翻壓綠肥對(duì)植煙土壤酶活性及土壤肥力的影響

翻壓綠肥對(duì)植煙土壤酶活性及土壤肥力的影響

土壤酶作為土壤生物活性和土壤肥力的重要組成部分，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程中起著重要的催化作用。它的活性可以反映土壤中各種生物反應(yīng)的強(qiáng)度和方向，對(duì)土壤肥力的發(fā)育有重要影響。土地利用的變化可以改變陸地生態(tài)系統(tǒng)以及地球生化循環(huán)過程,促使土壤性質(zhì)的變化和土地生產(chǎn)力的改變,影響土壤質(zhì)量和土壤環(huán)境變遷,進(jìn)而引起土壤酶活性的空間變異和生物活性變化。近年來,對(duì)土壤酶活性和土壤肥力的研究已成為土壤學(xué)界研究的熱點(diǎn),尤其對(duì)土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關(guān)系進(jìn)行了深入的探討。然而土壤酶活性能否作為土壤肥力的指標(biāo)尚無(wú)定論,多數(shù)研究者認(rèn)為,土壤酶與土壤主要肥力因子有顯著相關(guān)關(guān)系,可作為土壤肥力的指標(biāo)之一;而Sakorn等及周瑞蓮等研究卻表明,土壤酶活性與土壤的營(yíng)養(yǎng)水平間并不存在顯著相關(guān)。盡管如此,土壤酶能夠促進(jìn)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量交換是不爭(zhēng)的事實(shí)。因此,對(duì)土壤酶與土壤肥力之間關(guān)系的進(jìn)一步研究在理論和實(shí)踐上都有著重要意義。綠肥作為一種重要的有機(jī)肥料,其在減少化肥用量、提高作物產(chǎn)量、培肥土壤地力等方面起到了積極的作用。由于當(dāng)前對(duì)綠肥肥效的研究主要集中在單一因素如不同酶活性或不同肥力因子上,而對(duì)他們之間關(guān)系的研究較少,本文旨在通過對(duì)翻壓綠肥后植煙土壤酶活性與土壤肥力關(guān)系的研究,并采用簡(jiǎn)單相關(guān)分析、典型相關(guān)分析和主成分分析,以探討施用綠肥情況下土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系以及將土壤酶作為評(píng)價(jià)土壤肥力指標(biāo)的可行性,為改良植煙土壤,減少化肥使用,改善生態(tài)環(huán)境,發(fā)展低碳煙草農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)田間與綠肥種植試驗(yàn)在重慶市武隆縣趙家鄉(xiāng)新華村老街自然村進(jìn)行(海拔1036m、東經(jīng)107°33.588′、北緯29°16.593′)。供試土壤類型為水稻土,烤煙品種為云煙87?？緹煷筇镄芯?.2m,株距0.55m,密度15000plant/hm2,移栽時(shí)間均為每年5月5日左右,供試綠肥品種為黑麥草。2005年10月份煙葉采收結(jié)束后,在試驗(yàn)地撒播種植綠肥,2006年4月份進(jìn)行綠肥翻壓,同時(shí)測(cè)定鮮草平均含水率為87.38%,干草平均含碳量為38.26%,平均含氮量為1.03%,C/N為37.14。試驗(yàn)地全年降水多在1000mm以上,4至6月降水量占39%左右,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),立體氣候明顯,年平均氣溫15℃~18℃,無(wú)霜期240~285d。1.2翻壓綠肥及排列試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理:CK(對(duì)照),不翻壓綠肥,只施用化肥;T1,翻壓綠肥7500kg/hm2;T2,翻壓綠肥15000kg/hm2;T3,翻壓綠肥22500kg/hm2;T4,翻壓綠肥30000kg/hm2,每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)面積334m2,隨機(jī)區(qū)組排列。綠肥在移栽前20d左右翻壓。試驗(yàn)始于2005年,每年度各處理均在固定田塊上進(jìn)行,各處理配施化肥量均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量(表1)。1.3土壤酶活性測(cè)定連年翻壓綠肥后,每個(gè)處理于2009年煙株移栽30d(團(tuán)棵期)左右隨機(jī)選取煙壟上兩株煙正中位置(距煙株27.5cm處)0—20cm土層采集5個(gè)土樣,混勻,陰涼處風(fēng)干。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土壤酶活性及相關(guān)土壤肥力因子指標(biāo);每次取樣時(shí)測(cè)定土壤容重,計(jì)算孔隙度。土壤脲酶采用比色法,酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法,過氧化氫酶采用KMnO4滴定法,蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法,土壤全氮采用半微量凱氏定氮法,土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗顯色分光光度法,土壤速效鉀采用醋酸銨提取火焰光度法測(cè)定;土壤pH采用電位法;土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,利用容重?cái)?shù)據(jù)計(jì)算孔隙度。1.4處理數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPS6.55和Excel2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2結(jié)果與分析2.1綠肥翻壓對(duì)土壤酶活性和土壤肥力的影響根據(jù)綠肥的礦化腐解規(guī)律,綠肥中養(yǎng)分釋放主要集中在前6周,因此,煙株移栽后30d左右的土壤肥力指標(biāo)最能反映綠肥對(duì)植煙土壤培肥改良效應(yīng)。由表2和表3可以看出,翻壓綠肥處理均能明顯提高土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量,改善土壤的物理性狀,尤其是綠肥使用量在15000kg/hm2~30000kg/hm2(T2~T4)之間時(shí)對(duì)土壤酶活性和土壤肥力各項(xiàng)指標(biāo)的影響更加明顯,4種土壤酶活性隨著綠肥翻壓量的增加而增強(qiáng),土壤養(yǎng)分指標(biāo)則以翻壓量在15000kg/hm2~30000kg/hm2之間較好,翻壓綠肥后,土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶提高幅度分別為13.10%~23.81%、12.92%~29.38%、75.35%~234.51%、29.17%~37.08%;土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、孔隙度增幅分別為13.01%~70.41%、6.42%~27.52%、1.14%~10.99%、15.97%~34.99%、10.28%~38.30%、2.74%~7.05%、0.19%~2.50%,容重降幅為1.47%~5.15%。T2、T3、T4處理的土壤酶活性指標(biāo)和土壤肥力指標(biāo)與對(duì)照相比差異均顯著;T1(7500kg/hm2)處理除堿解氮、速效鉀、容重外,其余指標(biāo)與對(duì)照均差異顯著;同時(shí)可以看出,T1處理與其他處理相比,土壤各指標(biāo)相對(duì)較差,說明綠肥翻壓的量達(dá)到一定程度后對(duì)土壤酶活性和肥力的影響才能發(fā)揮出來。2.2土壤酶活性的相關(guān)分析和主成分分析土壤酶活性是全面反映土壤生物學(xué)肥力質(zhì)量變化的潛在指標(biāo),土壤肥力水平在很大程度上受制于土壤酶的影響,因此要探究土壤酶活性和土壤肥力因子之間的關(guān)系,有必要進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析、典型相關(guān)分析和主成分分析。2.2.1土壤酶活性與容重、其他肥力因子的關(guān)系由表4可以看出,脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶4種土壤酶之間均呈極顯著正相關(guān),同時(shí)4種酶與土壤肥力指標(biāo)均呈極顯著相關(guān)關(guān)系。其中,4種酶與容重呈極顯著負(fù)相關(guān),與其他肥力因子呈極顯著正相關(guān),說明4種酶在促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,改良土壤理化性狀方面發(fā)揮著重要作用。從表4還可以看出,同一種酶不僅對(duì)特定的土壤肥力因子有顯著相關(guān)性,而且對(duì)多種土壤養(yǎng)分因子均有極顯著的相關(guān)性,說明4種土壤酶不僅在促進(jìn)單一土壤養(yǎng)分因子轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著作用,而且均參與了其他土壤養(yǎng)分因子的轉(zhuǎn)化過程,共同影響著土壤的理化性狀。2.2.2土壤養(yǎng)分元素活性的相關(guān)分析典型相關(guān)分析(Canonicalcorrelationanalysis)是一種研究?jī)山M變量之間相關(guān)關(guān)系的多元分析方法,揭示兩組指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系,更深刻地反映兩組隨機(jī)變量之間的線性相關(guān)情況。根據(jù)不同綠肥翻壓量對(duì)土壤酶活性和土壤肥力因子的影響,本研究選擇脲酶(X1)、酸性磷酸酶(X2)、蔗糖酶(X3)、過氧化氫酶(X4)4個(gè)土壤酶活性指標(biāo)和土壤有機(jī)質(zhì)(Y1)、全氮(Y2)、堿解氮(Y3)、有效磷(Y4)、速效鉀(Y5)、pH(Y6)、容重(Y7)、孔隙度(Y8)8個(gè)土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)(表5),建立土壤酶活性典型變量(U)和土壤養(yǎng)分典型變量(V)的組合線性函數(shù)。由于只有第一對(duì)典型變量和第二對(duì)典型變量呈顯著相關(guān)(P<0.01)(表6),因此著重研究相關(guān)關(guān)系較大的第一對(duì)和第二對(duì)典型變量。第一對(duì)典型變量為:第二對(duì)典型變量為:由典型變量組合線性函數(shù)可以看出,第一對(duì)典型變量線性函數(shù)中,4種土壤酶之間呈正相關(guān)關(guān)系(系數(shù)均為負(fù),符號(hào)相同,因此為正相關(guān)),土壤綜合養(yǎng)分因子中土壤全氮和容重與其他養(yǎng)分因子呈負(fù)相關(guān)(土壤全氮和容重系數(shù)為正,其他因子符號(hào)為負(fù)),土壤酶活性與全氮和土壤容重呈負(fù)相關(guān),與其他肥力因子呈正相關(guān);第二對(duì)典型變量線性函數(shù)中,脲酶、過氧化氫酶與其他兩種酶呈負(fù)相關(guān),有效磷、pH與其他肥力因子呈負(fù)相關(guān)。從第二對(duì)線性函數(shù)還可以看出,土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是酸性磷酸酶和過氧化氫酶,土壤養(yǎng)分綜合因子中起主要作用的是有機(jī)質(zhì)和速效鉀。由表5可知,第一對(duì)和第二對(duì)典型變量的相關(guān)系數(shù)分別為0.9924、0.9770,卡方檢驗(yàn)結(jié)果表明第一對(duì)和第二對(duì)典型變量均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)(表6),第一土壤酶綜合因子中起主要作用的是脲酶(X1其特征向量為-0.4468,絕對(duì)值最大,因此影響也最大,下同),第一土壤養(yǎng)分綜合因子中起主要作用的是堿解氮(Y3)和有效磷(Y4),脲酶(X1)與堿解氮(Y3)和有效磷(Y4)均呈正相關(guān)關(guān)系(特征向量均為負(fù),因此為正相關(guān))。同樣,第二土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是酸性磷酸酶(X2)和過氧化氫酶(X4),第二土壤養(yǎng)分綜合因子中起主要作用的是有機(jī)質(zhì)(Y1)和有效磷(Y4)。2.2.3土壤肥力綜合評(píng)價(jià)主成分分析是一種采取降維,將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法。這些綜合指標(biāo)盡可能地反映了原來變量的信息量,而且彼此之間互不相關(guān)。為了進(jìn)一步探討土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系,對(duì)翻壓綠肥后土壤酶活性與土壤肥力因子進(jìn)行主成分分析,以便能篩選出產(chǎn)生影響的主要因子群。表7顯示,前兩個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為89.2856%(大于85%),根據(jù)主成分分析原理,當(dāng)累積方差貢獻(xiàn)率大于85%時(shí),即可用于近似反映系統(tǒng)全部的變異信息。因此前兩個(gè)主成分能完全反映土壤肥力系統(tǒng)的變異信息。兩個(gè)主成分中第一主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到81.1474%,在全部因子中占主導(dǎo)地位,是土壤肥力的最重要方面,故第一主成分代表了土壤各項(xiàng)指標(biāo)的大小,是反映“土壤肥力水平”的綜合指標(biāo)。因此,第一主成分可以近似地表示土壤的綜合肥力(表8)。用Y1表示土壤綜合肥力,用線性函數(shù)表示第一主成分,則土壤綜合肥力和土壤各因子之間的關(guān)系為:式中:X1代表脲酶,X2代表酸性磷酸酶,X3代表蔗糖酶,X4過氧化氫酶,X5土壤有機(jī)質(zhì),X6代表全氮,X7代表堿解氮,X8代表有效磷,X9代表速效鉀,X10代表pH,X11代表容重,X12代表孔隙度。除了土壤容重(X11)系數(shù)為負(fù)外,其余指標(biāo)的系數(shù)均為正,即容重與土壤酶和其他土壤肥力因子呈負(fù)相關(guān),這與簡(jiǎn)單相關(guān)分析和典型相關(guān)分析的結(jié)果相似。式中各變量(指標(biāo))的系數(shù)可以理解為各因子在土壤肥力系統(tǒng)所占的權(quán)重,第一主成分載荷越大,表明對(duì)土壤綜合肥力水平的貢獻(xiàn)越大。同樣,用Y2表示第二主成分與各因子的關(guān)系為:式中:X1代表脲酶,X2代表酸性磷酸酶,X3代表蔗糖酶,X4過氧化氫酶,X5土壤有機(jī)質(zhì),X6代表全氮,X7代表堿解氮,X8代表有效磷,X9代表速效鉀,X10代表pH,X11代表容重,X12代表孔隙度。第二主成分并不能代表土壤綜合養(yǎng)分信息,但第二主成分中,過氧化氫酶,有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、pH、容重、孔隙度均有相對(duì)較大的載荷,因而對(duì)第二主成分的影響也較大。第二主成分關(guān)系式還可反映出有機(jī)質(zhì)不斷分解減少時(shí),全氮、pH、容重將增加,速效鉀、孔隙度減少。因而第二主成分主要反映了土壤內(nèi)部生理生化過程的某些重要變化。3土壤肥力綜合因子與土壤酶活性的關(guān)系土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程的重要場(chǎng)所,土壤酶直接參與了土壤營(yíng)養(yǎng)元素的有效化過程,在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài),對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮平衡起著重要的作用。本研究結(jié)果表明,翻壓綠肥能夠明顯提高土壤酶活性和土壤肥力水平,當(dāng)翻壓量在15000kg/hm2以上時(shí),對(duì)土壤均有較好的培肥效果,綠肥作為一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料,與施用芝麻餅肥和菜籽餅肥等有機(jī)肥培肥植煙土壤的效果一樣,翻壓綠肥后可為微生物提供大量的有機(jī)碳源,促進(jìn)土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌3大類群微生物的總量成倍或成十幾倍的大幅度增加,而綠肥腐解過程也需要微生物的參與,同時(shí)其分解產(chǎn)生的養(yǎng)分能有效補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的散失,促進(jìn)煙株的旺盛生長(zhǎng)。本研究以煙株移栽后30d的土壤數(shù)據(jù)為依據(jù),根據(jù)綠肥翻壓時(shí)間和綠肥腐解規(guī)律,綠肥中大部分養(yǎng)分能夠在移栽后30d左右釋放,而此時(shí)煙株尚未進(jìn)入旺長(zhǎng)期,對(duì)養(yǎng)分吸收較少,根系分泌物也較少,因此,此時(shí)期的土壤酶活性和土壤肥力指標(biāo)更能近似地檢驗(yàn)綠肥的供肥能力。在本研究中,隨著綠肥翻壓量的增加,土壤酶活性有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì),土壤養(yǎng)分指標(biāo)則在綠肥翻壓量達(dá)到一定程度時(shí)效果較好。隨著翻壓量的逐步增大,土壤酶活性和土壤理化指標(biāo)的增加變緩,尤其土壤養(yǎng)分指標(biāo)還表現(xiàn)出降低的趨勢(shì),這可能與土壤微生物分解綠肥所需的碳源和氮源狀況有關(guān),當(dāng)有機(jī)物質(zhì)投入土壤后,增加了土壤的碳源和氮源,有機(jī)物質(zhì)分解本身能夠帶入土壤各種酶類,同時(shí)有機(jī)物質(zhì)促進(jìn)微生物繁殖,微生物活動(dòng)能夠產(chǎn)生大量土壤酶。但土壤養(yǎng)分的變化趨勢(shì)則說明翻壓綠肥必須注意量的控制,綠肥翻壓量在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)能夠快速分解并釋放土壤有效養(yǎng)分,而當(dāng)綠肥翻壓量較大時(shí),由于存在微生物和煙株?duì)帄Z土壤養(yǎng)分,尤其爭(zhēng)奪土壤氮源的矛盾,反而會(huì)抑制綠肥分解和土壤養(yǎng)分釋放,因此綠肥腐解和土壤養(yǎng)分釋放存在著隨微生物數(shù)量及其活動(dòng)、以及土壤碳源和氮源變化既促進(jìn)又抑制的作用,這可能是當(dāng)綠肥翻壓量增加到30000kg/hm2(T4處理)時(shí),土壤酶活性增加趨勢(shì)變緩和部分土壤肥力指標(biāo)反而變差的原因。本研究通過簡(jiǎn)單相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),4種土壤酶之間以及土壤酶與土壤肥力因子之間存在有極顯著的相關(guān)關(guān)系。不同土壤酶在土壤中的作用不僅表現(xiàn)在其專性作用上,而且還表現(xiàn)在共性作用上,相關(guān)系數(shù)的大小反映不同酶的專性作用或共性作用的大小,因而對(duì)土壤理化因子的影響也不同。而典型相關(guān)分析結(jié)果表明,第一對(duì)典型變量線性函數(shù)基本上反映了土壤酶和土壤養(yǎng)分因子之間的關(guān)系,較為真實(shí)地反映了土壤酶活性綜合因子和土壤養(yǎng)分綜合因子對(duì)土壤肥力水平的影響,這與簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果相似,但第二對(duì)典型變量線性函數(shù)反映的結(jié)果和簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果差異較大,它反映土壤酶活性綜合因子和土壤養(yǎng)分綜合因子之間的變異信息,說明典型相關(guān)分析比簡(jiǎn)單相關(guān)分析在更深層面上反映出了土壤酶和土壤養(yǎng)分因子之間的關(guān)系。而簡(jiǎn)單相關(guān)和典型相關(guān)的差異可能是由于在多個(gè)變量的系統(tǒng)中,任意兩個(gè)變量的線性相關(guān)關(guān)系都會(huì)受到其它變量的影響,因此,無(wú)論是簡(jiǎn)單相關(guān)還是復(fù)相關(guān),都只是孤立考慮單個(gè)變量之間的相關(guān),沒有考慮變量組內(nèi)部各變量間的相關(guān)。但無(wú)論從簡(jiǎn)單相關(guān)還是典型相關(guān)分析都可以看出,土壤酶在促進(jìn)土壤中碳、氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素的轉(zhuǎn)化,促進(jìn)土壤中碳源、氮源、多糖類、有機(jī)物質(zhì)等的轉(zhuǎn)化中并不是孤