不同覆盖模式对陇中干旱区扁蓿豆草地土壤酶活性的影响

王玉霞，刘耀峰，鱼小军，2

(1.甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.定西市黄土高原旱区人工草地建植技术创新中心，甘肃 陇西 748100；3.陇西县畜牧兽医技术服务中心，甘肃 陇西 748100))

扁蓿豆(Medicagoruthenica)是一种多年生优质牧草，在人工草地建植及生态修复等方面起着重要作用，其主要分布于西伯利亚、蒙古以及我国的内蒙古、宁夏、甘肃等地[1]，且扁蓿豆具有抗寒、抗旱、耐瘠薄、适应性广等优良特点，营养价值高，各种家畜均喜采食，是我国北方地区重要的豆科饲草资源。但由于扁蓿豆花期较长、种子成熟期不一致、荚果成熟后极易开裂，严重影响了我国扁蓿豆种子大面积生产。近年来，对于扁蓿豆种子生产的研究报道较少[2-3]。

土壤为植物根系保温保湿，且为植物生长提供所需的水、肥、气、热，是植物根系生长的基础环境。因此，良好的土壤环境是植物生长发育的关键因素。土壤酶活性的强弱可以在一定程度上反映土壤养分的转化能力，是生态系统中的催化剂，土壤微生物活动、植物根系分泌物以及动植物残体腐解释放的酶类物质是土壤酶的主要来源，可作为评价土壤肥力的重要指标[4]。有研究表明地膜覆盖不仅可以提墒保温，还可以激发土壤酶活性，提高土壤养分及利用率，这有利于提高作物产量[5,9]；地表覆盖秸秆有利于提高土壤水分利用率和调节土壤温度，同时秸秆自身富含有各种营养元素，可通过自然降雨淋溶作用，增加土壤有机质含量，还可以有效改善土壤结构[10]；而垄沟种植通过改善土壤墒情和延长土壤水分利用有效期，有效促进土壤酶活性，进而有利于提高土壤养分[11]。陇中是典型的干旱区，常年降水不足且分布不均，土壤肥力较低[12]，在土壤贫瘠的地区利用地表覆盖和起垄沟栽培技术对增强土壤酶活性和改善土壤环境具有重要作用。

目前，众多学者针对覆盖种植已做了大量研究，其中覆盖种植对作物的影响的研究主要集中在农艺形态指标、产量及其构成因素和土壤水热状况等的影响[13-15]，陇中干旱地区不同覆盖模式对扁蓿豆种子产量的影响已有报道[16]，但对扁蓿豆草地土壤酶活性的变化状况报道较少。而土壤酶活性的高低可直接或间接反映出表观土壤肥力，土壤酶活性越高，越有利于促进作物生长发育，所以本试验通过分析不同覆盖模式对扁蓿豆草地土壤酶活性的影响，以期为陇中干旱地区以及类似区域扁蓿豆种子的生产提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试原材料扁蓿豆于2012年在甘肃宁县采集，2014年在甘肃省武威市黄羊镇牧草站进行扩繁后收集用于本试验。

1.2 试验地概况

试验地设在甘肃省定西市安定区凤翔镇安家坡六社(N 35°33′02″～35°35′29″，E 104°38′13″～104°40′25″ )，海拔1 900～2 250 m，主要土壤类型为黄绵土，光照充足，年日照时数2 408.6 h，年均气温6.3 ℃，≥5 ℃的年均活动积温2 782.5 ℃，≥10 ℃的年均活动积温2 239.1 ℃，极端温度为-27.1～34.3 ℃，年均降水量427 mm，降水分布极不均匀，年平均蒸发量1 510 mm，年均无霜期141 d。土壤pH值7.0～8.2。土壤有机质47.81 g/kg、土壤全氮1.38 g/kg、土壤全磷1.10 g/kg、土壤全钾8.36 g/kg。土壤碱解氮36.32 mg/kg、土壤速效磷7.37 mg/kg、土壤速效钾159.89 mg/kg。2017-2019年的月平均温度和降水情况如图1所示。

图1 试验区2017-2019年温度和降水情况Fig.1 Temperature and rainfall in the research site from 2017 to 2019

1.3 试验设计

本试验以平作为对照，设置垄沟覆膜、地膜平覆、垄沟覆秸、平作覆秸和垄沟5个处理(选用幅宽1.2 m、厚度为0.008 mm的白色地膜，秸秆选用长20 cm的燕麦秸秆，覆盖量为4 500 kg/hm2)(图2)。垄为集雨区，沟为种植区，垄宽30 cm，垄高10 cm，垄坡45°，于2017年5月2日播种，每个小区面积2 m×5 m，小区间隔0.5 m，重复3次，随机区组排列。试验均为穴播，每穴播种5～10粒，播种深度2～3 cm，株距10 cm，行距30 cm，出苗后酌情补苗和减苗，确保每穴植株成活3～5株。播种前，种子用98%浓硫酸浸泡15 min后，用大量流水冲洗干净。

1.4 测定指标及方法

于扁蓿豆生长第2年、第3年(2018、2019年)的10月上旬在各小区用直径为3.5 cm的土钻取样，分别采集0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层土样，小区内采用S形5点取样法，每个样方每层土样混合为一个重复。挑出土样中石块和植物根系后装入自封袋，带回实验室，每个样品经过自然阴干后分别过0.25 mm和1 mm筛，用于测定土壤酶活性。

土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；蔗糖酶活性采用3、5-二硝基水杨酸比色法；纤维素酶活性采用3、5-二硝基水杨酸比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法。

图2 扁蓿豆种植示意图Fig.2 Schematic diagram of M.ruthenica planting

试验过程中，为排除土样中原有物质对试验结果造成影响并使试验结果精准可靠，对每种土壤酶活性设置无基质对照，整个试验设置无土对照，每个土样重复3次[17-18]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行各指标数据整理和制图，文中数据均用“平均值±标准误”表示；利用SPSS version 22中Compare Means对不同覆盖模式下扁蓿豆各指标进行单因素方差分析，采用GLM分析扁蓿豆种植年份和不同处理以及二者的交互作用对土壤酶活性的影响，差异显著性(P<0.05)采用Duncan法进行。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖模式对土壤脲酶活性的影响

F检验表明(表1)，年份对0～10 cm土层土壤脲酶活性的影响达到显著水平(P<0.05)，对其他土层均无显著影响。处理对0～10 cm土层土壤脲酶活性达到极显著水平(P<0.01)，对其他土层均无显著影响。年份和处理二者交互作用对各土层土壤脲酶活性均无显著影响(P>0.05)。

表1 两个生长年份和覆盖模式交互作用下土壤脲酶活性的方差分析

2018、2019年(扁蓿豆生长第2年、第3年,下同)，各土层不同处理间土壤脲酶活性均表现为：垄沟覆秸>平作覆秸>垄沟覆膜>地膜平覆>垄沟>平作处理，且土层越深土壤脲酶活性越弱。0～10 cm土层，土壤脲酶活性在覆盖地膜和秸秆处理下均显著高于垄沟和平作处理(P<0.05)。10～30 cm土层，不同处理间土壤脲酶活性差异均不显著(P>0.05)(图3)。

图3 覆盖模式下扁蓿豆草地土壤脲酶活性Fig.3 Effects of mulching patterns on soil urease activity of M.ruthenica grassland

2018年0～10 cm土层，垄沟覆秸、平作覆秸、垄沟覆膜、地膜平覆和垄沟处理平作处理相比，土壤脲酶活性分别增加了22.8%、21.1%、14.0%、14.0%、3.5%。

2019年0～10 cm土层，垄沟覆秸、平作覆秸、垄沟覆膜、地膜平覆和垄沟处理与平作处理相比，土壤脲酶活性分别增加21.1%、20.4%、17.1%、14.3%、4.8%。

2.2 不同覆盖模式对土壤蔗糖酶活性的影响

F检验表明(表2)，年份对各土层土壤蔗糖酶活性均无显著影响(P>0.05)。各处理对0～10、10～20 cm土层土壤蔗糖酶活性均达到极显著水平(P<0.01)。年份和处理二者交互作用对各土层土壤蔗糖酶活性均无显著影响(P>0.05)。

表2 两个生长年份和覆盖模式交互作用下土壤蔗糖酶活性的方差分析

2018、2019年，各土层不同处理间土壤脲酶活性均表现为：垄沟覆秸>平作覆秸>垄沟覆膜>地膜平覆>垄沟>平作处理，且土层越深土壤脲酶活性越弱。0～10 cm土层，土壤脲酶活性在覆盖地膜和秸秆处理下均显著高于垄沟和平作处理(P<0.05)。10～30 cm土层，不同处理间土壤脲酶活性差异均不显著(P>0.05)(图4)。

2018年0～10 cm土层，垄沟覆秸、平作覆秸、垄沟覆膜、地膜平覆和垄沟处理下平作处理相比，土壤脲酶活性分别增加22.8%、21.1%、14.0%、14.0%、3.5%。

2019年0～10 cm土层，垄沟覆秸、平作覆秸、垄沟覆膜、地膜平覆和垄沟与平作处理相比，土壤脲酶活性分别增加21.1%、20.4%、17.1%、14.3%、4.8%。

图4 覆盖模式下扁蓿豆草地土壤蔗糖酶活性Fig.4 Effects of mulching patterns on soil sucrase activity of M.ruthenica grassland

2.3 不同覆盖模式对土壤碱性磷酸酶活性的影响

F检验表明(表3)，年份对各土层土壤碱性磷酸酶活性均无显著影响，各处理对0～10 cm土层土壤碱性磷酸酶活性达到极显著水平(P<0.01)，对其他土层土壤碱性磷酸酶活性均无显著影响。年份和处理二者交互作用对各土层土壤碱性磷酸酶活性均无显著影响(P>0.05)。

2018、2019年各土层土壤碱性磷酸酶活性均表现为：垄沟覆秸>平作覆秸>垄沟覆膜>地膜平覆>垄沟>平作处理，且各处理土壤碱性磷酸酶活性在2018年略高于2019年。

表3 两个生长年份和覆盖模式交互作用下土壤碱性磷酸酶活性的方差分析

0～10 cm土层，垄沟覆秸和平作覆秸处理的土壤碱性磷酸酶活性均显著高于垄沟和平作处理，垄沟覆秸处理的土壤碱性磷酸酶活性显著高于垄沟覆膜和地膜平覆处理(P<0.05)(图5)。

10～20、20～30 cm土层，不同覆盖模式间土壤碱性磷酸酶活性差异均不显著(P>0.05)。

图5 覆盖模式下扁蓿豆草地土壤碱性磷酸酶活性Fig.5 Effects of mulching patterns on soil alkaline phosphatase activity of M.ruthenica grassland

2.4 不同覆盖模式对土壤纤维素酶活性的影响

F检验表明(表4)，年份对各土层土壤纤维素酶活性均无显著影响，覆盖模式对0～10 cm土层土壤纤维素酶活性达到极显著水平(P<0.01)。不同覆盖模式对10～20 cm土层土壤纤维素酶活性达到显著水平(P<0.05)，年份和覆盖模式二者交互作用对各土层土壤纤维素酶活性均无显著影响(P>0.05)。

表4 两个生长年份和覆盖模式交互作用下土壤纤维素酶活性的方差分析

2018、2019年各土层土壤纤维素酶活性均表现为：垄沟覆秸>平作覆秸>垄沟覆膜>地膜平覆>垄沟>平作处理。土层深度越深，各覆盖模式对土壤纤维素酶活性的影响越小(图6)。

2018、2019年0～10 cm土层，垄沟覆秸和平作覆秸处理的土壤纤维素酶活性均显著高于其他处理(P<0.05)；10～20 cm土层，垄沟覆秸处理的土壤纤维素酶活性显著高于平作处理(P<0.05)，其他不同处理间土壤纤维素酶活性均无显著性差异；20～30 cm土层不同处理间土壤纤维素酶活性差异均不显著(P>0.05)。

0～10 cm土层，垄沟覆秸、平作覆秸、垄沟覆膜、地膜平覆和垄沟处理与平作处理相比，2018年土壤纤维素酶活性分别增高106.5%、102.6%、18.2%、3.9%、0；2019年土壤纤维素酶活性分别增高109.3%、106.7%、20.0%、5.3%、1.3%。

图6 覆盖模式下扁蓿豆草地土壤纤维素酶活性Fig.6 Effects of mulching patterns on soil cellulase activity of M.ruthenica grassland

2.5 不同覆盖模式对土壤过氧化氢酶活性的影响

F检验表明(表5)，年份对各土层土壤过氧化氢酶活性均无显著影响。各覆盖模式对0～10 cm土层土壤过氧化氢酶活性达到极显著水平(P<0.01)，对其他土层土壤过氧化氢酶活性均无显著影响。年份和覆盖模式二者交互作用对各土层土壤过氧化氢酶活性均无显著影响(P>0.05)。

2018年不同覆盖模式下土壤过氧化氢酶活性变化趋势与2019年基本相同(图7)，2018、2019年土壤过氧化氢酶活性均表现为：垄沟覆秸>平作覆秸>垄沟覆膜>地膜平覆>垄沟>平作处理。10～20、20～30 cm土层，不同覆盖模式间土壤过氧化氢酶活性均无显著性差异(P>0.05)。

表5 两个生长年份和覆盖模式交互作用下土壤过氧化氢酶活性的方差分析

2018年 0～10 cm土层，垄沟覆秸处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于平作处理(P<0.05)，与其他处理间差异不显著(P>0.05)。2019年0～10 cm土层土壤过氧化氢酶活性，垄沟覆膜、地膜平覆、垄沟覆秸和平作覆秸处理均显著高于平作处理(P<0.05)。

图7 覆盖模式下扁蓿豆草地土壤过氧化氢酶活性Fig.7 Effects of mulching patterns on soil catalase activity of M.ruthenica grassland

2.6 不同覆盖模式下连续2年扁蓿豆种子产量及土壤酶活性相关性分析

不同覆盖模式下，土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性、纤维素酶活性、过氧化氢酶活性与扁蓿豆种子产量均极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.952、0.953、0.944、0.909和0.737，其中土壤脲酶和蔗糖酶活性与种子产量相关性最高。同时，土壤脲酶活性与蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性、纤维素酶活性、过氧化氢酶活性达极显著正相关，相关系数分别为0.966、0.978、0.922和0.748；土壤蔗糖酶活性与碱性磷酸酶活性、纤维素酶活性和过氧化氢酶活性极显著正相关，相关系数分别为0.931、0.898和0.769；土壤碱性磷酸酶活性与纤维素酶和过氧化氢酶活性均达极显著正相关，相关系数分别是0.936和0.725；土壤碱性磷酸酶与过氧化氢酶活性达到极显著正相关(P<0.01)(表6)。

表6 不同覆盖模式下生长第2年和第3年扁蓿豆种子产量及土壤酶活性相关性分析

3 讨论

土壤酶是维持土壤肥力的潜在指标，其活性的高低可间接反映出表观土壤肥力，土壤酶活性越强土壤肥力越高，起垄覆膜有助于提高土壤酶活性[19]。有研究表明，地表覆盖地膜和秸秆种植的土壤含水量显著高于无覆盖处理，且覆盖种植土壤酶活性和扁蓿豆种子产量及构成因素均显著高于垄沟和平作处理[16]，这是由于覆盖栽培可以改善土壤水热环境，适宜的土壤环境有利于提高土壤酶活性，进而促进土壤养分循环和转化速率，对提高扁蓿豆种子产量有积极作用[20-21]。这也说明地膜和秸秆覆盖种植均有利于提高土壤酶活性，尤其以秸秆覆盖种植下土壤酶活性最强。

本研究结果表明，土壤碱性磷酸酶、纤维素和过氧化氢酶在垄沟覆秸和平作覆秸处理下其活性均最大，且不同处理对0～10 cm土层酶活性影响效果最明显，酶活性最强，说明地表覆盖秸秆有利于提高土壤酶活性[22]。地表秸秆覆盖和垄沟种植后，浅层土壤水热环境得以改善，秸秆腐烂分解速度加快，进而增加了土壤有机质含量，使得原来土壤中碳氮比得以改变，增强了酶促反应，且土壤酶活性相应增强，有利于促进扁蓿豆生长和种子产量提高[21,23-24]。本研究发现，地膜覆盖处理对土壤碱性磷酸酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性的影响较小，这与陈和平等[25]研究结果相反，可能原因是土壤酶活性受土壤管理影响外，还与扁蓿豆地下根系分泌物、土壤微生物活动及气候条件有关。本研究中土壤酶活性表现为扁蓿豆生长第2年高于生长第3年，但各种酶活性在不同处理下2年变化趋势基本一致，这可能是因为扁蓿豆土壤理化性质及气候发生改变，且随着扁蓿豆的生长发育使得土壤养分减少以及土壤微生物活动减缓，从而导致土壤酶活性减弱[26]。

本研究中，不同覆盖模式下5种土壤酶活性在垂直空间内有相似的变化规律，即随着土壤深度的增加，土壤酶活性总体呈现递减趋势，这可能是因为农耕地土壤肥力较差，微生物只能通过分解土壤表层扁蓿豆的枯落物使其生长繁殖，但随着土层深度增加，土壤水分、温度及养分限制了土壤生物的生存，且土壤微生物也相应减少，使得土壤表层酶活性强于土壤深层[27-30]。同时，由于植物(扁蓿豆)根系主要分布于土壤表层，植物根系越多酶类物质分泌也相应增加，从而增强了表层土壤酶活性[31]。土壤酶活性的变化比较复杂，枯落物分解程度、植物根系分泌物、土壤温度、湿度及不同栽培方式等均对土壤酶活性造成不同程度的影响，且对每一种酶的具体影响因素也有所不同[32]。本研究中，秸秆和地膜覆盖处理的5种土壤活性均显著高于无覆盖处理，且随着土壤深度加深酶活性逐渐变弱，这可能因为地表覆盖作物秸秆和地膜处理，改变了土壤水分和温度，为土壤中各种生物化学反应过程创造了良好环境，在一定程度上激发了酶活性，进而促进扁蓿豆生长[33-34]。地表覆盖地膜有利于增墒保温，但雨季时地膜覆盖不利于降水入渗，从而导致土壤含水量降低使得土壤尿素浓度增加，进而土壤脲酶活性增强。而秸秆覆盖和垄沟处理由于其保墒和调温的作用，以及秸秆本身腐烂分解产生的有机物颗粒，有利于增强土壤脲酶活性[35-36]，这充分说明地表覆盖可以有效增强土壤脲酶活性。总体而言，在陇中干旱地区短期内采用地膜和秸秆覆盖种植有利于增强土壤酶活性，尤其以秸秆覆盖种植的土壤酶活性最高，越有利于提高土壤肥力和扁蓿豆种子产量。

4 结论

地表覆盖种植对土壤酶活性产生了不同程度的影响，土壤酶活性总体表现为：秸秆覆盖>地膜覆盖>无覆盖处理，且随着土层深度的增加，土壤酶活性呈逐渐减小趋势。不同覆盖模式下土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、纤维素酶、过氧化氢酶活性在生长第2年均高于生长第3年。垄沟覆秸和平作覆秸处理下土壤蔗糖酶和纤维素酶活性最高，秸秆覆盖种植可显著增强土壤蔗糖酶和纤维素酶活性。各覆盖模式的土壤酶活性均在0～10 cm土层最强，土壤肥力也相应较高，因此在陇中干旱地区，采用秸秆覆盖种植更有利于增强土壤酶活性。