人工草地土壤質量及土壤酶活性對利用年限的響應

魏加弟，宋曉宏，席冬梅

（云南農業大學動物科學技術學院，云南 昆明 650201）

草地具有改善區域氣候、保持土壤養分、降低水土流失等重要生態功能［1］。草地作為游牧民族的發祥地，為牛、羊、馬等家畜提供了源源不斷的食物，滿足了人們對肉、奶、皮、毛等畜產品的需求，是畜牧業穩定發展的重要保障［2］。隨著社會對畜產品的需求量越來越大，過高的載畜量使草地生態系統承受巨大的壓力。目前，我國天然草地有90%不同程度退化，其中嚴重退化草地占60%以上［3］。為緩解天然草地壓力，國家通過實施退牧還草、退耕還草等一系列重大草地保護建設項目，大力推進人工草地建設和人工草地生態保護［4］。人工草地在草地生態系統中所占的比重不斷上升，截至2016年我國人工草地種植面積已達到1 500萬hm2，其生態服務功能日益增強［5］。人工草地的建設為當地農牧民的生產生活提供了大量的資源，農牧民收入水平提高、生活條件改善，對解決我國“三農”問題有重要意義［6］。隨著人工草地利用年限增加，由于家畜踩踏、草地養護管理粗放等問題，導致草地土壤質量下降［7-8］，從而導致人工草地利用年限縮短。因此，加強對不同利用年限人工草地的養護和管理是維持人工草地土壤質量水平，增加人工草地利用年限的有效方法。

土壤是陸地生態系統的主要組成部分，同時也是生態系統中生物與環境相互作用的主要場所。土壤中儲存著許多與植物生長相關的營養元素，植物生長與土壤密不可分，人工草地土壤質量狀況是衡量草地生產力的重要指標［9］，反映土壤為草地提供養分和水分的能力，隨著人工草地利用年限增加草地土壤質量會發生動態變化。龔正發等［10］研究表明，隨著草地利用年限增加由于自然或人為因素會導致草地土壤養分流失，土壤質量下降。白永飛等［11］認為人工草地“人-草-畜”關系失衡，會隨著草地利用年限增加對草地土壤環境造成嚴重危害。有報告指出由于我國人工草地基礎研究和產業發展水平均落后于發達國家，導致其利用年限短，嚴重滯后于我國國民經濟發展需求［12］。土壤酶對生態系統生境變化非常敏感，具有環境統一性，其活性強弱可反映人工草地土壤中各種生物化學過程的強度和方向，也可以反應草地植物對養分的獲取［13］。土壤酶活性可以作為土壤質量及土壤健康狀況的重要指標［14］。隨著人工草地利用年限的增加，草地土壤質量的監測與管理至關重要，在人工草地退化初期及時采取措施防止草地土壤質量下降，進而延長人工草地利用年限是研究者關注的熱點問題。草地土壤質量下降嚴重制約草地實現其生產、生態功能，如何減緩人工草地土壤質量下降速率、恢復草地生態環境、提高草地利用年限是人工草地面臨的巨大科學與技術挑戰。

本研究選取云南省種羊繁育推廣中心分別利用了5、13和24年的人工草地，通過對比不同利用年限人工草地土壤理化性質和酶活性，探究其土壤質量變化特征，發現土壤養分下降的時期，以期為人工草地治理和可持續利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

云南省種羊繁育推廣中心位于尋甸縣城之西，距縣城 7 km，E 103°11′24″，N 25°40′44″，全場總面積1 600 hm2，年均溫13.5℃，年降水量 1 034 mm，蒸發量2 034 mm，全年日照1 846 h，年無霜期240 d。土壤類型為磚紅壤，表層pH值5.5~6.3。全場草地分為高產優質放牧人工草地、割草地和飼料地，其中高產優質放牧人工草地1.2萬hm2。人工草地主要飼養綿羊和山羊，放牧強度中等，草地多年來種植草種為鴨茅（Dactylis glomerata）、白三葉（Trifolium repens）和多年生黑麥草（（Lolium perenne），混播，播種量分別為1、0.5、0.5 kg/ hm2。除惡劣天氣外草地全年放牧，放牧時間為6~8 h/d，載畜量15個羊單位/hm2，放牧強度中度。每年于7~8月刈割后施肥1次，鈣鎂磷肥15 kg/hm2，尿素5 kg/ hm2，每2~3年施適量鉀肥。

1.2 試驗設計

該人工草地均為同一片退化天然草地改良形成，其初始土壤質量狀況基本一致，地形平坦。本研究選取2 000 m海拔處的5年（2014年）、13年（2006年）和24年（1995年）的人工放牧草地土壤為研究對象。確定采樣點后在0~30 cm表層土壤采樣，每個利用年限建立3個樣地，每個樣地3個重復。取樣工具包括鐵鍬、螺旋取土鉆、環刀、鋁盒、樣品袋、樣品箱、記錄表等。采樣時以“等量”和“多點混合”的原則進行采樣，采用S形布點采樣，每個樣點至少采集6個點位的土壤，然后混勻。把土樣裝入自封袋中，貼上標簽，用記號筆寫明編號、采樣地點、土壤類型等。采集的混合土樣拿回實驗室剔除雜草和石塊后，置于陰涼處自然風干，一部分用于土壤理化性質的測定，一部分土樣用于測試土壤酶活性。

1.3 測定指標

土壤化學指標的測定，主要參照鮑士旦的方法［15］，土壤孔隙度和土壤容重采用環刀法，土壤pH值測定采用電位法，土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀外熱源法，水解性氮含量測定采用堿解擴散法，全氮含量測定采用凱氏蒸餾法，全磷含量測定采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法，全鉀用NaOH熔融—火焰光度法，有效磷含量測定采用NaHCO3浸提—鉬銻抗吸光度法；速效鉀含量測定采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度法。土壤酶活性的測定參考關松蔭［16］的方法，脲酶采用靛酚藍比色法，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，酸性磷酸酶采用苯磷酸二鈉比色法，蔗糖酶采用3，5‐二硝基水楊酸比色法。

1.4 數據處理

數據用Microsoft Excel 2010處理，試驗結果采用SPSS 軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 人工草地的利用年限對土壤理化性質的影響

不同利用年限人工草地土壤容重隨著人工草地利用年限的增加逐漸降低，其中利用13年的人工草地土壤容重比利用5年的人工草地土壤容重減小17.52%，差異顯著（P<0.05），利用24年的人工草地比利用13年的人工草地土壤容重減小5.38%，土壤孔隙度變化情況與土壤容重相反（表1）。

表1 不同利用年限下人工草地土壤物理性質Table 1 Soil physical properties of artificial grassland under different utilization years

不同利用年限人工草地的土壤化學性質如表2所示，土壤pH值5.71~6.13，草地在利用第24年土壤pH值顯著降低。土壤有機質含量變化為：5年<13年<24年。土壤全鉀含量隨草地利用年限增長顯著升高，利用了13年、24年的人工草地土壤全鉀含量比利用了5年的人工草地土壤全鉀含量分別高出50.52%和108.31%。土壤有效磷含量隨草地利用年限增長顯著降低（P<0.05），土壤速效鉀含量隨草地利用年限增長先升高后降低。不同利用年限人工草地的土壤全氮、全磷及堿解氮含量無顯著性差異。

表2 不同利用年限下人工草地土壤化學性質Table 2 Soil chemical properties of artificial grassland under different utilization years

2.2 人工草地的利用年限對土壤酶活性的影響

隨著利用年限增加土壤脲酶活性、蔗糖酶活性及過氧化氫酶活性整體出現先升高后降低的趨勢（圖1），人工草地在利用第5年至第13年土壤脲酶活性緩慢升高，但是在利用第13年至第24年顯著性下降（P<0.05），由 660.64 μg/（d·g）下 降 至 572.17 μg/（d·g）。土壤酸性磷酸酶活性隨著人工草地利用年限增加由74.77 μmol/（d·g）緩慢下降至 65.48 μmol/（d·g），但是差異不顯著（P>0.05）（圖2‐A）。土壤過氧化氫酶活性隨著利用年限增加先升高后降低，利用第13年過氧化氫酶活性達到最高為 41.77 μmol/（d·g）（圖2‐B）。土壤蔗糖酶活性隨人工草地利用年限增加先升高然后顯著性降低（圖2‐C），利用第24年的草地土壤比利用第13年的草地土壤酶活性降低了37.82%。

圖1 不同利用年限的人工草地土壤酶活性Fig.1 Soil enzyme activities of artificial grassland under different utilization years

2.3 土壤理化性質與酶活性的相關性分析

相關性分析表明（表3），土壤酸性磷酸酶活性與土壤pH值的相關性達到極顯著水平（P<0.01），說明土壤pH值可以影響酸性磷酸酶的活性。土壤脲酶與土壤pH值和土壤有效磷含量顯著相關，土壤過氧化氫酶與土壤有機質、堿解氮、速效鉀和全氮均有顯著相關性，說明土壤過氧化氫酶活性可以敏感反映土壤的質量狀況，土壤蔗糖酶與土壤速效鉀含量和土壤pH值顯著相關。

表3 土壤酶活性與土壤理化指標相關性分析Table 3 Correlation analysis of soil enzyme activity and soil physical and chemical indexes

3 討論

土壤容重是土壤重要的物理性質之一，不同草地的生境條件及植物根系分布不同，土壤容重存在一定差異。隨著人工草地利用年限的增長，土壤容重減小，與林敬蘭等［17］的研究結果一致。原因可能是由于草本植物的須根系在生長過程中廣泛分布和不斷伸長使得土壤顆粒粉碎，導致土壤容重降低。土壤孔隙度是表征土壤通氣性和透水性的重要指標，孔隙度大的土壤其出水性更強，本研究中隨著利用年限增長，土壤孔隙度增升高，這與張娜等［18］的研究結果一致，認為中度放牧使土壤含水量和孔隙度增加，而適度的家畜踐踏促進表層土壤和凋落物的融合，同時一定程度上家畜的糞便加快植被生物量向土壤歸還，增加了土壤有機質與腐殖質含量，改善了土壤結構。

土壤養分和pH值是草地生態系統功能恢復與維持的關鍵指標，對植物群落演替起著重要作用。本研究發現人工草地利用第24年土壤pH值降低，一方面是隨著草地利用時間增長，植物枯落物等有機物質的累積產生了有機酸，導致了土壤pH值下降［19］，另一方面是由于化肥的不合理利用使土壤酸化降低了土壤pH值。本研究中草地土壤全鉀含量增長顯著，利用24年土壤全鉀含量是利用5年的2倍，根據黃椏鋒等［20］的研究認為，人工草地施肥因根據牧草混播比例而定，當禾本科草比例較高時應以氮肥為主，磷肥鉀肥為輔，因此該人工草地存在鉀肥磷肥比例失衡問題，應該減少鉀肥施用，適當的補充氮肥。彭文英等［21］的研究結果表明，人工草地在建植初期，土壤有機質含量可以在5~7年提高2.5倍，本研究中土壤有機質在草地利用24年后比利用第5年增加了65.85%，這與草地利用年限增加土壤微生物多樣性增加，土壤中物質循環加快有關。土壤堿解氮的含量與土壤中有機質的含量及轉化有關，本研究中隨著人工草地利用年限增加，土壤堿解氮含量升高，一方面是因為土壤有機質增加，增加了土壤微生物的固氮作用，另一方面是因為豆科牧草的固氮作用。根據鄭偉等［22］的研究禾本科牧草種植比例大于豆科牧草時不利于土壤有效磷的釋放，本研究中土壤有效磷含量隨著利用年限上升持續下降，這可能與該人工草地禾本科牧草繁殖較快有關。土壤速效鉀含量是土壤鉀素供應的重要指標之一，本研究中速效鉀含量在草地利用第5年含量最大，為284.28 g/kg。可能是建植初期人工草地生物量不斷增加，土壤表層有機質增加，進而提高了土壤速效鉀含量［23］，到利用第24年土壤速效鉀含量下降了55.88%，這可能與利用年限增加，人工草地植物群落結構發生了較大改變，毒雜草比例增加，人工草地土壤質量整體下降有關。

土壤酶活性高低與土壤質量密切相關，是土壤質量的生物指標［24］。土壤磷酸酶可以促進土壤中有機磷分解轉化為無機磷提高磷的利用效率，對于研究者估計土壤磷素狀況有重要意義。隨著年限的增加，土壤酸性磷酸酶活性逐漸降低，這與談嫣蓉等［25］的研究結果一致，因為土壤酸性磷酸酶活性對草地放牧強度較敏感，該草地放牧強度抑制了土壤酸性磷酸酶活性。本研究中土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性隨著利用年限的增加先升高后降低，這與黃玙璠等［26］的研究結果一致，說明隨著利用年限增加土壤中物質循環下降，可能是因為草地群落在演替過程中由于優勢種的更替，人工草地的建植草種與入侵雜草等物種間競爭激烈，地上生物量有略微下降的趨勢，從而影響了地下土壤的物質循環［27］。

本研究的相關性分析表明，土壤酶活性與土壤養分因子相關性顯著，說明土壤酶活性與土壤養分循環和能量轉化密切相關。本研究中土壤pH值與土壤酸性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性都顯著相關，說明適宜的土壤pH值可以促進土壤酶活性，這是因為土壤中物質轉化、能量流動及微生物代謝活動都需要適宜的pH值，所以人工草地維持pH值的穩定很重要。本研究中土壤蔗糖酶活性與土壤有機質含量顯著相關，這可能與蔗糖酶可以把土壤中的蔗糖分解為單糖，為土壤有機質代謝提供反映物質有關［28－29］。土壤過氧化氫酶活性與土壤全氮、全磷及速效鉀含量顯著相關，過氧化氫酶能夠水解過氧化氫并釋放出水和氧氣，從而解除了過氧化氫對植物的毒害作用，促進土壤中的物質代謝，這與許亞東等［30］的研究結果一致。土壤脲酶活性可以反映土壤氮素狀況，但是本研究中土壤脲酶活性與土壤全氮和堿解氮間的相關性不強，這可能與研究區土壤條件、氣候類型等因素有關。

4 結論

土壤酶活性與土壤質量顯著相關，人工草地在利用的第5~13年土壤酶活性升高，但是當草地利用年限超過13年時土壤出現酸化，土壤酶活性降低，土壤中物質循環速率降低。