陳 軍,王立光,葉春雷,李進(jìn)京,歐巧明,羅俊杰
(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所,甘肅 蘭州 730070)
耕作制度是根據(jù)作物的生態(tài)適應(yīng)性與生產(chǎn)條件采用的種植方式,是農(nóng)業(yè)土壤用養(yǎng)地結(jié)合的一種有效手段,包括單種、復(fù)種、休閑、間種、套種、混種、輪作、連作等[1]。甘肅省耕地資源稀缺,因地制宜采用科學(xué)的耕作制度,可有效地利用土地資源,保持良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,并獲得較高的經(jīng)濟效益。
土壤養(yǎng)分和土壤酶作為研究土壤環(huán)境特征的重要評價指標(biāo)逐漸成為熱點議題[2-3]。近年來,有關(guān)土壤酶活性方面的研究主要集中在農(nóng)田、森林以及沙漠化生態(tài)系統(tǒng),酶活性、土壤養(yǎng)分及碳氮磷循環(huán)、土壤微生物區(qū)系、環(huán)境因子方面的基礎(chǔ)研究[4-5]。大量研究表明,土壤酶活性在作物生長發(fā)育及產(chǎn)量方面均產(chǎn)生重要的影響[6]。張英英等[7]研究了不同耕作措施下的旱作農(nóng)田土壤參與碳循環(huán)的酶類與有機碳組分間關(guān)系,指出蔗糖酶活性增加對有機碳積累作用最顯著,過氧化物酶有利于總有機碳的積累。黃召存等[8]從保護(hù)性耕作方式角度對蠶豆土壤酶活性做了一定的研究。但涉及到胡麻栽培及耕作制度輪轉(zhuǎn)帶來的微生態(tài)方面的效應(yīng)特征、作用機制方面的報道較少。因此,探究不同耕作制度條件下土壤的生物化學(xué)過程將有助于對土壤養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)行科學(xué)調(diào)控[8]。
陳軍等[2]前期研究發(fā)現(xiàn)不同耕作制度下土壤水浸提液對胡麻種子萌發(fā)有不同程度的抑制作用,且抑制效應(yīng)由大到小依次是胡麻連作>小麥‖胡麻>撂荒休閑>小麥連作。土地“輪作、連作、間作、休閑”制度后發(fā)生了哪些變化值得人們?nèi)ニ伎?。本文設(shè)“輪作、休閑、連作、間作、休閑1年-種植”5種耕作模式,探究不同耕作制度對胡麻土壤酶活性變化特征的影響,結(jié)合多元線性回歸,分析不同耕作制度對土壤的應(yīng)答機制,尋找制約土壤酶及養(yǎng)分的相關(guān)影響因子,并結(jié)合當(dāng)下農(nóng)業(yè)發(fā)展的實際情況,為國家提出的休耕制度試點應(yīng)用提供一些參考依據(jù)。
研究區(qū)位于甘肅省榆中縣陳家莊良種農(nóng)場(35°50′36.06″N, 104°06′35.27″E),屬黃土高原丘陵溝壑半干旱高寒區(qū),土壤為黃綿土,海拔1 600 m,年均降雨量450 mm,蒸發(fā)量1 400~1 450 mm,年平均氣溫6.6℃,≥10℃有效積溫2 625℃,無霜期138 d。
供試胡麻品種為隴亞10號,由甘肅省農(nóng)科院作物所提供。
本試驗建立在2014年胡麻殘茬地的基礎(chǔ)上,于2015-2016年進(jìn)行試驗。設(shè)置5種耕作模式,分別為T1:小麥-胡麻輪作;T2:胡麻連作;T3:小麥‖胡麻;T4:休閑;T5:休閑1年-胡麻。試驗采用隨機區(qū)組排列,3次重復(fù)。小區(qū)長6 m,寬4.5 m,每個小區(qū)面積為27 m2,各小區(qū)間以寬60 cm、高50 cm的土埂分隔,防止小區(qū)間土壤干擾。試驗地基礎(chǔ)土壤狀況見表1,其他管理與當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>
胡麻播種時間為2016年4月1日,于胡麻樅形期(5月20日)、盛花期(7月12日)、碩果期(8月10日)分別采樣,分表土層(0~20 cm)和亞土層(20~40 cm)2個土層梯度,參考“S”取樣法,采集植株垂直下方根際土壤,每個小區(qū)取5個采樣點,土樣混合均勻后收集1 000 g,過 0.2 mm篩后保存于 4℃冰箱,用于土壤酶活性的測定。
土壤理化性質(zhì)由甘肅省農(nóng)科院質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)研究所測定;試驗所用酶標(biāo)儀為DNM-9602G型酶標(biāo)分析儀。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖分別采用SPSS 20.0和Excel 2010軟件。
2.1.1 胡麻樅形期各處理的土壤酶活性 從圖1可以看出,胡麻樅形期表土層不同處理4種土壤酶活性均在處理間無顯著差異,說明不同耕作制度在胡麻生長前期對土壤的影響不明顯。土壤蔗糖酶活性介于23.63~31.93 mg·g-1·d-1之間,脲酶活性介于4.02~6.19 mg·g-1·d-1之間,過氧化氫酶活性介于1.30~1.92 mL·g-1·h-1之間,堿性磷酸酶活性介于6.22~10.29 mg·g-1·d-1之間。從圖2可以看出,亞土層土壤過氧化氫酶活性T5為2.52 mL·g-1·h-1,顯著高于T3;堿性磷酸酶活性T3為7.96 mg·g-1·d-1,顯著高于T5,2種酶之間的差異可能與間作小麥有關(guān),其他處理間無顯著差異。蔗糖酶活性介于20.20~30.67 mg·g-1·d-1之間,脲酶活性介于2.28~3.07 mg·g-1·d-1之間。
表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì)
注: “-”表示無數(shù)據(jù),原因是2015年T5為休閑處理,與T4是相同處理,為休閑(第1年)。
Note: “-” means no data, because the T5 was a fallow treatment in 2015, and the same treatment as T4 was fallow (the first year).
注:T1:小麥-胡麻輪作;T2:胡麻連作;T3:小麥‖胡麻;T4:休閑;T5:休閑1年-胡麻。不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。Note: T1:Wheat-flax rotation; T2: Flax continuous cropping; T3: Wheat-flax intercropping; T4: Fallow; T5: Fallow-flax rotation. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at P<0.05 level, the same below.圖1 胡麻樅形期各處理的土壤酶活性(0~20 cm土層)Fig.1 Soil enzyme activities of different treatments in flax shapping period (0~20 cm soil layer)
2.1.2 胡麻盛花期各處理的土壤酶活性 從圖3可以看出,胡麻盛花期表土層不同處理間土壤過氧化氫酶活性無顯著差異,介于0.26~0.49 mL·g-1·h-1之間;蔗糖酶活性T5為29.83 mg·g-1·d-1,顯著低于其他處理,T1、T2、T3和T4分別較T5提高44.6%、53.3%、61.9%和34.9%;脲酶活性T4為0.86 mg·g-1·d-1,T5、T1和T2分別較T4提高266.0%、157.0%和140.0%,說明脲酶活性與作物自身的生殖生長關(guān)系密切;堿性磷酸酶活性T3為11.35 mg·g-1·d-1,顯著高于T2。從圖4可以看出,亞土層土壤不同處理間蔗糖酶活性無顯著差異,介于13.43~40.83 mg·g-1·d-1之間;脲酶活性T2為1.74 mg·g-1·d-1,T5為1.69 mg·g-1·d-1,顯著高于T1、T3和T4;過氧化氫酶活性T1為1.56 mL·g-1·h-1,較T5提高212.0%;堿性磷酸酶活性T5為8.56 mg·g-1·d-1,較T4提高了21.6%。
圖2 胡麻樅形期各處理的土壤酶活性(20~40 cm土層)Fig.2 Soil enzyme activities of different treatments in flax shapping period (20~40 cm soil layer)
圖3 胡麻盛花期各處理的土壤酶活性(0~20 cm土層)Fig.3 Soil enzyme activities of different treatments at the flowering stage of flax (0~20 cm soil layer)
2.1.3 胡麻碩果期各處理的土壤酶活性 從圖5可以看出,胡麻碩果期,表土層不同處理間土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均無明顯差異,蔗糖酶活性介于62.42~76.93 mg·g-1·d-1之間,脲酶活性介于4.81~6.03 mg·g-1·d-1之間,堿性磷酸酶活性介于5.67~9.39 mg·g-1·d-1之間;過氧化氫酶活性T2和T3分別為1.41 mL·g-1·h-1和1.51 mL·g-1·h-1,顯著高于T1、T4和T5,后者分別為0.75、0.67 mL·g-1·h-1和0.59 mL·g-1·h-1。從圖6可以看出,亞土層不同處理間土壤蔗糖酶、脲酶活性無顯著差異,蔗糖酶活性介于34.73~55.45 mg·g-1·d-1之間,脲酶活性介于1.95~3.82 mg·g-1·d-1之間;過氧化氫酶活性T5為0.82 mL·g-1·h-1,顯著低于T2,后者為1.69 mL·g-1·h-1;堿性磷酸酶活性T3為3.78 mg·g-1·d-1,顯著低于T5,較T5降低2.26倍。
由表2可以看出,蔗糖酶與堿性磷酸酶間顯著負(fù)相關(guān),與脲酶和過氧化氫酶間正相關(guān),其余酶間為負(fù)相關(guān),說明4種酶活性的表達(dá)是相互影響的,這與楊寧等[12]研究的結(jié)果相吻合。
圖4 胡麻盛花期各處理的土壤酶活性(20~40 cm土層)Fig.4 Soil enzyme activities of different treatments at the flowering stage of flax (20~40 cm soil layer)
圖5 胡麻碩果期各處理的土壤酶活性(0~20 cm土層)Fig.5 Soil enzyme activities of different treatments at the fruit stage of flax (0~20 cm soil layer)
圖6 胡麻碩果期各處理的土壤酶活性(20~40 cm土層)Fig.6 Soil enzyme activities of different treatments at the fruit stage of flax (20~40 cm soil layer)
表2 土壤酶活性間相關(guān)系數(shù)
注:相關(guān)分析所用數(shù)據(jù)為表土層與亞土層數(shù)值的平均值,“*”表示P<0.05水平下顯著相關(guān)。
Note: The data used in the correlation analysis is the average of the values of the topsoil and the subsoil, “*” indicates a significant correlation atP<0.05 level.
通徑分析是進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分解的一種統(tǒng)計方法,其意義為在多個自變量X1,X2,…,Xm,Y的相關(guān)分析中,得到Xi對Y的直接影響力和間接影響力,而且還可以在X1,X2,…,Xm,Y間的復(fù)雜相關(guān)關(guān)系中,從某個自變量與其他自變量的“協(xié)調(diào)”關(guān)系中得到對Y的最佳影響路徑信息,即從復(fù)雜的自變量相關(guān)網(wǎng)中,得到某個自變量決定Y的最佳路徑,具有決策意義[13]。與典型相關(guān)分析相比,通徑分析提供更多信息,可揭示土壤酶活性與各理化性質(zhì)的密切程度,且能指出這種關(guān)系中哪種作用處于主導(dǎo)地位[14-15]。將土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性進(jìn)行逐步回歸分析,設(shè)土壤養(yǎng)分因子為自變量Xi={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8}={有機質(zhì),pH,有效磷,速效鉀,堿解氮,全氮,全磷,全鉀},土壤酶活性為因變量Yi={Y1,Y2,Y3,Y4}={脲酶,蔗糖酶,堿性磷酸酶,過氧化氫酶}。
通過通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)及其與Y的相關(guān)系數(shù)總效應(yīng)(表3)可以看出,表土層中Y1受土壤中X1、X6、X7影響較大,Y2受土壤中X1、X2、X3、X7、X8影響較大,Y3受土壤中X1、X2、X6、X7影響較大,Y4受土壤中X1、X2、X3、X6、X7、X8影響較大,其他因子因彼此間接作用導(dǎo)致對土壤酶活性的影響變小。
決策系數(shù)是通徑分析中的決策指標(biāo),用它可把自變量對響應(yīng)變量的綜合作用進(jìn)行排序,確定主要決策變量和限制變量。其計算公式:R2(i)=2Pi×riy-Pi2,式中:R2(i)為自變量i的決策系數(shù);Pi為自變量的直接通徑系數(shù);riy為自變量i與響應(yīng)變量Y的相關(guān)系數(shù)。R2(i)>0,表明自變量對響應(yīng)變量起增進(jìn)作用,R2(i)<0,表明自變量對響應(yīng)變量起抑制作用。
進(jìn)一步通過決策系數(shù)總效應(yīng)(表5)可以看出,表土層中X5、X8為Y1主要抑制因子,X3、X4、X8為Y2主要抑制因子,X2、X7為Y2主要促進(jìn)因子,X5、X6、X8為Y3主要抑制因子,X1、X2為Y3主要促進(jìn)因子,X3、X4、X5、X6、X8為Y4主要抑制因子,X2、X7為Y4主要促進(jìn)因子。
通過通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)及其與Y的相關(guān)系數(shù)總效應(yīng)(表4)可以看出,亞土層中Y1受土壤中X1、X3、X4、X8影響較大,Y2受土壤中X1、X2、X3、X6、X7、X8影響較大,Y3受土壤中X1、X3、X6、X7、X8影響較大,Y4受土壤中X1、X2、X7影響較大,其他因子作用不明顯。
表3 表土層土壤有機質(zhì)、pH及土壤養(yǎng)分與土壤酶活性間的通徑分析
注:自變量Xi={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8}={有機質(zhì),pH,有效磷,速效鉀,堿解氮,全氮,全磷,全鉀},下同。
Note: The independent variablesXi={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8}={organic matter, pH, available phophorus, available potassium, alkali nitrogen, total nitrogen, total phosphorus, total potassium}, the same below.
表4 亞土層土壤有機質(zhì)、pH及土壤養(yǎng)分與土壤酶活性間的通徑分析
通過決策系數(shù)總效應(yīng)(表6)可以看出,亞土層中,X8為Y1主要促進(jìn)因子,X1、X7、X6、X4、X2、X5為Y1主要抑制因子,X3、X8、X5、X4、X6、X1、X7為Y2主要抑制因子,X7為Y3主要促進(jìn)因子,X3、X8、X5、X6、X2、X4為Y3主要抑制因子,X2為Y4主要促進(jìn)因子,X1、X7、X3、X5、X6、X2、X8為Y4主要抑制因子,且抑制作用依次減弱。
表5表土層土壤有機質(zhì)、pH值及土壤養(yǎng)分與
土壤酶活性(Y)的決策系數(shù)總效應(yīng)
Table5Totaleffectofdecisioncoefficientsofsoilenzyme
activity(Y)withsoilorganicmatter,
pHvalue,andsoilnutrientintopsoil
變量VariableX1X2X3X4X5X6X7X8Y10.7400.024-0.005-0.443-12.383-0.7240.165-4.005Y20.1831.106-3.103-1.556-0.001-0.5813.830-8.295Y31.5871.161-0.276-0.843-3.629-2.8070.388-3.451Y40.1811.527-2.724-1.027-2.023-1.5811.374-10.039
表6 亞土層土壤有機質(zhì)、pH值及土壤養(yǎng)分與土壤酶活性(Y)的決策系數(shù)總效應(yīng)
有關(guān)土壤酶活性的相關(guān)報道很多,王燦等[16]、李秀玲等[17]分別從不同施肥情況研究了土壤酶及養(yǎng)分變化規(guī)律;王文鋒等[18]提到“較低-較適-較高”溫度變化能夠引起土壤酶活性的動態(tài)變化。剡斌[19]認(rèn)為胡麻與小麥輪作能提高 0~10 cm 土層土壤脲酶和過氧化氫酶活性,與輪作前、休閑和胡麻連作相比,胡麻輪作 0~10 cm 土層土壤脲酶活性分別提高 437.65%、682.86%和 34.27%。Gurpreet等[20]認(rèn)為脲酶和磷酸酶是土壤有機質(zhì)降解和氮磷等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)的重要酶類。伏星舟[21]認(rèn)為不同耕作方式可以通過改變土壤理化性質(zhì)、激發(fā)酶活性從而使玉米田CO2的釋放發(fā)生不同程度的改變。
土壤蔗糖酶參與植物糖分的運輸貯藏、碳水化合物的代謝過程,是植物生長和發(fā)育所需碳源、能源相關(guān)的關(guān)鍵酶。研究表明,隨著胡麻生育期變化,不同土層不同處理蔗糖酶活性變化穩(wěn)定,只在盛花期T5處理顯著低于其他處理,其他處理間無顯著差異,說明耕作制度的更替對蔗糖酶活性的影響不明顯。土壤脲酶活性常用于表征土壤的氮素情況,并能間接反映出土壤的生產(chǎn)力。不同土層不同處理間脲酶活性在胡麻樅形期、碩果期均無顯著差異,在盛花期存在差異,可能與胡麻進(jìn)行生殖生長與土壤微環(huán)境爭奪氮素營養(yǎng)相關(guān)。
土壤堿性磷酸酶主要參與土壤含磷化合物的合成及土壤磷素循環(huán),其活性的高低會直接影響土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化和生物有效性。表土層不同處理間堿性磷酸酶活性在胡麻樅形期、碩果期均無顯著差異,在盛花期2個土層梯度均存在差異,主要表現(xiàn)在胡麻連作與小麥‖胡麻間的顯著差異,以及亞土層區(qū)休閑處理與休閑1年-胡麻間的顯著差異,原因可能是胡麻連作降低了堿性磷酸酶活性,也可能是耕作制度更替打破了單一作物生長的微環(huán)境,促進(jìn)物質(zhì)與能量相互交流,進(jìn)而影響酶活性。土壤過氧化氫酶在生物氧化過程中起分解過氧化氫的作用,其酶活性用于表征土壤生物氧化過程的強弱。胡麻碩果期,表土層過氧化氫酶活性小麥-胡麻輪作、休閑、休閑1年-胡麻3種處理顯著低于小麥‖胡麻和胡麻連作處理;亞土層過氧化氫酶活性在胡麻生長不同時期均有差異,原因可能是胡麻根系小,對亞土層的影響要遠(yuǎn)小于土壤微生物的活動,微生物活動改變菌群數(shù)量與種類,影響微生物區(qū)系環(huán)境的同時影響酶活性。
由于輪休制度下土壤環(huán)境對胡麻生長的影響各不相同,且各種生態(tài)因子間相互作用,因而應(yīng)采用多元線性逐步回歸分析法尋找影響土壤酶活性的主要土壤因子[22-23]。冉啟洋等[24]認(rèn)為土壤養(yǎng)分是影響土壤酶活性的主要因子,王文鋒等[18]也提出了氮磷鉀配施可有效提高土壤酶活性的論據(jù)。本研究表明:耕層不同土壤酶活性受土壤養(yǎng)分因子影響的多重效應(yīng)不同,pH、全磷含量能夠促進(jìn)蔗糖酶、過氧化氫酶活性;有機質(zhì)、pH含量促進(jìn)堿性磷酸酶活性;亞土層不同土壤酶活性受土壤因子影響的多重效應(yīng)增加,且主要為限制因子。