信阳茶区不同植茶年限土壤酶活性演变

李贞霞，陈倩倩，胡宏赛，王广印，黎星辉

茶树（Camellia sinensis）起源于中国西南地区的云贵高原，是中国重要的经济作物。2016年中国茶园面积已达2.933×106hm2，占世界茶园总面积的63%（陈宗懋，2018）。茶树在连年种植过程中，因其旺盛的次生代谢及施肥、修剪等措施，会造成茶园土壤养分失调、理化性质恶化（颜明娟等，2014；张倩等，2014；Hu et al.，2007）等。中国学者对茶园生态进行了很多研究，但关于植茶年限对土壤的影响研究主要集中在土壤养分、土壤pH值、土壤铝活性变化等方面（张小琴等，2017；母媛等，2016；苏有健等，2013；陈婵婵等，2009）。土壤酶是微生物进行土壤养分分解转化的催化物质，其活性直接影响土壤中的物质循环，已被作为土壤质量的生物指标（颜慧等，2008）。目前人们对土壤酶与土壤肥力关系的研究主要集中在林地（孙慧等，2016；罗英等，2007）、菜地（褚素贞等，2015）、烟地（叶协锋等，2013）等方面。关于茶园土壤酶活性演变的研究还很少，因此对茶园土壤酶与茶园养分、交换性能变化规律的研究在理论与实践上都具有重要意义。河南省信阳市浉河区董家河镇是优质信阳毛尖茶的集中产地，全镇茶叶面积 6336.5 hm2，年产干茶1500 t。本研究以董家河镇茶园土壤为试材，研究茶园土壤酶活性演变与植茶年限、土壤 pH、土壤养分的关系，为茶园土壤分析与评价、施肥及可持续生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集与制备

土样采自河南省信阳市浉河区董家河镇黄龙寺村，根据浉河区农业局提供的基本信息，对研究区域内茶园建园时间、施肥种类、结构、比例、用量、茶园农药施用等情况向茶农进行问卷调查。根据问卷调查情况筛选8个管理方式相似的茶园进行采样。茶园每年施肥情况相似，有机肥以农家肥、豆饼肥、羊粪肥等为主，复合肥以磷酸氢二铵、磷酸二氢钾等为主，为了提高茶叶产量，氮肥的施用量较大。其中，植茶0 a土样采自8个采样茶园附近荒地，充分混合后，以四分法取样；植茶10 a、20 a、30 a、40 a茶园土壤，采用“S”型多点（20点）混合取样法，釆集0～20 cm土样，土壤样品从茶园取回后按常规处理方法处理，剔除植物根系、石块等，充分混合后用四分法留取部分土样，自然风干后，过 2 mm筛备用。不同植茶年限土壤养分变化情况见表1，不同植茶年限土壤交换性离子变化见表2。

1.2 测定项目与方法

碱解氮采用扩散法测定；有机质采用油浴法测定；速效磷采用氟化铵和盐酸提取比色法测定；速效钾采用醋酸铵提取火焰光度法测定；土壤pH采用玻璃电极法（1꞉2.5土水比）测定；土壤交换性H+和Al3+用1mol∙L-1KCl滴定法测定；土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+均采用 1 mol∙L-1乙酸铵交换法处理土壤，获得浸出液，然后用火焰光度计测定土壤样品浸出液中的交换性K+、Na+含量，用EDTA络合滴定法测定土壤样品浸出液中的交换性Ca2+、Mg2+含量；采用靛酚蓝比色法测定土壤中 NH4+-N的含量；以上测定方法均参考鲍士旦（2008）《土壤农化分析》方法。土壤 NO3--N用紫外分光光度计法测定（鲁如坤，2000）。

土壤酶活性分析采用关松荫（1986）的方法：土壤脲酶活性（AU）采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，土壤酸性磷酸酶活性（AP）采用磷酸苯二钠比色法，土壤蔗糖酶活性（AS）采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定，过氧化氢酶活性（AC）采用高锰酸钾滴定法。土壤酶活性是评价土壤质量的重要参数，但很难用单一的酶活性来说明土壤质量的变化，目前人们用酶活动的几何平均数（GMea）作为评价土壤质量的指数（García-Ruiz et al.，2008，2009）。一般而言，GMea值越高，土壤质量越好。GMea计算方法如下：GMea=(AU×AS×AC×AP)1/4

1.3 数据处理

运用Microsoft Excel 2003进行基础数据处理，运用SPSS 19.0进行方差分析，处理间差异分析采用LDS多重比较法。

2 结果与分析

2.1 不同植茶年限茶园土壤酶活性变化

不同植茶年限土壤酶活性变化如图1所示。由图1可知，过氧化氢酶、蔗糖酶活性随植茶年限的延长而降低，其中植茶20 a与植茶30 a差异性不显著；过氧化氢酶、蔗糖酶活性与植茶年限呈显著负相关（r1=0.9447，r2=0.9058，P＜0.05，r1为过氧化氢酶，r2为蔗糖酶）。植茶10 a酸性磷酸酶活性显著高于植茶0 a、20 a、30 a、40 a，酸性磷酸酶活性与植茶年限相关性不显著。植茶土壤脲酶活性显著高于未植茶土壤；植茶10 a脲酶活性最高，其次是植茶30 a，植茶20 a与植茶40 a脲酶活性差异不显著；脲酶活性与植茶年限相关性不显著。综上，土壤过氧化氢酶与蔗糖酶活性变化受植茶年限影响，随着植茶年限的延长而逐渐降低；而酸性磷酸酶与脲酶活性受植茶年限影响不显著。

2.2 不同植茶年限土壤pH、土壤养分与土壤酶活性的关系

土壤过氧化氢酶、蔗糖酶与土壤 pH、土壤养分的关系如表3所示。由表3可知，过氧化氢酶、蔗糖酶与土壤pH呈显著正相关，与土壤碱解氮、有机质、速效钾、NH4+-N呈显著负相关。过氧化氢酶、蔗糖酶与速效磷、NO3--N的相关性不显著。酸性磷酸酶和脲酶与土壤 pH、土壤养分的相关系数未达到临界r值，相关性不显著。

综上，土壤 pH、土壤养分的多个因子都会影响过氧化氢酶、蔗糖酶的活性，而这些因子间可能存在多重共线性，特别是各因子间存在高度依赖关系时，都会影响其与过氧化氢酶、蔗糖酶关系的判断，为此又进行逐步线性回归分析；逐步线性回归分析能从大量可供选择的变量中选出对建立回归方程具有重要作用的变量，逐步剔除对过氧化氢酶、蔗糖酶影响不显著的变量，最终获得最优方程。逐步线性回归分析表明，对过氧化氢酶活性（y1）影响最显著的因子为碱解氮（x1）、速效钾（x2）与NH4+-N（x3），对蔗糖酶活性（y2）影响最显著的因子为有机质（x4），其方程分别为 y1=2.4888-0.0088x1-0.0047x2+0.0057x3，P=0.002（P＜0.01）；y2=16.9890-0.34818x4，P=0.001（P＜0.01）。

表1 不同植茶年限土壤pH、土壤养分变化Table 1 Variation of soil pH and soil nutrient in different tea plantation ages

表2 不同植茶年限土壤交换性离子的变化Table 2 Change of soil exchangeable cations in different tea plantation ages

图1 土壤酶活性随植茶年限的变化Fig. 1 The Soil enzyme activity changes with the tea plantation ages图中数据为平均值，n=5 Data in the figure are Mean, n=5

表3 过氧化氢酶、蔗糖酶与土壤pH、土壤主要养分的回归分析Table 3 The regression analysis of catalase, sucrose enzyme and soil pH and soil main nutrients

分析茶园土壤养分变化规律发现，土壤有机质、碱解氮、速效钾、NH4+-N均随植茶年限增加而增加，与植茶年限呈显著正相关（P＜0.05）；说明土壤过氧化氢酶演变主要受土壤速效氮肥与钾肥的影响，土壤蔗糖酶演变主要受土壤有机质的影响。

2.3 不同植茶年限土壤交换性离子与土壤酶活性的关系

过氧化氢酶、蔗糖酶与土壤交换性离子的关系如表4所示。由表4可知，过氧化氢酶、蔗糖酶与土壤交换性离子呈直线相关。过氧化氢酶与土壤交换性 H+、Mg2+在 0.05水平上显著相关，与交换性Al3+、Ca2+、K+相关性不显著；蔗糖酶与土壤交换性H+、Mg2+、K+在0.05水平上显著相关，与Al3+、Ca2+相关性不显著。逐步线性回归分析表明，过氧化氢酶（P=0.0128）、蔗糖酶活性（P=0.0127）都受交换性Mg2+的显著影响。酸性磷酸酶与交换性K+呈二次曲线极显著相关（r=0.9920，P＜0.01）；脲酶与交换性 Mg2+也呈二次曲线显著相关（r=0.9690，P＜0.05）。综上，土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性演变主要受土壤交换性Mg2+变化的影响，酸性磷酸酶活性演变主要受交换性K+变化的影响。

2.4 土壤酶的几何平均数评价

由图2可知，土壤酶的几何平均数（GMea）随着植茶年限的延长而降低，植茶20 a与植茶30 a差异不显著。回归分析表明，GMea与植茶年限呈极显著负相关（r=0.9618，P＜0.01），说明随着植茶年限的延长，土壤酶活性降低，土壤质量下降。

图2 不同植茶年限土壤酶的几何平均数Fig. 2 The geometrical average of soil enzymes in different tea plantation ages图中数据为平均值，n=5 Data in the figure are Mean, n=5

2.5 GMea与土壤各因子的灰色关联度分析

灰色关联度分析是把土壤各因子视为一个灰色系统进行分析，用关联度表达因子之间的关系大小；在系统发展过程中，若两个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，即可谓二者关联程度较高；反之，则较低。关联度分析是对土壤各因子关系的定量描述和比较，其与相关分析的理论基础不同，相关分析是基于概率论的随机过程，而灰色关联度分析是基于灰色系统的灰色过程；二者分析方法也不同，灰色关联度分析主要包括：原始数据转化，计算关联系数，求关联度、排序，得出关联矩阵。由表5可知，GMea与土壤各因子的关联度排序为：交换性 Mg2+＞土壤 pH＞NO3--N＞速效磷＞交换性 Ca2+＞CEC＞速效钾＞植茶年限＞交换性AL3+＞有机质＞NH4+-N＞交换性 H+＞交换性 K+＞碱解氮；与GMea关联度在0.8以上的因子有4个，最大的是交换性Mg2+，其次依次为土壤pH、NO3--N、速效磷；与GMea关联度在0.7以上的因子有1个，为交换性Ca2+；与GMea关联度在0.6以上的因素有 1个，为 CEC；其余因子与 GMea关联度均在0.6以下。

3 讨论

土壤酶是一种生物催化剂，它们参与土壤的发生和发育及其与有效肥力形成有关的诸多过程（杨扬等，2011）。土壤酶与土壤肥力关系的探讨存在各方争论，有研究学者（邱莉萍等，2004；唐玉姝等，2008）认为土壤酶与土壤肥力呈显著相关，也有学者认为土壤酶与土壤养分之间不存在显著相关（周瑞莲等，1997）。因此，探讨土壤酶活性与土壤各方关系在理论与实践方面都有重要意义。

土壤过氧化氢酶是催化过氧化氢分解成氧和水的酶，其强度可表征土壤腐殖化强度和有机质积累程度。本研究茶园土壤过氧化氢酶与土壤有机质呈显著负相关，这与孙慧等（2016）研究林地土壤、罗英等（2007）研究珠穆朗玛峰北坡土壤、褚素贞等（2015）研究云南设施土壤过氧化氢酶与有机质关系的结论相反，与黄华乾等（2003）研究荒地土壤、王伟东等（2015）研究秦岭西部松林地土壤过氧化氢酶与有机质关系研究结论一致，说明土壤过氧化氢酶与有机质的关系与种植地的植物类型、土壤类型等因素有关，土壤过氧化氢酶与有机质的关系变化受具体的土壤环境影响。土壤过氧化氢酶与速效钾呈显著负相关，这与褚素贞等（2015）、叶协锋等（2013）研究结论相一致。本研究茶园土壤过氧化氢酶与NH4+-N呈显著负相关，与NO3--N的相关性不显著，而张雪艳等（2011）研究菜地土壤特性发现过氧化氢酶与 NH4+-N显著性不强，与NO3--N呈显著正相关，分析原因可能与土壤pH有关，本研究茶园土壤 pH在 6以下，而张雪艳等（2011）研究的菜地土壤pH在6.4以上。本研究茶园土壤过氧化氢酶与土壤pH呈显著正相关，与赵静等（2011）研究酸化梨园土壤过氧化氢酶结果相一致。本研究土壤过氧化氢酶与土壤碱解氮呈显著正相关，与张喜焕等（2012）研究生草栽培对酸化梨园土壤过氧化氢酶的影响的结论一致。

表4 过氧化氢酶、蔗糖酶与土壤交换性离子回归分析Table 4 The regression analysis between catalase, sucrose enzyme and soil exchange ion

表5 GMea与土壤各因子的灰色关联度分析Table 5 The analysis of grey relational degree of GMea and soil factors

土壤蔗糖酶直接参与土壤碳素循环。本研究茶园土壤蔗糖酶与土壤有机质呈显著负相关，这与罗英等（2007）、王伟东等（2015）、张雪艳等（2011）研究土壤蔗糖酶与土壤有机质关系相反，分析原因可能与茶树连年种植有关；茶园土壤蔗糖酶与植茶年限呈显著负相关，随着植茶年限的增加，茶园土壤呈酸化趋势，土壤pH下降，土壤蔗糖酶活性降低，但土壤有机质却因茶园土壤连年培肥而增加，所以土壤蔗糖酶与土壤有机质呈负相关关系。土壤酸性磷酸酶和脲酶与土壤 pH、土壤养分的相关系数未达到临界 r值，相关性不显著。这与薛冬等（2005）对茶园土壤酸性磷酸酶和脲酶研究结论不一致，分析原因可能与茶园施肥等管理措施有关。

关于土壤交换性离子对土壤酶活性的影响研究尚未出现相关报道。本研究茶园土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性都受土壤交换性Mg2+的影响。由表2可知，土壤交换性Mg2+随着植茶年限的增加呈现降低的趋势，尤其植茶20 a后，茶园土壤交换性Mg2+显著低于对照；相关分析表明，土壤交换性Mg2+与土壤有机质呈显著负相关；而土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性都与土壤有机质呈显著负相关，这可能是茶园土壤过氧化氢酶、蔗糖酶受土壤交换性Mg2+影响的一个原因；土壤交换性Mg2+影响过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性的另外一种原因可能是土壤交换性Mg2+可影响过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶的催化反应过程的某个方面。酸性磷酸酶与交换性K+呈二次曲线极显著相关，分析原因可能与交换性K+与植茶年限、土壤pH都呈二次曲线极显著相关有关。

单一酶活性很难判断其对土壤环境质量的影响，在研究土壤酶对土壤环境质量的影响方面，通常采用综合评价的方法进行研究，其中酶活性的几何平均数（GMea）是被应用得较多的一种综合评价方法（García-Ruiz et al.，2008，2009；牛文静等，2009），代表着土壤酶活性的总体发展趋势。本研究结果显示，GMea随着植茶年限的增加而降低，二者呈极显著负相关，表明植茶年限越长，GMea越低。与GMea关联度最高的4个因子为：交换性Mg2+、土壤pH、NO3--N、速效磷；交换性Mg2+影响GMea的原因如前所述，土壤pH与GMea的关系与随植茶年限的延长，土壤酸化加剧有关，土壤酸化会导致土壤中有效态养分（包括交换性Mg2+、NO3--N、速效磷）降低，土壤各种酶的活性会因此受到影响，呈现出的综合状态就是GMea随植茶年限的增加而显著降低。

4 结论

土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性随着植茶年限的延长而逐渐降低；而酸性磷酸酶与脲酶活性受植茶年限影响不显著。土壤速效氮肥与钾肥显著影响土壤过氧化氢酶活性变化，土壤有机质显著影响土壤蔗糖酶活性变化。土壤交换性离子也影响土壤酶活性，过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性变化主要受土壤交换性Mg2+变化的影响，酸性磷酸酶活性变化主要受交换性K+变化的影响。随着植茶年限的延长，土壤综合酶活性（GMea）降低，土壤质量下降。

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