太白秦西示范園不同大棚土壤酶活性及生態化學計量特征分析

景 琦,王佳璇,楊 洋,武悅萱,校思澤,張蓓蓓

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院 地理與環境學院,陜西 寶雞 721013)

0 引言

土壤是農作物生長發育的重要載體。隨著農業的發展,蔬菜大棚的應用日益增長,我國設施蔬菜栽培面積以每年50%的速度增長[1]。大棚具有常年高溫、無降水淋洗以及高施肥、高產出、超強度利用等特點[2-3]。但是長時期不合理的施肥可能會導致大棚內土壤養分的變化以及比例的失調。

土壤酶是土壤物質循環和能量流動的重要參與者,與有機物質分解、營養物質循環和能量的轉移等有著密切的關系,其活性可以反映土壤營養物質的儲量[4-6]。土壤養分、水分以及pH值是影響蔬菜生長發育的重要因素,在一定范圍內,可以促進蔬菜的生長發育,提高蔬菜產量。土壤有機物經生物分解可以轉化為植物可利用的C、N、P,土壤C、N、P之間的比值可能反映出土壤養分的限制[7]。

近年來,太白縣堅持以蔬菜生產為主體,擴大蔬菜復種面積，大力發展設施蔬菜。秦西蔬菜示范園于2014年建立,一直以發展太白高山綠色有機蔬菜為目標。本研究以太白縣秦西示范園不同蔬菜大棚土壤為研究對象,探討了土壤酶活性、養分含量、pH值以及含水量的差異,并應用主成分分析法對土壤的肥力質量進行了評價,以期為該區蔬菜大棚的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

供試土壤采于太白縣秦西示范園綠色蔬菜大棚,該縣位于陜西省寶雞市東南部,地理位置為33°38′13″～34°09′55″N、107°03′00″～107°46′40″E，地處秦嶺腹地,總面積約達2780 km2,以高、中山地貌為主,中間為山間盆地[8],海拔為740～3769 m。太白縣氣候為典型的大陸性季風氣候,四季冷暖干濕分明；由于受地理位置及地形的影響,氣溫呈明顯的東高西低、南高北低的特征,年均氣溫為7.8 ℃,夏季平均氣溫為19.0 ℃,年降水量751 mL,作物年平均生長期為256 d[9]。太白縣內土壤以棕壤、潮土、淤土為主,適于各種蔬菜及多種農作物生長[10]。種植的主要高山蔬菜有結球生菜、紫甘藍、大白菜、瓜類、茄果類、蔥蒜類以及綠葉菜類蔬菜等。

1.2 土樣采集

本試驗以太白縣秦西示范園蔬菜大棚土壤為主要研究對象,采樣的大棚編號及其種植的蔬菜分別為4#(茄子)、5#(辣椒)、6#(小乳瓜)、9#(芹菜)、10#(西紅柿)以及13#(卷心菜)。于2018年11月對示范園的6個蔬菜大棚進行土壤樣品采集,大棚面積100 m×6 m,每個大棚呈“S”形設置10個采樣點,取樣時除去表土層枯葉、雜草,每個樣點采集0～20 cm的表層土作為樣品,共采集土壤樣品100個,并裝入密封袋中帶回實驗室。對土樣進行風干、研磨并過孔徑1 mm的篩子,用于測定土壤酶活性、pH值，以及水、氮、磷、有機質含量。

1.3 測定指標

1.3.1 土壤酶活性的測定 土壤脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法,在37 ℃下培養24 h后,以5 g干土中NH3-N的含量表示土壤脲酶的活性[計量單位為mg/(g·d)][11];土壤磷酸單脂酶活性的測定采用對硝基苯磷酸鹽比色法,將0.1 g底物對硝基苯磷酸鹽加入土壤,在37 ℃條件下恒溫培養1 h后,對生成物用比色法測定,測定波長為400 nm；土壤磷酸單脂酶活性的計量單位為mg/(g·h)[12]。

1.3.2 土壤pH值及含水量的測定 土壤pH值采用pH計測定(水的體積∶土的質量=5∶1):稱取過1 mm篩的風干土5.0 g,加去CO2的水25 mL,用玻璃棒攪拌1 min,靜置30 min后進行測定[13]。

土壤含水量采用烘干法測定[14]:土壤含水量(%)=(烘干前鋁盒及土樣質量-烘干后鋁盒及土樣質量)/(烘干前鋁盒及土樣質量-烘干空鋁盒質量)×100%。

1.3.3 土壤氮、磷及有機質含量的測定[15]土壤全氮含量采用凱氏定氮法進行測定;土壤全磷含量采用鉬銻抗比色法進行測定;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀—外加熱法進行測定;土壤速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法進行測定。

1.4 數據分析

土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)均采用質量比；利用Excel 2010進行數據統計與處理,用Origin 2018進行作圖分析。利用SPSS 22.0對試驗數據進行One-Way ANOVA單因素方差分析,利用Pearson法分析土壤各個指標間的相關性,并進行主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)。

2 結果與分析

2.1 不同大棚土壤酶的活性

2.1.1 脲酶 土壤脲酶是存在于土壤中最為廣泛的土壤水解酶之一。植物氮源——氨是土壤脲酶的酶促產物,尿素氮水解與脲酶有著不可分割的聯系[16]。土壤脲酶活性的高低在一定程度上反映土壤的供氮能力與水平[17]。由圖1可知,土壤脲酶活性以5#和4#大棚較強,以13#為最低,并且在各蔬菜大棚之間存在顯著性差異(F=22.20,P<0.01);各大棚的土壤脲酶活性表現為5#>4#>10#>9#>6#>13#,說明5#和4#大棚的土壤供氮能力居前2位,其土壤有機氮向有效氮的轉化能力明顯高于其它大棚。

2.1.2 磷酸單脂酶 土壤磷酸酶是能夠催化磷酸酯或磷酸酐水解反應的一種水解酶,土壤磷酸單脂酶作為磷酸酶的最常見的一種,其活性可作為土壤磷素生物轉化方向與強度評價的指標[18]。由圖1可見,4#大棚土壤磷酸單脂酶的活性最高,9#棚的土壤磷酸單脂酶的活性最低,并且各蔬菜大棚之間存在顯著性差異(F=11.45，P<0.01);各大棚的土壤磷酸單脂酶活性由高到低依次為:4#>5#>13#>10#>6#>9#,說明4#大棚的土壤對有機磷的分解轉化能力最強,土壤磷素的有效利用性更強,對土壤磷素的限制最小。

圖1 不同大棚土壤脲酶與磷酸單脂酶的活性

2.2 不同大棚土壤的pH值和含水量

2.2.1 土壤pH值 土壤pH值是可以反映土壤酸堿性質的重要指標,通常會影響植物的生長和施肥效果[19]。從圖2可以看出,太白縣蔬菜大棚的土壤pH值處于5.0～6.0,其中4#大棚的土壤pH值明顯低于其它大棚的,說明4#大棚的土壤酸性最強；各大棚土壤的酸性由強到弱依次為:4#>5#>13#>6#>10#>9#,說明部分蔬菜大棚土壤已表現出酸化的趨勢；此外，在各大棚之間土壤pH值存在顯著性差異(F=11.60，P<0.01)。

2.2.2 土壤含水量 土壤中的水分是影響植物進行光合作用的重要因素,對農作物的生長起著重要的作用[20]。由圖2可見,大棚土壤含水量處于10%～20%,整體土壤含水量較低,其中以13#棚的土壤含水量最高,以5#棚的土壤含水量最低,土壤含水量由大到小依次為:13#>6#>9#>10#>4#>5#,并且各個大棚之間土壤含水量存在顯著性差異(F=6.79，P<0.01)。

2.3 不同大棚的土壤養分含量

由表1可知,不同大棚的土壤全氮含量處于2.0～3.5 g/kg,其中以5#和4#棚的土壤全氮含量較高,9#棚的土壤全氮含量明顯低于其它大棚；各大棚的土壤全氮含量由大到小依次為:5#>4#>6#>13#>10#>9#。各大棚的土壤全磷含量為1.0～1.6 g/kg,具體表現為:5#>4#>6#>13#>10#>9#。各大棚的土壤有機質含量處于20.0～34.0 g/kg，具體表現為6#>13#>4#>10#>9#>5#，其中6#大棚的土壤有機質含量明顯高于其它大棚的。各大棚的土壤速效磷含量處于2.5～11.0 mg/kg,具體表現為5#>4#>13#>6#>10#>9#。對比F值可以看出,蔬菜大棚之間土壤全氮、全磷、有機質以及速效磷含量都存在極顯著差異,其中土壤速效磷含量的F值為最高,說明在不同大棚間土壤速效磷含量的差異最大。

圖2 不同大棚土壤的pH值與含水量

2.4 不同大棚土壤生態化學計量比分析

土壤生態化學計量能夠反映土壤內部碳氮磷循環,并綜合生態系統功能的變異性[21]。由表2可知,土壤碳氮比(C/N)值為6.70～12.50,其中土壤C/N值以6#棚為最大,數值達到12.33;5#棚的土壤C/N值明顯低于其它大棚的；在不同大棚之間土壤C/N值存在顯著性差異,具體表現為6#>9#>13#>10#>4#>5#。土壤碳磷比(C/P)值為14.0～30.0,其中土壤C/P值以13#棚為最大,達到29.30；以5#棚為最小,為14.23；各大棚土壤的C/P值排序為13#>6#>10#>9#>4#>5#，且在不同大棚之間存在顯著性差異。土壤氮磷比(N/P)值為1.90～2.60,其中以13#棚的值為最大,達到2.51；以4#棚的值為最小,僅有1.97；但在不同大棚之間土壤N/P值沒有顯著性差異。對比F值可知,不同蔬菜大棚土壤C/N值、C/P值之間存在極顯著差異,但土壤N/P值差異不顯著,其中以土壤C/P值的F值為最高,說明土壤C/P值的差異為最大。

2.5 不同大棚土壤養分含量、酶活性及生態化學計量比間的相關性

由表3可以看出：土壤脲酶活性與土壤全氮、全磷、速效磷含量呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤有機質、C/N以及C/P呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤含水量和N/P呈顯著負相關(P<0.05),與土壤pH值的相關性不顯著;土壤磷酸單脂酶活性與土壤全磷、有機質、速效磷含量均呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤pH值呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤全氮含量呈顯著正相關(P<0.05),與土壤C/N、C/P以及N/P的相關性不顯著;土壤全氮含量與土壤全磷、速效磷含量以及N/P均呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤pH值、C/N以及C/P呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤有機質含量、含水量的相關性不顯著;土壤全磷含量與土壤速效磷含量呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤pH值、C/N、C/P以及N/P均呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤有機質含量以及含水量的相關性不顯著;土壤有機質含量與土壤含水量、C/N、C/P均呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤速效磷含量呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤pH值 以及N/P的相關性不顯著;土壤pH值與土壤C/N以及C/P均呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤速效磷含量呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤含水量以及N/P的相關性不顯著;土壤速效磷含量與土壤含水量、C/P以及C/N均呈極顯著負相關(P<0.01),與土壤N/P的相關性不顯著;土壤含水量與土壤C/N以及C/P呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤N/P的相關性不顯著;土壤C/N與C/P呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤N/P的相關性不顯著;土壤C/P與N/P呈極顯著正相關(P<0.01)。

表1 不同蔬菜大棚土壤養分含量

注:表中數據為平均值±標準誤;同列數據后不同字母表示大棚間差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 不同大棚土壤生態化學計量比分析結果

2.6 大棚土壤肥力評價因子的主成分分析

采用主成分分析法[22]對太白縣不同蔬菜大棚的土壤肥力進行綜合評價，結果見表4～表5。第1主成分的特征值為2.969,其方差貢獻率達到49.488%；第2主成分的特征值為1.633,其方差貢獻率為27.221%；前兩個主成分的方差貢獻率累計達76.709%,說明這2個主成分包含了評價因子的大部分信息,可以用于土壤肥力的評價。

用Yi表示第i個主成分,用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分別表示土壤全氮含量、全磷含量、pH值、有機質含量、速效磷含量以及含水量(見表5)。由此可得出,2個主成分的以下回歸表達式:

Y1=0.480X1+0.490X2-0.491X3+0.006X4+0.468X5-0.265X6

Y2=0.198X1+0.168X2-0.235X3+0.1677X4-0.313X5+0.567X6

表3 大棚土壤養分含量、酶活性及生態化學計量比間的相關系數

注:“**”表示在 0.01 水平上顯著相關；“*”表示在 0.05 水平上顯著相關。

表4 總方差分析結果

表5 成分得分系數矩陣

在第1主成分的表達式中,土壤全氮、全磷含量、pH值以及速效磷含量的載荷絕對值較大,說明土壤全氮、全磷含量、pH值和速效磷含量顯著影響著土壤肥力水平,其中土壤全氮、全磷和速效磷含量為正值,說明在一定范圍內,土壤氮、全磷和速效磷含量越高,土壤的肥力質量越好;土壤pH值為負值,說明隨著土壤pH值的降低,土壤酸性越強,土壤肥力下降。

土壤有機質含量和含水量在第2主成分中的載荷值較大,且均為正值,說明隨著土壤有機質含量和含水量的增加,土壤肥力逐漸升高。

利用2個主成分表達式以及各組成分的方差貢獻率,分別計算出各個大棚的土壤肥力綜合得分,結果如表6所示,4#大棚的土壤肥力質量最好；9#大棚的土壤肥力質量最差；不同大棚的土壤肥力質量具體表現為4#>5#>13#>6#>10#>9#。

表6 不同蔬菜大棚土壤肥力的綜合評價結果

3 結論與討論

土壤酶活性是綜合評價土壤質量變化、檢測土壤中微生物群落變化的重要指標[23]。土壤脲酶主要參與土壤中氮素的轉化,對尿素在土壤中的水解以及作物對尿素的利用有重大的影響[24]；磷酸單脂酶活性可以直接影響土壤中有機磷的分解轉化及其生物的有效性[25]。本試驗結果表明,太白縣大棚土壤脲酶與磷酸單脂酶的活性整體較高,其中4#大棚的脲酶和磷酸單脂酶活性高于其他大棚,且其土壤全氮、全磷含量較高,說明4#與5#大棚土壤對作物的供氮能力較強,對有機磷的分解轉化能力以及土壤磷素的有效利用性較強。太白縣秦西示范園大棚土壤的pH值處于5.0～6.0,屬于酸性土壤,可能由于長期不合理施肥,出現了土壤酸化的趨勢,導致有機質含量降低,土壤養分失衡。由于大棚常年高溫、蒸發旺盛等,其土壤含水量整體較低;同時,長時間的高溫環境導致土壤養分的分解速率較快,對土壤養分含量有一定的影響。

土壤生態化學計量比(C/N、C/P、N/P)是衡量土壤質量的敏感指標,可以反映土壤釋放氮、磷礦化養分的能力[26]。土壤C/N在一定程度上可以反映有機質的分解速率,土壤C/N越高,有機質的分解速率越低[27]。本研究結果表明，5#、4#大棚的土壤C/N較低,說明其土壤對有機質的分解速率較高。土壤C/P可以反映土壤磷有效性的高低,C/P值越高,磷的有效性越低[28]。在本研究中，5#和4#大棚的土壤C/P值較低,說明這2個大棚土壤磷的有效性較高。土壤N/P通常作為養分限制類型的預測指標[29]。本研究發現，4#號棚的N/P值最低,說明4#受到磷素的限制最低。

本研究還發現，土壤酶活性、養分含量以及生態化學計量比之間關系較為密切,其中土壤脲酶活性與土壤全氮、全磷、有效磷含量呈極顯著正相關,與土壤有機質含量、C/N以及C/P呈極顯著負相關,與土壤含水量、N/P呈顯著負相關;土壤磷酸單脂酶活性與土壤全磷、有機質、速效磷含量均呈極顯著正相關,與土壤pH值呈極顯著負相關,與土壤全氮含量呈顯著正相關。

通過主成分分析，計算出不同蔬菜大棚的土壤肥力質量順序為:4#>5#>13#>6#>10#>9#，其中4#種植茄子的大棚土壤質量優于其他大棚。太白縣秦西示范園已投入使用5年以上,可能由于長期不合理施肥，出現了土壤肥力降低、土壤酸化、土壤含水量降低等現象,從而影響了蔬菜作物的產量。在今后的實驗中,將對大棚土壤進行不同的肥料配施,以及不同蔬菜品種的培育,進一步做到在改善土壤肥力的同時提高蔬菜的品質。