枣园不同间作种植方式对土壤酶活性的影响

2019-03-02李燕芳陈国栋胡守林王沛娟万素梅

新疆农业科学 2019年12期

李燕芳，陈国栋，张勇，张伟，胡守林，王沛娟，万素梅

(1.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.喀什地区农业局农业技术推广中心，新疆喀什 844000；3.石河子大学农学院，新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】过去新疆红枣大多数都是单作种植。伴随农业结构的调整，新疆从可持续发展的高度，大力推广农林间作种植模式，为建立可持续发展的农业生态系统。【前人研究进展】国内外研究从多个方面就关于间作应用的理论体系，进行了优化资源利用效率的理论和实践探索[1-2]，其中对于间作体系中地上部分之间的资源竞争研究较多，而地下部分是作物生长的前提和保证。土壤酶是一类比较稳定的蛋白质。它与一般蛋白质不同，酶具有一种特殊的催化功能，属于一种生物催化剂。酶的催化能力十分强大，不仅参与土壤中的生化反应，并且与土壤成分牢固结合在一起的的酶，表现出一定的稳定性，可以长期的积累在土壤之中。土壤酶的来源有很多种，既有土壤中本身存在的微生物，也有其他有机组织。比如植物活体及其残体，植物根系自身能够分泌释放酶类进入土壤[3]。间作体系中，土壤中的微环境较单作相比，更为丰富，能有效的提高土壤酶的种类和活性，从而增加土壤种群结构的多样性，减少土传病害的传播与发生[4]。不同种类作物间作能够最大化的利用资源，增加经济效益，提高土壤有效养分，增加微生物数量[5-7]。【本研究切入点】目前关于枣园间作不同作物的研究较少。研究枣园不同间作种植方式下土壤酶活性变化。【拟解决的关键问题】研究枣园不同间作种植方式下，不同灌水量对间作复合系统土壤酶活性的影响，分析间作系统中土壤酶活性的变化特征，为优化间作复合系统和适宜于南疆枣园间作复合系统合理的灌水量提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在新疆阿拉尔市塔里木大学园艺试验站(N40032'34",E81018'07",海拔1 015 m)中进行。该地区年均降水量40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 976.6～2 558.9 mm；地下水埋深在3 m以下。降雨量极其稀少，地表蒸发强烈，空气极端干燥。试验区地势平坦，排灌方便，土壤水分、肥力等条件相近，土质为粘壤土，土壤试验地养分状况为碱解氮33.6 mg/kg，速效磷58.7 mg/kg，速效钾107 mg/kg，有机质7.79 g/kg，总盐2.0 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验于2017年在3年幼龄枣园中进行，红枣株行距配置为3 m×1.5 m。采用两因素裂区试验设计，主区为2种间作种植方式：设为在两行红枣中间分别种植棉花和苜蓿2种作物，供试间作的棉花品种为新陆中36号，供试间作的苜蓿品种为新疆大叶苜蓿。副区为4种灌水量：分别为：W1：水量为3 750 m3/hm2(中度水分胁迫)；W2：水量为4 500 m3/hm2(轻度水分胁迫)；W3：水量为5 250 m3/hm2(适宜水分)；W4：水量为6 000 m3/hm2(充分供水)。于棉花行间，苜蓿行间，红枣行间设置滴灌带，用水表控制水量，全生育期灌溉8次，每个灌水处理设置3个重复,每个小区面积为31 m2。另设苜蓿单作种植和棉花单作种植(CK),于试验地东侧，共2个小区，小区面积为31 m2。图1

图1 种植模式示意Fig.1 Schematic diagram of planting mode

1.2.2 测定指标

试验于作物生长期间5月19日、6月19日、7月19日、9月19日在红枣棉花带间和红枣苜蓿行间进行，按照水分处理划分的小区取样，每个处理重复3次，用铲子除去土壤表层1～2 cm土壤后用土钻取0～20 cm土样，充分混匀，土壤自然风干后过2 mm筛用于酶活性的测定。

土壤酶活性[3]，土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法，以每1 g土24 h产生的 NH3-Nmg数表示；

土壤蔗糖酶采用 3，5-二硝基水杨酸比色法，以每1 g土24 h产生的葡萄糖毫克数表示；

土壤过氧化氢酶采用容量法，以每1 g土消耗0.1 NKMnO4mL数表示。为了消除土壤和试剂的误差，每一土样需做无基质和无土壤对照，酶活性以干土表示；

土壤多酚氧化酶活性采用邻苯三酚显色法，以每1 g土壤每1 h分解邻苯三酚的量来表示；

1.3 数据处理

土壤酶活性数据为3次重复的平均值，数据统计采用Excel2007，分析采用DPS 7.05软件进行，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对枣园不同间作方式下土壤脲酶活性的影响

在整个生育进程中，枣园间作棉花种植模式下土壤脲酶活性大致呈现降低-升高的趋势，与单作棉花相比，W2水分处理下的土壤脲酶活性始终比单作棉花高；枣园间作苜蓿种植模式下土壤脲酶活性大致呈现降低-升高-降低的趋势，与单作苜蓿相比，间作能显著提高土壤脲酶活性。在相同水分处理下，红枣间作棉花的土壤脲酶活性整体低于红枣间作苜蓿，红枣间作苜蓿能显著提高土壤脲酶活性。在7月19日中，红枣间作棉花的种植方式中，W2水分处理下的土壤脲酶活性最高，但与W1、W3、W4水分处理相比没有显著差异，与单作棉花相比也未见显著差异；在红枣间作苜蓿的种植方式中，W2水分处理下的土壤脲酶活性最高，与W1水分处理相比没有显著差异，但与W3、W4水分处理相比有显著差异，与单作苜蓿相比也达到显著差异。灌水在W2水平下，红枣间作棉花、苜蓿土壤脲酶活性最高。图2

注：不同字母表示差异显著(P<0.05)，数值为平均数 n=3,下同

2.2 水分胁迫对枣园不同间作方式下土壤蔗糖酶活性的影响

研究表明，在整个生育进程中，枣园间作棉花种植模式下土壤蔗糖酶活性大致呈现升高-降低-升高的趋势，在6月19日达到最高；枣园间作苜蓿种植模式下土壤蔗糖酶活性大致呈现升高-降低的趋势，红枣间作苜蓿各水分处理下红枣间作苜蓿的土壤蔗糖酶活性均大于单作苜蓿。在相同水分处理下，红枣间作棉花的土壤蔗糖酶活性整体低于红枣间作苜蓿，红枣间作苜蓿能显著提高土壤蔗糖酶活性。在7月19日中，红枣间作棉花的种植方式中，W1水分处理下的土壤蔗糖酶活性最高，与W2、W4水分处理和单作棉花相比没有显著差异，但与W3水分处理相比达到显著差异；在红枣间作苜蓿的种植方式中，W4水分处理下的土壤蔗糖酶活性最高，但与其他处理之间均未达到显著差异。灌水量在W1水平时，红枣间作棉花、苜蓿能提高土壤蔗糖酶活性。图3

图3 水分胁迫下枣园不同间作方式土壤蔗糖酶活性变化Fig.3 Effect of water stress on soil sucrase activity in different intercropping methods of jujube orchard

2.3 水分胁迫对枣园不同间作方式下土壤过氧化氢酶活性的影响

研究表明，在整个生育进程中，枣园间作棉花种植模式下土壤过氧化氢酶活性大致呈现逐渐升高的趋势，在9月19日达到最高；枣园间作苜蓿种植模式下土壤过氧化氢酶活性大致呈现降低-升高-降低的趋势。在相同水分处理下，红枣间作棉花的土壤过氧化氢酶活性整体低于红枣间作苜蓿，说明红枣间作苜蓿能有效提高土壤过氧化氢酶活性。在7月19日中显示红枣间作棉花的种植方式中，不同水分处理之间相比土壤的过氧化氢酶活性均达到显著差异，而且与单作棉花相比也未有显著差异；在红枣间作苜蓿的种植方式中，W1水分处理下的土壤过氧化氢酶活性最高，与W2水分处理之间并没有显著差异，但与W3、W4水分处理之间有显著差异，并且与单作苜蓿相比也达到显著差异。灌水量在W1水平时，红枣间作棉花、苜蓿能有效提高土壤过氧化氢酶的活性。图4

图4 水分胁迫下枣园不同间作方式土壤过氧化氢酶活性酶活性变化Fig. 4 Effect of water stress on soil catalase activity and enzyme activities in different intercropping systems of jujube orchard

2.4 水分胁迫对枣园不同间作方式下土壤多酚氧化酶活性的影响

研究表明，在整个生育进程中，枣园间作棉花种植模式下土壤多酚氧化酶活性大致呈现升高-降低的趋势，在6月19日达到最高；枣园间作苜蓿种植模式下土壤多酚氧化酶活性大致呈现逐渐升高的趋势，在9月19日达到最高。在相同水分处理下，生育前期红枣间作棉花的土壤多酚氧化酶活性整体略高于红枣间作苜蓿，在生育后期，红枣间作棉花的土壤多酚氧化酶活性明显低于了红枣间作苜蓿的的土壤多酚氧化酶活性。而与单作相比，红枣间作棉花和苜蓿的土壤多酚氧化酶活性均高于单作时的土壤多酚氧化酶活性。其中在7月19日红枣间作棉花的种植方式下，不同水分处理之间相比土壤的多酚氧化酶活性均未有显著差异；在红枣间作苜蓿的种植方式中，W1、W2、W3水分处理之间的土壤多酚氧化酶活性没有显著差异，与W4水分处理下的土壤多酚氧化酶有显著差异。其中最高的W1水分处理下的土壤多酚氧化酶活性最高。当灌水量在W1水平时，红枣间作棉花、苜蓿能有效提高土壤多酚氧化酶的活性。图5

图5 水分胁迫下枣园不同间作方式土壤多酚氧化酶活性变化Fig.5 Effect of water stress on soil polyphenol oxidase activity in different intercropping methods of jujube orchard

2.5 红枣间作棉花不同土壤酶活性间的相关关系

研究表明，红枣间作棉花下，脲酶与蔗糖酶、过氧化氢酶之间呈正相关关系，与多酚氧化酶之间呈负相关关系，其他酶之间均呈正相关关系。而在红枣间作苜蓿下，脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶之间均呈正相关关系，其中，过氧化氢酶与多酚氧化酶之间呈显著正相关。土壤过氧化氢酶活性可以反映出土壤中生物氧化过程和碳氮物质转化的强弱，土壤多酚氧化酶是一种多功能的氧化酶，其活性高低可以反映出土壤的修复能力。间作复合系统内不同土壤酶之间存在共性关系。表1，表2

表1 红枣间作棉花不同土壤酶相关关系Table 1 Correlation between different soil enzymes in intercropped cotton

表2 红枣间作苜蓿不同土壤酶相关关系Table 2 Correlation between different soil enzymes inintercropped alfalfa

3 讨论

3.1 水分胁迫对间作土壤酶活性的影响

土壤酶活性是评价土壤肥力的重要指标之一，现有结果表明：土壤酶活性除与土壤养分关系密切，还与土壤PH、质地、含水量有关[9]。研究中结果显示，土壤脲酶的活性随着灌水量的增加呈现出先增加后减少的趋势，灌水量在W2(4 500 m3/hm2轻度水分胁迫)水平下，能有效提高间作土壤脲酶的活性，灌水量在W1(3 750 m3/hm2中度水分胁迫)水平下，能有效提高间作土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶的活性。张玉龙等也有相似的研究结果：适当减少单次灌水量有利于提高土壤脲酶活性，改善土壤氮素转换状况[10]。水分胁迫会对冬小麦土壤酶活性有不同程度的影响[11]。而在研究中，不同的水分处理下间作土壤酶活性在作物生长前期差异并不显著，在作物生长后期酶活性出现了显著差异，这说明一定程度的水分胁迫对土壤酶具有激活作用[12]，可能是由于作物根系后期分泌的物质改变了根际土壤的微环境，影响到了土壤酶活性的高低。

灌水量的增加能够显著改善植株生长状况[13]，但是到达一定程度后，灌水量的增加将会对作物生长产生不利因素，研究结果可以看出，充分灌水条件下，土壤保持较高的水分，但是土壤中酶活性会变低，而中度水分胁迫使土壤处于干湿交替条件下，增强土壤酶的活性[14]，章燕平等[15]发现，干湿交替下的土壤酶活性显著高于处于恒湿处理下的土壤酶活性。而土壤的水分胁迫可以增加土壤酶活性[16]。王君等[17]研究表明，土壤酶活性与土壤含水量呈线性关系，土壤干湿交替的频率的使土壤酶活性增加。但是，水分胁迫对土壤酶活性的激发机理还有待研究。

3.2 种植方式对间作土壤酶活性的影响

有研究认为，间作不仅能够充分利用空间资源，增加产量，也是一种有效的养地措施，能显著改善土壤质量、提高土壤肥力[18]。土壤酶作为土壤微环境重要组成, 土壤酶活性的高低可衡量土壤中营养物质的转化过程以及评价各种农业措施的效果[19]。试验通过与单作相比，间作种植可有效提高土壤酶活性。而在间作种植中，2种作物之间的资源竞争会显著影响到土壤酶活性的改变，不同的种植方式会根据不同作物的本身的特性而改变土壤酶活性。研究结果显示：红枣间作棉花会逐渐降低土壤多酚氧化酶的活性，但会提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性，而红枣间作苜蓿相比红枣间作棉花的土壤酶活性较高，说明枣园间作苜蓿能显著改善果园土壤的微环境。这可能是由于利用了苜蓿根系的固氮作用。姜黎[20]在杏园的研究中也发现，牧草的根系及植株可以逐渐吸收土壤中的营养元素，从而引起间作果园土壤理化性质的变化。

种植方式等对土壤微生物及酶活性有重要影响[21]，有研究表明，土壤酶活性在作物生长中后期达到最大，可能是因为在生长前期，外界气温较低，土壤温度过低，植物根系新陈代谢缓慢，分泌物变少，从而使土壤酶活性降低，而在作物生长中期正处于夏季，气温较高，地上部生长迅速，同时地下部根系快速生长，根系分泌物较多，使得土壤酶活性增加[22]。也有研究表明间作能使土壤微生物数量和酶活性增加，因为单作种植作物单一，作物根系分泌物单一有限，限制土壤酶活性，而间作种植能是两种植物根系相互作用，作物根系间的分泌物各不相同，作用于土壤中，使土壤中微生物数量及活性增加，从而增加土壤酶活性[23-24]。孟庆杰等研究表明，土壤酶活性和代谢强度会随着季节变化呈现不同的变化趋势，与研究结果类似，不同间作模式下，土壤酶活性都发生了不同的变化[25]。

通过地上部种植多种植物使地下部植物根系相互影响，提高土壤酶活性，增加土壤肥力，提高间作复合系统资源利用效率。