桂南茶園土壤團聚體酶活性對植茶年限的響應

王晟強, 張 喆, 葉紹明

廣西大學林學院, 南寧 530004

廣西地處我國南疆,雨水充沛,具有優(yōu)越的植茶氣候條件和悠久的制茶飲茶歷史,是我國重要的茶葉產(chǎn)區(qū)之一。截止至2017年底,廣西茶園面積已達7.33萬hm2,茶葉產(chǎn)量7.00萬t,毛茶產(chǎn)值超過45億元[1]。在農(nóng)民增收脫貧方面,茶產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計,廣西有979個村、20.26萬戶種植茶樹,其中有454個貧困村、4.96萬貧困戶種植茶樹。廣西80%以上的茶園分布在貧困縣,茶產(chǎn)業(yè)已成為多數(shù)貧困縣脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè)[2]。然而,在茶園生態(tài)系統(tǒng)中,由于茶園的施肥管理、茶樹凋落物歸還于土壤以及根系分泌物等原因,使得土壤有機碳及養(yǎng)分在植茶過程中發(fā)生一系列變化,從而影響茶樹的生長發(fā)育和茶葉的產(chǎn)量品質(zhì)[3-7]。目前,關(guān)于茶園土壤質(zhì)量演變的研究集中在江南茶區(qū)和西南茶區(qū),而在華南茶區(qū)尤其是廣西茶園卻鮮見報道。

土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中最為活躍的生物活性物質(zhì),其種類繁多,參與著復雜多樣的生物化學反應[8-9]。在土壤碳素循環(huán)過程中,β-葡萄糖苷酶和蔗糖酶起著關(guān)鍵作用[10-11],它們可將土壤大分子糖類水解成為活性相對較高的小分子糖類,深刻影響著土壤有機碳的分解與轉(zhuǎn)化[12-13]。作為參與土壤氮素循環(huán)常見的水解酶,脲酶能夠酶促尿素水解生產(chǎn)氨,蛋白酶可將蛋白質(zhì)肽鏈水解生產(chǎn)氨基酸,從而促使土壤有機氮向植物有效態(tài)轉(zhuǎn)化[14-15]。土壤有機磷的轉(zhuǎn)化主要依靠磷酸酶來完成,磷酸酶能夠有效水解土壤有機磷化合物并生成可直接被植物吸收利用的無機磷,其活性可表征土壤磷素循環(huán)狀況[16]。可見,通過土壤酶活性來間接反映或預測土壤有機碳及養(yǎng)分利用效率以及土壤質(zhì)量演變具有可行性。

土壤團聚體是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)[17-18],不同粒徑團聚體不僅決定著土壤孔隙分布、數(shù)量搭配、形態(tài)特征以及土壤對外界應力的敏感性,而且在土壤有機碳及養(yǎng)分保持、供應及轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著不同作用[19-20]。了解土壤酶在團聚體中的活性差異,對調(diào)控和提升土壤有機碳及養(yǎng)分利用效率具有重要意義。前期研究發(fā)現(xiàn),土壤有機碳及養(yǎng)分在團聚體中的分布存在明顯差異,且隨植茶年限變化顯著?；诖?本研究以我國四大茶市之一的“西南茶城”——南寧市橫縣為研究區(qū)域,立足于土壤團聚體角度,旨在揭示土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性對植茶年限的響應機制,以期為廣西茶園提升土壤肥力、保障土壤健康以及促進土壤資源可持續(xù)利用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于東經(jīng)108°48′—109°37′和北緯22°08′—23°30′,屬亞熱帶季風氣候區(qū)。年均溫21.6 ℃,極端最高氣溫40.4 ℃,極端最低氣溫-2.4 ℃。年均降雨量約1304 mm,全年79.1%的降雨量發(fā)生在4—9月期間。地貌以丘陵臺地為主,土壤類型為赤紅壤。該區(qū)域植茶歷史悠久且以國家地理標志保護產(chǎn)品南山白毛茶為主,從而形成了具有一定規(guī)模不同種植年限的南山白毛茶園。

茶樹種植密度約為6×104株/hm2,其中大行距(160±20)cm,小行距(30±10)cm,株距(25±5)cm。每年11月中旬,基肥施豬圈肥12000 kg/hm2和復合肥650 kg/hm2,沿樹冠邊緣垂直下方開溝,依次施入復合肥、豬圈肥,最后覆土。次年追肥3次,追肥位置與基肥相同。春茶追肥于3月中旬施尿素500 kg/hm2和復合肥1200 kg/hm2；夏茶和秋茶追肥分別于6月下旬和9月上旬施尿素300 kg/hm2和復合肥650 kg/hm2。修剪方式以輕修剪為主,每年修剪一次,在秋茶采摘后剪去樹冠面上的突出枝條和樹冠表層3—10 cm枝葉,然后歸還土壤。在植茶過程中,沒有使用除草劑,并用黃色防蟲紙板代替化學農(nóng)藥預防害蟲。

1.2 樣品采集與處理

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同植茶年限茶園的地質(zhì)條件和施肥情況等進行綜合考慮,選擇成土母質(zhì)相同、坡向坡度相似且管理措施一致的植茶年限分別8年、17年、25年和43年的南山白毛茶園土壤為研究對象。首先,針對每個植茶年限布設(shè)5個典型茶園(30 m×30 m),茶園間距離約800 m；然后,在每個茶園內(nèi)按“S”形設(shè)置5個采樣點,具體采樣位置設(shè)在樹冠邊緣垂直下方；最后,在每個采樣點的土壤表面收集1 m2(1 m×1 m)的凋落物樣品,在0—20 cm土層采集原狀土樣。

將每個茶園內(nèi)的凋落物樣品和土壤樣品分別混合均勻,共得到20個混合凋落物樣品和20個混合土壤樣品。一方面,將每個混合凋落物樣品置于80 ℃烘箱內(nèi)至恒重,并稱重,隨后測定其相關(guān)指標(表1)。另一方面,將每個混合土壤樣品沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰開,并過5 mm篩除去動植物殘體和小石塊等,一部分用于測定全土性質(zhì)(表1),另一部分采用改良干篩法[21]將其分為>2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體用于測定土壤團聚體性質(zhì)。

表1 不同植茶年限凋落物及土壤性質(zhì)

1.3 測定項目及方法

凋落物全碳采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法,全氮采用靛藍比色法[22]。土壤pH值采用電位法,有機碳采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法,全氮采用開氏法[22]。土壤β-葡萄糖苷酶采用硝基酚比色法,蔗糖酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法,脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法,蛋白酶采用茚三酮比色法,酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

第i粒徑團聚體對全土酶活性的貢獻率(CRi,%)采用邱莉萍等[24]的公式計算：

式中,EAi為第i粒徑團聚體酶活性,Wi為第i粒徑團聚體的質(zhì)量百分含量(%),EA為全土酶活性。

全土酶活性的回收率(RR,%)采用以下公式計算：

RR=∑CRi

式中,CRi為第i粒徑團聚體對全土酶活性的貢獻率(%)。

統(tǒng)計分析在DPS 11.0軟件中進行,不同處理之間多重比較及其顯著性水平(P<0.05)通過最小顯著性差異法進行檢驗,圖表采用Microsoft Excel 2007軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團聚體組成特征

不同植茶年限土壤團聚體組成以>2 mm粒徑團聚體為主,其含量顯著高于其他粒徑團聚體,平均值為52.57%；其次是<0.25 mm粒徑團聚體,平均值為26.08%；而1—2 mm和0.25—1 mm粒徑團聚體含量較低,平均值分別為13.88%和7.47%(表2)。隨著植茶年限的延長,各粒徑團聚體含量的變化趨勢有所不同,>2 mm粒徑團聚體含量先升高后降低,在植茶17年時顯著高于其他年限,<0.25 mm粒徑團聚體含量則呈相反的變化趨勢,而1—2 mm和0.25—1 mm粒徑團聚體含量在植茶過程中變化不明顯。

表2 不同植茶年限土壤團聚體組成差異

2.2 土壤團聚體酶活性

2.2.1β-葡萄糖苷酶

不同植茶年限土壤團聚體β-葡萄糖苷酶活性在>2 mm粒徑中處于最高水平,其活性顯著高于其他粒徑團聚體,平均值為255.00 mg kg-1h-1；1—2 mm粒徑團聚體次之,其β-葡萄糖苷酶活性平均值為194.78 mg kg-1h-1；而0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體β-葡萄糖苷酶活性顯著低于較大粒徑團聚體,平均值分別為133.36 mg kg-1h-1和128.96 mg kg-1h-1(圖1)。隨著植茶年限的延長,各粒徑團聚體β-葡萄糖苷酶活性的變化趨勢有所不同,>2 mm和1—2 mm粒徑團聚體β-葡萄糖苷酶活性先升高后降低,在植茶17年時顯著高于其他植茶年限,而0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體β-葡萄糖苷酶活性在植茶過程中變化不顯著。

圖1 不同植茶年限土壤團聚體β-葡萄糖苷酶活性差異

2.2.2蔗糖酶

土壤蔗糖酶活性在不同粒徑團聚體中的變化規(guī)律與β-葡萄糖苷酶活性相似(圖2)。不同植茶年限土壤>2 mm粒徑團聚體蔗糖酶活性顯著高于其他粒徑團聚體,平均值為581.07 mg kg-1h-1；1—2 mm粒徑團聚體次之,其蔗糖酶活性平均值為462.88 mg kg-1h-1；而0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體蔗糖酶活性處于較低水平,平均值分別為402.80 mg kg-1h-1和360.76 mg kg-1h-1。隨著植茶年限的延長,>0.25 mm各粒徑團聚體蔗糖酶活性的變化規(guī)律相似,均在植茶17年時高于其他植茶年限,而<0.25 mm粒徑團聚體蔗糖酶活性在不同植茶年限間差異不顯著。

圖2 不同植茶年限土壤團聚體蔗糖酶活性差異

2.2.3脲酶

不同植茶年限土壤>2 mm粒徑團聚體脲酶活性最高,平均值為52.88 mg kg-1h-1,且顯著高于其他粒徑團聚體；1—2 mm粒徑團聚體次之,其脲酶活性平均值為46.40 mg kg-1h-1；而0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體脲酶活性處于較低水平,平均值分別為39.94 mg kg-1h-1和39.02 mg kg-1h-1(圖3)。隨著植茶年限的延長,各粒徑團聚體脲酶活性的變化趨勢有所不同,>2 mm和0.25—1 mm粒徑團聚體脲酶活性先升高后降低,在植茶17年時最高,其中>2 mm粒徑團聚體脲酶活性在植茶17年時顯著高于其他植茶年限,而1—2 mm和<0.25 mm粒徑團聚體脲酶活性在植茶過程中變化不顯著。

圖3 不同植茶年限土壤團聚體脲酶活性差異

2.2.4蛋白酶

土壤蛋白酶活性在不同粒徑團聚體中的變化規(guī)律與脲酶活性相似(圖4)。不同植茶年限土壤>2 mm粒徑團聚體蛋白酶活性最高,平均值為84.28 mg kg-1h-1,且顯著高于其他粒徑團聚體；1—2 mm粒徑團聚體次之,其蛋白酶活性平均值為70.11 mg kg-1h-1；而0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體蛋白酶活性處于較低水平,平均值分別為58.14 mg kg-1h-1和53.64 mg kg-1h-1。隨著植茶年限的延長,>2 mm和0.25—1 mm粒徑團聚體蛋白酶活性的變化規(guī)律相似,均在植茶17年時最高,而1—2 mm和<0.25 mm粒徑團聚體蛋白酶活性在不同植茶年限間差異不顯著。

圖4 不同植茶年限土壤團聚體蛋白酶活性差異

2.2.5酸性磷酸酶

各植茶年限土壤團聚體酸性磷酸酶活性在不同粒徑間差異不顯著,說明酸性磷酸酶活性受土壤團聚體粒徑變化的影響較小(圖5)。在植茶過程中,不同粒徑團聚體酸性磷酸酶活性均逐年升高,其中植茶25年和43年土壤團聚體酸性磷酸酶活性顯著高于植茶8年和17年。

圖5 不同植茶年限土壤團聚體酸性磷酸酶活性差異

2.3 不同粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率

不同植茶年限土壤β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶以及酸性磷酸酶活性的平均回收率分別為80.72%、83.53%、80.13%、78.55%以及84.60%(表3)。土壤酸性磷酸酶活性的回收率在不同年限間差異不顯著,而土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性(包括β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶以及蛋白酶)的回收率在植茶17年時顯著低于其他植茶年限。另外,不同粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率存在顯著差異。不同植茶年限>2 mm粒徑團聚體對土壤β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶以及酸性磷酸酶活性的貢獻率最高,為34.69%—59.07%；其次是<0.25 mm粒徑團聚體,貢獻率為5.44%—31.53%；而1—2 mm和0.25—1 mm粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率較低,分別為8.07%—12.77%和2.79%—6.67%。

表3 不同植茶年限各粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率

3 討論

3.1 土壤團聚體粒徑對酶活性的影響

土壤酶活性是評價土壤生物活性與土壤肥力的重要指標[25]。一般情況下,土壤團聚體酶被土壤膠體吸附或與之結(jié)合,從而受到物理保護,免受降解和變性失活[10-11]。由于粘結(jié)不同粒徑團聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)并不相同,導致包被在團聚體內(nèi)的土壤酶與膠體的結(jié)合方式及吸附能力有所差異,進而影響土壤酶活性在團聚體中的變化情況[26-27]。一些研究認為小粒徑團聚體具有較高的酶活性,這主要歸因于兩方面,一是土壤酶易被小粒徑團聚體中有機無機復合體吸附,從而受到物理保護；二是多數(shù)酶主要由細菌分泌產(chǎn)生,小粒徑團聚體中細菌群落的豐富度和多樣性較高,從而有助于土壤酶在小粒徑團聚體中積累[12-13]。與之相反,另一些研究認為土壤團聚體粒徑越大,較新的顆粒有機質(zhì)相對較多,這為酶促反應提供了更多易被利用的基質(zhì),使得土壤酶活性在大粒徑團聚體中較高[27-28]。由此可見,土壤酶活性在團聚體中的變化情況較為復雜,土地利用方式、植被覆蓋類型以及生物群落組成均可能影響團聚體中酶的分布。

不同植茶年限土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性(包括β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶以及蛋白酶)在團聚體中的變化情況具有一致性,即>2 mm粒徑團聚體酶活性最高,其次是1—2 mm粒徑,而0.25—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體酶活性處于較低水平。可見在>2 mm粒徑團聚體中,較高的碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性促進了土壤有機質(zhì)的分解,進而有利于土壤養(yǎng)分的釋放與供應[8-9]。已有研究表明,土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在團聚體中的變化取決于土壤有機質(zhì)含量在團聚體中的分布[12-13, 24]。而在本研究中,土壤團聚體碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性與土壤有機質(zhì)含量的分布并非具有一致性。不同植茶年限土壤有機碳和全氮含量在>2 mm和1—2 mm粒徑團聚體中均較高(表4)。不同的是,土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性雖然在>2 mm粒徑團聚體中較高,但在1—2 mm粒徑團聚體中卻處于較低水平。導致這一現(xiàn)象的原因可能與團聚體中有機質(zhì)有效性的分布差異有關(guān)。

作為土壤肥力水平和質(zhì)量狀況的有效指標,土壤微生物熵(微生物量碳/有機碳)能夠準確反映土壤有機質(zhì)質(zhì)量變化,其值越大,有機質(zhì)有效性越高[29]。不同植茶年限土壤微生物熵在>2 mm粒徑團聚體中顯著高于1—2 mm粒徑(表4)。說明土壤微生物利用底物的有效性在1—2 mm粒徑團聚體中相對較低,從而導致該粒徑團聚體中酶活性較低。相反,>2 mm粒徑團聚體中土壤有機質(zhì)有效性處于較高水平,能夠為微生物的生長提供更多的能量與養(yǎng)分,從而有助于微生物的生長和酶活性的提高。這也進一步表明,在本研究中土壤團聚體有機質(zhì)質(zhì)量對碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性分布的影響較有機質(zhì)數(shù)量更大。不同植茶年限土壤酸性磷酸酶活性在不同粒徑團聚體間差異不顯著,說明該酶活性受土壤團聚體粒徑變化的影響較小。

表4 不同植茶年限土壤團聚體有機碳、全氮和微生物熵的差異

3.2 土壤團聚體酶活性對植茶年限的響應

土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性(包括β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶以及蛋白酶)是參與土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化與循環(huán)的重要酶類,可作為評價土壤有機質(zhì)固持與分解潛力的敏感指標[8-9]。在本研究中,長期植茶有助于土壤有機質(zhì)積累(表1)。但不同的是,隨著植茶年限的延長,土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性則先升高后降低,在植茶17年時處于較高水平,究其原因有以下三點。其一,茶樹凋落物是茶園生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不同植茶階段進入土壤的凋落物數(shù)量與質(zhì)量不盡相同,從而影響土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性[30-31]。在植茶前期(8年—17年),茶樹凋落物的C/N處于較低水平(表1),說明在此期間凋落物中易分解組分相對較多,且歸還土壤的數(shù)量逐漸升高(表1),這為酶促反應提供了更多易被利用的基質(zhì),使得土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性有所升高；而在植茶后期(17年—43年),由于茶樹逐漸衰老,凋落物的數(shù)量和質(zhì)量均顯著降低(表1),從而導致土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性也隨之降低。其二,在植茶過程中土壤多酚類化合物逐年積累[32],而酚類物質(zhì)能夠抑制部分水解酶活性,如β-葡萄糖苷酶和蔗糖酶[33]。其三,植茶17年以后土壤pH值顯著降低(表1),土壤酸化通過抑制微生物分泌酶和基質(zhì)有效性來降低土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性[32-33]。由此可見,在植茶前期土壤積累的有機質(zhì)有效性相對較高,且土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性逐年升高,說明在該階段土壤積累的有機質(zhì)更易被礦化分解,從而釋放更多養(yǎng)分供茶樹生長；而在植茶后期土壤積累的有機質(zhì)有效性相對較低,同時伴隨著土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性逐年降低,表明在該階段土壤積累的有機質(zhì)分解速率較低,從而有助于土壤有機碳及養(yǎng)分的貯存。值得注意的是,不同粒徑團聚體碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性對植茶年限的響應有所不同。隨著植茶年限的延長,>2 mm粒徑團聚體碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在植茶17年時最高；而在<0.25 mm粒徑團聚體中,土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在各植茶年限間差異不顯著。說明大粒徑團聚體碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性對植茶年限的響應較小粒徑團聚體更為敏感。在酸性土壤環(huán)境中,酸性磷酸酶參與著土壤有機磷的活化,其活性高低直接影響著土壤有機磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性[16]。在本研究中,土壤酸性磷酸酶活性在植茶過程中有所升高,這可能與土壤有機質(zhì)逐年積累有關(guān)[34-35]。

3.3 不同粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率

不同土壤酶活性在團聚體分級過程中均有不同程度損失,尤其是蛋白酶,其活性的平均回收率已低于80%。這是因為在團聚體分級過程中團聚體遭到破壞,導致其中土壤酶因缺少物理保護而失活,從而造成土壤酶活性的損失[36-37]。土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性(包括β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶、脲酶以及蛋白酶)的回收率在植茶17年時顯著低于其他植茶年限,而酸性磷酸酶活性的回收率在不同植茶年限間差異不顯著。在本研究中,植茶17年土壤含有更多>2 mm粒徑團聚體(表2)。該粒徑團聚體中碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性雖然較高,但這些酶也會因較大粒徑團聚體穩(wěn)定性較低而更易遭到破壞,從而導致植茶17年土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在團聚體分級過程中損失更為嚴重。

將不同粒徑團聚體的組成比例與其中酶活性進行綜合考慮,可以全面反映各粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率[12]。在本研究中,不同粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率由高到低表現(xiàn)為：>2 mm團聚體>、<0.25 mm團聚體>、1—2 mm團聚體、>0.25—1 mm團聚體?？梢?>2 mm粒徑團聚體是茶園土壤酶的主要載體。值得注意的是,雖然土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在<0.25 mm粒徑團聚體中處于較低水平,但由于土壤中該粒徑團聚體的組成比例較高(表2),所以該粒徑團聚體對土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性的貢獻率才顯示出較高值。這也說明,不同粒徑團聚體對土壤酶活性的貢獻率與團聚體的組成比例高度相關(guān)。

4 結(jié)論

土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在植茶過程中先升高后降低,在植茶17年時處于較高水平,而土壤酸性磷酸酶活性則逐年升高。土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性在>2 mm粒徑團聚體中處于較高水平,而酸性磷酸酶活性受團聚體粒徑變化的影響較小。作為土壤酶的主要載體,>2 mm粒徑團聚體的形成與穩(wěn)定對于促進土壤有機碳及養(yǎng)分循環(huán)具有重要意義。在茶園管理中,植茶17年以后應注意土壤>2 mm粒徑團聚體的崩解與破壞問題,以保障土壤質(zhì)量及維持土壤有機碳及養(yǎng)分利用效率。