不同地面覆盖模式对樱桃园土壤活性有机碳组分及相关酶活性的影响

陈俊朴，黄圣杰，陈 涛，方从刚，马鑫鹏，郭文涛，黄成毅,4*

(1.四川农业大学水利水电学院，四川 雅安 625014；2.四川农业大学生命科学学院，四川 雅安 625014；3.成都市国土资源信息中心，四川 成都 610041；4.四川农业大学环境学院，四川 成都 611130)

【研究意义】果园是农田生态系统中重要的土地利用类型；与短期种植的作物生态系统相比，果园生态系统具有较高的稳定性和更大的碳储蓄潜力[1]。土壤是果园生态系统中最大的碳库，土壤碳库的变化影响着果园土壤的养分供应和整个系统的碳循环。活性有机碳是土壤碳库中最活跃的组分，周转速率快、易被分解转化，是指示土壤碳库变化的重要指标[2]。土壤酶参与土壤中各种生化反应，且土壤中有机碳的转化依赖于酶系统，推动着生态系统中能量流动和物质循环[3]。活性有机碳和酶均是土壤中活跃的有机组分，对果园生态系统的碳平衡有重要影响，且受人为田间管理措施的直接影响。地面管理制度在果园土壤可持续性利用方面发挥着重要作用，展开其对土壤碳库的影响研究对果园生态系统固碳具有重要意义。【前人研究进展】人工种草、有机物料覆盖、地膜覆盖是果园代替清耕的主要地面管理措施，在控草、保温保墒、防治水土流失等方面有较优的效果[4]。地膜覆盖有较好的保温保墒效果，在果园中应用广泛，通过影响土壤的水热条件进而影响有机碳的变化过程，张林森等[5]于苹果园覆膜试验的研究表明，地膜覆盖提高了土壤活性有机碳含量；卜玉山等[6]研究认为地膜覆盖降低了土壤有机碳含量；而吴荣美等[7]和梁贻仓等[8]认为地膜覆盖对有机碳及其活性组分影响不大。许多研究表明，生草覆盖能增强果园土壤团聚体稳定性、养分的有效性，增加土壤有机碳含量并改善土壤物理化学性质[9-12]，国内外部分研究证明适当的自然生草管理覆盖可以恢复果园土壤退化，并且杂草被认为是调节土壤有机碳的中间库[13-16]；王耀锋等[17]于桃园种植毛苕子后，发现土壤总有机碳未发生显著变化，而刘富庭等[12]于苹果园种植毛苕子后较清耕显著提升了总有机碳含量。由于地域差异以及作物系统不同，有关各地面覆盖措施对土壤碳库的研究结果并不完全一致，各地表覆盖措施在果园生态系统中的应用还需进一步研究。地布(也称“园艺地布”)是一种编织而成的布状材料，近年来在果园逐渐展开应用，在桔园[18]和苹果园[19]中已有部分报道，并表明地布覆盖能提高水分利用效率，提高果实品质，但有关地布覆盖对果园碳库的影响研究较少。【本研究切入点】有关人工种草、自然生草、地布等地面覆盖措施对樱桃园土壤质量的影响鲜有报道。开展进一步研究对樱桃园合理的土壤覆盖管理制度的构建以及土壤的可持续利用具有重要意义。因此，本文以传统清耕为对照，研究地布覆盖、自然生草覆盖和人工种植野豌豆覆盖对樱桃园土壤有机碳及其活性组分和相关酶活性的影响。【拟解决的关键问题】探明这3种覆盖模式下果园土壤活性有机碳组分及相关酶活性的变化特征，为改善樱桃园土壤质量以及构建合理、可持续的地面管理措施提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与供试材料

本研究区域位于四川省成都市新津县新平镇万街村“憨博士樱桃园”(N30°43′57.08″，E103°75′98.22″)，位于成都平原南部，属亚热带季风湿润性气候，无霜期长，雨量充沛，四季分明，年均气温16.4 ℃，年平均降雨量987 mm，多年平均日照1119.1 h，极端最低气温为-4.7 ℃，极端最高气温为36.6 ℃，年平均无霜期为297 d，日平均气温小于5 ℃的年平均天数为103 d。试验区供试土壤类型属平坝冲积性水稻土，土壤各层次基础肥力如表1所示。供试覆盖材料：人工种植草种为长柔毛野豌豆(一年生豆科植物)；园艺地布(江苏无锡飞洋塑业提供)：黑色+PP材质+防老化UV，重90 g/m2，幅宽1.5 m，使用寿命5年；自然生草草种：春季群落主要是猪秧秧(GaliumspuriumL.)、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、荠菜[Capsellabursa-pastoris(Linn.) Medic.]、毛茛(RanunculusjaponicusThunb.)、棒头草(PolypogonfugaxNees ex Steud.)、蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)，夏季群落主要是牛筋草[Eleusineindica(L.) Gaertn.]、龙葵(SolanumnigrumL.)、苦苣菜(S.oleraceusL.)、蒿(Artemisia)等；供试樱桃品种为“南早红”(中国樱桃)，园间耕作方式为垄作，垄宽2.5 m，垄长15.0 m，每垄6棵樱桃树，沿垄中心线(与长边平行)种植，树龄6年。

表1 供试土壤基础理化性质

1.2 试验设计

定位试验于2018年9月下旬进行，试验共设置野豌豆覆盖(VSM)、地布覆盖(GCM)、自然生草覆盖(NGM)和清耕(CK)共4个处理，每处理设3个重复，共12个小区(1区1垄)，每个小区面积37.5 m2。每年9月下旬每个小区按羊粪2250.0 kg/hm2、磷酸二铵375.0 kg/hm2、地补乐450.0 kg/hm2和钙肥37.5 kg/hm2作为基肥一并施入。野豌豆覆盖小区分别于2018年10月下旬、2019年10月下旬2次播种，播种方式为撒播，播前微松表皮土壤并除去杂草，种子浸泡24 h后均匀撒播于整个小区垄面上，播种深度1～2 cm，播种量为37.5 kg/hm2，春季长势旺盛，植株结豆荚后逐渐自然腐烂，野豌豆覆盖处理小区不进行刈割，自然腐解还田。地布覆盖处理小区于2018年10月下旬覆盖，覆盖前清洁小区垄面，拣去表面石头、树枝以及坚硬异物，将两幅地布沿垄长边方向进行拼接，拼接线与樱桃树种植线重合，地布有凸点的一面紧贴地表，地布覆盖于整个小区垄面，拼接线处和垄面边缘贴合处均用专用地钉(PPR材质)插入土壤进行固定，除施肥需揭布外，地布全年覆盖于地表。自然生草覆盖小区杂草生长高度达到30～40 cm时用割草机进行留茬15 cm刈割，每年刈割3～4次，刈割后就地进行全垄覆盖。清耕处理小区按园间原有的人工耕作结合化学除草剂方式定期除草。各处理小区除覆盖材料不同外，全年的追肥、灌溉等园间管理制度均一致。

1.3 样品采集与测定

于2020年4月樱桃成熟期间采用多点混合采样法采集各小区0～10、10～20 cm两个土层的土样，混匀后通过四分法取出足够土样，样品装入塑封袋于冰盒中运回实验室。挑拣出土样的动植物残体及石砾，部分过2 mm筛放于4 ℃冰箱备用，其余土样风干后备用。

总有机碳(TOC)和采用重铬酸钾氧化法测定[20]。易氧化有机碳(LOC)采用333 mmol/L KMnO4氧化法测定[21]。颗粒有机碳(POC)采用5 g/L六偏磷酸钠分散法，分散后得到的土样采用重铬酸钾氧化法测定有机碳含量并乘以分离出颗粒态土的质量分数即为POC含量[22]。轻组有机碳(LFOC)采用相对密度分组法；称取过0.25 mm筛风干土5 g于离心管，按1∶5的比例加入相对密度1.8的NaI重液，振荡1 h(200 r/min)后离心10 min(3000 r/min)，重复3次，用95%乙醇和蒸馏水洗涤干净，离心管剩余部分为重组土样，烘干后计算其质量占比，用重铬酸钾氧化法测定其有机碳含量，LFOC采用差减法求得[20,22]。溶解性有机碳(DOC)采用0.5 mol/L K2SO4浸提法；称取相当于10 g干质量的鲜土，按照1∶5的比例加入0.5 mol/L K2SO4，室温下振荡1 h(250 r/min)后离心15 min(2500 r/min)，上清液过0.45 μm滤膜，滤液中的DOC采用重铬酸钾氧化法测定[20,23]。

酶活性测定：淀粉酶、纤维素酶和蔗糖酶活性分别以1%淀粉溶液、1%羧甲基纤维素溶液和8%蔗糖溶液为底物，采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；脲酶采用苯酚钠一次氯酸钠比色法测定[24]。

1.4 数据分析

采用Excel 2010处理数据并制图，采用SPSS 22.0软件进行方差分析和多重比较(LSD法，P< 0.05)、Pearson相关性分析及多元逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对樱桃园土壤总有机碳含量的影响

各处理下总有机碳含量随着土层加深而降低(图1)。0～10 cm土层和10～20 cm总有机碳含量均表现为NGM>VSM>CK>GCM；其中，NGM和VSM处理于0～10 cm土层分别较CK显著增加，于10～20 cm土层分别较CK显著增加(P< 0.05)。而GCM处理于各土层的总有机碳含量与CK处理无显著差异，但有下降趋势。

不同小写字母表示处理间差异达到显著水平(P < 0.05)，下同Different lowercase letters indicated that the difference between treatments was significant (P < 0.05).The same as below图1 不同覆盖处理下对樱桃园0～20 cm土层总有机碳含量的影响Fig.1 Effects of different mulching treatments on the total organic carbon content of 0-20 cm soil layer in cherry orchard

2.2 不同处理对樱桃园土壤活性有机碳组分的影响

活性有机碳对不同处理的响应存在差异(表2)，各组分含量均随着土层加深而减少。NGM、VSM和GCM的POC含量均显著高于CK，0～10 cm土层的POC含量分别较CK显著提高73.25%、63.37%和21.66%，10～20 cm土层分别较CK显著提高了72.83%、62.14%和26.75%。DOC含量表现为3种覆盖模式均显著高于CK，其中VSM与NGM无显著差异，0～20 cm土层DOC平均含量大小趋势为：VSM(415.42 mg/kg)>NGM(404.26 mg/kg)> GCM(317.22 mg/kg)>CK(263.32 mg/kg)。LFOC含量表现为NGM>VSM>GCM>CK；其中NGM和VSM之间无显著差异，但均显著高于CK，0～10 cm土层分别较CK显著提高，10～20 cm土层较CK显著提高。LOC含量表现为各土层下3种覆盖模式均显著高于CK，0～20 cm土层LOC平均含量大小趋势为：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，各活性有机碳占总有机碳比值变化范围大致表现出POC/TOC>LOC/TOC>LFOC/TOC>DOC/TOC，且随着土层加深而减小。POC/TOC变化范围为15.91%～29.99%，POC/TOC于0～20 cm土层平均变化顺序为NGM(27.83%)>VSM(26.65%)>GCM(22.01%)>CK(15.57%)。DOC/TOC变化范围为1.36%～2.80%，明显低于POC/TOC，各覆盖处理间平均比值变化顺序为VSM(2.43%)>NGM(2.32%)>GCM(2.02%)>CK(1.65%)。LFOC/TOC变化范围为6.5%～9.84%,于0～20 cm土层平均变化顺序为NGM(8.97%)>VSM(8.79%)> GCM(8.26%)>CK(7.58%)。LOC/TOC变化范围为13.29%～22.99%,LOC/TOC于0～20 cm土层平均值为NGM处理最高，分别是VSM、GCM、CK的1.06、1.2、1.46倍。

2.3 不同处理对樱桃园土壤酶活性的影响

如图2所示，与清耕(CK)相比，各覆盖处理对土壤酶活性均有显著影响，各酶活性对不同覆盖处理的响应不同，均随土层加深而降低。纤维素酶活性表现为各覆盖处理均显著高于清耕(CK)；NGM、VSM和GCM于0～10 cm土层分别较CK提高77.32%、61.05%和36.63%，10～20 cm土层分别较CK增加84.25%、75.59%和35.43%。淀粉酶活性为1.78～3.80 mg/(kg·d)，3种覆盖处理均显著高于清耕， 0～20 cm土层淀粉酶活性平均值为NGM[3.42 mg/(kg·d)]>VSM[(3.26 mg/(kg·d)]> GCM[2.98 mg/(kg·d)]>CK[2.16 mg/(kg·d)]。各土层脲酶活性均为VSM处理最高， 0～20 cm土层VSM平均活性值为0.591 mg/(kg·d)，分别是NGM、GCM、CK的1.10、1.21、1.45倍。各层蔗糖酶活性均表现为NGM>VSM>GCM>CK， 0～10 cm土层NGM、VSM和GCM分别较CK增加118.86%、75.27%和30.14%，10～20 cm土层分别较CK增加95.63%、79.54%和22.30%。

表2 不同覆盖处理对樱桃园0～20 cm土层各活性有机碳含量的影响

表3 不同覆盖处理对樱桃园0～20 cm土层各活性有机碳分配比例的影响

图2 不同覆盖处理下对樱桃园0～20 cm土层各酶活性的影响Fig.2 Effects of different covering treatments on the activities of enzymes in the 0-20 cm soil layer in cherry orchard

2.4 樱桃园土壤有机碳组分和酶活性的相关性分析

樱桃园土壤有机碳组分和酶活性总有机碳与各活性有机碳之间均呈极显著相关关系(表4)，其中DOC与SOC的相关系数最高。总有机碳与各水解酶活性也均呈极显著相关，其中蔗糖酶与总有机碳的相关系数最高。

为了解樱桃园土壤不同酶活性对有机碳各组分之间的影响程度，通过多元逐步回归分析进一步分析土壤酶活性与各活性有机碳含量之间的关系(表5)。蔗糖酶是总有机碳的显著正影响因子，颗粒有机碳主要受蔗糖酶和纤维素酶的显著正影响，蔗糖酶和脲酶是溶解性有机碳和轻组有机碳的显著正影响因子，易氧化有机碳主要受纤维素酶的显著正影响。

3 讨 论

3.1 不同覆盖方式对果园土壤有机碳及其活性组分的影响

覆盖法是果园地面管理系统中重要的土壤管理策略，覆盖能使地表与外部环境形成一个隔层，控制土壤水分蒸散发、养分流失，调节土壤温湿度，改善土壤内部微生物进行生命活动的微环境[25]。地表覆盖对果园生态系统中的有机碳的矿化和积累有重要影响，特别是活性有机碳，如溶解性有机碳、颗粒态有机碳、易氧化有机碳和轻组有机碳等，分子量小、更新速度快，较易为微生物分解利用和植物吸收，能对地表覆盖迅速响应[4]。本研究结果显示自然生草覆盖和人工种植野豌豆覆盖均较清耕提高了樱桃园土壤颗粒态有机碳、溶解性有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳含量，并且增加了各活性有机碳的分配比例；这与大多数前人的研究结果相似，陈苏等[11]于橘园、刘富庭[12]于苹果园的种草试验均得到了较好的效果，种草后均提高了土壤易氧化有机碳、颗粒态有机碳、轻组有机碳和溶解性有机碳等活性有机碳含量；谷艳蓉等[26]于桃园和Andrés等[27]于葡萄园的研究结果均表明自然生草覆盖能提高土壤有机碳含量，同时认为杂草是调节土壤有机碳的中间库，适当的修剪能增加碳资源的可用性；长柔毛野豌豆属一年生豆科绿肥，结豆荚后自然腐烂，园间管理方便，无需刈割；姜莉莉[28]和陈学森[29]在苹果园种植野豌豆的试验结果均表明野豌豆覆盖能提升土壤有机碳含量，提高土壤质量。同时，本研究显示自然生草刈割较野豌豆覆盖对土壤有机碳库提升更优，自然生草覆盖下土壤0～10和10～20 cm土层有机碳含量较清耕显著提高，野豌豆覆盖较清耕分别显著增加，这与闫文涛[14]和姜莉莉[28]研究结果较为相似，由于自然草种丰富，并于全年多次刈割，较野豌豆有更大的还田生物量。果园生草覆盖是一种多物种、多层次的复合系统，不仅能供给土壤大量有机碳源，还能增加有机碳的有效性，产生大量的不稳定有机碳，果树能更容易获得营养。

表4 土壤有机碳组分和酶活性间的相关性分析

表5 土壤有机碳组分与酶活性的逐步回归分析

地布覆盖下土壤各层总有机碳与清耕处理无显著差异，并且有下降趋势，但地布覆盖下溶解性有机碳、易氧化有机碳、颗粒态有机碳和轻组有机碳较清耕均有所提高，并增加了各自占总有机碳的比例。张林森等[5]于苹果园进行黑色地膜覆盖试验的结果显示，地膜覆盖的土壤总有机碳含量低于清耕对照，但颗粒有机碳、轻组有机碳、易氧化有机碳、溶解性有机碳含量高于清耕，且均随着覆盖年限的增加而降低；卜玉山等[6]研究结果表明地膜覆盖会降低土壤总有机碳的含量；梁贻仓等[8]研究显示地膜覆盖较清耕总有机碳有下降趋势但不显著，并且0～10 cm潜在矿化碳较清耕有一定升高。类比前人对地膜覆盖的试验结果，地布覆盖可能给微生物活动创造了良好的物理条件，增加微生物活性，促使其加速了对有机碳的分解及利用，使得总有机碳含量下降，并且短时间内增加了活性有机碳含量，但从长期来看，不利于有机碳的长久固存。

3.2 不同覆盖方式对果园土壤酶活性的影响

土壤酶主要来源于土壤植物残体释放、微生物和植物根系分泌物，参与土壤各种生物化学反应，对维持果园生态系统的碳平衡起着重要作用。生草覆盖有强大的根系分布，并且为微生物的活动创造了良好的环境条件和物质条件，均增加了酶的分泌。本研究结果显示自然生草覆盖和野豌豆覆盖均较清耕显著提高了樱桃园土壤纤维素酶、蔗糖酶、淀粉酶、脲酶活性，这与大多数研究结果较为相似，李超等[16]于葡萄园研究表明自然生草提高了葡萄园土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，并且对0～20 cm土层土壤提升非常明显；司鹏等[30]、魏树伟等[31]、吴玉森等[15]和付学琴等[32]的研究结果也均表明果园生草覆盖能有效提升土壤参与碳循环的酶活性。本研究结果中野豌豆覆盖下脲酶活性高于自然生草覆盖，这与王攀磊等[33]于香蕉园种植豆科作物和自然生草对比研究结果较为相似，其结果表明豆科作物覆盖对土壤脲酶活性的提升要优于自然生草，主要原因可能是豆科作物向土壤提供了更多的含氮有机物，向微生物供给大量有机氮源，增强了脲酶的分泌。

地布覆盖较清耕处理均显著提高了土壤纤维素酶、蔗糖酶、淀粉酶、脲酶活性；地布覆盖具有较好的保温保墒、活化土壤养分效果，增强了微生物活性。罗玲等[34]在葡萄园的覆盖试验的研究结果也表明地布覆盖有利于提升土壤酶活性，并且其研究得出地布覆盖对土壤酶活性的提升更优于传统地膜覆盖，这可能与地布覆盖下土壤内部与外部环境气体交换要更优于地膜，微生物活动更强有关。

4 结 论

两年的短期覆盖试验表明，自然生草覆盖和种植野豌豆覆盖均较清耕显著提高了樱桃园土壤有机碳含量、活性有机碳含量和酶活性，并且自然生草覆盖对樱桃园碳库的提升优于野豌豆覆盖，两种生草覆盖模式均有利于樱桃园土壤有机碳的积累。

地布覆盖较清耕增加了活性有机碳含量，提高了活性有机碳分配比例，但总有机碳含量有下降趋势，不利于樱桃园土壤碳的固存，地布长期覆盖下土壤有机碳的变化规律还需进一步展开研究。