水肥耦合处理对竹叶花椒生长和土壤酶活性的影响

唐海龙，龚伟，王景燕，舒正悦，黄帅，赵昌平，周于波

(四川农业大学林学院，林业生态工程四川省重点实验室，四川 成都 611130)

土壤酶由植物根系及其残体、土壤动物及其遗骸和微生物等分泌产生，能催化土壤中复杂的有机物质转化为简单的无机化合物，以供植物再利用[1].而土壤潜在的有效养分和土壤胶体吸收性离子的有效程度，均与土壤酶活性密切先相关[2].土壤酶可分为水解酶、氧化还原酶、转移酶和裂合酶四大类，土壤酶催化土壤代谢性能的强弱，可指示土壤代谢作用强度及其适应外界环境和维持植物生长的土壤肥力[3-4].研究发现，土壤酶中的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶等水解酶能够催化加快土壤C、N、P等养分的循环状况，过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶等氧化还原酶也常被认为是土壤有机质和微生物活性的有效性指标[5-6].在一定程度上，土壤酶活性的高低能表征土壤肥力的高低及土壤耕作管理措施的优劣[7].良好的土壤水肥条件既能促进植物生长，增加土壤酶活性；较高土壤酶活性能促进土壤养分无机化，增加土壤供肥能力和植物生长.因此，采用合理的水肥管理等措施提高土壤酶活性，对土壤培肥和促进植物生长具有重要意义.

水肥的合理利用是植株生长，提高其产量、品质和水肥利用效率提高的关键因素.水和肥对植株的生长均存在临界值，合理的水肥耦合能改善土壤环境，增加土壤微生物数量和活力，提高土壤酶活性，在一定程度提高植株生长临界值[8].大量研究表明，水肥耦合处理能显著提高土壤酶活性，促进土壤养分矿化，利于植株吸收利用，从而促进作物生长和提高产量[9-11].而目前，有关水肥耦合处理对花椒属植物只有对花椒(Zanthoxylumbungeanum)的幼苗生长[12]、光合[13]及抗逆性[13]进行了的研究，而对土壤酶活性的影响未见报道，难以满足当前花椒土壤管理的科学需求.本研究以竹叶花椒为对象，通过水肥耦合试验研究土壤含水量和N、P、K配方施肥对其生长和土壤酶活性的影响，筛选适宜的土壤水分含量和肥料施用量，促进竹叶花椒幼苗的生长和土壤酶活性的提高，为其水肥管理提供参考.

1 材料与方法

1.1 盆栽试验设计

供试土壤为四川农业大学成都校区周边农田耕层(0～20 cm)沙壤土.土样采集后自然风干去除杂质过5 mm筛混匀后待用，并多点采集有代表性的土壤样品共计约1 kg，用于测定土壤理化性质本底值.风干土的理化性质为：pH 7.51，田间持水量25.2%，有机质16.6 g/kg，全氮1.0 g/kg，碱解氮80.3 mg/kg，全磷0.48 g/kg，有效磷15.4 mg/kg，全钾23.9 g/kg和速效钾22.5 mg/kg.栽植前，取风干土6.3 kg(相当于6.0 kg烘干土)，其中2/3先装入聚乙烯塑料盆内(盆口直径22 cm，盆底直径20 cm，高23 cm)中，另外1/3与需添加的肥料充分混匀后再装在上部，盆内土壤厚度约20 cm.

水肥耦合试验采用4因素4水平正交试验设计，共计16个处理，3次重复，各重复种植3盆，共144盆.土壤含水量包括：田间持水量(FWC)分别为20%，40%，60%和80% FWC，氮肥(尿素，N含量46.4%)包括：0，75，150和300 kg/hm2，磷肥(过磷酸钙，P2O5含量12.0%)包括：0，30，60和120 kg/hm2，钾肥(硫酸钾，K2O含量51.0%)包括：0，75，150，300 kg/hm2.盆内具体的施肥量按照单位面积进行折算，所有肥料均一次性施入.在2016年4月中旬将苗高10 cm左右的竹叶花椒幼苗移植于各处理盆栽土壤中，每盆种植1株，试验在大棚内完成(本试验中大棚只避雨不控制温度和湿度).整个试验过程中，各处理土壤田间持水量采用每日定时称质量补水法进行调控.

1.2 测定指标及方法

于2016年11月中旬，用游标卡尺和卷尺测定竹叶花椒幼苗地径和苗高.将竹叶花椒苗整株从盆中移出，收获整株(根茎叶)植株.土壤样品自然风干后用于测定蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性，植物样品洗净后烘干至恒重，测定生物量.蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶采用KMnO4滴定法测定，多酚氧化酶和过氧化物酶采用邻苯三酚比色法测定[15-16].

表1 四因素四水平正交试验设计方案

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 水肥耦合处理对竹叶花椒幼苗生长的影响

由图1可知，不同水肥耦合处理对竹叶花椒幼苗的地径，苗高和生物量影响显著.地径，苗高和生物量均随土壤含水量的增加呈先增加后降低的变化趋势；在相同水分条件下，各施肥处理处理的地径，苗高和生物量均显著高于不施肥处理，且随施肥量的增加而增加.与不施肥处理相比，各施肥处理的地径增加28.5%～105.3%，苗高增加14.8%～76.2%，生物量增加65.7%～332.6%.各处理中，地径，苗高和生物量以W60N300P30K0处理的最大，而W20N0P0K0处理的最小.不同水分处理中，60% FWC条件下竹叶花椒幼苗地径，苗高和生物量平均值最高；40%，60%，80%FWC处理与20%FWC处理相比，地径分别增加72.1%，92.3%和77.4%，苗高分别增加41.4%，66.5%和48.6%，生物量分别增加216.5%，298.8%和244.9%.说明60%FWC水平的土壤含水量及中高量的肥料施用量能有效提高竹叶花椒幼苗的地径，苗高和生物量，促进苗木质量的提高.

2.2 水肥耦合处理对土壤水解酶的影响

由图2可知，不同水肥耦合处理对土壤蔗糖酶，脲酶和中性磷酸酶活性影响显著，其活性均随土壤含水量的增加呈先增加后降低的变化趋势.各施肥处理的土壤酶活性均显著高于不施肥处理，土壤酶活性随施氮量的增加而增加，随施磷或钾量的增加呈先增加后降低的变化趋势.与不施肥处理相比，各施肥处理的蔗糖酶活性增加5.0%～51.3%，脲酶增加2.7%～39.6%，中性磷酸酶增加1.5%～37.8%.各处理中，W60N300P30K0和W60N150P0K75处理的蔗糖酶活性均显著高于其他处理，W60N300P30K0处理的脲酶和中性磷酸酶活性均显著高于其他处理，W20N0P0K0处理的3种水解酶活性均最小.不同水分处理条件下，60%FWC时土壤蔗糖酶，脲酶和中性磷酸酶活性均值最高；40%FWC，60%FWC和80%FWC处理与20%FWC处理相比，蔗糖酶活性分别增加66.2%，176.1%和81.7%，脲酶活性分别增加46.9%，71.6%和56.3%，中性磷酸酶活性分别增加49.7%，78.3%和54.0%.说明适宜的土壤水分及磷肥和钾肥施用，以及较高的氮肥施用能促进土壤蔗糖酶，脲酶和中性磷酸酶活性的提高.

图1 水肥耦合处理竹叶花椒生长Figure 1 The growth of Zanthoxylum armatum under different water and fertilizer treatments

图2 水肥耦合处理土壤水解酶活性Figure 2 Soil hydrolase activities under different water and fertilizer treatments

2.3 水肥耦合处理对土壤氧化还原酶的影响

由图3可知，不同水肥耦合处理对土壤过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性影响显著，其活性均随土壤含水量的增加而呈先增加后降低的变化趋势；各施肥处理酶活性平均值均显著高于不施肥处理，酶活性平均值随施氮量的增加而增加，随施磷或钾量的增加呈先增加后降低的变化趋势.与不施肥处理相比，各施肥处理的过氧化氢酶活性增加41.2%～310.9%，多酚氧化酶增加46.2%～271.6%；过氧化物酶增加43.4%～208.2%.各处理中，W60N300P30K0，W60N150P0K75，W60N75P120K150处理的过氧化氢酶活性均显著高于其他处理，W60N300P30K0和W60N150P0K75处理的多酚氧化酶活性均显著高于其他处理，W60N300P30K0处理的过氧化物酶活性显著高于其他处理，W20N0P0K0处理的3种氧化还原酶活性最小.不同水分处理中，60%FWC条件下过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性平均值均最高；40%，60%FWC，80%FWC处理与20%FWC处理相比，过氧化氢酶活性分别增加35.4%，62.0%和49.3%，多酚氧化酶分别增加64.6%，102.8%和88.4%，过氧化物酶分别增加39.0%，75.7%和47.9%.说明适宜的土壤水分，氮肥和磷肥，以及较高的钾肥能促进土壤过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性的提高.

2.4 最佳水肥管理组合筛选

由图4可知，不同水肥处理对竹叶花椒苗木生长隶属度和土壤酶活性隶属度值影响显著.生长隶属度和酶活性隶属度均随土壤水分含量的增加呈先增加后降低的变化趋势；各施肥处理生长隶属度和酶活性隶属度均显著高于不施肥处理，随施氮量的增加而增加，随施磷或施钾量的增加呈先增加后降低的变化趋势.各处理中，W60N300P30K0和W60N150P0K75处理的生长隶属度均显著高于其他处理，W60N300P30K0处理的酶活性隶属度显著高于其他处理.生长隶属度和土壤酶活性隶属度呈显著相关(R2= 0.970,P<0.01)，相关分析发现(表2)，竹叶花椒苗木地径，苗高和生物量与土壤蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性相关性极显著(P<0.01).说明水肥耦合处理对竹叶花椒土壤酶活性和幼苗生长影响显著，且土壤酶活性与竹叶花椒苗木的质量密切相关.

图3 水肥耦合处理土壤氧化还原酶Figure 3 Soil oxidoreductase activities under different water and fertilizer treatments

图4 苗木生长和土壤酶活性隶属度及两者关系Figure 4 Subordinate degree of seedling growth and soil enzyme activities,and their relationship

指标Index蔗糖酶Invertase脲酶Urease中性磷酸酶NeutralPhosphatase过氧化氢酶Catalase多酚氧化酶Polyphenal oxidase过氧化物酶Peroxidase酶活性隶属度Enzyme activity degree苗高Seeding height0.861∗∗0.876∗∗0.816∗∗0.859∗∗0.888∗∗0.885∗∗0.927∗∗地径Ground diamete0.758∗∗0.857∗∗0.773∗∗0.805∗∗0.872∗∗0.801∗∗0.868∗∗生物量Biomass0.853∗∗0.921∗∗0.784∗∗0.906∗∗0.944∗∗0.901∗∗0.951∗∗生长隶属度Enzyme acti-vity subordinate0.850∗∗0.912∗∗0.812∗∗0.884∗∗0.930∗∗0.890∗∗0.944∗∗

*和** 分别表示在0.05和0.01水平显著.**P<0.05，*P<0.01.

通过对土壤酶活性隶属度(y)与土壤含水量(x1)，氮肥(x2)，磷肥(x3)和钾肥(x4)的多元回归，分别拟合得到方程y= -0.001 558 9x12+0.193 382 3x1-2.102 237 74(R2=0.747)，y=-0.000 032 5x22+0.016 463 3x2+1.690 158 7(R2=0.754)，y=-0.000 062 2x32+0.006 837 4x2+2.824 971 4(R2=0.764)和y= -0.000 005 2x42+0.000 846 8x4+2.933 022 4(R2=0.718)，建立竹叶花椒土壤酶活性隶属度与水肥条件的关系.通过以上方程预测得到土壤水分含量为62.0%FWC，氮磷钾肥施用量分为253.0，55.0 kg/hm2，81.1 kg/hm2时，对竹叶花椒土壤酶活性的促进作用最佳.

3 讨论

土壤含水量是影响土壤酶活性的主要因子，在一定范围内酶活性随土壤湿度的增大而增强，但湿度过高时会降低土壤酶活性，水涝和干旱均会改变土壤生态环境，影响土壤酶的释放，并胁迫土壤中还原态或氧化态离子浓度增加而抑制土壤酶活性[17-18].本研究发现，土壤蔗糖酶，脲酶，中性磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性均随土壤含水量的增加呈先增加后降低的变化趋势.这与张鑫等[19]和谢伟等[20]的研究结果相似，说明土壤水分含量与土壤酚氧化酶和过氧化物酶活性呈极显著相关.而与玛伊努尔·依克木等[21]研究结果有一定差异，可能与本研究中土壤含水量设置梯度较大(20%～80% WFC)有关，玛伊努尔·依克木等[19]研究的土壤水分含量均设置较低.本研究中土壤含水量较低时植株苗高，地径和生物量均较低，可能是由于较低的土壤水分含量形成干旱胁迫所致，也导致土壤酶活性降低；土壤含水量较高时，植株生长指标值也较低，其原因可能与土壤孔隙多被水占据而通气性不好，引起植株生长不良和减弱土壤性质的改善作用，使土壤酶活性降低有关[22].本研究还发现，土壤含水量为62% FWC时，土壤水解酶和氧化还原酶活性达到最高.说明在竹叶花椒栽培管理中，应注意土壤水分管理，以促进植株生长，提高土壤酶活性及土壤肥力.

土壤酶有较强的专一性，水解酶催化土壤中各种有机无机化合物水解，蔗糖酶催化有机质等分解，脲酶催化氮化合物转化，磷酸酶加速磷化物的脱磷，利于植物和微生物吸收利用[23]；土壤氧化还原酶促进土壤复杂物质的转化和腐殖质的形成，过氧化氢酶促进过氧化氢等的分解，多酚氧化酶参与芳香族化合物的转化，减缓对生物体的毒害作用，过氧化物酶氧化有机质，加速土壤腐殖质的形成[24].农林经营过程中，有机肥和化肥的施入将改变土壤中各种有机无机化合物的含量，直接影响土壤酶活性.本研究发现，土壤蔗糖酶，脲酶，中性磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性随施氮量的增加而增加，随施磷或钾量的增加呈先增加后降低的变化趋势.这与张燕等[25]和李慧杰等[26]的研究结果相似，而与马亚娟等[27]和苏洁琼等[28]的研究结果有一定差异.可能试验土壤性质和后期管理措施相关.也有研究发现单施氮肥可能会导致土壤pH降低和植物根系浅层化，而导致土壤酶活性降低；偏施氮肥或磷肥会导致土壤养分失衡，降低植物根系长势和土壤微生物数量，使土壤酶活性降低[29]，从而降低土壤供肥能力.

土壤酶活性与土壤物质循环转化，以及植物吸收矿质元素的强弱关系密切，是土壤生物活性与土壤肥力的重要组成部分，广泛应用于土壤管理措施和施肥效果的评价[30].水肥管理是现阶段农作物和经济林等获得高产优质的关键性生产经营管理措施.本研究发现，水肥耦合能显著提高土壤酶活性，相关分析表明土壤蔗糖酶，脲酶，中性磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性与竹叶花椒幼苗地径，苗高和根茎叶生物量均呈极显著正相关(P<0.01)，这与Brockett等[31]和杨瑞等[32]学者的研究结果一致.说明土壤酶活性的增加在一定程度上能提高土壤肥力，且与植株生长关系密切.杨长明等[33]的研究发现，肥料配施和干湿交替条件下，土壤酶活性和微生物量显著高于单施肥料和淹水灌溉的组合处理.韦泽秀等[12]的研究也发现，中等(70%～80%)土壤含水量和较高的肥料配施能显著提高土壤酶活性.本研究发现，水肥耦合能较好的促进竹叶花椒苗木生长和提高土壤酶活性；在土壤水分含量为62.0% FWC，氮肥施肥量为253.0 kg/hm2，磷肥施肥量为55.0 kg/hm2和钾肥施肥量为81.1 kg/hm2时，土壤酶活性综合值最高.说明适宜的土壤水分含量和肥料施用量是促进植株生长和提高土壤肥力的关键.

4 结论

竹叶花椒苗木地径，苗高和生物量，以及土壤蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性均随土壤水分含量的增加呈先增加后降低的变化趋势；地径，苗高和生物量随施肥量的增加而增加，土壤酶活性随氮施用量的增加而增加，随磷肥或钾肥施用量的增加呈先增加后降低的变化趋势.竹叶花椒幼苗地径，苗高和生物量与蔗糖酶，脲酶，磷酸酶，过氧化氢酶，多酚氧化酶和过氧化物酶活性相关性显著，生长隶属度与土壤酶活性隶属度呈显著相关(P<0.05).土壤水分含量为62.0% FWC，氮磷钾施肥量分别为253.0，55.0，81.1 kg/hm2时，土壤酶活性隶属度值最高，对促进竹叶花椒生长和土壤肥力提高具有重要作用.