杏园长期自然生草对土壤养分及酶活性的影响

Effects of long-term natural grass on soil nutrients and enzyme activities in apricot orchards

摘要

目的 促进杏园土壤蓄肥保肥能力，提高果实产量与品质。 方法 以清耕杏园为对照，研究分析了长期自然生草土壤管理模式对杏园土壤养分及酶活性的影响。 结果 在整个生育期，长期自然生草模式下杏园0~60 cm土层土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶活性显著提高，与对照相比分别提高27.84%~139.25%，51.56%~235.14%，22.96%~122.06%和57.14%~300.00%，且随土壤深度增加逐渐降低，但过氧化氢酶活性无显著变化。在整个生育期，长期自然生草增加了0~20 cm土层速效氮，除果实二次膨大期外，全氮、全磷也得到显著提高；20~40 cm土层中，果实发育期全磷、速效钾含量增加，而成熟期土壤养分含量仅有效磷增加；40~60 cm土层中，果实发育期速效钾含量增加，成熟期的全钾和速效氮提高。相关分析表明，土壤5种酶活性与土壤速效氮含量分别于不同土层均存在显著相关，而除蛋白酶外土壤全钾与其他4种酶也于不同土层存在显著相关。 结论 杏园长期自然生草模式能显著提高土壤酶活性与0~20 cm土层土壤养分，是改善杏园土壤质量的重要管理措施。

Abstract

Objective To promote the ability of apricot orchard soils to store and retain fertilizer and improve fruit yield and quality. Method This experiment investigated the effects of long-term natural grass soil management on changes in soil nutrients and enzyme activities in an apricot orchard. Result The activities of soil urease，protease，sucrase and phosphatase in 0~60 cm soil layer of apricot garden significantly increased by 27.84%~139.25%，51.56%~235.14%，22.96%~122.06% and 57.14%~300.00%，respectively，during the whole growth period and gradually decreased with increasing soil depth，but catalase activity did not change significantly. Throughout the growth period，long-term natural grass increased available nitrogen in the 0~20 cm soil layer，and total nitrogen and phosphorus were also significantly increased except in the second fruit expansion stage； in the 20~40 cm soil layer，the contents of total phosphorus and available potassium increased during fruit development，but only available phosphorus increased in mature soil； in the 40~60 cm soil layer，the contents of available potassium increased during fruit development，and total potassium and available nitrogen increased at maturity. Correlation analysis showed that there was a significant correlation between the activities of five enzymes and the content of soil available nitrogen in different soil layers，and except for protease，there was also a significant correlation between soil total potassium and the other four enzymes in different soil layers. Conclusion Long-term natural grass cultivation in apricot orchards can significantly improve soil enzyme activity and soil nutrients in the 0~20 cm soil layer，which is an important management measure to improve soil quality in apricot orchards.

Graphical abstract

关键词

杏园 / 自然生草 / 土壤养分 / 酶活性

Key words

orchard / natural grass / soil nutrients / enzyme activities

耕作制度是指管理农田的一整套农业综合性技术体系，主要包括作物种植制度和土壤管理制度^［1］。土壤质量直接影响农业绿色、健康和持续发展。选择科学合理的果园土壤管理制度可为果树提供良好的生长发育所需物质，从而提高果树的产量和品质。近十多年来，西北地区果园土壤管理逐渐由清耕模式转为地膜、秸秆覆盖及生草栽培等模式，其中生草栽培作为现代果园土壤管理大力推行措施之一，因受土壤水分限制，至今尚处于试验及小面积示范阶段^［2-3］。前人研究表明，果园生草栽培不仅可以改善果园土壤物理性状，创造良好微域环境及增加生物多样性外，还可以保证果园的优质、丰产和稳产^［4-5］。从果树生产角度看，果园自然生草由于减少了人工除草及除草剂使用，降低了投入成本，获得了较好的生态和经济效益。

土壤酶主要由土壤微生物分泌，在土壤养分循环和复杂有机质分解中起着重要作用^［6］。果园自然生草覆盖能显著提高土壤酶活性，使得土壤理化指标及生物学指标发生改变，从而加快土壤管理响应速度^［1］。土壤酶活性和果树产量间的相关性优于土壤养分和果树产量间的相关性，因此研究土壤酶活性变化在果园土壤管理中具有重要的现实意义^［8-9］。研究土壤养分和酶活性，是管理好土壤养分和合理施肥的基础^［10］，有利于科学调整各项管理措施和物质投入量，获得更好的经济效益^［11］。目前，果园生草对土壤养分及酶活性的影响在苹果^［11］、葡萄^［11］和梨^［11］等果园已有研究报道，而对于杏园还未见相关报道。本研究选择兰州地区长期自然生草杏园，通过与清耕园对比，研究分析两种土壤管理方式对杏园土壤养分与酶活性影响，为杏园长期自然生草土壤管理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃省农业科学院主要果树种质资源圃（N 36°6′、E 103°41′）进行，选择的杏园为12 a自然生草园（以蒲公英和夏至草为主），试验品种为曹杏（Armeniaca vulgaris），树龄15 a。试验地属温带大陆性气候，海拔1 530 m，年均降水量329 mm，年均气温9.6 ℃，极端最低气温-25℃，无霜期196 d。供试土壤为黄绵土，0~20 cm耕层土壤有机质含量为22.3 g/kg、全氮1.45 g/kg、全磷1.18 g/kg、全钾22.06 g/kg、速效氮117.71 mg/kg、有效磷28.90 mg/kg、速效钾334.30 mg/kg、pH值8.37。采集土壤除去杂质后备用。

1.2 试验设计与取样

用土钻随机分层（0~20、20~40、40~60 cm）取土，将待测土装于塑封袋封闭保存。

试验共设置清耕园（CK）和长期自然生草园（T₁）2个处理，每处理选取667 m²地作为土壤样品采集园，株行距为3 m×4 m。2处理间设置保护行，追肥时期为每年3月、6月和9月份，分3次开沟施入。各处理全年施肥量为330 kg/hm²纯N、180 kg/hm² P₂O₅和360 kg/hm² K₂O。磷肥作为底肥于当年9月一次性施入土壤，氮肥3个时期施入量分别占全年施氮量的40%、40%和20%，磷肥与氮肥相同，钾肥则为20%、40%和40%。11月份施入商品有机肥作为全年基肥，施入量为1 500 kg/hm²。于每年3月中旬和11月下旬进行大水漫灌，夏季视土壤旱情及时人工补水灌溉。分别于2021年幼果膨大期（4月下旬）、果实二次膨大期（6月中旬）、果实成熟期（7月中旬）3个果实生育期进行土壤样品采集。随机选取果园5个点作标记，以便3个时期取样点相同。取样点以树冠投影外围向树干方向移动0.5 m处为宜，随后采集0~20、20~40和40~60 cm 3个土层土壤样品，同层样品混合后作为一个供试土样。样品采回后自然风干，过0.25 mm筛，备用。

1.3 试验方法

土壤全氮、有效氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾参照王景明^［15］的方法测定。全氮测定采用凯氏法，有效氮测定采用碱解-扩散法，全磷测定采用硫酸-高氯酸消煮法，速效磷测定采用0.5 mol/L NaCO₃浸提-铝锑抗比色法，土壤全钾测定采用NaOH熔融-火焰光度计法，土壤速效钾测定采用醋酸铵-火焰光度计法。土壤有机质含量的测定参照林大仪等^［16］的方法，用重铬酸钾-硫酸外加热氧化还原滴定法；土壤脲酶活性测定参照张雪莲等的方法^［17］，采用靛酚比色法；土壤过氧化氢酶活性测定参照张文婕等^［18］的方法，采用高锰酸钾滴定法；土壤蛋白酶活性的测定参照马书琴等^［19］的方法，采用改良茚三酮比色法；土壤蔗糖酶活性的测定参照谢洪宝等^［20］的方法，采用3，5-二硝基水杨酸比色法；土壤磷酸酶活性的测定参照田沐雨等^［21］的方法，采用磷酸苯二钠比色法。

1.4 数据处理

用Excel对数据进行整理和初步分析，并绘制柱状图；采用SPSS 17.0软件对数据进行方差和相关性分析，设显著性水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同土壤管理模式对土壤酶活性的影响

由图1可知，不同土层和果实生育期，T₁处理土壤脲酶活性均显著高于CK处理。除CK处理幼果膨大期外，土壤脲酶活性表现出随土层加深而降低趋势。果实二次膨大期时，T₁处理各土层脲酶活性总和为7.34 mg/（g·24 h），较其他两个时期的7.22 mg/（g·24 h）和5.09 mg/（g·24 h）高。与CK相比，幼果膨大期时，各土层土壤脲酶活性增加幅度为68.47%~139.25%，果实二次膨大期为112.97%~127.78%，果实成熟期为27.84%~62.79%。

两处理间土壤过氧化氢酶活性变化规律性不明显（图2），整个生育时期均仅有两个土层表现出显著差异性，分别为果实成熟期时，20~40 cm土层CK处理土壤过氧化氢酶活性高于T₁，果实成熟前期，40~60 cm土层T₁处理较CK高。果实成熟期时CK与T₁处理土壤过氧化氢酶活性最低。CK处理土壤过氧化氢酶活性随土层加深而降低，果实成熟期时T₁处理土壤过氧化氢酶活性变化与CK相同，而果实成熟期前T₁土壤过氧化氢酶活性则呈先降后升的变化趋势。

从图3可看出，整个果实生育期内，T₁处理土壤蛋白酶活性在3个土层中均显著高于CK。与CK相比，T₁土壤蛋白酶活性3个生育期分别增加了79.31%~146.67%，71.83%~192.16%和51.56%~235.14%。随着土层加深，T₁处理幼果膨大期土壤蛋白酶活性呈持续降低趋势，而后2个时期则表现出先升后降的变化。CK处理土壤蛋白酶活性则随土层加深不断下降。果实成熟期T₁处理土壤蛋白酶活性最高。

由图4可看到，整个果实生育期内，与CK相比，T₁土壤蔗糖酶活性在3个土层分别升高了22.96%~71.15%，25.63%~108.27%和25.03%~122.06%。整个生育期，2个处理土壤蔗糖酶活性随土层加深均表现出持续降低趋势，且T₁处理土壤蔗糖酶活性显著高于CK。果实二次膨大期时，T₁处理土壤蔗糖酶活性最高，达到134.86 mg/（g·24 h）。

从图5可知，3个时期T₁处理土壤磷酸酶活性显著高于CK，增幅分别为0~20 cm 87.18%~186.49%，20~40 cm 57.14%~169.64%和40~60 cm 75.86%~300.00%，其中幼果膨大期时T₁处理较CK增加最显著，在整个果实生育期内，CK处理土壤磷酸酶活性随土层加深表现出先升后降趋势，即20~40 cm土层活性最高；幼果膨大期时T₁处理土壤磷酸酶活性变化与CK相同，且此时期酶活性最高，而后2个时期则呈持续降低趋势。

2.2 不同土壤管理模式对土壤养分含量的影响

从表1可知，果实生长3个生育期内，2个处理的土壤有效磷和有机质含量均随土层加深而不断降低。除果实二次膨大期有效磷外，0~20 cm土层T₁有效磷与有机质显著高于CK，而果实二次膨大期T₁有效磷显著低于CK，20~40 cm土层2个营养指标则表现出不同程度的显著差异。果实成熟期前，全氮、速效氮和速效钾含量同有效磷和有机质变化相同，也随土层加深而持续降低。其中，土壤全氮含量于0~40 cm土层无显著差异性，而土壤速效氮含量则相反，在0~40 cm土层 T₁处理高于CK，且差异显著；在幼果膨大期和果实二次膨大期的土壤速效钾含量分别于20~40 cm和0~20 cm土层差异显著，且T₁处理高于CK。果实二次膨大期时，2个处理的全磷、全钾含量随土层深入呈下降趋势，0~20 cm土层全磷含量T₁处理高于CK，且差异显著；土壤全钾含量2处理间的各土层中均无显著差异性。果实成熟期时，土壤全钾含量随着土层加深持续上升，这与其他养分变化均不同，但在各土层中T₁和CK处理间差异不显著。2个处理土壤pH值因土层加深所表现的变化并无规律性，果实二次膨大期于20~60 cm土层中CK的pH值显著高于T₁，而果实成熟期在0~40 cm土层中CK的pH值显著低于T₁。

由表2可以看出，0~20 cm和40~60 cm土层中，土壤全钾含量与土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶活性间分别存在显著正相关性和显著负相关性。20~40 cm土层中，土壤速效氮与土壤过氧化氢酶活性呈极显著正相关，而与其他4种土壤酶活性呈显著负相关。土壤有机质与土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶活性于20~60 cm土层中有显著或极显著负相关性。20~60 cm土层中，土壤全氮含量与土壤脲酶、磷酸酶活性存在显著或极显著负相关性。在各个土层间，土壤全磷与磷酸酶存在极显著负相关性，pH值则与5种土壤酶活性相关性极低，除过氧化氢酶外，有效磷分别与其他4种酶于40~60 cm土层存在极显著负相关性。速效钾与过氧化氢酶、蛋白酶、蔗糖酶在部分土层有显著或极显著相关性。

3 讨论

土壤酶活性可迅速响应土壤养分变化，是评价土壤质量的一个重要指标^［22］。在农业生态系统中土壤酶活性对物质循环和能量流动有重要影响，并能及时反映土壤系统存在的问题^［23］。土壤酶主要为植物根系和土壤微生物所分泌。因生草种类不同，其根系分泌物性质与在土壤中根系空间构型也不尽相同，从而使得生草果园土壤酶活性和空间分布变化较大。杏园自然生草后，5种土壤酶活性随土层加深而降低，这与生草根系多介于土壤0~20 cm范围有关，其根系生长使得上层土壤物理性状得到改善，加之生草增加了土壤有机质与无机养分含量，因此土壤上层各种酶活性较高，而越往深层土壤酶活性越低。前人研究表明，果园生草可提高多种土壤酶活性，例如苹果园种植白三叶和小冠花，土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶活性均明显高于清耕园^［24］；荔枝园生草能显著提高果园土壤转化酶、脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性^［25］；梨园自然生草后果园土壤脲酶、磷酸酶等活性显著提高^［26］。本研究结果表明，长期自然生草杏园土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶活性于各个土层均显著高于清耕园，而土壤过氧化氢酶活性则在果实成熟期前在40~60 cm土层显著高于清耕园，表明长期自然生草可促进土壤有机物与无机养分的分解转化，从而有效地增加土壤养分积累。

土壤有机质是土壤肥力的重要来源与核心，可为果树生长发育提供丰富碳源，进而促进树体健康生长、生育，实现丰产。因此，保持较高的果园土壤有机质含量十分重要。前人研究表明，果园生草能增加土壤有机质含量^［27］。梨园行间自然生草能显著增加土壤有机质含量，持续自然生草3 a后的0~20 cm土层有机质含量是清耕园的1.9倍^［28］。油橄榄园自然生草使果园土壤碱解氮、速效磷和有机质含量得到显著提高^［29］。酿酒葡萄园裸露地生草可提高土壤全氮、碱解氮、有机质和全钾含量^［30］。更多的研究认为，果园生草能提高土壤有效氮、有效磷、有效钾和有机质含量，并提高土壤中微量矿质元素的有效性^［31］。总之，果园长期自然生草可促进土壤养分积累，且效果显著。本研究中，长期自然生草对杏园土壤有机质、速效氮、有效磷、速效钾和全磷含量在不同土层均得到有效提高，这与碳、氮、磷转化相关4种土壤酶活性密切相关，说明4种土壤酶活性增加对提升土壤养分有积极作用。一方面，生草能提高土壤碳氮比，显著增加土壤微生物多样性与活性，使微生物向土壤释放更多的酶，进而加速养分利用^［32］；另一方面，草本植物密集的根系可提高土壤团聚体的稳定性，对土壤酶起到保护作用，同时根系分泌物的增加可进一步刺激土壤微生物，从而提升土壤酶活性^［33］。

4 结论

杏园长期自然生草可显著提高整个生育期0~60 cm土层土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、磷酸酶活性，且随土壤深度增加逐渐降低，但对过氧化氢酶活性影响较小，呈无规律变化。综合分析，在整个生育期，长期自然生草模式能提高杏园0~20 cm土层养分含量，而降低20~60 cm土层部分养分含量。土壤脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶、蔗糖酶和磷酸酶活性与土壤速效氮含量分别于不同土层存在显著相关性，除蛋白酶外土壤全钾与其他4种酶也于不同土层显著相关。因此，长期自然生草可作为杏园土壤管理模式进行推广应用。

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基金资助

甘肃省农作物和果树种质资源征集鉴定及保存项目(2021GAAS04)

甘肃省农业科学院学科团队项目(2020GAAS07)