不同生長年限苜蓿對土壤酶活性與養分的影響

托爾坤·買買提,于 磊,2,魯為華,2,郭江松

（1.石河子大學動物科技學院,新疆 石河子 832000；2.新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室,新疆 石河子 832003）

紫花苜蓿（Medicago sativa）是我國種植面積最大的栽培草地牧草,苜蓿對于保證畜牧業發展、保持水土、改善土壤結構、增強土壤肥力等方面發揮著極為重要的作用[1]。同時,在農區通過苜蓿和糧食作物輪作,可以改善農田生態環境,增加農業系統穩定性,是提高生態經濟效益的有效途徑[2]。土壤酶活性能夠在一定程度上反映土壤中進行的各種生物化學過程的強度和方向,可以作為評價土壤肥力狀況的指標,是反映土壤品質的生物學活性指標[3]。土壤養分是土壤提供植物生命活動所必需的營養元素,是評價土壤自然肥力的重要因素之一。本研究通過分析不同生長年限的苜蓿田間土壤酶活性和養分的相互關系,探討土壤脲酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、多酚氧化酶作為土壤肥力指標的可能性,揭示種植苜蓿不同年限的土壤肥力變化特征,旨在為合理評價苜蓿的生態效應和制定輪作年限提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況本試驗在我國新疆自治區石河子墾區147團苜蓿生產田進行。試驗區位于85°52′～ 86°12′E,44°31′～ 44°46′N,為極端干旱性氣候,降水稀少,夏季高溫、光照充足,冬季寒冷,春秋氣溫變幅大。全年無霜期平均162 d,年均降水量 153.1 mm。年均蒸發量為 2 004.4 mm。生長季節≥10℃的累積溫度3 300～3 800℃·d。春夏季降水占全年降水的60%以上。田間土壤有機質含量為0.67%,全氮0.89 g/kg,全磷 0.78 g/kg,全鉀15 g/kg,堿解氮50 mg/kg,速效鉀20.7 mg/kg,pH值8.3,具備穩定的灌溉條件。

試驗地分別選擇2005-2008年秋播紫花苜蓿生產田,即為種植4年、3年、2年和1年的苜蓿地。供試紫花苜蓿品種為三得利（Sanditi）,由百綠公司提供。年內均刈割3次。種植1年的苜蓿地施30 kg/hm2尿素,8 kg/hm2磷肥,2 kg/hm2鉀肥,種植2～4年苜蓿地每年灌溉后,一次性人工均勻撒施30 kg/hm2尿素,日常進行必要的雜草防除及灌溉等管理措施。

1.2 樣品采集供試土樣采自新疆石河子墾區147團不同種植年限的苜蓿地,147團主要以種棉花為主。2009年5月中旬,分別在種植苜蓿1年、2年、3年和4年的土地內以S形取樣方法取0～10、10～20和20～30 cm 的土樣,連作3年以上棉花地土壤為對照,3次重復。土樣風干,棄去砂石和植物殘體、過篩、保存,用于土壤養分和酶活性的測定。

1.3 測定方法土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,堿解氮采用堿解擴散法,速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度法,速效鉀采用1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度法,水溶性鹽總量用電導法,pH值用1.0 mol/L KCl浸提電位法（土液比為1∶2.5）[4]測定；土壤脲酶、過氧化物酶、多酚氧化酶采用比色法,土壤過氧化氫酶采用容量法[5],在37℃條件下培養24 h測定。

1.4 統計分析采用DPS v9.50軟件對數據進行方差分析,各處理間平均值采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同生長年限苜蓿土壤養分變化不同生長年限苜蓿同一土層土壤養分存在一定的差異。在0～10、20～30 cm土層內,各生長年限苜蓿土壤電導率與對照差異顯著（P＜0.05）,而在10～20 cm 土層內,差異不顯著（P＞0.05）（表1）。土壤有機質含量在0～10 cm土層內與對照差異顯著（P＜0.05）；在 10～20 cm土層內,種植1和3年苜蓿的土壤有機質含量差異顯著（P＜0.05）,種植2和4年苜蓿的土壤有機質含量與對照無顯著差異；在20～30 cm土層內,種植3和4年苜蓿的土壤有機質含量差異顯著（P＜0.05）,種植1和2年苜蓿的土壤有機質含量與對照無顯著差異。上述分析表明苜蓿對土壤有機質的作用受種植年限長短的影響,隨種植年限的增長而增加。

表1 不同生長年限苜蓿田間土壤養分比較

不同種植年限的不同土層土壤pH值為8.16～8.70,除種植1年苜蓿的各土層土壤外,各生長年限苜蓿土壤pH值與對照差異不顯著（P＞0.05）。隨著苜蓿種植年限的增加,土壤pH值總體呈下降趨勢,同時,隨土層深度的增加而呈增加趨勢,這表明種植苜蓿具有改良堿地的作用。而在相同土層內土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量均與對照差異顯著（P＜0.05）。除種植3年苜蓿的土壤外,不同土層速效鉀含量均隨苜蓿生長年限的增加而下降,但土壤堿解氮含量表層高于下層,隨著土層的加深,不同種植年限紫花苜蓿土壤堿解氮含量大體呈逐漸下降趨勢。土壤速效磷含量變化無規律性（表1）。

2.2 不同生長年限苜蓿土壤酶活性變化

2.2.1脲酶活性 土壤脲酶活性隨著土層加深和種植年限的增加而呈降低趨勢。在0～10、10～20 cm土層內,除種植4年苜蓿的土壤脲酶活性差異不顯著（P＞0.05）外,其他年限苜蓿土壤脲酶活性與對照差異顯著（P＜0.05）。在20～30 cm土層內,種植4年苜蓿的土壤脲酶活性差異顯著（P＜0.05）,種植1、2和3年苜蓿的土壤脲酶活性與對照差異不顯著（表2）。

2.2.2多酚氧化酶活性 土壤中多酚氧化酶活性變化呈下降趨勢。各生長年限苜蓿土壤多酚氧化酶活性比對照略有上升；在0～10、20～30 cm 土層內各生長年限苜蓿土壤多酚氧化酶活性差異不顯著。在10～20 cm土層內,種植 1、2和4年苜蓿的土壤多酚氧化酶活性差異顯著（P＜0.05）,種植3年苜蓿的土壤酶活性與對照差異不顯著（P＞0.05）（表2）。

2.2.3過氧化物酶活性 不同生長年限的苜蓿土壤中過氧化物酶活性有所不同。在0～10、20～30 cm土層內,除種植1年苜蓿的土壤過氧化物酶活性與對照差異不顯著外,其他生長年限苜蓿土壤過氧化物酶活性與對照差異顯著（P＜0.05）。在10～20 cm土層內,各生長年限苜蓿過氧化物酶活性與對照差異顯著（P＜0.05）（表2）。從總體水平來看,各生長年限苜蓿土壤過氧化物酶活性比對照高,隨生長年限和土層的深度增加,其活性變化呈不規律性。

2.2.4過氧化氫酶活性 不同生長年限苜蓿土壤中過氧化氫酶活性變化不大,同一土層內種植3年苜蓿的土壤過氧化氫酶活性較高。不同生長年限苜蓿土壤過氧化氫酶活性均隨土層深度的增加而逐漸遞減。在0～10、20～30 cm土層內各生長年限苜蓿酶活性與對照差異不顯著；在10～20 cm土層內,種植2年苜蓿的土壤過氧化氫酶活性與對照差異顯著（P＜0.05）,其他生長年限苜蓿土壤過氧化氫酶活性差異不顯著（P＞0.05）（表2）。

2.3 不同生長年限苜蓿土壤酶活性與土壤養分關系不同生長年限苜蓿土壤脲酶與pH值呈極顯著（P＜0.01）正相關,與速效鉀和堿解氮呈顯著（P＜0.05）正相關,但與總鹽、有機質、速效磷相關性較差；多酚氧化酶活性與土壤各養分之間沒有明顯的相關關系（表3）。表明多酚氧化酶活性在土壤養分含量低的情況下被激活；過氧化物酶與pH值有顯著的正相關關系,與其他養分相關性較差；過氧化氫酶與土壤總鹽和有機質存在著極顯著（P＜0.01）的負相關關系,與pH值、速效鉀有顯著正相關性,而與速效磷和堿解氮相關性較差（表3）。由于脲酶和過氧化氫酶與土壤養分之間存在一定的相關性,可以在一定程度上用土壤脲酶和過氧化氫酶活性來表示土壤肥力的高低。

表2 不同生長年限苜蓿田間土壤酶活性變化

表3 土壤酶活性與土壤養分相關性

3 討論

不同生長年限苜蓿田間不同土層土壤養分存在一定差異。種植苜蓿能有效降低堿性土壤的pH值,其改堿效應隨種植年限的延長而增強,這一結論與前人[6-8]的研究一致。種植多年苜蓿的土壤pH值隨土壤深度的增加而增加,這既可能與鹽堿垂直分布有關,也與表土層受施肥調控影響大而改堿效應強有關。現有研究結果表明[9-10],堿解氮含量增加,則速效磷、速效鉀含量下降。但更重要的是本試驗結果表明,堿解氮含量也下降了,可能這種下降與紫花苜蓿生長過程中施肥程度有關。連續種植苜蓿導致土壤堿解氮顯著降低,表明雖然苜蓿是一種“養地作物”,但由于刈割后各種養分被移出田間,土壤中養分遺失較多,因此也要重視施肥,防止土壤肥力下降。由于苜蓿根系的固氮作用,以及長期種植苜蓿避免了經常翻動土壤,因此促進了土壤有機質在土壤表層的累積,田間土壤有機質含量隨著生長年限的增加而增長[11]。

土壤酶主要來自土壤微生物和植物根系分泌物與脫落物,而微生物數量、活性和植物生長狀況均與土壤肥力關系密切。土壤中物質的轉化、累積和分解,是一個復雜的生物化學過程,而這些過程幾乎都是通過酶的作用來完成的。隨著種植苜蓿年限的延長,多數酶活性呈先增加后降低的趨勢[12-13],說明土壤酶活性能在一定程度上反映土壤生物學狀況,并能敏感地指示土壤品質的變化,因此土壤酶活性可以作為土壤肥力、土壤品質及土壤健康的重要指標[14]。通常把土壤微生物和酶活性作為評價土壤生態系統中物質循環和利用的重要因子,并用土壤酶的綜合活性作為衡量土壤肥力的指標[15]。土壤中鹽分含量的高低對土壤酶活性的影響也很大,由于一些礦質元素是構成酶的輔基。因此,少量的鹽分即能促進土壤酶活性的提高；當土壤鹽分過高,尤其一些重金屬元素蓄積會對土壤生物產生毒害,土壤酶活性降低[16-17]。不同種類土壤酶與不同的礦質養分具有一定的相關關系,它能夠反映土壤肥力在各種人為因素影響下的變化情況,本研究結果與前人研究有所不同。因此,不同種植年限苜蓿土壤酶活性與土壤肥力相關性的評價指標還有待進一步研究。

4 結論

1）苜蓿種植時間的長短對不同土層土壤養分含量的影響程度不同,總體表現苜蓿種植時間越長,對土壤養分影響越大。隨著土層深度增加,土壤有機質、pH值逐漸增加,而土壤電導率、速效磷、速效鉀、堿解氮偏低。因此,紫花苜蓿高產栽培中必須重視氮、磷、鉀肥的施用,特別是要加大0～10 cm土層肥料施用量。同時,這種變化趨勢與播種時施用磷、鉀肥有關,隨著生長年限的增加,除了吸收利用外,磷肥的固定和鉀肥的固定及淋洗也是值得考慮的因素。

2）不同種植年限苜蓿土壤過氧化氫酶和脲酶活性隨著土層深度的增加呈下降趨勢,而土壤過氧化物酶和多酚氧化酶活性隨土層深度的變化規律有所不同。

3）不同種植年限的土壤過氧化氫酶、過氧化物酶和脲酶活性與土壤養分存在一定的相關性,它們反映了土壤肥力隨土層深度增加和生長年限延長的關系,是敏感的土壤品質指標,可以用來表示土壤肥力的高低。但多酚氧化酶不能表示土壤肥力的變化。

[1]耿華珠,吳永敷,曹致中.中國苜蓿[M].北京:中國農業出版社,1995:2-10.

[2]高雪峰,韓國棟,張功,等.荒漠草原不同放牧強度下土壤酶活性及養分含量的動態研究[J].草業科學,2007,24（2）:10-14.

[3]Sharpley A N.The enrichment of soil phosphorusin run of sediments[J].Journal of Environmental Quality,1983（9）:521-526.

[4]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社,2005:25-183.

[5]關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農業出版社,1986:320-323.

[6]劉沛松,賈志寬,李軍,等.寧南旱區草糧輪作系統中紫花苜蓿適宜利用年限的研究[J].草業學報,2008,17（3）:31-39.

[7]張曉琴,胡明貴.紫花苜蓿對鹽漬化土地理化性質的影響[J].草業科學,2004,21（11）:31-34.

[8]秦嘉海,趙蕓晨.苜蓿草對河西走廊荒漠化土壤改土培肥效應的研究[J].土壤通報,2004,35（6）:806-808.

[9]楊恒山,曹敏建,范富,等.紫花苜蓿生長年限對土壤理化性狀的影響[J].中國草地學報,2006,28（6）:29-32.

[10]毛吉賢,石書兵,馬林,等.免耕春小麥套種牧草土壤養分動態研究[J].草業科學,2009,26（2）:86-90.

[11]張國盛,黃高寶,張仁陟,等.種植苜蓿對黃綿土表土理化性質的影響[J].草業學報,2003,12（5）:88-93.

[12]馬云華,魏珉,王秀峰.日光溫室連作黃瓜根區微生物區系及酶活性的變化[J].應用生態學報,2004,15（6）:1005-1008.

[13]邰繼承,楊恒山,張慶國,等.不同生長年限紫花苜蓿人工草地土壤酶活性及分布[J].草業科學,2008,25（4）:76-78.

[14]Insam H,Mitchell C C,Dormaar J F.Relationship of soil microbial biomass and activity with fertilization practice and crop yield of three ultisols[J].Soil Biology and Biochemistry,1991,23:459-464.

[15]李東坡,武志杰,陳利軍.有機農業施肥方式對土壤微生物活性的影響研究[J].中國生態農業學報,2005,13（2）:99-101.

[16]戴偉,王兵.大崗山紅、黃壤中過氧化氫酶與土壤性質關系的研究[J].林業科技通訊,1994（4）:17-18.

[17]邱莉萍,張興昌,程積民,等.坡向坡位和撂荒地對云霧山草地土壤酶活性的影響[J].草業學報,2007,16（1）:93-97.