有机物覆盖对核桃园土壤有机碳库及酶活性的影响

孙 萌，刘 洋，李 寒，李保国,2，齐国辉,2*，张雪梅,2

（1 河北农业大学林学院/河北省林木种质资源与森林保护重点实验室，河北保定 071000；2 河北省核桃工程技术研究中心，河北临城 054300）

土壤有机碳是评价土壤肥力的重要指标，它是指土壤中碳元素的总量，而土壤中的含碳有机物正是植物生长所需养分的重要来源，同时也是土壤微生物活动的重要能源[1]。土壤碳库管理指数作为评价有机碳库的重要指标，结合了碳库活度与碳库总碳量两类指标，既反映了土壤碳库中各有机碳组分情况，又反映了碳库中有机碳总量的多少，碳库管理指数的变化直接反映了土壤肥力状况，其值上升表明土壤肥力提高，反之则土壤肥力下降[1]。国内外研究表明，不同的耕作方式直接影响土壤中的有机碳储量，保护性耕作可以避免由耕作造成的有机碳大量损失[2-4]，秸秆还田可以提高土壤的有机碳总量及活性有机碳含量，提高土壤的碳库活度和碳库管理指数[5-6]，施用有机肥有利于土壤可溶性有机碳的释放。

土壤酶活性也是反映土壤肥力的重要指标，在土壤的各种生物化学反应中起着不可替代的作用。研究发现，有机物覆盖可以有效改善土壤微域生态环境，提高微生物活性及酶活性[7-8]。而土壤酶活性与土壤碳氮代谢有直接关系，直接影响土壤营养物质的代谢转化。因此，研究土壤酶活性与土壤各有机碳组分之间的关系可以进一步探明和解释不同处理土壤碳库差异来源。

地面覆盖是重要的土壤管理措施，也是保护性耕作之一，在很多发达国家早已广泛应用，国内外研究地面覆盖效应的学者很多。研究表明，有机物覆盖在调节土壤生态环境、活化土壤养分及酶活性方面的作用不可替代，且对土壤有机碳库有显著效应，可以调节活性有机碳与稳定性有机碳的比例，调节碳库指数[7-8]。核桃 (Juglans regia L.) 是我国重要的经济林树种之一，不仅营养价值高，经济效益也相当可观。近年来，我国核桃的栽培面积大幅度上升，已经成为我国山区老百姓脱贫致富的支柱产业。因此，研究有机物覆盖对核桃园土壤有机碳库以及土壤酶活性的影响具有重要意义，可为探明地面覆盖效应提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在河北绿岭果业有限公司侯家韩核桃示范基地。该地位于太行山南段东麓临城县丘陵区，海拔80～135 m，土壤质地为壤土，土壤pH均值为7.3，年均降水量521 mm，年均气温13℃，极端最高气温41.8℃，极端最低气温为-23℃，无霜期202 d，年均日照2653 h。本底土壤有机碳含量及碳库活度如表1。

1.2 试验设计

本试验始于2012年，以2007年春季栽植的核桃-苜蓿复合林为试验地，株行距为3 m × 5 m，选择生长发育良好、树势相对一致的‘绿岭’核桃树90株，试验设行内覆盖有机肥、覆盖碎木屑和对照3个处理，随机区组设计，每个小区10株，3次重复，分别于2012年、2014年、2016年的4月上旬，即每隔一年覆盖一次，将覆盖材料覆盖到树行内，每棵覆盖有机肥200 kg、碎木屑0.45 m3，以不覆盖为对照 (有机肥为干鸡粪，碎木屑为粉碎的核桃枝条)。其中，碎木屑处理及对照采用开沟和穴施有机肥 (有机肥亦为干鸡粪)，有机肥覆盖处理不再施有机肥，其他均为常规管理，施肥量一致，栽培管理过程中不使用化肥。

表1 基础土壤不同土层有机碳含量及碳库活度Table 1 The basal soil organic matter content and carbon pool activity in different soil layers

1.3 土壤样品采集及测定

1.3.1 土壤样品采集 覆盖后，分别于2016年5月20日、6月20日、7月20日、8月20日、9月20日用土钻取土，将0—80 cm土层的土壤混匀后，风干过筛，测定土壤酶活性，三次重复。于2016年11月15日，在每个处理内挖80 cm深的土壤剖面，用剖面刀分0—20、20—40、40—60、60—80 cm四个土层取土，3次重复，取约200 g土放入冰盒带回实验室，其中一部分自然风干后过1 mm筛，测定土壤总有机碳含量，另一部分保存在4℃冰箱中，用于测定易氧化有机碳含量和可溶性有机碳含量。

1.3.2 测定与计算方法 土壤总有机碳 (TOC) 采用重铬酸钾容量法[9]，可溶性有机碳 (DOC) 采用总有机碳分析仪[10](日本岛津TOC-LCPH) 进行测定，易氧化有机碳 (ROC) 采用333 mmol/L高锰酸钾氧化比色法进行测定[10]。土壤过氧化氢酶采用紫外分光光度法，土壤中性蛋白酶采用福林酚试剂法，土壤脲酶采用靛酚蓝比色法，土壤纤维素酶采用蒽酮比色法进行测定[11-12]。

碳库管理指数采用Blair等[13]提出的方法进行计算：

稳定态有机碳 (IOC) 含量 = 总有机碳 (TOC) 含量 - 易氧化有机碳 (ROC) 含量；

碳库指数 (CPI) = 样品总有机碳含量/参考土总有机碳含量；

碳库活度 (CPA) = 易氧化有机碳含量/稳定态有机碳含量；

碳库活度指数 (CPAI) = 样品碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库管理指数 (CPMI) = 碳库指数 × 碳库活度指数 × 100。其中，本底土壤作为参考土壤。

数据采用Duncan LSR法进行统计分析，Pearson法进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 有机物覆盖对土壤各有机碳组分含量的影响

2.1.1 有机物覆盖对土壤总有机碳含量的影响 图1表明，在0—20 cm土层，覆盖有机肥处理、覆盖碎木屑处理的总有机碳含量分别为15.58、13.64 g/kg，分别较对照提高了65.7%、45.1% (P ＜ 0.01)，对照仅为9.40 g/kg，两个覆盖处理间差异也达到了极显著水平；在20—40 cm土层，覆盖处理总有机碳含量较对照分别提高了16.9%、12.9% (P ＜ 0.01)，但覆盖处理间无显著差异；40—60 cm土层处理间总有机碳变化规律与20—40 cm土层相同，而在60—80 cm土层，覆盖有机肥处理的总有机碳含量显著高于对照，但覆盖碎木屑处理与对照间无显著差异。

图1 各处理不同层次土壤总有机碳含量Fig. 1 The total soil organic carbon content in different layers as affected by mulch

2.1.2 有机物覆盖对土壤可溶性有机碳含量的影响

图2表明，在0—20 cm土层，覆盖有机肥处理、覆盖碎木屑处理的可溶性有机碳含量分别为59.10、42.18 mg/kg，均极显著高于对照，较对照分别提高了133.1%、80.6%，对照仅为25.35 mg/kg，两个覆盖处理间的差异也达到了极显著水平，覆盖有机肥处理极显著高于覆盖碎木屑的；在20—40 cm土层、40—60 cm土层、60—80 cm土层不同处理间可溶性有机碳变化规律与0—20 cm土层相同，但处理间差距缩小。由此可知，随着土层的加深，有机物覆盖对可溶性有机碳的影响有下降趋势。

图2 各处理不同深度土壤可溶性有机碳含量Fig. 2 The dissolvable soil organic carbon content in different layers as affected by mulch

2.1.3 有机物覆盖对土壤易氧化有机碳含量的影响图3表明，在0—20 cm土层，覆盖有机肥处理的易氧化有机碳含量极显著高于覆盖碎木屑和对照，其值为5.38 g/kg，为对照的6.98倍，覆盖碎木屑处理显著高于对照，较对照提高了81.8%；在20—40 cm、40—60 cm土层，处理间易氧化有机碳变化规律与0—20 cm土层相同；而在60—80 cm土层，覆盖有机肥处理的易氧化有机碳含量极显著高于覆盖碎木屑处理及对照，其值为2.48 g/kg，但覆盖碎木屑处理与对照之间无显著差异。由此可知，覆盖有机肥对土壤易氧化有机碳含量的影响比覆盖碎木屑更显著。

图3 各处理不同深度土壤易氧化有机碳含量Fig. 3 The soil readily oxidizable organic carbon at different depths as affected by mulch

2.1.4 有机物覆盖对土壤稳定性有机碳含量的影响由图4可见，在0—20 cm土层，覆盖有机肥处理、覆盖碎木屑处理的稳定性有机碳含量极显著高于对照，它们分别为10.20、12.24 g/kg，较对照提高了18.2%、41.8%，对照仅为8.63 g/kg，两个覆盖处理间的差异也达到了极显著水平，覆盖碎木屑处理极显著高于覆盖有机肥的；在20—40 cm、40—60 cm土层，三个处理的土壤稳定性有机碳含量无显著差异；而在60—80 cm土层，覆盖有机肥处理的土壤稳定性有机碳含量显著低于对照，覆盖碎木屑处理与对照间无显著差异。由此可知，覆盖对稳定性有机碳含量的效应以覆盖碎木屑效果最佳。

图4 各处理不同深度土壤稳定性有机碳含量Fig. 4 The soil stable organic carbon content at different depth as affected by mulch

2.2 有机物覆盖对核桃园土壤碳库管理指标的影响

由表2可知，在0—80 cm土层中，覆盖处理的碳库活度均高于对照，其中，覆盖有机肥处理的各土层碳库活度均显著高于对照，为对照的2.93～5.91倍，覆盖碎木屑处理的碳库活度为对照的1.28～2.48倍，仅在20—40 cm土层显著高于对照，其他土层与对照间无显著差异。覆盖处理的碳库活度指数亦均高于对照，覆盖有机肥处理的0—20 cm土层的碳库活度指数极显著高于对照，其他土层均显著高于对照，为对照的2.93～5.91倍；覆盖碎木屑处理的碳库活度指数在20—40 cm土层和60—80 cm土层显著高于对照，其他土层与对照无显著差异，为对照的1.28～2.48倍。覆盖处理的碳库指数均显著高于对照，覆盖有机肥处理较对照提高10.7%～65.7%，覆盖有碎木屑处理较对照提高了4.5%～45.1%，但两个覆盖处理仅在0—20 cm土层有显著差异，其他土层两个覆盖处理间无显著差异。所有土层的碳库管理指数均表现为覆盖有机肥处理极显著高于覆盖碎木屑处理和对照。覆盖有机肥处理的碳库管理指数为对照的3.29～9.80倍，覆盖碎木屑处理的为对照的1.63～2.79倍。

表2 各处理的碳库活度及碳库管理指数Table 2 Carbon pool activity and carbon pool management indexes

2.3 有机物覆盖对土壤酶活性的影响

土壤酶活性的高低直接反映了土壤养分的转化效率，直接影响着土壤碳库状况。由各处理的土壤酶活性变化状况（图5）可知，在核桃整个生长期内，土壤过氧化氢酶、中性蛋白酶、脲酶及纤维素酶活性均呈现先升高后降低的趋势，均在8月份达到峰值。覆盖有机肥处理的土壤过氧化氢酶活性(CAT) 最大值为 60.79 μmol/(g·d)，较对照提高了 21.0%；覆盖碎木屑处理的最大值为60.37 μmol/(g·d)，较对照提高了8.0%，处理间在5月份差异最大。

覆盖有机肥处理的土壤中性蛋白酶活性 (NPT)最大值为2.72 mg/(g·d)，较对照提高了43.4%；覆盖碎木屑处理的最大值为2.37 mg/(g·d)，较对照提高了24.9%，处理间在8月份差异最大。

覆盖有机肥处理的土壤脲酶活性 (UE) 最大值为898.98 μg/(g·d)，较对照提高了14.3%；覆盖碎木屑处理的最大值为863.56 μg/(g·d)，较对照提高了9.8%，处理间在7月份差异最大。

覆盖有机肥处理的土壤纤维素酶活性最大值为30.55 mg/(g·d)，较对照提高了103.0%；覆盖碎木屑的最大值为27.33 mg/(g·d)，较对照提高了47.3%，处理间在5月份差异最大。

2.4 相关性分析

2.4.1 有机碳含量与碳库管理指数间相关性分析 由表3可以看出，土壤总有机碳含量与所有指标呈正相关，相关系数范围为0.62～0.85，其中，与碳库管理指数相关系数最高，为0.85，达到了显著水平；可溶性有机碳含量与易氧化有机碳含量、碳库管理指数呈显著正相关，与碳库活度、碳库活度指数呈极显著正相关，相关系数均在0.85以上。易氧化有机碳含量与碳库活度、碳库活度指数呈显著正相关，与其他指标也呈正相关关系，但相关性不显著。稳定性有机碳含量与碳库管理指数等指标的相关性不显著，碳库活度与碳库活度指数呈极显著正相关。碳库活度指数与碳库管理指数呈极显著正相关，碳库指数与碳库管理指数呈显著正相关。

图5 各处理0—80 cm土层土壤酶活性Fig. 5 Activities of soil enzymes at different treatments in 0-80 cm soil layer

2.4.2 土壤酶活性与有机碳含量之间的相关性分析用各处理四个土层土壤有机碳组分含量的平均值与0—80 cm土层的各种土壤酶活性年均值来计算土壤酶活性与有机碳含量之间的相关系数 (表4)。土壤过氧化氢酶与稳定性有机碳含量呈显著正相关，与其他有机碳组分含量呈负相关，但相关性不显著；土壤蛋白酶与各有机碳组分含量呈正相关关系，但相关性不显著；土壤脲酶活性 、土壤纤维素酶活性与土壤总有机碳含量、可溶性有机碳含量及易氧化有机碳含量呈极显著正相关，相关系数均在0.93以上，均与稳定性有机碳含量呈负相关关系，相关性不显著。由此可知，不同处理间的各有机碳组分间的差异可能与各处理的土壤酶活性关系密切，尤其是土壤脲酶活性和纤维素酶活性，土壤脲酶直接参与有机态氮的生物化学反应，间接促进有机碳库的活动，而纤维素酶的作用是催化纤维素的分解，直接影响着土壤中有机碳含量、活性有机碳含量，从而影响有机碳库状况。

表4 土壤有机碳含量与土壤酶活性间的相关系数Table 4 The correlation between soil organic carbon content and soil enzyme activity

3 讨论

土壤总有机碳含量是指土壤中所有有机物质所含总碳量，而土壤中的含碳有机物正是植物生长所需养分的重要来源，同时也是土壤微生物活动的重要能源，因此土壤中的总有机碳含量直接影响着植物及土壤动物、微生物的生长发育。土壤有机碳库是全球碳循环的主要部分，而土壤可溶性有机碳、易氧化有机碳作为活性有机碳对土壤碳库循环有着不可替代的作用。由本研究可知，覆盖有机肥显著提高了核桃园0—80 cm土层的有机碳含量、可溶性有机碳含量及易氧化有机碳含量，与前人[14-17]研究结果一致。这是由于覆盖材料本身均含有丰富的有机质，随着雨水、灌溉水逐渐淋溶到土壤中，从而增加了土壤中各有机碳组分的含量。与覆盖有机肥处理相比，覆盖碎木屑处理效果稍差一些，碎木屑分解较慢，其有机质含量不能与有机肥相比，但是从2012年开始，隔年覆盖，连续3次覆盖，最初覆盖的碎木屑已经完全分解并淋溶到土壤中，因此，与对照相比，覆盖碎木屑处理的各有机碳组分的含量均在一定程度上有所提高，其中，覆盖碎木屑在提高稳定性有机碳含量方面效果显著。此外，由于覆盖物的存在，避免了外界对园地土壤的干扰，也避免了因耕作造成的有机碳流失。

土壤碳库管理指数是反映土壤碳素动态变化灵敏而有效的指标，可表征土壤管理措施引起的土壤有机碳变化，通过对土壤碳库管理指数的分析可以为增加土壤活性碳含量和土壤肥力提供量化依据[13]。土壤碳库活度和碳库活度指数反映了土壤碳素的活跃程度，活度越大，土壤有机碳越易被微生物分解，土壤质量也就越高。由本研究可知，覆盖有机肥处理显著提高了土壤的碳库活度、碳库活度指数和碳库指数，覆盖有机肥处理和覆盖碎木屑处理均极显著提高了土壤的碳库管理指数。通过相关分析表明，土壤总有机碳含量与碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数呈显著正相关，覆盖处理的总有机碳含量高就意味着碳库活度、碳库活度指数和碳库指数高。碳库活度与易氧化有机碳含量呈显著正相关，与稳定性有机碳呈负相关，这两个组分对碳库活度起决定性作用。李琳等研究表明，保护性耕作可以提高碳库指数[18-20]，与本文研究结果一致。田慎重研究指出，免耕结合秸秆还田可以增加碳库水平[21]，主要也是通过秸秆还田增加了土壤总有机碳含量、可溶性有机碳含量、易氧化有机碳含量等[22]，从而提高了有机碳库指数、碳库活度。

土壤酶活性直接影响着土壤微生物活动，调控植物体对养分的吸收，也决定着土壤养分运移和转化的程度[23]。影响土壤酶活性的因素很多，如土壤温度、水分、通气状况以及土壤养分等[24]。在本研究中，在核桃生长期内，有机物覆盖处理的土壤过氧化氢酶、中性蛋白酶、脲酶、纤维素酶活性均有不同程度的提高，这是由于有机物覆盖改变了园地土壤环境，同时随着覆盖材料的不断分解，增加了土壤养分，即增加了酶促反应的底物，有利于反应的正向进行，从而提高了土壤酶活性。通过相关分析可知，土壤脲酶活性、纤维素酶活性与土壤总有机碳含量、可溶性有机碳含量及易氧化有机碳含量呈极显著正相关，说明土壤酶活性的提高可以促进土壤养分的转化，有利于植物体的吸收利用。

4 结论

有机物覆盖在不同程度上提高了土壤各有机碳组分含量、碳库活度、碳库指数、碳库管理指数以及土壤过氧化氢酶、中性蛋白酶、脲酶、纤维素酶活性，其中在0—40 cm土层效果最显著。覆盖有机肥处理在提高土壤总有机碳及活性有机碳含量方面效果显著，而覆盖碎木屑在提高土壤稳定性有机碳含量方面效果显著。通过相关分析可知，土壤脲酶活性、土壤纤维素酶活性与土壤总有机碳含量、可溶性有机碳含量及易氧化有机碳含量呈极显著正相关，相关系数均在0.93以上。

参 考 文 献：

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