藺 芳，劉曉靜，張家洋

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 2.新鄉(xiāng)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

土壤有機(jī)碳和全氮作為綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量或肥力的重要指標(biāo)，是植物所需碳、氮的重要“源”或“庫(kù)”，不僅影響著作物產(chǎn)量，還在整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位[1-2]。土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)方面扮演著重要角色，可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的生物指標(biāo)[3]。其中，蔗糖酶，淀粉酶和纖維素酶是參與土壤碳轉(zhuǎn)化最重要的酶，其活性高低可表征土壤生物化學(xué)過(guò)程的方向和強(qiáng)度[4]。脲酶和蛋白酶是參與土壤氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，其酶促反應(yīng)產(chǎn)物氮是植物氮源之一，其活性可以用來(lái)表征土壤氮素狀況[3]。土壤系統(tǒng)中，一切復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程都是在土壤酶的參與下進(jìn)行，土壤酶的活性反映了土壤生物化學(xué)過(guò)程的相對(duì)強(qiáng)度，也是判別土壤肥力與土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[5]。對(duì)土壤碳、氮含量和酶活性的監(jiān)測(cè)已引起了研究者的格外關(guān)注[4-6]。

人工草地建設(shè)是保障我國(guó)糧食安全和生態(tài)安全的重要措施[7]。目前，人工草地播種方式包括單播和混播2種形式[8]，其中豆科+禾本科混播草地是提高草地生產(chǎn)力的基本方法，研究表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)與禾本科牧草混播是理想組合[9]。紫花苜蓿作為現(xiàn)代畜牧業(yè)生產(chǎn)中重要的植物性蛋白飼草被譽(yù)為“牧草之王”[10]，是我國(guó)人工草地種植面積最大的豆科牧草。另外，紫花苜蓿的根瘤由于能夠固定空氣中的游離態(tài)氮，因而可以增加土壤有機(jī)質(zhì)與氮素的含量。多年生黑麥草(Loliumperenne)是禾本科高產(chǎn)牧草，適口性好，消化率高[11]，并具有一年建植多年受益的優(yōu)點(diǎn)，是豫北平原的戰(zhàn)略性保障飼草之一。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)土壤碳、氮含量和酶活性開(kāi)展了廣泛研究，但大多數(shù)的研究對(duì)象是林地或農(nóng)田土壤[12-13]，且多集中于不同母質(zhì)[14-15]、施肥模式[16-17]和施肥量[18]等，而對(duì)不同種植模式草地土壤碳、氮含量和酶活性的研究較少。為此，研究探討了豫北地區(qū)紫花苜蓿與多年生黑麥草不同種植模式對(duì)土壤碳、氮含量和酶活性的影響，以及它們之間的相互關(guān)系，旨在為該地區(qū)人工草地建植及土壤環(huán)境改善提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于河南省新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)原堤村，地理位置N 35°16′12″，E 113°58′12″，地處豫北地區(qū)，北臨余河通道，南臨黃河，屬黃河沖積平原，由于黃河多年的頻繁泛濫改道，地表多含有一定比例的主流沉沙，因而土壤沙化較為嚴(yán)重[19-20]。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.2℃，年均日照時(shí)數(shù)2 400 h，年平均相對(duì)濕度68.0%，無(wú)霜期220 d。年平均降水量573.4 mm，年際間降雨分配不均，主要集中在7～8月。供試土壤類別為砂壤土，全氮0.88 g/kg，全磷0.70 g/kg，全鉀13.06 g/kg，堿解氮38.44 mg/kg，速效磷16.27 mg/kg，速效鉀88.64 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量8.45 g/kg，pH 7.86。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013～2018年連續(xù)6年實(shí)施紫花苜蓿、多年生黑麥草單播和混播種植，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)4個(gè)處理，以沙化裸地為對(duì)照，設(shè)紫花苜蓿單播，多年生黑麥草單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播3種不同的種植模式(圖1)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積5 m×5 m，總面積300 m2。紫花苜蓿和多年生黑麥草的品種分別為三得利和Mathilde，購(gòu)自河南世紀(jì)天緣生態(tài)科技有限公司。2013年10月播種，單播紫花苜蓿的播量為15 kg/hm2，單播多年生黑麥草的播量為18 kg/hm2，播種方式為條播，行距25 cm。紫花苜蓿/多年生黑麥草混播體系的種植比例為1∶1，異行種植，混播下紫花苜蓿、多年生黑麥草的播量和行距同單播。紫花苜蓿和多年生黑麥草每年均刈割5次，分別是每年的5月初、6月中上旬、7月中旬、8月下旬和10月初。試驗(yàn)期間免耕處理，不施用任何肥料，每年于1、3、5、9、11月定期灌水，共5次，灌水方法為機(jī)泵抽取井水進(jìn)行田面畦灌，水質(zhì)符合國(guó)家灌溉標(biāo)準(zhǔn)，灌水量約為900 m3/hm2。

圖1 研究區(qū)域及樣方布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area and sample layout

1.3 樣品采集及測(cè)定

土壤樣品采集與測(cè)定：2018年10月，采用五點(diǎn)取樣法，在各小區(qū)用土鉆進(jìn)行分層取樣，采用方法為：將土樣中雜草等明顯的有機(jī)物及小石塊剔除后，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，研磨，過(guò)篩，用于土壤各指標(biāo)的測(cè)定[21]。多年生黑麥草沒(méi)有發(fā)達(dá)的主根，為須根系，其根系主要集中在40 cm以內(nèi)，故試驗(yàn)用土取0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層。

土壤碳、氮含量的測(cè)定：采用有機(jī)碳分析儀(Elementar，德國(guó))測(cè)定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)，分別采用半微量凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤全氮和堿解氮含量[22]。

土壤酶活性測(cè)定：采用常規(guī)分析方法[15]測(cè)定土壤酶活性。其中，脲酶采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，以24 h后1.0 g土壤中氨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示；蛋白酶用茚三酮比色法測(cè)定，以1.0 g土壤中24 h后氨基氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示；蔗糖酶，淀粉酶和纖維素酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，其中，蔗糖酶和淀粉酶以24 h 后1.0 g 土壤中葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示，纖維素酶以72 h后1.0 g 土壤中葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Excel 2007 整理和作圖后，采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析。其中，不同種植模式間各指標(biāo)的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行分析比較，各因子間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson 相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，所有數(shù)據(jù)均以3 次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤來(lái)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤有機(jī)碳含量

沙化裸地和3種種植模式土壤有機(jī)碳(0～40 cm土層的平均值)高低排序?yàn)樽匣ㄜ俎?多年生黑麥草混播(9.17 g/kg)>紫花苜蓿單播(7.91 g/kg)>多年生黑麥草單播(6.63 g/kg)>沙化裸地(6.04 g/kg)。其中，土壤表層(0～20 cm)多年生黑麥草單播、紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播土壤有機(jī)碳含量均較沙化裸地顯著增加(P<0.05)，且多年生黑麥草單播，紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播3種種植模式之間也呈顯著性差異(P<0.05)；土壤亞表層(20～40 cm)紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播土壤有機(jī)碳含量較沙化裸地顯著增加(P<0.05)，而多年生黑麥草單播與沙化裸地相比未呈現(xiàn)顯著差異(P>0.05)。此外，從土壤剖面分析，沙化裸地和3種種植模式下土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出表聚性特征，即土壤表層含量最高，其次是亞表層(圖2)。

圖2 不同種植模式下土壤各土層有機(jī)碳含量Fig.2 Soil organic carbon content in each soil layer under different planting patterns注：不同小寫字母表示同一土層不同種植模式間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同種植模式下土壤全氮和堿解氮含量

紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下土壤全氮和堿解氮含量最高，且2種種植模式之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。土壤全氮含量的表現(xiàn)情況與沙化裸地相比，紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下土壤全氮含量在0～40 cm土層均顯著增加(P<0.05)，分別比對(duì)照增加22.6%和20.8%，而多年生黑麥草單播與沙化裸地相比則未呈現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)。土壤堿解氮含量的表現(xiàn)為：土壤表層(0～20 cm)多年生黑麥草單播、紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下土壤堿解氮含量均較沙化裸地顯著增加(P<0.05)，分別比對(duì)照增加32.8%，76.7%和71.8%；土壤亞表層(20～40 cm)紫花苜蓿單播和紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下土壤堿解氮含量較沙化裸地呈顯著性增加(P<0.05)，分別比對(duì)照增加55.7%和47.4%。此外，從土壤剖面分析，沙化裸地和3種種植模式下土壤全氮和堿解氮含量也呈現(xiàn)出表聚性特征(表1)。

2.3 不同種植模式下土壤酶活性

與沙化裸地相比，3種種植模式下5種土壤酶(脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纖維素酶)活性在各土層均顯著性增加(P<0.05)。3種種植模式下5種土壤酶活性高低均表現(xiàn)為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播>紫花苜蓿單播>多年生黑麥草單播。具體來(lái)說(shuō)，從土壤酶活性的各土層平均值來(lái)看，紫花苜蓿/多年生黑麥草混播下脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纖維素酶活性分別比沙化裸地增加266.80%、87.79%、49.96%、433.26%和232.38%，紫花苜蓿單播下脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纖維素酶活性分別比沙化裸地增加197.36%、59.60%、43.38%、269.02%和190.91%，多年生黑麥草單播下脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纖維素酶活性分別比沙化裸地增加76.89%、32.30%、20.33%、190.66%和72.01%。試驗(yàn)得出，與沙化裸地相比，3種種植模式下5種土壤酶活性的增幅由大到小依次是：淀粉酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶、蔗糖酶。此外，從土壤垂直分布來(lái)看，沙化裸地和3種種植模式下5種土壤酶活性也呈現(xiàn)出表聚性特征，即土壤表層含量較高(表2)。

2.4 相關(guān)性分析

對(duì)各土層土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮與5種土壤酶的相關(guān)性分析可知(表3)，土壤有機(jī)碳與蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與淀粉酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤全氮與堿解氮之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤堿解氮與脲酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纖維素酶彼此之間呈極顯著(P<0.01)或顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表1 不同種植模式下土壤各土層全氮和堿解氮含量

注：不同小寫字母表示同一土層不同種植模式之間差異顯著(P<0.05)，下同

表2 不同種植模式下各土層土壤酶活性

表3 土壤碳，氮和土壤酶的相關(guān)性分析

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3 討論

土壤碳、氮含量的高低是表征土壤質(zhì)量狀況的重要因子[23]。與沙化裸地相比，3種種植模式下土壤有機(jī)碳，全氮和堿解氮含量均不同程度地增加，這是因?yàn)槿斯げ莸亟ㄖ埠蟮乇砜萋湮锖偷叵赂翟龆啵蚨寥乐刑烊挥袡C(jī)質(zhì)的來(lái)源增加，有利于土壤養(yǎng)分的累積。3種種植模式下土壤有機(jī)碳含量高低排序?yàn)樽匣ㄜ俎?多年生黑麥草混播>紫花苜蓿單播>多年生黑麥草單播。3種種植模式下土壤全氮和堿解氮含量表現(xiàn)為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播和紫花苜蓿單播土壤含量最高，且二者之間無(wú)顯著差異(P>0.05)。多年生黑麥草單播土壤的有機(jī)碳，全氮和堿解氮含量較低，一方面是因?yàn)樵撃Ｊ较麻L(zhǎng)期向外輸出生物量而輸入不足(試驗(yàn)期間牧草定期刈割且未施肥)；另一方面是因?yàn)榻?jīng)過(guò)連續(xù)多年種植，多年生黑麥草單播土壤養(yǎng)分輸出較多，因而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的缺乏。由于紫花苜蓿的生物固氮作用，紫花苜蓿單播和混播可提高土壤生物活性，改善土壤養(yǎng)分狀況。試驗(yàn)中混播土壤有機(jī)碳，全氮和堿解氮含量較高，分析原因是紫花苜蓿的生物固氮作用為禾本科牧草提供了充足的氮源[24]，根系活力增強(qiáng)，光合能力提高，土壤微生物活性增強(qiáng)，植物體碳、氮積累能力增加[25]，因而混播模式下回歸土壤的養(yǎng)分較多。試驗(yàn)表明，從土壤垂直分布來(lái)看，沙化裸地和3種種植模式下土壤有機(jī)碳，全氮和堿解氮含量均呈現(xiàn)出表聚性特征，即土壤表層含量最高，其次是亞表層，究其原因，一方面可能是土壤可溶性有機(jī)物在土壤剖面做垂直水分運(yùn)動(dòng)，然后逐漸被各層土壤礦質(zhì)吸附累積[26]；另一方面可能是植物殘?bào)w主要積累在土壤表層[27]，可供微生物維系生命活動(dòng)的能量充足，從而導(dǎo)致土壤表層養(yǎng)分含量較高。

土壤酶作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分，是生態(tài)系統(tǒng)的生物催化劑，也是土壤有機(jī)體的代謝動(dòng)力[3]。土壤蔗糖酶，淀粉酶和纖維素酶是參與碳代謝不可缺少的酶，其活性的提高能促進(jìn)土壤中的水溶性有機(jī)碳的積累[28]。試驗(yàn)中3種種植模式下土壤蔗糖酶，淀粉酶和纖維素酶活性均表現(xiàn)為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播優(yōu)于單播，這與研究中土壤有機(jī)碳的變化表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，究其原因是在混播模式下，紫花苜蓿和多年生黑麥草共生調(diào)節(jié)了其根系分泌物和根茬腐解物的作用[18]，促進(jìn)了根系的碳代謝生理活動(dòng)，從而使土壤蔗糖酶，淀粉酶和纖維素酶活性處于較高水平。土壤脲酶和蛋白酶是表征土壤有機(jī)氮及其轉(zhuǎn)化狀況的重要因子，其活性的提高能促進(jìn)土壤中的有機(jī)氮向有效氮的轉(zhuǎn)化，二者是參與土壤氮代謝的重要酶[29]。其中，脲酶作為專性酶，它能水解土壤中的尿素形成堿解氮養(yǎng)分-銨態(tài)氮，因此，土壤脲酶活性可表征土壤氮素狀況[3]。土壤脲酶和蛋白酶也表現(xiàn)為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播土壤較高，與研究中土壤全氮和堿解氮的表現(xiàn)相似，這可能是因?yàn)樽匣ㄜ俎?多年生黑麥草混播模式下根系的氮代謝增強(qiáng)，因而土壤脲酶和蛋白酶活性也較高。從土壤垂直分布分析，5種土壤酶活性均表現(xiàn)為表層(0～20 cm)較高，呈現(xiàn)出表聚性，其他研究也證實(shí)了這一點(diǎn)[30-31]，這主要是因?yàn)楸韺油寥琅c大氣相連，其水熱條件和通氣狀況較好[22]，微生物生長(zhǎng)旺盛，代謝活躍，呼吸強(qiáng)度加大從而使土壤表層的酶活性較高。

土壤碳、氮含量和酶活性密切相關(guān)[3]。土壤酶在催化有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，能夠?qū)⑼寥乐袕?fù)雜的大分子有機(jī)化合物分解成糖類、氨基酸、NH4+等小分子化合物[32]，供土壤微生物和植物吸收利用，是反映土壤肥力和質(zhì)量變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)[33]。劉文輝等[34]對(duì)燕麥/箭筈豌豆混播土壤酶活性的研究發(fā)現(xiàn)脲酶與堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)，惠竹梅等[35]研究表明紫花苜蓿草地中土壤蔗糖酶、脲酶和纖維素酶與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)。試驗(yàn)相關(guān)性分析表明，土壤有機(jī)碳分別與蔗糖酶和淀粉酶呈極顯著(P<0.01)和顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤堿解氮與脲酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。因此，蔗糖酶，淀粉酶和脲酶可表征土壤碳、氮特征，在研究中可通過(guò)它們的活性變化反映出土壤碳、氮及其轉(zhuǎn)化狀況。

4 結(jié)論

豫北地區(qū)人工草地建植6年后，與沙化裸地相比，土壤有機(jī)碳含量和5種土壤酶均表現(xiàn)為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下最高；土壤全氮和堿解氮含量表現(xiàn)為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播和紫花苜蓿單播模式下最高；土壤有機(jī)碳分別與蔗糖酶和淀粉酶呈極顯著和顯著正相關(guān)，土壤堿解氮與脲酶呈顯著正相關(guān)。以上說(shuō)明豫北地區(qū)沙化裸地經(jīng)人工草地建植多年后土壤主要性狀得到了有效改善，總體來(lái)看，以混播模式為最佳。因此，在該地區(qū)進(jìn)行紫花苜蓿/多年生黑麥草混播可以有效改良土壤沙漠化現(xiàn)狀，是當(dāng)?shù)匾环N值得推廣的種植模式。