油莎豆播种期密度耦合对土壤酶活性的影响

董 琦，曹秭琦，张向前，任永峰，，侯智惠，慕宗杰，赵小庆，，路战远，

（1.内蒙古大学，内蒙古呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010031）

油莎豆（Cyperus esculentus），又名油莎草，为莎草科（Cyperaceae）莎草属（Cyperus）草本植物[1]，源于非洲地中海地区，目前西班牙、意大利等众多国家均有种植[2-4]。油莎豆根系发达，分蘖能力强，具有适应性广、耐贫瘠等优异特性，是一种集粮、油、牧、饲于一体，综合利用价值高、开发潜力大的新兴生态经济型作物。

播种期和密度对作物的生长发育具有重要影响。不同播种期条件下，光照、水分、温度等环境因子的差异会影响作物的产量。有研究表明，玉米的产量会随着播种期的推迟而增加[5]，但在不同的地区条件、品种、种植模式影响下，播种期对产量的影响也存在一定差异，如部分地区会适时早播以有效提高玉米产量[6]。密度是影响产量性状的主要因素，适宜的密度可以调节作物的群体结构、增加叶面积指数、合理利用土壤养分，使作物丰产[7]。有研究表明，马铃薯的产量会随着密度的增加呈现出先显著增加后递减的趋势[8]。

土壤酶是植物、动物与微生物生命代谢的产物[9-10]，参与催化土壤生物化学反应过程，是土壤中物质转化、能量代谢和污染物降解的关键成员[11-12]。土壤酶活性与土壤理化性状、耕作方式、施肥情况等农艺措施存在紧密的关联[13]。研究表明，播种期对土壤含水量、土壤容重等土壤理化性状具有明显影响[14]，适宜的土壤条件，利于促进微生物群落活动、增强土壤酶活性[15]；不同的播种期，土壤温度存在差异，影响土壤酶活性和微生物数量，选择适宜的播种期可以使土壤酶在作物的生长周期中维持相对较高的活性[16]。研究表明，密度影响作物的群体结构，适宜的群体结构可以充分利用农田地力与光热资源，促进作物地上部与地下部、营养器官与生殖器官、群体与个体的发育，促进作物与土壤微生物生命活动代谢，进而影响土壤酶活性[17-19]。密度还可以影响根际土壤微生物总量。研究表明，小麦根际土壤微生物总量随着小麦种植密度的增加呈先上升后下降的趋势，土壤酶活性也呈同样趋势[20]。

前人研究主要集中在播种期或密度对油莎豆的生长发育、产量品质及对土壤理化性状、土壤酶活性等方面的影响。例如，适宜的播种期或密度可有效改善油莎豆冠层透光率、增加群体叶面积指数、影响光合特征及光响应、增加含油率、促进分蘖、增加单株块茎数、提高千粒重和产量[21-24]。不同播种期密度耦合对油莎豆土壤酶活性影响等方面的研究未见报道。本试验通过探究不同播种期密度耦合对油莎豆土壤酶活性的影响，揭示不同播种期密度耦合下油莎豆土壤酶活性的变化规律，从土壤酶活性的角度探究油莎豆栽培适宜的播种期与密度，从而为油莎豆的丰产稳产栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古自治区农牧业科学院试验基地（40°75′N，111°67′E），海拔1 035 m，属温带大陆性季风气候，无霜期120 d 左右。平均气温年较差35.1 ℃，平均气温5～6 ℃。全年静风日100 d 左右，大风季节多在春季。年平均降水量在400 mm 左右。试验地土壤类型为棕壤土，有机质含量为22.68 g/kg、全磷含量为0.72 g/kg、全氮含量为0.54 g/kg、pH 值为8.2。

1.2 材料与设计

供试油莎豆品种为吉林好易收丰产2 号，试验时间为2020年4—10月。试验采用裂区区组设计，播种期为主处理，密度为副处理；具体为4 个播种期（S1：4月30日、S2：5月10日、S3：5月20日、S4：5月30日）×4 个密度（D1：6 万株/hm2、D2：9 万株/hm2、D3：12 万株/hm2、D4：15 万株/hm2），共16 个处理，重复3 次，小区面积为8 m2（5.0 m×1.6 m），小区间隔1.0 m。播种前采用漫灌补足底墒，其他管理方式同大田。10月15—16日油莎豆生长进入收获期，通过对角线五点取样法取0～20 cm 土层土壤样品，将采集到的土壤样品去除植物残体、根系和土壤动物等，自然阴干，过1 mm 筛后收集备用。

1.3 测定指标与方法

土壤脲酶活性测定：苯酚钠-次氯酸钠比色法[25]；土壤过氧化氢酶活性测定：高锰酸钾滴定法[26]；土壤碱性磷酸酶活性测定：磷酸苯二钠比色法[27]；土壤蔗糖酶活性测定：3，5-二硝基水杨酸比色法[28]。油莎豆产量测定：在每个小区选取2 m2的试验区，人工采收油莎豆并带回实验室洗净称量鲜重，最后将收获的油莎豆烘干至恒重，测定产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2021 软件进行数据整理并绘制图表，利用SPSS 25.0 统计软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 播种期密度耦合对脲酶活性的影响

脲酶是参与尿素转化的重要成员，脲酶活性在一定程度上与土壤供氮水平的高低成正相关[29-30]。由表1 和表2 可知，S4 的土壤脲酶活性显著或极显著高于其他处理（P<0.05 或P<0.01）；D1 的土壤脲酶活性与D2、D4 有显著或极显著差异（P<0.05 或P<0.01）。由图1 和图2 可知，在相同播种期下，土壤脲酶活性随着密度的增加而逐渐升高；相同播种期下，D4 的脲酶活性均高于其他处理。相同密度下，S4的脲酶活性均显著高于其他处理（P<0.05）。播种期处理对土壤脲酶活性影响高于密度处理。S4D4 的脲酶活性最大，为9.81 mg/（g·24 h），显著高于其他处理（P<0.05）；S4D3 的脲酶活性次之，与S1D3、S2D3、S3D3 处理有显著差异（P<0.05）。S3D1 的脲酶活性最小，为3.60 mg/（g·24 h）。

图2 相同密度不同播种期对油莎豆土壤脲酶活性的影响

表1 播种期组间土壤脲酶活性的t 检验

表2 密度组间土壤脲酶活性的t 检验

小写字母不同表示播种期密度耦合处理在P<0.05 水平下差异显著。下同。

2.2 播种期密度耦合对过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶促进过氧化氢的分解，可防止过氧化氢对作物的毒害。过氧化氢酶与有机质和腐殖质的形成有着重要的关系[31]。由表3 和表4 可知，S3、S4 的土壤过氧化氢酶活性较其他处理有显著差异（P＜0.05）；密度组间差异不显著（P＞0.05）。由图3 和图4 可知，在相同播种期下，S1、S2、S3 土壤过氧化氢酶活性随着密度的增加而升高，S4 的土壤过氧化氢酶活性略有不同，其酶活性随着密度的增加先升高后降低；相同密度下，土壤过氧化氢酶活性随着播种期的推后呈现先升高后降低的趋势；播种期处理对土壤过氧化氢酶活性的影响高于密度处理。S3D4 的过氧化氢酶活性最大，为38.20 mg/（g·24 h），与S3D3 相比无显著差异（P＞0.05），与其他处理相比存在显著差异（P＜0.05）。S3D4 比同播种期S3D1、S3D2、S3D3 的过氧化氢酶活性分别高1.24%、0.96%、0.51%，比同密度S1D4、S2D4、S4D4 的过氧化氢酶活性分别高4.67%、2.09%、18.93%。S4D4 的过氧化氢酶活性最低，为32.12 mg/（g·24 h），与其他处理相比存在显著差异（P＜0.05）。

图3 相同播种期不同密度对油莎豆土壤过氧化氢酶活性的影响

图4 相同密度不同播种期对油莎豆土壤过氧化氢酶活性的影响

表3 播种期组间土壤过氧化氢酶活性的t 检验

表4 密度组间土壤过氧化氢酶活性的t 检验

2.3 播种期密度耦合对碱性磷酸酶活性的影响

磷酸酶能够加快土壤中有机磷的脱磷，其活性大小是反映磷素生物转化方向和强度的重要指标[32]。由表5 和表6 可知，S1 的土壤碱性磷酸酶活性较其他处理差异极显著（P＜0.01）；D3 与D1、D2 间存在显著或极显著差异（P＜0.05 或P＜0.01）。由图5 和图6 可知，在相同播种期下，S1、S2、S3 的土壤碱性磷酸酶活性随着密度的增加缓慢升高，而S4 的土壤碱性磷酸酶活性则随着密度的增加呈现先升高后降低的趋势；相同密度下，土壤碱性磷酸酶活性随着播种期的推后呈现先升高后降低的趋势；播种期处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响高于密度处理。S3D4 的碱性磷酸酶活性最高，为0.45 mg/（g·24 h），与其他处理相比差异显著（P＜0.05）；S3D3 的碱性磷酸酶活性次之，为0.41 mg/（g·24 h）；S1D1 的碱性磷酸酶活性最低，为0.28 mg/（g·24 h）。

图5 相同播种期不同密度对油莎豆土壤碱性磷酸酶活性的影响

图6 相同密度不同播种期对油莎豆土壤碱性磷酸酶活性的影响

表5 播种期组间土壤碱性磷酸酶活性的t 检验

表6 密度组间土壤碱性磷酸酶活性的t 检验

2.4 播种期密度耦合对蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶参与土壤中有机碳的循环，能增加土壤中易溶性养分，其活性大小可以反映土壤熟化程度[33]。由表7 和表8 可知，S3 的土壤蔗糖酶活性极显著高于S1 和S2（P＜0.01）；密度组间差异不显著（P＞0.05）。由图7 和图8 可知，在相同播种期下，S1、S2、S3 的土壤蔗糖酶活性随着密度的增加而升高，S4 的土壤蔗糖酶活性有所不同，随着密度的增加先升高后降低；相同密度下，土壤蔗糖酶活性随着播种期的推后呈现先升高后降低的趋势；播种期处理对土壤蔗糖酶活性的影响高于密度处理。S3D4 的蔗糖酶活性最大，为52.02 mg/（g·24 h），比同播种期S3D1、S3D2、S3D3 的土壤蔗糖酶活性高3.33%、1.12%、0.57%，比同密度S1D4、S2D4、S4D4 的蔗糖酶活性分别高14.40%、10.49%、32.57%；S3D3 的蔗糖酶活性次之，为51.76 mg（/g·24 h）；S4D4 的蔗糖酶活性最低，为39.27 mg（/g·24 h）。

图7 相同播种期不同密度对油莎豆土壤蔗糖酶活性的影响

图8 相同密度不同播种期对油莎豆土壤蔗糖酶活性的影响

表7 播种期组间土壤蔗糖酶活性的t 检验

表8 密度组间土壤蔗糖酶活性的t 检验

2.5 播种期密度耦合对油莎豆产量的影响

由表9 可知，在S1、S2、S3 播种期下油莎豆产量随着密度的增加而升高；相同密度下，油莎豆产量随着播种期的推后呈现先升高后降低的趋势，播种期S3 的油莎豆产量高于其他处理。S3D4 的产量最高，为16 333.42 kg/hm2，与其他处理相比差异显著（P＜0.05）；S3D3 的产量次之，与S2D4 无显著差异（P＞0.05），与其他处理相比显著差异（P＜0.05）。S1D1的产量最低，为7 100.04 kg/hm2，与S4D1 无显著差异（P＞0.05），与其他处理相比差异显著（P＜0.05）。

表9 播种期密度耦合对油莎豆产量的影响

3 讨论与结论

土壤酶是土壤动物、植物和微生物生命活动的产物，可催化土壤中复杂的生物化学反应，不同的土壤酶在有机物转化途径中扮演着不同的角色[34]。不同播种期处理下，油莎豆的土壤酶活性不同，这可能是因为土壤的物理性状有所差异对作物与微生物造成了影响[31]；不同密度处理下，油莎豆的土壤酶活性不同，可能是由于不同密度导致油莎豆生长发育的差异，从而影响根量和根系代谢，也有可能其光合能力的差异造成同化物向根部输送量的不同[30]。高永刚等[35]研究表明，玉米的生物量会随着播种期的适当推迟而增加，与本试验中适宜推后播种期而油莎豆产量增加的结果一致。在适宜的播种期下油莎豆的产量和土壤酶活性成正比，可能是因为适宜的播种期有利于地下生物量的生长，使根际微生物、根基分泌物和根系残留物在一定范围内增加，它们作为土壤酶的来源影响土壤酶活性。张继卫[36]研究表明，玉米早播条件下生育期相对延长，根系生长旺盛，根系分泌物在一定范围内增加并促进土壤酶活性，该结果与本试验结果不一致，一方面可能是由于地域的不同，光热资源的差异引起；另一方面可能是因为作物的不同，油莎豆是一种分蘖能力强且喜温的作物，过早播种可能会因低温影响分蘖。查菲娜等[37]研究表明，土壤酶活性随着冬小麦密度的增加先升高后降低，该结果与本试验结果一致。低密度的植物量及根量较少，根系分泌物随之减少，从而影响土壤酶的来源及根际的环境；而高密度处理下植株生物量大，相互遮挡，光合作用减弱，向根系运输的光合产物减少，从而影响根系代谢，抑制土壤酶活性；适宜的密度协调了植株的群体结构，可以充分利用光能、增加光合产物及提高根际微生物量，促进土壤酶活性。以本试验的产量结果为基准，探究不同播种期密度耦合下油莎豆土壤酶活性的变化规律，验证适宜的播种期与密度可以为油莎豆丰产稳产栽培提供理论依据。本试验结果表明，脲酶活性在S4D4 时最大，为9.81 mg/（g·24 h）；过氧化氢酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶均在S3D4 最大，分别为38.20、0.45、52.02 mg/（g·24 h）。综合比较，在相同播种期下，除了过氧化氢酶活性在S4 时，D3 酶活性最大外，其他播种期均在D4 时，土壤酶活性最大；在相同密度下，土壤酶活性在S3 下较好。综上所述，本试验范围内得出内蒙古中部地区油莎豆适宜的播种期为5月20日、合理的密度为15 万株/hm2时，土壤酶活性最高，油莎豆产量显著增加。