苹果园间作对土壤生态化学计量特征和酶活性的影响

穆嘉琳，韩明政，张 燕，张 杰，姚允聪

(北京农学院 植物科学技术学院/农业应用新技术北京市重点实验室；林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 102206)

多层次、多功能、多效益为目的人工生态群落果园管理制度——行间生草的种植模式[1]，以其符合绿色发展理念和现代果业的发展需求被广泛应用于实际生产活动中，生产过程中间作物的种类，间作时间、以及间作模式对果园生物多样性有着举足轻重的影响。芳香植物作为良好的间作物其体内除含有大量的营养元素外还含有较多的抗氧化以及抗菌物质[2]，此外国内外已经开展了许多关于芳香植物改善土壤理化性质，优化微生物生态环境，以及抑制有害微生物和昆虫等方面的功能研究[3]。

生态化学计量学对于揭示土壤碳、氮、磷间的相互作用以及平衡制约关系有着积极作用[4]。土壤酶参与各种生物化学过程，影响土壤生产力和环境质量。常作为衡量土壤质量和肥力以及土壤微生物活性的指标[5]。间作通常能够增加微生物的数量，使得土壤酶的活性得到提高，进而促进有机质的分解，以及吸收利用C、N、P等营养元素[6-7]。因此，以苹果砧木‘平邑甜茶’间作紫花苜蓿、孔雀草后的土壤为试验材料，探讨不同间作时间对土壤中C、N和P质量比与土壤酶的影响，从而为合理改良果园土壤提供实际参考和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

试验在北京农学院科技园连栋温室(N40°05′30.30″E116°18′35.35’)进行。苹果砧木选用‘平邑甜茶’(Malushupenensis(Pamp.)Rheder var.pingyiensis Jiang)一年生实生幼苗；芳香植物选用紫花苜蓿(MedicagosativaL)和孔雀草(TagetespatulaL)。以清耕处理为对照，2种芳香植物为间作处理，共3个处理，每次处理6次重复。间作物种子于幼苗定植后进行撒播，芳香植物生长期进行间苗，除草，减少芳香植物间以及芳香植物与杂草间的养分竞争，刈割物留作自然分解。壤土取自北京市顺义区木林镇蒋各庄有机观光苹果园(N40°13′38.13″E116°46′45.35″)，土壤为沙砾沙壤土。试验用花盆大小参数为上口径33 cm，下口径20 cm，深26.5 cm。

1.2 样本采集

分别于间作芳香植物后20，40，90，140 d 采集土样，采样时祛除表层浮土与落叶后用管形土钻采集。“十字交叉”法五点取样。四分法筛选(1 mm)成2份，1份自然风干后用于土壤理化性质的测定，另1份保存于4 ℃用于土壤酶活性的测定。

1.3 测定方法

土壤主要理化性质参考土壤农化分析法测定[8]。根据Frankenberger和Johanson法测土壤转化酶活性[9]；根据Johnson和Temple法测过氧化氢酶活性[10]；根据Guan法测定土壤脲酶活性[11]；根据Dick法测土壤酸性磷酸酶活性[12]。

数据整理运用Excel 2007，对试验数据分析运用SPSS 17，化学计量学特征采用质量比。包括单因素方差分析、非参数K-W 检验(P<0.05)以及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 间作不同时间后土壤主要理化性质

由表1、2可以发现，土壤pH随间作时间增长逐渐升高，但间作芳香植物后土壤pH显著低于清耕土壤pH，间作孔雀草与间作苜蓿后土壤pH仅在90 d 时存在显著差异，其余间作时间没有显著差异；清耕土壤有机碳40 d 至90 d 显著下降(P<0.05)，间作苜蓿、孔雀草后，前者在20 d 与40 d ，后者在40 d 和140 d 时有机碳显著下降。140 d 时，间作芳香植物显著提高了土壤有机碳含量(P<0.05)。清耕土壤全氮随间作时间增长而显著下降(P<0.05)，间作苜蓿后土壤全氮下降平缓，间作孔雀草后显著提高了20 d 至90 d 的土壤全氮含量。清耕土壤全磷随间作时间增长而下降，间作苜蓿、孔雀草后土壤全磷在90 d 至140 d 显著低于清耕土壤全磷含量。

表1 间作不同时间后土壤主要理化性质特征Tab.1 Main soil physical and chemical properties at different periods

注:数值后不同字母表示处理之间差异达P<0.05显著水平

Note: Values followed by different letters are significant atP<0.05 level among treatments

表2 间作不同时间后土壤理化指标的K-W非参数检验结果Tab.2 The K-W nonparametric test results of soil indicators at different periods

注：表中数据代表K-W非参数检验0.05水平差异显著性

Note: The data in the table represents the K-W nonparametric test differences significance atP<0.05 level

2.2 间作不同时间后土壤C、N 和P 生态化学计量学特征

由表2、3可以发现，清耕土壤C/N呈显著下降，间作孔雀草后土壤C/N下降平缓，间作苜蓿显著降低了40 d 土壤C/N，间作芳香植物显著提高了140 d 土壤C/N。清耕土壤C/P随间作时间增长呈下降趋势并在40 d 和90 d 显著降低，间作芳香植物后土壤C/P随间作时间增长呈先降低后上升的趋势，C/P的减少表明磷的有效性逐渐增强[13]。同一时间内土壤N/P处理间差异不显著，土壤N/P随间作时间增长呈逐渐增加趋势，清耕处理土壤40 d和140 d显著增加，间作孔雀草后土壤N/P在20 d和140 d显著增加，苜蓿处理在40 d和90 d显著增加。

表3 间作不同时间后土壤生态化学计量学特征Tab.3 Soil ecological stoichiometry characteristics at different periods

注:数值后不同字母表示处理之间差异达P<0.05显著水平

Note: Values followed by different letters are significant atP<0.05 level among treatments

2.3 间作不同时间后土壤酶活性特征

土壤酶作为土壤生态系统代谢过程中的主要动力之一，参与各种生物化学过程，影响着作物生产力和环境质量，对衡量土壤质量和土壤肥力的有着重要作用[5]。

从图1可以发现，过氧化氢酶活性随间作时间增长呈逐渐增长趋势，从表4可知，间作苜蓿先于间作孔雀草土壤过氧化氢酶活性增强。转化酶活性呈波动下降，间作孔雀草后土壤转化酶在20 d至40 d呈上升趋势达峰值后再逐渐下降；清耕与间作苜蓿土壤转化酶随间作时间增长呈先降低再增长的趋势；从表4可知，间作芳香植物后显著提高了20 d至90 d的土壤转化酶活性。由图1、表4可以发现，清耕土壤脲酶活性逐渐增强，并在140 d时显著增强，间作芳香植物后20 d和90 d土壤脲酶活性显著增强，且间作芳香植物后土壤脲酶活性变化相对平稳，90 d时达到峰值随后再次下降，由图1、表1、表2、表4可以发现脲酶活性增强时，土壤全氮含量减少。由表4可以发现，间作苜蓿，孔雀草后土壤酸性磷酸酶活性在20 d 时显著高于清耕土壤，140 d时孔雀草处理下酸性磷酸酶显著低于清耕。由图1、表1、表2可知，孔雀草处理土壤磷酸酶活性在20 d至90 d逐渐下降，90 d至140 d时呈上升趋势，苜蓿处理下酸性磷酸酶活性始终高于清耕，而孔雀草处理下酸性磷酸酶活性逐渐降低，与土壤中全磷的变化相同。

注：图中不同字母分别表示不同处理，CT表示清耕处理，TP表示间作孔雀草，MS表示间作苜蓿图1 间作不同时间土壤酶活性特征Fig.1 Characteristics of soil enzyme activity at different periodsNote:In this figure the CT indicates clear tillage, TP indicates intercropping with tagetes, and MS indicates intercropping with medicago

表4 间作不同时间后土壤酶活性特征Tab.4 Soil enzyme activity at different periods

注：数值后不同字母表示处理之间差异达P<0.05显著水平

Notes：Values followed by different letters are significant atP<0.05 level among treatments

2.4 土壤酶活性与土壤生态化学计量学特征间的相关性分析

从表5可知，C/N与N/P在0.01水平上呈显著负相关，C/N与C/P在0.05水平上呈显著正相关，这种正负相关性表明三者之间存在的相互作用及平衡制约关系[14]。脲酶、过氧化氢酶显著负相关C/N，显著正相关N/P(P<0.05)，酸性磷酸酶与N/P呈显著负相关 (P<0.01)。从表5中可以发现，过氧化氢酶与转化酶在0.01水平呈显著负相关，证明了过氧化氢酶参与了与磷素、氮素的转化；相关研究表明土壤酸性磷酸酶与土壤速效磷存在联系[15]，从表2,3、图1可知酸性磷酸酶活性减弱时，N/P上升，因此与N/P呈负相关；土壤转化酶转化碳素形态，对土壤中的碳素总量没有作用，此外，从表2,3、图1可以发现当不同处理间转化酶活性显著差异时，C/N,C/P并没有表现显著差异,因此土壤转化酶与C/N，C/P不存在相关性。

表5 土壤酶活性与C、N 和P 质量比相关性分析Tab.5 Correlation between soil enzyme activity and C, N and P mass ratio

注：表中数据代表Spearman相关性分析。*,**分别表示在0.05,0.01水平显著差异Spearman

Note：The data in the table represents the Spearman correlation analysis.*,**indicate a significant difference of 0.05 and 0.01

3 讨 论

研究发现，随着处理时间增加，所有处理土壤pH均呈现逐渐上升，但相比清耕，土壤间作芳香植物显著降低了土壤pH。研究结果显示间作芳香植物降低土壤pH，这与陈新新[16]的结果相一致；此外，试验结果显示土壤pH随时间增加而上升，这可能是由于试验用水pH偏高所造成，测定所用水pH值为7.5，这与姜体胜等[17]研究发现的昌平平原区地下水pH值在7.3～7.7之间结果一致。间作芳香植物后土壤有机碳仅在140 d显著增加，分析原因可能是由于间作物增加了植物残体的积累并最终发生显著差异而造成，相关研究表明，在没有外源碳添加的情况下，有机碳含量增加主要依赖于植物残体积累[18]。间作芳香植物后土壤全氮、全磷在不同时期表现出差异，分析原因可能是由不同生长时期芳香植物次生代谢物不同以及凋落物被分解所造成。相关研究表明，芳香植物体内大量营养元素[2]，随着凋落物的分解而回归土壤，此外芳香植物次生代谢物具有促进矿化作用的功能[19]。

对土壤C/N、C/P、N/P研究结果表明，相比清耕，间作芳香植物显著提高了90 d、140 d的土壤C/P，分析原因可能是由于芳香植物次生代谢物所造成，相关研究表明香植物次生代谢物具有促进矿化作用的功能[19]。相比间作孔雀草，间作苜蓿显著提高了20 d土壤N/P，显著降低了40 d时土壤C/N，造成这种原因可能是由于间作物特性所决定，研究表明土壤氮磷比的主导因素是土壤全磷所造成[20]，此外紫花苜蓿兼备豆科植物固氮及活化磷素等功能[21]。

试验结果显示，间作孔雀草、苜蓿后土壤酶活性在初期显著升高，同时土壤酶活性呈现波动变化，造成这种现象的原因是由于芳香植物与平邑甜茶具有不同生长发育周期。有研究表明在夏秋季节间作物和果树生长旺盛，土壤酶活性最高，这表明活跃的土壤酶能够满足植物生长发育，加快生物化学进程[22]，从而促进了土壤酶的活性；此外养分含量的减少，以及土壤pH的变化也可能是造成酶活性变化的原因[23]。实验结果支持了过氧化氢酶对土壤磷素、氮素转化关系密切的结果[14]。实验结果表明脲酶与土壤中氮循环及促进氮的矿化有密切关系，这与李鑫等[24]结果相一致，但与万欣等[25]结果不一致，造成这种原因的结果可能是由于利用芳香植物间作改变土壤养分环境，而没有添加外源氮、磷肥所造成。过氧化氢酶与转化酶显著负相关，证明过氧化氢酶参与了土壤中磷、氮的转化，这与万欣等[25]结果相一致。

综上所述，间作紫花苜蓿对土壤改良的效果比孔雀草更佳，该研究为果园间作物的筛选，果园土壤改良提供理论了参考和依据。