藺 芳
(新鄉(xiāng)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453000)
土壤微生物量是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力,微生物量庫(kù)對(duì)土壤肥力的提高具有重要作用[1-2]。土壤微生物量碳(SMBC)、土壤微生物量氮(SMBN)和土壤微生物量磷(SMBP)是植被所需碳、氮、磷的重要 “源”或 “庫(kù)”,是綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量或肥力的重要指標(biāo),也是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)[3]。土壤酶是陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ),可作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的生物指標(biāo)[4]。SMBC,SMBN,SMBP和土壤酶對(duì)土壤環(huán)境因子的變化十分敏感,土壤的微小變動(dòng)均會(huì)引起其含量或活性的變化[5],當(dāng)前,對(duì)土壤微生物量和酶活性的監(jiān)測(cè)已成為所有生態(tài)體系研究必不可少的內(nèi)容[6]。紫花苜蓿Medicago sativa是世界范圍內(nèi)人工草地栽培面積最大的豆科Leguminosae牧草,因其根瘤能夠有效固定空氣中的游離態(tài)氮而提高土壤肥力[7];無(wú)芒雀麥Bromus inermis是禾本科Gramineae優(yōu)良的放牧型牧草,適口性好,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高[8]。近年來(lái),豆科和禾本科牧草栽培對(duì)人工草地中SMBC,SMBN,SMBP和土壤酶的影響已引起了眾多研究者的格外關(guān)注[9],本研究就豫北地區(qū)紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播和紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播3種栽培模式下SMBC,SMBN,SMBP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相關(guān)土壤酶活性進(jìn)行了連續(xù)6 a的定位研究,旨在探尋既能滿足豫北地區(qū)飼草優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn),又能有效改良沙化土壤的人工草地栽培模式,以期為今后該地區(qū)人工草地的合理建植提供理論參考。
試驗(yàn)地河南省新鄉(xiāng)市洪門鎮(zhèn)原堤村(35°16′N,113°57′E),地處豫北平原,南臨黃河,北面是余河通道,屬黃河沖積平原,土壤沙化較為嚴(yán)重。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫為14.2℃,年均降水量為573.4 mm,年均日照時(shí)數(shù)為2 400 h,年均濕度為68.0%,無(wú)霜期為220 d。降水年際間分配不均,主要集中在7和8月。供試土壤類別為砂壤土,試驗(yàn)地0~40 cm土層基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地0~40 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Soil basic physical and chemical properties in 0-40 cm soil layer at test site
試驗(yàn)地總面積為720 m2,2012年10月用旋耕機(jī)進(jìn)行整體旋耕作業(yè),隨后連續(xù)6 a進(jìn)行播種試驗(yàn)。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),重復(fù)3次·小區(qū)-1,共12個(gè)小區(qū),各小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m),以沙化裸地為對(duì)照,設(shè)紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播、紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播3種不同的栽培模式;于2012年10月6日同時(shí)播種,紫花苜蓿的單播播量為15.0 kg·hm-2,無(wú)芒雀麥的單播播量為22.5 kg·hm-2,紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播播量均為相應(yīng)單播播量的一半。播種方式為條播,行距30 cm。試驗(yàn)期間免耕處理,不施用任何肥料,定期刈割牧草,5次·a-1,定期澆水與人工除草。
1.3.1 土壤樣品采集 2017年10月30日試驗(yàn)結(jié)束后,以五點(diǎn)取樣法在各小區(qū)用土鉆分層(0~10,10~20,20~30, 30~40 cm)取樣。采集到的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,并剔除粗根和小石塊,風(fēng)干磨碎后過(guò)0.15mm孔篩,備用。
1.3.2 土壤生物學(xué)指標(biāo)測(cè)定 各生物學(xué)指標(biāo)按各測(cè)定方法[10]。SMBC采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測(cè)定;SMBN用氯仿熏蒸-茚三酮比色法測(cè)定;SMBP采用熏蒸提取-全磷法測(cè)定;脲酶用靛酚藍(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-1)表示;蔗糖酶、淀粉酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以24 h后 1.0 g土壤中葡萄糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)表示;堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,以1.0 g土壤中24 h后苯酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)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-1)表示;β-葡糖苷酶活性用硝基苯比色法測(cè)定,以對(duì)硝基酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)表示;過(guò)氧化氫酶用紫外分光光度法測(cè)定,以20 min內(nèi)1.0 g土壤中分解的過(guò)氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)表示。
數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Excel 2003整理和作圖后,采用SPSS 24.0進(jìn)行方差分析、回歸分析和通徑分析。不同栽培模式間各指標(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),采用線性回歸 “Linear”程序進(jìn)行通徑分析,所有數(shù)據(jù)均以3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示。
由圖1可知:各樣地SMBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為283.71 mg·kg-1(紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播)>207.51 mg·kg-1(紫花苜蓿單播)>188.71 mg·kg-1(無(wú)芒雀麥單播)>113.26 mg·kg-1(沙化裸地); SMBN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為 41.78 mg·kg-1(紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播)>35.43 mg·kg-1(紫花苜蓿單播)>31.83 mg·kg-1(無(wú)芒雀麥單播)>18.99 mg·kg-1(沙化裸地); SMBP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為 18.65 mg·kg-1(紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播)>16.55 mg·kg-1(紫花苜蓿單播)>14.79 mg·kg-1(無(wú)芒雀麥單播)>10.20 mg·kg-1(沙化裸地)。 與沙化裸地相比,3種栽培模式下SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加(P<0.05)。其中,土壤表層(0~20 cm)混播模式下SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)較2種單播模式均呈顯著差異(P<0.05),紫花苜蓿單播模式下SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著大于無(wú)芒雀麥單播(P<0.05);土壤亞表層(20~40 cm)混播模式較2種單播模式也均呈顯著差異 (P<0.05),但2種單播模式的SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P>0.05)。
從土壤剖面來(lái)看,沙化裸地和3種栽培模式下SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體表現(xiàn)為土壤表層(0~20 cm)高于亞表層(20~40 cm), 呈表聚性特征。

圖1 不同栽培模式下土層中土壤微生物量比較Figure 1 Comparison of soil microbial content in different cultivating patterns
表2可以看出:不同栽培模式下土壤7種酶(脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶)活性從高到低均依次為紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播和沙化裸地,與沙化裸地相比,3種栽培模式下7種酶活性均不同程度增加(P<0.05)。
具體來(lái)說(shuō),與單播相比,各土層紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播模式下脲酶和蔗糖酶活性均顯著增加(P<0.05), 土壤表層(0~20 cm)紫花苜蓿單播較無(wú)芒雀麥單播顯著增加(P<0.05), 亞表層(20~40 cm)2 種單播則差異不顯著(P>0.05)。各土層3種栽培模式下堿性磷酸酶活性差異不顯著(P>0.05)。與單播相比,各土層紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播模式下蛋白酶和淀粉酶活性均顯著增加(P<0.05),但2種單播之間差異不顯著(P>0.05)。各土層混播和紫花苜蓿單播模式下β-葡萄糖苷酶活性較無(wú)芒雀麥單播呈顯著增加(P<0.05),但混播和紫花苜蓿單播之間差異不顯著(P>0.05);較無(wú)芒雀麥單播,混播和紫花苜蓿單播使土壤表層(0~20 cm)β-葡萄糖苷酶活性顯著增加(P<0.05),但混播和紫花苜蓿單播之間差異不顯著(P>0.05)。此外,土壤7種酶的活性均隨著土層深度的增加而減小。

表2 不同栽培模式下土層土壤7種酶活性Table 2 7 soil enzyme activities in different soil layers under different cultivating patterns
對(duì)土層中SMBC,SMBN,SMBP與土壤酶活性的相關(guān)性分析可知(表3):SMBC(y1),SMBN(y2)和SMBP(y3)彼此之間極顯著正相關(guān)(P<0.01); 土壤脲酶(x1)、 蔗糖酶(x2)、 堿性磷酸酶(x3)、 蛋白酶(x4)、淀粉酶(x5)、 β-葡萄糖苷酶(x6)和過(guò)氧化氫酶(x7)彼此之間也表現(xiàn)出了極顯著正相關(guān)(P<0.01); SMBC 和SMBN均與土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與蔗糖酶顯著正相關(guān)(P<0.05);SMBP與土壤7種酶均極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表3 土壤微生物量碳氮磷和土壤酶的相關(guān)性分析Table 3 Correlation between soil microbial biomass carbon,nitrogen,phosphorus and soil enzyme
對(duì)SMBC相關(guān)的7個(gè)土壤酶經(jīng)逐步回歸分析,剔除次要影響因素過(guò)氧化氫酶(x7)和堿性磷酸酶(x3),剩余的5個(gè)酶與SMBC(y1)存在極顯著線性關(guān)系,其回歸方程為y1=754.492x1-18.909x2-13.309x4+311.551x5-48.216x6+72.325,該方程達(dá)極顯著水平,檢驗(yàn)值F=75.779,R2=0.952;對(duì)SMBN相關(guān)的7個(gè)土壤酶經(jīng)逐步回歸分析,剔除次要影響因素過(guò)氧化氫酶(x7)、蛋白酶(x4)和淀粉酶(x5),剩余的4個(gè)酶與SMBN(y2)存在極顯著線性關(guān)系,其回歸方程為y2=98.297x1-3.308x2+36.871x3-5.087x6-5.867,該方程達(dá)極顯著水平,檢驗(yàn)值F=249.808,R2=0.981;對(duì)SMBP相關(guān)的7個(gè)土壤酶經(jīng)逐步回歸分析,剔除次要影響因素脲酶(x1)和蛋白酶(x4),剩余的5個(gè)酶與 SMBP(y3)存在極顯著線性關(guān)系,其回歸方程為y3=0.817x2+9.170x3+5.215x5+1.130x6-2.459x7+6.289,該方程達(dá)極顯著水平,檢驗(yàn)值F=273.483,R2=0.986。
通徑分析(表4)進(jìn)一步表明:各因素對(duì)SMBC的直接通徑系數(shù)按絕對(duì)值從大到小排序?yàn)殡迕?、淀粉酶、?葡萄糖苷酶、蔗糖酶和蛋白酶。脲酶對(duì)SMBC的直接通徑系數(shù)最大(1.674),有強(qiáng)烈的正直接作用,盡管其他酶表現(xiàn)出對(duì)SMBC的負(fù)間接作用,但最終表現(xiàn)為正效應(yīng);結(jié)合脲酶且SMBC有極顯著相關(guān)性,說(shuō)明脲酶是影響SMBC的主要因素。蔗糖酶、蛋白酶和β-葡萄糖苷酶對(duì)SMBC都表現(xiàn)出較大的負(fù)效應(yīng),但受到其他酶的間接正效應(yīng),最終表現(xiàn)為正效應(yīng),與相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)一致。淀粉酶對(duì)SMBC直接通徑系數(shù)為0.646,間接通徑系數(shù)總和為0.266,說(shuō)明淀粉酶通過(guò)其他酶使得對(duì)SMBC的正效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。

表4 土壤相關(guān)酶對(duì)微生物量碳(y1)的通徑系數(shù)Table 4 Path coefficient of soil related enzymes to microbial carbon(y1)
表5所示:各因素對(duì)SMBN的直接通徑系數(shù)按絕對(duì)值從大到小排序?yàn)殡迕浮⒄崽敲浮ⅵ?葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶。脲酶對(duì)SMBN的直接通徑系數(shù)很大(1.416),有強(qiáng)烈的正直接作用,盡管其通過(guò)其他酶表現(xiàn)出對(duì)SMBN的負(fù)間接作用,但最終表現(xiàn)為正效應(yīng);結(jié)合脲酶與SMBN的極顯著相關(guān)性,說(shuō)明脲酶是影響SMBN的主要因素。蔗糖酶對(duì)SMBN呈負(fù)效應(yīng),但是其通過(guò)其他酶的間接正效應(yīng),使得最終總和表現(xiàn)為正效應(yīng)。堿性磷酸酶對(duì)SMBN的直接通徑系數(shù)只有0.396,而其通過(guò)其他因子對(duì)SMBN的間接通徑系數(shù)卻達(dá)0.552,說(shuō)明堿性磷酸酶主要是通過(guò)其他酶的間接作用來(lái)影響SMBN的。β-葡萄糖苷酶對(duì)SMBN表現(xiàn)出直接的負(fù)效應(yīng),但是其通過(guò)其他因子表現(xiàn)出的正效應(yīng)抵消了直接的負(fù)效應(yīng),最終表現(xiàn)為很強(qiáng)的正效應(yīng)。

表5 土壤相關(guān)酶對(duì)土壤微生物量氮(y2)的通徑系數(shù)Table 5 Path coefficient of soil related enzymes to soil microbial nitrogen(y2)
表6所示:各因素對(duì)SMBP的直接通徑系數(shù)按絕對(duì)值從大到小排序?yàn)檎崽敲?、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、過(guò)氧化氫酶和淀粉酶。土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶、淀粉酶和β-葡萄糖苷酶對(duì)SMBP的直接和間接通徑系數(shù)都為正,說(shuō)明在土壤中它們對(duì)SMBP不僅表現(xiàn)出直接的正效應(yīng),還通過(guò)其他相關(guān)酶來(lái)加強(qiáng)這種正效應(yīng)。過(guò)氧化氫酶對(duì)SMBP表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng),但是受其他因子較大的間接正效應(yīng),最終表現(xiàn)為正效應(yīng)。

表6 土壤相關(guān)酶對(duì)土壤微生物量磷(y3)的通徑系數(shù)Table 6 Path coefficient of soil related enzymes to soil microbial phosphorus(y3)
本研究中,人工草地建植6 a后,與沙化裸地相比,3種栽培模式下SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著性增加,從高到低依次為紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播。無(wú)芒雀麥單播的土壤微生物量最低,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)期間未施肥且牧草均定期刈割),導(dǎo)致土壤微生物能源的缺乏;另一方面是因?yàn)榻?jīng)過(guò)連續(xù)多年栽培,無(wú)芒雀麥單播土壤養(yǎng)分輸出較多,不利于土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖,其土壤微生物的儲(chǔ)量和活性均很低。由于紫花苜蓿的生物固氮作用,紫花苜蓿單播和混播可改善土壤養(yǎng)分狀況,提高土壤微生物量。相對(duì)于單播,混播模式下植物生長(zhǎng)更加旺盛,不僅可以為土壤系統(tǒng)輸入更多的有機(jī)殘?bào)w,還可以通過(guò)改善土壤微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境,提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源物質(zhì)以提高微生物活性[11],進(jìn)而提高土壤微生物量。
本研究中,3種栽培模式下SMBC,SMBN和SMBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為土壤表層大于亞表層,呈現(xiàn)表聚性。這是因?yàn)楸韺油寥浪疅岷屯鉅顩r較好,表層中細(xì)根和凋落物的快速周轉(zhuǎn),有利于微生物生長(zhǎng)和繁殖,增強(qiáng)了土壤養(yǎng)分的生物有效性[12];隨著土層的加深,微生物生境條件變差,微生物生物量的分布受到影響,因而其土壤微生物量明顯低于表層[13]。
本研究中,相較于沙化裸地,單播和混播模式下7種土壤酶活性較高,從高到低依次為紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播、沙化裸地,得益于紫花苜蓿和無(wú)芒雀麥根茬和根系分泌物對(duì)土壤酶活性的促進(jìn)[14];紫花苜蓿單播模式大于無(wú)芒雀麥單播模式,究其原因,一方面是因?yàn)樽匣ㄜ俎5纳锕痰饔茫?5],對(duì)脲酶和蛋白酶活性的影響較大,促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化;另一方面,紫花苜蓿根系的根瘤菌會(huì)提升土壤中的腐殖質(zhì)含量,促進(jìn)蔗糖酶、淀粉酶和β-葡萄糖苷酶的活性[16],從而提高土壤碳素轉(zhuǎn)化效率,同時(shí)促進(jìn)堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性[17],對(duì)土壤有機(jī)磷轉(zhuǎn)化、土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)度提高均有益。相比而言,紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播對(duì)7種土壤酶活性效果更顯著,這可能是混播模式中紫花苜蓿和多年生黑麥草共生,調(diào)節(jié)了其根系分泌和根茬腐解的作用,促進(jìn)了根系的碳代謝生理,使這7種土壤酶活性處于較高水平,表現(xiàn)出與SMBC,SMBN和SMBP同樣的變化規(guī)律,說(shuō)明7種土壤酶與SMBC,SMBN,SMBP的關(guān)系較為密切。從土壤垂直分布來(lái)看,7種土壤酶活性均表現(xiàn)為表層較高,主要是因?yàn)楸韺油寥琅c大氣相連,其溫度和通透性更好[18],從而為微生物的良好生長(zhǎng)提供更有利的條件[19]。
本研究中,SMBC和SMBN與土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與蔗糖酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05);SMBP與7種酶均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。分析原因?yàn)橥寥烂甘怯赏寥乐械募?xì)菌、真菌和植物根部分泌[20],直接參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化[9],其活性在一定程度上能表征土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱[6],反映土壤微生物活動(dòng)的強(qiáng)度,進(jìn)而影響土壤微生物量的高低。
本研究通過(guò)逐步回歸分析對(duì)土壤酶彼此之間的顯著相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了量化,發(fā)現(xiàn)入選的因子(土壤酶)對(duì)SMBC,SMBN,SMBP的決定系數(shù)高達(dá)0.952,0.981和0.986,均達(dá)極顯著水平,表明篩選的影響因子真實(shí)可靠。具體來(lái)說(shuō),對(duì)SMBC的直接貢獻(xiàn)效應(yīng)因子為脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶和蛋白酶,對(duì)SMBN的直接貢獻(xiàn)效應(yīng)因子為脲酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶,對(duì)SMBP的直接貢獻(xiàn)效應(yīng)因子為蔗糖酶,堿性磷酸酶,β-葡萄糖苷酶,過(guò)氧化氫酶和淀粉酶。
豫北地區(qū)人工草地建植6 a后,與沙化裸地相比,土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化氫酶活性得到了提高,土層SMBC,SMBN和SMBP的積累明顯,從高到低均依次為紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無(wú)芒雀麥單播;SMBC,SMBN和SMBP與土壤7種酶均呈顯著或極顯著相關(guān);通徑分析表明:脲酶是影響SMBC和SMBN的首要因子,蔗糖酶是影響SMBP的首要因子??梢?jiàn),在豫北地區(qū)實(shí)施人工草地建植可以有效改良土壤,紫花苜蓿/無(wú)芒雀麥混播是最佳的種植模式。