不同地面覆蓋模式對櫻桃園土壤活性有機碳組分及相關酶活性的影響

陳俊樸，黃圣杰，陳 濤，方從剛，馬鑫鵬，郭文濤，黃成毅,4*

(1.四川農業大學水利水電學院，四川 雅安 625014；2.四川農業大學生命科學學院，四川 雅安 625014；3.成都市國土資源信息中心，四川 成都 610041；4.四川農業大學環境學院，四川 成都 611130)

【研究意義】果園是農田生態系統中重要的土地利用類型；與短期種植的作物生態系統相比，果園生態系統具有較高的穩定性和更大的碳儲蓄潛力[1]。土壤是果園生態系統中最大的碳庫，土壤碳庫的變化影響著果園土壤的養分供應和整個系統的碳循環。活性有機碳是土壤碳庫中最活躍的組分，周轉速率快、易被分解轉化，是指示土壤碳庫變化的重要指標[2]。土壤酶參與土壤中各種生化反應，且土壤中有機碳的轉化依賴于酶系統，推動著生態系統中能量流動和物質循環[3]。活性有機碳和酶均是土壤中活躍的有機組分，對果園生態系統的碳平衡有重要影響，且受人為田間管理措施的直接影響。地面管理制度在果園土壤可持續性利用方面發揮著重要作用，展開其對土壤碳庫的影響研究對果園生態系統固碳具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】人工種草、有機物料覆蓋、地膜覆蓋是果園代替清耕的主要地面管理措施，在控草、保溫保墑、防治水土流失等方面有較優的效果[4]。地膜覆蓋有較好的保溫保墑效果，在果園中應用廣泛，通過影響土壤的水熱條件進而影響有機碳的變化過程，張林森等[5]于蘋果園覆膜試驗的研究表明，地膜覆蓋提高了土壤活性有機碳含量；卜玉山等[6]研究認為地膜覆蓋降低了土壤有機碳含量；而吳榮美等[7]和梁貽倉等[8]認為地膜覆蓋對有機碳及其活性組分影響不大。許多研究表明，生草覆蓋能增強果園土壤團聚體穩定性、養分的有效性，增加土壤有機碳含量并改善土壤物理化學性質[9-12]，國內外部分研究證明適當的自然生草管理覆蓋可以恢復果園土壤退化，并且雜草被認為是調節土壤有機碳的中間庫[13-16]；王耀鋒等[17]于桃園種植毛苕子后，發現土壤總有機碳未發生顯著變化，而劉富庭等[12]于蘋果園種植毛苕子后較清耕顯著提升了總有機碳含量。由于地域差異以及作物系統不同，有關各地面覆蓋措施對土壤碳庫的研究結果并不完全一致，各地表覆蓋措施在果園生態系統中的應用還需進一步研究。地布(也稱“園藝地布”)是一種編織而成的布狀材料，近年來在果園逐漸展開應用，在桔園[18]和蘋果園[19]中已有部分報道，并表明地布覆蓋能提高水分利用效率，提高果實品質，但有關地布覆蓋對果園碳庫的影響研究較少?！颈狙芯壳腥朦c】有關人工種草、自然生草、地布等地面覆蓋措施對櫻桃園土壤質量的影響鮮有報道。開展進一步研究對櫻桃園合理的土壤覆蓋管理制度的構建以及土壤的可持續利用具有重要意義。因此，本文以傳統清耕為對照，研究地布覆蓋、自然生草覆蓋和人工種植野豌豆覆蓋對櫻桃園土壤有機碳及其活性組分和相關酶活性的影響?！緮M解決的關鍵問題】探明這3種覆蓋模式下果園土壤活性有機碳組分及相關酶活性的變化特征，為改善櫻桃園土壤質量以及構建合理、可持續的地面管理措施提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與供試材料

本研究區域位于四川省成都市新津縣新平鎮萬街村“憨博士櫻桃園”(N30°43′57.08″，E103°75′98.22″)，位于成都平原南部，屬亞熱帶季風濕潤性氣候，無霜期長，雨量充沛，四季分明，年均氣溫16.4 ℃，年平均降雨量987 mm，多年平均日照1119.1 h，極端最低氣溫為-4.7 ℃，極端最高氣溫為36.6 ℃，年平均無霜期為297 d，日平均氣溫小于5 ℃的年平均天數為103 d。試驗區供試土壤類型屬平壩沖積性水稻土，土壤各層次基礎肥力如表1所示。供試覆蓋材料：人工種植草種為長柔毛野豌豆(一年生豆科植物)；園藝地布(江蘇無錫飛洋塑業提供)：黑色+PP材質+防老化UV，重90 g/m2，幅寬1.5 m，使用壽命5年；自然生草草種：春季群落主要是豬秧秧(GaliumspuriumL.)、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、薺菜[Capsellabursa-pastoris(Linn.) Medic.]、毛茛(RanunculusjaponicusThunb.)、棒頭草(PolypogonfugaxNees ex Steud.)、蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)，夏季群落主要是牛筋草[Eleusineindica(L.) Gaertn.]、龍葵(SolanumnigrumL.)、苦苣菜(S.oleraceusL.)、蒿(Artemisia)等；供試櫻桃品種為“南早紅”(中國櫻桃)，園間耕作方式為壟作，壟寬2.5 m，壟長15.0 m，每壟6棵櫻桃樹，沿壟中心線(與長邊平行)種植，樹齡6年。

表1 供試土壤基礎理化性質

1.2 試驗設計

定位試驗于2018年9月下旬進行，試驗共設置野豌豆覆蓋(VSM)、地布覆蓋(GCM)、自然生草覆蓋(NGM)和清耕(CK)共4個處理，每處理設3個重復，共12個小區(1區1壟)，每個小區面積37.5 m2。每年9月下旬每個小區按羊糞2250.0 kg/hm2、磷酸二銨375.0 kg/hm2、地補樂450.0 kg/hm2和鈣肥37.5 kg/hm2作為基肥一并施入。野豌豆覆蓋小區分別于2018年10月下旬、2019年10月下旬2次播種，播種方式為撒播，播前微松表皮土壤并除去雜草，種子浸泡24 h后均勻撒播于整個小區壟面上，播種深度1～2 cm，播種量為37.5 kg/hm2，春季長勢旺盛，植株結豆莢后逐漸自然腐爛，野豌豆覆蓋處理小區不進行刈割，自然腐解還田。地布覆蓋處理小區于2018年10月下旬覆蓋，覆蓋前清潔小區壟面，揀去表面石頭、樹枝以及堅硬異物，將兩幅地布沿壟長邊方向進行拼接，拼接線與櫻桃樹種植線重合，地布有凸點的一面緊貼地表，地布覆蓋于整個小區壟面，拼接線處和壟面邊緣貼合處均用專用地釘(PPR材質)插入土壤進行固定，除施肥需揭布外，地布全年覆蓋于地表。自然生草覆蓋小區雜草生長高度達到30～40 cm時用割草機進行留茬15 cm刈割，每年刈割3～4次，刈割后就地進行全壟覆蓋。清耕處理小區按園間原有的人工耕作結合化學除草劑方式定期除草。各處理小區除覆蓋材料不同外，全年的追肥、灌溉等園間管理制度均一致。

1.3 樣品采集與測定

于2020年4月櫻桃成熟期間采用多點混合采樣法采集各小區0～10、10～20 cm兩個土層的土樣，混勻后通過四分法取出足夠土樣，樣品裝入塑封袋于冰盒中運回實驗室。挑揀出土樣的動植物殘體及石礫，部分過2 mm篩放于4 ℃冰箱備用，其余土樣風干后備用。

總有機碳(TOC)和采用重鉻酸鉀氧化法測定[20]。易氧化有機碳(LOC)采用333 mmol/L KMnO4氧化法測定[21]。顆粒有機碳(POC)采用5 g/L六偏磷酸鈉分散法，分散后得到的土樣采用重鉻酸鉀氧化法測定有機碳含量并乘以分離出顆粒態土的質量分數即為POC含量[22]。輕組有機碳(LFOC)采用相對密度分組法；稱取過0.25 mm篩風干土5 g于離心管，按1∶5的比例加入相對密度1.8的NaI重液，振蕩1 h(200 r/min)后離心10 min(3000 r/min)，重復3次，用95%乙醇和蒸餾水洗滌干凈，離心管剩余部分為重組土樣，烘干后計算其質量占比，用重鉻酸鉀氧化法測定其有機碳含量，LFOC采用差減法求得[20,22]。溶解性有機碳(DOC)采用0.5 mol/L K2SO4浸提法；稱取相當于10 g干質量的鮮土，按照1∶5的比例加入0.5 mol/L K2SO4，室溫下振蕩1 h(250 r/min)后離心15 min(2500 r/min)，上清液過0.45 μm濾膜，濾液中的DOC采用重鉻酸鉀氧化法測定[20,23]。

酶活性測定：淀粉酶、纖維素酶和蔗糖酶活性分別以1%淀粉溶液、1%羧甲基纖維素溶液和8%蔗糖溶液為底物，采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶采用苯酚鈉一次氯酸鈉比色法測定[24]。

1.4 數據分析

采用Excel 2010處理數據并制圖，采用SPSS 22.0軟件進行方差分析和多重比較(LSD法，P< 0.05)、Pearson相關性分析及多元逐步回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對櫻桃園土壤總有機碳含量的影響

各處理下總有機碳含量隨著土層加深而降低(圖1)。0～10 cm土層和10～20 cm總有機碳含量均表現為NGM>VSM>CK>GCM；其中，NGM和VSM處理于0～10 cm土層分別較CK顯著增加，于10～20 cm土層分別較CK顯著增加(P< 0.05)。而GCM處理于各土層的總有機碳含量與CK處理無顯著差異，但有下降趨勢。

不同小寫字母表示處理間差異達到顯著水平(P < 0.05)，下同Different lowercase letters indicated that the difference between treatments was significant (P < 0.05).The same as below圖1 不同覆蓋處理下對櫻桃園0～20 cm土層總有機碳含量的影響Fig.1 Effects of different mulching treatments on the total organic carbon content of 0-20 cm soil layer in cherry orchard

2.2 不同處理對櫻桃園土壤活性有機碳組分的影響

活性有機碳對不同處理的響應存在差異(表2)，各組分含量均隨著土層加深而減少。NGM、VSM和GCM的POC含量均顯著高于CK，0～10 cm土層的POC含量分別較CK顯著提高73.25%、63.37%和21.66%，10～20 cm土層分別較CK顯著提高了72.83%、62.14%和26.75%。DOC含量表現為3種覆蓋模式均顯著高于CK，其中VSM與NGM無顯著差異，0～20 cm土層DOC平均含量大小趨勢為：VSM(415.42 mg/kg)>NGM(404.26 mg/kg)> GCM(317.22 mg/kg)>CK(263.32 mg/kg)。LFOC含量表現為NGM>VSM>GCM>CK；其中NGM和VSM之間無顯著差異，但均顯著高于CK，0～10 cm土層分別較CK顯著提高，10～20 cm土層較CK顯著提高。LOC含量表現為各土層下3種覆蓋模式均顯著高于CK，0～20 cm土層LOC平均含量大小趨勢為：NGM(3.79 g/kg)>VSM(3.53 g/kg)>GCM(2.85 g/kg)>CK(2.38 g/kg)。

如表3所示，各活性有機碳占總有機碳比值變化范圍大致表現出POC/TOC>LOC/TOC>LFOC/TOC>DOC/TOC，且隨著土層加深而減小。POC/TOC變化范圍為15.91%～29.99%，POC/TOC于0～20 cm土層平均變化順序為NGM(27.83%)>VSM(26.65%)>GCM(22.01%)>CK(15.57%)。DOC/TOC變化范圍為1.36%～2.80%，明顯低于POC/TOC，各覆蓋處理間平均比值變化順序為VSM(2.43%)>NGM(2.32%)>GCM(2.02%)>CK(1.65%)。LFOC/TOC變化范圍為6.5%～9.84%,于0～20 cm土層平均變化順序為NGM(8.97%)>VSM(8.79%)> GCM(8.26%)>CK(7.58%)。LOC/TOC變化范圍為13.29%～22.99%,LOC/TOC于0～20 cm土層平均值為NGM處理最高，分別是VSM、GCM、CK的1.06、1.2、1.46倍。

2.3 不同處理對櫻桃園土壤酶活性的影響

如圖2所示，與清耕(CK)相比，各覆蓋處理對土壤酶活性均有顯著影響，各酶活性對不同覆蓋處理的響應不同，均隨土層加深而降低。纖維素酶活性表現為各覆蓋處理均顯著高于清耕(CK)；NGM、VSM和GCM于0～10 cm土層分別較CK提高77.32%、61.05%和36.63%，10～20 cm土層分別較CK增加84.25%、75.59%和35.43%。淀粉酶活性為1.78～3.80 mg/(kg·d)，3種覆蓋處理均顯著高于清耕， 0～20 cm土層淀粉酶活性平均值為NGM[3.42 mg/(kg·d)]>VSM[(3.26 mg/(kg·d)]> GCM[2.98 mg/(kg·d)]>CK[2.16 mg/(kg·d)]。各土層脲酶活性均為VSM處理最高， 0～20 cm土層VSM平均活性值為0.591 mg/(kg·d)，分別是NGM、GCM、CK的1.10、1.21、1.45倍。各層蔗糖酶活性均表現為NGM>VSM>GCM>CK， 0～10 cm土層NGM、VSM和GCM分別較CK增加118.86%、75.27%和30.14%，10～20 cm土層分別較CK增加95.63%、79.54%和22.30%。

表2 不同覆蓋處理對櫻桃園0～20 cm土層各活性有機碳含量的影響

表3 不同覆蓋處理對櫻桃園0～20 cm土層各活性有機碳分配比例的影響

圖2 不同覆蓋處理下對櫻桃園0～20 cm土層各酶活性的影響Fig.2 Effects of different covering treatments on the activities of enzymes in the 0-20 cm soil layer in cherry orchard

2.4 櫻桃園土壤有機碳組分和酶活性的相關性分析

櫻桃園土壤有機碳組分和酶活性總有機碳與各活性有機碳之間均呈極顯著相關關系(表4)，其中DOC與SOC的相關系數最高?？傆袡C碳與各水解酶活性也均呈極顯著相關，其中蔗糖酶與總有機碳的相關系數最高。

為了解櫻桃園土壤不同酶活性對有機碳各組分之間的影響程度，通過多元逐步回歸分析進一步分析土壤酶活性與各活性有機碳含量之間的關系(表5)。蔗糖酶是總有機碳的顯著正影響因子，顆粒有機碳主要受蔗糖酶和纖維素酶的顯著正影響，蔗糖酶和脲酶是溶解性有機碳和輕組有機碳的顯著正影響因子，易氧化有機碳主要受纖維素酶的顯著正影響。

3 討 論

3.1 不同覆蓋方式對果園土壤有機碳及其活性組分的影響

覆蓋法是果園地面管理系統中重要的土壤管理策略，覆蓋能使地表與外部環境形成一個隔層，控制土壤水分蒸散發、養分流失，調節土壤溫濕度，改善土壤內部微生物進行生命活動的微環境[25]。地表覆蓋對果園生態系統中的有機碳的礦化和積累有重要影響，特別是活性有機碳，如溶解性有機碳、顆粒態有機碳、易氧化有機碳和輕組有機碳等，分子量小、更新速度快，較易為微生物分解利用和植物吸收，能對地表覆蓋迅速響應[4]。本研究結果顯示自然生草覆蓋和人工種植野豌豆覆蓋均較清耕提高了櫻桃園土壤顆粒態有機碳、溶解性有機碳、輕組有機碳和易氧化有機碳含量，并且增加了各活性有機碳的分配比例；這與大多數前人的研究結果相似，陳蘇等[11]于橘園、劉富庭[12]于蘋果園的種草試驗均得到了較好的效果，種草后均提高了土壤易氧化有機碳、顆粒態有機碳、輕組有機碳和溶解性有機碳等活性有機碳含量；谷艷蓉等[26]于桃園和Andrés等[27]于葡萄園的研究結果均表明自然生草覆蓋能提高土壤有機碳含量，同時認為雜草是調節土壤有機碳的中間庫，適當的修剪能增加碳資源的可用性；長柔毛野豌豆屬一年生豆科綠肥，結豆莢后自然腐爛，園間管理方便，無需刈割；姜莉莉[28]和陳學森[29]在蘋果園種植野豌豆的試驗結果均表明野豌豆覆蓋能提升土壤有機碳含量，提高土壤質量。同時，本研究顯示自然生草刈割較野豌豆覆蓋對土壤有機碳庫提升更優，自然生草覆蓋下土壤0～10和10～20 cm土層有機碳含量較清耕顯著提高，野豌豆覆蓋較清耕分別顯著增加，這與閆文濤[14]和姜莉莉[28]研究結果較為相似，由于自然草種豐富，并于全年多次刈割，較野豌豆有更大的還田生物量。果園生草覆蓋是一種多物種、多層次的復合系統，不僅能供給土壤大量有機碳源，還能增加有機碳的有效性，產生大量的不穩定有機碳，果樹能更容易獲得營養。

表4 土壤有機碳組分和酶活性間的相關性分析

表5 土壤有機碳組分與酶活性的逐步回歸分析

地布覆蓋下土壤各層總有機碳與清耕處理無顯著差異，并且有下降趨勢，但地布覆蓋下溶解性有機碳、易氧化有機碳、顆粒態有機碳和輕組有機碳較清耕均有所提高，并增加了各自占總有機碳的比例。張林森等[5]于蘋果園進行黑色地膜覆蓋試驗的結果顯示，地膜覆蓋的土壤總有機碳含量低于清耕對照，但顆粒有機碳、輕組有機碳、易氧化有機碳、溶解性有機碳含量高于清耕，且均隨著覆蓋年限的增加而降低；卜玉山等[6]研究結果表明地膜覆蓋會降低土壤總有機碳的含量；梁貽倉等[8]研究顯示地膜覆蓋較清耕總有機碳有下降趨勢但不顯著，并且0～10 cm潛在礦化碳較清耕有一定升高。類比前人對地膜覆蓋的試驗結果，地布覆蓋可能給微生物活動創造了良好的物理條件，增加微生物活性，促使其加速了對有機碳的分解及利用，使得總有機碳含量下降，并且短時間內增加了活性有機碳含量，但從長期來看，不利于有機碳的長久固存。

3.2 不同覆蓋方式對果園土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于土壤植物殘體釋放、微生物和植物根系分泌物，參與土壤各種生物化學反應，對維持果園生態系統的碳平衡起著重要作用。生草覆蓋有強大的根系分布，并且為微生物的活動創造了良好的環境條件和物質條件，均增加了酶的分泌。本研究結果顯示自然生草覆蓋和野豌豆覆蓋均較清耕顯著提高了櫻桃園土壤纖維素酶、蔗糖酶、淀粉酶、脲酶活性，這與大多數研究結果較為相似，李超等[16]于葡萄園研究表明自然生草提高了葡萄園土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性，并且對0～20 cm土層土壤提升非常明顯；司鵬等[30]、魏樹偉等[31]、吳玉森等[15]和付學琴等[32]的研究結果也均表明果園生草覆蓋能有效提升土壤參與碳循環的酶活性。本研究結果中野豌豆覆蓋下脲酶活性高于自然生草覆蓋，這與王攀磊等[33]于香蕉園種植豆科作物和自然生草對比研究結果較為相似，其結果表明豆科作物覆蓋對土壤脲酶活性的提升要優于自然生草，主要原因可能是豆科作物向土壤提供了更多的含氮有機物，向微生物供給大量有機氮源，增強了脲酶的分泌。

地布覆蓋較清耕處理均顯著提高了土壤纖維素酶、蔗糖酶、淀粉酶、脲酶活性；地布覆蓋具有較好的保溫保墑、活化土壤養分效果，增強了微生物活性。羅玲等[34]在葡萄園的覆蓋試驗的研究結果也表明地布覆蓋有利于提升土壤酶活性，并且其研究得出地布覆蓋對土壤酶活性的提升更優于傳統地膜覆蓋，這可能與地布覆蓋下土壤內部與外部環境氣體交換要更優于地膜，微生物活動更強有關。

4 結 論

兩年的短期覆蓋試驗表明，自然生草覆蓋和種植野豌豆覆蓋均較清耕顯著提高了櫻桃園土壤有機碳含量、活性有機碳含量和酶活性，并且自然生草覆蓋對櫻桃園碳庫的提升優于野豌豆覆蓋，兩種生草覆蓋模式均有利于櫻桃園土壤有機碳的積累。

地布覆蓋較清耕增加了活性有機碳含量，提高了活性有機碳分配比例，但總有機碳含量有下降趨勢，不利于櫻桃園土壤碳的固存，地布長期覆蓋下土壤有機碳的變化規律還需進一步展開研究。