避雨栽培通过覆盖顶膜减少果实与雨水的接触， 从而阻断发病诱因^[1]，可极大地减少我国南方地区因夏季高温多雨引起的葡萄病害严重问题，该项措施已广泛应用于我国南方鲜食葡萄生产中。农田地表覆盖技术是一项重要的土壤管理技术，相关领域的学者普遍认为覆膜和秸秆覆盖在改善土壤水热状况、活化土壤养分、提高产量方面作用显著^[2-3]。 土壤酶、土壤微生物数量及其代谢等指标对环境变化较为敏感，并具有较好的时效性，因此被作为评价土壤质量的重要生物活性指标^[4]。前人研究表明，地膜和秸秆覆盖均可增强土壤酶综合活性、微生物总量及微生物量碳，但对特定酶活性和微生物数量影响的研究结果有差异^[5-9]；秸秆覆盖可增强土壤呼吸强度^[10-11]，而地膜覆盖对土壤呼吸强度的影响因研究对象、地理环境及人为干扰的不同而不同^[5，12]。

地布是近年来逐渐兴起的一种编制而成的布状材料，其透气透水性较地膜好，主要用于温室地面防草、排水、保持地面清洁，目前关于地布覆盖对果园土壤酶及微生物影响的研究较少，而针对反光膜覆盖的研究主要集中于地上部分，另外，农田地表覆盖技术研究多在露天环境进行，对设施大棚内地表覆盖下土壤生物活性特征的报道较少。因此， 本研究通过田间试验综合比较了避雨葡萄园中秸秆、地布、透明地膜及反光膜覆盖下土壤酶活性、 微生物数量、微生物量碳、土壤基础呼吸强度、有机碳及微生物熵、微生物代谢熵等的变化，以了解避雨大棚内秸秆、地布、透明地膜及反光膜覆盖下土壤生物活性特征，评价不同覆盖模式下的土壤质量，为避雨葡萄园覆盖模式的选择提供理论和实践参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在四川省成都市同安镇现代葡萄科技示范园（N 30°61′，E 104°32′）内进行，平均气温16.5℃，年平均日照1032.9 h，年降水量平均为895.6 mm。试验土壤为褐土，覆盖前0 ～ 40 cm土层土壤有机质含量为23.3 g·kg^-1，硝态氮为19.43 mg·kg^-1， 有效磷为23.56 mg·kg^-1， 速效钾为118.77 mg·kg^-1，pH值为6.75，土壤容重为1.65 g·cm^-3。供试葡萄品种为‘夏黑’（Summer black），树龄4 年，南北行向栽植，株行距3 m×6 m，H型架。供试避雨大棚为覆盖天膜，四面不覆膜，葡萄园采用滴灌，实行水肥一体化，试验时间为2017 年11 月至2018 年9 月。

1.2 试验设计

试验设置秸秆覆盖（SM）、地布覆盖（CM）、 透明地膜覆盖（WM）、反光膜覆盖（RM）处理， 以地表裸露作为对照（NM）。每行20 株葡萄树为一个试验小区，重复3 次，完全随机排列。秸秆覆盖为水稻秸秆，秸秆切成5 ～ 10 cm碎段覆盖于葡萄行间，厚度为15 cm，大约13500 kg·hm^-2；地布覆盖选用90 g·m^-2 的聚丙烯黑色地布；透明地膜和反光膜覆盖均选用厚度为1.2 丝（0.012 mm） 的聚乙烯地膜，反光膜为银黑双色地膜。

1.3 样品采集

于葡萄主要生育期3 ～ 9月每月中旬采集土样，每个小区内在葡萄根系主要分布区—离主干40 cm左右的范围处按S形布设5 个点，采集0 ～ 40 cm土壤样品，过2 mm筛后分成3 份，一份风干后室温下保存，用于测定土壤酶活性；一份置于4℃ 冰箱内保存，用于测定土壤微生物数量、微生物量碳和土壤呼吸强度；一份风干保存，用于测定土壤有机碳，每份土壤样品在测定时设3 次重复。

1.4 测定方法

土壤酶活性的测定参照关松荫^[13]的方法。蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定容量法；脲酶活性采用苯酚钠比色法；蛋白酶活性采用茚三酮比色法。采用加权求和法计算土壤酶指数^[14]。

土壤微生物数量采用稀释平板法测定^[15]，其中，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌用加入孟加拉红的马铃薯葡萄糖培养基，放线菌用高氏一号培养基，分别测定土壤细菌、真菌、放线菌数量。

土壤总有机碳采用外加热-重铬酸钾氧化法测定^[16]，氧化校正系数1.1；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-K₂SO₄ 提取法（FE）测定，转换系数为0.45^[17]；土壤呼吸强度采用碱液吸收滴定法测定^[18]。土壤微生物熵=土壤微生物量碳/土壤总有机碳，土壤微生物代谢熵=土壤呼吸强度/土壤微生物量碳^[19]。

1.5 数据处理

使用Excel 2010 对数据进行初步处理，采用SPSS 19.0 软件进行方差分析、Person相关性分析、 主成分分析，其中方差分析选用Duncan多重比较确定数据间的差异，显著水平为 α=0.05，相关性分析结果导入Cytoscape 3.6.1 中构建相互作用网络图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖材料对土壤酶的影响

2.1.1 平均酶活性

表1 中各土壤酶活性为3 ～ 9 月的平均值。 SM和CM处理的蔗糖酶活性显著高于NM，分别较NM提高24.32%、13.44%， 而WM和RM处理的蔗糖酶活性与对照之间差异不显著；SM、CM、WM和RM处理的酸性磷酸酶活性依次显著高于对照38.46%、16.57%、14.81%、13.90%；SM和WM处理的过氧化氢酶活性分别较对照显著提高35.92%、 10.90%，CM、RM处理与对照之间无显著性差异； SM处理的脲酶活性较对照显著增加27.59%，其余处理的脲酶活性与对照无明显差异；SM、CM、WM处理的蛋白酶活性依次较对照显著增加37.87%、 22.01%、19.98%，RM和NM处理差异不显著。SM处理的5 个土壤酶活性均高于其余处理。

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.1.2 土壤酶指数

土壤酶种类繁多，作用各异，为了克服单一酶指标在反映土壤性质方面的局限，本研究采用土壤酶指数反映各酶因子的综合作用^[20]。 图1中土壤酶指数为3～ 9月土壤酶指数平均值，就葡萄整个生育期而言，土壤酶指数表现为SM>CM>WM>RM>NM， 分别较NM增加81.26%、 27.91%、25.75%、14.55%，其中SM、CM和WM处理的土壤酶指数显著高于对照（NM），而RM处理与NM无显著差异。

注：图柱上不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

2.1.3 土壤酶活性季节变异系数

图2 为不同覆盖处理各土壤酶活性3 ～ 9 月的季节变异系数，不同覆盖处理的脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性变异系数大小不一，但均显著高于蔗糖酶和过氧化氢酶活性变异系数，除WM处理的过氧化氢酶和蔗糖酶活性变异系数差异不显著外，其余处理的过氧化氢酶变异系数均显著低于蔗糖酶； 而WM处理的土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶及酸性磷酸酶活性变异系数低于其余处理，而过氧化氢酶活性变异系数较高。

2.2 不同覆盖材料对土壤微生物特征的影响

2.2.1 微生物数量

表2 为各处理3 ～ 9 月微生物数量的平均值。 各覆盖处理均能显著提高土壤细菌及真菌数量，表现为SM>CM>WM>RM>NM， 细菌数量依次显著高于对照18.07%、12.72%、10.90%、9.50%，真菌数量依次显著高于对照58.81%、30.35%、29.52%、 10.56%。SM处理的放线菌数量和对照无显著性差异，其余处理均显著低于对照。就微生物总数而言，各覆盖处理的微生物总数均显著高于对照，表现为SM>CM>WM>RM，依次显著高于对照20.27%、 14.53%、12.61%、10.99%。

注：图柱上不同字母表示同一处理不同酶之间差异显著（P<0.05）。

2.2.2 土壤有机碳、微生物量碳、微生物熵、呼吸强度及微生物代谢熵

表3 中土壤有机碳含量为9 月所测，其余数据为3 ～ 9 月的平均值。9 月SM处理的土壤有机碳含量显著高于对照18.76%，WM和CM处理分别较对照显著降低5.05%、7.15%，RM处理与对照间无明显差异。各覆盖处理微生物量碳含量及微生物熵均显著高于对照，表现为SM>CM>WM>RM>NM， 微生物量碳含量分别较对照显著提高51.43%、 27.40%、26.90%、17.51%，微生物熵含量依次较对照显著增加40.38%、32.96%、30.15%、19.39%。 SM和CM处理的土壤呼吸强度较NM（CK）分别显著提高13.52%、5.74%，WM和RM覆盖处理的土壤呼吸强度依次显著低于对照6.78%和7.27%。 4 个覆盖处理均显著降低了土壤微生物代谢熵，表现为WM< SM<RM<CM<NM，分别较NM（CK）降低25.96%、22.51%、16.28%和12.59%。

2.3 土壤生物活性因子的主成分分析

2.3.1 各处理土壤生物活性水平综合得分

对14 个土壤生物活性指标3 ～ 9 月的数据进行主成分分析。本试验14 个土壤生物活性因子KMO检验值为0.655，Sig< 0.0001，可作因子分析^[20]。如表4 所示，本研究所选取的3 个公因子

的累积贡献率达到了86.650%，能较好地解释原有变量所包含的信息。

将因子载荷转化为规格化特征向量后，可以得到反映土壤生物活性水平的3 个主成分表达式：

式中，$F{S}_1$、$F{S}_2$、$F{S}_3$ 分别表示第1、第2、第3 主成分的因子得分，各系数代表各相应因子的成分得分系数；x₁、x₂、…、x₁₄ 分别代表脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、细菌、真菌、放线菌、有机碳、微生物生物量碳、呼吸强度、微生物熵、微生物代谢熵和土壤酶指数的原始数据标准化后特征值。将因子得分以方差贡献率为权数进行加权求和，得到不同覆盖处理下反映土壤生物活性的综合得分（表5）。各处理土壤生物活性综合得分结果为：秸秆覆盖> 地布覆盖> 透明地膜覆盖> 反光膜覆盖> 地表裸露对照。

2.3.214 个土壤生物活性指标权重

通过各土壤生物活性变量在每个主成分中所占的比重计算出分权重，再根据各主成分贡献率在前3 个累积贡献率的比重最后计算出每个土壤生物活性指标的总权重系数（表6）。结果表明，14 个土壤生物活性指标权重由大到小为：微生物代谢熵、 蔗糖酶、土壤酶指数、微生物熵、呼吸强度、微生物量碳、酸性磷酸酶、脲酶、细菌、真菌、放线菌、蛋白酶、有机碳、过氧化氢酶。

2.414 个土壤生物活性指标相关性分析

为探究14 个土壤生物活性指标之间的关系， 根据不同指标间的Person系数构建了相互作用网络图（图3），14 个指标通过16 个极显著（P< 0.01， 实线）和20 个显著（P< 0.05，虚线）正相关关系构成。如图所示，蛋白酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶与过氧化氢酶活性彼此相关，而脲酶活性仅与过氧化氢酶活性相关，与其他土壤酶活性不相关，真菌和细菌数量相关，放线菌数量与其余13 个指标均无显著相关性，细菌数量与除脲酶、过氧化氢酶活性以外的3 个酶活性相关，真菌数量与除脲酶以外的4 个酶活性相关；有机碳和呼吸强度仅与脲酶活性相关；微生物量碳与除脲酶以外的4 个土壤酶活性及细菌、真菌数量相关，微生物熵与蛋白酶、蔗糖酶、真菌数量相关，土壤酶指数与5 个土壤酶活性及细菌、真菌数量相关，微生物量碳还与微生物熵和土壤酶指数相关，微生物代谢熵仅与微生物熵相关。

3 讨论

3.1 不同覆盖材料对土壤微生物数量及土壤酶活性的影响

细菌、真菌和放线菌是土壤微生物的大类群， 构成土壤微生物的主要生物量，它们的区系组成和数量变化常能反映出土壤生物活性水平。本研究中，葡萄避雨设施栽培园中土壤微生物区系组成均以细菌为主，占微生物总量97.49%～ 97.97%，真菌数量占微生物总量的1.28%～ 1.72%，放线菌数量所占比例最低，在1%以下（0.71%～ 0.99%）， 一些研究中土壤真菌数量高于放线菌^[21]，而有些研究中土壤放线菌数量高于真菌^[22-23]，这可能是土壤酸碱性不同造成的，真菌的最适pH值为3 ～ 6，放线菌的最适pH值为7 ～ 8，本研究中葡萄园土壤偏酸，故真菌数量高于放线菌数量。

本试验结果表明不同覆盖处理均可不同程度地提高土壤细菌、真菌数量，除秸秆覆盖处理外，均可显著降低土壤放线菌数量，其中反光膜和透明地膜覆盖处理放线菌数量最低，而放线菌对土壤含水量较敏感^[24]，地表覆盖处理增加了土壤含水量，从而限制了放线菌繁殖，地膜覆盖下土壤含水量高于秸秆和地布覆盖^[3]，故反光膜和透明地膜覆盖处理土壤放线菌数量低于秸秆和地布覆盖处理，另外由于地膜的不透气性，土壤中CO2 增加， pH下降，也可能抑制放线菌活性。前人研究表明， 秸秆和地膜覆盖均可以提高土壤中细菌和真菌数量^[6，25-26]，但关于覆盖对土壤放线菌数量影响的研究结果有差异，赵德英^[6]研究发现秸秆覆盖能降低土壤放线菌数量，高美英等^[24]却认为覆盖后土壤水分含量增加，会抑制放线菌繁殖，这些差异可能是由土壤理化性质特别是土壤含水量不同造成的。

土壤酶指数可综合多个土壤酶活性，反映土壤酶综合活性。本研究中，除反光膜覆盖下土壤酶指数与对照差异不显著外，不同覆盖处理均可不同程度地提高土壤酶综合活性及微生物总量，且秸秆覆盖下5 个土壤酶活性及土壤酶指数、微生物数量均显著高于其他覆盖处理，许多研究也表明秸秆和地膜覆盖均可提高土壤酶活性和微生物数量，且秸秆覆盖效果较佳^[27-28]。秸秆、地布及地膜覆盖均具有良好的增温保墒效果，可一定程度改善土壤水热环境^[6，29]，有利于提高土壤酶活性和微生物数量。 透明地膜覆盖冬春秋三季能显著提高耕层的土壤温度，但夏季地膜覆盖会导致土壤温度过高，不利于土壤酶和微生物活动，反光膜覆盖冬季可抑制土壤有效辐射发射，减少土壤热量的散失，从而提高土壤温度，夏季通过反射太阳光线，防止土温过高， 但春秋两季，反光膜覆盖土壤温度回升慢，不利于土壤酶和微生物活动。本研究中就葡萄整个生育期而言，地布、透明地膜及反光膜覆盖对土壤酶综合活性及土壤微生物总量的处理效果无显著差异。秸秆覆盖可有效调节和稳定表土层水、肥、气、热诸因素，有效降低地面最高温度，提高地面最低温度，稳定了土层温度，减缓土壤水分蒸发，为植物生长提高稳定的水热条件，同时秸秆覆盖可补充土壤有机质^[6]，故秸秆覆盖下土壤酶综合活性及微生物总量最高。

3.2 不同覆盖材料对土壤酶活性季节变异系数的影响

酶活性变异系数可以表示酶对环境介质变化的敏感程度^[30]。本研究结果表明脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶对葡萄生长期差异引起的生存环境的变化较敏感，过氧化氢酶则较稳定，过氧化氢酶可作为避雨栽培葡萄园中土壤酶活性差异的指示指标，从过氧化氢酶来看，秸秆覆盖的过氧化氢酶活性显著高于其他处理，地布和透明地膜覆盖两者间无显著差异但显著高于对照，而反光膜覆盖与对照无显著差异，这与各处理间土壤酶指数差异表现基本一致。朱海强等^[30]对艾比湿湖土壤酶活性变异系数的研究结果表明：过氧化氢酶> 磷酸酶> 脲酶，而罗来超等^[31]却认为河南小麦田土壤酶活性变异系数大小为：脲酶> 脱氢酶> 蛋白酶> 蔗糖酶> 过氧化氢酶，本文与前人研究结果既有差异也存在相同之处，这可能与土壤类型、地上部作物及栽培管理技术有关。

3.3 不同覆盖材料对土壤有机碳、微生物量碳和微生物熵的影响

本研究中，除秸秆覆盖处理土壤有机碳含量增加外，其余处理土壤有机碳含量均降低，与前人研究结果一致^[6]。秸秆、地布、反光膜和透明地膜覆盖后，改善了土壤的水热条件，促进了土壤微生物数量的增加和土壤酶活性的提高，为土壤有机质的矿化分解提供了有利的环境，从而加速有机质的分解，降低土壤有机碳的含量，除秸秆覆盖处理外，其余覆盖处理土壤无外来有机质的补充，故土壤有机碳含量呈不断下降趋势，透明地膜覆盖处理的土壤有机碳含量与地布和反光膜覆盖处理差异不显著，而地布覆盖处理的土壤有机碳含量最低。因此长期进行地布、地膜覆盖必须及时补充土壤有机质，防止土壤有机质降低使土壤肥力下降，理化性质恶化。

微生物量碳是指土壤微生物体内的碳，可以从微生物体内分泌出来，作为植物直接吸收利用的速效养分，微生物量碳可反映土壤微生物数量、微生物活性及土壤肥力状况^[32]；微生物熵值越大，土壤有机碳周转越快，土壤养分释放越多^[19]。一般土壤的微生物熵值在1%～ 4%^[19]，本试验中微生物熵的范围为2.56%～ 3.59%，与文献报道数值相符；本研究中不同覆盖处理均可显著提高土壤微生物量碳含量和微生物熵值，即4 个覆盖处理均可增加土壤速效养分含量，提高土壤肥力，而秸秆覆盖下土壤有机碳周转最快，养分循环活跃，与前人研究结果一致^[5-6]。

3.4 不同覆盖材料对土壤呼吸强度和微生物代谢熵的影响

微生物呼吸是土壤呼吸最主要的组成部分^[33]。 地膜的不透气性将减少土壤中O₂ 含量，抑制好氧微生物活动，故尽管地膜覆盖下土壤微生物总量增加，但透明地膜和反光膜覆盖处理的土壤呼吸强度仍呈下降趋势；秸秆和地布覆盖下土壤与外界环境之间的空气交换较为流畅，土壤好氧微生物活动旺盛，故土壤呼吸强度增强。微生物代谢熵将微生物量的大小与微生物活性与功能有机联系起来，微生物代谢熵大，意味着微生物呼吸消耗的碳比例较大，建造微生物细胞的碳比例小，微生物对土壤有机碳的利用率低^[34]。本研究结果表明4 个覆盖处理均可降低微生物对土壤碳的呼吸消耗，提高其对土壤有机成分的利用率，而透明地膜覆盖下土壤微生物代谢熵最低，其次为秸秆覆盖处理，反光膜覆盖处理微生物代谢熵较高，前人研究也表明秸秆覆盖可增强土壤呼吸强度^[35-36]，降低微生物代谢熵^[34]，地膜覆盖可抑制土壤呼吸和降低微生物代谢熵^[5]，但关于秸秆覆盖和地膜覆盖微生物代谢熵的大小比较还未见报道。

3.5 不同覆盖材料对土壤生物活性的影响及14 个土壤生物活性指标权重评价

综合14 个土壤生物活性指标进行主成分分析， 综合得分结果表明，4 个覆盖处理均可显著提高土壤生物活性，表现为秸秆覆盖> 地布覆盖> 透明地膜覆盖> 反光膜覆盖> 对照。由14 个土壤生物活性指标权重分析结果可知，微生物代谢熵、蔗糖酶、土壤酶指数、微生物熵、呼吸强度、微生物量碳这6 个指标权重依次排名1、2、3、4、5、6，说明微生物代谢熵、微生物熵、呼吸强度、微生物量碳这4 个微生物特性较微生物数量更能代表土壤生物学活性，土壤酶指数综合各个土壤酶活性影响土壤生物活性，而蔗糖酶活性相较于其余4 个土壤酶活性对土壤生物活性的影响更大。

3.614 个土壤生物活性指标相关性分析

本研究中，蛋白酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶与过氧化氢酶活性彼此显著正相关，而过氧化氢酶与脲酶活性显著正相关，说明土壤酶不仅具有特定的专一性，还存在着一定的共性^[22]。真菌和细菌数量与绝大多数土壤酶活性及土壤酶指数显著正相关，而土壤微生物量碳不仅与细菌、真菌数量显著正相关，也与多个土壤酶活性及土壤酶指数显著正相关，这些结果都表明微生物量对土壤酶活性的重要影响和贡献^[37]。本研究还发现，土壤微生物熵与微生物代谢熵呈显著正相关，与前人研究结果一致^[19]。土壤酶活性、土壤微生物数量、土壤微生物学特性三者之间的关系比较复杂，不同的研究者就相同两种酶之间、微生物数量之间及微生物学特性之间的相关性得出不同的结论；土壤酶、土壤微生物及土壤微生物学特性的关系也未达成共识^[37]。 本研究的结论与前人研究结果既有相同之处也存在差异，这些差异可能由研究对象及其所处的环境不同，导致各种成分之间的相互作用产生变化，这些研究的不一致体现了土壤酶活性、土壤微生物数量、土壤微生物学特性之间关系的复杂性，也说明了它们之间的关系还需进一步研究。

4 结论

综上所述，秸秆、地布、透明地膜及反光膜覆盖均可提高葡萄避雨栽培园土壤生物活性，效果依次为秸秆覆盖> 地布覆盖> 透明地膜覆盖> 反光膜覆盖。就土壤有机碳而言，除秸秆覆盖可增加土壤有机碳含量以外，其余覆盖处理土壤有机碳含量均呈降低，故长期进行地布、地膜覆盖必须及时补充土壤有机质，防止土壤有机质降低使土壤肥力下降，理化性质恶化。

微生物代谢熵、微生物熵、呼吸强度、微生物量碳和蔗糖酶活性、土壤酶指数6 个指标权重较高，综合了土壤微生物特征和土壤酶活性，是评价土壤生物学活性的重要指标。

参考文献