紫花苜蓿與多年生黑麥草不同種植模式下沙化土壤碳、氮含量和酶活性研究

藺 芳，劉曉靜，張家洋

(1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 2.新鄉學院 生命科學技術學院，河南 新鄉 453003)

土壤有機碳和全氮作為綜合評價土壤質量或肥力的重要指標，是植物所需碳、氮的重要“源”或“庫”，不僅影響著作物產量，還在整個土壤生態系統中占有重要地位[1-2]。土壤酶是生態系統功能的基礎，在土壤生態系統的物質循環和能量流動方面扮演著重要角色，可作為評價土壤質量的生物指標[3]。其中，蔗糖酶，淀粉酶和纖維素酶是參與土壤碳轉化最重要的酶，其活性高低可表征土壤生物化學過程的方向和強度[4]。脲酶和蛋白酶是參與土壤氮轉化的關鍵酶，其酶促反應產物氮是植物氮源之一，其活性可以用來表征土壤氮素狀況[3]。土壤系統中，一切復雜的生物化學過程都是在土壤酶的參與下進行，土壤酶的活性反映了土壤生物化學過程的相對強度，也是判別土壤肥力與土壤質量的重要指標之一[5]。對土壤碳、氮含量和酶活性的監測已引起了研究者的格外關注[4-6]。

人工草地建設是保障我國糧食安全和生態安全的重要措施[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]。紫花苜蓿作為現代畜牧業生產中重要的植物性蛋白飼草被譽為“牧草之王”[10]，是我國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氮，因而可以增加土壤有機質與氮素的含量。多年生黑麥草(Loliumperenne)是禾本科高產牧草，適口性好，消化率高[11]，并具有一年建植多年受益的優點，是豫北平原的戰略性保障飼草之一。近年來，許多學者對土壤碳、氮含量和酶活性開展了廣泛研究，但大多數的研究對象是林地或農田土壤[12-13]，且多集中于不同母質[14-15]、施肥模式[16-17]和施肥量[18]等，而對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紫花苜蓿與多年生黑麥草不同種植模式對土壤碳、氮含量和酶活性的影響，以及它們之間的相互關系，旨在為該地區人工草地建植及土壤環境改善提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗地位于河南省新鄉市紅旗區原堤村，地理位置N 35°16′12″，E 113°58′12″，地處豫北地區，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重[19-20]。該地區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14.2℃，年均日照時數2 400 h，年平均相對濕度68.0%，無霜期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，有機質含量8.45 g/kg，pH 7.86。

1.2 試驗設計

2013～2018年連續6年實施紫花苜蓿、多年生黑麥草單播和混播種植，隨機區組設計，設4個處理，以沙化裸地為對照，設紫花苜蓿單播，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)，每個處理3次重復，共12個小區，小區面積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，購自河南世紀天緣生態科技有限公司。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，灌水方法為機泵抽取井水進行田面畦灌，水質符合國家灌溉標準，灌水量約為900 m3/hm2。

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

1.3 樣品采集及測定

土壤樣品采集與測定：2018年10月，采用五點取樣法，在各小區用土鉆進行分層取樣，采用方法為：將土樣中雜草等明顯的有機物及小石塊剔除后，裝入自封袋帶回實驗室，自然風干，研磨，過篩，用于土壤各指標的測定[21]。多年生黑麥草沒有發達的主根，為須根系，其根系主要集中在40 cm以內，故試驗用土取0～10、10～20、20～30和30～40 cm土層。

土壤碳、氮含量的測定：采用有機碳分析儀(Elementar，德國)測定土壤有機碳質量分數(g/kg)，分別采用半微量凱氏定氮法和堿解擴散法測定土壤全氮和堿解氮含量[22]。

土壤酶活性測定：采用常規分析方法[15]測定土壤酶活性。其中，脲酶采用靛酚藍比色法測定，以24 h后1.0 g土壤中氨態氮質量分數(mg/g)表示；蛋白酶用茚三酮比色法測定，以1.0 g土壤中24 h后氨基氮的質量分數(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定，其中，蔗糖酶和淀粉酶以24 h 后1.0 g 土壤中葡萄糖質量分數(mg/g)表示，纖維素酶以72 h后1.0 g 土壤中葡萄糖質量分數(mg/g)表示。

1.4 數據處理與分析

數據經過Excel 2007 整理和作圖后，采用SPSS 19.0 軟件進行方差分析和回歸分析。其中，不同種植模式間各指標的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行分析比較，各因子間的相關關系采用Pearson 相關系數法進行評價，所有數據均以3 次重復的平均值±標準誤來表示。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下土壤有機碳含量

沙化裸地和3種種植模式土壤有機碳(0～40 cm土層的平均值)高低排序為紫花苜蓿/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碳含量呈現出表聚性特征，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種種植模式之間無顯著性差異(P>0.05)。土壤全氮含量的表現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顯著性差異(P>0.05)。土壤堿解氮含量的表現為：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。具體來說，從土壤酶活性的各土層平均值來看，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，從土壤垂直分布來看，沙化裸地和3種種植模式下5種土壤酶活性也呈現出表聚性特征，即土壤表層含量較高(表2)。

2.4 相關性分析

對各土層土壤有機碳、全氮、堿解氮與5種土壤酶的相關性分析可知(表3)，土壤有機碳與蔗糖酶呈極顯著正相關(P<0.01)，與淀粉酶呈顯著正相關(P<0.05)；土壤全氮與堿解氮之間呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤堿解氮與脲酶呈顯著正相關(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(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，氮和土壤酶的相關性分析

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

3 討論

土壤碳、氮含量的高低是表征土壤質量狀況的重要因子[23]。與沙化裸地相比，3種種植模式下土壤有機碳，全氮和堿解氮含量均不同程度地增加，這是因為人工草地建植后地表枯落物和地下根系增多，因而土壤中天然有機質的來源增加，有利于土壤養分的累積。3種種植模式下土壤有機碳含量高低排序為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播>紫花苜蓿單播>多年生黑麥草單播。3種種植模式下土壤全氮和堿解氮含量表現為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播和紫花苜蓿單播土壤含量最高，且二者之間無顯著差異(P>0.05)。多年生黑麥草單播土壤的有機碳，全氮和堿解氮含量較低，一方面是因為該模式下長期向外輸出生物量而輸入不足(試驗期間牧草定期刈割且未施肥)；另一方面是因為經過連續多年種植，多年生黑麥草單播土壤養分輸出較多，因而導致土壤養分的缺乏。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，改善土壤養分狀況。試驗中混播土壤有機碳，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，光合能力提高，土壤微生物活性增強，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分較多。試驗表明，從土壤垂直分布來看，沙化裸地和3種種植模式下土壤有機碳，全氮和堿解氮含量均呈現出表聚性特征，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物在土壤剖面做垂直水分運動，然后逐漸被各層土壤礦質吸附累積[26]；另一方面可能是植物殘體主要積累在土壤表層[27]，可供微生物維系生命活動的能量充足，從而導致土壤表層養分含量較高。

土壤酶作為土壤生態系統的組分，是生態系統的生物催化劑，也是土壤有機體的代謝動力[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土壤中的水溶性有機碳的積累[28]。試驗中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為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播優于單播，這與研究中土壤有機碳的變化表現出一致的趨勢，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節了其根系分泌物和根茬腐解物的作用[18]，促進了根系的碳代謝生理活動，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氮及其轉化狀況的重要因子，其活性的提高能促進土壤中的有機氮向有效氮的轉化，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分-銨態氮，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相似，這可能是因為紫花苜蓿/多年生黑麥草混播模式下根系的氮代謝增強，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為表層(0～20 cm)較高，呈現出表聚性，其他研究也證實了這一點[30-31]，這主要是因為表層土壤與大氣相連，其水熱條件和通氣狀況較好[22]，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強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[3]。土壤酶在催化有機質分解和養分循環過程中起著關鍵作用，能夠將土壤中復雜的大分子有機化合物分解成糖類、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量變化的預警及敏感指標[33]。劉文輝等[34]對燕麥/箭筈豌豆混播土壤酶活性的研究發現脲酶與堿解氮含量呈極顯著正相關，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質呈顯著正相關。試驗相關性分析表明，土壤有機碳分別與蔗糖酶和淀粉酶呈極顯著(P<0.01)和顯著正相關(P<0.05)，土壤堿解氮與脲酶呈顯著正相關(P<0.05)。因此，蔗糖酶，淀粉酶和脲酶可表征土壤碳、氮特征，在研究中可通過它們的活性變化反映出土壤碳、氮及其轉化狀況。

4 結論

豫北地區人工草地建植6年后，與沙化裸地相比，土壤有機碳含量和5種土壤酶均表現為紫花苜蓿/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；土壤有機碳分別與蔗糖酶和淀粉酶呈極顯著和顯著正相關，土壤堿解氮與脲酶呈顯著正相關。以上說明豫北地區沙化裸地經人工草地建植多年后土壤主要性狀得到了有效改善，總體來看，以混播模式為最佳。因此，在該地區進行紫花苜蓿/多年生黑麥草混播可以有效改良土壤沙漠化現狀，是當地一種值得推廣的種植模式。