生草栽培對刺梨園土壤質量、酶活性和化學計量學的影響

摘要：為有效解決果園長期清耕帶來的土壤肥力下降問題，以刺梨園為研究對象，設置紫花苜蓿、黑麥草和小麥3個生草栽培處理，通過土壤理化性質和土壤酶活性的變化，比較不同生草栽培對土壤肥力、酶活性和土壤化學計量特征的影響。結果表明：（1）與小麥模式相比，紫花苜蓿顯著提高土壤的pH值、含水率及有機質、全磷、堿解氮、速效鉀含量，分別提高了13.56%、10.18%、12.04%、43.52%、146.58%和96.90%；（2）紫花苜蓿模式下土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性最高，顯著高于小麥；（3）基于非線性模型計算顯示，紫花苜蓿模式下，土壤質量指數SQI顯著高于黑麥草，黑麥草顯著高于小麥；（4）3種生草栽培模式對土壤C/N、N/P無顯著影響，紫花苜蓿模式下土壤 C/P 顯著低于黑麥草和小麥；（5）相關性分析顯示，土壤pH值、有機質含量與過氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性之間存在顯著或極顯著相關性。因此，紫花苜蓿在改善果園土壤肥力方面優于黑麥草和小麥，尤其能夠提高刺梨園磷的供應。

關鍵詞：生草栽培；刺梨園；土壤肥力綜合指數；土壤酶活性；化學計量特征

中圖分類號：S154.1""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）22-0235-08

果園清耕是一種常規的農藝管理措施，具有防蟲害、方便快捷等優點^［1］，但是隨著果園面積的拓展、農藥化肥用量的加大，長期的清耕導致果園土壤板結、有機碳含量下降等問題^［2］，從而造成果園產量和質量的下降。土壤生草栽培主要有自然生草和人工生草2種^［3］，自然生草一般對當地氣候環境有較強的適應能力，省時省力；人工生草是通過人工種植有利于果園的特定草種，多為一年生豆科或禾本科植物^［4］。生草栽培可提高果園土壤肥力，適于果園栽培的草種有1 000多種^［5］，不同種類的生草對土壤的影響不同。Shui等的研究指出，生草栽培可提高柑橘園紅壤的氮、磷、鉀的總量^［6］；徐凌飛等研究發現，生草栽培可以有效增加土壤微生物數量的同時提高梨園和桃園土壤的堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性^［7］；王耀鋒等在桃園發現黑麥草可顯著提高土壤有機碳、微生物量碳和水溶性有機碳含量^［2］。生草栽培改變了果園生態系統的碳氮平衡，勢必改變土壤碳氮轉化進程、微生物及酶活性，進而改善土壤質量^［8］。目前，關于果園生草栽培的研究大多局限于其對某些土壤肥力指標的影響，而缺乏對土壤肥力效應的綜合評價。

土壤質量指數（SQI）通過整合不同的土壤特征獲得，是最全面有效的土壤肥力評估工具之一^［9］。近年來，學者們在不同生態系統開展土地利用方式與土壤質量指數的研究。Zhang等研究發現，長江流域的油菜-水稻輪作系統SQI比冬閑水稻系統高19.4%，土壤有機碳、全氮和堿解氮是影響SQI的關鍵因子^［9］。澤爾拉都等對云南典型果蔬種植區土壤養分研究發現，自然環境因子與養分含量均存在相關性，且每種土壤養分不受單一環境因子的影響^［10］。竇曉慧等利用牧草種植對三角洲鹽堿土壤改良下土壤質量評價時發現，3種禾本科牧草均能提高土壤SQI，具體表現為甜高粱＞高丹草＞墨西哥玉米草^［11］。趙瑾等對青藏高原不同土地利用方式下土壤質量評價發現高寒草甸＞荒漠草原＞農田＞沙地，土壤有機碳、容重、全氮、有效磷和全鉀是評估土壤質量指數的關鍵因子^［12］。Shang等研究發現，SQI能夠反映農田輪作對土壤肥力的影響^［13］。土壤質量指數SQI是反映土壤肥力、衡量土地可持續利用的一個重要指標^{［14～15］}。據此，本研究利用非線性模型，通過SQI定量綜合評估不同生草栽培模式對土壤肥力的影響，以期為當地果園土壤培肥和農業可持續發展提供理論依據。

化學計量比是研究生態系統中主要元素的平衡或相互作用關系的研究方法^［16］，它是研究多種化學元素的質量平衡以及元素與生物/生態系統之間相互作用的新工具^［17-19］。生態化學計量學在生物地球化學循環的研究領域發揮了極其重要的作用^［20］。土壤的C、N、P含量變化及化學計量比在調節生態系統中的養分循環和植物生長方面起著極其重要的作用，同時也可以反映土壤肥力狀況^［21］。土壤肥力還與土壤酶活性密切相關，土壤酶活性與土壤養分轉化、利用和循環直接相關^［22-23］。研究表明，白三葉可顯著提高果園土壤C/N、N/P、C/P比及土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性^［24］；紫云英可顯著提高山核桃林土壤C/N比^［25］，黑麥草顯著提高梨園土壤脲酶和過氧化氫酶活性^［8］。因此，果園生草栽培通過土壤酶活性的改變，影響土壤養分循環，進而影響土壤肥力。

2021年4月，貴州省農村產業革命水果產業發展領導小組在《貴州省農村產業革命2021年水果產業發展指導意見》中提出，2025年，全省果園種植面積穩定在66.67萬hm²，產值400億元^［26］。2021年貴州省刺梨種植面積達13.99萬hm²，產值超過50億元。長期清耕對土壤造成負面影響，制約果園的可持續發展^［27］。生草栽培可以提高果園土壤肥力，但是刺梨園最佳生草栽培模式尚缺乏研究。因此，本研究探討豆科與禾本科生草紫花苜蓿、黑麥草和小麥對刺梨園土壤肥力、酶活性以及土壤化學計量特征的影響，以期為果園間作生草栽培提供參考依據。

1"材料與方法

1.1"試驗設計

試驗于2015—2021年進行，試驗地位于關嶺（105°45′22″E，25°55′32″N），年平均氣溫17.6 ℃，年平均降水量1 200 mm，無霜期333 d。在刺梨園種植紫花苜蓿、黑麥草、小麥，作為3個處理，每個處理3個重復，每個小區面積200 m²（20 m×10 m）。紫花苜蓿、黑麥草和小麥播種量分別為22.5、45.0、150.0 kg/hm²，采取條播方式，播種深度在0.5～1.5 cm 之間，播種時間為每年9月中旬；其他田間管理措施與往年一致。

1.2"土壤樣品采集

在2021年4月19日取樣，每個處理采用五點法取樣，將同一小區的土樣混勻裝入標記好的密封袋，去除根莖等雜質后，分為2份，一份過2 mm篩后4 ℃保存，用于測定酶活性和微生物碳氮含量；一份自然風干，過0.250 mm和0.149 mm保存，用于測定pH值及全氮、全磷、有機質、速效磷、速效鉀和堿解氮含量。

1.3"土壤樣品測定

土壤理化指標：土壤含水率采用烘干恒重法測定；土壤的pH值采用2.5 ∶1水土比浸提（PHS-3C，中國）測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定^［28］；全氮和全磷含量分別采用硫酸消煮-水楊酸鈉法和硫酸消煮-鉬銻抗法測定^［29］；速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗吸光光度法測定^［28］。土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮含量采用三氯甲烷熏蒸提取法測定^［30］（Vario TOC，德國）；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定^［28］；堿解氮含量采用NaOH堿解擴散法測定^［31］。

土壤酶活性測定：過氧化氫酶（CAT）活性采用KMnO4滴定法測定^［32］；土壤蔗糖酶（SC）和脲酶（UE）活性采用分光光度法測定^［33］；土壤酸性磷酸酶（ACP）活性用磷酸苯二鈉比色法^［29］。

1.4"土壤質量指數的計算

本研究為了評價不同生草栽培對刺梨園土壤肥力的綜合影響，選取了土壤pH值及有機質、全氮、速效鉀、堿解氮、速效磷含量6個指標通過計算土壤質量指數（SQI）評估土壤肥力^［10］。土壤質量指數（SQI）計算按照如下3個步驟進行^［10］：（1）確定各指標權重：根據PCA分析結果獲得各指標公因子方差，各指標的權重等于各指標的公因子方差占所有指標公因子方差之和的比例；（2）標準化各指標（非線性指標得分）：根據指標對土壤質量產生的正負影響，將土壤指標分為“越多越好”和“越少越好”2個類型^［34］，采用非線性函數模型將指標轉換為0～1之間的值^［35］。

非線性模型如下：

S=a1+xx0^b。

式中：S為非線性指標得分；a表示最大得分，為1；x表示指標的實際測量值；x0表示每個指標的平均值；b表示方程的斜率，-0.25和0.25的斜率分別對應“越多越好”和“越少越好”^［36］。

（3）土壤質量指數的計算公式如下。根據指標的得分和權重值計算^［37］：

SQI=∑ni=1SiWi。

式中：SQI為土壤質量指數；Si為第i個土壤指標標準化后的值；Wi為第i個土壤指標的權重值。土壤質量指數范圍在0～1，數值越大，土壤的肥力越好。

1.5"數據處理

采用Excel 2019和SPSS 23.0軟件對數據進行預處理和統計分析。采用最小顯著差數檢驗法（LSD）分析不同生草栽培模式對土壤肥力和酶活性的顯著性差異；采用Pearson相關分析分析土壤肥力和酶活性的相關性。

2"結果與分析

2.1"生草栽培對土壤養分的影響

由表1可知，各生草栽培模式下土壤pH值由高到低為紫花苜蓿gt;黑麥草gt;小麥（Plt;0.05），3種生草栽培下的土壤pH值均低于7，紫花苜蓿和黑麥草比小麥分別高13.56%和7.59%；有機質（SOC）含量依次為黑麥草gt;紫花苜蓿gt;小麥，黑麥草處理下比紫花苜蓿和小麥分別高1.21%（Pgt;0.05）和13.40%（Plt;0.05）；各生草栽培下土壤全氮（TN）含量無顯著差異；紫花苜蓿處理下全磷（TP）含量比黑麥草和小麥分別提高68.48%和43.52%（Plt;0.05），速效磷（AP）含量分別提高209.71%和20.18%；紫花苜蓿栽培模式下速效鉀（AK）和堿解氮（AN）含量均顯著高于黑麥草和小麥，分別比黑麥草和小麥高出24.62%和96.90%、43.58%和146.58%；小麥栽培模式下土壤的含水率（SW）顯著低于紫花苜蓿和黑麥草（Plt;0.05）。

2.2"不同生草栽培對土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）的影響

由圖1知，土壤微生物量碳（MBC）含量依次為黑麥草gt;紫花苜蓿gt;小麥，其中黑麥草處理下的土壤MBC含量顯著高于紫花苜蓿和小麥處理（Plt;0.05），分別提高60.87%和92.00%；土壤微生物量氮（MBN）含量依次為紫花苜蓿gt;小麥gt;黑麥草，其中紫花苜蓿處理下的MBN含量高于黑麥草和小麥，分別提高38.90%和20.70%。

2.3"不同生草栽培對土壤酶活性的影響

由圖2知，紫花苜蓿處理下過氧化氫酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性都高于黑麥草和小麥，同時都表現出紫花苜蓿gt;黑麥草gt;小麥。紫花苜蓿處理下的過氧化氫酶活性比黑麥草和小麥分別高1.33%和3.54%，蔗糖酶活性分別高28.99%和134.44%，酸性磷酸酶活性分別高1.19%和7.90%。小麥處理下的脲酶活性高于紫花苜蓿和黑麥草，分別高7.41%和15.34%。

2.4"不同生草栽培對土壤質量指數的影響

由圖3可知，紫花苜蓿、黑麥草和小麥對土壤肥力的影響不一致。紫花苜蓿處理下的土壤質量指數顯著高于黑麥草和小麥（Plt;0.05），分別高出3.85%和4.92%；黑麥草處理下土壤質量指數顯著高于小麥處理（Plt;0.05）。

2.5"不同生草栽培對土壤化學計量特征的影響

化學計量特征是反映土壤營養供給能力強弱的一項重要指標。如表2所示，黑麥草處理下的 C/N、N/P、C/P都高于紫花苜蓿和小麥，同時C/P差異顯著。黑麥處理下的C/N比紫花苜蓿和小麥分別高32.16%和34.53%，N/P分別高38.07%和3.82%，C/P分別高69.73%和32.76%。

2.6"土壤肥力與酶活性之間的關系

由圖4可知，土壤肥力與土壤酶活性之間相互影響，其內部各因子之間也存在著相互作用。過氧化氫酶與蔗糖酶活性呈顯著正相關關系（Plt;0.05），與酸性磷酸酶活性之間呈極顯著正相關關系（Plt;0.001），蔗糖酶與酸性磷酸酶活性間呈顯著正相關關系（Plt;0.05），說明過氧化氫酶與蔗糖酶、酸性磷酸酶活性之間和蔗糖酶與酸性磷酸酶活性之間在酶活性的變化過程中存在密切聯系。土壤酶活性可以在一定程度上反映土壤中礦元素轉化強度。土壤pH值、有機質含量與過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性之間呈顯著正相關關系（Plt;0.05）；全氮、全磷、速效磷含量與酶活性之間沒有呈現出顯著相關性；土壤的速效鉀、堿解氮含量與過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶活性相關性達到顯著或極顯著水平，與脲酶活性之間沒有呈現出顯著相關性。

3nbsp;討論

生草栽培可有效改善果園土壤的肥力，豆科與禾本科生草對果園土壤肥力的影響有所不同^［38-39］。酸堿環境會影響土壤化學反應，進而影響土壤養分的循環利用^［40］。本研究中，紫花苜蓿模式下土壤pH值最高，小麥模式下土壤pH最低，楊儲豐等研究發現10月黃花苜蓿模式下的土壤pH值顯著高于其他禾本科模式下^［5］；封帆等在蘋果園研究發現白三葉種植模式下的土壤pH值高于黑麥草種植模式下^［41］，本研究結果與之類似。小麥和黑麥草根系分布較淺，對表層土壤的鹽分吸收效果較好，而紫花苜蓿的根系深入土層較深，對表層土壤鹽分吸收效果不佳^［42］。土壤含水率會影響植物的生長，生草的栽培會提高土壤的含水率。紫花苜蓿和黑麥草的含水率顯著高于小麥，生草可以通過較為密集的根系增加土壤孔隙率，減少水土流失^［43-44］；同時生草栽培可以減少水分蒸發^［45］，提高土壤有機質，改變土壤原本的結構^［46］，從而間接保持土壤的含水率；但是不同生草對水土保持效果是不一樣的，牛清清等通過Meta分析發現禾本科生草在減緩徑流和攔截泥沙效果要優于豆科生草^［47］，在本研究中黑麥草處理下的含水率高于紫花苜蓿，這是由于禾本科植物須根較為發達，沒有明顯的主根，發達的須根有助于促進土粒的團聚，提高土體的抗侵蝕能力^［48］。有機質是土壤養分重要組成部分，生草栽培可以提高果園土壤的有機質含量^［49-51］，生草栽培增加土壤中的腐殖質含量，從而提高土壤肥力，紫花苜蓿和黑麥草處理下的有機質含量顯著高于小麥，在本研究中，黑麥草處理下的有機質含量高于紫花苜蓿處理，可能是田間綠肥經過刈割后，根系繼續留在土壤中，不同根系對土壤改良效果造成差異^［52］。生草通過每年地上部分死亡、根系分泌等行為向土壤輸送有機質^［53-55］，同時生草栽培可以增強土壤團聚體的結構穩定性，從而有利于有機質的積累^［56-57］。土壤氮磷鉀元素的充分供應能保證果樹正常生長發育，果園生草可以改變土壤礦質元素的含量，不同生草處理的效果不同。李會科在蘋果園生草的研究中認為，豆科提高氮含量的作用大于黑麥草，黑麥草提高土壤磷含量的作用大于豆科植物^［58］。本研究中全氮含量沒有達到顯著效果，可能由于紫花苜蓿和黑麥草經過刈割后，再生長會從土壤中吸收大量的營養元素滿足自身生長需求^［3］，也可能是觀測年限較短生草對土壤氮含量影響較慢^［59］。紫花苜蓿處理下的全磷、速效磷、堿解氮和速效鉀含量高于黑麥草和小麥，可能是由于紫花苜蓿處理下的土壤碳磷比顯著低于黑麥草和小麥，有利于土壤中磷元素的分解循環^［60］，也可能與豆科作物固氮喜磷習性有關^［61-62］。

土壤質量指數評價根據土壤各指標特性和質量對土壤肥力進行綜合評價。由于土壤肥力評價具有一定的目的性和針對性，有機質、pH值、全氮、速效鉀、堿解氮和速效磷是在土壤肥力評價中選取頻率較高的指標作為主要的評價因子。張麗瓊在長期輪作發現，苜蓿連作不施肥、單施磷肥及施氮磷有機肥的SQI要顯著高于小麥連作^［63］；周彤在輪作中發現紫花苜蓿連作模式的SQI要優于草地早熟禾連作模式下^［64］；劉彩霞也在連作玉米地中研究發現，種植豆科作物的SQI要優于禾本科作物^［65］。在這項研究中，紫花苜蓿處理下的SQI顯著高于黑麥草和小麥，是由于本研究中土壤有機質、pH值、速效鉀、堿解氮是影響SQI的關鍵因素^［35］。

土壤酶作為評價土壤質量的潛在指標之一，酶活性在一定程度上可以反映土壤質量和土壤中各種微生物活躍的強度^［66］。土壤酶活性與土壤中的養分轉換具有相關關系，也會參與土壤中的碳、氮、磷元素的轉換^［67］。通常豆科植物模式下土壤酶活性大于禾本科植物^［68-70］，可能是豆科類植物的根系分泌物會促使土壤中的微生物大量繁殖導致的^［68］。脲酶可以將土壤中有機氮化合物分解為無機氮化合物，供植物吸收利用，脲酶活性可以反映土壤供氮水平^［49］。小麥處理下的脲酶活性高于紫花苜蓿和黑麥草，這可能是由于小麥在4月處于抽穗揚花期，在為之后的灌漿期積累營養物質^［71］，從土壤吸收大量營養物質^［72］，導致小麥處理下的土壤脲酶活性高于紫花苜蓿和黑麥草處理。土壤酶活性之間存在相關性，其中過氧化氫酶與蔗糖酶、酸性磷酸酶之間及蔗糖酶與酸性磷酸酶之間存在顯著或極顯著相關性，這與傅聿青等的研究結果^［73］相似，而本研究中發現有機質含量和pH值與土壤酶活性總體上存在顯著相關性，這與向仰州等通過生草栽培對刺梨園土壤酶活性與土壤肥力之間存在顯著相關性的結論^［74］相似。

土壤微生物是農業生態系統中參與土壤養分轉化、物質代謝等多種反應的重要組成部分，同時也參與土壤有機物的分解^［75-76］。本研究發現，紫花苜蓿處理下的土壤MBN高于黑麥草和小麥處理，可能是因為紫花苜蓿作為豆科類植物具有較強的固氮能力^{［24，77］}。黑麥草處理下的土壤MBC顯著高于紫花苜蓿和小麥，這可能是由于黑麥草具有較強的根系，其分泌物如有機酸等可以提高土壤微生物活性^［78］。

土壤碳、氮、磷化學計量特征是反映土壤養分可獲得性及碳、氮、磷元素的循環及平衡狀況的重要指標。C/N影響土壤中碳氮元素的循環，有研究表明，較高的C/N有利于土壤氮礦化速率和有機碳的積累^［79］，當C/N較低時，土壤中的有機質會加速分解，不利于土壤的碳礦化。黑麥草栽培下C/N高于紫花苜蓿和小麥，同時有機質高于紫花苜蓿和小麥，表明黑麥草有利于土壤有機質的積累和土壤氮的礦化^［3］。C/P是衡量土壤磷元素礦化速率的重要指標^［80］，當土壤中的C/P較低時，有利于土壤中的營養元素的分解循環，土壤中的速效磷也會隨之增加^［60］。在本試驗中，紫花苜蓿處理下的土壤C/P顯著低于其他2種處理，同時紫花苜蓿處理下的速效磷也是高于其他2種處理。N/P通常用于判斷土壤中氮和磷是否缺乏的指標，在本研究中，各處理下土壤的N/P均低于全國土壤的平均水平（3.90）^［81］，表明生草栽培下土壤中的磷元素相對豐富，但是土壤中的氮會比較匱乏，也有可能是貴州的喀斯特地貌，導致土壤的氮元素隨著淋溶、雨水沖刷等流失^［82］。

4"結論

刺梨果園間作紫花苜蓿在改善土壤有機質、全磷、速效磷、pH值、含水率、微生物量氮、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性和酸性磷酸酶方面最優，其土壤質量SQI最高；同時紫花苜蓿通過提高土壤有效磷含量，降低了土壤C/P，有效改善了刺梨園土壤磷缺乏。因此，綜合考慮土壤質量SQI、酶活性以及化學計量特征，紫花苜蓿模式對刺梨果園土壤改良最好，可以推廣使用。

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