百脉根间作、苹果‖白三叶间作、苹果‖小冠花间作、苹果‖鸡脚草间作这5种管理模式下，土壤理化性质变化和4种土壤酶活性。结果表明，土壤剖面中4种酶活性的变化趋势是表层明显高于下层。土壤酶活性与有机质、全氮、速效钾含量呈极显著正相关，与土壤pH值呈极显著负相关。通径分析结果表明，土壤肥力因子对纤维素酶活性的直接作用系数从小到大依次为有机质含量>全氮含量>pH值>速效钾含量，有机质含量和全氮含量是影响土壤酶活性的最主要因素，而速效钾含量和pH值含量的直接和间接通径系数相对较小，是影响土壤酶活性的次要因素。

关键词：生草；肥力因子；通径分析；酶活性

中图分类号： S812.8；S158文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0461-06

土壤酶常以稳定蛋白质形态存在，是具有高度催化作用的生物催化剂，土壤中的一切生物化学过程都是在土壤酶的作用下进行的。土壤酶素参与包括土壤生物化学过程在内的自然界物质循环，既是土壤有机物转化的执行者，又是植物营养元素的活性库[1-5]。土壤酶活性反映了土壤营养循环过程的速率[6-7]，可作为土壤生物功能多样性的指标[8]、土壤生产力[9]和微生物活性潜力的指标[10]，土壤酶活性能够及时反映土地利用和生物的改变[2]。因此，研究土壤酶活性，有助于了解土壤的供肥能力，并可用其作为评判土壤肥力的辅助指标。土壤酶活性与土壤肥力状况的关系历来为各国学者所关注，但目前所用的分析方法多见于简单相关、多元回归分析。应用通径分析不仅能测定两变数间的相互关系，而且还能给出原因对结果的重要性，并可将相关系数分解为直接作用和间接作用，提示各个因素对结果的相对重要性[11-12]。通过通径系数的大小与正负来表示自变量对应变量的大小与方向，且通径系数之间可进行相互比较，比相关分析提供更多的信息[11-14]。

长期以来，酶活性研究已成为土壤学的研究热点，但国内外学者对酶活性的研究主要集中在农田[15-16]、森林[17-18]、草地[19-20]生态系统，对生草种植下的苹果园生态系统的研究还较少。本研究以渭北黄土高原苹果园为例，对4种生草栽培下的土壤不同酶活性及理化性质进行深入的探讨，应用通径分析方法定量解释土壤酶活性与理化性质之间的相关关系，以期进一步阐明渭北苹果园土壤酶活性特征，并揭示其对土壤肥力因子的指示作用，为渭北黄土高原苹果园的合理开发利用提供理论依据，同时丰富我国黄土高原苹果园土壤酶活性研究的基础资料。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验区是白水县中部杜康镇塬面西北農林科技大学苹果试验站果园，位于渭北黄土高原苹果代表产区白水县，地处109°16′～109°45′E，35°4′～35°27′N，属暖温带大陆性季风气候，平均海拔850 m左右，土壤为黄绵土，土层深厚，剖面质地均匀，多年平均气温11.4 ℃，多年平均降水量 577.8 mm，降水年际变化大，年内分配不均，日照充足，光热资源丰富，全年无霜期207 d。苹果品种为十三年生乔化红富士[富士/新疆野苹果（Malus demestica Borkh）]，栽植密度 3 m×8 m。

1.2试验设计与土壤样品采集

[CM（24]选取苹果园清耕、苹果‖百脉根、苹果‖鸡脚草、苹果‖[CM）]〖LM〗白三叶、苹果‖小冠花间作5种管理模式（下文分别用对照、百脉根、鸡脚草、白三叶和小冠花简称），每个模式重复3次，共有9个小区，每小区面积是30 m2（6棵苹果树），2005年3月进行间生草播种，现已持续种生草7年，播前深翻整地，开沟条播，播种密度为0.74 g/m2，每年刈割2～3次，覆盖于苹果树行间，各处理区的生态条件和田间管理措施保持一致。

2012年7月在各处理区随机布设3个采样点，清除表层凋落物，用土钻分别采集 0～5、5～10、10～20、 20～40 cm土层土样，同一采样点同一层次土壤混匀作为1个样品，共36个样，土样去除根系、枯落物，分成2个部分，一部分自然风干用于测定土壤基本理化性质和土壤酶活性，另一部分装入冰袋立即运回实验室用于土壤有机碳矿化的室内培养测定。

1.3试验方法

土壤有机碳矿化培养：将样品放在30 ℃恒温培养箱中预培养1周，以使土壤从4 ℃状态下恢复到常温状态，使各种条件相对一致。称取20 g预培养过的鲜土置于广口瓶底部，用蒸馏水调土壤含水量至田间持水量的60%，在50 mL吸收瓶装入20 mL 0.01 mol/L NaOH溶液，并置于广口瓶内，加盖密封，置于30 ℃的恒温培养箱中培养，每个样设置3个重复，每次用称质量法矫正土壤含水量。分别在培养的第1天、第3天、第5天、第7天、第10天、第13天、第17天、第23天、第31天，取出装有碱液的吸收瓶，加入2 mL 1 mol/L BaCl2溶液和2滴酚酞指示剂，用0.1 mL/L鹽酸滴定至微红色，测定土壤中CO2-C的释放量。

土壤有机碳含量用重铬酸钾容量法（外加热）测定；土壤pH值直接用pH计进行测定，水土比2.5 ∶[KG-3]1；土壤全氮消解，用凯氏定氮仪测定；速效钾用醋酸铵浸提，用火焰分光光度法测定；轻组有机碳用碘化钠提取，在岛津TOC-SSM-5000A碳分析仪上测定；土壤蔗糖酶和纤维素酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定；土壤脲酶活性用靛酚比色法测定[20]。各处理土壤的基本性质见表1。

采用Origin 8.5和Excel软件作图表，数据的相关分析采用SPSS 18.0统计软件进行处理，用单因素方差分析对不同土地利用方式下土壤酶活性和理化指标的差异性进行分析，对数据进行标准化后建立土壤酶活性与理化因子的多元线性回归方程并完成显著性检验，在显著性检验成功的基础上运用通径分析方法[21]计算理化因子对土壤酶活性的直接、间接通径系数和决定系数。

2结果与分析

2.1不同生草栽培下4种酶活性特征

图1表示在白三叶、小冠花、百脉根、鸡脚草4种生草的栽培下，取0～5、5～10、10～20、20～40 cm深度的土样，测定过氧化氢酶活性。结果表明，在同一取样深度，种植生草后过氧化氢酶活性比清耕高，种生草的过氧化氢酶活性为0.32～0.70 mg/g，而清耕的仅为0.25～0.45 mg/g，说明生草能够显著增强土壤中过氧化氢酶的活性。在各剖面中土壤过氧化氢酶的变化趋势是表层活性明显高于下层，随着土层的加深，酶活性逐渐减弱。

图2中的蔗糖酶活性在各个土层深度都比图1中的过氧化氢酶强。土壤浅层部分（0～5、5～10 cm）不同生草蔗糖酶的活性从强到弱依次是百脉根>白三叶>鸡脚草>小冠花>清耕；而在土壤深层部分（10～20、20～40 cm）蔗糖酶的活性强弱顺序与浅层不一致，表现为白三叶>百脉根>小冠花>鸡脚草>清耕。

3结论

果园生草能显著提高土壤酶活性，4种不同类型的生草对提高土壤酶活性的作用效果不完全一致，总体上表现为百脉根>白三叶>鸡脚草>小冠花。随着土层深度的增加，苹果园土壤酶活性逐渐降低，表层土壤的酶活性明显高于下层土壤，层次之间变化明显。土壤酶活性与土壤养分含量的变化规律基本一致，但并不完全相同。

土壤有机质含量与全氮、速效钾含量、pH值等密切相关。土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、纤维素酶4种酶活性之间有显著的相关性，表明土壤酶在促进土壤有机物转化中存在共性关系，而有共性关系酶的总体活性在一定程度上能指示土壤肥力水平。4种酶活性与全氮含量、速效钾含量、pH值及有机质含量等显著相关，土壤酶活性也能较好地反映土壤肥力状况。

综合3种生草的通径分析得出，土壤肥力因子对过氧化氢酶活性的直接作用系数从大到小依次为全氮含量>速效钾含量>有机质含量>pH值；土壤肥力因子对蔗糖酶活性的直接作用系数从大到小依次为全氮含量>有机质含量>速效钾含量>pH值；土壤肥力因子对脲酶活性的直接作用系数从大到小依次为有机质含量>全氮含量>速效钾含量>pH值；土壤肥力因子对纤维素酶活性的直接作用系数从大到小依次为有机质含量>全氮含量>pH值>速效钾含量。

相关分析和通径分析的结果均说明土壤过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性和纤维素酶活性可以表征土壤的养分水平，反映土壤的肥力状况，可作为评价土壤肥力水平的指标。

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对酶活性的贡献最大，这与图1和图2的分析结果一致。

图1、图2、图3和图4分析结果表明，酶的活性随着土壤深度的加大而呈减弱的趋势。这主要是由于土壤表层积累了较多的枯枝落叶和腐殖质，有机质含量高，有充分的营养源以利于微生物的生长，加之表层水热条件和通气状况好，因微生物生长旺盛、代谢活跃、呼吸强度加大而使表层的土壤酶活性

较强[22]。果园生草与清耕对比能显著增强土壤酶活性，这与徐凌飞等[23-26]的研究结果一致。

2.2土壤酶活性之间及其与土壤养分含量之间的相关分析

2.2.1多种酶活性之间的关系土壤酶活性之间存在一定的线性相关关系，表2、表3和表4中蔗糖酶和纤维素酶的相关性较高，r值分别为0.989、0.936和0.940。蔗糖酶和纤维素酶的活性显著相关，表明土壤中多糖的转化与纤维素转化之间关系密切并相互影响。同时，脲酶与纤维素酶的相关性较高，r值分别為0.995、0.884和0.904，表明土壤中尿素氮肥的水解与纖维素类物质的转换关系密切。土壤酶活性之间的相互关系表明，土壤酶在促进土壤有机物转化中不仅显示专性特性，同时也存在共性关系。酶的专性作用反映了土壤中与某类酶相关的有机化合物转化过程，而有共性关系酶的总体活性在一定程度上反映土壤肥力水平的高低[27]。

2.2.2酶活性与养分含量的关系相关分析结果（表2、表3和表4）表明，土壤脲酶活性与所测土壤肥力因子存在极密切的关系。土壤脲酶活性与有机质、全氮、速效钾含量呈正相关。其中，与有机质和全氮含量呈极显著正相关，相关系数在表1中最高达0.955和0.996，在表3中最低为0.836和0892，这表明脲酶在土壤中参与C、N转化过程。

过氧化氢酶活性与有机质、全氮含量具有极显著的关系。表2的r值分别为0.920、0.966，表3中为0.839、0.840，表4的r值是0.758、0.774，与pH值呈负相关关系。

[JP3]蔗糖酶活性与有机质、全氮含量呈显著正相关，图2中相关系数为0.964、0.958，表3中的为0.906、0.955，表4为0872、0940，与速效钾含量呈显著正相关，与pH值呈负相关关系。