沙地豆禾混播草地土壤酶與土壤養分對混播比例的響應

于鐵峰， 郝 鳳， 張永亮， 高 凱

(內蒙古民族大學農學院， 內蒙古 通遼 028042)

人工草地的建立是遏制土地沙漠化、恢復生態和發展草牧業的重要舉措[1]。紫花苜蓿(Medicagosativa)作為畜牧業生產中的首選飼草，其蛋白含量高、固氮能力強[2]；無芒雀麥(Bromusinermis)具有適口性好、易于栽培、產草量高等特點，2者均為多年生牧草，且已成為我國北方地區重要的戰略性保障飼草[3]。用苜蓿與無芒雀麥混播建立人工草地不僅經濟效益高于種植糧食及其他飼草作物，而且其根系發達，固土培肥效果明顯，有利于土壤有機質和速效養分的積累[4]。

土壤理化性質是評價土壤肥力的重要指標，但理化性質的變化比較緩慢，導致短期內土壤質量的微小變化難以體現[5]。而土壤酶是植物對土壤營養元素吸收與利用的直接參與者，是聯系植物與土壤的載體，其活性大小表征了土壤中物質代謝的旺盛程度，是土壤質量、肥力及健康狀況的指示劑[6]。作為土壤的主要組成部分，土壤酶活性與土壤的生物特性、理化性質等具有一定的關聯性，而且對環境的響應特別敏感，施肥、作物種類、土壤類型都是引起其變化的重要因素[7-8]。

近年來，國內外學者對土壤酶和土壤養分的關系開展了廣泛研究，但大多的研究對象是農田[9]、草甸[10-11]或荒漠區[12]，且多集中于施肥[13-14]、品種選擇[15]、植被恢復重建[16-17]等，而不同的豆禾混播比例對旱區沙化草地土壤酶及土壤環境因素的影響研究較少。因此，本研究選擇科爾沁沙地紫花苜蓿與無芒雀麥混播植被為研究對象，分析不同混播比例對旱區沙化草地的土壤酶活性和營養物質積累的影響以及2者之間的關系,以期為科爾沁沙地混播人工草地建植與管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古民族大學農牧業科技示范園區。屬典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫6.4℃，極端最低溫-30.9℃，≥10℃積溫3 184℃，無霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長季降水量占全年的89%。土壤為風沙土，土壤(0～20 cm)有機質含量4.86 g·kg-1、速效鉀94.7 mg·kg-1、速效磷10.5 mg·kg-1、堿解氮11.2 mg·kg-1、pH值為8.2。具有噴灌條件，干旱時灌水。

1.2 試驗材料

供試材料：紫花苜蓿(品種為‘公農1號’，來自吉林省農科院)、無芒雀麥(品種為‘Carlton’，來自北京正道種業有限公司)。

供試肥料：尿素CO(NH2)2(含N≥46%)、過磷酸鈣Ca(H2PO4)2(含P2O5≥44%)、氯化鉀(含K2O≥60%)。

1.3 試驗設計

大田試驗，試驗地于2017年5月22日建植，試驗設豆禾2∶2和1∶2兩種間行混播比例。小區面積4 m×5 m=20 m2，每區12行，行距30 cm，3次重復。苜蓿播種量為15 kg·hm-2，無芒雀麥播種量為30 kg·hm-2，豆禾2∶2處理苜蓿與禾草各占其單播量的50%，豆禾1∶2處理苜蓿與禾草各占其單播量的33%和67%。施肥試驗于2018年進行，氮磷鉀施肥量分別為：360 kg·hm-2，100 kg·hm-2，360 kg·hm-2。磷肥在返青期(4月10日)全部施入，氮肥和鉀肥分3次施入(牧草返青期施設計總量的40%、第1茬刈割后施30%、第2茬刈割后施30%)。第1次開溝施肥，在壟間開3～4 cm溝施肥，第2，3次撒施，每次施肥后均澆水。年刈割3次，1茬和2茬草在苜蓿盛花期刈割，刈割時間分別為6月初及7月中旬，3茬在9月初刈割，留茬高度5 cm。隨時人工防除雜草。

1.4 測定方法

取樣時間與方法：在每茬牧草刈割后第2天(6月12日、7月23日和9月4日)取土樣，取樣后施肥。每個小區按5點取樣法用土鉆鉆取0～40 cm土層土壤樣品，每層(10 cm)土壤混合成1個土樣，一部分土壤自然風干后進行土壤養分指標的測定，一部分迅速放入冰盒中,并轉移至4℃冰箱，立即進行土壤酶活性測定。

土壤養分含量的測定參照魯如坤[18]的《土壤農化分析》一書，采用堿解擴散法測定堿解氮，0.5 M NaHCO3浸提—鉬銻抗顯色法測定速效磷，NH4OAc浸提—火焰光度法測定有效鉀，重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機質。

土壤酶活性[19]以苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定脲酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性，高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性。

1.5 數據處理

用Excel 2016進行數據整理及圖表繪制，SPSS 19.0統計軟件中均數比較-獨立樣本t檢驗進行數據差異性分析。所有數據以平均值±標準誤表示，P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 豆禾混播比例對土壤養分含量的影響

由圖1可知，不同豆禾混播比例下不同土壤深度草地土壤養分不同。各處理下的土壤有機質含量均隨土層深度的增加呈先增大后減小的趨勢，在10～20 cm土層達最大值；豆禾1∶2處理土壤有機質含量均高于豆禾2∶2處理，且在10～20 cm，20～30 cm土層下，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。土壤堿解氮和有效鉀含量變化相一致，均表現為隨土層深度的增加而減小，豆禾2∶2處理下堿解氮和有效鉀含量較高，且在0～10 cm，10～20 cm土層，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。豆禾1∶2處理下的土壤速效磷在0～10 cm土層達最大值，而豆禾2∶2處理下的土壤速效磷則在10～20 cm土層達最大值；各層土壤速效磷含量均表現為豆禾1∶2處理高于豆禾2∶2處理，且在0～10 cm，10～20 cm土層，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。

圖1 豆禾混播比例對土壤養分含量的影響Fig.1 Effect of different mixed modes on soil fertility factors注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同Note:Different lowecase letters indicate signifficant differences at the 0.05 level, the same as below

2.2 豆禾混播比例對土壤酶活性的影響

由圖2可知，隨著土層的加深,脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈逐漸降低的趨勢,不同層次間顯示出不同程度的差異性。除10～20 cm土層堿性磷酸酶活性、30～40 cm土層過氧化氫酶活性外，脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均表現為豆禾2∶2處理高于豆禾1∶2處理。各土層土壤脲酶活性均表現為豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm土層土壤蔗糖酶活性豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。0～10 cm土層土壤堿性磷酸酶活性豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層過氧化氫酶活性，豆禾1∶2處理和豆禾2∶2處理相比差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同豆禾混播方式混播比例下土壤養分因子與土壤酶的相關分析

由表1可知，豆禾1∶2處理，表層土(0～20 cm)的蔗糖酶和堿性磷酸酶呈負相關，其他酶兩兩之間互為正相關。堿解氮與蔗糖酶、過氧化氫酶、速效磷關系密切，呈顯著正相關(P<0.05)，尤其是與脲酶呈極顯著正相關(P<0.01)。亞層土(20～40 cm)脲酶和堿性磷酸酶呈極顯著正相關(P<0.01)，速效磷與蔗糖酶、堿解氮、有效鉀呈顯著正相關(P<0.05)。有效鉀與堿解氮顯著正相關(P<0.05)，與速效磷極顯著正相關(P<0.01)。

圖2 豆禾混播比例對土壤酶活性的影響Fig.2 Effect of different mixed modes on soil enzyme activities

表1 各指標間的相關系數矩陣(豆禾1∶2)Table 1 Correlation matrix(r-values) between soil enzyme activities and soil fertility factors(legume：grass=1∶2)

如表2可知，豆禾2∶2處理，表層土(0～20 cm)的脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶，兩兩之間互為正相關，其中過氧化氫酶與其他3種酶關系密切。堿解氮與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶均呈極顯著正相關(P<0.05)。有效鉀與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、堿解氮呈極顯著正相關(P<0.01)。亞層土(20～40 cm)8個指標之間兩兩均互為正相關，其中有機質與過氧化氫酶、堿解氮、有效鉀關系密切，呈顯著正相關(P<0.05)。堿解氮與蔗糖酶、過氧化氫酶、有效鉀關系尤為密切，呈極顯著正相關(P<0.01)。速效磷與蔗糖酶呈極顯著正相關(P<0.01)，有效鉀與堿性磷酸酶、堿解氮極顯著正相關(P<0.01)。

表2 各指標間的相關系數矩陣(豆禾2∶2)Table 2 Correlation matrix(r-values) between soil enzyme activities and soil fertility factors(legume:grass=2∶2)

2.4 土壤養分因子與土壤酶活性間的主成分分析

主成分分析是在損失較少信息的前提下將多項指標轉化為較少的綜合指標。由表3可知，對苜蓿土壤理化性質和土壤酶活性等8個指標進行了主成分分析，提取的2個主因子的累積貢獻率達85.97%，且特征值均大于1，說明前2個主成分可用于反映土壤養分高低的供應狀況。第一主成分貢獻率是67.91%，脲酶、堿解氮具有較高正載荷。第二主成分貢獻率18.05%，速效磷具有較高負載荷。

表3 土壤養分因子與土壤酶活性間的主成分分析Table 3 Principal component analysis of soil enzyme activities and soil fertility factors

3 討論

3.1 豆禾混播比例對科爾沁沙地土壤養分的影響

豆禾混播比例的不同可使其土壤養分的分布與積累規律產生差異[20]。本研究中，2種混播比例草地的土壤養分變化基本一致，由表層向下土壤養分含量逐漸減少，與大部分草地相似，呈現垂直分布規律[21]且表層土(0～20 cm)的土壤養分含量與亞層土(20～40 cm)相比，波動較大。主要是由于表層土的透氣性好，加之地表的枯枝落葉等歸還物的快速周轉，微生物較為活躍，使其養分積累較多，表現為表層土壤養分含量遠大于亞層的規律[22]。但2種混播比例的有機質含量均在10～20 cm土層較高，可能是由于在苜蓿生長的第2年，產生的須根和根瘤大多分布在10～20 cm土層，有機殘體的歸還量及腐殖化系數較高，致使土壤有機物的輸入量也集中于此，且輸入量相對較大[23]。在豆禾混播系統中存在一種氮素共享的通道，豆科牧草固定的氮可通過各種途徑為伴生的禾本科牧草提供氮源[24-25]。

豆禾混播比例為1∶2時，更有利于土壤有機質和速效磷的積累。而豆禾混播比例為2∶2時，更有利于堿解氮和有效鉀的積累。主要是由于豆禾混播時，禾本科植物會優先吸收土壤中的無機態氮，尤其是硝態氮，使土壤礦質氮減小，更加促進了豆科固氮，而豆科比例相對增加時，氮的礦化和固定隨之增加，對土壤氮的消耗隨之減少[26]，同時豆禾牧草在根際可形成對土壤磷素利用的空間優勢，促進了牧草對磷的吸收[27]。由此可見，適當增加豆科比例可顯著增加土壤氮素和鉀素的供應。這和關正翾等[28]、鄭偉等[29]的研究結果一致。另土壤養分含量在表層土(0～20 cm)受混播比例的影響較大，在2種混播比例下，變化較為劇烈，差異達顯著水平(P<0.05)。這也與土壤垂直分布規律有一定的關系[20]。

3.2 豆禾混播比例對草地土壤酶活性的影響

土壤酶活性具有催化作用，便于將有機物轉化為植物和微生物可利用的營養物質[30]。本研究中從土壤垂直分布來看，4種土壤酶活性均呈逐漸降低的趨勢，這與土壤養分的變化規律相一致，主要也是因為表層土壤與大氣相連，其溫濕度和透氣性更好[31]，微生物的生存環境更為舒適，其生長和繁殖較快[32]。隨著土層的加深，微生物生境條件變差，導致其土壤酶活性降低。

豆禾混播比例對土壤酶活性的影響較為明顯，4種酶活性均表現為豆禾2∶2處理高于豆禾1∶2處理，可見，適當增加豆科牧草比例可不同程度的提高土壤酶活性，有利于土壤養分的積累和轉化。是由于豆科牧草的結瘤固氮特性，使得豆禾混播牧草根系分泌物增加，根茬腐解作用增強，進而提高了蔗糖酶活性[33]。紫花苜蓿的根系較為發達，與無芒雀麥混播有效利用了土壤空間，提高了其根系密度和呼吸強度，使根系的碳代謝旺盛，從而增強了堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性[34-35]。而紫花苜蓿的固氮作用對與土壤氮素轉化過程有關的脲酶活性的影響較大[36]，使土壤氮素積累較多。

3.3 不同豆禾混播比例下土壤酶活性與土壤養分的關系

土壤酶活性與植物可利用的土壤營養物質密切相關，較高的土壤酶活性，增強了土壤元素的礦質化作用，促進了混播系統中營養元素的利用[37]。本研究中，表層土(0～20 cm)，豆禾1∶2處理土壤堿解氮與脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性呈正相關關系，豆禾2∶2處理土壤堿解氮與脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性呈正相關關系，表明了氮素在土壤表層肥力中的重要程度。不僅是提供營養元素，而且也為土壤中的微生物提供反應底物原料，從而提高酶促反應強度[38]。另研究還發現表層土(0～20 cm)，除豆禾1∶2處理蔗糖酶和堿性磷酸酶呈負相關外，其他處理4種酶活性之間均呈正相關，這說明土壤酶類相互協作可提高土壤養分，同時土壤酶還有其專一特性[39]。

為了進一步探討土壤酶活性與土壤養分的關系,本研究對科爾沁沙地人工草地土壤酶活性與土壤養分之間進行了主成分分析,以便能篩選出產生影響的主要因子群。提取2個主因子的累積貢獻率達 85.97%，且它們的特征值都大于1，說明所提取的2個主因子已基本覆蓋所有信息，故取前 2個主因子，并選用最大方差法做正交旋轉，以便能夠更好的解釋變量間的關系和命名變量。第1主成分貢獻率是67.91%，其載荷特征向量值較大。其中脲酶、堿解氮具有較高正載荷，說明其正相關性較好，可反映出土壤速效氮養分的轉化及供應情況。第2主成分貢獻率18.05%，其中速效磷具有較高載荷，其值為負數，與蔗糖酶具有較好的負相關關系，可反映出速效磷的供應狀況。由此，豆禾混播草地的土壤肥力水平是由土壤酶活性和土壤養分因子共同評價的。

4 結論

隨土層加深，土壤養分含量逐漸減少，呈現垂直分布規律。土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性與土壤有機質、堿解氮、速效磷和有效鉀養分變化基本一致。

豆禾混播比例為1∶2時，有利于土壤有機質和速效磷的積累。而豆禾混播比例為2∶ 2時，更有利于堿解氮和有效鉀的積累。適當增加豆科牧草比例可不同程度的提高土壤酶活性，有利于土壤養分的積累和轉化。

相關分析和主成分分析表明，土壤酶活性與土壤主要養分因子間具有一定相關性,說明土壤酶可以用來表征土壤養分狀況，且豆禾混播草地的土壤肥力水平是由土壤酶活性和土壤養分因子共同評價的。