高寒區施肥和豆科混播水平對燕麥人工草地土壤酶活性的影響

劉文輝，張英俊，師尚禮，賀永娟，孫建，魏小星

(1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070；2.青藏高原優良牧草種質資源利用省級重點實驗室，青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；3.中國農業大學草地研究所，北京 100094；4.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

高寒區施肥和豆科混播水平對燕麥人工草地土壤酶活性的影響

劉文輝1,2，張英俊1,3*，師尚禮1，賀永娟2，孫建4，魏小星2

(1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070；2.青藏高原優良牧草種質資源利用省級重點實驗室，青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；3.中國農業大學草地研究所，北京 100094；4.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

主要探討了燕麥人工草地土壤酶活性對燕麥品種、施肥水平和豆科混播水平的響應，為合理評價燕麥人工草地的生態效應和對土壤培肥的影響提供理論依據。采用4個燕麥品種(A1：青燕1號；A2：林納；A3：青海444；A4：青海甜燕麥)、4個施肥水平(B1：不施任何肥料，CK0；B2：尿素75 kg/hm2+磷酸二銨150 kg/hm2，IM；B3：有機肥1500 kg/hm2，OM；B4：尿素37.5 kg/hm2+磷酸二銨75 kg/hm2+有機肥750 kg/hm2，IM+OM)和4個箭筈豌豆混播水平(C1：0 kg/hm2；C2：45 kg/hm2；C3：60 kg/hm2；C4：75 kg/hm2)的三因素四水平正交試驗設計，開展三因素對燕麥人工草地土壤酶活性(脲酶、纖維素酶和轉化酶)影響的比較研究。結果表明，燕麥品種、施肥水平和豆科混播水平均能顯著提高土壤酶活性；高寒區0～20 cm耕作層土壤脲酶、纖維素酶和轉化酶活性范圍分別為400～900 μg/g，80～180 μg/g和4～7 mg/g；3個因素對土壤酶活性影響的強弱順序為：施肥水平>品種>豆科混播水平；在3個因素的影響下，隨著生育期的推進，土壤脲酶和纖維素酶活性分別呈“先增后減”、“先降后增”的變化，分別在開花期和拔節期出現單峰值，轉化酶活性呈“增—降—增—降”或“降—增—降”的變化，在拔節期和抽穗期出現雙峰值。土壤酶相對活性指數和土壤酶相對活性綜合指數能很好地反映土壤酶的變化。選用青海444或青海甜燕麥，混播箭筈豌豆45 kg/hm2，施尿素37.5 kg/hm2、磷酸二銨75 kg/hm2和有機肥750 kg/hm2時，對提高土壤酶活性效果最佳。

高寒區；品種；施肥水平；豆科混播水平；土壤酶活性

土壤酶是土壤中植物根系及其殘體、土壤動物及其遺骸和微生物分泌的活性物質，是土壤組分中最活躍的有機成分之一，是參與土壤新陳代謝的重要物質[1]。土壤酶參與土壤中各種化學反應和生物化學過程，與有機物質礦化分解、礦質營養元素循環、能量轉移以及環境質量等密切相關[2]。土壤酶活性能反映土壤微生物活性高低、養分轉化和運轉能力強弱以及土壤生化反應的強度，是評價土壤肥力、質量及健康狀況的重要指標之一，反映出土壤中各種養分代謝活性的強度與方向[3]。土壤酶活性的變化可用來表示因農業措施而導致的土壤性質的早期變化[4]，其中土壤脲酶、轉化酶和纖維素酶等水解酶是表征土壤C、N等養分循環狀況和土壤性質的生物活性指標，已被應用于評價土壤營養物質的循環轉化、各種農業措施和肥料施用的效果評價[5]。研究土壤酶活性的變化，將有助于了解土壤肥力的現狀和演化。

燕麥(Avenasativa)性喜涼爽濕潤，耐寒，對土壤要求不嚴，抗逆性強，病蟲害少，耐瘠薄、抗雜類草等性能都比較強，是適宜在青藏高原高寒牧區和半農半牧區種植的高產優質糧草兼用作物[6]。因其適口性好，易于栽培、貯藏，已成為高寒牧區冬春季節家畜補飼的重要飼草來源，對高寒地區畜牧業穩定發展起到了重要作用[7]。研究表明，品種選擇[8]、施肥(肥料種類[3]、施肥水平[9-10]、施肥方式[9,11]、施肥制度[12]等)、栽培方式[8]等農藝措施對人工草地土壤酶活性具有重要影響。然而，這些研究多局限于單一栽培制度對土壤酶活性的影響，研究結果難以確定不同栽培體系或農藝措施下敏感的土壤酶學指標。基于此，本研究擬在青藏高原高寒地區通過研究不同燕麥品種、不同施肥水平和豆科混播水平的農藝措施對燕麥人工草地土樣酶活性的影響，旨在為合理評價燕麥人工草地的生態效應和對土壤培肥的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省海北州西海鎮。地理坐標36°59.36′ E，100°52.848′ N，海拔3156 m，氣候寒冷潮濕，無絕對無霜期，年均溫0.5 ℃，年降水量369.1 mm，多集中在7、8、9三個月，年蒸發量1400 mm，全年日照時數2980 h。平均無霜期93 d。土壤為栗鈣土。試驗前采集試驗地土樣，分析結果如下：pH值8.43，全氮(N)1.56 g/kg，全磷(P2O5)1.39 g/kg，全鉀(K2O)22.06 g/kg，堿解氮88.77 mg/kg，速效磷2.15 mg/kg，速效鉀168.21 mg/kg，有機質32.48 g/kg。

1.2 試驗材料與方法

供試材料燕麥品種為青燕1號(Avenasativacv. Qingyan No.1)、青海444(A.sativacv. Qinghai 444)、青海甜燕麥(A.sativacv. Qinghai)和林納(A.sativacv. Lena)，箭筈豌豆品種為西牧324(Viciasativacv. Ximu 324)，均為上年收獲種子。選用肥料為尿素(N 46%)，磷酸二銨(N 16%，P2O546%)，有機肥(有機質>40%，N+P2O5+K2O 25%，有效活菌數0.2億/g)。

本試驗為品種、施肥水平、箭筈豌豆混播水平三因素四水平正交試驗設計[L16(45)]，共16個處理，3次重復，隨機區組排列。燕麥品種為A1(青燕1號，Qingyan No.1)、A2(林納，Lena)、A3(青海444，Qinghai 444)和A4(青海甜燕麥，Qinghai)；施肥水平為B1(CK0，不施任何肥料)、B2(inorganic manure, IM，尿素75 kg/hm2+磷酸二銨150 kg/hm2)、B3(organic manure, OM，有機肥1500 kg/hm2)和B4(inorganic manure and organic manure, IM+OM，尿素37.5 kg/hm2+磷酸二銨75 kg/hm2+有機肥750 kg/hm2)；箭筈豌豆混播水平為C1(0 kg/hm2)、C2(45 kg/hm2)、C3(60 kg/hm2)和C4(75 kg/ hm2)。試驗小區面積為4 m×5 m，小區間隔0.5 m，燕麥播種量按600萬株/hm2保苗數計算，根據千粒重、發芽率、純凈度計算得各品種的實際播量為：青燕1號、林納、青海444和青海甜燕麥分別為154.3,150.0,183.0和216.0 kg/hm2，撒播，播深3～4 cm。2014年5月14日播種，肥料在播種前一次性施入。出苗后，人工除雜1次，田間管理和觀測項目在同一工作日完成。

播種后，分別于6月15日(拔節期)、7月15日(抽穗期)、8月15日(開花期)、9月15日(乳熟期)、10月15日(收獲后期)在各試驗小區取0～20 cm土樣(以撂荒地土樣為對照，CK)，共取5次土樣，每次每小區取3個點，混合后帶回實驗室測定土壤脲酶(urease,Ure)、轉化酶(invertase,Inv)和纖維素酶(cellulose,Cel)活性。土壤脲酶、轉化酶和纖維素酶分別用靛酚藍比色法[3]、3,5-二硝基水楊酸比色法[13]和3,5-二硝基水楊酸比色法[3]測定。其中：土壤脲酶活性以1 g干土37 ℃酶促反應72 h消耗尿素生成氨的數量來表示(μg/g)；轉化酶活性以1 g干土37 ℃培養24 h生成的葡萄糖毫克數表示(mg/g)；纖維素酶活性以1 g干土37 ℃培養72 h生成的葡萄糖微克數表示(μg/g)。

1.3 數據處理

品種、施肥水平和豆科混播水平對酶的保護效果采用土壤酶相對活性指數(relative enzymes activity index，REAI)和土壤酶相對活性綜合指數(relative enzyme activity comprehensive index，REACI)表示[14-15]：

REAI=EAt/EAck
REACI=(REAIUre+REAICel+REAIInv)/3

式中：REAI表示土壤酶相對活性指數，EAt表示不同品種、施肥水平和豆科混播水平下的土壤酶活性，EAck表示各處理對應生長季對照土壤酶活性(其中品種間REAI計算時以休閑地土壤酶活性作為EAck，施肥處理間REAI計算時以不施肥處理土壤酶活性作為EAck，豆科混播水平間REAI計算時以單播燕麥處理下土壤酶活性作為EAck)，REACI表示土壤酶相對活性綜合指數，Ure、Cel和Inv分別表示脲酶、纖維素酶和轉化酶。

采用Excel 2003對所得到的數據進行初步整理，用SPSS for Windows 11.5進行方差分析和相關分析，用Sigmaplot 12.5進行繪圖。采用Duncan法在0.05水平上進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 品種、施肥和豆科混播水平對土壤酶活性的影響

2.1.1 品種對土壤酶活性的影響 由表1可以看出，不同生育期各燕麥品種脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均顯著高于對照(休閑地)(P<0.05)，各品種中土壤脲酶活性以青海甜燕麥最高(662.92 μg/g,平均值,下同)，較對照(休閑地)高96.16%，其次為青海444(685.06 μg/g)，林納最低(568.06 μg/g)，較對照(休閑地)高68.09%；纖維素酶活性以青海444和青海甜燕麥最高(116.22和113.42 μg/g)，分別較對照(休閑地)高60.08%和56.23%，林納最低(97.28 μg/g)，較對照(休閑地)高33.99%；轉化酶活性以青海444和青海甜燕麥最高(6.07和6.03 mg/g)，分別較對照(休閑地)高19.02%和18.24%，林納最低(5.83 mg/g)，較對照高14.31%。

各品種隨生育期推進，3種酶活性變化趨勢不同(表1)。脲酶隨生育期推進呈“先增后降”的變化規律，在開花期達到最大(745.83 μg/g)，拔節期和乳熟期最低(分別為563.30和563.75 μg/g)；纖維素酶活性呈現“先降后增”的變化規律，在拔節期達到最大(130.45 μg/g)，在抽穗期則為最低(90.93 μg/g)；轉化酶活性變化呈現“增—降—增—降”的變化規律，在拔節期、抽穗期、乳熟期和收獲后期較高(分別為6.20，6.20，6.12和6.02 mg/g)，而在開花期最低(5.32 mg/g)。

2.1.2 施肥水平對土壤酶活性的影響 表2顯示，各生育期燕麥在不同施肥水平下脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均顯著高于對照(休閑地)(P<0.05)，其中脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均以尿素+二銨+有機肥施肥處理下最高，平均分別為726.30 μg/g,128.40 μg/g和6.12 mg/g，分別較對照(休閑地)高114.92%，76.86%和20.00%，其次為尿素+二銨施肥處理，分別為650.68 μg/g，110.82 μg/g和6.03 mg/g，不施肥處理最低，平均分別為531.68 μg/g，92.38 μg/g和5.80 mg/g，分別較對照(休閑地)高57.33%，27.25%和13.73%。

表1 品種影響下燕麥人工草地0～20 cm土層土壤酶活性變化Table 1 The soil enzymatic activity from 0-20 cm under different oat varieties

注：同列不同小寫字母和同行不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters within the same column and different capital letters within the same row show significant difference(P<0.05). The same below.

表2 施肥水平影響下燕麥人工草地0～20 cm土層土壤酶活性變化Table 2 The soil enzymatic activity from 0-20 cm under different fertilizer rate

燕麥在不同施肥處理下隨生育期推進，3種酶活性變化趨勢不同(表2)。脲酶隨生育期推進呈“先增后降”的變化規律，在開花期達到最大(793.70 μg/g)，乳熟期最低(583.57 μg/g)；纖維素酶活性呈現“先降后增”的變化規律，在拔節期達到最大(141.47 μg/g)，在抽穗期最低(93.57 μg/g)；轉化酶活性變化呈現“降—增—降”的變化規律，在拔節期和抽穗期最大(分別為6.23和6.23 mg/g)，而在開花期最低(5.44 mg/g)。

2.1.3 豆科混播水平對土壤酶活性的影響 表3顯示，各生育期燕麥在不同箭筈豌豆混播水平下脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均顯著高于對照(休閑地)(P<0.05)，而不同箭筈豌豆混播水平下3種土壤酶活性無顯著差異(P>0.05)。脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均以箭筈豌豆45 kg/hm2混播時最高，平均分別為637.14 μg/g、109.3 μg/g和5.98 mg/g，分別較對照(休閑地)高88.54%，50.55%和17.25%，以箭筈豌豆60 kg/hm2混播時最低，平均分別為611.98 μg/g、106.16 μg/g和5.96 mg/g，分別較對照(休閑地)高81.09%，46.23%和16.86%。

表3 不同箭筈豌豆混播水平影響下燕麥人工草地0～20 cm土層土壤酶活性變化Table 3 The soil enzymatic activity from 0-20 cm under different common vetch mixture level

燕麥在不同箭筈豌豆混播水平下隨生育期推進，3種酶活性變化趨勢不同(表3)。脲酶隨生育期推進呈“先增后降”的變化規律，在開花期達到最大(745.8 μg/g)，拔節期和乳熟期最低(分別為565.33和563.73 μg/g)；纖維素酶活性呈現“先降后增”的變化規律，在拔節期達到最大(130.43 μg/g)，在抽穗期最低(90.93 μg/g)；轉化酶活性變化呈現“降—增—降”的變化規律，在拔節期和抽穗期最大(分別為6.20和6.20 mg/g)，而在開花期最低(5.32 mg/g)。

2.2 不同農藝措施對土壤酶活性的影響

方差分析結果表明(表4)，不同生育期3種酶活性對品種、施肥水平和豆科混播水平的響應不同。脲酶活性在拔節期、乳熟期和收獲后期，纖維素酶活性在抽穗期、乳熟期，轉化酶活性在抽穗期、乳熟期和收獲后期對豆科混播水平的響應不顯著(P>0.05)外，其余各時期品種、施肥水平和豆科混播水平對脲酶、纖維素酶和轉化酶活性的影響達到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。

各因素在拔節期、乳熟期和收獲后期對脲酶的影響強弱順序為：施肥水平>品種>豆科混播水平，在抽穗期和開花期影響的強弱順序為：品種>施肥水平>豆科混播水平。不同生育期各因素對纖維素酶活性影響的強弱順序均為：施肥水平>品種>豆科混播水平。各因素在開花期、乳熟期和收獲后期對轉化酶活性的影響強弱順序為：施肥水平>品種>豆科混播水平，在拔節期和抽穗期影響的強弱順序為：品種>施肥水平>豆科混播水平。

表4 品種、施肥和豆科混播水平對土壤酶活性影響的方差分析Table 4 Variance analysis of soil enzymatic activity under effects of varieties, fertilization and mixture level

2.3 土壤酶相對活性指數

土壤酶相對活性指數(REAI)將3種土壤酶活性對品種、施肥水平和豆科混播水平的響應剔除了對照對各因素的影響，可以更客觀準確地反映出各因素對酶活性的影響強弱。由圖1可以看出，各品種對脲酶活性和纖維素酶活性的影響強弱隨生育期的推進呈下降趨勢，至抽穗/開花期后開始上升，乳熟期到收獲后期呈現下降趨勢，不同品種脲酶和纖維素酶相對活性在拔節期均表現最高(2.62和1.65)，開花期最低(1.61和1.35)。轉化酶相對活性指數則隨生育期的推進呈“降—增—降—增”的變化，在收獲后期表現最高(1.34)，而在抽穗期和乳熟期最低(1.11和1.10)。不同施肥水平下，脲酶活性隨生育期的推進呈“降—增—降—增”的變化，在開花期最大(1.31)，而在乳熟期最低(1.16)；纖維素酶則呈“先降后增”的變化，在拔節期最大(1.45)，在乳熟期最低(1.15)；轉化酶則呈“先增后降”的變化，在開花期最大(1.10)，而在收獲后期最低(1.03)。在不同豆科混播水平下，脲酶、纖維素酶和轉化酶相對活性指數變化規律不明顯。

2.4 土壤酶相對活性綜合指數

圖1 品種、施肥和豆科混播水平對土壤酶相對活性指數的影響Fig.1 Effects of REAI under variety, fertilization and common vetch level JS：拔節期 Jointing stage；HS：抽穗期 Heading stage；FS：開花期 Flowering stage；MS：乳熟期 Milk stage；HT：收獲后期 Harvest time.下同The same below.

土壤酶相對活性綜合指數(REACI)表征了不同燕麥品種、不同施肥水平和不同豆科混播水平下對3種酶活性影響的整體效果。由圖2可以看出，不同品種隨生育期的推進，REACI呈“先降后增”的變化，整個生育期拔節期REACI最高(1.81)，開花期最低(1.36)；各品種中，青海444的REACI在整個生育期均較高(1.63)，其次為青海甜燕麥(1.60)，而林納最低(1.43)。不同施肥水平下，隨著生育期的推進REACI呈“降—增—降—增”的變化，整個生育期拔節期最高(1.24)，抽穗期最低(1.11)；各施肥水平中，以尿素+二銨+有機肥處理REACI最高(1.27)，有機肥處理最低(1.08)。不同豆科混播水平下，整個生育期REACI基本趨于平穩，不同混播水平的REACI亦較平穩。

圖2 品種、施肥和豆科混播水平對土壤酶相對活性綜合指數的影響Fig.2 Effects of REACI under different variety, fertilization and common vetch mixture level

3 討論

3.1 農藝措施對土壤酶活性的影響

研究發現，高寒地區不同燕麥品種各生育期對土壤酶活性均有顯著影響，這與孟慶英等[8]、梁秀芝等[16]對紫花苜蓿(Medicagosativa)品種土壤酶活性的研究結果一致，而與李春喜等[17]對小麥(Triticumaestivum)品種土壤酶變化規律的研究結果不一致。植物根系是土壤酶的主要來源之一[16]，植物品種本身的生物學特性亦可影響土壤中微生物的活動狀況，從而間接地影響土壤酶的活性[18]。不同燕麥品種由于其生長特征、根系發育特征的不同，在整個生育期表現出不同燕麥品種人工草地土壤中脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均存在顯著差異，各品種中，3種土壤酶活性均以青海甜燕麥和青海444燕麥人工草地最高。本研究表明，與休閑地相比，不同品種、施肥水平和豆科混播水平顯著提高了土壤中的酶活性，表明3種農藝措施有利于土壤功能的保持。土壤酶活性是土壤生物學活性的表現，也是衡量土壤肥力水平的重要指標，能反映土壤養分，但土壤生物活性又受土壤養分、土壤質地、農藝措施等因素的影響。

施肥措施是影響土壤酶活性的重要因素之一。研究表明，施肥能有效提高土壤酶活性[3,19]。本研究發現，不同施肥處理均顯著提高了土壤酶活性，施肥可促進作物根系代謝，增加根系分泌物，加快微生物繁殖速度，從而提高土壤酶活性[20]。各生育期土壤脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均以尿素+二銨+有機肥施肥處理最高，尿素+二銨處理次之，單施有機肥處理酶活性最低。有機肥配施氮、磷肥將有助于提高土壤脲酶、纖維素酶和轉化酶，尤其是纖維素酶的活性，這一結果與諸多學者的研究結果一致[1,21-23]。前人研究發現，有機肥在以下幾個方面對土壤酶活性的提高發揮作用：1)有機肥和化肥配施，促進作物根系代謝，改善土壤物理和化學性質，調節土壤C/N，為微生物和土壤動物生長提供了良好的環境[13]；2)有機肥本身也含有一定數量的酶，可為土壤提供更多、更豐富的酶促基質，發揮底物誘導的作用[24]；3)有機物作為土壤的底物，也可能直接誘導土壤酶活性提高，有機肥不但增加了土壤有機碳含量，而且帶入了豐富的微生物和酶，顯著影響土壤酶活性；4)有機肥的施用可以提高土壤腐殖質含量，從而增加土壤酶的保護位點[25-26]，而腐殖質能夠通過離子交換、共價鍵或離子鍵等與土壤酶結合，固定土壤酶，增加土壤酶活性[13]。

3.2 土壤酶活性的季節動態變化

土壤酶類作為催化土壤中各類生化反應的活性物質，是土壤物質循環中的催化劑，在土壤生態系統中有著不可替代的作用。它不僅能反映土壤生物活性的高低，而且能反映土壤養分轉化的速度。前人研究表明，土壤酶活性均隨著生育期的變化而變化[16]。作物在不同生育時期，土壤酶活性也有顯著的差異。通常說，隨著生育時期的推進，土壤中的酶活性不斷升高，不同的酶在不同的生育時期出現峰值。峰值以后逐步下降，但下降的快慢有明顯的不同。有少數情況酶活性在生育時期出現雙峰值[27]。本研究發現，在不同農藝措施(品種、施肥水平、豆科混播水平)下，隨著生育期的推進，土壤脲酶、纖維素酶均隨著生育期的推進，呈現“先增后減”、“先降后增”的變化規律，3種處理下均在開花期土壤脲酶達到最大，在拔節期纖維素酶達到最大；而轉化酶活性在品種、施肥水平和豆科混播水平下，分別呈“增—降—增—降”、“降—增—降”和“降—增—降”的變化，分別在開花期和拔節期，拔節期和抽穗期、拔節期和抽穗期出現雙峰值,這與劉淑英[28]、馬忠明等[1]、孫建平等[29]、高秀君等[30]的研究結果一致。作物生長前期對養分的需求強烈，土壤速效養分含量下降，同時根系迅速生長，根系分泌物、脫落物增多，豐富的機制促進了土壤酶活性的提高，拔節至開花期，作物迅速開始生長，對養分需求更加旺盛，根系活化養分的能力增強，土壤酶活性上升快[1]。研究發現，開花期到種子成熟期，根系對土壤養分的吸收不如作物生長前期旺盛，對養分的活化能力也相對下降，土壤酶活性開始下降，乳熟到收獲后期，由于高寒地區氣溫開始下降，土壤酶活性均出現了下降的變化趨勢。

3.3 提高土壤酶活性的最佳農藝措施的確定

通過對不同生育期品種、施肥水平、豆科混播水平對3種土壤酶活性影響的方差分析表明，3種農藝措施對土壤酶活性影響的強弱順序為：施肥水平>品種>豆科混播水平。由于土壤酶活性具有底物專一性和反應專一性的特點，很難從單獨一個酶活性的變化評價整體土壤狀態[31]，對提高3種土壤酶活性最有效的農藝措施為：選用青海444或青海甜燕麥，采用有機肥+尿素+二銨的施肥方式，并混播箭筈豌豆45 kg/hm2時可有效提高土壤酶活性。栽培模式、種植年限、土壤類型、管理方式以及作物生長階段等都會影響土壤的酶活性。以往的研究僅從某一種影響因素方面開展了研究，但各因素間影響的大小方面缺乏深入的研究。本研究采用品種、施肥和混播水平對土壤酶活性的研究，初步得出了3個因素影響力的大小，但這3個因素是否是影響土壤酶活性的主要因素，還需進一步研究。同時本研究只考慮了3個因素的直接效應，未考慮其交互效應，交互效應對土壤酶活性的影響大小如何，還需進一步深入研究。

3.4 土壤酶活性指數

采用土壤酶相對活性指數(REAI)和土壤酶相對活性綜合指數(REACI)等土壤質量指標來表達土壤重要的生態功能[15]。通過對不同品種、施肥水平和豆科混播水平處理下3種酶的REAI和REACI的研究，3種酶的REAI變化規律與其對應的酶活性變化規律不一致，而REACI的變化與脲酶活性變化情況一致。鄭洪元等[32]，田永強等[33]的研究表明，單獨以酶活性作為土壤肥力指標有一定的局限性。由于酶專一地作用于某一基質，因此個別酶活性只能反映土壤專一的分解過程或營養循環。如土壤脲酶活性在一定程度上能反映土壤的供氮能力；纖維素酶與氮素循環有關；轉化酶可反映土壤有機質殘體分解強度。因此，不能用一種酶活性的變化指示土壤肥力的變化情況。本研究用3種酶活性來評價土壤水平的指標，但在研究土壤肥力水平時，作為評價肥力水平高低的總體參數是否全面尚需進一步驗證。

4 結論

通過對青藏高原高寒地區海拔3200 m地區不同農藝措施下的3種酶活性的研究表明，不同燕麥品種、施肥水平和豆科混播水平等措施均能顯著提高土壤脲酶、纖維素酶和轉化酶活性，3種酶活性的范圍為400～900 μg/g，80～180 μg/g和4～7 mg/g。高寒地區各生育期不同燕麥品種、施肥水平和混播水平對土壤酶活性均有顯著影響。青海甜燕麥和青海444，尿素+磷酸二銨+有機肥施肥處理和混播箭筈豌豆45 kg/hm2時，各時期土壤脲酶、纖維素酶和轉化酶活性均較高。隨著生育期的推進，土壤脲酶、纖維素酶均隨著生育期的推進，呈現“先增后減”、“先降后增”的變化規律，3種處理下均在開花期土壤脲酶達到最大，在拔節期纖維素酶達到最大；轉化酶活性在品種、施肥水平和豆科混播水平下，分別呈“增—降—增—降”、“降—增—降”和“降—增—降”的變化，分別在開花期和拔節期，拔節期和抽穗期、拔節期和抽穗期出現雙峰值。3個因素對土壤酶活性影響的大小順序為施肥水平>品種>豆科混播水平。單一土壤酶活性不能完全反映土壤肥力的高低，必須綜合評價才能得出準確的結論。

References：

[1] Ma Z M, Du S P, Wang P,etal. Effects of long-term located fertilization on soil enzymatic activities for wheat-maize inter cropping in irrigated desert soil. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2011, 25(4): 796-801, 823. 馬忠明, 杜少平, 王平, 等. 長期定位施肥對小麥玉米間作土壤酶活性的影響. 核農學報, 2011, 25(4): 796-801, 823.

[2] Yao X H, Jin Soulbee, Lv Z H,etal. Influence of acetamiprid on soil enzymatic activities and respiration. European Journal of Soil Biology, 2006, 42(2): 120-126.

[3] Wu X S, Zhou X L, Cao F M,etal. Effects of different fertilization on the corn yield and soil enzyme activity in corn growth period. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2015, (1): 44-49. 武曉森, 周曉琳, 曹鳳明, 等. 不同施肥處理對玉米產量及土壤酶活性的影響. 中國土壤與肥料, 2015, (1): 44-49.

[4] Fan J, Hao M D. Study on long-term experiment of crop rotation and fertilization in the loess plateau Ⅱ. Relationship between soil enzyme activities and soil fertility. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2003, 9(2): 146-150. 樊軍, 郝明德.黃土高原旱地輪作與施肥長期定位試驗研究Ⅱ.土壤酶活性與土壤肥力. 植物營養與肥料學報, 2003, 9(2): 146-150.

[5] Wan Z M, Wu J G. Study progress on factors affecting soil enzyme activity. Journal of Northwest Sci-Tech University of Agriculture and Forestry： Natural Science Edition, 2005, 33(6): 87-92. 萬忠梅, 吳景貴. 土壤酶活性影響因子研究進展. 西北農林科技大學學報： 自然科學版, 2005, 33(6): 87-92.

[6] Liu W H, Jia Z F, Zhou Q P,etal. Effect of phosphate fertilizer on seed yield and yield characteristics ofAvenasativacv. Qingyin No.1. Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(3): 651-655. 劉文輝, 賈志鋒, 周青平, 等. 施磷對青引1號燕麥種子產量和產量性狀的影響. 土壤通報, 2010, 41(3): 651-655.

[7] Liu W H, Zhou Q P, Jia Z F,etal. Effects of potassium fertilization on fodder yield and root system ofAvenasativacv. Qingyin No.1. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(2): 419-424. 劉文輝, 周青平, 賈志鋒, 等. 施鉀對青引1號燕麥草產量及根系的影響. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(2): 419-424.

[8] Meng Q Y, Zhang C F, Feng B,etal. Effect of different alfalfa on soil urease enzyme and soil nitrogen. Northern Horticulture, 2014, (18): 198-199. 孟慶英, 張春峰, 馮鵬, 等. 不同苜蓿品種對土壤脲酶及氮素的影響. 北方園藝, 2014, (18): 198-199.

[9] Wang C, Wang D J, Sun R J,etal. The relationship between soil enzyme activities and soil nutrients by long-term fertilizer experiments. Ecology and Environment, 2008, 17(2): 688-692. 王燦, 王德建, 孫瑞娟, 等. 長期不同施肥方式下土壤酶活性與肥力因素的相關性. 生態環境, 2008, 17(2): 688-692.

[10] Wang J, Liu S Y, Wang P,etal. Effect of different fertilization on the dynamical changes of soil enzyme activities. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(2): 299-303. 王娟, 劉淑英, 王平, 等. 不同施肥處理對西北半干旱區土壤酶活性的影響及其動態變化. 土壤通報, 2008, 39(2): 299-303.

[11] Wang S Q, Han X Z, Qiao Y F,etal. Effects of land uses and fertilization systems on soil enzyme activities and nutrients. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(6): 1311-1316. 王樹起, 韓曉增, 喬云發, 等. 不同土地利用和施肥方式對土壤酶活性及相關肥力因子的影響. 植物營養與肥料學報, 2009, 15(6): 1311-1316.

[12] Lin C, Wang F, Li Q H,etal. Effects of different fertilizer application strategies on nutrients and enzymatic activities in yellow clayey soil. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009, (6): 24-27. 林誠, 王飛, 李清華, 等. 不同施肥制度對黃泥田土壤酶活性及養分的影響. 中國土壤與肥料, 2009, (6): 24-27.

[13] Gao R, Lv J L. Study on the enzyme activities and fertility change of soils by a long-term located utilization of different fertilizers. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2005, 13(1): 143-145. 高瑞, 呂家瓏. 長期定位施肥土壤酶活性及其肥力變化研究. 中國生態農業學報, 2005, 13(1): 143-145.

[14] Hu L. Effect of Glyphosate on Soil Biochemical Activity[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2009. 呼蕾. 草甘膦對土壤生化活性影響的研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2009.

[15] Zhong X L, Li J T, Li X J,etal. Early effect of soil aggregates on enzyme activities in a forest soil with simulated N deposition elevation. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(5): 1422-1433. 鐘曉蘭, 李江濤, 李小嘉, 等. 模擬氮沉降增加條件下土壤團聚體對酶活性的影響. 生態學報, 2015, 35(5): 1422-1433.

[16] Liang X Z, Zheng M N, Li Y F,etal. Characteristics of soil enzyme activities under artificial grasslands and crop in agro-pastoral transitional zone. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(20): 171-176. 梁秀芝, 鄭敏娜, 李蔭藩, 等. 農牧交錯帶人工草地及農作物下土壤酶活性特征. 中國農學通報, 2015, 31(20): 171-176.

[17] Li C X, Jiang L N, Lin L,etal. Effects of low temperature on soil enzyme activity of wheat seedling. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2012, 27(6): 92-96. 李春喜, 姜麗娜, 林琳, 等. 低溫對小麥幼苗根際土壤酶活性的影響. 華北農學報, 2012, 27(6): 92-96.

[18] Li Y Y, Zhou Y C, Zou J,etal. Study on rhizosphere soil enzyme activities of different vegetation types in the limestone area of Guizhou Province. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2007, 35(30): 9607-9609. 李媛媛, 周運超, 鄒軍, 等. 黔中石灰巖地區不同植被類型根際土壤酶研究. 安徽農業科學, 2007, 35(30): 9607-9609.

[19] Zhou J G, Yang P M. Effects of different fertilizer on soil urease and alkaline phosphatase activity. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2012, 25(2): 577-579. 周俊國, 楊鵬鳴. 不同肥料對土壤脲酶和堿性磷酸酶活性的影響. 西南農業學報, 2012, 25(2): 577-579.

[20] Guo T C, Song X, Ma D Y,etal. Effects of nitrogen application rate on soil enzyme activities in wheat rhizosphere. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(1): 112-116. 郭天財, 宋曉, 馬冬云, 等. 施氮量對冬小麥根際土壤酶活性的影響. 應用生態學報, 2008, 19(1): 112-116.

[21] Jia W, Zhou H P, Xie W Y,etal. Effects of long-term inorganic fertilizer combined with organic manure on microbial biomass C,N and enzyme activity in cinnamon soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4): 700-705. 賈偉, 周懷平, 解文艷, 等. 長期有機無機肥配施對褐土微生物生物量碳、氮及酶活性的影響. 植物營養與肥料學報, 2008, 14(4): 700-705.

[22] Liu H, Lin Y H, Zhang Y S,etal. Effects of long-term fertilization on biodiversity and enzyme activity in grey desert soil. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(8): 3898-3904. 劉驊, 林英華, 張云舒, 等. 長期施肥對灰漠土生物群落和酶活性的影響. 生態學報, 2008, 28(8): 3898-3904.

[23] Zheng Y, Gao Y S, Zhang L M,etal. Effects of long-term fertilization on soil microorganisms and enzyme activities in an upland red soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(2): 316-321. 鄭勇, 高勇生, 張麗梅, 等. 長期施肥對旱地紅壤微生物和酶活性的影響. 植物營養與肥料學報, 2008, 14(2): 316-321.

[24] Ma N N, Li T L, Wu C C,etal. Effects of long-term fertilization on soil enzyme activities and soil physicochemical properties of facility vegetable field. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(7): 1766-1771. 馬寧寧, 李天來, 武春成, 等. 長期施肥對設施菜田土壤酶活性及土壤理化性狀的影響. 應用生態學報, 2010, 21(7): 1766-1771.

[25] Martens D A, Johanson J B, Frankenberger Wt Jr. Production and persistence of soil enzymes with repeated addition of organic residues. Soil Science, 1992, 153(1): 53-61.

[26] Pascual J A, Garcia C, Hernandez T. Lasting microbiological and biochemical effects of the addition of municipal solid waste to an arid soil. Biology and Fertility of Soils, 1999, 30(1): 1-6.

[27] Wang Z G. Conservation Tillage Impact on Enzyme Activities of Soil in Rainfed Field[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2009. 王智功. 保護性耕作對旱作農田土壤酶活性的影響[D]. 呼和浩特: 內蒙古農業大學, 2009.

[28] Liu S Y. Effects of different fertilization on soil urease, nitrogen and their correlation in semiarid area of northwest China. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(1): 219-223. 劉淑英. 不同施肥對西北半干旱區土壤脲酶和土壤氮素的影響及其相關性. 水土保持學報, 2010, 24(1): 219-223.

[29] Sun J P, Tang L, Xu Y B,etal. Effect of nitrogen application on urease activity in rhizosphere soil of wheat and faba bean intercropping system. Journal of Yunnan Agricultural University： Natural Science Edition, 2015, 30(3): 464-470. 孫建平, 湯利, 續勇波, 等. 施氮對小麥蠶豆間作根際土壤脲酶活性的影響. 云南農業大學學報：自然科學版, 2015, 30(3): 464-470.

[30] Gao X J, Zhang R Z, Yang Z D. Effects of different tillage practices on the dynamics of soil enzyme activities in dryland. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(5): 1012-1016. 高秀君, 張仁陟, 楊招弟. 不同耕作方式對旱地土壤酶活性動態的影響. 土壤通報, 2008, 39(5): 1012-1016.

[31] Kong T, Liu M, Ma Y,etal. Response of cucumber yield and soil enzyme activities to organic fertilizer of residue after evaporation from vitamin C fermentation and abandoned medium. Environmental Chemistry, 2015, 34(12): 2275-2280. 孔濤, 劉民, 馬瑜, 等. 黃瓜產量及土壤酶活性對基于古龍酸母液與廢棄培養基有機肥的響應. 環境化學, 2015, 34(12): 2275-2280.

[32] Zheng H Y, Zhang D S. Soil Dynamic Biochemistry Method[M]. Beijing: Science Press, 1982: 29. 鄭洪元, 張德生. 土壤動態生物化學研究法[M]. 北京: 科學出版社, 1982: 29.

[33] Tian Y Q, Cao Z F, Zhang X Y,etal. Changes of soil enzyme activities under different agricultural treatments in greenhouse and its correlation analysis. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(4): 857-864. 田永強, 曹之富, 張雪艷, 等. 不同農藝措施下溫室土壤酶活性的動態變化及其相關性分析. 植物營養與肥料學報, 2009, 15(4): 857-864.

Soil enzyme activities in alpine naked oat-artificial grassland in response to fertilizer and legume mix levels

LIU Wen-Hui1,2, ZHANG Ying-Jun1,3*, SHI Shang-Li1, HE Yong-Juan2, SUN Jian4, WEI Xiao-Xing2

1.PrataculturalCollegeofGansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.KeyLaboratoryofSuperiorForageGermplasmintheQinghai-TibetanPlateau,QinghaiAcademyofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xining810016,China; 3.InstitudeofGrasslandSciences,ChineseAgriculturalUniversity,Beijing100094,China; 4.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

To investigate the dynamics of soil enzymatic activity with regard to the combined effects of oat variety and different fertilizer and legume mixtures, an orthogonality experiment has been conducted in an alpine area. The experiment consists of three factors (oat varieties, fertilizer and legume mixtures) and four levels made up of (1) four oat varieties:Avenasativacv. Qingyan No.1,A.sativacv. Lena,A.sativacv. Qinghai 444,A.sativacv. Qinghai; (2) four fertilizer mixes: CK0, urea (75 kg/ha)+NH4H2PO3(150 kg/ha), organic manure (1500 kg/ha), urea (37.5 kg/ha)+NH4H2PO3(75 kg/ha)+organic manure (750 kg/ha); and (3) fourViciasativasow mixture rates: 0 kg/ha, 45 kg/ha, 60 kg/ha, 75 kg/ha. The results showed that appropriate combinations of oat variety, fertilizer mixes and legume sow rates can significantly improve soil enzymatic activities. The activities of soil urease, cellulose and invertase were respectively in the range of 400-900 μg/g, 80-180 μg/g and 4-7 mg/g in the cultivated alpine soil. Ranked from high to low, the factors that influenced soil enzymatic activities were first fertilizer mix, then variety, then legume mixture rate. Soil urease activity first increased and then decreased during the growth period, peaking at anthesis; cellulose activity first decreased and then increased, peaking at jointing stage; invertase activity had two periods of increase followed by decrease, with double peaks at the jointing and heading stages. Soil enzyme dynamics were calculated using the relative enzymes activity index and the relative enzyme activity comprehensive index. The highest soil enzymatic activities were recorded in the treatment consisting of the Qinghai 444 or Qinghai sweat oat variety mixed with 45 kg/haV.sativaand fertilized with 37.5 kg/ha urea, 75 kg/ha NH4H2PO3and 750 kg/ha organic manure.Key words: alpine area; variety; fertilization rate; legume mixed sowing; soil enzymatic activity

10.11686/cyxb2016196

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-05-09；改回日期：2016-06-28

“現代農業產業技術體系建設專項資金”(CARS-35-41)，農業部“青藏高原牧草種質資源保護利用”項目(13162130135252040)和青海省飼草產業科技創新平臺項目資助。

劉文輝(1979-)，男，青海貴德人，副研究員。E-mail：qhliuwenhui@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail：zhangyj@cau.edu.cn

劉文輝, 張英俊, 師尚禮, 賀永娟, 孫建, 魏小星. 高寒區施肥和豆科混播水平對燕麥人工草地土壤酶活性的影響. 草業學報, 2017, 26(1): 23-33.

LIU Wen-Hui, ZHANG Ying-Jun, SHI Shang-Li, HE Yong-Juan, SUN Jian, WEI Xiao-Xing. Soil enzyme activities in alpine naked oat-artificial grassland in response to fertilizer and legume mix levels. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 23-33.