黃土高原不同種植年限苜蓿地土壤酶活性的 季節性變化研究

韓國君，何明珠，黃海霞，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)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種高產、生存力極強的多年生豆科牧草。長期種植苜蓿可改善土壤結構、增強土壤肥力，尤其是對黃土高原的生態修復以及畜牧業發展具有重要意義[1]。土壤酶作為土壤中最活躍的成分之一，是土壤有機體的代謝動力，在土壤生態系統的物質循環和能量流動方面扮演著重要的角色[2-4]。土壤酶主要來源于土壤中動植物殘體分解、植物根系分泌以及土壤微生物的釋放，土壤酶活性是評價土壤肥力和土壤質量的重要生物學指標[5-7]。黃土高原是水土流失最嚴重和生態環境最脆弱的地區之一，也是我國畜牧業生產、生態安全保障的重點區域。雖已開展了鹽堿草地[8]、退耕草地[9]、荒漠鹽生植被和丘陵坡地植被[10-11]的土壤酶活性變化研究，但黃土高原牧草地土壤酶活性變化的研究較少[12]，因此，研究黃土高原長期種植紫花苜蓿地的土壤酶活性變化，可為黃土高原科學種植紫花苜蓿提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗地設在農業部蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站，位于N 36°01′，E 103°45′，海拔1 750 m。年均降水量324 mm，主要集中在6～9月，年均蒸發量1 450 mm，可照時間2 750 h，年均氣溫9.4℃，≥0℃的活動積溫為3 700℃。試驗站種植有苜蓿、檸條等多種優質牧草，已成為我國草業、畜牧等綜合性試驗基地。該試驗區屬黃土高原半干旱丘陵溝壑區，土壤為灰鈣土，試驗地土壤基本養分見表1。

1.2 試驗處理

在2016年3、6、9和12月選取試驗站內種植1、2、4、11和16年的紫花苜蓿地作為試驗處理，分0～5 cm和5～10 cm土層進行土壤樣品的采集。每層土樣均按“S”形采集5個點的混合樣，將土樣帶回實驗室4℃冷藏保存，盡快完成土壤酶活性的測定。

1.3 測定方法

土壤堿性磷酸酶(ALP)活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的質量(mg)表示，土壤蔗糖酶(SC)活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法，以24 h后1 g土壤中葡萄糖毫克數表示，土壤脲酶(URE)活性的測定采用靛酚蘭比色法，以24 h后1 g土壤中NH4+-N的毫克數表示，過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[13]。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2010對數據進行整理和繪圖，用SPSS 19.0進行數據的單因素方差分析(ANOVA)，并用Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限紫花苜蓿地土壤脲酶活性季節變化

種植1、2、4、11和16年紫花苜蓿地的土壤脲酶活性0～5 cm土層顯著大于5～10 cm，表現土壤脲酶在土壤表層的聚集性。土壤脲酶活性在0～5 cm土層中以種植4年的最高，達到1.28 mg/(g·d)，而在5～10 cm土層中種植2年的土壤脲酶活性最高，為0.81 mg/(g·d)，兩者相差1.5倍。土壤脲酶活性有明顯的季節性變化，6月最高達1.31 mg/(g·d)，9月最低為0.43 mg/(g·d)。種植2、4年的土壤脲酶活性均大于11、16年。種植年限長達11年以上的土壤脲酶活性呈顯著降低趨勢(圖1)。

2.2 不同種植年限紫花苜蓿地土壤蔗糖酶活性季節變化

在9月和12月0～5 cm土層的土壤蔗糖酶活性顯著大于5～10 cm土層的，0～5 cm與5～10 cm土層的土壤蔗糖酶活性相差1～2倍。土壤蔗糖酶不僅在種植4年紫花苜蓿時表現出活性較高，而且在種植11年和16年的土壤也表現了較高的活性，僅在種植1年的土壤蔗糖酶活性較低。3月土壤蔗糖酶活性在各月中較高，而9月酶活性較低，土壤蔗糖酶活性呈顯著的季節性變化(圖2)。

圖1 不同種植年限紫花苜蓿地土壤脲酶活性季節變化Fig.1 Seasonal variation of soil urease activity in different alfalfa planting ages

2.3 不同種植年限紫花苜蓿地土壤堿性磷酸酶活性季節變化

在0～5 cm土層，種植4年紫花苜蓿的土壤堿性磷酸酶活性最高，達到7.11 mg/(g·d)，而在5～10 cm土層中，種植11年紫花苜蓿的土壤堿性磷酸酶活性最高可達5.66 mg/(g·d)。不同種植年限之間比較分析，種植4年、11年紫花苜蓿的土壤堿性磷酸酶活性高于種植2年、16年。不同種植年限的土壤堿性磷酸酶活性均以6月份較高，形成土壤堿性磷酸酶活性變化的峰值(圖3)。

圖2 不同種植年限紫花苜蓿地土壤蔗糖酶活性季節變化Fig.2 Seasonal variation of soil sucrose enzyme activity in different alfalfa planting ages

圖3 不同種植年限紫花苜蓿地堿性磷酸酶活性季節變化Fig.3 Seasonal variation of soil alkaline phosphatase activity in different alfalfa planting ages

2.4 不同種植年限紫花苜蓿地土壤過氧化氫酶活性季節變化

種植16年紫花苜蓿地的0～5 cm土層的過氧化氫酶活性差異不顯著。在不同種植年限紫花苜蓿地6月和9月過氧化氫酶活性差異不顯著，僅在3月和12月土壤中的過氧化氫酶活性有顯著差異，表明過氧化氫酶活性無明顯季節變化特征(圖4)。

2.5 種植年限、土層深度和季節對土壤酶活性的交互效應

土壤酶活性與植物的種植年限、季節和土層深度等多種因素相關。季節與土層深度的交互作用對過氧化氫酶活性的影響不顯著，種植年限、土層深度和季節的交互作用對堿性磷酸酶、蔗糖酶活性的影響均不顯著。黃土高原種植多年的紫花苜蓿地中土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性受到種植年限、季節、土層深度以及其之間交互作用的顯著影響(表2)。

圖4 不同種植年限紫花苜蓿地過氧化氫酶活性季節變化Fig.4 Seasonal variation of soil catalase activity in different alfalfa planting ages

表2 種植年限、土層深度以及季節對土壤酶活性的交互效應(F值)

注：**表示顯著水平為P<0.01；*表示顯著水平為P<0.05

3 討論

土壤酶活性與土壤微生物、植物種植以及季節變化等因素密切相關。研究表明，楊樹剌槐混交林和純林的土壤酶在夏季、春季活性較高，而在秋季、冬季酶活性較低[14]，高寒灌叢草地土壤脲酶季節性動態特征最大值出現在7月，最小值在11月[15]。在沙漠生物結皮中春季到秋季的土壤蔗糖酶均保持較高活性[16]。此次試驗結果與結論相似，在黃土高原長年種植紫花苜蓿的土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性表現為6月較高，而12月較低。土壤細菌數量、C/N、鹽度等因素影響堿性磷酸酶活性的時空變化[17-18]。由于細菌和放線菌能顯著促進土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性，而真菌會抑制其土壤酶活性，隨作物種植年限的增加，土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性顯著降低[19]。種植10～13年苜蓿地的土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性要低于種植0～4年的土壤酶活性[20]。試驗結果表明，種植4年的紫花苜蓿地的土壤酶活性較高，而種植11年、16年紫花苜蓿的土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性呈下降趨勢，說明長期種植紫花苜蓿不利于土壤培肥和牧草高產。

土壤酶活性分布特征受到土壤理化性質及環境條件的影響。研究表明，隨土層深度的增加，土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性逐漸降低。隨種植年限和土層深度的增加，苜蓿地土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性呈下降趨勢，土壤酶活性主要富集在0～20 cm土層，形成表層聚集性特征[21]。不同種植年限苜蓿地土壤脲酶和過氧化氫酶活性均隨土層深度的增加而降低。但在沙漠人工林土壤中過氧化氫酶活性0～20 cm土層與20～40 cm土層之間無顯著差異[22]。在荒漠灌區苜蓿地土壤表層的過氧化氫酶活性的季節變化也不顯著[24]。土壤水熱條件直接或間接影響土壤酶活性，過高或過低的土壤溫度及水分都會導致土壤酶活性的降低[26]。由于土壤水分和溫度隨季節呈周期性變化，所以土壤酶活性的波動變化與季節更替呈顯著相關。隨苜蓿種植年限的延長，土壤干燥化程度在加劇，并在0～10 cm土層較易受到水分脅迫的影響[[25-26]。試驗中，黃土高原種植紫花苜蓿土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性在0～5 cm均顯著高于5～10 cm土層，而過氧化氫酶酶活性在土層之間差異不顯著。

4 結論

(1)在黃土高原種植4年的紫花苜蓿地的土壤酶活性較高，而種植11、16年的土壤酶活性呈下降顯著。0～5 cm土層的土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性顯著高于5～10 cm土層，而在0～5 cm過氧化氫酶活性與5～10 cm土層中的酶活性差異不顯著。

(2)黃土高原不同種植年限紫花苜蓿地的土壤酶活性與季節變化呈顯著相關，土壤脲酶和堿性磷酸酶活性均表現為6月較高，而蔗糖酶活性3月較高。