黄土高原果园不同覆盖模式对土壤酶活性的影响

田玉莉， 吴小苹， 陈欣佛， 郭亚茹， 李泽林， 倪新华， 张嘉涛， 李会科*

(1.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100； 2.青海省水文水资源测报中心， 青海 西宁 810009)

黄土高原是中国优质苹果主产区，苹果产业已成为促进区域经济发展，改善生态环境的优势产业[1]。然而，长期清耕管理造成了土壤侵蚀、土壤肥力退化、果实减产等诸多问题[2-3]。对比清耕处理，覆盖秸秆或行间生草等果园土壤管理措施能够有效改善土壤结构、提升土壤质量、改善果品品质[3-5]。分析评价黄土高原果园覆盖模式下土壤环境质量变化对于优化果园覆盖模式，促进覆盖在黄土高原苹果园推广具有重要作用。

土壤酶主要来源于动植物残体及微生物残体的分解释放，是具有生物催化能力的高分子活性物质[6]。土壤酶能快速、准确地反映农业管理措施导致的微生物群落活动、土壤有机质和其他土壤性质的细微变化，在土壤碳、氮、磷转化过程中有重要作用[7-8]。土壤绝对酶活性和相对酶活性是土壤酶活性的两种不同表达。通常所说的酶活性是指土壤绝对酶活性，是在单位土壤质量的基础上来表示酶活性，而土壤相对酶活性是在单位土壤有机碳的基础上来表示酶活性[7]。与土壤绝对酶活性相比，相对酶活性(单位土壤有机碳酶活性)是以有机碳为基础表达土壤微生物特性，代表了以有机物质为基础的微生物群落的代谢状态[9]，能指示土壤微生物群落变化[10]，表征微生物代谢活性[11]，是评价土壤质量的重要指标[12]。因此，揭示不同覆盖模式下果园土壤绝对酶活性和相对酶活性的变化特征对于客观评价不同覆盖模式下土壤质量的变化具有重要作用。

本研究立足于渭北黄土高原果园长期覆盖定位试验，以传统的果园土壤清耕作为对照，测定分析不同覆盖下果园土壤理化性质、土壤绝对酶活性和相对酶活性，揭示不同覆盖模式下果园土壤绝对酶活性和相对酶活性的变化特征及其影响因素。本研究旨在为深入了解覆盖模式下果园土壤质量提升效益机制，优化果园覆盖技术提供依据，为促进覆盖技术在黄土高原苹果园推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于陕西省白水县(35°03′～ 35°47′ N，109°16′～ 109°45′ E)西北农林科技大学苹果试验站，属于黄土高原沟壑区，平均海拔850 m。该地区属于暖温带大陆性季风气候，平均气温11.4℃，降水量577.8 mm，主要集中在6 ～ 9月。果园长期定位试验均采用完全随机区组设计，每个处理设置三个重复。本试验共设置四个处理，分别为：(a)清耕(Conventional tillage，CT)；(b)秸秆覆盖(Cornstalk，CS)；(c)黑麦草(LoliumperenneL.)覆盖(Ryrgrass,RE)，(d)白三叶(TrifoliumrepensL.)覆盖(White clover，WC)。于2006年在苹果园中种植果树，栽培密度为每公顷2 500株(行距4 m，株距1 m)。清耕(CT)地在每年3月、8月和11月用旋耕机进行旋耕，保持土壤表面无杂草。秸秆(CS)覆盖处理每年10月在树行施用相同数量的玉米秸秆，覆盖宽度为4 m，厚度保持在10～15 cm。2012年在苹果行间播种多年生黑麦草(RE)和白三叶草(WC)，播种量为0.75 g·m-2，每年刈割3次(5月、8月和10月)，将残茬作为有机覆盖物保留在土壤表面。果园肥料施用量为每年3 660 kg·ha-1，所有处理均按相同的施肥标准(N 18%，P2O510%，K2O 18%)处理。其他田间管理措施与整个果园的管理措施一致。该试验设计示意图1所示。

图1 试验布设图Fig.1 Schematic diagram of experimental design

1.2 土壤样品采集

于2020年8月初进行土样采集。每个处理小区中采用五点取样法，使用直径为5 cm的土钻，分3层(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)采集土样，取出的样品按土层充分混合，每个处理包括3个重复。所有的新鲜土样(4个处理×3个土层×3个重复=36个土壤样品)都通过2 mm筛。其中一部分土壤放入4℃冰箱中用于测定土壤微生物量和酶活性。另一部分土壤样品自然风干，分别过1 mm和0.15 mm筛分，用于测定土壤基本理化性质。

1.3 测定指标与方法

(2)土壤绝对酶活性测定：α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和碱性磷酸酶均采用荧光分析法测定。以荧光4-羟甲基-7-香豆素(MUB)缀合物为底物，接种96孔微板，后使用多功能酶标仪在激发波长365 nm、发射波长450 nm的条件下测定土壤绝对酶活性[15-16]。

1.4 数据处理

单位有机碳酶活性：

式中，SOCE表示单位有机碳酶活性(nmol·g-1·h-1)；EA为土壤绝对酶活性(nmol·g-1·h-1)；SOC为土壤有机碳含量(g·kg-1)。

表1 不同覆盖模式土壤基本理化性质Table 1 Soil physicochemical properties under diversity mulching model

1.5 数据分析

采用Excel 2010分析平均值和标准差；利用SPSS 26.0软件单因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD检验(α=0.05)分析土壤理化性质、绝对酶活性和相对酶活性的差异。采用Canoco5.0进行冗余分析(RDA)，分析绝对酶和相对酶活性与土壤环境因子的关系。采用Origin 2019绘图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖模式对土壤绝对酶活性的影响

不同覆盖模式下土壤绝对酶活性如图2所示。由图2可知，不同覆盖对果园7种土壤绝对酶活性的影响主要集中在0～20 cm和20～40 cm土层。方差分析结果表明，不同覆盖模式下土壤绝对酶活性与CT处理差异显著，而在40～60 cm土壤中不同覆盖与CT处理间绝对酶活性无显著差异。0～40 cm土层3种覆盖处理下的7种土壤碳、氮、磷转化相关绝对酶活性均高于CT处理，但不同覆盖处理下土壤绝对酶活性不同。

AG、BG、BXYL和CBH是参与植物多糖水解的主要碳循环酶，在不同处理下的活性大小总体上表现为CS处理下活性最高。其中，0～20 cm和20～40 cm土层AG活性为CS>RE>WC>CT，RE与WC处理间无显著差异(图2(a))。0～20 cm和20～40 cm土壤BG活性在CS处理下最高，RE与WC在0～20 cm无显著差异，在20～40 cm为CS>RE>WC>CT(图2(b))。0～20 cm和20～40 cm土壤BXYL活性在CS处理下最高，RE与WC在0～40 cm无显著差异(图2(c))。0～20 cm内土壤CBH活性为CS>WC>RE>CT，20～40 cm土壤CBH在CS处理最高，RE与WC无显著差异，但均高于CT处理(图2(d))。

NAG和LAP是主要的氮循环酶，在土壤氮素供应中扮演重要角色。氮循环酶在不同覆盖处理下土壤绝对酶活性有所差异。NAG在CS处理下活性最高而LAP在WC处理下活性最高。0～20 cm土层中，与CT相比，CS，RE和WC处理下土壤NAG分别提高了60.7%，21.8%和24.2%，在20～40 cm土层分别提升了48.3%，20.1%和20.9%，RE与WC无显著差异(图2(e))。LAP在WC处理下活性最高，0～20 cm和20～40 cm土层基本表现为WC>CS>RE>CT。0～20 cm土层CS，RE，WC覆盖下LAP较CT分别提升了30.1%，22.6%和59.9%，20～40 cm分别提升了34.8%，25.9%和45.8%(图2(f))。ALP参与有机磷向无机磷的转化过程，是主要的磷循环酶。ALP在CS处理下的活性最高，在0～20 cm和20～40 cm分别提升了62.7%和39.6%。而0～40 cm 土层内RE与WC无显著差异，但均显著高于CT处理(P<0.05)(图2(g))。

图2 覆盖模式对土壤绝对酶活性的影响Fig.2 Soil absolute enzyme activity under mulching model注：CT，清耕；CS，秸秆覆盖；RE，黑麦草；WC，白三叶。同一土层中不同小写字母表示处理差异显著(P < 0.05)。下同Note：CT,conventional tillage;CS,cornstalk mulch;RE,ryegrass;WC,white clover. Different lowercase letters in the same soil depth indicate significant differences in treatments at the 0.05 level. The same as below

2.2 不同覆盖模式对土壤相对酶活性的影响

不同覆盖措施下土壤单位有机碳酶活性如图3所示。由图3可知，不同覆盖管理措施对0～20 cm和20～40 cm土层土壤单位有机碳酶活性影响显著，而40～60 cm土层不同覆盖与CT处理间土壤单位有机碳酶活性无显著差异。0～20 cm和20～40 cm土层不同覆盖模式下7种土壤单位有机碳酶活性均高于CT处理，但不同覆盖处理下土壤单位有机碳酶活性不同。

碳循环土壤单位有机碳酶在不同覆盖下的活性大小为：AG/SOC在 0～20 cm和20～40 cm均表现为CS>RE>WC>CT(图3(a))。0～20 cm土层中BG和SOC活性在各处理间无显著差异，20～40 cm中RE处理增加了土壤BG/SOC活性，CS与CT处理无显著差异，而WC覆盖降低了土壤BG/SOC活性(图3(b))。BXYL/SOC在CS处理下活性最大，RE与WC差异较小，均高于CT处理(图3(c))。不同覆盖均增加了土壤CBH/SOC活性，且不同处理下土壤酶活性增长幅度基本一致(图3(d))。氮循环酶在不同处理下的活性大小为：NAG/SOC以CS处理活性最高，RE与WC差异较小，CT处理下活性最低(图3(e))。WC覆盖增加了0～20 cm和20～40 cm土层土壤LAP/SOC活性，CS,RE处理与CT差异不大(图3(f))。磷循环酶在不同处理下的活性大小：在0～20 cm，覆盖处理下ALP/SOC活性显著高于CT，而20～40 cm各处理间差异不显著(图3(g))。

图3 覆盖模式下土壤相对酶活性Fig.3 Soil specific enzyme activity under mulching model

2.3 土壤绝对酶活性和相对酶活性与土壤理化性质的关系

图4 土壤绝对酶活性(a)和相对酶活性(b)与土壤理化性质的冗余分析图Fig.4 The redundancy analysis of soil physicochemical and soil absolute and specific enzyme activities注：SWC，土壤水分；BD，容重；SOC，有机碳；TN，总氮；TP，总磷；DOC，溶解性有机碳；铵态氮；硝态氮；AP，速效磷；AG，α-葡萄糖苷酶；BG，β-葡萄糖苷酶；BXYL，β-木糖苷酶；CBH，纤维二糖苷酶；NAG，乙酰氨基葡萄糖苷酶；LAP，亮氨酸氨基肽酶；ALP，碱性磷酸酶；AG/SOC，单位有机碳α-葡萄糖苷酶；BG/SOC，单位有机碳β-葡萄糖苷酶；BXYL/SOC，单位有机碳β-木糖苷酶；CBH/SOC单位有机碳纤维二糖苷酶；NAG/SOC，单位有机碳乙酰氨基葡萄糖苷酶；LAP/SOC，单位有机碳亮氨酸氨基肽酶；ALP/SOC，单位有机碳碱性磷酸酶Notes:SWC,Soil water content;BD,Bulk density;SOC,Soil organic carbon;TN,Total nitrogen;TP,Total phosphorus;DOC,Dissolved organic nitrogen;AP,Available phosphorus;AG,α-glucosidase;BG,β-glucosidase;BXYL,β-xylosidase;CBH,cellobiosidase;NAG,acetylglucosaminidase;LAP,L-leucine aminopeptidase;ALP,Alkaline phosphatase;AG/SOC,α- glucosidase per unit of soil organic carbon;BG/SOC,β-glucosidase per unit of soil organic carbon;BXYL/SOC,β-xylosidase per unit of soil organic carbon;CBH/SOC,cellobiosidase per unit of soil organic carbon;NAG/SOC,acetylglucosaminidase per unit of soil organic carbon;LAP/SOC,L-leucine aminopeptidase per unit of soil organic carbon;ALP/SOC,Alkaline phosphatase per unit of soil organic carbon

3 讨论

不同覆盖措施通过向土壤中输入有机质改变土壤性质、微生物群落来影响土壤绝对酶活性。温晓霞等[17]在旱作苹果园的研究结果显示，秸秆覆盖、生草覆盖和地膜覆盖均能提高0～20 cm和20～40 cm土层土壤酶活性，以秸秆覆盖效果最好。侯婷等[18]在葡萄园的研究表明不同覆盖对0～20 cm和20～40 cm土壤的蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性均有促进作用，秸秆覆盖下酶活性更高。寇建树等[19]在苹果园的研究结果显示，行间种植豆科牧草白三叶、红三叶能提高0～20 cm土壤蔗糖酶和脲酶活性。本研究中覆盖措施下0～20 cm和20～40 cm土壤绝对酶活性与清耕差异显著(P< 0.05)，表明3种覆盖模式均能提升0～20 cm和20～40 cm土壤酶活性，覆盖对土壤酶活性的改善具有积极作用，这与其他的研究结果类似。同时，本研究结果也显示，不同覆盖类型下的土壤绝对酶活性存在差异。α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和纤维二糖甘酶参与纤维素、半纤维素、木质素等的降解过程，促进有机物质的分解。土壤中与碳循环相关的酶活性在秸秆、黑麦草和白三叶覆盖处理均显著升高，且秸秆覆盖处理下酶活性大于黑麦草和白三叶处理，这可能是因为秸秆覆盖措施下土壤有机物质输入量更大，引起酶活性的提升[20]。Wang等[4]的研究表明，秸秆覆盖处理能刺激土壤微生物功能表达，导致有机质积累，进而显著提高碳周转酶活性。乙酰氨基葡糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶对不同覆盖措施的响应差异较大，可能与它们的代谢底物、对土壤氮含量的不同反应有关[21]。乙酰氨基葡糖苷酶参与甲壳素的水解以及甲壳素向氨基糖的转化过程，而甲壳素主要存在于土壤昆虫和真菌的细胞壁中[22]。覆盖措施下土壤中乙酰氨基葡糖苷酶活性升高，可能与植物残茬分解引起的土壤真菌增多有关[5]。亮氨酸氨基肽酶是获取氮的关键参与者，可以水解多肽终端的蛋白质和亮氨酸等疏水氨基酸[23]。与其他覆盖处理相比，白三叶覆盖下亮氨酸氨基肽酶活性更高，表明白三叶生草栽培更有利于土壤微生物分泌亮氨酸氨基肽酶，这一现象应该与白三叶的结瘤固氮作用相关。冗余分析结果也显示亮氨酸氨基肽酶活性与氮组分(总氮和硝态氮)之间存在正相关关系。肖力婷等[24]在蜜橘园的研究也表明，种植白三叶能显著提高土壤氮循环酶活性，促进养分周转和氮素供应。碱性磷酸酶能矿化土壤磷化合物，秸秆、黑麦草和白三叶覆盖下碱性磷酸酶活性均高于清耕处理，这与Wang等[25]的研究结果一致。覆盖模式下较高的土壤碱性磷酸酶活性水平表明覆盖处理能不同程度提高土壤微生物矿化磷化合物的能力[26]。

本研究结果显示，果园覆盖管理能显著影响0～20 cm和20～40 cm土壤相对酶活性，这表明土壤单位有机碳酶活性对土壤管理措施较为敏感，土壤酶的变化可以独立于有机碳的变化而改变[27]。尽管覆盖下土壤有机碳和土壤酶活性同时增加，但单位有机碳酶活性的升高，表明果园覆盖措施有利于土壤微生物产生和释放土壤酶，使土壤酶活性的增加速率高于有机碳[8]。首先，长期果园清耕处理可能会导致土壤硬度增加、密度升高以及土壤养分流失，致使土壤微生物储量下降、活性降低[5]。而秸秆、植物凋落物的输入以及植物根系作用能够促进土壤微生物循环，增加土壤微生物结构和功能多样性[22,28-29]，进而促进土壤酶的合成[30]。其次，覆盖处理有助于土壤保温和保湿[31]，避免土壤有效淋滤和土壤侵蚀造成的土壤碳氮流失[14]，有利于微生物的生长和繁殖[28]，从而提高土壤酶活性。再者，大量研究表明，土壤单位有机碳酶活性与土壤团聚体密切相关[27]。果园覆盖措施避免了土壤机械干扰，再加上有机质的输入，增加了有机胶结物和载体介质，促进了团聚体的形成，使土壤结构的稳定性提高，增加了对土壤酶的保护作用[32]。此外，总体上，秸秆处理下土壤单位有机碳酶活性高于黑麦草和白三叶处理(图3)，表明秸秆覆盖处理更有利于土壤微生物产生和释放土壤酶，微生物代谢活性更强[33]。这可能是因为秸秆覆盖下土壤有机碳和溶解性有机碳等有机物质含量更高，能增强有机-无机转化过程，为微生物的活动提供充足的碳源[23]，促进土壤酶活性提升。

土壤酶活性对周围环境的变化响应迅速，但由于生态系统和气候环境的差异，酶活性变化的关键因素有所不同[34-35]。我们的研究结果表明，绝对酶活性和相对酶活性与土壤养分因子密切相关，有机碳、硝态氮和铵态氮是影响土壤绝对酶活性和相对性酶活性的关键环境因素，硝态氮是影响土壤绝对酶活性和相对酶活性的共有驱动因子。肖力婷等[24]在橘园生草栽培管理措施下的研究表明，土壤酶活性主要受到有机质、总氮、速效磷和速效钾的影响。方凯凯等[36]在苹果园生态系统中土壤酶与肥力因子关系的研究中也发现，土壤酶受到有机质和总氮的影响。土壤碳氮是生态系统物质循环的关键元素，对土壤质量和生态系统功能具有重要作用[37]。通过控制微生物所需养分供应，土壤碳和氮控制土壤酶活性[23,38]。有机碳是酶的主要底物，酶活性与溶解性有机碳等活性有机碳组分之间存在较强的相关性，证实了碳库对土壤酶生产和活性的控制作用[37,39]。然而，单位有机碳亮氨酸氨基肽酶活性与有机碳之间的相关性较弱，说明土壤有机质对亮氨酸氨基肽酶固定作用较弱，可能是因为亮氨酸氨基肽酶主要由微生物活动产生[40]。此外，土壤酶与土壤水分正相关，可能与土壤水分通过抑制化合物的扩散速率和调节微生物活动影响酶的生产和转化有关[22-23,41]。土壤pH值也是影响覆盖模式下土壤酶活性的重要因子。RDA结果表明，pH值与土壤酶活性呈负相关关系，说明在一定pH值范围内，pH值降低更有利于土壤酶分解释放[12]。

4 结论

果园覆盖措施不同程度提高了0～40 cm各土层土壤绝对酶活性。α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纤维二糖苷酶、乙酰葡糖氨糖苷酶和碱性磷酸酶活性大小表现为秸秆>黑麦草>白三叶>清耕，亮氨酸氨基肽酶表现为白三叶>秸秆>黑麦草>清耕。不同覆盖处理下土壤相对酶活性与土壤绝对酶活性基本一致。冗余分析结果表明，土壤酶活性与有机碳、全氮、全磷和溶解性有机碳等土壤养分因子正相关，而与土壤中pH值和容重负相关。有机碳、硝态氮和铵态氮是影响土壤绝对酶活性和相对性酶活性的关键环境因素。