黃土高原種植不同人工牧草對土壤酶活性的影響

韓國君， 何明珠， 黃海霞， 宋 捷， 馬樂元

(1. 甘肅農業大學 資源與環境學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.中國科學院西北生態環境資源研究院， 甘肅 蘭州 730000； 3.甘肅農業大學 林學院， 甘肅 蘭州 730070)

黃土高原是中國典型的生態脆弱區和水土保持重點區，也是中國治理水土流失和建設生態環境的關鍵區[1-2]。該區長期開展生態恢復的綜合治理研究，退耕還林還草是黃土高原人工植被建設的重要措施之一，對脆弱生態恢復、土壤結構改良和土壤肥力提升發揮積極作用[2-3]。土壤酶是土壤有機體的代謝動力，是評價土壤質量和生態環境質量一項重要生物指標[4-6]，土壤酶學特征也是反映生態系統中土壤肥力和土壤有機氮庫變化一個潛在指標[5,7]。土壤酶活性受到植被類型、土地利用方式、施肥、放牧、種植年限和季節變化等多因素的影響[8-10]。分析種植牧草后土壤酶活性的變化是評價人工植被建設成效的一項主要指標。土壤酶具有較強的抗逆性，可有效調節干旱貧瘠土壤養分的轉化。有關牧草種植的研究表明，青海湖沙化區人工種植披堿草、堿茅和早熟禾顯著提高土壤養分、土壤脲酶和過氧化氫酶的活性[11]。人工重建牧草截葉胡枝子和寬葉雀稗能增加退化紅壤養分含量和提高土壤過氧化氫酶、酸性磷酸酶和脲酶活性[12]。由于入侵植物通過影響牧草的土壤酶活性和微生物群落結構而改變植物之間的競爭格局，入侵植物對垂穗披堿草、老芒麥和早熟禾土壤養分、土壤微生物量和土壤酶活性產生顯著影響[13]。石羊河退耕地土壤酶活性與土壤微生物存在緩慢的互饋響應，0—10 cm表層土壤中土壤微生物生物量及酶活性占較大比例[14]。前人較為集中地研究了人工種植苜蓿對土壤有機碳、土壤微生物、土壤理化性質、土壤養分及土壤酶活性的影響[15-17]，但較少研究人工種植不同牧草對土壤酶活性的影響。因此，研究黃土高原種植人工牧草品種對土壤酶活性的影響十分必要。本試驗以黃土高原主要優良人工牧草地為研究對象，旨在探討牧草品種、土層深度和季節變化對土壤酶活性的影響，以期為提高黃土高原人工植被的穩定性、提升土壤肥力和防治水土流失相關研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于農業部蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站，地理位置為36°01′N，103°45′E，海拔1 751 m，屬于典型的黃土高原半干旱區。年均降水量約323.5 mm，主要集中于7—9這3個月，蒸發量約1 445.0 mm，日照時間2 741.6 h，年平均氣溫達9.4 ℃。該試驗區屬于黃土高原半干旱丘陵溝壑區，土壤母質類型為第四紀風成黃土，土層深厚，土壤為灰鈣土。試驗區0—10 cm土層基本土壤養分情況如表1所示。

表1 試驗地土壤基礎養分情況

1.2 試驗處理

試驗于2014年4月條播種植了4種豆科牧草和3種禾本科牧草，行距30 cm，播種深度2～5 cm，設紫花苜蓿、貓尾草、紅豆草、沙打旺、陸地中間偃麥草、冷地早熟禾、垂穗披堿草7種人工牧草地，以無種植的撂荒地為對照，共8個試驗處理(見表1)。小區面積15 m2(5 m×3 m)，每個試驗處理3個重復，共計24個小區，按隨機區組排列。播種前施用尿素75 kg/hm2作為底肥，此后不施肥，每年3月返青，10月刈割，地力和田間管理條件基本一致。2016年3,6,9,12月取土壤樣品，取樣土層深度為0—5 cm和5—10 cm。土壤樣品裝于自封袋中保存并置于4 ℃冰箱進行冷藏。

表2 人工種植牧草地的試驗處理

1.3 土壤酶測定方法

土壤脲酶活性的測定方法采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[18]，酶活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數表示；土壤蔗糖酶活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[18]，酶活性以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克數表示；土壤磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法[18]，酶活性以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的毫克數表示；土壤過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[18]，酶活性以高錳酸鉀溶液滴定過氧化氫分解反應剩余過氧化氫的量表示。

1.4 數據處理

用SPSS 20.0對數據進行單因素方差分析及交互作用分析，用Duncan氏法進行多重比較。用Origin Pro 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同牧草地土壤脲酶活性的季節性變化

通過比較不同牧草土壤脲酶活性季節間的變化(圖1)，6月不同人工牧草地土壤脲酶活性明顯高于3，9，12月。在6月垂穗披堿草(P3)地和紅豆草(L3)地的土壤脲酶活性差異顯著(p<0.05)，垂穗披堿草(P3)地土壤脲酶活性比紅豆草(L3)地高52.1%。0—5 cm土層土壤脲酶活性顯著高于5—10 cm土層，0—5 cm土層和5—10 cm土層中冷地早熟禾(P2)、垂穗披堿草(P3)地的土壤脲酶活性較高，紅豆草(L3)、沙打旺(L4)地的土壤脲酶活性較低。

注：CK為撂荒地對照； P1為陸地中間偃麥草； P2為冷地早熟禾； P3為垂穗披堿草； L1為紫花苜蓿； L2為貓尾草； L3為紅豆草； L4為沙打旺。不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1 不同牧草土壤脲酶活性的季節性變化特征

2.2 不同牧草地土壤蔗糖酶活性的季節性變化

不同牧草土壤蔗糖酶活性的季節變化如圖2所示。6月份不同牧草地土壤的蔗糖酶活性顯著高于3月份、9月份和12月份。在0—5 cm土層中，蔗糖酶的活性顯著高于其在5—10 cm土層中的活性(p<0.05)。在0—5 cm的土層中，貓尾草(L2)和陸地中間偃麥草(P1)地的土壤蔗糖酶活性較高，沙打旺(L4)地的酶活性較低。在5—10 cm的土層中，陸地中間偃麥草(P1)地的蔗糖酶活性較高，沙打旺(L4)草地酶活性較低。

圖2 不同牧草土壤蔗糖酶活性的季節性變化

2.3 不同牧草地土壤堿性磷酸酶活性的季節性變化

通過不同牧草土壤堿性磷酸酶活性的季節變化規律如圖3所示。從圖3可以看出，3，6，9，12月份不同人工牧草地土壤堿性磷酸酶均較高。其中6月份土壤堿性磷酸酶活性較高，9月份酶活性較低。3，6，9，12月份，在0—5 cm土層中土壤堿性磷酸酶活性顯著高于5—10 cm土層(p<0.05)。在0—5 cm土層中，紫花苜蓿(L1)草地土壤堿性磷酸酶活性較高，沙打旺(L4)地酶活性較低。其中，紫花苜蓿(L1)草地土壤堿性磷酸酶活性比沙打旺(L4)地高22.9%。在5—10 cm土層中，垂穗披堿草(P3)地土壤的堿性磷酸酶活性較高，沙打旺(L4)地的酶活性較低。其中，垂穗披堿草(P3)地的土壤堿性磷酸酶活性比沙打旺(L4)地高33.2%。

圖3 不同牧草土壤堿性磷酸酶活性的季節性變化

2.4 不同牧草地不同季節的土壤過氧化氫酶活性

不同牧草土壤過氧化氫酶活性的季節變化如圖4所示。由圖4可知6月不同人工牧草地土壤過氧化氫酶活性高于3月、9月和12月，除紫花苜蓿和貓尾草地的酶活性有著較為明顯的季節變化差異外，其它處理下的人工牧草地土壤過氧化氫酶活性變化不顯著。在0—5 cm和5—10 cm土層的土壤過氧化氫酶活性差異不顯著。在0—5 cm土層中，沙打旺(L4)和冷地早熟禾(P2)草地的過氧化氫酶活性較低，其他處理無顯著差異。5—10 cm土層中，紅豆草(L3)和沙打旺(L4)草地中的過氧化氫酶活性較低，其他處理無顯著差異。

圖4 不同牧草土壤過氧化氫酶活性的季節性變化

2.5 土壤酶活性的交互效應

由牧草品種、季節和土層深度對土壤酶活性影響的交互作用分析(表3)可知，季節和土層深度的交互作用對脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性產生極顯著影響。品種和季節的交互作用對脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶產生極顯著影響；而品種和土層深度互作以及品種、季節和深度3因素互作對脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的影響不顯著。

2.6 根據土壤酶活性對不同人工牧草品種進行聚類

通過運用聚類分析方法，將不同處理作為變量進行Q型聚類分析，計算距離時選擇平方歐氏距離，通過SPSS 20.0進行處理得到分析結果(圖5)。根據4種主要土壤酶活性的綜合排序分組，CK，L1，L3，L4為一類，P1，P2，P3和L2為另一類。即撂荒地、紫花苜蓿、紅豆草和沙打旺為一組，陸地中間偃麥草、冷地熟草禾、垂穗披堿草和貓尾草為另一組。

表3 牧草品種、季節和土層深度對土壤酶活性影響的交互作用分析

注：p<0.01為極顯著，p<0.05為顯著。

圖5 不同牧草地土壤酶綜合活性的聚類分析結果

3 討論與結論

3.1 討 論

土壤酶活性與土壤微生物量、土壤呼吸、土壤有機碳之間有一個明顯的互動過程，是一個敏感的生物指標，能反映出土壤微生物活性的高低[19-21]。植物群落物種組成與土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶等水解酶類的活性具有一定相關性，而土壤轉化酶差異不顯著[11,22]。通過添加生物炭提高了土壤堿性磷酸酶、纖維素酶的活性且延長酶活性的周期[23]。土壤活性有機碳組分在土壤表層顯著高于下層，土壤酶活性也隨土層深度的增加而降低，表明土壤活性有機碳與土壤酶活性密切相關[24]。有關人工植被建成后土壤酶活性變化表明，在三江源區重度退化草地人工種植優勢種垂穗披堿草的土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性顯著提高，而過氧化氫酶活性無明顯變化規律[22]。在人工楊樹林土壤中酶活性存在季節變化，春季的土壤脲酶、土壤蔗糖酶活性較高，而秋季的磷酸酶活性較高，過氧化氫酶季節變化不明顯[25]。果園生草可有效調節果園土壤微環境，增加了土壤微生物多樣性和土壤酶活性[26]。對比清耕、生草梨園土壤酶活性的空間變化，生草能提高梨園土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性[27]。本試驗研究結果為在黃土高原人工種植牧草后土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性增高，而過氧化氫酶在季節間差異不顯著。季節和土層深度的交互作用對脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性產生極顯著影響；品種和季節的交互作用對脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶產生極顯著影響。本試驗研究結果與前人[9,14]研究結果相似，說明牧草品種、季節和土層深度之間的土壤酶活性的存在差異。總體來看，人工種植紫花苜蓿土壤酶活性較高，種植沙打旺土壤酶活性較低。

研究人工種植牧草土壤酶活性的垂直分布特征，在青海湖東沙化區人工建植5 a的披堿草、堿茅和早熟禾后，土壤脲酶、過氧化氫酶的活性及土壤養分含量均顯著提高，且土壤酶活性與土壤養分含量呈顯著相關性[11]。在內蒙古人工種植紫花苜蓿0—40 cm土壤中脲酶、蔗糖酶過和氧化氫酶活性均隨土層深度的增加而降低[28]。同樣，在賀蘭山農牧場的這3種土壤酶活性隨土壤深度和種植年限的增加而降低，土壤酶活性主要集中在0—20 cm土層內。在鹽堿化草地土壤酶活性隨著土層深度的增加而逐漸降低，在0—5 cm土層土壤酶活性最強，具有“表聚性”特征[16,29]。受鹽堿化的影響過氧化氫酶、轉化酶對季節變化的敏感性下降而變化幅度較小，種植紫花苜蓿各土層之間的過氧化氫酶活性無顯著差異[9,16,29]。土壤過氧化氫酶也受土壤水熱狀況的協同作用，且過氧化氫酶活性與草地群落的生長狀態顯著相關[30]。但本試驗研究顯示，土壤過氧化氫酶活性在各土層之間差異不顯著，0—5 cm土層土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性顯著高于5—10 cm。土壤酶活性主要集中在0—5 cm土層內，也表現出土壤酶活性在土層“表聚性”。

3.2 結 論

(1) 種植人工牧草后0—5 cm土壤中脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性顯著高于5—10 cm，其中土壤脲酶活性差異最顯著，其次是堿性磷酸酶和蔗糖酶，而過氧化氫酶在各土層中的酶活性無顯著差異。

(2) 不同人工牧草地酶活性均以6月最高，其中脲酶和蔗糖酶表現最明顯，呈現“夏高型”特征。但土壤過氧化氫酶在各月中酶活性無顯著差異，可見季節變化對土壤過氧化氫酶活性的影響最小。

(3) 在黃土高原區種植人工牧草，可提高土壤酶活性，其中，種植紫花苜蓿對提高土壤酶活性的作用最為顯著，而種植沙打旺對提高土壤酶活性的作用則低于其它牧草品種。

致謝：感謝中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所/農業部蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站提供試驗平臺。