Effects of Soil Straw Mulching and Cultivation on Enzymes and Nutrients in Phyllostachys edulis Plantation Soil

试验地位于浙江省台州市黄岩区平田乡，地理位置为120°17′~121°56′E，28°01′~29°20′N，为中亚热带季风气候区。年均气温17℃，年均降水量为1 632 mm，土壤为微酸性红壤，该地区地带性植被为常绿-落叶阔叶混交林。

试验地毛竹林为笋竹两用林分(立竹密度为2 700株·hm^-2)，经营管理较粗放，每2 a割除林下灌木和杂草1次，林地不翻耕、不施肥，土层厚度大于80 cm。2013年11月稻草覆盖前，在林内设置15个试验样地(面积大小均为10 m ×10 m)，其地形、坡度、土壤等条件大体一致。连续覆盖翻耕样地、连续覆盖不翻耕样地、对照样地各5块。2013年11月和2014年11月进行2次覆盖，新竹数量受覆盖影响明显，因此毛竹林连续覆盖2次后，一般不再进行覆盖。覆盖物均为稻草、猪粪和砻糠，稻草覆盖量为15 t·hm^-2。稻草覆盖试验过程为：地表稻草覆盖前，将设立的样地浇湿(覆盖样地和对照浇水量大体一致)；然后林地地表均匀覆盖一层稻草，用量为7.5 t·hm^-2，为有利于稻草发酵和腐烂，再均匀地在稻草上撒施猪粪(30 t·hm^-2)，将余下的稻草均匀地覆盖在猪粪上，浇透水；最后将砻糠(10 t·hm^-2，对发酵层起到保温作用)覆盖在浇水后的稻草上，砻糠厚度约为10 cm；覆盖后来年5月份，林地出笋结束后，将砻糠移出林外，其中5块样地翻耕1次(深度为20 cm)，另外5块样地不进行翻耕处理。

2015年9月，调查各处理样地的毛竹数量，测量毛竹胸径，样地基本情况参见表 1。于每一个调查样地内，采用“S”形分别布设5个采样点，剔除竹林地表枯枝落叶层等，采用土钻(5 cm内径)，每10 cm采集土样1份，且同1个层次标准样地土样充分混合，同时剔除土样中杂质，土壤样品分为两部分带回：一部分鲜样用于土壤多酚氧化酶、过氧化物酶的测定，一部分土壤样品自然风干后，过2 mm和0.15 mm筛，用于土壤脲酶、蔗糖酶的测定和土壤养分元素含量的测定。

土壤酶活性的测定参照关松荫^[15]的方法，土壤多酚氧化酶活性测定采用比色法，酶活性以2 h后1 g土壤中紫色没食子素的毫克数表示；土壤过氧化物酶活性测定采用容量法，酶活性以2 h后1 g土壤消耗0.005 mol·L^-1 I2标准液的毫升数表示；土壤蔗糖酶测定采用3, 5-二硝基水杨酸比色法，酶活性以24 h后1 g土壤生成的葡萄糖毫克数表示；土壤脲酶测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，酶活性以24 h后1 g土壤中的NH4⁺-N毫克数表示。土壤养分测定采用常规方法^[16]：土壤总有机碳测定采用重铬酸钾外加热法，凯氏定氮法测定土壤全氮，碱解扩散法测定土壤水解氮，乙酸浸提-原子吸收光谱法测定土壤速效钾，碳酸氢钠法测定土壤有效磷。

采用Excel 2007和SPSS 16.0软件进行数据处理，不同处理各土层的土壤酶、土壤养分含量的差异分析采用单因素方差分析(oneway ANOVA)和最小显著差异法(LSD)，采用Pearson相关分析方法比较土壤酶与土壤养分元素间的相关性。

毛竹林稻草覆盖后，覆盖样地土壤多酚氧化酶活性均低于对照样地，且在0~20 cm土层差异达到显著水平。0~10、10~20、20~30 cm土层，覆盖2年翻耕样地土壤多酚氧化酶活性较对照分别减少17.2%、20.8%、17.3%；0~10、10~20、20~30 cm土层，覆盖2年未翻耕样地土壤多酚氧化酶活性较对照分别减少23.5%、9.5%、13.1%。30~50 cm土层，土壤多酚氧化酶活性受到覆盖处理的影响较小，差异不显著(表 2)。

0~10 cm土层土壤过氧化物酶活性，对照样地均高于覆盖样地。覆盖2年翻耕样地各土层土壤过氧化物酶活性均低于对照样地，且随着土层深度的增加土壤过氧化物酶活性逐渐降低。覆盖2年未翻耕样地土壤过氧化物酶活性在10~20 cm土层最高，随着土层厚度的增加而逐渐下降。土壤过氧化物酶活性在20~50 cm土层中，覆盖与未覆盖处理差异较小，表明地表稻草覆盖对深层土壤的土壤过氧化物酶活性影响较小(表 2)。

地表稻草覆盖处理后，土壤脲酶活性快速增加，且在0~30 cm土层差异显著。覆盖2年翻耕样地土壤脲酶活性10~20 cm土层较0~10 cm土层高，较覆盖2年未翻耕样地10~20 cm土层土壤脲酶活性也高。随着土层厚度的增加，土壤脲酶活性下降(表 2)。

土壤蔗糖酶活性在0~20 cm土层受覆盖处理影响较大，而20~50 cm土层土壤蔗糖酶活性与对照样地相比差异未达到显著水平。0~10、10~20 cm土层，覆盖样地与对照样地间、不同覆盖处理间土壤蔗糖酶活性的差异达到显著水平。0~10 cm土层，覆盖2年未翻耕样地土壤蔗糖酶活性较覆盖翻耕样地和对照样地分别增加46.6%、193.4%；10~20 cm土层，覆盖2年翻耕样地土壤蔗糖酶活性最大，分别较覆盖未翻耕样地和对照样地增加25.4%、285.6%(表 2)。

与对照样地相比，毛竹林地表覆盖翻耕和未翻耕均明显地增加浅层土壤的全氮含量。与对照样地相比，覆盖未翻耕样地0~10 cm土层土壤全氮含量增加61.7%；而覆盖翻耕样地10~20 cm土层土壤全氮含量增加1.91 g·kg^-1。3种处理下，土壤全氮含量在0~20 cm土层差异均显著；在20~30 cm土层，覆盖翻耕与对照处理，覆盖翻耕与覆盖未翻耕处理间差异显著(表 3)。

地表稻草覆盖处理后，土壤水解性氮含量有所增加。覆盖2年翻耕样地0~50 cm土层土壤水解性氮含量较对照样地分别增加18.4%、101.1%、28.2%、14.4%和48.6%；覆盖2年未翻耕样地和覆盖2年翻耕样地10~20、20~30 cm土层间的土壤水解性氮含量差异显著，而其它土层差异不显著(表 3)。

南方山地丘陵红壤磷元素普遍缺乏，因此覆盖物腐烂和分解后，土壤有效磷含量得到明显的提升。覆盖2年翻耕和覆盖2年未翻耕样地0~50 cm土层土壤有效磷含量较对照样地增加幅度分别为31.8%464.2%和35.59%453.15%，且0~30 cm土层增加幅度较高，差异均达到显著水平，而30~50 cm土层差异不显著；覆盖2年翻耕和覆盖2年未翻耕样地间各土层土壤有效磷含量差异均不显著(表 3)。

土壤速效钾含量的变化趋势和有效磷含量变化趋势基本上一致，覆盖2年翻耕和覆盖2年未翻耕样地0~50 cm土层土壤速效钾含量较对照增加幅度为21.3%221.9%和11.4%152.5%，且0~30 cm土层增加幅度较高，差异均达到显著水平，而30~50 cm土层差异不显著；覆盖2年翻耕和覆盖2年未翻耕样地间各土层土壤速效钾含量差异均不显著(表 3)。

从表 4可以看出，土壤养分各指标与土壤脲酶和土壤蔗糖酶间均有极显著的正相关关系(p＜0.01)，而土壤多酚氧化酶活性与土壤养分间存在负相关，但只有土壤多酚氧化酶活性与土壤有效磷、速效钾间相关性达到显著水平(p＜0.05)；土壤过氧化物酶与土壤全氮、水解性氮和土壤有效磷、速效钾间的相关性未达显著水平(p> 0.05)，但与土壤有机质相关性达到极显著水平(p＜0.01)。

土壤多酚氧化酶、过氧化物酶都属于氧化还原酶。与对照样地相比，毛竹林地表 2种覆盖处理多酚氧化酶和过氧化物酶活性均表现减少的趋势，这是因为土壤多酚氧化酶、过氧化物酶和土壤腐殖质化程度相关，地表覆盖物的分解和覆盖物上浇淋的猪粪增加了表层土壤腐殖质含量^[17]，因此覆盖后土壤多酚氧化酶、过氧化物酶的活性受到抑制^[18]，从而导致覆盖后土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性下降。然而，秸秆覆盖的保温作用，又可能反过来提高土壤酶的活性。覆盖2年未翻耕样地，随着土层深度的增加，土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性表现为先增加后下降的趋势，10~20 cm土层土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性均高于0~10 cm土层多酚氧化酶和过氧化物酶活性，表明在0~10 cm土层腐殖质含量对土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性起决定性作用，而在10~20 cm及以下土层，稻草的保温作用对酶活性起重要作用。覆盖翻耕处理后，表层土壤翻被置换到下层，使酶活性呈现随土层的深度的增加逐渐降低的趋势，这和杨招弟等^[19]研究结果基本上一致：与覆盖翻耕措施相比，未翻耕措施可以提高10~20 cm土层土壤多酚氧化酶的活性。陈娟等^[20]研究结果表明：覆盖未翻耕能够增加土壤中氧化还原酶(如多酚氧化酶)的活性；张英英等^[21]研究结果同样也表明：10~20 cm土层中，未翻耕的土壤过氧化物酶活性较翻耕处理高，翻耕与未翻耕处理间酶活性差异不显著。由于深层土壤受翻耕和覆盖的影响较小，因此和对照样地相比，土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性差异不明显。

土壤脲酶和蔗糖酶都属于水解性酶，由于土壤脲酶可催化土壤中的尿素水解为铵离子^[22]，因此土壤脲酶可以用来评价土壤中氮元素含量水平。本研究表明，毛竹林地表稻草覆盖处理明显促进土壤脲酶活性，且翻耕处理要高于未翻耕处理(0~10 cm土层除外)活性。稻草覆盖后，覆盖物的腐烂和分解，使得土壤积累的腐殖质增加，提高了土壤有机质含量，导致土壤微生物生长旺盛，增加了土壤脲酶的活性^[23]。土壤蔗糖酶活性和土壤有机质含量间的相关程度较高，土壤蔗糖酶活性的提高有利于增加土壤有机碳含量^[21]，因此土壤蔗糖酶活性的高低同样可以用来衡量土壤肥力的高低。本研究表明，不同耕作措施处理下，土壤蔗糖酶活性和土壤脲酶活性相类似，地表稻草覆盖处理后，由于与覆盖物接触，蔗糖酶的活性得到提高；翻耕处理后，下层土壤和覆盖物接触的表层土壤置换，覆盖物也随之翻到下层土壤，提高了土壤蔗糖酶的活性，因此10~20 cm土层土壤蔗糖酶酶活性最高，本研究结果和罗珠珠等^[24]、张向前等^[25]研究结果相似。白银萍等^[26]研究结果表明：不同耕作措施处理下，土壤脲酶的活性变化较小，差异没有达到显著水平，但蔗糖酶的活性则明显提高。

覆盖和耕作措施可以直接和有效地改善土壤的理化性质^[27]，研究表明，地表秸秆覆盖能够改善土壤的水热状况，改良土壤^[28-29]，从而提升土壤微生物活性，促进覆盖物养分的分解和释放，因此土壤有机质的含量得到提升^[30]。毛竹林地表稻草覆盖后，耕作方式的差异会对土壤养分含量变化有一定的影响，不同耕作处理表层土壤养分含量有明显的差异：与对照处理相比，地表稻草覆盖后，土壤全氮、水解性氮、有效磷和速效钾的含量显著增加；由于免耕减少了土壤的扰动，从而增加了土壤表层的秸秆残茬，而表土层的翻耕使秸秆残茬与土壤充分混合，因而改变了土壤养分的分配状况，因此未翻耕处理表土层(0~10 cm)土壤养分含量高于翻耕处理和对照处理；在10~20 cm土层，翻耕处理的养分元素含量高于对照处理和未翻耕处理。由于翻耕处理疏松了土壤，同时将秸秆腐烂物置换到下层土壤，覆盖物腐烂分解后，土壤养分就积累在土壤中，因此翻耕处理土壤养分含量总体上高于未翻耕处理。研究表明：秸秆还田使得土壤中的速效钾和有效磷等土壤养分含量明显增加^[31]，这也和潘雅文等^[32]研究结果相类似。秸秆覆盖还田后，可以增加土壤中全氮、有效磷、速效钾等养分元素含量，且随着耕作年限的延长，其含量呈现升高的趋势，3种处理下，耕作层土壤养分含量和秸秆还田关系更为密切^[33]，由于深层土壤与覆盖物接触较小，受到覆盖物分解的影响较小，土壤中养分元素的含量变幅较小，因此全氮、水解性氮、有效磷、速效钾等养分元素含量在深层土壤中变化不明显。

研究表明，土壤酶的活性影响着土壤肥力水平，土壤肥力与土壤酶活性间有着非常密切的相关性^[34]。本研究表明，毛竹林地表覆盖翻耕后，土壤养分元素和土壤酶之间存在不同的相关性，其中土壤多酚氧化酶、土壤养分元素表现出负相关关系，这与很多研究结论一致；刘秀清等^[35]、陈光升等^[36]研究结果也表明，土壤多酚氧化酶活性和土壤全氮、土壤有机质存在显著的负相关关系，王启兰等^[37]、葛晓改等^[38]研究结果也类似。毛竹林地表覆盖翻耕后，土壤过氧化物酶和土壤有机质、有效磷间也存在着负相关关系，与其它土壤养分间相关关系不显著，这和高彦波等^[39]、葛晓改等^[38]研究结果基本一致，土壤多酚氧化酶、过氧化物酶都属于氧化还原酶类，它们的活性随着土壤中腐殖质含量的增加而降低，所以土壤多酚氧化酶和土壤养分间存在着负相关性关系，土壤过氧化物酶和土壤养分元素相关性较差。土壤脲酶、蔗糖酶与土壤养分间则存在极显著正相关关系，土壤脲酶和蔗糖酶的活性和土壤有机质、土壤全氮、水解性氮、有效磷和速效钾间显著相关，研究结果和黄容等^[40]、葛晓改等^[38]的研究结果一致。

研究表明，地表覆盖处理对毛竹林地土壤酶活性和土壤养分含量有显著影响，土壤酶和土壤养分以及它们间的相关性可以很好的表征土壤的肥力，短期内地表覆盖可以显著改善毛竹林的土壤肥力水平，而覆盖后土壤翻耕措施较利于增加土壤肥力水平，但毛竹林地表稻草覆盖翻耕后土壤养分元素和土壤酶长期条件下如何变化，还有待进一步的研究。