韓國君， 何明珠， 黃海霞， 宋 捷， 馬樂元

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院， 甘肅 蘭州 730000； 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

黃土高原是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)和水土保持重點(diǎn)區(qū)，也是中國治理水土流失和建設(shè)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵區(qū)[1-2]。該區(qū)長期開展生態(tài)恢復(fù)的綜合治理研究，退耕還林還草是黃土高原人工植被建設(shè)的重要措施之一，對脆弱生態(tài)恢復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)改良和土壤肥力提升發(fā)揮積極作用[2-3]。土壤酶是土壤有機(jī)體的代謝動力，是評價(jià)土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一項(xiàng)重要生物指標(biāo)[4-6]，土壤酶學(xué)特征也是反映生態(tài)系統(tǒng)中土壤肥力和土壤有機(jī)氮庫變化一個(gè)潛在指標(biāo)[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(jié)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(jià)人工植被建設(shè)成效的一項(xiàng)主要指標(biāo)。土壤酶具有較強(qiáng)的抗逆性，可有效調(diào)節(jié)干旱貧瘠土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。有關(guān)牧草種植的研究表明，青海湖沙化區(qū)人工種植披堿草、堿茅和早熟禾顯著提高土壤養(yǎng)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(yǎng)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(jié)構(gòu)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(yǎng)分、土壤微生物量和土壤酶活性產(chǎn)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(yīng)，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(jī)碳、土壤微生物、土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)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(yàn)以黃土高原主要優(yōu)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(jié)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(wěn)定性、提升土壤肥力和防治水土流失相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)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(qū)。年均降水量約323.5 mm，主要集中于7—9這3個(gè)月，蒸發(fā)量約1 445.0 mm，日照時(shí)間2 741.6 h，年平均氣溫達(dá)9.4 ℃。該試驗(yàn)區(qū)屬于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)，土壤母質(zhì)類型為第四紀(jì)風(fēng)成黃土，土層深厚，土壤為灰鈣土。試驗(yàn)區(qū)0—10 cm土層基本土壤養(yǎng)分情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分情況

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)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(shè)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(gè)試驗(yàn)處理(見表1)。小區(qū)面積15 m2(5 m×3 m)，每個(gè)試驗(yàn)處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)24個(gè)小區(qū)，按隨機(jī)區(qū)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?xiàng)l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(jìn)行冷藏。

表2 人工種植牧草地的試驗(yàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)剩余過氧化氫的量表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及交互作用分析，用Duncan氏法進(jìn)行多重比較。用Origin Pro 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同牧草地土壤脲酶活性的季節(jié)性變化

通過比較不同牧草土壤脲酶活性季節(jié)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(jié)性變化特征

2.2 不同牧草地土壤蔗糖酶活性的季節(jié)性變化

不同牧草土壤蔗糖酶活性的季節(jié)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(jié)性變化

2.3 不同牧草地土壤堿性磷酸酶活性的季節(jié)性變化

通過不同牧草土壤堿性磷酸酶活性的季節(jié)變化規(guī)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(jié)性變化

2.4 不同牧草地不同季節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)性變化

2.5 土壤酶活性的交互效應(yīng)

由牧草品種、季節(jié)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(jié)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(chǎn)生極顯著影響。品種和季節(jié)的交互作用對脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶產(chǎn)生極顯著影響；而品種和土層深度互作以及品種、季節(jié)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(jù)土壤酶活性對不同人工牧草品種進(jìn)行聚類

通過運(yùn)用聚類分析方法，將不同處理作為變量進(jìn)行Q型聚類分析，計(jì)算距離時(shí)選擇平方歐氏距離，通過SPSS 20.0進(jìn)行處理得到分析結(jié)果(圖5)。根據(jù)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(jié)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(jié)果

3 討論與結(jié)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(jī)碳之間有一個(gè)明顯的互動過程，是一個(gè)敏感的生物指標(biāo)，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(guān)性，而土壤轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)碳與土壤酶活性密切相關(guān)[24]。有關(guān)人工植被建成后土壤酶活性變化表明，在三江源區(qū)重度退化草地人工種植優(yōu)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(guī)律[22]。在人工楊樹林土壤中酶活性存在季節(jié)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(jié)變化不明顯[25]。果園生草可有效調(diào)節(jié)果園土壤微環(huán)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(yàn)研究結(jié)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(jié)間差異不顯著。季節(jié)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(chǎn)生極顯著影響；品種和季節(jié)的交互作用對脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶產(chǎn)生極顯著影響。本試驗(yàn)研究結(jié)果與前人[9,14]研究結(jié)果相似，說明牧草品種、季節(jié)和土層深度之間的土壤酶活性的存在差異?？傮w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(qū)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(yǎng)分含量均顯著提高，且土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量呈顯著相關(guān)性[11]。在內(nèi)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(nóng)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(nèi)。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(qiáng)，具有“表聚性”特征[16,29]。受鹽堿化的影響過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶對季節(jié)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(xié)同作用，且過氧化氫酶活性與草地群落的生長狀態(tài)顯著相關(guān)[30]。但本試驗(yàn)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(nèi)，也表現(xiàn)出土壤酶活性在土層“表聚性”。

3.2 結(jié) 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(xiàn)最明顯，呈現(xiàn)“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(jié)變化對土壤過氧化氫酶活性的影響最小。

(3) 在黃土高原區(qū)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(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站提供試驗(yàn)平臺。