地面覆盖对避雨葡萄园土壤水分、温度及酶活性的影响

罗 玲 钟 奇 刘 伟,* 潘宏兵

(1 四川农业大学园艺学院，四川 成都 611130；2 四川省农业科学院园艺研究所，四川 成都 610066；3 四川省攀枝花市农林科学研究院，四川 攀枝花 617061)

土壤酶是土壤中具有催化功能的活性物质，直接或间接参与土壤养分循环[1]，其活性大小是表征土壤肥力大小的重要指标[2]。土壤脲酶可催化有机质分子中肽键的水解，生成CO2和NH3，其活性与土壤中全氮含量呈极显著正相关[3]；土壤蛋白酶能水解各种蛋白质及肽类等化合物为氨基酸，将有机氮化合物转变为植物可利用的形式[4]；土壤蔗糖酶能把土壤中蔗糖分子分解成能够被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，其活性反映了土壤有机碳的转化和呼吸强度[4]；土壤磷酸酶可催化土壤有机磷水解矿化，生成能被植物直接吸收利用的无机磷[5]；土壤过氧化氢酶为氧化还原酶，能将土壤中H2O2分解为分子氧和水，从而解除H2O2对生物体产生的毒害作用，且与土壤腐殖质形成速度密切相关[5]。土壤酶活性与土壤理化性质、地上部植物种类及施肥、耕作等土壤管理措施密切相关[6-7]。温度和水分是影响土壤酶活性及植物生长的重要因素，适宜的土壤温度和水分含量有利于促进植物根系的生长，增加根系的养分吸收量。

避雨栽培通过覆盖顶膜减少果实与雨水的接触，从而阻断了发病诱因[8]，可极大减少我国南方地区因夏季高温多雨引起葡萄病害严重的问题，该项措施已广泛应用于我国南方鲜食葡萄生产中。农田地表覆盖是国内外一项重要的土壤管理技术，相关领域学者普遍认为地表覆盖在改善土壤水热状况、活化土壤养分、调节微域生态环境、促进树体生长发育及提高产量等方面作用显著[9-10]。将地表覆盖技术引入到避雨葡萄园中，对实现经济、社会和生态效益具有重要意义。但目前关于农田地表覆盖技术的研究多在露天环境进行，而对避雨大棚内不同地表覆盖材料对土壤酶活性及小气候变化影响的研究较少。因此，本研究通过田间试验系统地研究了避雨葡萄园内秸秆、地布、透明地膜及反光膜覆盖下近地表空气温度和相对湿度、土壤温度、水分及酶活性的季节变化特征，比较不同材料的覆盖效果，以期为避雨葡萄园覆盖材料的选择提供理论和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验区概况

试验于四川省成都市同安镇现代葡萄科技示范园(30°61′N，104°32′E)进行，平均气温16.5℃，年平均日照1 032.9 h，平均年降雨量895.6 mm。试验土壤为褐土，覆盖前0～40 cm土层土壤含有机质23.30 g·kg-1， 硝态N 19.43 mg·kg-1，速效P 23.56 mg·kg-1，速效K 118.77 mg·kg-1，pH值6.75，土壤容重1.65 g·cm-3。 供试葡萄品种为夏黑(Summer black)，树龄4 a，南北行向栽植，株行距3 m×6 m，H型架。供试避雨大棚为覆盖天膜，四面不覆膜，葡萄园采用滴灌实行水肥一体化。表1为试验区2019年3—10月各月平均气温及降水量数据。

表1 试验区2019年3—10月各月平均气温及降水量Table 1 Monthly mean air temperature and precipitation in the test area from March to October 2019

1.2 试验设计

试验设置秸秆覆盖(SM)、地布覆盖(CM)、透明地膜覆盖(WM)、反光膜覆盖(RM)处理，并以地表裸露作为对照(CK)。每行20株葡萄树为一个试验小区，重复3次，完全随机排列。秸秆覆盖为水稻秸秆，秸秆切成5～10 cm碎段覆盖于葡萄行间，厚度为15 cm，大约900 kg·667 m-2；地布覆盖选用90 g·m-2的聚丙烯黑色地布；透明地膜和反光膜覆盖均选用厚度为1.2丝(0.012 mm)的聚乙烯地膜，其中反光膜为银黑双色地膜，覆盖时间为2017年11月至2018年10月。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分和温度及地上小气候 水分测定：于5月中旬果实膨大期取土，每个小区在葡萄根系主要分布区-离主干40 cm处按S形布设5个点，铲除表土(厚度约1 cm)，用土钻采集0～60 cm土层土壤样品，5 cm一层，共12层，烘干法测定。

地温测定：温度计安置在小区中心点，沿行向在同一水平线上由北向南依次插入5支直插式曲管温度计(精度0.5℃)，间距5 cm，分别测定地表下5、10、15、20、25 cm土层温度。在3—10月每月的5、10、15、20、25、30日测定，共6 d，测定时间为8:00-18:00(因试验条件限制，以白天温度代替日均温)，每2 h测定一次，每天测定6次。各土层的日均温以每天6次测量温度的均值计，各土层的月均温以每月6 d的日均温的均值计，并以各土层3—10月月均温最大值与最小值之差为各土层生长期地温变幅；各土层地温日变幅为一天中的最大值与最小值之差，各月以6 d的均值计算。

地上小气候测定：在小区中心悬挂TH702干湿温度计(欧达时公司，广东)，距离地面50 cm，测定时间同地温。以每日6次的均值代表当日的气温和相对湿度，各月以6 d的均值比较。

1.3.2 土壤酶活性 于葡萄主要生育期(萌芽至落叶前1个月)3—9月每月中旬采集土样，每个小区在葡萄根系主要分布区-离主干40 cm土层处按S形布设5个点，采集0～40 cm土壤样品，过2 mm筛后放于-20℃冰箱内保存，用于测定土壤酶活性，每份土壤样品在测定时设3次重复。

土壤酶活性的测定参照关松荫[11]的方法。蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定容量法测定；脲酶活性采用苯酚钠比色法测定；蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定。

采用加权和法计算土壤酶指数[12]，具体方法如下：土壤酶综合评价可分为3个步骤：因子的选择、权重的确定以及综合指标的获得。由于土壤酶活性的变化具有连续性，故各评价指标采用连续性质的隶属度函数，并根据主成分因子负荷量值的正负性来确定隶属度函数分布的升降。主成分因子负荷量值为正值，采用升型分布函数，反之则采用降型分布函数。根据结果，土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶均采用升型分布函数。

土壤酶指数计算公式为：

(1)

式中，SEI为土壤酶指数，SEI(χi)表示土壤酶隶属度值，wi表示土壤酶(i)的权重。

升型分布函数的计算公式为：

SEI(χi)=(χij-χimin)/(χimax-χimin)

(2)

式中，χij表示土壤酶活性值，χimax和χimin分别表示土壤酶(i)活性的最大值和最小值。

由于土壤性质各因子的状况和重要性不同，所以通常采用权重系数来表征各因子的重要程度。权重系数的确定有多种方法，本研究利用主成分分析因子负荷量以及方差贡献率大小来计算各因子作用的大小，确定其权重(Wi)。计算公下式如下：

Wi=Ci/C

(3)

式中，Ci为公因子方差，C为公因子方差之和。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010对数据进行初步处理和作图，采用SPSS 19.0 软件进行方差分析、主成分分析，其中方差分析选用Duncan多重比较确定数据间的差异，显著水平为α=0.05。

图1 不同覆盖处理避雨葡萄园葡萄生长期5～25 cm各土层深度土壤日均温动态变化Fig.1 Dynamic changes of daily average temperature of different layers of 5 to 25 cm soil of sheltered vineyard under different mulching models during grape growth season

2 结果与分析

2.1 土壤温度

2.1.1 3—10月地温的动态趋势 由图1可知，不同覆盖处理各深度地温3—10月动态趋势总体相似，3—6月地温逐渐升高，7月降雨较多导致地温下降，至8月又有所回升，9—10月逐渐降低。CK、CM和WM的5个土层深度地温峰值均出现在6月(除25 cm地温峰值出现在8月外)，RM和SM的峰值在8月。3—9月各土层深度地温均表现为WM>CK>CM>RM>SM，WM的5～15 cm土层地温总体高于CK(P<0.05)；CM的5 cm土层地温总体低于CK(P<0.05)；RM和SM的5～25cm土层地温总体低于CK(P<0.05)。10月各土层深度地温均表现为WM>CM>RM>SM>CK(除25 cm土层地温为SM>RM)，其中仅WM的5～15 cm土层地温显著高于CK(P<0.05)。

随着土层深度增加，各处理之间的地温差异逐渐减小。在不同月份，各处理之间的地温差异不同，3—6月差异逐渐增大，随后逐渐减小，其原因可能是6月以后葡萄枝叶繁密，郁闭，棚内透光度差，使地面接受太阳辐射减少，而9—10月大幅降温，导致各覆盖处理之间的地温差异不断降低。

各处理5～25 cm土层地温在葡萄生长期3—10月变幅大小均为WM>CK>CM>RM>SM。3—9月每月不同土层之间地温温差均表现为WM>CM>CK>RM>SM，10月表现为CK>WM>CM>RM>SM。表明WM、CM可加剧3—9月的地温时间和空间上的变化，降低10月5～25 cm土层的地温；SM和RM可平缓3—10月地温时间和空间上的变化，其中SM土壤温度最稳定。

2.1.2 5～25 cm土层地温日变幅动态 由表2可知，3—10月各处理地温日变幅(8：00—18:00)均随土层深度增加逐渐降低；3—7月各处理土层地温日变幅又随时间进程呈降低的趋势(除3—6月份25 cm地温日变幅无明显变化规律)；而8—10月有所升高。3—9月，各处理每月各土层地温日变幅大小总体为WM>CM>CK>RM>SM，10月分总体表现为CK>WM>CM>RM>SM。

表2 不同覆盖处理避雨葡萄园葡萄生长期5～25 cm各土层深度地温日变幅动态Fig.2 Dynamic changes of temperature daily amplitudes of different layers of 5 to 25 cm soil of sheltered vineyard under different mulching models during grape growth season

表2(续)

2.2 土壤水分

图2为5月中旬土壤含水量的垂直变化趋势。结果表明，不同覆盖处理的土壤水分垂直变化趋势不同。就0～10 cm表层土壤而言，各处理土壤含水量大小顺序依次为WM>CM>RM>SM>CK，前4个处理分别较CK显著增加7.35、5.43、4.08和2.06个百分点(P<0.05)。各处理0～60 cm土层土壤含水量的平均值表现为RM>SM>CM>WM>CK，前4个处理分别较CK显著增加5.60、4.24、4.06和2.77个百分点(P<0.05)。

图2 不同覆盖处理避雨葡萄园0～60 cm各土壤深度水分含量Fig.2 Soil moisture of different layers of 0 to 60 cm soil of sheltered vineyard under different mulching treatments

2.3 近地表气温及空气相对湿度

由图3可知，各覆盖处理近地表50 cm处气温均表现为3—6月逐渐升高，7月略降低后8月回升，9—10月大幅降低；而近地表空气相对湿度变化规律则与气温相反。可能是由于试验期间，7月降雨较多，故7月气温降低，空气相对湿度增大。除9月CK气温低于CM外，3—10月各处理近地表气温基本表现为RM>WM>CK>CM>SM，相差0.01～2.07℃。3—10月各处理近地表空气相对湿度大小依次均为SM>CM>CK>RM、WM，其中SM在5、6、8月近地表空气相对湿度显著高于其余处理(P<0.05)，CM在5—6月空气相对湿度显著高于CK、RM和WM(P<0.05)。

图3 不同覆盖处理避雨葡萄园葡萄生长期近地表气温及相对湿度动态Fig.3 Dynamic changes of near-surface temperature and relative humidity under different mulching treatments during grape growth season

2.4 土壤酶活性

2.4.1 各处理3—9月土壤酶活性的动态趋势 由图4可知，除过氧化氢酶外，3—9月不同覆盖处理同一种土壤酶活性动态变化趋势基本一致。3—9月脲酶和蛋白酶活性变化趋势基本相同，即3—5月逐渐降低，6—7月升高，8—9月降低；蔗糖酶和酸性磷酸酶活性月动态变化趋势基本一致，均呈双峰曲线，即5月出现一个较低的峰值，8月达到最高峰。不同处理的过氧化氢酶活性趋势不同，SM的过氧化氢酶活性在3—5月逐渐降低，6—8月呈上升趋势，随后下降，其余处理过氧化氢酶活性则在3—6月逐渐降低，之后趋于稳定。

3—4月各处理5种土壤酶活性大小顺序均表现为：WM>SM>CK>RM>CM(除蔗糖酶和过氧化氢酶为CM>RM)；6—8月各处理各土壤酶活性大小顺序总体为SM>CM>RM>WM、CK(WM和CK的土壤酶活性差异不大)；9月SM的5种土壤酶活性均最高，其次是WM。

2.4.2 各处理土壤平均酶活性 表3为各土壤酶活性3—9月的平均值，SM的5个土壤酶活性均显著高于其他处理。SM和CM的蔗糖酶活性分别较CK显著提高22.22%、11.11%(P<0.05)；SM、CM、WM和RM的酸性磷酸酶活性分别较CK显著提高38.25%、16.59%、14.75%和13.825(P<0.05)；SM和WM的过氧化氢酶活性分别较CK显著提高35.67%、11.11%(P<0.05)；SM的脲酶活性较CK显著提高27.93%(P<0.05)；SM、CM、WM的蛋白酶活性分别较CK显著增加37.50%、21.97%、19.70%(P<0.05)。

表3 不同覆盖处理土壤酶活性Table 3 The soil enzyme activities under different covering materials

图4 不同覆盖处理避雨葡萄园葡萄生长期土壤酶活性动态变化Fig.4 Chang rules of soil enzyme activities of sheltered vineyard under different mulchingmaterias during grape growth season

图5 不同覆盖处理避雨葡萄园葡萄生长期土壤酶指数动态变化Fig.5 Dynamic changes of soil enzyme index of sheltered vineyard under different mulching treatments during grape growth season

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level.图6 不同覆盖处理的土壤酶指数季节变化均值Fig.6 Seasonal mean of soil enzyme index of different mulching treatments

注：不同小字字母表示同一处理不同酶之间的差异显著(P<0.05)Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different enzyme in the same treatment.图7 不同覆盖处理的土壤酶活性季节变异系数Fig.7 Seasonal variation coefficient of soil enzyme activities of different mulching treatments

2.4.3 土壤酶指数 图5为3—9月各处理土壤酶指数的动态变化趋势，3—6月期间，SM、CM和RM的土壤酶指数逐渐升高，而CK和WM的土壤酶指数则呈降低趋势；随后各处理土壤酶指数趋势一致，均呈先升高后降低的趋势。春秋季(3、4、9月)WM和SM的土壤酶指数显著高于CK(P<0.05)；而春季RM和CM土壤酶指数显著低于CK(P<0.05)，秋季(9月)RM、CM和CK土壤酶指数差异较小，夏季(6—8月)SM、CM和RM土壤酶活性显著高于WM和CK(P<0.05)，WM和CK间差异不显著(P>0.05)。

图6为3—9月土壤酶指数的平均值，就葡萄整个生育期而言，土壤酶指数表现为SM>CM>WM>RM>CK，前4个处理分别较CK增加81.26%、27.91%、25.75%、14.55%，其中SM、CM和WM的土壤酶指数显著高于CK(P<0.05)

2.4.4 土壤酶活性季节变异系数 图7为不同覆盖处理各土壤酶活性在3—9月的季节变异系数，不同覆盖处理脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性变异系数大小不一，但均显著高于蔗糖酶和过氧化氢酶。除WM的过氧化氢和蔗糖酶酶活性变异系数差异不显著外，其他处理的过氧化氢酶活性变异系数均显著低于蔗糖酶；而WM的土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶及酸性磷酸酶活性变异系数均低于其他处理，但其过氧化氢酶活性变异系数较高。

3 讨论

3.1 覆盖材料与土壤理化性状及地上小气候

本研究中，在葡萄生长期，透明地膜处理(WM)的地温均高于CK；而地布处理(CM)、秸秆处理(SM)和反光膜处理(RM)在3—9月的地温均低于CK，10月的则高于CK，且均表现为地布处理>反光膜处理>秸秆处理。前人研究也表明，透明地膜处理能有效提高土壤耕层温度，地布处理和秸秆处理对土壤温度具有双重调节效应，防止地温过高或过低[13-15]。另外，本研究结果表明秸秆处理和反光膜处理均可以起到稳定地温，减缓时间和空间上土壤温度变化的作用，其中秸秆处理效果最明显，而透明地膜和地布处理在高温时将加剧地温变化，低温时则能稳定地温。透明地膜处理、反光膜处理、秸秆处理和地布处理覆盖具有较好的土壤水分保持功能，与前人研究结果一致[16]，其中反光膜处理的平均土壤水分含量最高，而透明地膜处理表层土壤水分含量较高，而深层土壤含水量较低，这可能是因为透明地膜处理土壤地表温度较高，使深层土壤的水分上升到地表形成水汽，夜间温度降低水汽则凝结滴落在地表[17]，导致地布处理0～10 cm表层土壤水分含量高于其他处理，但较高的地温也导致树面水分蒸发量提高，土壤耗水量增加[9]。与CK相比，反光膜处理和透明地膜处理提高了葡萄园近地表气温、降低了空气相对湿度，而地布处理和秸秆处理则降低了葡萄园近地表气温、增加了空气相对湿度，这可能是由地膜的不透气性导致的，另外反光膜对光线的反射也能增加棚内温度；而由于秸秆和地布的隔断作用，使地面有效辐射减少导致近地表气温降低、空气相对湿度增加[18]，4种地表覆盖模式均可避免棚内出现高温高湿现象，有利于降低葡萄发病率。

3.2 覆盖材料与土壤酶活性

3.2.1 不同覆盖材料对土壤酶活性季节变化规律的影响 前人关于季节对各种土壤酶的影响研究结果不一[19-23]。本研究中，各处理土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性及土壤酶指数均呈现基本一致的季节变化规律，表明各覆盖处理对脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性季节变化规律无显著影响。CK和地布处理、透明地膜处理、反光膜处理土壤过氧化氢酶活性3月最高，并逐渐降低，6—9月趋于稳定，而秸秆处理过氧化氢酶活性在3—5月逐渐降低，后逐渐升高，9月再次降低，这可能是因为过氧化氢酶属于氧化还原酶类，参与土壤腐殖质的形成[21]，试验前一年晚秋施入的有机物没有完全分解，早春气温回升，土壤中过氧化氢酶活性提高，促进有机物分解形成腐殖质，随后地布处理、透明地膜处理、反光膜处理和CK随着土壤中有机物的分解减少，过氧化氢酶活性逐渐降低并趋于稳定，而随气温升高秸秆处理的土壤微生物数量及活性提高，秸秆被微生物分解进入土壤，促进过氧化氢酶活性逐渐升高，9月随着气温降低过氧化氢酶活性再次降低，但朱海强等[24]研究发现艾比湖湿地怪柳群萌芽期土壤过氧化氢酶活性高于生长旺盛期，而芦苇群萌芽期土壤过氧化氢酶活性却低于生长旺盛期，另外赵德英[4]研究发现秸秆和地膜覆盖处理4—5月土壤过氧化氢酶活性逐渐降低，但6—8月活性却逐渐升高，这可能是由土壤理化性质和植物类型差异造成的，不同作物或同一作物在不同生育期阶段，其根系分泌物的数量和种类不同[25]，根系系分泌物中含有大量土壤微生物和土壤酶类活动所需的各种养分以及某些促进微生物产生更多土壤酶的信号物质，进而改变土壤酶活性[26-28]。

3.2.2 不同覆盖材料对土壤酶活性大小的影响 土壤酶指数可反映各土壤酶因子的综合作用，即土壤酶综合活性[29]。本研究中透明地膜处理有利于提高春、秋季(3—4月和9月)土壤酶综合活性，而夏季(6—8月)土壤酶综合活性与CK基本相同，地布处理和反光膜处理夏季土壤酶活性高于CK，春季低于CK，秋季与CK基本相同，而秸秆处理有利于提高春、夏、秋三季土壤酶综合活性，其原因可能是透明地膜处理在冬春秋三季能显著提高耕层的土壤温度，但夏季会导致土壤温度过高，不利于土壤酶活动，地布处理和反光膜处理在夏季可防止地温过高从而提高土壤酶活性，但春秋两季，土壤温度回升慢，不利于土壤酶活动；秸秆处理可缓解夏季土壤高温，减少土壤水分蒸发，且秸秆覆盖透气性优于地膜覆盖，并能增加土壤有机质含量[30-31]，从而为植物生长提高稳定的水肥气热条件，故秸秆覆盖可提高春、夏、秋三季土壤酶综合活性，且本研究中秸秆处理的土壤酶指数3—9月的平均值显著高于其他处理。大量研究也表明秸秆和地膜覆盖均可提高土壤酶活性，而秸秆覆盖效果较佳[32-33]。

3.2.3 土壤酶活性季节变异系数 酶活性变异系数可以表示酶对环境介质变化的敏感程度，朱海强等[24]对艾比湿湖土壤酶活性研究结果表明其变异系数大小为过氧化氢酶>磷酸酶>脲酶，而罗来超等[34]却发现河南小麦田土壤酶活性变异系数大小为脲酶>脱氢酶>蛋白酶>蔗糖酶>过氧化氢酶，不同的结果可能与土壤类型、地上部作物及栽培管理技术有关。而本研究结果表明土壤脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶在葡萄不同生长季节活性差异较大，即对因葡萄物候期不同引起生存环境的变化较敏感，而过氧化氢酶活性变异系数较小则相对较稳定。因此，过氧化氢酶可作为避雨栽培葡萄园中各处理土壤酶活性差异的指示指标。综合来看，秸秆处理的过氧化氢酶活性显著高于其他处理，地布处理和透明地膜处理二者间无显著差异但显著高于CK，而反光膜处理与CK无显著差异，这与各处理间土壤酶指数差异表现基本一致。

4 结论

综合4种地表覆盖材料对避雨葡萄园微环境及土壤酶活性的影响来看，秸秆处理是避雨葡萄园较为适宜的土壤管理方式。秸秆处理具有明显的保水作用以及夏季降低地温的作用，可促进大棚内葡萄高温季节的生长，且其土壤温度变幅最小，可为葡萄根系创造一个稳定的生长环境；另外秸秆处理具有较高的土壤酶活性可加快土壤养分循环为植物提供充足的营养物质，同时秸秆也可补充土壤有机质。但秸秆处理不利于春季土壤回温，所以春季可选择铺设透明地膜提高土壤温度，促进葡萄根系生长并提早萌芽，而夏季和秋季覆盖秸秆可为葡萄根系提供水热平衡、高肥力的土壤环境。