不同覆蓋模式對隴中干旱區(qū)扁蓿豆草地土壤酶活性的影響

王玉霞，劉耀峰，魚小軍，2

(1.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.定西市黃土高原旱區(qū)人工草地建植技術創(chuàng)新中心，甘肅 隴西 748100；3.隴西縣畜牧獸醫(yī)技術服務中心，甘肅 隴西 748100))

扁蓿豆(Medicagoruthenica)是一種多年生優(yōu)質牧草，在人工草地建植及生態(tài)修復等方面起著重要作用，其主要分布于西伯利亞、蒙古以及我國的內蒙古、寧夏、甘肅等地[1]，且扁蓿豆具有抗寒、抗旱、耐瘠薄、適應性廣等優(yōu)良特點，營養(yǎng)價值高，各種家畜均喜采食，是我國北方地區(qū)重要的豆科飼草資源。但由于扁蓿豆花期較長、種子成熟期不一致、莢果成熟后極易開裂，嚴重影響了我國扁蓿豆種子大面積生產。近年來，對于扁蓿豆種子生產的研究報道較少[2-3]。

土壤為植物根系保溫保濕，且為植物生長提供所需的水、肥、氣、熱，是植物根系生長的基礎環(huán)境。因此，良好的土壤環(huán)境是植物生長發(fā)育的關鍵因素。土壤酶活性的強弱可以在一定程度上反映土壤養(yǎng)分的轉化能力，是生態(tài)系統(tǒng)中的催化劑，土壤微生物活動、植物根系分泌物以及動植物殘體腐解釋放的酶類物質是土壤酶的主要來源，可作為評價土壤肥力的重要指標[4]。有研究表明地膜覆蓋不僅可以提墑保溫，還可以激發(fā)土壤酶活性，提高土壤養(yǎng)分及利用率，這有利于提高作物產量[5,9]；地表覆蓋秸稈有利于提高土壤水分利用率和調節(jié)土壤溫度，同時秸稈自身富含有各種營養(yǎng)元素，可通過自然降雨淋溶作用，增加土壤有機質含量，還可以有效改善土壤結構[10]；而壟溝種植通過改善土壤墑情和延長土壤水分利用有效期，有效促進土壤酶活性，進而有利于提高土壤養(yǎng)分[11]。隴中是典型的干旱區(qū)，常年降水不足且分布不均，土壤肥力較低[12]，在土壤貧瘠的地區(qū)利用地表覆蓋和起壟溝栽培技術對增強土壤酶活性和改善土壤環(huán)境具有重要作用。

目前，眾多學者針對覆蓋種植已做了大量研究，其中覆蓋種植對作物的影響的研究主要集中在農藝形態(tài)指標、產量及其構成因素和土壤水熱狀況等的影響[13-15]，隴中干旱地區(qū)不同覆蓋模式對扁蓿豆種子產量的影響已有報道[16]，但對扁蓿豆草地土壤酶活性的變化狀況報道較少。而土壤酶活性的高低可直接或間接反映出表觀土壤肥力，土壤酶活性越高，越有利于促進作物生長發(fā)育，所以本試驗通過分析不同覆蓋模式對扁蓿豆草地土壤酶活性的影響，以期為隴中干旱地區(qū)以及類似區(qū)域扁蓿豆種子的生產提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試原材料扁蓿豆于2012年在甘肅寧縣采集，2014年在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)牧草站進行擴繁后收集用于本試驗。

1.2 試驗地概況

試驗地設在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家坡六社(N 35°33′02″～35°35′29″，E 104°38′13″～104°40′25″ )，海拔1 900～2 250 m，主要土壤類型為黃綿土，光照充足，年日照時數(shù)2 408.6 h，年均氣溫6.3 ℃，≥5 ℃的年均活動積溫2 782.5 ℃，≥10 ℃的年均活動積溫2 239.1 ℃，極端溫度為-27.1～34.3 ℃，年均降水量427 mm，降水分布極不均勻，年平均蒸發(fā)量1 510 mm，年均無霜期141 d。土壤pH值7.0～8.2。土壤有機質47.81 g/kg、土壤全氮1.38 g/kg、土壤全磷1.10 g/kg、土壤全鉀8.36 g/kg。土壤堿解氮36.32 mg/kg、土壤速效磷7.37 mg/kg、土壤速效鉀159.89 mg/kg。2017-2019年的月平均溫度和降水情況如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)2017-2019年溫度和降水情況Fig.1 Temperature and rainfall in the research site from 2017 to 2019

1.3 試驗設計

本試驗以平作為對照，設置壟溝覆膜、地膜平覆、壟溝覆秸、平作覆秸和壟溝5個處理(選用幅寬1.2 m、厚度為0.008 mm的白色地膜，秸稈選用長20 cm的燕麥秸稈，覆蓋量為4 500 kg/hm2)(圖2)。壟為集雨區(qū)，溝為種植區(qū)，壟寬30 cm，壟高10 cm，壟坡45°，于2017年5月2日播種，每個小區(qū)面積2 m×5 m，小區(qū)間隔0.5 m，重復3次，隨機區(qū)組排列。試驗均為穴播，每穴播種5～10粒，播種深度2～3 cm，株距10 cm，行距30 cm，出苗后酌情補苗和減苗，確保每穴植株成活3～5株。播種前，種子用98%濃硫酸浸泡15 min后，用大量流水沖洗干凈。

1.4 測定指標及方法

于扁蓿豆生長第2年、第3年(2018、2019年)的10月上旬在各小區(qū)用直徑為3.5 cm的土鉆取樣，分別采集0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層土樣，小區(qū)內采用S形5點取樣法，每個樣方每層土樣混合為一個重復。挑出土樣中石塊和植物根系后裝入自封袋，帶回實驗室，每個樣品經過自然陰干后分別過0.25 mm和1 mm篩，用于測定土壤酶活性。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；蔗糖酶活性采用3、5-二硝基水楊酸比色法；纖維素酶活性采用3、5-二硝基水楊酸比色法；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法。

圖2 扁蓿豆種植示意圖Fig.2 Schematic diagram of M.ruthenica planting

試驗過程中，為排除土樣中原有物質對試驗結果造成影響并使試驗結果精準可靠，對每種土壤酶活性設置無基質對照，整個試驗設置無土對照，每個土樣重復3次[17-18]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進行各指標數(shù)據(jù)整理和制圖，文中數(shù)據(jù)均用“平均值±標準誤”表示；利用SPSS version 22中Compare Means對不同覆蓋模式下扁蓿豆各指標進行單因素方差分析，采用GLM分析扁蓿豆種植年份和不同處理以及二者的交互作用對土壤酶活性的影響，差異顯著性(P<0.05)采用Duncan法進行。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋模式對土壤脲酶活性的影響

F檢驗表明(表1)，年份對0～10 cm土層土壤脲酶活性的影響達到顯著水平(P<0.05)，對其他土層均無顯著影響。處理對0～10 cm土層土壤脲酶活性達到極顯著水平(P<0.01)，對其他土層均無顯著影響。年份和處理二者交互作用對各土層土壤脲酶活性均無顯著影響(P>0.05)。

表1 兩個生長年份和覆蓋模式交互作用下土壤脲酶活性的方差分析

2018、2019年(扁蓿豆生長第2年、第3年,下同)，各土層不同處理間土壤脲酶活性均表現(xiàn)為：壟溝覆秸>平作覆秸>壟溝覆膜>地膜平覆>壟溝>平作處理，且土層越深土壤脲酶活性越弱。0～10 cm土層，土壤脲酶活性在覆蓋地膜和秸稈處理下均顯著高于壟溝和平作處理(P<0.05)。10～30 cm土層，不同處理間土壤脲酶活性差異均不顯著(P>0.05)(圖3)。

圖3 覆蓋模式下扁蓿豆草地土壤脲酶活性Fig.3 Effects of mulching patterns on soil urease activity of M.ruthenica grassland

2018年0～10 cm土層，壟溝覆秸、平作覆秸、壟溝覆膜、地膜平覆和壟溝處理平作處理相比，土壤脲酶活性分別增加了22.8%、21.1%、14.0%、14.0%、3.5%。

2019年0～10 cm土層，壟溝覆秸、平作覆秸、壟溝覆膜、地膜平覆和壟溝處理與平作處理相比，土壤脲酶活性分別增加21.1%、20.4%、17.1%、14.3%、4.8%。

2.2 不同覆蓋模式對土壤蔗糖酶活性的影響

F檢驗表明(表2)，年份對各土層土壤蔗糖酶活性均無顯著影響(P>0.05)。各處理對0～10、10～20 cm土層土壤蔗糖酶活性均達到極顯著水平(P<0.01)。年份和處理二者交互作用對各土層土壤蔗糖酶活性均無顯著影響(P>0.05)。

表2 兩個生長年份和覆蓋模式交互作用下土壤蔗糖酶活性的方差分析

2018、2019年，各土層不同處理間土壤脲酶活性均表現(xiàn)為：壟溝覆秸>平作覆秸>壟溝覆膜>地膜平覆>壟溝>平作處理，且土層越深土壤脲酶活性越弱。0～10 cm土層，土壤脲酶活性在覆蓋地膜和秸稈處理下均顯著高于壟溝和平作處理(P<0.05)。10～30 cm土層，不同處理間土壤脲酶活性差異均不顯著(P>0.05)(圖4)。

2018年0～10 cm土層，壟溝覆秸、平作覆秸、壟溝覆膜、地膜平覆和壟溝處理下平作處理相比，土壤脲酶活性分別增加22.8%、21.1%、14.0%、14.0%、3.5%。

2019年0～10 cm土層，壟溝覆秸、平作覆秸、壟溝覆膜、地膜平覆和壟溝與平作處理相比，土壤脲酶活性分別增加21.1%、20.4%、17.1%、14.3%、4.8%。

圖4 覆蓋模式下扁蓿豆草地土壤蔗糖酶活性Fig.4 Effects of mulching patterns on soil sucrase activity of M.ruthenica grassland

2.3 不同覆蓋模式對土壤堿性磷酸酶活性的影響

F檢驗表明(表3)，年份對各土層土壤堿性磷酸酶活性均無顯著影響，各處理對0～10 cm土層土壤堿性磷酸酶活性達到極顯著水平(P<0.01)，對其他土層土壤堿性磷酸酶活性均無顯著影響。年份和處理二者交互作用對各土層土壤堿性磷酸酶活性均無顯著影響(P>0.05)。

2018、2019年各土層土壤堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)為：壟溝覆秸>平作覆秸>壟溝覆膜>地膜平覆>壟溝>平作處理，且各處理土壤堿性磷酸酶活性在2018年略高于2019年。

表3 兩個生長年份和覆蓋模式交互作用下土壤堿性磷酸酶活性的方差分析

0～10 cm土層，壟溝覆秸和平作覆秸處理的土壤堿性磷酸酶活性均顯著高于壟溝和平作處理，壟溝覆秸處理的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于壟溝覆膜和地膜平覆處理(P<0.05)(圖5)。

10～20、20～30 cm土層，不同覆蓋模式間土壤堿性磷酸酶活性差異均不顯著(P>0.05)。

圖5 覆蓋模式下扁蓿豆草地土壤堿性磷酸酶活性Fig.5 Effects of mulching patterns on soil alkaline phosphatase activity of M.ruthenica grassland

2.4 不同覆蓋模式對土壤纖維素酶活性的影響

F檢驗表明(表4)，年份對各土層土壤纖維素酶活性均無顯著影響，覆蓋模式對0～10 cm土層土壤纖維素酶活性達到極顯著水平(P<0.01)。不同覆蓋模式對10～20 cm土層土壤纖維素酶活性達到顯著水平(P<0.05)，年份和覆蓋模式二者交互作用對各土層土壤纖維素酶活性均無顯著影響(P>0.05)。

表4 兩個生長年份和覆蓋模式交互作用下土壤纖維素酶活性的方差分析

2018、2019年各土層土壤纖維素酶活性均表現(xiàn)為：壟溝覆秸>平作覆秸>壟溝覆膜>地膜平覆>壟溝>平作處理。土層深度越深，各覆蓋模式對土壤纖維素酶活性的影響越小(圖6)。

2018、2019年0～10 cm土層，壟溝覆秸和平作覆秸處理的土壤纖維素酶活性均顯著高于其他處理(P<0.05)；10～20 cm土層，壟溝覆秸處理的土壤纖維素酶活性顯著高于平作處理(P<0.05)，其他不同處理間土壤纖維素酶活性均無顯著性差異；20～30 cm土層不同處理間土壤纖維素酶活性差異均不顯著(P>0.05)。

0～10 cm土層，壟溝覆秸、平作覆秸、壟溝覆膜、地膜平覆和壟溝處理與平作處理相比，2018年土壤纖維素酶活性分別增高106.5%、102.6%、18.2%、3.9%、0；2019年土壤纖維素酶活性分別增高109.3%、106.7%、20.0%、5.3%、1.3%。

圖6 覆蓋模式下扁蓿豆草地土壤纖維素酶活性Fig.6 Effects of mulching patterns on soil cellulase activity of M.ruthenica grassland

2.5 不同覆蓋模式對土壤過氧化氫酶活性的影響

F檢驗表明(表5)，年份對各土層土壤過氧化氫酶活性均無顯著影響。各覆蓋模式對0～10 cm土層土壤過氧化氫酶活性達到極顯著水平(P<0.01)，對其他土層土壤過氧化氫酶活性均無顯著影響。年份和覆蓋模式二者交互作用對各土層土壤過氧化氫酶活性均無顯著影響(P>0.05)。

2018年不同覆蓋模式下土壤過氧化氫酶活性變化趨勢與2019年基本相同(圖7)，2018、2019年土壤過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為：壟溝覆秸>平作覆秸>壟溝覆膜>地膜平覆>壟溝>平作處理。10～20、20～30 cm土層，不同覆蓋模式間土壤過氧化氫酶活性均無顯著性差異(P>0.05)。

表5 兩個生長年份和覆蓋模式交互作用下土壤過氧化氫酶活性的方差分析

2018年 0～10 cm土層，壟溝覆秸處理的土壤過氧化氫酶活性顯著高于平作處理(P<0.05)，與其他處理間差異不顯著(P>0.05)。2019年0～10 cm土層土壤過氧化氫酶活性，壟溝覆膜、地膜平覆、壟溝覆秸和平作覆秸處理均顯著高于平作處理(P<0.05)。

圖7 覆蓋模式下扁蓿豆草地土壤過氧化氫酶活性Fig.7 Effects of mulching patterns on soil catalase activity of M.ruthenica grassland

2.6 不同覆蓋模式下連續(xù)2年扁蓿豆種子產量及土壤酶活性相關性分析

不同覆蓋模式下，土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性、纖維素酶活性、過氧化氫酶活性與扁蓿豆種子產量均極顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)分別為0.952、0.953、0.944、0.909和0.737，其中土壤脲酶和蔗糖酶活性與種子產量相關性最高。同時，土壤脲酶活性與蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性、纖維素酶活性、過氧化氫酶活性達極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.966、0.978、0.922和0.748；土壤蔗糖酶活性與堿性磷酸酶活性、纖維素酶活性和過氧化氫酶活性極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.931、0.898和0.769；土壤堿性磷酸酶活性與纖維素酶和過氧化氫酶活性均達極顯著正相關，相關系數(shù)分別是0.936和0.725；土壤堿性磷酸酶與過氧化氫酶活性達到極顯著正相關(P<0.01)(表6)。

表6 不同覆蓋模式下生長第2年和第3年扁蓿豆種子產量及土壤酶活性相關性分析

3 討論

土壤酶是維持土壤肥力的潛在指標，其活性的高低可間接反映出表觀土壤肥力，土壤酶活性越強土壤肥力越高，起壟覆膜有助于提高土壤酶活性[19]。有研究表明，地表覆蓋地膜和秸稈種植的土壤含水量顯著高于無覆蓋處理，且覆蓋種植土壤酶活性和扁蓿豆種子產量及構成因素均顯著高于壟溝和平作處理[16]，這是由于覆蓋栽培可以改善土壤水熱環(huán)境，適宜的土壤環(huán)境有利于提高土壤酶活性，進而促進土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉化速率，對提高扁蓿豆種子產量有積極作用[20-21]。這也說明地膜和秸稈覆蓋種植均有利于提高土壤酶活性，尤其以秸稈覆蓋種植下土壤酶活性最強。

本研究結果表明，土壤堿性磷酸酶、纖維素和過氧化氫酶在壟溝覆秸和平作覆秸處理下其活性均最大，且不同處理對0～10 cm土層酶活性影響效果最明顯，酶活性最強，說明地表覆蓋秸稈有利于提高土壤酶活性[22]。地表秸稈覆蓋和壟溝種植后，淺層土壤水熱環(huán)境得以改善，秸稈腐爛分解速度加快，進而增加了土壤有機質含量，使得原來土壤中碳氮比得以改變，增強了酶促反應，且土壤酶活性相應增強，有利于促進扁蓿豆生長和種子產量提高[21,23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋處理對土壤堿性磷酸酶、纖維素酶和過氧化氫酶活性的影響較小，這與陳和平等[25]研究結果相反，可能原因是土壤酶活性受土壤管理影響外，還與扁蓿豆地下根系分泌物、土壤微生物活動及氣候條件有關。本研究中土壤酶活性表現(xiàn)為扁蓿豆生長第2年高于生長第3年，但各種酶活性在不同處理下2年變化趨勢基本一致，這可能是因為扁蓿豆土壤理化性質及氣候發(fā)生改變，且隨著扁蓿豆的生長發(fā)育使得土壤養(yǎng)分減少以及土壤微生物活動減緩，從而導致土壤酶活性減弱[26]。

本研究中，不同覆蓋模式下5種土壤酶活性在垂直空間內有相似的變化規(guī)律，即隨著土壤深度的增加，土壤酶活性總體呈現(xiàn)遞減趨勢，這可能是因為農耕地土壤肥力較差，微生物只能通過分解土壤表層扁蓿豆的枯落物使其生長繁殖，但隨著土層深度增加，土壤水分、溫度及養(yǎng)分限制了土壤生物的生存，且土壤微生物也相應減少，使得土壤表層酶活性強于土壤深層[27-30]。同時，由于植物(扁蓿豆)根系主要分布于土壤表層，植物根系越多酶類物質分泌也相應增加，從而增強了表層土壤酶活性[31]。土壤酶活性的變化比較復雜，枯落物分解程度、植物根系分泌物、土壤溫度、濕度及不同栽培方式等均對土壤酶活性造成不同程度的影響，且對每一種酶的具體影響因素也有所不同[32]。本研究中，秸稈和地膜覆蓋處理的5種土壤活性均顯著高于無覆蓋處理，且隨著土壤深度加深酶活性逐漸變弱，這可能因為地表覆蓋作物秸稈和地膜處理，改變了土壤水分和溫度，為土壤中各種生物化學反應過程創(chuàng)造了良好環(huán)境，在一定程度上激發(fā)了酶活性，進而促進扁蓿豆生長[33-34]。地表覆蓋地膜有利于增墑保溫，但雨季時地膜覆蓋不利于降水入滲，從而導致土壤含水量降低使得土壤尿素濃度增加，進而土壤脲酶活性增強。而秸稈覆蓋和壟溝處理由于其保墑和調溫的作用，以及秸稈本身腐爛分解產生的有機物顆粒，有利于增強土壤脲酶活性[35-36]，這充分說明地表覆蓋可以有效增強土壤脲酶活性?？傮w而言，在隴中干旱地區(qū)短期內采用地膜和秸稈覆蓋種植有利于增強土壤酶活性，尤其以秸稈覆蓋種植的土壤酶活性最高，越有利于提高土壤肥力和扁蓿豆種子產量。

4 結論

地表覆蓋種植對土壤酶活性產生了不同程度的影響，土壤酶活性總體表現(xiàn)為：秸稈覆蓋>地膜覆蓋>無覆蓋處理，且隨著土層深度的增加，土壤酶活性呈逐漸減小趨勢。不同覆蓋模式下土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、纖維素酶、過氧化氫酶活性在生長第2年均高于生長第3年。壟溝覆秸和平作覆秸處理下土壤蔗糖酶和纖維素酶活性最高，秸稈覆蓋種植可顯著增強土壤蔗糖酶和纖維素酶活性。各覆蓋模式的土壤酶活性均在0～10 cm土層最強，土壤肥力也相應較高，因此在隴中干旱地區(qū)，采用秸稈覆蓋種植更有利于增強土壤酶活性。