施肥與切根對退化羊草草原土壤理化性質和酶活性的影響

秦燕，劉文輝，何峰，仝宗永，李向林*

(1.青海大學畜牧獸醫科學院,青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016；2.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193)

干旱半干旱草原是我國北方農牧交錯帶重要的畜牧業生產基地，也是維護國家和區域生態安全的重要屏障[1]，由于受到自然和人為等因素影響，該區普遍存在不同程度的退化問題。農業管理措施(施肥、圍欄、放牧、火燒以及刈割等)通過對草地土壤結構、養分物質以及微生物群落結構等因素的影響，進而對草地生態系統的能量流動及物質轉化過程產生作用，從而提高草地生態系統的可持續發展能力。長期以來，前人研究多集中在管理措施對草地植物群落的結構[2-4]、生產力[5-7]、土壤養分[8-10]等的影響。近年來，由于人們認識到土壤微生物在物質轉化過程中的重要功能，土壤微生物參數在生態系統健康評價方面的研究受到越來越多的關注。土壤酶主要來源于土壤中動物、植物根系和微生物的細胞分泌物以及殘體的分解物，是土壤中最活躍的有機組成部分。土壤酶參與土壤中腐殖質的合成與分解、動植物和微生物殘體等有機體的水解與轉化、有機和無機化合物的各種氧化還原反應等生物化學過程，因此，土壤酶活性與土壤中營養元素的釋放與貯存、腐殖質的形成與發育、土壤結構和物理狀況密切相關。很多研究結果[11-13]已表明，土壤酶活性與土壤微生物量碳和氮，有機質含量、pH、含水量等土壤性質之間存在顯著的相關關系，對環境因子變化敏感[14-18]，是反應土壤肥力狀況和環境變化的重要指標，具有多方面的生態學意義。施肥通過提高土壤中有效養分的含量達到維持草地生態系統養分平衡的目的[19-20]；切根通過改變植物群落物種組成、土壤質地狀況及土壤養分轉化等途徑，提高草地生產性能[21-24]，兩者是改良和培育羊草草原常用的有效措施。

河北壩上塞北管理區羊草草地由于長期割草和放牧利用導致系統養分大量輸出，土壤肥力下降，植物群落結構發生改變，羊草(Leymuschinensis)優勢度降低，委陵菜(Potentilla)、蒿屬(Artemisia)等雜草頻度增加，草地生產力下降。恢復和提高草地生產力成為該地區生態環境保護和有機畜牧業發展亟待解決的生產管理問題。何丹[25]研究了劃破草皮、灌溉、施肥及其互作對研究區草地的改良效果，結果表明增施氮肥在促進羊草種群增長、提高草地生產力以及改善土壤養分方面效果明顯，但施磷肥、氮磷配施對研究區草地影響的報道較少。由于成土因素影響，氮、磷養分是我國農業生產第一生產力的主要限制因子。隨著近年氮沉降問題的加劇，氮、磷養分添加對天然草地植物養分吸收利用、土壤養分有效性及生產力的影響受到越來越多的關注[26-29]。因此，本試驗擬在前期研究基礎上，進一步系統研究施肥(氮肥、磷肥以及氮磷配施)和切根對研究區草地生產系統地上植被特征、土壤理化及微生物特性和系統養分轉化的影響，本研究重點探討了其對土壤理化性質、酶活性的影響，旨在揭示施肥和切根對土壤理化性質的影響以及與土壤碳、氮、磷轉化相關的酶活性的響應，為預測和評價研究區草地管理培育措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 研究區2005-2014年月均降水量和氣溫Fig.1 Monthly rainfall and air temperature of the study site between 2005 and 2014

河北省張家口市塞北管理區瀕臨錫林郭勒草原南緣(N 41°45′57″, E 115°39′48″, 海拔1400 m)，是中國農牧交錯帶半干旱區典型羊草草原。大陸性季風氣候，年均溫4.2 ℃，≥0 ℃年積溫2629.5 ℃，無霜期141 d，年均降水量403 mm(主要集中在7-9月)，年均蒸發量1785 mm，年均風速2.6 m·s-1。研究區2005-2014年的降水和氣溫情況見圖1。

研究區草地植被類型為草甸草原，草地已退化，表現為禾本科植物種類減少，植物群落改變，羊草，克氏針茅(Stipakrylovii)為主要建群種，伴生種有冷蒿(Artemisiafrigida)，南牡蒿(Artemisiaeriopoda)，阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)，糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)，柴胡(Bupleurumchinense)，扁蓿豆(Medicagoruthenica)等。草地每年8月上旬刈割1次。土壤以栗鈣土、草甸土為主，土壤基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

本試驗設7個處理，4次重復，共計28個小區，隨機區組設計。每個小區大小為4 m×5 m，小區間設置3 m緩沖帶。分別于2014、2015年5月(牧草返青期)和7月(牧草生長旺盛期)進行施肥處理，具體方法為：尿素溶于10 L水中噴灑，磷肥撒施；于5月(牧草返青期)用鐵鍬進行切根處理，標準為深10 cm、寬10 cm；此外，在對照、切根和單施磷肥處理樣方內噴灑10 L水來保持試驗的一致性。施肥量和肥料種類如表2所示。

表1 試驗地土壤性質Table 1 Soil nutrient status before agronomic measures

表2 試驗處理Table 2 Treatments included in the study

1.3 研究方法

土壤理化性質于2015年8月上旬采集土壤樣品。使用土鉆(直徑5 cm)在每小區隨機取0～10 cm 土壤5鉆混合為一個土樣，除去植物殘體和礫石，過2 mm篩，自然風干后放在實驗室樣品室常溫保存備用。土壤理化性質采用常規方法測定。用電導儀(DDS-307)測定土壤電導率，采用電位法測土壤pH值，重鉻酸鉀氧化滴定法測土壤有機碳含量，全自動凱氏定氮儀(UDK 159, VELP Scientifica, Italy)測土壤全氮含量，雙波長紫外分光光度法測定土壤硝態氮含量，靛藍比色法測定土壤銨態氮含量，流動注射分析儀(FLA star 5000 Analyzer, Foss, Denmark)測定土壤全磷含量。

土壤酶活性土壤取樣與采集土壤理化性質樣品同時進行，用冰袋保存帶回實驗室4 ℃冰箱保存，并于7 d內完成土壤酶活性的測定。土壤酶活性測定的原理：用甲苯浸泡土壤抑制微生物的干擾，加入適宜的緩沖液和反應基質，在最適溫度條件下進行培養一定的時間；酶活性以單位土壤酶促反應下生成物質的濃度進行計算。土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶采用關松蔭[29]的方法；土壤堿性磷酸酶活性采用趙蘭坡等[30]的方法。

1.4 數據處理

采用Excel 2010整理、計算數據、制圖；采用SPSS 21.0軟件進行數據統計分析，單因素方差分析模塊(One-way ANOVA)進行不同處理各指標間的差異顯著性分析，采用Pearson’s進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 施肥和切根對草地土壤理化性質的影響

連續2年進行施肥和切根，各處理草地土壤有機碳含量、C/N均有增加的趨勢，而全磷含量、pH呈現出下降的趨勢；單施氮肥處理LN、HN中電導率小于對照CK，而氮磷配施處理LNP、HNP和切根處理RT大于CK。土壤有機碳含量、C/N、全磷含量、電導率和pH在7個處理間的差異均不顯著(P>0.05)，平均值分別為1.43%、3.85、0.72 g·kg-1、310 μs·cm-1、7.27(表3)。各處理土壤全氮含量變化范圍為1.83～2.51 g·kg-1，與對照相比，切根處理使土壤全氮含量顯著降低(P<0.05)，但施肥各處理LN、LNP、HN、HNP和P未引起土壤全氮含量顯著的變化(P>0.05)。

施肥和切根處理影響土壤礦質氮含量。土壤銨態氮、硝態氮、有效氮含量在施氮肥的各處理中均呈現出增加的趨勢，其中高氮處理HN和HNP較對照CK分別提高了50.00%和70.91%、154.46%和104.46%、122.47%和97.80%，差異顯著(P<0.05)。氮磷配施處理的礦質氮含量較相應的單施氮肥處理表現出降低的趨勢，但差異不顯著(P>0.05)。土壤礦質氮含量在單施磷肥處理中表現出降低的趨勢，在切根處理中表現出增加的趨勢，差異均不顯著(P>0.05)。

2.2 施肥和切根對草地土壤酶活性的影響

農業措施與對照相比較，切根使草地土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈現出升高的趨勢，但與CK差異都不顯著(P>0.05)；施肥措施使草地土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈現出降低的趨勢，其中P處理過氧化氫酶活性和脲酶活性分別降低了8.20%和2.09%，且差異顯著(P<0.05)，施氮肥各處理(LN、LNP、HN、HNP)之間的4種酶活性差異都不顯著(P>0.05)(表4)。

RT處理的土壤4種酶活性均高于施肥各處理。RT樣地過氧化氫酶活性為1.48 mg H2O2·g-1·20 min-1，較LN處理和P處理高1.13%和2.03%，差異顯著(P<0.05)，與其他施肥處理差異不顯著(P>0.05)；脲酶活性對農業措施的響應較為敏感，各處理脲酶活性的變化范圍為0.82(LNP)～2.26(RT) mg NH4+·g-1·3 h-1，且RT處理較LN、LNP、HN、HNP和P處理分別高了31.40%、175.61%、52.70%、64.96%和49.67%，差異均顯著(P<0.05)；各處理蔗糖酶活性的變化范圍為65.82～83.29 mg G·g-1·24 h-1，RT處理較LN、HNP和P處理分別高了23.39%、19.65%和26.54%，差異顯著(P<0.05)，與LNP、HN處理差異不顯著(P>0.05)；堿性磷酸酶活性在切根與施肥各處理間的差異均不顯著。

不同施肥措施相比較，除土壤脲酶活性外，P處理的過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性均低于施氮肥的各處理(LN、LNP、HN、HNP)。P處理的過氧化氫酶活性與LNP、HN、HNP處理差異顯著(P<0.05)，與LN差異不顯著(P>0.05)；P處理的堿性磷酸酶、蔗糖酶與施氮肥各處理差異均不顯著(P>0.05)。脲酶活性大小順序為LN>P>HN>HNP>LNP,表現為氮磷配施LNP、HNP處理低于相應的單施氮肥 LN、HN處理，LN與LNP差異顯著(P<0.05)，HN與HNP差異不顯著(P>0.05)。

2.3 土壤理化性質與酶活性相關性分析

實施農業管理措施第2年，土壤性質各指標間的相關性分析如表5，土壤有機碳、蔗糖酶活性與土壤性質的各指標之間存在較好的相關關系。土壤有機碳與全氮、碳氮比、銨態氮、硝態氮、速效氮存在正相關關系，其中與全氮(r=0.762,P<0.001)、碳氮比(r=0.740,P<0.001)呈顯著正相關關系；與全磷、電導率、pH、土壤酶活性存在負相關關系，其中與過氧化氫酶活性(r=-0.506,P<0.05)、脲酶活性(r=-0.480,P<0.05)呈顯著負相關關系。土壤蔗糖酶活性與有機碳、全氮、碳氮比、銨態氮、硝態氮、速效氮、pH存在負相關關系，其中與碳氮比(r=-0.493,P<0.05)、硝態氮(r=-0.441,P<0.05)、速效氮(r=-0.457,P<0.05)呈顯著負相關關系；與全磷、電導率、土壤酶活性存在正相關關系，其中與過氧化氫酶(r=0.611,P<0.01)、脲酶(r=0.545,P<0.01)、堿性磷酸酶(r=0.519,P<0.05)呈顯著正相關關系。

此外，碳氮比與電導率(r=-0.442,P<0.05)、過氧化氫酶活性(r=-0.555,P<0.01)呈顯著負相關關系；銨態氮與硝態氮(r=0.550,P<0.01)、速效氮(r=0.729,P<0.001)呈顯著正相關關系；硝態氮與速效氮呈顯著正相關關系(r=0.901,P<0.001)；過氧化氫酶與堿性磷酸酶活性呈顯著正相關關系(r=0.485,P<0.05)。全磷、pH 兩個指標與土壤性質各指標的相關性均未達到顯著水平(P>0.05)。

表5 實施農業措施2年后土壤性質指標間的相關性分析Table 5 Correlation analysis of soil properties 2 years after agricultural practices

注：*表示P<0.05，** 表示P<0.01。

Note: * isP<0.05，** isP<0.01.

3 討論與結論

3.1 施肥和切根對土壤理化性質的影響

施肥是基于19世紀德國杰出化學家李比希的“養分補償學說”提出的一項農業措施，是維持草地生態系統養分平衡的重要管理措施。在各類草地管理實踐中，施肥已被公認為是恢復退化草地以及提高草地生產力有效農業措施之一[32-35]，對土壤理化性質的影響往往因施肥種類、施肥量、施肥年限、土壤基況以及配套措施的不同結果不盡相同。

施肥對土壤速效氮養分含量產生顯著的影響。連續2年表施控釋肥和包膜肥(N 25%，P2O515%)使內蒙古退化草地土壤肥力明顯提高，尤其使速效磷、水解氮速效養分含量大幅提高[8]。新疆昭蘇馬場退化草地施加氮肥(尿素75～300 kg·hm-2)后，0～20 cm 土層土壤有機質、速效鉀、全氮、速效氮含量都有所提高，其中施肥量為225 kg·hm-2時土壤養分含量增幅最大，并有效改善草地植物群落結構[36]。高寒退化草地施肥兩年的研究結果表明，0～15 cm土層土壤的有機質、全氮、全磷、速效氮含量均有增加的趨勢[37]。這些不同研究區域的短期施肥試驗結果均表明，施肥使土壤中速效養分含量顯著提高，但土壤有機質、全氮等指標沒有明顯的響應或響應相對滯后。速效養分是土壤中水溶態和交換態養分的總和，可直接被植物根系吸收利用，但土壤中速效養分含量較低，是限制植物生長最重要的因素，因此，農業生產實踐中常通過人為施肥尤其是化學肥料快速增加土壤中的速效養分，滿足植物生長需求，達到增產的目的。本試驗對華北農牧交錯區退化羊草草地進行了連續兩年的施肥處理，發現土壤基本理化性質，如有機碳含量、全氮含量、全磷含量、C/N、電導率和pH均沒有明顯的響應；而施氮肥使土壤中速效氮成分，如銨態氮、硝態氮含量增加，這與以上研究結果一致。此外，我們還發現氮磷配施處理的速效氮含量均較相應的單施氮肥處理低，并且單施磷肥使速效氮含量降低。本研究分析施入過磷酸鈣肥料可能通過兩種途徑改變了土壤中的速效氮含量：一是促進植物根系對礦質氮的吸收利用，二是抑制土壤有機氮的礦化作用。此外，本課題組在前期的試驗中已證實研究區草地實施氮磷配施處理對土壤氮素的礦化具有明顯的抑制作用[32]。在土壤施肥實踐中，氮磷配施對植物生長的影響主要表現為協同作用，在于植物蛋白質合成過程中，磷能夠促進植物體內NO3-的還原和同化，進一步影響光合作用，并且與其對土壤有機質礦化的影響有關[38-40]。

切根加速了土壤有機質的礦化，使土壤全氮含量下降，速效氮含量增加。切根一方面通過疏松土壤，改善土壤通透性，促使好氧細菌大量繁殖，發揮礦化功能，有利于有機質轉化為無機態養分供根系吸收利用；另一方面則通過羊草根莖的切斷，刺激羊草的無性繁殖，從而促進優勢植物羊草群落的自然復壯。前人采用劃破草皮措施使美國南達科他州黏重土壤上藍莖冰草(Agropyronsmit-hiiRydb)種群數量和產量大幅提高[41]。內蒙古錫盟羊草草地實施切根措施，使土壤有機質含量降低，6-9月土壤硝態氮和礦質氮均呈下降的趨勢[24]。何丹[25]在本試驗研究區的結果表明劃破草皮可以增加土壤通氣透水性，破除原來板結的土壤，疏松的土壤使地表徑流減少，土壤朝著有利于植物生長的方向轉變，土壤保水力增強，含水量提高，進一步促進植物的生長。本試驗的結果表明切根使土壤全氮含量下降，礦質氮含量增加，可能由于切根提高了土壤的透氣性和保水性，促進了土壤微生物活性，加速了土壤有機氮的礦化，一方面，為植物生長提供了有效態氮，氮素轉化為植物有機組成部分，另一方面，氮素可能通過反硝化作用轉化為NO、N2O以及NH3，造成損失[42-43]。然而不一樣的結果是，松嫩草原羊草草甸在切根處理第二年，0～10 cm土壤中銨態氮、全氮和全磷含量明顯提高[23]。切根對退化羊草草地土壤養分指標的影響不盡一致的結果，可能與草地土壤基本狀況、生長季的水熱條件以及植物群落結構有關。

3.2 施肥和切根對土壤酶活性的影響

土壤酶對環境擾動反應敏感，常作為衡量陸地生態系統土壤質量變化的預警指標。土壤過氧化氫酶是氧化還原酶類，在土壤中酶促氧化還原反應，是表征土壤生物氧化過程強弱的指標。土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶屬于水解酶類，酶促各種化合物中分子鍵的水解和裂解反應，分別參與土壤有機質中碳、氮、磷等養分轉化釋放的生物化學反應。土壤中各種酶類相互作用共同推動物質轉化和能量流動，是土壤生態系統代謝的重要動力因素。

與施肥措施相比較，切根措施更有利于促進研究區草地土壤酶活性的提高。通常情況下，草地施入氮肥尿素，脲酶催化反應的底物增加，有利于土壤中尿素氮的水解釋放，但這個過程受多種因素的影響。一般來說，尿素的分解速度隨溫度的升高、pH的降低而增加[44]。在pH為4.5～5.0的酸性土壤中，溫度為10 ℃時，尿素完全水解需要5 d以上；當pH大于5.6時，無論溫度高低，尿素在3 d以內就能完全分解,在春季10～14 ℃條件下尿素分解反應達到高峰需要6 d，而在夏季33～35 ℃條件下，僅需要3 d。磷肥過磷酸鈣是一種水溶性速效磷肥，因含有少量游離的磷酸，能起到固定銨態氮的作用，減少氨氣的揮發從而提高氮素的利用率[33,45]。本試驗氮素礦化的結果證實施氮肥促進草地土壤氮素的礦化作用，但配施磷肥對其有抑制作用，并且在施肥初期磷肥處理的銨態氮含量均小于相應的單施氮肥處理。本試驗結果表明各種施肥處理均使土壤酶活性降低，尤其單施磷肥對酶活性有明顯的抑制作用，并且脲酶活性對磷肥添加反應更敏感，這與礦化試驗的結果相互印證，說明磷肥對研究區草地的影響較大，但磷肥抑制脲酶活性的機制尚不清楚，可能與過磷酸鈣肥的弱酸性以及植物根系吸收分泌過程有關。在高寒草甸施肥抑制土壤纖維素酶、多酚氧化酶和過氧化物酶活性，而N、P、K配施使土壤脲酶和磷酸酶活性提高[37]。也有研究表明增施有機肥可以不同程度地提高土壤酶活性，而單施氮肥導致酶活性降低[46]。在本試驗中，與施肥措施的效果相反，切根對土壤酶活性起到促進的作用，這可能與切根處理使土壤透氣性增加促進好氧微生物的增殖，以及提高根系滲出分泌物等過程相關。在我國呼倫貝爾草甸草原的研究結果就很好的證明了上述觀點，翻耕短期內使土壤呼吸明顯加速[46]。此外，土壤理化性質的結果表明切根使土壤全氮含量降低，電導率、C/N升高，也可能是與酶活性的改變有關。因此，有必要進一步探索切根配合施肥措施對研究區草地的培育效果。