3種藥用植物單/混播對沙化土壤碳、氮質量分數及酶活性的影響

吳羽晨，藺 芳，張家洋，張路路

（新鄉學院 生命科學技術學院，河南 新鄉 453003）

在當前中國水土流失嚴重、生態平衡危機頻發、栽培藥材品質備受質疑的大背景下，尤其是2020年初新冠病毒的突然來襲，金銀花Lonicera japonica、內蒙黃芪Astragalus membranaceusvar.mongholicus等傳統中藥材的品質和產量需求大增。發展藥用植物的生態種植在合理利用土地資源、防治病蟲害、改良土壤肥力、增強作物對自然災害的抗逆能力等方面都有重要的作用。傳統藥用植物多為單一栽培模式，土地生產力和使用率低，對產業持續性發展不利[1]。相比而言，混播栽培是提高作物產量的有效措施。研究表明[2-3]：混播有助于防止水土流失，有利于病蟲害治理和增強作物對自然災害的抵抗力，在調節土壤生物養分有效性及生態系統資源合理配置等方面也至關重要。目前，混播多在豆科Leguminosae植物(如紫花苜蓿Medicago sativa、豌豆Pisum sativum等)-禾本科Gramineae植物(如燕麥Avena sativa、小麥Triticum aestivum等)間采用[4-5]。豆科植物根系的固氮能力不僅可以維持自身的氮素營養需求，還可通過根系間的相互作用為與其混播的作物提供養分，滿足后者生長過程中的生理需求。近年來藥用植物的研究主要聚焦在土壤施用肥料數量和不同質地土壤對藥用植物生產量的影響[6-9]上，對不同播種模式下，土壤中有機碳、氮質量分數及土壤酶活性的研究較少；少有豆科植物與與藥用植物的混播研究。本研究在不施氮磷鉀肥的情況下，以忍冬科Caprifoliaceae金銀花、菊科Compositae杭白菊Chrysanthemum morifolium和豆科內蒙黃芪為研究對象，采用大田實驗隨機區組設計，以沙化裸地(ck)為對照，研究金銀花單播(LJT)、杭白菊單播(CMR)、黃芪單播(AMB)、金銀花/內蒙黃芪混播(LJT/AMB)、杭白菊/內蒙黃芪混播(CMR/AMB) 5種模式下土壤碳、氮質量分數和酶活性的變化，旨在為人工藥用草地建植及土壤治理保護提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于河南省新鄉市洪門鎮(35°16′N，113°57′E)，海拔120 m，大陸性季風氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫為14.2 ℃，全年平均日光輻射時數約2 400 h，年平均降水量為573.4 mm，年際間降水分布不均，主要集中在7、8月，年平均相對濕度為68.0%，無霜期220 d[10]。供試土壤為砂壤土，供試土壤0～40 cm土層基本養分狀況見表1。

表1 供試土壤(0～40 cm)養分特性Table 1 Soil nutrient characteristics (0-40 cm)

1.2 試驗設計

2016-2019年連續4 a進行隨機區組試驗。共設6個處理，即：以沙化裸地為對照(ck)，設LJT、CMR、AMB、LJT/AMB、CMR/AMB等5種不同的播種模式，各處理重復3次，共18個小區，各小區面積為30 m2(5 m×6 m)。杭白菊、金銀花均為南北行種植，株距60 cm，行距60 cm。內蒙黃芪為條播，行距為33 cm，播種量為15 kg·hm-2，混播模式下金銀花與內蒙黃芪的行間距為40 cm，杭白菊與內蒙黃芪的行間距為40 cm。不施用任何肥料，采用免耕處理，定期澆水及除草。

1.3 樣品采集及測定

2019年10月，清除土壤表面的枯枝落葉及地表碎石，五點法取樣采集土壤樣品裝入自封袋帶回實驗室。自然風干后研磨，過篩，檢測土壤各指標。采用有機碳分析儀(Elementar，德國)測定土壤有機碳質量分數(g·kg-1)，采用堿解擴散法測定土壤堿解氮質量分數(g·kg-1)[11]。采用常規測定方法檢測分析土壤酶活性[12]。采用靛酚藍比色法測定脲酶活性，以24 h后1.0 g土樣中銨態氮質量分數(mg·g-1)表示；采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性，以24 h后1.0 g土樣中葡萄糖質量分數(mg·g-1)表示；采用磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性，以24 h后1.0 g土樣中釋放的酚的質量分數(mg·g-1)表示；采用鄰苯二酚比色法測定多酚氧化酶活性，以2 h后1.0 g土樣中紫色沒食子素的質量(mg)表示。

1.4 數據處理與分析

數據以3次平行測定的平均值±標準誤表示，經Excel 2007和SPSS 19.0軟件統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行分析，Pearson相關系數法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同播種模式下土壤有機碳質量分數

由圖1可知：相比于ck，5種播種模式下不同土層土壤有機碳質量分數均顯著增加(P＜0.05)，且同一土壤深度土壤有機碳質量分數從大到小均依次為CMR/AMB、LJT/AMB、AMB、CMR、LJT、ck。與3種單播模式相比，2種混播模式下土壤有機碳質量分數均顯著增加(P＜0.05)，其中CMR/AMB模式有機碳質量分數略高于LJT/AMB(P＞0.05)。LJT和CMR模式下土壤表層(0～20 cm)有機碳質量分數較ck顯著增加(P＜0.05)，而在土壤亞表層(20～40 cm)無顯著性差異(P＞0.05)。此外，不同種植模式下土壤有機碳質量分數均呈表聚性現象，即土壤有機碳質量分數隨著土壤垂直剖面加深而逐漸降低。

圖1 不同播種模式下土壤各土層有機碳質量分數Figure 1 Soil organic carbon content under different planting patterns

2.2 不同播種模式下土壤堿解氮質量分數

由圖2可知：AMB、CMR/AMB和LJT/AMB播種模式下土壤堿解氮質量分數最高，分別為63.89，62.87和61.66 mg·kg-1，3種播種模式間無顯著差異(P＞0.05)；但顯著高于LJT和CMR模式(P＜0.05)。在土壤表層(0～20 cm)5種播種模式下堿解氮質量分數均顯著高于ck (P＜0.05)，但在土壤亞表層(20～40 cm)無顯著差異(P＞0.05)。說明不同播種模式下土壤堿解氮質量分數也呈現表聚性現象。

圖2 不同播種模式下土壤各土層堿解氮質量分數Figure 2 Soil available nitrogen content under different planting patterns

2.3 不同播種模式下土壤酶活性

與ck相比(表2)，5種播種模式下4種土壤酶(脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶)活性均顯著增加(P＜0.05)。20～40 cm土層，單播和混播模式之間蔗糖酶和堿性磷酸酶活性差異顯著(P＜0.05)，5種播種模式下土壤脲酶活性差異顯著(P＜0.05)，土壤氧化酶活性差異不顯著(P＞0.05)。從土壤酶活性的各土層平均值來看，各個播種模式下土壤脲酶活性較ck的增幅最大。LJT/AMB的脲酶活性(0.789 9 mg·g-1)和多酚氧化酶活性(1.077 6 mg·g-1)最高，CMR/AMB下的蔗糖酶活性(8.289 6 mg·g-1)和堿性磷酸酶活性(0.644 8 mg·g-1)最高。LJT/AMB下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對比ck分別增加201.82%、56.95%、77.05%和70.85%，CMR/AMB下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對比ck分別增加192.63%、58.37%、78.75%和59.36%，AMB模式下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對比ck分別增加140.62%、44.57%、52.86%和57.90%，CMR模式下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對比ck分別增加106.74%、38.42%、49.06%和55.25%，LJT模式下脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性對比ck分別增加67.69%、33.80%、23.63%和55.81%。此外，從土壤的垂直分布來看，不同播種模式下土壤酶活性也呈表聚性特征。

表2 不同播種模式下各土層土壤酶活性Table 2 Soil enzyme activities in each soil layer under different planting patterns

2.4 相關性分析

由Pearson相關系數(表3)可知：土壤有機碳與堿解氮、4種酶呈極顯著相關(P＜0.01)，土壤堿解氮與4種酶呈極顯著相關(P＜0.01)。4種土壤酶彼此之間呈極顯著相關(P＜0.01)。其中脲酶與堿性磷酸酶之間相關系數達0.965，有機碳與堿性磷酸酶之間相關系數達0.949，蔗糖酶與多酚氧化酶之間相關系數達0.948，說明土壤碳、氮與酶之間關系極為緊密。

表3 土壤碳、氮質量分數與酶活性的相關性分析Table 3 Correlations analysis of soil carbon, available nitrogen and enzyme activities

3 討論與結論

與單播相比，混播不僅可以增加土壤碳、氮總量，更利于土壤有機碳庫的穩定[13-14]，還能增加土壤速效養分含量，提高土壤養分的有效性。本研究發現：LJT/AMB模式下，土壤有機碳和堿解氮質量分數(0～40 cm土層平均值)較LJT分別提高了19.41%和11.80%，CMR/AMB模式下，土壤有機碳和堿解氮質量分數較CMR分別提高了20.16%和13.24%，這與包興國等[15]、鄭偉等[16]發現混播更有助于改善土壤有機碳、堿解氮的結論一致。作為生物固氮植物，混播模式下內蒙黃芪在向金銀花/杭白菊轉移土壤氮素的同時，也能通過氮素根際沉積為金銀花/杭白菊提供一定的氮素，減緩土壤氮素消耗，土壤速效氮質量分數明顯高于LJT和CMR。土壤脲酶通過水解土壤中的尿素形成銨態氮提供氮源，其活性直接表征氮素轉化率[17-19]；土壤蔗糖酶通過水解土壤有機質生成葡萄糖提供碳源，表征有機碳的積累轉化和土壤熟化程度[20-21]；土壤堿性磷酸酶通過加速有機磷的脫磷速度直接參與土壤磷素循環，表征磷元素生物轉化方向和強弱[22]；土壤多酚氧化酶參與土壤芳香族化合物循環，通過分子氧氧化酚或多酚形成醌，醌與土壤中蛋白質、糖、礦質元素等反應生成有機質，分解凋落物木質素獲取碳、氮元素[23-24]。藺芳[18]發現：土壤脲酶、蔗糖酶對土壤碳循環有直接貢獻，脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶對土壤氮循環有直接貢獻，與本研究一致，說明土壤中不同種類酶之間、酶和土壤養分之間具有協同交互作用[25]。本研究混播模式下的4種土壤酶活性均顯著均高于3種單播和ck (P＜0.05)，且相關性分析表明：土壤有機碳和堿解氮均與4種酶活性極顯著相關(P＜0.01)。說明在混播體系中，豆科植物的生物固氮作用及種間競爭作用促進了植物根系生長，大大增加根系種類、生物量和根系縱橫分布，增加土壤孔隙度，提高蓄水保水能力，從而改變土壤理化性質。豆科植物根系周圍的根瘤菌能促進根系分泌物、細根周轉，改善菌根代謝，使得土壤微生物代謝旺盛，呼吸強度增強，促進蔗糖酶、脲酶活性，提高碳素、氮素轉化效率，促進堿性磷酸酶和多酚氧化酶活性，對提高土壤肥力有重要作用[26-27]。不同種植模式下土壤有機碳、堿解氮和酶活性均在土壤剖面呈表聚性，表明土壤表層更有利于酶促反應形成有機質和有效氮。與TU等[25]、來幸樑等[28]結果一致。土壤表層凋落物、腐殖質容易積累，微生物代謝旺盛，植物根系集中，有利于物質積累和酶促反應的進行；隨著土壤深度的加深，土壤中的水、汽、熱狀況變差，微生物生境變差，數量急劇減少，酶促反應底物也不如表層，碳氮積累和酶活均隨著土層剖面下降。

混播模式充分利用豆科植物內蒙黃芪的生物固氮作用，使金銀花/杭白菊在沒有氮肥的條件下獲取氮源，提高植物氮素吸收利用效率，減少土壤無機氮的累積，降低種植地氮素污染的風險。杭白菊/黃芪混播和金銀花/黃芪混播模式下土壤有機碳、堿解氮質量分數、土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均顯著高于杭白菊或金銀花單播(P＜0.05)，而彼此之間差異不顯著(P＞0.05)。相較于單播，2種混播模式對土壤有機碳、堿解氮的積累和土壤酶活性的促進作用更強，更有利于改良土壤肥力，是適合在豫北地區推廣的可持續發展的生態農業模式。