生草栽培對油茶林地土壤養分特征和微生物及酶活性的影響

傅聿青，李 江，李建安，孫 穎，雷小林，賀義昌，王金鳳

（1.河北省塞罕壩機械林場，河北 圍場 068466；2.中南林業科技大學a.經濟林育種與栽培國家林業局重點實驗室；b.經濟林培育與保護省部共建教育部重點實驗室；c.經濟林培育與利用湖南省2011協同創新中心，湖南 長沙 410004；3.江西省林業科學院，江西 南昌 330013）

了解土壤酶活性、微生物數量特征及養分特征對于了解土壤質量和養分狀況具有重要意義[1-2]。土壤酶是土壤生物活動的產物，參與土壤有機質礦化釋放出C、N、P，對于維持土壤肥力、生態系統生產力和生態系統碳平衡起著重要作用[3-4]，是土壤質量及肥力標準的評價指標之一，與土壤生態系統發生的變化基本一致[5-6]。許多學者以磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶等為重點對土壤酶系統進行了研究，其中的蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性分別表征土壤碳、氮、磷素的供應狀況[7]。土壤微生物受到溫度、水分和季節變化的影響，不同的耕作制度和管理措施也會影響土壤微生物的空間變異和生物活性的變化[8]。測定土壤酶活性、微生物數量及營養元素含量，分析各指標間的相關性和內在聯系具有重要意義。

南方油茶種植區夏季高溫干旱，油茶林地地表溫度高，水分蒸發嚴重，致使土壤板結，結構不協調，通氣透水性差；若遇季節性的強降雨，容易造成土壤養分流失，土壤肥力下降，嚴重影響油茶的生長和產量。目前，對此方面的研究主要集中在油茶林地不同間作、套種模式對油茶樹體生長[9-10]、土壤養分[11-12]和水土保持[13]的影響，有關林地覆蓋的研究也有報道[14]。林地生草及間作可以有效降低地表溫度，并具有較好的保水效果，生草刈割又可以用作飼草和綠肥[15-16]，是一種兼具生態價值、經濟價值的林地耕作模式。目前，有關柑橘園[17]、銀杏林[18]、桉樹林[19]等不同林地林下間作栽培的研究都有過報道，而有關生草栽培下油茶林地的土壤酶活性、微生物特性和土壤養分狀況及其相關性分析的研究卻鮮見報道。為了探討生草栽培對油茶林地土壤特征的影響情況，從而給油茶林地生草模式的建立提供參考依據，以人工播種的百喜草和自然生長的馬唐草的生草區為研究對象，分別測定了生草根際土、生草區油茶根際土和生草與油茶樹體交界處土壤的酶活性、微生物數量、土壤養分含量和pH值，現將測定結果分析報道如下。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省宜春市袁州區西村鎮分界村，地處27°10′～27°18′ N、114°54′～114°57′ E，海拔180 m，年平均氣溫16 ℃，年降水量1 595.8 mm；紅壤。基地面積33 hm2，品種為贛無系列和長林系列豐產良種，2010年造林，種植密度2.0 m×2.5 m，樹體生長良好。

1.1.2 試驗設計

試驗區分別設為百喜草、馬唐草、無生草3個區，馬唐草為自然生長，百喜草為人工種植。百喜草于春季播種，種植密度為20 cm×20 cm；試驗區的生草均為連續2年生草，生草離樹體60 cm。試驗共設8個處理：處理Ⅰ，百喜草根際土；處理Ⅱ，百喜草與油茶樹體交界處土壤；處理Ⅲ，百喜草區油茶根際土；處理Ⅳ，馬唐草根際土；處理Ⅴ，馬唐草與油茶樹體交界處土壤；處理Ⅵ，馬唐草區油茶根際土；處理Ⅶ，無生草區油茶根際土；處理Ⅷ，無生草區空白土壤；處理Ⅷ，即為對照（CK）。

1.2 樣品采集

樣品采集于2017年7月30日，參考 Riley等的抖落法采集根際土壤樣品；收集所采土樣，帶回實驗室自然風干，研磨、過40目篩，保存待測。

1.3 測定方法

土壤微生物數量的測定，采用平板接種法[22]；土壤酶活性的分析，按照關蔭松和周禮愷[21-22]的方法；分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法和磷酸苯二鈉比色法，依次測定脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶；參照《土壤農業化學分析方法》[23]分別測定土壤有機質、土壤養分和pH值。

1.4 數據分析

采用 Excel 2016進行數據處理和作圖，采用SPSS22.0等軟件進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同生草區的土壤酶活性

土壤酶活性可以反映出各種生物化學過程和物質循環的方向和強度，可以作為土壤肥力的評價標準，主要來源于動植物殘體分解、植物根系分泌物及土壤微生物活動分泌物。不同生草區不同處理下土壤酶活性的測定結果見表1。由表1可知，人工生草區各處理（處理Ⅰ～Ⅵ）和無生草區油茶根際土（處理Ⅷ）的酶活性均顯著高于無生草區空白對照（處理Ⅶ）（P＜0.05）。蔗糖酶在土壤的生化過程中參與水解，分解大分子蔗糖，為植物生長提供能源和碳源。由表1可知，各處理蔗糖酶活性的大小順序為：處理Ⅰ＞處理Ⅲ＞處理Ⅳ＞處理Ⅵ＞處理Ⅱ＞處理Ⅴ＞處理Ⅶ＞CK。其中，處理Ⅰ和處理Ⅶ比CK分別提高了7.31和6.87倍，表明百喜草根系對其根際土壤和油茶根際土壤蔗糖酶活性的影響均大于馬唐草。脲酶是土壤中催化尿素水解的唯一酶類，其活性可以反映土壤氮素的供應能力。表1表明，各處理脲酶活性的大小順序為：處理Ⅲ＞處理Ⅰ＞處理Ⅵ＞處理Ⅱ＞處理Ⅳ＞處理Ⅶ＞處理Ⅴ＞CK。其中，處理Ⅶ和處理Ⅰ比CK分別提高了2.99和2.97倍，處理Ⅲ比處理Ⅵ和處理Ⅶ分別提高了1.31和1.82倍，說明百喜草對油茶根際土壤脲酶活性的影響比較大。過氧化氫酶能清除代謝中產生的H2O2，避免H2O2的積累對根系細胞核氧化產生破壞作用；酸性磷酸酶具有轉化有機或無機磷酸鹽的能力，可加快土壤有機磷的循環，提高磷的有效性。從表1中可以看出，百喜草根際土壤（處理Ⅰ）過氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性均大于馬唐草根際土壤（處理Ⅳ）和無生草區空白對照（CK）。不同生草區油茶根際土壤蔗糖酶和脲酶活性的大小順序為：人工生草區（處理Ⅶ）＞自然生草區（處理Ⅵ）＞無生草區（處理Ⅶ）。百喜草根際土和其生草區油茶根際土酶活性的影響效果都優于馬唐草和無生草區。

表1 不同生草區不同處理下土壤酶活性的測定結果?Table 1 Results of soil enzyme activity under different treatments in different sod culture areas

2.2 不同生草根際和非根際土壤微生物特征

土壤微生物主要包括細菌、放線菌和真菌3大類，各類微生物積極參與土壤生態系統中的物質循環和能量流動，在維持生態系統的平衡和功能方面均起著重要作用，根系微生物在根際微生態系統中對養分的轉化吸收和根系的生長均有獨特的影響。合理的生草栽培對油茶土壤根際有益微生物有促進作用。不同生草區不同處理下土壤微生物的測定結果見表2。由表2可知，生草區和無生草區油茶根際微生物的總數均顯著高于CK（P＜0.005）。各處理微生物數量的大小順序為：處理Ⅲ＞處理Ⅰ＞處理Ⅵ＞處理Ⅳ＞處理Ⅶ＞處理Ⅱ＞處理Ⅴ＞CK。其中，處理Ⅲ的微生物群落達到了89.79 (104CFU)·g-1個，生草區處理Ⅲ、處理Ⅵ的油茶根系微生物數量比無生草區處理Ⅶ的油茶根系微生物數量分別提高了1.36和1.21倍。不同草種根際的微生物數量的大小順序為：百喜草（處理Ⅰ）＞馬唐草（處理Ⅳ）＞無生草（CK）。細菌、真菌和放線菌的變化規律與微生物總數的變化規律基本一致，即根際區＞非根際區，油茶根際微生物和生草草種根際微生物的數量大小均呈現為百喜草＞馬唐草＞CK。這表明，生草能改善微生物生長的環境，提高微生物的數量；且百喜草優于馬唐草。

表2 不同生草區不同處理下土壤微生物的測定結果Table 2 Results of soil microbial under different treatments in different sod culture areas (104 CFU)·g-1

2.3 不同生草根際土壤的pH值和養分特征

pH值是用來表示土壤酸堿度的，適宜的酸堿度有利于土壤微生物活動、酶活性和養分的有效性，從而影響植物的生長發育。不同生草區不同處理下土壤pH值和養分含量的測定結果見表3。由表3可知，根際區土壤的pH值均低于非根際區，CK最高，達到4.83，但是各個處理之間pH值的變化不顯著，這是因為，生草根系與油茶根系生長中分泌有機物，經過分解產生有機酸，因而使得根際土的酸性更強。

表3 不同生草區不同處理下土壤pH值和養分含量的測定結果Table 3 Soil pH and nutrient characteristics under different treatments

土壤有機質和土壤養分是衡量土壤肥力的重要指標，影響土壤團粒結構的形成、土壤微生物的含量和酶的活性。從表3中可以看出，土壤有機質含量，根際區＞生草與油茶樹體交界處＞空白對照，即處理Ⅲ＞處理Ⅰ＞處理Ⅵ＞處理Ⅳ＞處理Ⅶ＞處理Ⅱ＞處理Ⅴ＞CK，比CK分別提高了77.7%、64.6.%、57.1%、47.3%、32.7%、31.8%和23.7%。土壤養分含量，出根際區＞生草與油茶樹體交界處＞空白對照，但全N、全P、全K的含量變化均不大，而有效N、有效P、速效K的含量變化均較顯著，生草區各處理的根際養分含量均顯著高于CK（P＜0.005）。有效N含量，人工生草區＞自然生草區＞無生草區；其中，處理Ⅰ最高，達到了112.32 mg·kg-1；CK最低，為30.36 mg·kg-1；處理Ⅰ、處理Ⅲ和處理Ⅵ比CK分別增加了3.70、3.56和2.85倍。有效P含量，根際＞非根際，處理Ⅲ最高，達到6.416 mg·kg-1，CK最低，為1.675 mg·kg-1。速效K含量，根際區的提高幅度比非根際區更加顯著；在人工生草區，百喜草根際（處理Ⅰ）和油茶根際（處理Ⅲ）的速效K含量比交界處（處理Ⅱ）的分別提高了101.3%和96.8%；在自然生草區，馬唐草根際（處理Ⅳ）和油茶根際（處理Ⅵ）的速效K含量比交界處（處理Ⅴ）的分別提高了96.1%和94.6%；而在無生草區，油茶根際（處理Ⅶ）的速效K含量比CK只提高了53.2%。這一測定結果表明，生草對土壤的有機質、有效N、有效P、速效K的影響均較大，生草對根際的影響也很明顯，說明生草改善了土壤的理化性質，有效地提高了土壤養分的含量，對土壤具有積極的影響。

2.4 不同處理下土壤各養分與土壤酶活性、微生物數量間的相關性

土壤酶活性與微生物之間相互影響，而其內部各因子間也存在著相互影響的機理。生草栽培下土壤酶活性和各種微生物間的相關系數見表4。由表4可知，過氧化氫酶和酸性磷酸酶間呈極顯著性正相關，脲酶和蔗糖酶間呈極顯著正相關，說明在過氧化氫酶和酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶在酶活性的變化過程中其聯系最密切。細菌、真菌、放線菌間呈極顯著正相關，表明3 種土壤微生物在參與不同土壤生化過程中存在著密切聯系。在酶活性與微生物之間，細菌與脲酶和蔗糖酶間均呈顯著正相關，放線菌與脲酶間呈顯著正相關。這一分析結果表明，各酶活性之間、各種土壤微生物之間均存在著相關性，酶活性與微生物之間也存在著相關性。

表4 生草栽培下土壤酶活性和各種微生物間的相關系數?Table 4 Soil enzyme activity and microbial correlation coefficient under sod culture

土壤酶可以在一定程度上反映土壤中碳、氮、磷、鉀的轉化強度，在營養元素物質交換過程中具有十分重要的影響；微生物與各營養元素也緊密相聯，相互作用。生草栽培下土壤各養分元素與酶活性和各種微生物間的相關系數見表5。從表5中可以看出，土壤pH值和土壤各養分含量與土壤微生物、酶活性間的相關性有所不同。其中，有機質、全N、有效N和有效P與脲酶和蔗糖酶間均呈顯著正相關；有機質與放線菌間呈顯著正相關，而與細菌和真菌間均呈極顯著正相關；全N與細菌間呈正相關；速效K與過氧化氫酶和酸性磷酸性酶間均呈顯著正相關，而與細菌和真菌間均呈極顯著正相關。

3 結論與討論

土壤酶活性、土壤微生物和土壤養分對土壤肥力和土壤質量均有重要作用，均為土壤理化性質的重要評價指標。選擇合適的草種進行林下生草栽培，不但能改善林地土壤養分狀況，調節pH值，還能保持林地水分，調控林間微氣候，創造一個良好的林地環境，對土壤微生物數量的增加和土壤酶活性的增強均有積極作用。

表5 生草栽培下土壤各養分元素與酶活性和各種微生物間的相關系數Table 5 Correlation coefficients of soil nutrients, enzyme activities and microorganisms under sod culture

本研究結果表明，生草區土壤酶活性和微生物數量都高于無生草區，說明生草能提高土壤酶活性和微生物數量，這與羅旭輝[24]、曹銓[25]對果園生草效果的研究結果一致。在土壤養分方面，生草區土壤的全N、全P、全K含量均高于無生草區，但提高幅度不是很大，而生草區的有效N、有效P、速效K含量均顯著高于無生草區。這一結果表明，生草對土壤有效N、P、K的提高均有很大作用，這與前人的大部分研究結果一致。大部分植物都具有一定的根際效應，大部分植物的根系分泌物能促進微生物的生長和酶活性的增強，但部分植物的根系分泌物也會抑制微生物和土壤酶活性[26]。研究中發現，百喜草根際、馬唐草根際、油茶根際的土壤酶活性、微生物數量、土壤養分含量均高于非根際區。這與葉秋萍的研究結論相符[27]，這表明，百喜草根系、馬唐草根系和油茶根系對土壤肥力都有促進作用。而在草種選擇方面，百喜草對土壤綜合肥力的影響優于馬唐草，表明百喜草是更好的林下生草品種。

本研究結果還表明，在土壤酶活性、微生物、土壤養分中，其內部各因子間均存在著相關性，相互之間也存在著相關性，其中，過氧化氫酶和酸性磷酸酶間呈極顯著性正相關，脲酶和蔗糖酶間呈極顯著正相關；細菌、真菌、放線菌間直接呈極顯著正相關；在酶活性與微生物之間，細菌與脲酶和蔗糖酶間均呈顯著正相關，放線菌與脲酶間呈顯著正相關；有機質、全N、有效N和有效P與脲酶和蔗糖酶間均呈顯著正相關；有機質與放線菌間呈顯著正相關，而與細菌和真菌間均呈極顯著正相關；全N與細菌間呈正相關；速效K與過氧化氫酶和酸性磷酸性酶間均呈顯著正相關，而與細菌和真菌間均呈極顯著正相關。這與邱權等人的研究結果[28]一致。

目前，有關油茶林下生草和間作栽培的研究常見報道。丁怡飛等人研究發現，鼠茅草間作經營一定程度上提高了油茶林地土壤肥力水平，對油茶林地土壤改良和可持續生產具有積極作用[29]。曹永慶等人的研究結果表明，油茶山稻間作顯著提高了土壤過氧化氫酶和磷酸酶活性[30]。陳隆升等人研究發現，間種迷迭香一定程度上促進了油茶幼林樹體的生長，顯著促進了花芽的分化，極顯著降低了油茶幼林蟲害的發生程度[31]。周乃富等人研究發現，油茶生草栽培具有冬春季增溫而夏季降溫的作用，并有利于保持土壤水分，不僅能降低土壤容重，提高其孔隙度和田間持水量，還能顯著提高土壤中有機質、速效磷和速效鉀的含量[32]。孫穎等人研究發現，油茶林間作農作物在夏季能有效降低林內光照強度和淺層土壤溫度，增加林內空氣濕度，對油茶林氣象生態環境的改善作用顯著[33]。本研究結果表明，兩種林地生草栽培相比于對照其土壤微生物含量增加、酶活性和土壤肥力增強，綜合來說，百喜草的作用比馬唐草更加明顯。另外，本研究只選取了兩個草種，對生草區只觀測了連續兩年的數據，相對來說，草種較少，觀測年限較短；其次，對油茶樹體生長量和油茶果實產量及油脂成分缺少分析，這些內容都將有待于進一步研究。