沙地豆禾混播草地土壤酶與土壤養(yǎng)分對混播比例的響應(yīng)

于鐵峰， 郝 鳳， 張永亮， 高 凱

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼 028042)

人工草地的建立是遏制土地沙漠化、恢復(fù)生態(tài)和發(fā)展草牧業(yè)的重要舉措[1]。紫花苜蓿(Medicagosativa)作為畜牧業(yè)生產(chǎn)中的首選飼草，其蛋白含量高、固氮能力強(qiáng)[2]；無芒雀麥(Bromusinermis)具有適口性好、易于栽培、產(chǎn)草量高等特點(diǎn)，2者均為多年生牧草，且已成為我國北方地區(qū)重要的戰(zhàn)略性保障飼草[3]。用苜蓿與無芒雀麥混播建立人工草地不僅經(jīng)濟(jì)效益高于種植糧食及其他飼草作物，而且其根系發(fā)達(dá)，固土培肥效果明顯，有利于土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的積累[4]。

土壤理化性質(zhì)是評價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，但理化性質(zhì)的變化比較緩慢，導(dǎo)致短期內(nèi)土壤質(zhì)量的微小變化難以體現(xiàn)[5]。而土壤酶是植物對土壤營養(yǎng)元素吸收與利用的直接參與者，是聯(lián)系植物與土壤的載體，其活性大小表征了土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，是土壤質(zhì)量、肥力及健康狀況的指示劑[6]。作為土壤的主要組成部分，土壤酶活性與土壤的生物特性、理化性質(zhì)等具有一定的關(guān)聯(lián)性，而且對環(huán)境的響應(yīng)特別敏感，施肥、作物種類、土壤類型都是引起其變化的重要因素[7-8]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤酶和土壤養(yǎng)分的關(guān)系開展了廣泛研究，但大多的研究對象是農(nóng)田[9]、草甸[10-11]或荒漠區(qū)[12]，且多集中于施肥[13-14]、品種選擇[15]、植被恢復(fù)重建[16-17]等，而不同的豆禾混播比例對旱區(qū)沙化草地土壤酶及土壤環(huán)境因素的影響研究較少。因此，本研究選擇科爾沁沙地紫花苜蓿與無芒雀麥混播植被為研究對象，分析不同混播比例對旱區(qū)沙化草地的土壤酶活性和營養(yǎng)物質(zhì)積累的影響以及2者之間的關(guān)系,以期為科爾沁沙地混播人工草地建植與管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)牧業(yè)科技示范園區(qū)。屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.4℃，極端最低溫-30.9℃，≥10℃積溫3 184℃，無霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長季降水量占全年的89%。土壤為風(fēng)沙土，土壤(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)含量4.86 g·kg-1、速效鉀94.7 mg·kg-1、速效磷10.5 mg·kg-1、堿解氮11.2 mg·kg-1、pH值為8.2。具有噴灌條件，干旱時(shí)灌水。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料：紫花苜蓿(品種為‘公農(nóng)1號’，來自吉林省農(nóng)科院)、無芒雀麥(品種為‘Carlton’，來自北京正道種業(yè)有限公司)。

供試肥料：尿素CO(NH2)2(含N≥46%)、過磷酸鈣Ca(H2PO4)2(含P2O5≥44%)、氯化鉀(含K2O≥60%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)，試驗(yàn)地于2017年5月22日建植，試驗(yàn)設(shè)豆禾2∶2和1∶2兩種間行混播比例。小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2，每區(qū)12行，行距30 cm，3次重復(fù)。苜蓿播種量為15 kg·hm-2，無芒雀麥播種量為30 kg·hm-2，豆禾2∶2處理苜蓿與禾草各占其單播量的50%，豆禾1∶2處理苜蓿與禾草各占其單播量的33%和67%。施肥試驗(yàn)于2018年進(jìn)行，氮磷鉀施肥量分別為：360 kg·hm-2，100 kg·hm-2，360 kg·hm-2。磷肥在返青期(4月10日)全部施入，氮肥和鉀肥分3次施入(牧草返青期施設(shè)計(jì)總量的40%、第1茬刈割后施30%、第2茬刈割后施30%)。第1次開溝施肥，在壟間開3～4 cm溝施肥，第2，3次撒施，每次施肥后均澆水。年刈割3次，1茬和2茬草在苜蓿盛花期刈割，刈割時(shí)間分別為6月初及7月中旬，3茬在9月初刈割，留茬高度5 cm。隨時(shí)人工防除雜草。

1.4 測定方法

取樣時(shí)間與方法：在每茬牧草刈割后第2天(6月12日、7月23日和9月4日)取土樣，取樣后施肥。每個(gè)小區(qū)按5點(diǎn)取樣法用土鉆鉆取0～40 cm土層土壤樣品，每層(10 cm)土壤混合成1個(gè)土樣，一部分土壤自然風(fēng)干后進(jìn)行土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定，一部分迅速放入冰盒中,并轉(zhuǎn)移至4℃冰箱，立即進(jìn)行土壤酶活性測定。

土壤養(yǎng)分含量的測定參照魯如坤[18]的《土壤農(nóng)化分析》一書，采用堿解擴(kuò)散法測定堿解氮，0.5 M NaHCO3浸提—鉬銻抗顯色法測定速效磷，NH4OAc浸提—火焰光度法測定有效鉀，重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機(jī)質(zhì)。

土壤酶活性[19]以苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定脲酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性，高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表繪制，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件中均數(shù)比較-獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性分析。所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆禾混播比例對土壤養(yǎng)分含量的影響

由圖1可知，不同豆禾混播比例下不同土壤深度草地土壤養(yǎng)分不同。各處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度的增加呈先增大后減小的趨勢，在10～20 cm土層達(dá)最大值；豆禾1∶2處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于豆禾2∶2處理，且在10～20 cm，20～30 cm土層下，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。土壤堿解氮和有效鉀含量變化相一致，均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減小，豆禾2∶2處理下堿解氮和有效鉀含量較高，且在0～10 cm，10～20 cm土層，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。豆禾1∶2處理下的土壤速效磷在0～10 cm土層達(dá)最大值，而豆禾2∶2處理下的土壤速效磷則在10～20 cm土層達(dá)最大值；各層土壤速效磷含量均表現(xiàn)為豆禾1∶2處理高于豆禾2∶2處理，且在0～10 cm，10～20 cm土層，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。

圖1 豆禾混播比例對土壤養(yǎng)分含量的影響Fig.1 Effect of different mixed modes on soil fertility factors注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同Note:Different lowecase letters indicate signifficant differences at the 0.05 level, the same as below

2.2 豆禾混播比例對土壤酶活性的影響

由圖2可知，隨著土層的加深,脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈逐漸降低的趨勢,不同層次間顯示出不同程度的差異性。除10～20 cm土層堿性磷酸酶活性、30～40 cm土層過氧化氫酶活性外，脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為豆禾2∶2處理高于豆禾1∶2處理。各土層土壤脲酶活性均表現(xiàn)為豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm土層土壤蔗糖酶活性豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。0～10 cm土層土壤堿性磷酸酶活性豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層過氧化氫酶活性，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同豆禾混播方式混播比例下土壤養(yǎng)分因子與土壤酶的相關(guān)分析

由表1可知，豆禾1∶2處理，表層土(0～20 cm)的蔗糖酶和堿性磷酸酶呈負(fù)相關(guān)，其他酶兩兩之間互為正相關(guān)。堿解氮與蔗糖酶、過氧化氫酶、速效磷關(guān)系密切，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，尤其是與脲酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。亞層土(20～40 cm)脲酶和堿性磷酸酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，速效磷與蔗糖酶、堿解氮、有效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。有效鉀與堿解氮顯著正相關(guān)(P<0.05)，與速效磷極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

圖2 豆禾混播比例對土壤酶活性的影響Fig.2 Effect of different mixed modes on soil enzyme activities

表1 各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣(豆禾1∶2)Table 1 Correlation matrix(r-values) between soil enzyme activities and soil fertility factors(legume：grass=1∶2)

如表2可知，豆禾2∶2處理，表層土(0～20 cm)的脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶，兩兩之間互為正相關(guān)，其中過氧化氫酶與其他3種酶關(guān)系密切。堿解氮與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶均呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)。有效鉀與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、堿解氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。亞層土(20～40 cm)8個(gè)指標(biāo)之間兩兩均互為正相關(guān)，其中有機(jī)質(zhì)與過氧化氫酶、堿解氮、有效鉀關(guān)系密切，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。堿解氮與蔗糖酶、過氧化氫酶、有效鉀關(guān)系尤為密切，呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。速效磷與蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，有效鉀與堿性磷酸酶、堿解氮極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表2 各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣(豆禾2∶2)Table 2 Correlation matrix(r-values) between soil enzyme activities and soil fertility factors(legume:grass=2∶2)

2.4 土壤養(yǎng)分因子與土壤酶活性間的主成分分析

主成分分析是在損失較少信息的前提下將多項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少的綜合指標(biāo)。由表3可知，對苜蓿土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，提取的2個(gè)主因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)85.97%，且特征值均大于1，說明前2個(gè)主成分可用于反映土壤養(yǎng)分高低的供應(yīng)狀況。第一主成分貢獻(xiàn)率是67.91%，脲酶、堿解氮具有較高正載荷。第二主成分貢獻(xiàn)率18.05%，速效磷具有較高負(fù)載荷。

表3 土壤養(yǎng)分因子與土壤酶活性間的主成分分析Table 3 Principal component analysis of soil enzyme activities and soil fertility factors

3 討論

3.1 豆禾混播比例對科爾沁沙地土壤養(yǎng)分的影響

豆禾混播比例的不同可使其土壤養(yǎng)分的分布與積累規(guī)律產(chǎn)生差異[20]。本研究中，2種混播比例草地的土壤養(yǎng)分變化基本一致，由表層向下土壤養(yǎng)分含量逐漸減少，與大部分草地相似，呈現(xiàn)垂直分布規(guī)律[21]且表層土(0～20 cm)的土壤養(yǎng)分含量與亞層土(20～40 cm)相比，波動較大。主要是由于表層土的透氣性好，加之地表的枯枝落葉等歸還物的快速周轉(zhuǎn)，微生物較為活躍，使其養(yǎng)分積累較多，表現(xiàn)為表層土壤養(yǎng)分含量遠(yuǎn)大于亞層的規(guī)律[22]。但2種混播比例的有機(jī)質(zhì)含量均在10～20 cm土層較高，可能是由于在苜蓿生長的第2年，產(chǎn)生的須根和根瘤大多分布在10～20 cm土層，有機(jī)殘?bào)w的歸還量及腐殖化系數(shù)較高，致使土壤有機(jī)物的輸入量也集中于此，且輸入量相對較大[23]。在豆禾混播系統(tǒng)中存在一種氮素共享的通道，豆科牧草固定的氮可通過各種途徑為伴生的禾本科牧草提供氮源[24-25]。

豆禾混播比例為1∶2時(shí)，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷的積累。而豆禾混播比例為2∶2時(shí)，更有利于堿解氮和有效鉀的積累。主要是由于豆禾混播時(shí)，禾本科植物會優(yōu)先吸收土壤中的無機(jī)態(tài)氮，尤其是硝態(tài)氮，使土壤礦質(zhì)氮減小，更加促進(jìn)了豆科固氮，而豆科比例相對增加時(shí)，氮的礦化和固定隨之增加，對土壤氮的消耗隨之減少[26]，同時(shí)豆禾牧草在根際可形成對土壤磷素利用的空間優(yōu)勢，促進(jìn)了牧草對磷的吸收[27]。由此可見，適當(dāng)增加豆科比例可顯著增加土壤氮素和鉀素的供應(yīng)。這和關(guān)正翾等[28]、鄭偉等[29]的研究結(jié)果一致。另土壤養(yǎng)分含量在表層土(0～20 cm)受混播比例的影響較大，在2種混播比例下，變化較為劇烈，差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。這也與土壤垂直分布規(guī)律有一定的關(guān)系[20]。

3.2 豆禾混播比例對草地土壤酶活性的影響

土壤酶活性具有催化作用，便于將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為植物和微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)[30]。本研究中從土壤垂直分布來看，4種土壤酶活性均呈逐漸降低的趨勢，這與土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律相一致，主要也是因?yàn)楸韺油寥琅c大氣相連，其溫濕度和透氣性更好[31]，微生物的生存環(huán)境更為舒適，其生長和繁殖較快[32]。隨著土層的加深，微生物生境條件變差，導(dǎo)致其土壤酶活性降低。

豆禾混播比例對土壤酶活性的影響較為明顯，4種酶活性均表現(xiàn)為豆禾2∶2處理高于豆禾1∶2處理，可見，適當(dāng)增加豆科牧草比例可不同程度的提高土壤酶活性，有利于土壤養(yǎng)分的積累和轉(zhuǎn)化。是由于豆科牧草的結(jié)瘤固氮特性，使得豆禾混播牧草根系分泌物增加，根茬腐解作用增強(qiáng)，進(jìn)而提高了蔗糖酶活性[33]。紫花苜蓿的根系較為發(fā)達(dá)，與無芒雀麥混播有效利用了土壤空間，提高了其根系密度和呼吸強(qiáng)度，使根系的碳代謝旺盛，從而增強(qiáng)了堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性[34-35]。而紫花苜蓿的固氮作用對與土壤氮素轉(zhuǎn)化過程有關(guān)的脲酶活性的影響較大[36]，使土壤氮素積累較多。

3.3 不同豆禾混播比例下土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤酶活性與植物可利用的土壤營養(yǎng)物質(zhì)密切相關(guān)，較高的土壤酶活性，增強(qiáng)了土壤元素的礦質(zhì)化作用，促進(jìn)了混播系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的利用[37]。本研究中，表層土(0～20 cm)，豆禾1∶2處理土壤堿解氮與脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，豆禾2∶2處理土壤堿解氮與脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，表明了氮素在土壤表層肥力中的重要程度。不僅是提供營養(yǎng)元素，而且也為土壤中的微生物提供反應(yīng)底物原料，從而提高酶促反應(yīng)強(qiáng)度[38]。另研究還發(fā)現(xiàn)表層土(0～20 cm)，除豆禾1∶2處理蔗糖酶和堿性磷酸酶呈負(fù)相關(guān)外，其他處理4種酶活性之間均呈正相關(guān)，這說明土壤酶類相互協(xié)作可提高土壤養(yǎng)分，同時(shí)土壤酶還有其專一特性[39]。

為了進(jìn)一步探討土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系,本研究對科爾沁沙地人工草地土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間進(jìn)行了主成分分析,以便能篩選出產(chǎn)生影響的主要因子群。提取2個(gè)主因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá) 85.97%，且它們的特征值都大于1，說明所提取的2個(gè)主因子已基本覆蓋所有信息，故取前 2個(gè)主因子，并選用最大方差法做正交旋轉(zhuǎn)，以便能夠更好的解釋變量間的關(guān)系和命名變量。第1主成分貢獻(xiàn)率是67.91%，其載荷特征向量值較大。其中脲酶、堿解氮具有較高正載荷，說明其正相關(guān)性較好，可反映出土壤速效氮養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及供應(yīng)情況。第2主成分貢獻(xiàn)率18.05%，其中速效磷具有較高載荷，其值為負(fù)數(shù)，與蔗糖酶具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，可反映出速效磷的供應(yīng)狀況。由此，豆禾混播草地的土壤肥力水平是由土壤酶活性和土壤養(yǎng)分因子共同評價(jià)的。

4 結(jié)論

隨土層加深，土壤養(yǎng)分含量逐漸減少，呈現(xiàn)垂直分布規(guī)律。土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和有效鉀養(yǎng)分變化基本一致。

豆禾混播比例為1∶2時(shí)，有利于土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷的積累。而豆禾混播比例為2∶ 2時(shí)，更有利于堿解氮和有效鉀的積累。適當(dāng)增加豆科牧草比例可不同程度的提高土壤酶活性，有利于土壤養(yǎng)分的積累和轉(zhuǎn)化。

相關(guān)分析和主成分分析表明，土壤酶活性與土壤主要養(yǎng)分因子間具有一定相關(guān)性,說明土壤酶可以用來表征土壤養(yǎng)分狀況，且豆禾混播草地的土壤肥力水平是由土壤酶活性和土壤養(yǎng)分因子共同評價(jià)的。