刈割对羊草草原土壤酶活性和养分含量的影响

秦燕，何峰，仝宗永，陈宝瑞，李向林*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.齐齐哈尔大学， 黑龙江 齐齐哈尔 161006；

3.呼伦贝尔国家野外站，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)



刈割对羊草草原土壤酶活性和养分含量的影响

秦燕1,2，何峰1，仝宗永1，陈宝瑞3，李向林1*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193；2.齐齐哈尔大学， 黑龙江 齐齐哈尔 161006；

3.呼伦贝尔国家野外站，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

摘要：土壤酶是土壤生态系统中最活跃的组分之一，是土壤中重要的生物活性物质，草地土壤酶活性与草地土壤养分含量关系密切。本文研究了刈割制度对呼伦贝尔羊草草原土壤酶活性和养分的影响，主要结果为：土壤脲酶、碱性磷酸酶对刈割制度的响应较为敏感，与逐年刈割相比，刈割间隔2年到6年草地0～30 cm土壤的脲酶活性提高了0.34～0.64倍，碱性磷酸酶活性降低了28.9%～44.2%。刈割对草地30～60 cm土壤养分含量影响更大，表现为土壤全氮、速效氮、全磷、速效钾和速效磷含量在各处理间0～30 cm土壤中没有显著的变化，仅6年1割样地较逐年刈割样地土壤有机质含量增加了10.5%；随刈割间隔年限的增加，30～60 cm土壤全氮和有机质含量变化范围分别为0.36～0.66 g/kg和12.26～17.73 g/kg，并且速效钾和速效磷含量都有降低的趋势。不同刈割制度下草地土壤养分含量与土壤酶活性的关系不尽相同，正负兼有。研究结果表明逐年刈割对土壤养分的影响有限，逐年刈割适用于该研究区的草地管理。

关键词：刈割；土壤酶活性；土壤养分；草地管理

土壤酶是土壤一切生物化学过程的重要参与者，是土壤生态系统中最活跃的组分之一[1-2]，来源于土壤微生物的分泌、植物根系分泌物和动植物残体腐解过程中释放的酶[3]。土壤酶活性反映土壤中物质转化和能量代谢的强度，通过参与土壤养分转化进而对土壤肥力产生重要影响[4]。土壤酶与微生物是土壤中重要的生物活性物质，共同推动土壤生物化学过程，两者与土壤养分关系密切[5]。因此，土壤酶活性在一定程度上反映土壤养分转化情况[6]，可作为评价草地土壤质量变化、生产力和生物活性的有效指标[7-8]。

草地土壤酶活性与土壤养分含量关系密切。土壤蔗糖酶与土壤中腐殖质、有机质、粘粒的含量、氮磷含量呈正相关关系[9]；土壤脲酶直接参与土壤含氮有机化合物的转化，影响土壤中氮素转化能力[10]。施肥通过刺激牧草根系生长而增加根系分泌物，提高土壤酶活性[11]；草地管理方式影响土壤酶活性，但往往因草地类型不同而异。温带草甸草原在适度放牧下，土壤脲酶和过氧化氢酶活性高于封育和重度放牧草甸[12]，且放牧草地土壤微生物量碳氮均明显高于封育草地[13]；而青藏高原高寒草甸土壤酸性磷酸酶和淀粉酶活性随放牧率的增加而降低，脲酶活性与放牧率正相关[14]，但在荒漠草原，封育对土壤蔗糖酶影响不显著，而多酚氧化酶活性显著提高[15]。呼伦贝尔草甸草原是我国重要的畜牧业生产基地，刈割利用是其常见利用方式之一，但刈割制度对呼伦贝尔羊草草原土壤酶活性和养分的影响及其相互关系尚不清楚，因此，本文研究了不同刈割间隔时间对呼伦贝尔羊草草原土壤酶活性和养分变化规律的影响，以期为呼伦贝尔草原管理利用提供理论依据和参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站试验区(海拉尔市谢尔塔拉，N 49.33°，E 120.05°)，属温带半干旱大陆性气候。海拔620～660 m，年均降水量319 mm，年均温-2.4℃，土壤为暗栗钙土，草地类型为以羊草(Leymuschinensis)为优势种的草甸草原，主要伴生植物种有：苔草(Carexsiderosticta)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、硬质早熟禾(Poasphondylodes)、斜茎黄芪(Astragalusadsuigens)等 。

1.2样地设置和样品采集

选取试验站羊草草甸草原固定观测样地，开展不同刈割制度对草地影响的相关研究。试验设置了4种刈割制度(表1)：1年刈割1次(1yr-C)、2年刈割1次(2yr-C)、3年刈割1次(3yr-C)和6年刈割1次(6yr-C)。样地于2006年底开始围封、设置，各处理围栏面积为0.7～1.3 hm2。刈割试验于2007年开始，在每年8月5日前后使用割草机进行刈割，留茬高度通常为7 cm。各刈割试验区植物群落组成相似，生物量为80～120 g/m2。

表1　样地情况简介

土壤样品于2013年9月8日采集，在各样地随机选取10个土壤采样点，分别取0～30 cm和30～60 cm两层土样，同层混合即得1个样品，去除植物残体后，将一部分迅速过2 mm筛后装入样品袋，用具生物冰袋的保温箱带回实验室，并置于4℃冰箱保存，此部分为土壤酶活性分析待用样品；另一部分自然风干后过0.5 mm筛，样品储存室保存，用于土壤养分测定。

1.3样品测定

土壤酶活性测定原理：用甲苯浸泡土壤样品后，加入最适于某种酶活性的缓冲液和反应基质，在适宜的温度条件下进行培养，测定酶促反应生成物质的浓度，土壤酶活性以单位土壤发生酶促反应生成物质的量计算。脲酶活性采用靛酚比色法[3]、蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法[3]、过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法[3]，碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[16]。

有机质采用重铬酸钾氧化滴定法，全氮采用凯氏定氮法，碱解氮采用碱解扩散法，全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，速效磷采用碳酸氢钠法，速效钾采用火焰光度计法[17]。

1.4数据分析

所有数据使用SPSS 19.0软件进行统计分析，使用单因素方差分析模块(One-way ANOVA)进行不同处理中各指标间的差异显著性分析，相关分析采用Pearson’s相关分析法。

2结果与分析

2.1土壤酶活性

草地0～30 cm土壤脲酶活性随刈割间隔时间增加而提高(图1)。样地1yr-C土壤脲酶活性为4.49 μg/(g·h)，低于其他刈割处理，分别为6yr-C、3yr-C和2yr-C样地的81.4%，66.9%和71.2%，样地6yr-C、3yr-C和2yr-C无显著差异(P>0.05)，但6yr-C和3yr-C样地显著高于1yr-C(P<0.05)。6yr-C、3yr-C和2yr-C样地30～60 cm土壤脲酶活性均高于1yr-C样地，但除2yr-C显著高于1yr-C外，其他处理间均无显著差异。

与土壤脲酶变化趋势相反，刈割间隔对草地30～60 cm土壤过氧化氢酶活性有较明显的影响，对草地0～30 cm影响不明显(图1)。随着刈割间隔时间的增加，30～60 cm土壤过氧化氢酶逐渐降低，变化范围为4.89～5.74 mg H2O2/(g·20 min)，6yr-C和3yr-C样地间无显著差异，但均显著低于2yr-C和1yr-C(P<0.05)。

图1　不同刈割间隔时间对草地土壤酶活性的影响Fig.1　Effect of cutting intervals on soil enzyme activities in L. chinensis meadow　不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著；误差线为标准误；下同。Bars (means±SE) without shared lowercase letters denote significant differences (P<0.05) among treatments. The same below.

刈割间隔时间对两层土壤碱性磷酸酶活性均有显著影响(图1)。随着刈割间隔延长，草地0～30 cm土壤碱性磷酸酶活性呈降低趋势，1yr-C为16.6 mg/g，显著高于其他刈割处理(P<0.05)，约为3yr-C的1.79倍，2yr-C和6yr-C土壤碱性磷酸酶活性无显著差异，但均显著高于3yr-C。30～60 cm土壤碱性磷酸酶活性则随着刈割间隔延长而增加，3yr-C和6yr-C样地无显著差异，但均显著高于1yr-C和2yr-C，且1yr-C为7.3 mg/g，为6yr-C的39.4%。

刈割间隔对草地两层土壤蔗糖酶活性均无显著影响(P>0.05)。

2.2土壤养分

随着刈割间隔延长，草地0～30 cm土壤全氮含量有增加的趋势(图2)，但各处理间无显著差异(P>0.05)，6yr-C土壤全氮含量为2.04 g/kg，较1yr-C提高了13.1%。草地30～60 cm土壤全氮含量则随着刈割间隔延长显著提高(P<0.05)，其中3yr-C和6yr-C样地无显著差异(P>0.05)，但均显著高于1yr-C(P<0.05)，其中3yr-C样地最高，为1yr-C的1.84倍。

图2　不同刈割间隔时间对草地土壤养分的影响Fig.2　Effects of cutting intervals on soil nutrient factors in L. chinensis meadow

刈割间隔对草地土壤速效氮含量无显著影响。0～30 cm土层速效氮含量变化范围为17.53～20.35 mg/kg，30～60 cm土层速效氮含量变化为15.43～17.69 mg/kg。

刈割间隔对草地土壤全磷含量无显著影响，各处理间0～30 cm和30～60 cm土壤全磷含量均无显著差异，但0～30 cm土壤全磷平均含量约为0.38 g/kg，显著高于30～60 cm土层(0.26 g/kg)。

草地土壤速效磷含量变化趋势与土壤全磷相似，两层土壤速效磷含量均随刈割间隔延长而降低。不同刈割间隔草地0～30 cm土壤速效磷含量无显著差异(P>0.05)，其中2yr-C为6.16 mg/kg，略高于其他处理。3yr-C草地30～60 cm仅为3.25 mg/kg，显著低于其他处理(P<0.05)。

草地0～30 cm土壤速效钾含量随刈割间隔延长而增加，但各处理间无显著差异(P>0.05)。随着刈割间隔延长，草地30～60 cm土壤速效钾含量显著降低。6yr-C草地30～60 cm土壤速效钾含量为18.3 mg/kg，较2yr-C土壤速效钾含量下降了约38.2%，并显著低于1yr-C、2yr-C和3yr-C(P<0.05)。

草地刈割间隔时间影响草地土壤有机质含量，随刈割间隔延长，草地土壤有机质含量增加。6yr-C草地0～30 cm达到40.9 g/kg，但与1yr-C、2yr-C和3yr-C草地无显著差异，较1yr-C增加10.5%。草地30～60 cm土壤有机质含量随刈割间隔延长逐渐升高，3yr-C和6yr-C无显著差异，但均显著高于1yr-C和2yr-C(P<0.05)。

2.3土壤酶活性与土壤养分的关系

土壤养分含量影响土壤酶活性，并且影响不同土壤酶活性的主要因素在土壤0～30 cm和30～60 cm中各异(表2)。0～30 cm土壤中，脲酶活性与土壤有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷和速效钾存在负相关关系，其中与土壤速效磷含量存在显著负相关关系(r=-0.567，P<0.05)，而0～30 cm土壤脲酶活性随土壤C/N增加而提高。30～60 cm土壤中脲酶活性与土壤全磷和速效钾含量存在正相关关系，而土壤有机质和全氮含量则存在负相关关系。

表2　不同刈割间隔时间草地土壤酶活性与土壤养分的相关性分析

*和**分别表示相关性在0.05和0.01水平显著。* Correlation is significant at the 0.05 level. ** Correlation is significant at the 0.01 level.SOM: 土壤有机质 Soil organic matter；TN: 全氮 Total nitrogen；AN: 速效氮 Available nitrogen；TP: 全磷 Total phosphorus；AP: 速效磷 Available phosphorus；AK: 速效钾 Available potassium；C/N: 碳氮比 Ratio of C and N.

0～30 cm土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量均与土壤蔗糖酶活性存在显著正相关关系，其中与速效磷关系达到极显著水平(r=0.713，P<0.01)。30～60 cm土壤蔗糖酶活性仅与土壤C/N正相关(r=0.244)，与其他土壤养分均为负相关关系。

0～30 cm土壤C/N对土壤碱性磷酸酶活性有较大抑制作用(r=-0.488)，0～30 cm土壤速效磷含量与土壤碱性磷酸酶活性存在正相关关系(r=0.163)，但不显著。影响30～60 cm土壤碱性磷酸酶活性因素较多，与土壤全磷(r=-0.550)、速效磷(r=-0.631)和速效钾(r=-0.595)含量均存在显著负相关关系(P<0.05)，而土壤全氮和有机质含量增加有利于土壤碱性磷酸酶活性的提高，其中土壤全氮含量与碱性磷酸酶活性呈显著正相关(r=0.526，P<0.05)。

0～30 cm土壤有机质、全氮和速效钾含量与土壤过氧化氢酶活性呈负相关关系，土壤全磷含量对过氧化氢酶活性有促进作用(r=0.255)。30～60 cm土壤有机质含量对土壤过氧化氢酶活性影响较大，两者存在显著负相关关系(r=-0.564，P<0.05)，30～60 cm土壤速效磷和速效钾含量与过氧化氢酶活性正相关。

3讨论和结论

草地利用方式和管理措施通过干扰草地植被和土壤，对土壤酶活性和土壤养分等产生直接或间接的影响[18-19]。土壤酶参与几乎土壤中的一切生物化学过程，对整个生态系统物质循环产生重要影响，故常被作为标示土壤肥力和质量以及生态系统健康评价的重要指标[20-21]。

草地刈割利用改变了牧草营养物质在地上和地下部的分配比例和模式，可进一步影响牧草与土壤间的物质交换[22]，从而对土壤酶活性和养分含量产生影响。本研究结果表明,刈割间隔年限的变化使羊草草地0～30 cm和30～60 cm土壤酶活性和养分含量发生了变化。延长刈割间隔使草地0～30 cm土壤脲酶活性提高，其原因可能与刈割间隔延长影响草地植物的密度、高度和地上生物量以及土壤养分状况得到改善有关[23]。刈割间隔延长使草地表层土壤有机质含量增加，使土壤水热状况得到改善，微生物量增加，进一步促进了土壤中脲酶活性的提高[24]。Qin等[25]在阿拉善山地草原和草原化荒漠的研究中也发现了相似变化规律。过氧化氢酶与土壤中有机物的各种生物化学氧化反应密切相关，可以表示土壤氧化过程的强度，其活性通常与土壤有机质转化速度密切相关。本研究中草地刈割间隔对30～60 cm土壤过氧化氢酶活性影响比较明显，但在东北羊草草甸的研究发现，土壤过氧化氢酶活性随着土层的加深而递减[26]，可能与土壤过氧化氢酶活性易受降雨量、大气温度、土壤温度和土壤含水量等环境因子影响有关，因此不同类型草地土壤过氧化氢酶活性在不同土层深度反应各异。土壤碱性磷酸酶活性在0～30 cm和30～60 cm土壤中表现出相反的变化趋势，可能是由于刈割改变了植物群落组成、凋落物、根系分布以及土壤温度和水分等非生物因素有关，有待进一步研究。

土壤酶的催化作用与土壤养分物质迁移和循环关系密切，并会受到土壤养分含量和环境因素直接或间接地影响[20,27]。本研究中土壤酶活性与土壤有机质、氮、磷和钾含量存在或正或负的相关关系，类似的研究中也发现，不同草地类型和利用方式下土壤酶活性与土壤有机质[19]、微生物量[28]、全氮[29]、全磷[30]和钾[31]的相关性不尽相同[32-33]，表明土壤养分与土壤酶活性关系密切，其相互关系因生境的不同而异。本试验中逐年刈割并未显著改变土壤主要养分含量，不会引起土壤质量下降，因此，逐年刈割适用于研究区草地管理。

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Influence of cutting interval on soil enzyme activity and nutrients inLeymuschinensismeadow

QIN Yan1,2, HE Feng1, TONG Zong-Yong1, CHEN Bao-Rui3, LI Xiang-Lin1*

1.InstituteofAnimalScienceofChineseAcademyofAgriculturalScience,Beijing100193,China; 2.QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China; 3.HulunberGrasslandEcosystemObservationandResearchStation,InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanningofChineseAcademyofAgriculturalScience,Beijing100081,China

Abstract:Soil enzymes are essential bioactive substances and among the most active components of soil ecosystems closely relation with the nutrient status of soils.This paper focused on the influence of cutting interval on soil enzyme activities and nutrients and their relationships in Leymus chinensis meadow in Hulunber. Soil urease and alkaline phosphorus activity were most sensitive to forage cutting intervals. Compared with the annual cutting, soil urease activity was enhanced 0.4-1.0 times in the top 30 cm compared with forage cutting intervals between 2 and 6 years whereas soil alkaline phosphatase activity decreased by 28.9%-44.2%. Soil nutrients were influenced greatly by cutting. Longer cutting intervals did not result in significant differences in soil total nitrogen, available nitrogen, total phosphorus, available phosphorus and available potassium, but soil organic matter was increased 10.5% in the 0-30 cm soil layer when grassland was cut every 6 years. With increasing cutting interval, variation in soil total nitrogen and organic matter content in the 30-60 cm soil layer were 0.36-0.66 g/kg and 12.26-17.73 g/kg respectively, but available phosphorus and potassium content were reduced. Correlations between soil nutrients and enzyme activities differ with forage cutting interval.It is concluded that annual cutting does not adversely affect soil meaning that cutting L. chinensis meadow annually is a useful strategy for its management.

Key words:cutting; soil enzyme activity; soil nutrient; grassland management

*通信作者

Corresponding author. E-mail：lxl@caas.cn

作者简介：秦燕(1981-)，女，黑龙江齐齐哈尔人，在读博士。E-mail：mule119@163.com

基金项目：国家牧草产业技术体系课题(CARS-35)，公益性行业(农业)科研专项经费(201303060)和草地农业生态系统国家重点实验室开放课题(SKLGAE201506)资助。

*收稿日期：2015-12-04；改回日期：2015-12-31

DOI：10.11686/cyxb2015549

http://cyxb.lzu.edu.cn

秦燕, 何峰, 仝宗永, 陈宝瑞, 李向林. 刈割对羊草草原土壤酶活性和养分含量的影响.草业学报, 2016, 25(4): 55-62.

QIN Yan, HE Feng, TONG Zong-Yong, CHEN Bao-Rui, LI Xiang-Lin. Influence of cutting interval on soil enzyme activity and nutrients inLeymuschinensismeadow. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(4): 55-62.