太白秦西示范园不同大棚土壤酶活性及生态化学计量特征分析

景 琦,王佳璇,杨 洋,武悦萱,校思泽,张蓓蓓

(陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院 地理与环境学院,陕西 宝鸡 721013)

0 引言

土壤是农作物生长发育的重要载体。随着农业的发展,蔬菜大棚的应用日益增长,我国设施蔬菜栽培面积以每年50%的速度增长[1]。大棚具有常年高温、无降水淋洗以及高施肥、高产出、超强度利用等特点[2-3]。但是长时期不合理的施肥可能会导致大棚内土壤养分的变化以及比例的失调。

土壤酶是土壤物质循环和能量流动的重要参与者,与有机物质分解、营养物质循环和能量的转移等有着密切的关系,其活性可以反映土壤营养物质的储量[4-6]。土壤养分、水分以及pH值是影响蔬菜生长发育的重要因素,在一定范围内,可以促进蔬菜的生长发育,提高蔬菜产量。土壤有机物经生物分解可以转化为植物可利用的C、N、P,土壤C、N、P之间的比值可能反映出土壤养分的限制[7]。

近年来,太白县坚持以蔬菜生产为主体,扩大蔬菜复种面积，大力发展设施蔬菜。秦西蔬菜示范园于2014年建立,一直以发展太白高山绿色有机蔬菜为目标。本研究以太白县秦西示范园不同蔬菜大棚土壤为研究对象,探讨了土壤酶活性、养分含量、pH值以及含水量的差异,并应用主成分分析法对土壤的肥力质量进行了评价,以期为该区蔬菜大棚的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土壤采于太白县秦西示范园绿色蔬菜大棚,该县位于陕西省宝鸡市东南部,地理位置为33°38′13″～34°09′55″N、107°03′00″～107°46′40″E，地处秦岭腹地,总面积约达2780 km2,以高、中山地貌为主,中间为山间盆地[8],海拔为740～3769 m。太白县气候为典型的大陆性季风气候,四季冷暖干湿分明；由于受地理位置及地形的影响,气温呈明显的东高西低、南高北低的特征,年均气温为7.8 ℃,夏季平均气温为19.0 ℃,年降水量751 mL,作物年平均生长期为256 d[9]。太白县内土壤以棕壤、潮土、淤土为主,适于各种蔬菜及多种农作物生长[10]。种植的主要高山蔬菜有结球生菜、紫甘蓝、大白菜、瓜类、茄果类、葱蒜类以及绿叶菜类蔬菜等。

1.2 土样采集

本试验以太白县秦西示范园蔬菜大棚土壤为主要研究对象,采样的大棚编号及其种植的蔬菜分别为4#(茄子)、5#(辣椒)、6#(小乳瓜)、9#(芹菜)、10#(西红柿)以及13#(卷心菜)。于2018年11月对示范园的6个蔬菜大棚进行土壤样品采集,大棚面积100 m×6 m,每个大棚呈“S”形设置10个采样点,取样时除去表土层枯叶、杂草,每个样点采集0～20 cm的表层土作为样品,共采集土壤样品100个,并装入密封袋中带回实验室。对土样进行风干、研磨并过孔径1 mm的筛子,用于测定土壤酶活性、pH值，以及水、氮、磷、有机质含量。

1.3 测定指标

1.3.1 土壤酶活性的测定 土壤脲酶活性的测定采用苯酚-次氯酸钠比色法,在37 ℃下培养24 h后,以5 g干土中NH3-N的含量表示土壤脲酶的活性[计量单位为mg/(g·d)][11];土壤磷酸单脂酶活性的测定采用对硝基苯磷酸盐比色法,将0.1 g底物对硝基苯磷酸盐加入土壤,在37 ℃条件下恒温培养1 h后,对生成物用比色法测定,测定波长为400 nm；土壤磷酸单脂酶活性的计量单位为mg/(g·h)[12]。

1.3.2 土壤pH值及含水量的测定 土壤pH值采用pH计测定(水的体积∶土的质量=5∶1):称取过1 mm筛的风干土5.0 g,加去CO2的水25 mL,用玻璃棒搅拌1 min,静置30 min后进行测定[13]。

土壤含水量采用烘干法测定[14]:土壤含水量(%)=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干前铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量)×100%。

1.3.3 土壤氮、磷及有机质含量的测定[15]土壤全氮含量采用凯氏定氮法进行测定;土壤全磷含量采用钼锑抗比色法进行测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾—外加热法进行测定;土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法进行测定。

1.4 数据分析

土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)均采用质量比；利用Excel 2010进行数据统计与处理,用Origin 2018进行作图分析。利用SPSS 22.0对试验数据进行One-Way ANOVA单因素方差分析,利用Pearson法分析土壤各个指标间的相关性,并进行主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)。

2 结果与分析

2.1 不同大棚土壤酶的活性

2.1.1 脲酶 土壤脲酶是存在于土壤中最为广泛的土壤水解酶之一。植物氮源——氨是土壤脲酶的酶促产物,尿素氮水解与脲酶有着不可分割的联系[16]。土壤脲酶活性的高低在一定程度上反映土壤的供氮能力与水平[17]。由图1可知,土壤脲酶活性以5#和4#大棚较强,以13#为最低,并且在各蔬菜大棚之间存在显著性差异(F=22.20,P<0.01);各大棚的土壤脲酶活性表现为5#>4#>10#>9#>6#>13#,说明5#和4#大棚的土壤供氮能力居前2位,其土壤有机氮向有效氮的转化能力明显高于其它大棚。

2.1.2 磷酸单脂酶 土壤磷酸酶是能够催化磷酸酯或磷酸酐水解反应的一种水解酶,土壤磷酸单脂酶作为磷酸酶的最常见的一种,其活性可作为土壤磷素生物转化方向与强度评价的指标[18]。由图1可见,4#大棚土壤磷酸单脂酶的活性最高,9#棚的土壤磷酸单脂酶的活性最低,并且各蔬菜大棚之间存在显著性差异(F=11.45，P<0.01);各大棚的土壤磷酸单脂酶活性由高到低依次为:4#>5#>13#>10#>6#>9#,说明4#大棚的土壤对有机磷的分解转化能力最强,土壤磷素的有效利用性更强,对土壤磷素的限制最小。

图1 不同大棚土壤脲酶与磷酸单脂酶的活性

2.2 不同大棚土壤的pH值和含水量

2.2.1 土壤pH值 土壤pH值是可以反映土壤酸碱性质的重要指标,通常会影响植物的生长和施肥效果[19]。从图2可以看出,太白县蔬菜大棚的土壤pH值处于5.0～6.0,其中4#大棚的土壤pH值明显低于其它大棚的,说明4#大棚的土壤酸性最强；各大棚土壤的酸性由强到弱依次为:4#>5#>13#>6#>10#>9#,说明部分蔬菜大棚土壤已表现出酸化的趋势；此外，在各大棚之间土壤pH值存在显著性差异(F=11.60，P<0.01)。

2.2.2 土壤含水量 土壤中的水分是影响植物进行光合作用的重要因素,对农作物的生长起着重要的作用[20]。由图2可见,大棚土壤含水量处于10%～20%,整体土壤含水量较低,其中以13#棚的土壤含水量最高,以5#棚的土壤含水量最低,土壤含水量由大到小依次为:13#>6#>9#>10#>4#>5#,并且各个大棚之间土壤含水量存在显著性差异(F=6.79，P<0.01)。

2.3 不同大棚的土壤养分含量

由表1可知,不同大棚的土壤全氮含量处于2.0～3.5 g/kg,其中以5#和4#棚的土壤全氮含量较高,9#棚的土壤全氮含量明显低于其它大棚；各大棚的土壤全氮含量由大到小依次为:5#>4#>6#>13#>10#>9#。各大棚的土壤全磷含量为1.0～1.6 g/kg,具体表现为:5#>4#>6#>13#>10#>9#。各大棚的土壤有机质含量处于20.0～34.0 g/kg，具体表现为6#>13#>4#>10#>9#>5#，其中6#大棚的土壤有机质含量明显高于其它大棚的。各大棚的土壤速效磷含量处于2.5～11.0 mg/kg,具体表现为5#>4#>13#>6#>10#>9#。对比F值可以看出,蔬菜大棚之间土壤全氮、全磷、有机质以及速效磷含量都存在极显著差异,其中土壤速效磷含量的F值为最高,说明在不同大棚间土壤速效磷含量的差异最大。

图2 不同大棚土壤的pH值与含水量

2.4 不同大棚土壤生态化学计量比分析

土壤生态化学计量能够反映土壤内部碳氮磷循环,并综合生态系统功能的变异性[21]。由表2可知,土壤碳氮比(C/N)值为6.70～12.50,其中土壤C/N值以6#棚为最大,数值达到12.33;5#棚的土壤C/N值明显低于其它大棚的；在不同大棚之间土壤C/N值存在显著性差异,具体表现为6#>9#>13#>10#>4#>5#。土壤碳磷比(C/P)值为14.0～30.0,其中土壤C/P值以13#棚为最大,达到29.30；以5#棚为最小,为14.23；各大棚土壤的C/P值排序为13#>6#>10#>9#>4#>5#，且在不同大棚之间存在显著性差异。土壤氮磷比(N/P)值为1.90～2.60,其中以13#棚的值为最大,达到2.51；以4#棚的值为最小,仅有1.97；但在不同大棚之间土壤N/P值没有显著性差异。对比F值可知,不同蔬菜大棚土壤C/N值、C/P值之间存在极显著差异,但土壤N/P值差异不显著,其中以土壤C/P值的F值为最高,说明土壤C/P值的差异为最大。

2.5 不同大棚土壤养分含量、酶活性及生态化学计量比间的相关性

由表3可以看出：土壤脲酶活性与土壤全氮、全磷、速效磷含量呈极显著正相关(P<0.01),与土壤有机质、C/N以及C/P呈极显著负相关(P<0.01),与土壤含水量和N/P呈显著负相关(P<0.05),与土壤pH值的相关性不显著;土壤磷酸单脂酶活性与土壤全磷、有机质、速效磷含量均呈极显著正相关(P<0.01),与土壤pH值呈极显著负相关(P<0.01),与土壤全氮含量呈显著正相关(P<0.05),与土壤C/N、C/P以及N/P的相关性不显著;土壤全氮含量与土壤全磷、速效磷含量以及N/P均呈极显著正相关(P<0.01),与土壤pH值、C/N以及C/P呈极显著负相关(P<0.01),与土壤有机质含量、含水量的相关性不显著;土壤全磷含量与土壤速效磷含量呈极显著正相关(P<0.01),与土壤pH值、C/N、C/P以及N/P均呈极显著负相关(P<0.01),与土壤有机质含量以及含水量的相关性不显著;土壤有机质含量与土壤含水量、C/N、C/P均呈极显著正相关(P<0.01),与土壤速效磷含量呈极显著负相关(P<0.01),与土壤pH值 以及N/P的相关性不显著;土壤pH值与土壤C/N以及C/P均呈极显著正相关(P<0.01),与土壤速效磷含量呈极显著负相关(P<0.01),与土壤含水量以及N/P的相关性不显著;土壤速效磷含量与土壤含水量、C/P以及C/N均呈极显著负相关(P<0.01),与土壤N/P的相关性不显著;土壤含水量与土壤C/N以及C/P呈极显著正相关(P<0.01),与土壤N/P的相关性不显著;土壤C/N与C/P呈极显著正相关(P<0.01),与土壤N/P的相关性不显著;土壤C/P与N/P呈极显著正相关(P<0.01)。

表1 不同蔬菜大棚土壤养分含量

注:表中数据为平均值±标准误;同列数据后不同字母表示大棚间差异显著(P<0.05)。下同。

表2 不同大棚土壤生态化学计量比分析结果

2.6 大棚土壤肥力评价因子的主成分分析

采用主成分分析法[22]对太白县不同蔬菜大棚的土壤肥力进行综合评价，结果见表4～表5。第1主成分的特征值为2.969,其方差贡献率达到49.488%；第2主成分的特征值为1.633,其方差贡献率为27.221%；前两个主成分的方差贡献率累计达76.709%,说明这2个主成分包含了评价因子的大部分信息,可以用于土壤肥力的评价。

用Yi表示第i个主成分,用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分别表示土壤全氮含量、全磷含量、pH值、有机质含量、速效磷含量以及含水量(见表5)。由此可得出,2个主成分的以下回归表达式:

Y1=0.480X1+0.490X2-0.491X3+0.006X4+0.468X5-0.265X6

Y2=0.198X1+0.168X2-0.235X3+0.1677X4-0.313X5+0.567X6

表3 大棚土壤养分含量、酶活性及生态化学计量比间的相关系数

注:“**”表示在 0.01 水平上显著相关；“*”表示在 0.05 水平上显著相关。

表4 总方差分析结果

表5 成分得分系数矩阵

在第1主成分的表达式中,土壤全氮、全磷含量、pH值以及速效磷含量的载荷绝对值较大,说明土壤全氮、全磷含量、pH值和速效磷含量显著影响着土壤肥力水平,其中土壤全氮、全磷和速效磷含量为正值,说明在一定范围内,土壤氮、全磷和速效磷含量越高,土壤的肥力质量越好;土壤pH值为负值,说明随着土壤pH值的降低,土壤酸性越强,土壤肥力下降。

土壤有机质含量和含水量在第2主成分中的载荷值较大,且均为正值,说明随着土壤有机质含量和含水量的增加,土壤肥力逐渐升高。

利用2个主成分表达式以及各组成分的方差贡献率,分别计算出各个大棚的土壤肥力综合得分,结果如表6所示,4#大棚的土壤肥力质量最好；9#大棚的土壤肥力质量最差；不同大棚的土壤肥力质量具体表现为4#>5#>13#>6#>10#>9#。

表6 不同蔬菜大棚土壤肥力的综合评价结果

3 结论与讨论

土壤酶活性是综合评价土壤质量变化、检测土壤中微生物群落变化的重要指标[23]。土壤脲酶主要参与土壤中氮素的转化,对尿素在土壤中的水解以及作物对尿素的利用有重大的影响[24]；磷酸单脂酶活性可以直接影响土壤中有机磷的分解转化及其生物的有效性[25]。本试验结果表明,太白县大棚土壤脲酶与磷酸单脂酶的活性整体较高,其中4#大棚的脲酶和磷酸单脂酶活性高于其他大棚,且其土壤全氮、全磷含量较高,说明4#与5#大棚土壤对作物的供氮能力较强,对有机磷的分解转化能力以及土壤磷素的有效利用性较强。太白县秦西示范园大棚土壤的pH值处于5.0～6.0,属于酸性土壤,可能由于长期不合理施肥,出现了土壤酸化的趋势,导致有机质含量降低,土壤养分失衡。由于大棚常年高温、蒸发旺盛等,其土壤含水量整体较低;同时,长时间的高温环境导致土壤养分的分解速率较快,对土壤养分含量有一定的影响。

土壤生态化学计量比(C/N、C/P、N/P)是衡量土壤质量的敏感指标,可以反映土壤释放氮、磷矿化养分的能力[26]。土壤C/N在一定程度上可以反映有机质的分解速率,土壤C/N越高,有机质的分解速率越低[27]。本研究结果表明，5#、4#大棚的土壤C/N较低,说明其土壤对有机质的分解速率较高。土壤C/P可以反映土壤磷有效性的高低,C/P值越高,磷的有效性越低[28]。在本研究中，5#和4#大棚的土壤C/P值较低,说明这2个大棚土壤磷的有效性较高。土壤N/P通常作为养分限制类型的预测指标[29]。本研究发现，4#号棚的N/P值最低,说明4#受到磷素的限制最低。

本研究还发现，土壤酶活性、养分含量以及生态化学计量比之间关系较为密切,其中土壤脲酶活性与土壤全氮、全磷、有效磷含量呈极显著正相关,与土壤有机质含量、C/N以及C/P呈极显著负相关,与土壤含水量、N/P呈显著负相关;土壤磷酸单脂酶活性与土壤全磷、有机质、速效磷含量均呈极显著正相关,与土壤pH值呈极显著负相关,与土壤全氮含量呈显著正相关。

通过主成分分析，计算出不同蔬菜大棚的土壤肥力质量顺序为:4#>5#>13#>6#>10#>9#，其中4#种植茄子的大棚土壤质量优于其他大棚。太白县秦西示范园已投入使用5年以上,可能由于长期不合理施肥，出现了土壤肥力降低、土壤酸化、土壤含水量降低等现象,从而影响了蔬菜作物的产量。在今后的实验中,将对大棚土壤进行不同的肥料配施,以及不同蔬菜品种的培育,进一步做到在改善土壤肥力的同时提高蔬菜的品质。