謝澤宇，羅珠珠, ，李玲玲，蔡立群,，張仁陟，牛伊寧，趙靖靜

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省干旱生境作物學省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

黃土高原不同糧草種植模式土壤碳氮及土壤酶活性

謝澤宇1，羅珠珠1, 2，李玲玲2，蔡立群1,2，張仁陟2，牛伊寧2，趙靖靜1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省干旱生境作物學省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

通過在隴中黃土高原半干旱區(qū)對苜蓿(Medicagosativa)-作物輪作地進行長期定位試驗，探討不同種植模式對土壤碳氮形態(tài)及其相關(guān)酶活性的影響。6種種植模式分別為苜蓿-苜蓿、苜蓿-休閑、苜蓿-小麥(Triticumaestivum)、苜蓿-玉米(Zeamays)、苜蓿-馬鈴薯(Solanumtuberosum)和苜蓿-谷子(Setariaitalica)。結(jié)果表明，苜蓿-作物種植模式不利于土壤總有機碳的積累，而苜蓿翻耕后保持休閑則可維持較高的有機碳含量；與苜蓿連作相比，苜蓿-作物種植模式的土壤有機碳降低了1.60%～23.11%，全氮含量增加了3.81%～21.83%。不同作物對土壤養(yǎng)分吸收利用狀況不同，進而引起土壤酶發(fā)生變化。與苜蓿連作相比，苜蓿糧食作物種植模式在降低土壤過氧化氫酶和蛋白酶活性的同時，提高了土壤硝酸還原酶活性；其中土壤過氧化氫酶活性和蛋白酶活性分別降低了5.20%～12.30%和15.03%～43.43%，硝酸還原酶活性提高了1.26%～28.79%。苜蓿連作和苜蓿-糧食作物種植模式間的土壤脲酶活性無顯著差異(Pgt;0.05)，但均高于苜蓿-休閑處理。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤脲酶活性與土壤有機碳、全氮含量呈顯著正相關(guān)(Plt;0.05)，可作為衡量土壤肥力的指標。

黃土高原；草田輪作；酶活性；土壤微生物生物量碳；土壤微生物量生物氮；土壤有機碳；土壤肥力指標

土壤有機碳庫和氮庫是土壤養(yǎng)分庫的重要組成部分[1]，與土壤肥力關(guān)系密切。土壤酶參與土壤碳、氮循環(huán)的生化反應(yīng)，土壤中各類微生物及植物活體的分泌是土壤中酶的主要來源，其活性可反映土壤中碳、氮分解的方向和強度，土壤植物對土壤養(yǎng)分的利用狀況，以及土壤植物的發(fā)育情況，可作為判斷土壤肥力的重要指標[2-3]。作為植物生長所利用的重要養(yǎng)分，微生物生物量碳以及微生物生物量氮不可或缺，是土壤養(yǎng)分的重要組成部分[4-5]，不同的施肥措施、農(nóng)田耕作方式對土壤微生物以及土壤酶活性有著更為劇烈的影響[6-9]。輪作、施肥等農(nóng)業(yè)管理措施均可顯著提高土壤微生物對有機碳氮的利用率[10-11]，并引起土壤酶活性的差異[12-13]。研究發(fā)現(xiàn)，輪作有利于保持或提高土壤微生物生物量碳與氮含量[14]。草田輪作能提高土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，且土壤酶活性在玉米(Zeamays)、高粱(Sorghumbicolor)參與輪作的條件下高于谷子(Setariaitalica)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)參與輪作的情況[15]。同一作物不同施肥措施下土壤酶活性差異不顯著，但相同施肥條件下豆科作物苜蓿(Medicagosativa)連作比禾本科作物小麥(Triticumaestivum)連作的土壤酶活性高[16]。長期輪作施肥降低了旱地黑壚土的過氧化氫酶活性，但相比于連作模式，輪作模式更有利于土壤中酶的活性以及微生物量生物碳氮的含量，且豆科作物苜蓿、豌豆(Pisumsativum)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)等對土壤酶活性的影響大于小麥、玉米等禾本科作物[17-18]。因此，在不同的耕作方式、天氣狀況以及不同土壤類型交互影響下，農(nóng)耕施肥與草田輪作方式對于土壤中碳、氮素及土壤酶活性的影響不盡相同。

紫花苜蓿具有高產(chǎn)量、優(yōu)質(zhì)的飼草生產(chǎn)性能以及良好的生態(tài)適應(yīng)性，如抗旱、耐寒、保土，因此被被選為黃土高原半干旱區(qū)退耕還草的首選草種，也是糧草輪作系統(tǒng)的優(yōu)良豆科牧草[6]。但目前的研究主要集中于對苜蓿土壤的水分消耗特征上[7-11]，而對于糧草輪作系統(tǒng)中土壤碳、氮形態(tài)以及與碳、氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性研究較少，且相關(guān)研究表明，不同的氣候條件以及不同的土壤類型對于土壤碳、氮素并無明顯影響。所以，本研究以隴中黃土高原多年生苜蓿草地和糧草輪作系統(tǒng)為研究對象，通過探討土壤微生物生物量碳、氮與酶活性對輪作模式的響應(yīng)，進一步從生物化學角度闡明土壤有機碳、氮轉(zhuǎn)化與土壤酶之間的相互作用，以期為黃土高原半干旱區(qū)輪作模式下選取合適的輪作作物以及對苜蓿草田輪作系統(tǒng)的持續(xù)利用發(fā)展提供有效的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2 000 m，年均太陽輻射33.84 KJ·cm-2，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃積溫2 933.5 ℃·d，≥10 ℃積溫2 239.1 ℃·d；無霜期140 d，年均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。

1.2試驗設(shè)計

于2015年進行試驗，設(shè)6個處理，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積3 m×7 m，隨機區(qū)組排列。其中作物采取一年一熟的種植制度，供試作物為紫花苜蓿、春小麥、玉米、馬鈴薯和谷子。各處理詳細描述見表1。L-W、L-P、L-M均施純N 105 kg·hm-2，純P2O5105 kg·hm-2；L-C施純N 200 kg·hm-2(參考當?shù)胤N植玉米施肥狀況總結(jié)出的經(jīng)驗值，以保證玉米的產(chǎn)量)，純P2O5105 ；kg·hm-2。L-L和L-F不施肥。

表1 試驗處理描述

1.3研究方法

1.3.1土樣采集 于2015年10月利用三點法采集各小區(qū)0-10、10-30和30-50 cm土層土樣，將混勻分好的土樣迅速裝人自封袋。于實驗室去掉植物根系、落葉、石塊等，部分土樣放入4 ℃冰箱保存用以進行酶活性測定及土壤微生物生物量碳、氮的測定，剩余部分置于室內(nèi)通風陰涼處用于其他碳、氮指標的測定。

1.3.2處理方法 土壤總有機碳(TOC)的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[19]；全氮的測定采用凱氏定氮法[19]。土壤微生物生物量碳(MBC)測定采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法，提取液用總有機碳分析儀測定[20]；土壤微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸浸提法，用凱氏定氮法測定[20]；脲酶活性測定采用靛酚比色法，以NH3-N mg·g-1(37 ℃，24 h)表示[21]；蛋白酶活性測定采用茚三酮比色法[21]，以NH2-N(37 ℃，24 h)表示[21]；過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法[21]；蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[21]；在存在氫供體及厭氣條件下，測定反應(yīng)前后土樣中硝酸態(tài)氮與酚二磺酸作用的藍色反應(yīng)差數(shù)[21]，來表示硝酸還原酶的活性。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理并制作表格，用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，Duncun法檢驗參數(shù)間差異，Pearson雙尾檢驗法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同糧草輪作土壤總有機碳和土壤微生物生物量碳

6種不同種植方式下土壤總有機碳含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢(表2)。在0-10 cm土層，總有機碳含量順序為L-Fgt;L-Lgt;L-Cgt;L-Wgt;L-Mgt;L-P，其中L-F顯著高于L-P、L-W和L-M(Plt;0.05)，相比于L-L，L-W、L-C、L-P和L-M分別降低了5.78%、0.35%、8.15%和7.51%；在10-30 cm土層，總有機碳含量順序表現(xiàn)為L-Fgt;L-Lgt;L-Pgt;L-Wgt;L-Cgt;L-Mgt;L-P，L-F顯著高于L-P，相比于L-L，L-W、L-C、L-P和L-M分別降低了1.60%、2.01%、12.84%和8.33%；在30-50 cm，土壤總有機碳含量為L-Fgt;L-Lgt;L-Mgt;L-Cgt;L-Pgt;L-W，其中L-F顯著高于L-W處理，相比于L-L，L-W、L-C、L-P和L-M分別降低了23.11%、3.42%、10.68%和0.10%。這說明與苜蓿-苜蓿連作模式相比，苜蓿-作物種植模式均在一定程度上降低了0-50 cm土層有機碳含量，而翻耕后的苜蓿休閑模式也維持了較高的土壤有機碳含量。

表2 不同糧草輪作系統(tǒng)土壤總有機碳和土壤微生物生物量碳

注：同一土層同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters within the same column for the same soil layer indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level. similary for the following tables.

MBC是有效養(yǎng)分的儲存庫，其含量高低可判斷土壤碳形態(tài)的礦化作用方向，主要包括一些菌類及動植物殘體內(nèi)所含的碳等。不同種植模式下土壤微生物生物量碳均隨土層深度的增加而呈降低趨勢。0-10 cm土層,MBC表現(xiàn)為L-Fgt;L-Wgt;L-Lgt;L-Cgt;L-Pgt;L-M,L-L與L-M差異顯著(Plt;0.05)，與其余處理差異不顯著(Pgt;0.05)；10-30 cm土層表現(xiàn)為L-Fgt;L-Wgt;L-Lgt;L-Mgt;L-Cgt;L-P，L-L與其余處理差異不顯著；30-50 cm土層表現(xiàn)為L-Fgt;L-Lgt;L-Wgt;L-Mgt;L-Cgt;L-P,L-L與L-P差異顯著，與其余處理差異不顯著。

2.2不同糧草輪作土壤全氮和微生物生物量氮

6種不同種植方式下土壤全氮含量均隨土層深度的增加而呈降低趨勢(表3)。在0-10 cm土層中，土壤全氮含量表現(xiàn)為L-Lgt;L-Mgt;L-Pgt;L-Wgt;L-Cgt;L-F，與L-L相比，L-C和L-F分別顯著降低了19.08%和21.71%(Plt;0.05)；在10-30 cm土層，土壤全氮含量順序為L-Wgt;L-Cgt;L-Pgt;L-Mgt;L-Lgt;L-F，與L-L相比，L-F降低了5.90%，L-W、L-C、L-P和L-M則增加了8.84%、7.08%、2.65%和2.30%，L-F和L-W差異顯著；在30-50 cm土層，土壤全氮含量順序為L-Mgt;L-Wgt;L-Pgt;L-Cgt;L-Lgt;L-F，與L-L相比，L-F降低了0.62%，L-M提高了3.67%，但所有處理間差異不顯著(Pgt;0.05)。很明顯苜蓿連作多年導(dǎo)致表層土壤全氮含量最高，苜蓿休閑土壤全氮含量最低，表明長期種植苜蓿能夠有效地保證土壤氮素平衡，進而保持并提高土壤表層肥力。

表3 不同糧草輪作系統(tǒng)土壤全氮和微生物量生物氮

MBN是判斷土壤氮素礦化的一個重要指標。不同種植方式下土壤MBN隨土層深度的增加而呈降低趨勢(表3)。0-10 cm土層，MBN表現(xiàn)為L-Cgt;L-Pgt;L-Lgt;L-Wgt;L-Fgt;L-W，L-F和L-C、L-P間差異顯著(Plt;0.05)；10-30 cm土層，MBN表現(xiàn)為L-Cgt;L-Pgt;L-Lgt;L-Wgt;L-Mgt;L-F，L-L顯著高于L-F、L-W和L-M；30-50 cm土層，MBN表現(xiàn)為L-Lgt;L-Pgt;L-Cgt;L-Mgt;L-Wgt;L-F，L-L顯著高于L-F、L-C和L-M。

2.3不同糧草輪作土壤酶活性

脲酶活性均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(表4)。其中0-10 cm土層脲酶活性表現(xiàn)為L-Pgt;L-Lgt;L-Mgt;L-Cgt;L-Wgt;L-F，L-L與L-F間差異顯著(Plt;0.05)，與其余處理差異不顯著(Pgt;0.05)；10-30 cm土層表現(xiàn)為L-Cgt;L-Wgt;L-Mgt;L-Lgt;L-Pgt;L-F，L-C顯著高于L-F，與其余處理差異不顯著；30-50 cm土層表現(xiàn)為L-Lgt;L-P=L-Mgt;L-Cgt;L-Wgt;L-F，各處理間差異不顯著。這說明苜蓿連作或增施氮肥均可影響耕層土壤脲酶活性，但對下層無顯著影響。

土壤蔗糖酶活性總體表現(xiàn)為上層高于下層，這與蔗糖酶主要源自于植物根系分泌物有一定關(guān)系(表4)。在0-50 cm土層，蔗糖酶活性均表現(xiàn)為L-F最低，除10-30 cm土層L-P顯著高于L-F(Plt;0.05)外，0-10和30-50 cm土層各處理間均差異不顯著(Pgt;0.05)。

土壤過氧化氫酶活性總體隨土層深度的增加而呈降低趨勢(表4)。其中0-10 cm土層過氧化氫酶活性表現(xiàn)為L-Lgt;L-Pgt;L-Wgt;L-Mgt;L-Cgt;L-F，各處理間差異不顯著(Pgt;0.05)；10-30 cm土層過氧化氫酶活性表現(xiàn)為L-Lgt;L-Wgt;L-Cgt;L-Pgt;L-Fgt;L-M，L-L比L-F和L-M顯著高了11.06%和12.10%(Plt;0.05)；30-50 cm土層表現(xiàn)為L-Lgt;L-Cgt;L-Mgt;L-Wgt;L-Pgt;L-F，L-L比L-F、L-W、L-P顯著高出15.20%、11.33%和11.33%。0-50 cm土層L-L土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化最為強烈，且苜蓿-作物系統(tǒng)的土壤過氧化氫酶活性均較苜蓿-休閑有不同程度提高。

土壤蛋白酶活性總體隨土層深度的增加而呈降低趨勢(表4)，在0-50 cm土層均表現(xiàn)為L-L處理顯著高于其他處理。其中0-10 cm土層表現(xiàn)為L-Lgt;L-Mgt;L-Pgt;L-Wgt;L-Fgt;L-C，L-L比L-F、L-W、L-C、L-P和L-M提高了39.62%、31.50%、39.71%、20.42%和12.46%；10-30 cm土層表現(xiàn)為L-Lgt;L-Mgt;L-Pgt;L-Cgt;L-Fgt;L-W，L-L比L-F、L-W、L-C、L-P和L-M提高了36.81%、50.73%、34.48%、30.66%和13.20%；30-50 cm土層表現(xiàn)為L-Lgt;L-Mgt;L-Fgt;L-Pgt;L-Cgt;L-W，L-L比L-F、L-W、L-C、L-P和L-M提高了31.50%、43.08%、37.91%、33.43%和18.61%。這表明多年采取苜蓿連作模式可有效提高土壤無機氮含量，并提高有機態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率。

硝酸還原酶活性均隨土層深度的增加而呈降低趨勢(表4)，且在0-50 cm土層均表現(xiàn)為L-L和L-F低于其他輪作處理(Plt;0.05)(表4)。其中在0-10 cm土層表現(xiàn)為L-Cgt;L-Mgt;L-Fgt;L-Wgt;L-Pgt;L-L，不同糧草輪作都使得硝酸還原酶活性有所增加，相比于L-L，L-F、L-W、L-C、L-P和L-M分別提高了10.59%、6.86%、20.51%、0.22%和15.20%；10-30 cm土層表現(xiàn)為L-Cgt;L-Mgt;L-Wgt;L-Pgt;L-Fgt;L-L，相比于L-L,L-W、L-C、L-P和L-M分別顯著提高了12.30%、37.90%、11.70%和18.30%；30-50 cm土層表現(xiàn)為L-Cgt;L-Mgt;L-Wgt;L-Pgt;L-Lgt;L-F，相比于L-L,L-C和L-M分別顯著提高了24.90%和11.30%。這表明苜蓿連作或休閑可明顯降低土壤硝酸還原酶活性，有效抑制農(nóng)田土壤中氮的反硝化過程。

表4 不同糧草輪作系統(tǒng)土壤酶活性

2.4土壤酶活性和土壤碳、氮的相關(guān)分析

將土壤酶活性和土壤有機碳、氮組分進行相關(guān)性分析(表5)。其中土壤總有機碳和全氮、微生物生物量碳、脲酶極顯著相關(guān)(Plt;0.01)，和硝酸還原酶顯著相關(guān)(Plt;0.05)；土壤微生物生物量碳僅和蛋白酶顯著相關(guān)；全氮與脲酶、蛋白酶均極顯著正相關(guān)，與過氧化氫酶和蔗糖酶顯著正相關(guān)；土壤微生物生物量氮與脲酶、蔗糖酶和硝酸還原酶均極顯著正相關(guān)。就土壤酶各指標而言，脲酶與蔗糖酶、硝酸還原酶極顯著相關(guān)，與蛋白酶顯著相關(guān)；蔗糖酶與脲酶、硝酸還原酶極顯著相關(guān)，與過氧化氫酶顯著相關(guān)；過氧化氫酶與蔗糖酶、蛋白酶、硝酸還原酶顯著相關(guān)；蛋白酶與過氧化氫酶顯著相關(guān)；硝酸還原酶與脲酶、蔗糖酶極顯著相關(guān)，與過氧化氫酶顯著相關(guān)。

表5 土壤酶活性與土壤碳、氮組分的相關(guān)性

注：*表示顯著相關(guān)(Plt;0.05);**表示極顯著相關(guān)(Plt;0.01)

Note：* indicate significant correlation at the 0.05 level,** indicate highly significant correlation at the 0.01 level.

3 討論

不同的土地利用方式會導(dǎo)致土壤質(zhì)量發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在土壤有機碳及其組分衰減和增加[22]。研究表明，在草地、林地與農(nóng)田的相互轉(zhuǎn)換過程中，土壤有機碳會隨著土地利用方式的改變呈現(xiàn)相應(yīng)降低與升高[23-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，在翻耕基礎(chǔ)上，輪作玉米、小麥、谷子和馬鈴薯4種作物后，土壤有機碳含量均表現(xiàn)一定程度降低，相反，苜蓿-休閑模式以及苜蓿連做模式土壤有機碳含量表現(xiàn)出較高的水平，說明苜蓿連作模式在一定程度上可以提高土壤中的有機碳含量[26]。其主要原因在于處理模式的不同，苜蓿連作模式保持了對土壤的免擾動，使苜蓿自身的碳保存能力得以體現(xiàn)。而相比于苜蓿-作物模式,苜蓿-休閑模式有機碳含量提高，是因為在該處理模式下，土壤表層并無植被覆蓋，使得土壤表層土壤溫度低，但這種情況表層土壤被風蝕的可能性加大，因此也有可能增加有機碳的淋失[27]。同時，苜蓿連作多年導(dǎo)致表層土壤全氮含量最高，苜蓿休閑土壤全氮含量最低，表明長期種植苜蓿能夠有效地保持并平衡土壤氮素，從而保持并提高土壤表層肥力。

土壤微生物生物量碳與土壤有機碳含量密切相關(guān)，而且土壤微生物生物量碳、氮轉(zhuǎn)化迅速，能在檢測到土壤總碳或總氮的變化之前表現(xiàn)出較大的差異，是敏感性較強的土壤質(zhì)量指標。Singh等[28]認為干旱貧瘠土壤的微生物生物量在干旱時期保持養(yǎng)分，在雨季迅速釋放供作物利用，因而對調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)顯得更加重要。本研究表明，土壤微生物生物量碳、氮受輪作模式和施肥的顯著影響。其中苜蓿-作物輪作明顯提高了土壤微生物生物量氮含量，這可能是由于輪作模式下作物殘茬及其根系分泌物的異質(zhì)性，加之添加了化學氮肥，為微生物的生長繁殖提供了所需的碳源和氮素營養(yǎng)，促進了微生物大量繁殖，進而提高了土壤微生物生物量氮含量，特別是苜蓿玉米處理效果尤為顯著，主要歸因于其較高的氮肥用量。本研究同時發(fā)現(xiàn)，休閑處理土壤微生物生物量碳高于苜蓿連作和苜蓿-作物輪作系統(tǒng)，這與郭金瑞等[29]在東北黑土區(qū)的研究一致，但與黃土高原旱地輪作[17]的研究結(jié)果相反，這可能與采樣時間有一定的關(guān)系，但具體原因還需進一步研究。

土壤酶參與土壤的養(yǎng)分循環(huán)以及各類生化反應(yīng)，是植物生長過程中不可缺少的組成之一[30]。本研究測定的5種酶，其活性均隨土層的加深而降低[31]。主要是土壤表層由于土壤與大氣相連，其溫度和通透性更好，而部分的植物殘留物更容易形成腐殖質(zhì)，為微生物的良好生長提供更有利的條件，因此表層的土壤酶活性較高。但本研究5種土壤酶活性在不同輪作方式下表現(xiàn)不一致，相較于苜蓿-休閑處理，種植植物或者糧食作物的處理，其土壤酶活性更高，這與苜蓿和糧食作物根茬以及根系分泌物有關(guān)，過氧化氫酶對植物根系有毒害作用，因此，土壤微生物促進了與土壤過氧化氫酶相應(yīng)生化反應(yīng)增多了過氧化氫酶的合成進而分解過氧化氫。苜蓿具有固氮作用，因而對與土壤氮素轉(zhuǎn)化過程有關(guān)的脲酶、硝酸還原酶和蛋白酶活性的影響大于禾谷類作物，其中苜蓿連作明顯增強了土壤蛋白酶活性，同時降低了硝酸還原酶活性。一方面苜蓿龐大的根系能改善土壤生境條件，為土壤動植物提供豐富營養(yǎng)源，而苜蓿根系本身帶有的根瘤菌則會提升土壤中的腐殖質(zhì)含量，從而為蛋白酶合成提供豐富來源；另一方面由于不同作物根系形狀不同，對土壤的穿插程度也會有所不同，將引起土壤容重、孔隙度、土壤空氣含量等物理性質(zhì)和微生物數(shù)量及微生物區(qū)系等土壤生物學性質(zhì)變化，影響到反硝化作用[32]，使得土壤硝酸還原酶活性表現(xiàn)出不同差異。有研究表明[33]，向土壤中添加化學肥料對硝酸還原酶通常有激活作用，但增量施用時并沒有顯著影響，而本研究苜蓿-玉米處理明顯提高了硝酸還原酶活性，表現(xiàn)出氮肥增量施用的激活作用。苜蓿連作和苜蓿-作物處理土壤脲酶活性無顯著差異，但均高于苜蓿-休閑處理，因為苜蓿根瘤固氮作用提高了土壤總氮含量，而苜蓿翻耕輪作作物后土壤中均增施了氮肥，可能打破土壤中氮素平衡及作物對氮肥的吸收量，進而影響到土壤脲酶活性。

土壤酶活性與植物吸收養(yǎng)分的多少直接相關(guān)，因此土壤酶活性與土壤中可供植物吸收的養(yǎng)分營養(yǎng)元素相關(guān)，而在充足的養(yǎng)分條件下，土壤中酶活性較高，促進了土壤中元素的礦質(zhì)化作用，更有利于系統(tǒng)中養(yǎng)分的循環(huán)利用[34-36]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳含量與硝酸還原酶及脲酶活性顯著正相關(guān)，說明能促進土壤有機質(zhì)積累的農(nóng)業(yè)措施亦能提高土壤脲酶和硝酸還原酶活性，增強土壤無機氮的供應(yīng)能力及有機氮的轉(zhuǎn)化能力。土壤全氮與除過氧化氫酶以外的其中4種酶活性均極顯著正相關(guān)，表明全氮在土壤肥力中具有的重要性，一方面，為土壤中提供足夠的養(yǎng)分元素，另一方面，為土壤中微生物提供充足的反應(yīng)底物原料，提高酶促反應(yīng)強度，并相應(yīng)刺激微生物生長強度。研究同時發(fā)現(xiàn)，除土壤蛋白酶與脲酶活性顯著正相關(guān)之外，其余4種酶活性相互之間均顯著或極顯著正相關(guān)，表明土壤中各類酶并不是單一工作，而是相互協(xié)作，從而促進土壤養(yǎng)分循環(huán)過程，體現(xiàn)出酶的專一性以及共性特點[37]。

4 結(jié)論

黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)苜蓿種植多年翻耕輪作糧食作物后降低了土壤過氧化氫酶和蛋白酶活性，同時提高了硝酸還原酶活性，但對土壤蔗糖酶活性沒有明顯影響；苜蓿連作和苜蓿-作物輪作系統(tǒng)土壤脲酶活性無顯著差異，苜蓿-休閑處理則降低了土壤脲酶活性。與苜蓿連作模式相比，苜蓿-作物輪作不利于土壤總有機碳與全氮的積累，而苜蓿翻耕后保持休閑則可維持較高的有機碳含量。相關(guān)性分析表明，土壤酶活性之間呈現(xiàn)出顯著或極顯著的正相關(guān)性；而且土壤酶活性與4種碳、氮形態(tài)之間呈顯著相關(guān)性或正相關(guān)，說明在養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)中，碳、氮形態(tài)是相互協(xié)作并關(guān)聯(lián)，不是獨立存在于土壤之中，且在酶系統(tǒng)參與下完成，土壤酶活性與碳、氮形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化循環(huán)過程是密切相關(guān)的。

References:

[1] Muqaddas B,Zhou X,Lewis T.Long-term frequent prescribed fire decreases surface soil carbon and nitrogen pools in a wet sclerophyll forest of Southeast Queenslang，Australia.Science of the Total Environment,2015,536:39-47.

[2] Nannipieri P,Pankhurst C E,Doube B M.The potential use of soil enzymes as indicators of productivity,sustainability and pollution.Soil Biota:Management in Sustainable Farming Systems.Melbourne:CSIRO Press,1994:238-244.

[3] Mawdsley J L,Burns R G.Inoculation of plants with a Flavobacterium species results in altered rhizosphere enzyme activies.Soil Biology amp; Biochemistry,1994,26(7):871-882.

[4] Roy S,Singh J S.Consequences of habitat heterogeneity for availability of nutrients in a dry tropical forest.Journal of Ecology,1994,82(3):503-509.

[5] Yang X.Effect of zero-tillage and application of manure on soil microbial biomass C,N and P after sixteen years of cropping.Acta Pedologica Sinica,2002,39(1):89-96.

[6] Jia W,Zhou H P,Xie W Y,Guan C L,Gao C H,Shi Y Q.Effect of long-term inorganic fertilizer combined with organic manure on microbial biomass C，N and enzyme activity in cinnamon soil.Plant Nutrition amp;Fertillzer Science，2008,14(4):700-705.

[7] Bohme L,Langer U,Bohme F.Microbial biomass,enzyme activities and microbial community structure in two European long-term field experiments.Agriculture Ecosystems amp;Environment,2005,109(1-2):141-152.

[8] Yusuf A A,Abaidoo R C,Iwuafor E N O.Rotation effects of grain legumes and fallow on maize yield,microbial biomass and chemical properties of an alfisol in theNigeriansavanna.Agriculture Ecosystems amp;Environment,2009,129(1-3):325-331.

[9] 劉恩科,趙秉強,李秀英,姜瑞波,李燕婷,Hwat B S.長期施肥對土壤微生物量及土壤酶活性的影響.植物生態(tài)學報,2008，32(1):176-182.

Liu E K,Zhao B Q,Li X Y,Jiang R B,Li Y T,Hwat B S.Biological properties and enzymatic activity of arable soils affected by long-term different fertilization systems.Journal of Plant Ecology,2008,32(1):176-182.

[10] Spargo J T,Cavigelli M A,Mirsky S B.Mineralizable soil nitrogen and labile soil organic matter in diverse long-term cropping system.Nutrient Cycling in Agroecosystems,2011,90(2)：253-266．

[11] Blair N,Faulkner R D,Till A R.Long-term management impacts on soil C,N and physical fertility:Part Ⅱ.Bad Lauchstadt static and extreme FYM experiments.Soil amp; Tillage Research,2006,91(1-2):39-47.

[12] Zantua M I,Bremner J M.Preservation of soil samples for assay of urease activity.Soil Biology Biochemistry,1975,7(4-5):297-299．

[13] Cai K Z,Luo S M,Fang X.Effects of film mulching of uplandrice on root and leaf traits,soil nutrient content and soil microbial activity.Acta Ecologica Sinica，2006,26(6):1903-1911.(in Chinese)

[14] Angers D A,Bissonnette N,Legere A.Microbial and biochemical changes induced by rotation and tillage in a soil under barley production.Canadian Journal of Soil Science，1993,73(1):39-50.

[15] 虎德鈺,毛桂蓮,許興.不同草田輪作方式對土壤微生物和土壤酶活性的影響.西北農(nóng)業(yè)學報,2014,23(9):106-113.

Hu D Y,Mao G L,Xu X.Effects of different grass-crop rotation on edaphon and enzyme activity in soil.Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica,2014,23(9):106-113.(in Chinese)

[16] 張麗瓊,郝明德,臧逸飛,李麗霞.苜蓿和小麥長期連作對土壤酶活性及養(yǎng)分的影響.應(yīng)用生態(tài)學報,2014,25(11):3191-3196.

Zhang L Q,He M D,Zang Y F,Li L X.Effects of continuous cropping of wheat and alfalfa on soil enzyme activities and nutrients.Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25(11):3191-3196.(in Chinese)

[17] 樊軍,郝明德.黃土高原旱地輪作與施肥長期定位試驗研究Ⅰ.長期輪作與施肥對土壤酶活性的影響.植物營養(yǎng)與肥料學報,2003(1):9-13.

Fan J,He M D.Study on long-term experiment of crop rotation and fertilization in the Loess Plateau Ⅰ.Effect of crop rotation and continuous planting on soil enzyme activities.Plant Nutrition and Fertilizer Science,2003(1):9-13.(in Chinese)

[18] 樊軍,郝明德.長期輪作施肥對土壤微生物碳氮的影響.水土保持研究,2003,10(1):85-87.

Fan J,He M D.Effects of long-term rotations and fertilizations on soil microbial biomass carbon and nitrogen.Research of Soil and Water Conservation,2003,10(1):85-87.(in Chinese)

[19] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2005:30-38.

[20] 俞慎,李振高.熏蒸提取法測定土壤微生物量研究進展.土壤學進展,1994,22(6):42-50.

Yu S,Li Z G.Advances in research on soil microbial biomass by fumigation extraction method.Soil Science Progress,1994,22(6):42-50.(in Chinese)

[21] 關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法.北京:農(nóng)業(yè)出版杜,1986：260-360.

[22] Wu T,Schoenau J J.Li F.Effect of tillage and rotation on organic carbon forms of chernozemic soils in Saskatchchewan.Journal of Plant Nutrition amp; Soil Science,2003,166(3):328-335.

[23] Christensen B T.Physical fractionation of soil and structural and functional complexity in organic matter turnover.European Journal of Soil Science,2001,52(3):345-353.

[24] Franzluebbers A J,Arshad M A.Particulate organic carbon content and potential mineralization as affected by tillage and texture.Soil Science Society of America Journal,1997,61(5):1382-1386.

[25] Carter M R,Gregorich E G,Angers D A.Organic C and N storage,and organic C fractions,in adjacent cultivated and forested soils of eastern Canada.Soil amp; Tillage Research,1998,47(3-4):253-261.

[26] 趙靖靜,羅珠珠,張仁陟,蔡立群,李玲玲,牛伊寧.隴中黃土高原不同草田輪作模式土壤碳組分的差異研究.草業(yè)學報,2016,25(2):58-67.

Zhao J J,Luo Z Z,Zhang R Z,Cai L Q,Li L L,Niu Y N.Soil carbon fraction differences under different grasscrop rotations on the Loess Plateau,Central Gansu.Acta Prataculturae Sinica,2016,15(2):58-67.(in Chinese)

[27] 崔星,師尚禮.綠洲灌溉區(qū)與旱作區(qū)多齡苜蓿地土壤有機碳、氮及物理特性分析.草原與草坪,2015,35(1):68-72.

Cui X,Shi S L.Analysis of the organic carbon,total nitrogen and physical property in the soil of alfalfa land in oasis irrigating region and dry farming regions.Grassland and turf,2015,35(1):68-72.(in Chinese)

[28] Singh J S,Raghubanshi A S,Singh R S.Microbial biomass acts as a source of plant nutrients in dry tropical forest and savanna.Nature,1989,338:499-500.

[29] 郭金瑞,宋振偉,彭憲現(xiàn).東北黑土區(qū)長期不同種植模式下土壤碳氮特征評價.農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(6):178-185.

Guo J R,Song Z W,Peng X X.Evaluation in soil carbon and nitrogen characteristics under long-term cropping regimes in black soil region of northeast China.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(6):178-185.(in Chinese)

[30] 王光華,金劍,韓曉增.不同土地管理方式對黑土土壤微生物量碳和酶活性的影響.應(yīng)用生態(tài)學報,2007,18(6):1275-1280.

Wang G J,Jin J,Han X S.Effects of different land management methods on soil microbial biomass carbon and enzyme activities in black soil.Chinese Journal of Applied Ecology,2007,18(6):1275-1280.(in Chinese)

[31] 楊招弟,蔡立群,張仁陟.不同耕作方式對旱地土壤酶活性的影響.土壤通報,2008,39(3):514-517.

Yang Z D,Cai L Q,Zhang R Z.Effects of different tillage methods on soil enzyme activities in upland soil.Chinese Journal of Soil Science,2008,39(3):514-517.(in Chinese)

[32] 姜桂英,黃紹敏,郭斗斗.不同耕作和輪作方式下作物生育期內(nèi)土壤酶活性的動態(tài)變化特征.河南農(nóng)業(yè)大學學報,2009,43(3):335-342.

Jiang G Y,Huang S M,Guo D D.Dynamic changes of soil enzyme activities under different tillage and crop rotation.Journal of Henan Agricultural University，2009,43(3)：335-342.(in Chinese)

[33] 張玉蘭,陳振華,馬星竹,陳利軍.潮棕壤稻田不同氮磷肥配施對土壤酶活性及生產(chǎn)力的影響.土壤通報,2008,39(3):518-523.

Zhang Y L,Chen Z H,Ma X Z,Chen L J.Response of soil enzymes to different amount N and P fertilizers in rice ecosystems of meadow brown soil.Chinese Journal of Soil Science,2008,39(3):518-523.(in Chinese)

[34] 趙林森,王九齡.楊槐混交林生長及土壤酶與肥力的相互關(guān)系.北京林業(yè)大學學報,1995(4):1-8.

Zhao L S,Wang J L.Research on relations between growth effect and soil enzyme activities and soil nutrient factors in mixed poplar and black locust plantations.Journal of Beijing Forestry University,1995(4):1-8.(in Chinese)

[35] 焦婷,常根柱,周學輝.高寒草甸草場不同載畜量下土壤酶與土壤肥力的關(guān)系.草業(yè)學報,2009,18(6):98-104.

Jiao T,Chang G Z,Zhou X H.Study on relationship between soil enzyme and soil fertility ofalpine meadow in different carrying capacities.Acta Prataculturae Sinica,2009,18(6):98-104.(in Chinese)

[36] 葉超,郭忠錄,蔡崇法,閆峰陵,馬中浩.5種草本植物根系理化特性及其相關(guān)性.草業(yè)科學, 2017,34(3):598-606.

Ye C,Guo Z L,Cai C F,Yan F L,Ma Z H.Relationship between root tensile mechanical properties and main chemical components of five herbaceous species.Pratacultural Science,2017,34(3):598-606.(in Chinese)

[37] 吳芳,李玉珠,師尚禮,張貞明,高永勇.西北荒漠灌區(qū)覆膜條件下苜蓿草地土壤理化性質(zhì)的時空變化.草業(yè)科學,2017,34(4):665-672.

Wu F,Li Y Z,Shi S L,Zhang Z M,Gao Y Y.Temporal and spatial variation of soil physical properties in alfalfa grassland under film mulching in northwest desert irrigation region.Pratacultural Science,2017,34(4):665-672.(in Chinese)

(責任編輯 茍燕妮)

SoilcarbonandnitrogenandsoilenzymeactivitiesofdifferentforageplantingmodelsontheLoessPlateau

Xie Ze-yu1, Luo Zhu-zhu1,2, Li Ling-ling2, Cai Li-qun1,2, Zhang Ren-zhi2, Niu Yi-ning2, Zhao Jing-jing1

( 1.College of Resources and Environmental Sciences,Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China; 2.Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China)

A long-term field experiment comparing the effects of different alfalfa-crop rotations on soil carbon and nitrogen forms and related enzyme activities was conducted at Dingxi, western Loess Plateau. Six rotation patterns[alfalfa-alfalfa, alfalfa-fallow, alfalfa-wheat(Triticumaestivum), alfalfa-corn(Zeamays), alfalfa-potato(Solanumtuberosum) and alfalfa-millet(Setariaitalica)]were compared. The results showed that the alfalfa crop rotation is not conducive to accumulation of soil total organic carbon and total nitrogen, and alfalfa ploughing maintains higher soil organic carbon levels. Compared to alfalfa-alfalfa, soil organic carbon and total nitrogen of alfalfa crop rotation system were decreased by 1.60%～23.11% and 3.81%～21.83%．Owing to differences insoil nutrient uptake among crops, soil enzyme content will be changed. Compared with continuous alfalfa cropping, soil catalase and protease activity of alfalfa crop rotation were reduced, and the soil nitrate reductase activity was increased; the soil catalase activity and the protease activity decreased by 5.20%～12.30% and 15.03%～43.43%, and the nitrate reductase activity increased by 1.26%～28.79%. There was no significant difference between continuous alfalfa cropping and alfalfa crop rotation on soil urease activity (Pgt;0.05), but it was higher than that in the alfalfa fallow treatment. Moreover, correlation analysis showed thatsoil urease activity and soil organic carbon and total nitrogen content were significantly positively correlated. These can be used as indices of soil fertility．

the Loess Plateau; the grass field rotation: enzyme activity; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomas nitrogen; soil organic carbon; soil fertility

Luo Zhu-zhu E-mail:Luozz@gsau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0572

謝澤宇,羅珠珠,李玲玲,蔡立群,張仁陟,牛伊寧,趙靖靜.黃土高原不同糧草種植模式土壤碳氮及土壤酶活性.聚谷氨酸硫基復(fù)合肥在甜高粱和多花黑麥草上的肥效.草業(yè)科學,2017,34(11)：2191-2199.

Xie Z Y,Luo Z Z,Li L L,Cai L Q,Zhang R Z,Niu Y N,Zhao J J.Soil carbon and nitrogen and soil enzyme activities of different forage planting model on the Loess Plateau.Pratacultural Science，2017,34(11)：2191-2199.

S812.2;S344.1+6

A

1001-0629(2017)11-2191-09

2016-11-15接受日期2017-05-05

國家自然科學基金(41461067、31171513);甘肅省自然科學基金(1606RJZA076、1506RJZA003);甘肅省財政廳高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(037-041014)

謝澤宇(1992-)，湖北漢川人，在讀碩士生，研究方向為土壤生態(tài)。E-mail:463891222@qq.com

羅珠珠(1979-)，甘肅天水人，副教授，博士，研究方向為土壤生態(tài)。E-mail:Luozz@gsau.edu.cn