论文部分内容阅读
黄土高原地区是我国苹果的主要产区之一。然而,天然因素和长期不合理的土地利用方式,使得黄土高原地区土壤质量日趋下降,大大制约了当地苹果的生产。因此,如何改善黄土高原地区土壤质量以提高苹果产量成为了亟需解决的关键问题。已有研究证明苹果园区土壤覆盖是解决园区土壤质量下降,提高苹果产量有效的方式之一。目前,苹果园不同的覆盖措施是如何影响土壤养分循环的稳定性的机理尚不清楚,制约着人们对农业生态系统中保护性耕作方式的认识。本研究以黄土高原地区苹果园土壤生态系统为研究对象,以清耕处理CT为对照,研究土壤生态系统中碳氮磷组分、土壤酶动力、土壤元素循环功能基因对不同种类覆盖措施(黑麦草生草RE、玉米秸秆CS、黑色地布BF),不同年限生草覆盖(6年白三叶生草6a WC、15年白三叶生草15a WC、),不同草种生草覆盖(白三叶生草WC、鸭茅生草OG、小冠花生草CV)的响应。结果表明:(1)生草覆盖对提高土壤碳氮磷养分的稳定性要优于其他覆盖措施,且随着生草覆盖年限的增加稳定性更强。果园覆盖措施均能显著提升土壤养分含量。不同种类覆盖措施中,CS提升土壤碳氮磷养分含量的效果最佳,CS较CT增加了SOC191%、TN91%、TP270%。RE、CS、BF下有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量都远高于CT处理。生草覆盖措施提升土壤营养元素质量的效果最好,生草覆盖措施下土壤稳定性碳氮的占比更高(稳定性碳84%;稳定性氮86.4%),有利于提高碳氮养分的稳定性。CS和BF下稳定性磷组分占比更高,磷的稳定性更高。不同生草覆盖草种中,WC提高了土壤碳氮养分的稳定性,增加了稳定性碳氮组分的占比(稳定性碳85%;稳定性氮90%);OG和CV更有利于提高稳定性磷组分的占比(92.7%;92.9%)。长期生草覆盖比短期生草覆盖下土壤养分含量更高,15a WC较6a WC提高SOC、TN含量26.9%、33.6%,且土壤碳氮磷养分的稳定性随着生草年限的增加而增加。CS更有利于土壤养分含量的提升,长期生草覆盖措施在提升土壤养分含量的同时还能够提升土壤养分质量,增加养分的稳定性。(2)玉米秸秆、黑麦草生草覆盖和长期生草覆盖更有利于提高土壤酶系统的活性,黑色地布和短期生草覆盖下酶系统的稳定性更高。半饱和常数的温度敏感性(Km-Q10)在各地被措施下差异不大,最大酶促反应速率的温度敏感性(Vmax-Q10)是影响土壤酶系统温度敏感性的主要因素。不同种类覆盖措施中,RE和CS提高了土壤β-葡萄糖苷酶(BG)、N-乙酰氨基-β-葡萄糖苷酶(NAG)、碱性磷酸酶(ALP)的最大酶促反应速率(Vmax)和催化效率(Kcat),提高土壤酶系统分解底物的能力和利用底物的效率;BF通过降低Vmax和Kcat的策略使得酶系统的温度敏感性更低,酶系统更稳定。不同生草覆盖中,豆科植物CV覆盖对Vmax的提升效果最好,在酶促反应最适温度25℃下CV的Vmax均为最高,且较CT显著提高。三种生草覆盖均提高了三种酶的Kcat。其中,CV覆盖下BG、NAG的Kcat最高,OG覆盖下ALP的Kcat最高。三种生草覆盖中,WC下三种酶的Vmax-Q10最低,其酶系统最稳定。长期生草覆盖15a WC较短期生草覆盖6a WC提高了三种酶的Vmax和Kcat,6a WC较15a WC降低了Vmax-Q10,提高了酶系统的稳定性。短期WC下和无机覆盖BF下土壤的温度敏感性更低,土壤酶系统更稳定;长期生草覆盖和秸秆覆盖下酶系统分解底物的能力和利用底物的效率更高;CV提升Vmax和Kcat的效果最好。(3)覆盖措施对土壤元素循环相关功能基因丰度影响不一。总体来看,土壤微生物群落中功能基因为碳循环>氮循环>磷循环。不同种类覆盖措施中,生草覆盖RE提升土壤元素循环功能基因丰度效果最好。在功能亚类水平上,生草覆盖能够提高固碳、固氮功能基因的丰度,因此起到改善养分质量的效果。各覆盖措施中总体趋势均为:15年生草覆盖措施能够提高有机碳分解功能基因丰度,CS、BF降低土壤有机碳分解功能基因丰度,短期生草覆盖措施对有机碳分解功能影响不大。因此,CS、BF下有机碳积累量更高。三种生草覆盖中,CV提高氮循环功能基因丰度效果最好,OG提高碳循环和磷循环功能基因丰度效果最好,CV提高碳氮磷循环相关基因功能群落的多样性效果最好。短期生草覆盖降低功能基因的丰度但提高了基因功能群落的多样性和均匀度,长期生草覆盖提高功能基因的丰度但降低了基因功能群落的多样性和均匀度。生草年限对碳氮磷循环功能基因丰度影响不大,且功能基因丰度均为长期生草覆盖下大于短期生草覆盖下。15年生草覆盖措施改善苹果园土壤功能群落效果最好,且生草覆盖草种不同对功能群落的影响也不同,建议果园生产中采取多年生草覆盖措施。综上所述,玉米秸秆覆盖是提升土壤养分含量最有效的覆盖措施,而生草覆盖是兼顾增加养分含量和提高养分质量的覆盖措施。且长期生草覆盖对提高养分质量和提高土壤酶系统利用养分的能力效果更佳。各营养元素组分的提升效果因生草覆盖草种而异。因此,建议今后的生产活动中根据对养分的实际需求选择合适的生草覆盖草种进行长期覆盖耕作。