施肥与切根对退化羊草草原土壤理化性质和酶活性的影响

秦燕，刘文辉，何峰，仝宗永，李向林*

(1.青海大学畜牧兽医科学院,青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京 100193)

干旱半干旱草原是我国北方农牧交错带重要的畜牧业生产基地，也是维护国家和区域生态安全的重要屏障[1]，由于受到自然和人为等因素影响，该区普遍存在不同程度的退化问题。农业管理措施(施肥、围栏、放牧、火烧以及刈割等)通过对草地土壤结构、养分物质以及微生物群落结构等因素的影响，进而对草地生态系统的能量流动及物质转化过程产生作用，从而提高草地生态系统的可持续发展能力。长期以来，前人研究多集中在管理措施对草地植物群落的结构[2-4]、生产力[5-7]、土壤养分[8-10]等的影响。近年来，由于人们认识到土壤微生物在物质转化过程中的重要功能，土壤微生物参数在生态系统健康评价方面的研究受到越来越多的关注。土壤酶主要来源于土壤中动物、植物根系和微生物的细胞分泌物以及残体的分解物，是土壤中最活跃的有机组成部分。土壤酶参与土壤中腐殖质的合成与分解、动植物和微生物残体等有机体的水解与转化、有机和无机化合物的各种氧化还原反应等生物化学过程，因此，土壤酶活性与土壤中营养元素的释放与贮存、腐殖质的形成与发育、土壤结构和物理状况密切相关。很多研究结果[11-13]已表明，土壤酶活性与土壤微生物量碳和氮，有机质含量、pH、含水量等土壤性质之间存在显著的相关关系，对环境因子变化敏感[14-18]，是反应土壤肥力状况和环境变化的重要指标，具有多方面的生态学意义。施肥通过提高土壤中有效养分的含量达到维持草地生态系统养分平衡的目的[19-20]；切根通过改变植物群落物种组成、土壤质地状况及土壤养分转化等途径，提高草地生产性能[21-24]，两者是改良和培育羊草草原常用的有效措施。

河北坝上塞北管理区羊草草地由于长期割草和放牧利用导致系统养分大量输出，土壤肥力下降，植物群落结构发生改变，羊草(Leymuschinensis)优势度降低，委陵菜(Potentilla)、蒿属(Artemisia)等杂草频度增加，草地生产力下降。恢复和提高草地生产力成为该地区生态环境保护和有机畜牧业发展亟待解决的生产管理问题。何丹[25]研究了划破草皮、灌溉、施肥及其互作对研究区草地的改良效果，结果表明增施氮肥在促进羊草种群增长、提高草地生产力以及改善土壤养分方面效果明显，但施磷肥、氮磷配施对研究区草地影响的报道较少。由于成土因素影响，氮、磷养分是我国农业生产第一生产力的主要限制因子。随着近年氮沉降问题的加剧，氮、磷养分添加对天然草地植物养分吸收利用、土壤养分有效性及生产力的影响受到越来越多的关注[26-29]。因此，本试验拟在前期研究基础上，进一步系统研究施肥(氮肥、磷肥以及氮磷配施)和切根对研究区草地生产系统地上植被特征、土壤理化及微生物特性和系统养分转化的影响，本研究重点探讨了其对土壤理化性质、酶活性的影响，旨在揭示施肥和切根对土壤理化性质的影响以及与土壤碳、氮、磷转化相关的酶活性的响应，为预测和评价研究区草地管理培育措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区2005-2014年月均降水量和气温Fig.1 Monthly rainfall and air temperature of the study site between 2005 and 2014

河北省张家口市塞北管理区濒临锡林郭勒草原南缘(N 41°45′57″, E 115°39′48″, 海拔1400 m)，是中国农牧交错带半干旱区典型羊草草原。大陆性季风气候，年均温4.2 ℃，≥0 ℃年积温2629.5 ℃，无霜期141 d，年均降水量403 mm(主要集中在7-9月)，年均蒸发量1785 mm，年均风速2.6 m·s-1。研究区2005-2014年的降水和气温情况见图1。

研究区草地植被类型为草甸草原，草地已退化，表现为禾本科植物种类减少，植物群落改变，羊草，克氏针茅(Stipakrylovii)为主要建群种，伴生种有冷蒿(Artemisiafrigida)，南牡蒿(Artemisiaeriopoda)，阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)，糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)，柴胡(Bupleurumchinense)，扁蓿豆(Medicagoruthenica)等。草地每年8月上旬刈割1次。土壤以栗钙土、草甸土为主，土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

本试验设7个处理，4次重复，共计28个小区，随机区组设计。每个小区大小为4 m×5 m，小区间设置3 m缓冲带。分别于2014、2015年5月(牧草返青期)和7月(牧草生长旺盛期)进行施肥处理，具体方法为：尿素溶于10 L水中喷洒，磷肥撒施；于5月(牧草返青期)用铁锹进行切根处理，标准为深10 cm、宽10 cm；此外，在对照、切根和单施磷肥处理样方内喷洒10 L水来保持试验的一致性。施肥量和肥料种类如表2所示。

表1 试验地土壤性质Table 1 Soil nutrient status before agronomic measures

表2 试验处理Table 2 Treatments included in the study

1.3 研究方法

土壤理化性质于2015年8月上旬采集土壤样品。使用土钻(直径5 cm)在每小区随机取0～10 cm 土壤5钻混合为一个土样，除去植物残体和砾石，过2 mm筛，自然风干后放在实验室样品室常温保存备用。土壤理化性质采用常规方法测定。用电导仪(DDS-307)测定土壤电导率，采用电位法测土壤pH值，重铬酸钾氧化滴定法测土壤有机碳含量，全自动凯氏定氮仪(UDK 159, VELP Scientifica, Italy)测土壤全氮含量，双波长紫外分光光度法测定土壤硝态氮含量，靛蓝比色法测定土壤铵态氮含量，流动注射分析仪(FLA star 5000 Analyzer, Foss, Denmark)测定土壤全磷含量。

土壤酶活性土壤取样与采集土壤理化性质样品同时进行，用冰袋保存带回实验室4 ℃冰箱保存，并于7 d内完成土壤酶活性的测定。土壤酶活性测定的原理：用甲苯浸泡土壤抑制微生物的干扰，加入适宜的缓冲液和反应基质，在最适温度条件下进行培养一定的时间；酶活性以单位土壤酶促反应下生成物质的浓度进行计算。土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶采用关松荫[29]的方法；土壤碱性磷酸酶活性采用赵兰坡等[30]的方法。

1.4 数据处理

采用Excel 2010整理、计算数据、制图；采用SPSS 21.0软件进行数据统计分析，单因素方差分析模块(One-way ANOVA)进行不同处理各指标间的差异显著性分析，采用Pearson’s进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 施肥和切根对草地土壤理化性质的影响

连续2年进行施肥和切根，各处理草地土壤有机碳含量、C/N均有增加的趋势，而全磷含量、pH呈现出下降的趋势；单施氮肥处理LN、HN中电导率小于对照CK，而氮磷配施处理LNP、HNP和切根处理RT大于CK。土壤有机碳含量、C/N、全磷含量、电导率和pH在7个处理间的差异均不显著(P>0.05)，平均值分别为1.43%、3.85、0.72 g·kg-1、310 μs·cm-1、7.27(表3)。各处理土壤全氮含量变化范围为1.83～2.51 g·kg-1，与对照相比，切根处理使土壤全氮含量显著降低(P<0.05)，但施肥各处理LN、LNP、HN、HNP和P未引起土壤全氮含量显著的变化(P>0.05)。

施肥和切根处理影响土壤矿质氮含量。土壤铵态氮、硝态氮、有效氮含量在施氮肥的各处理中均呈现出增加的趋势，其中高氮处理HN和HNP较对照CK分别提高了50.00%和70.91%、154.46%和104.46%、122.47%和97.80%，差异显著(P<0.05)。氮磷配施处理的矿质氮含量较相应的单施氮肥处理表现出降低的趋势，但差异不显著(P>0.05)。土壤矿质氮含量在单施磷肥处理中表现出降低的趋势，在切根处理中表现出增加的趋势，差异均不显著(P>0.05)。

2.2 施肥和切根对草地土壤酶活性的影响

农业措施与对照相比较，切根使草地土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈现出升高的趋势，但与CK差异都不显著(P>0.05)；施肥措施使草地土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均呈现出降低的趋势，其中P处理过氧化氢酶活性和脲酶活性分别降低了8.20%和2.09%，且差异显著(P<0.05)，施氮肥各处理(LN、LNP、HN、HNP)之间的4种酶活性差异都不显著(P>0.05)(表4)。

RT处理的土壤4种酶活性均高于施肥各处理。RT样地过氧化氢酶活性为1.48 mg H2O2·g-1·20 min-1，较LN处理和P处理高1.13%和2.03%，差异显著(P<0.05)，与其他施肥处理差异不显著(P>0.05)；脲酶活性对农业措施的响应较为敏感，各处理脲酶活性的变化范围为0.82(LNP)～2.26(RT) mg NH4+·g-1·3 h-1，且RT处理较LN、LNP、HN、HNP和P处理分别高了31.40%、175.61%、52.70%、64.96%和49.67%，差异均显著(P<0.05)；各处理蔗糖酶活性的变化范围为65.82～83.29 mg G·g-1·24 h-1，RT处理较LN、HNP和P处理分别高了23.39%、19.65%和26.54%，差异显著(P<0.05)，与LNP、HN处理差异不显著(P>0.05)；碱性磷酸酶活性在切根与施肥各处理间的差异均不显著。

不同施肥措施相比较，除土壤脲酶活性外，P处理的过氧化氢酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性均低于施氮肥的各处理(LN、LNP、HN、HNP)。P处理的过氧化氢酶活性与LNP、HN、HNP处理差异显著(P<0.05)，与LN差异不显著(P>0.05)；P处理的碱性磷酸酶、蔗糖酶与施氮肥各处理差异均不显著(P>0.05)。脲酶活性大小顺序为LN>P>HN>HNP>LNP,表现为氮磷配施LNP、HNP处理低于相应的单施氮肥 LN、HN处理，LN与LNP差异显著(P<0.05)，HN与HNP差异不显著(P>0.05)。

2.3 土壤理化性质与酶活性相关性分析

实施农业管理措施第2年，土壤性质各指标间的相关性分析如表5，土壤有机碳、蔗糖酶活性与土壤性质的各指标之间存在较好的相关关系。土壤有机碳与全氮、碳氮比、铵态氮、硝态氮、速效氮存在正相关关系，其中与全氮(r=0.762,P<0.001)、碳氮比(r=0.740,P<0.001)呈显著正相关关系；与全磷、电导率、pH、土壤酶活性存在负相关关系，其中与过氧化氢酶活性(r=-0.506,P<0.05)、脲酶活性(r=-0.480,P<0.05)呈显著负相关关系。土壤蔗糖酶活性与有机碳、全氮、碳氮比、铵态氮、硝态氮、速效氮、pH存在负相关关系，其中与碳氮比(r=-0.493,P<0.05)、硝态氮(r=-0.441,P<0.05)、速效氮(r=-0.457,P<0.05)呈显著负相关关系；与全磷、电导率、土壤酶活性存在正相关关系，其中与过氧化氢酶(r=0.611,P<0.01)、脲酶(r=0.545,P<0.01)、碱性磷酸酶(r=0.519,P<0.05)呈显著正相关关系。

此外，碳氮比与电导率(r=-0.442,P<0.05)、过氧化氢酶活性(r=-0.555,P<0.01)呈显著负相关关系；铵态氮与硝态氮(r=0.550,P<0.01)、速效氮(r=0.729,P<0.001)呈显著正相关关系；硝态氮与速效氮呈显著正相关关系(r=0.901,P<0.001)；过氧化氢酶与碱性磷酸酶活性呈显著正相关关系(r=0.485,P<0.05)。全磷、pH 两个指标与土壤性质各指标的相关性均未达到显著水平(P>0.05)。

表5 实施农业措施2年后土壤性质指标间的相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil properties 2 years after agricultural practices

注：*表示P<0.05，** 表示P<0.01。

Note: * isP<0.05，** isP<0.01.

3 讨论与结论

3.1 施肥和切根对土壤理化性质的影响

施肥是基于19世纪德国杰出化学家李比希的“养分补偿学说”提出的一项农业措施，是维持草地生态系统养分平衡的重要管理措施。在各类草地管理实践中，施肥已被公认为是恢复退化草地以及提高草地生产力有效农业措施之一[32-35]，对土壤理化性质的影响往往因施肥种类、施肥量、施肥年限、土壤基况以及配套措施的不同结果不尽相同。

施肥对土壤速效氮养分含量产生显著的影响。连续2年表施控释肥和包膜肥(N 25%，P2O515%)使内蒙古退化草地土壤肥力明显提高，尤其使速效磷、水解氮速效养分含量大幅提高[8]。新疆昭苏马场退化草地施加氮肥(尿素75～300 kg·hm-2)后，0～20 cm 土层土壤有机质、速效钾、全氮、速效氮含量都有所提高，其中施肥量为225 kg·hm-2时土壤养分含量增幅最大，并有效改善草地植物群落结构[36]。高寒退化草地施肥两年的研究结果表明，0～15 cm土层土壤的有机质、全氮、全磷、速效氮含量均有增加的趋势[37]。这些不同研究区域的短期施肥试验结果均表明，施肥使土壤中速效养分含量显著提高，但土壤有机质、全氮等指标没有明显的响应或响应相对滞后。速效养分是土壤中水溶态和交换态养分的总和，可直接被植物根系吸收利用，但土壤中速效养分含量较低，是限制植物生长最重要的因素，因此，农业生产实践中常通过人为施肥尤其是化学肥料快速增加土壤中的速效养分，满足植物生长需求，达到增产的目的。本试验对华北农牧交错区退化羊草草地进行了连续两年的施肥处理，发现土壤基本理化性质，如有机碳含量、全氮含量、全磷含量、C/N、电导率和pH均没有明显的响应；而施氮肥使土壤中速效氮成分，如铵态氮、硝态氮含量增加，这与以上研究结果一致。此外，我们还发现氮磷配施处理的速效氮含量均较相应的单施氮肥处理低，并且单施磷肥使速效氮含量降低。本研究分析施入过磷酸钙肥料可能通过两种途径改变了土壤中的速效氮含量：一是促进植物根系对矿质氮的吸收利用，二是抑制土壤有机氮的矿化作用。此外，本课题组在前期的试验中已证实研究区草地实施氮磷配施处理对土壤氮素的矿化具有明显的抑制作用[32]。在土壤施肥实践中，氮磷配施对植物生长的影响主要表现为协同作用，在于植物蛋白质合成过程中，磷能够促进植物体内NO3-的还原和同化，进一步影响光合作用，并且与其对土壤有机质矿化的影响有关[38-40]。

切根加速了土壤有机质的矿化，使土壤全氮含量下降，速效氮含量增加。切根一方面通过疏松土壤，改善土壤通透性，促使好氧细菌大量繁殖，发挥矿化功能，有利于有机质转化为无机态养分供根系吸收利用；另一方面则通过羊草根茎的切断，刺激羊草的无性繁殖，从而促进优势植物羊草群落的自然复壮。前人采用划破草皮措施使美国南达科他州黏重土壤上蓝茎冰草(Agropyronsmit-hiiRydb)种群数量和产量大幅提高[41]。内蒙古锡盟羊草草地实施切根措施，使土壤有机质含量降低，6-9月土壤硝态氮和矿质氮均呈下降的趋势[24]。何丹[25]在本试验研究区的结果表明划破草皮可以增加土壤通气透水性，破除原来板结的土壤，疏松的土壤使地表径流减少，土壤朝着有利于植物生长的方向转变，土壤保水力增强，含水量提高，进一步促进植物的生长。本试验的结果表明切根使土壤全氮含量下降，矿质氮含量增加，可能由于切根提高了土壤的透气性和保水性，促进了土壤微生物活性，加速了土壤有机氮的矿化，一方面，为植物生长提供了有效态氮，氮素转化为植物有机组成部分，另一方面，氮素可能通过反硝化作用转化为NO、N2O以及NH3，造成损失[42-43]。然而不一样的结果是，松嫩草原羊草草甸在切根处理第二年，0～10 cm土壤中铵态氮、全氮和全磷含量明显提高[23]。切根对退化羊草草地土壤养分指标的影响不尽一致的结果，可能与草地土壤基本状况、生长季的水热条件以及植物群落结构有关。

3.2 施肥和切根对土壤酶活性的影响

土壤酶对环境扰动反应敏感，常作为衡量陆地生态系统土壤质量变化的预警指标。土壤过氧化氢酶是氧化还原酶类，在土壤中酶促氧化还原反应，是表征土壤生物氧化过程强弱的指标。土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶属于水解酶类，酶促各种化合物中分子键的水解和裂解反应，分别参与土壤有机质中碳、氮、磷等养分转化释放的生物化学反应。土壤中各种酶类相互作用共同推动物质转化和能量流动，是土壤生态系统代谢的重要动力因素。

与施肥措施相比较，切根措施更有利于促进研究区草地土壤酶活性的提高。通常情况下，草地施入氮肥尿素，脲酶催化反应的底物增加，有利于土壤中尿素氮的水解释放，但这个过程受多种因素的影响。一般来说，尿素的分解速度随温度的升高、pH的降低而增加[44]。在pH为4.5～5.0的酸性土壤中，温度为10 ℃时，尿素完全水解需要5 d以上；当pH大于5.6时，无论温度高低，尿素在3 d以内就能完全分解,在春季10～14 ℃条件下尿素分解反应达到高峰需要6 d，而在夏季33～35 ℃条件下，仅需要3 d。磷肥过磷酸钙是一种水溶性速效磷肥，因含有少量游离的磷酸，能起到固定铵态氮的作用，减少氨气的挥发从而提高氮素的利用率[33,45]。本试验氮素矿化的结果证实施氮肥促进草地土壤氮素的矿化作用，但配施磷肥对其有抑制作用，并且在施肥初期磷肥处理的铵态氮含量均小于相应的单施氮肥处理。本试验结果表明各种施肥处理均使土壤酶活性降低，尤其单施磷肥对酶活性有明显的抑制作用，并且脲酶活性对磷肥添加反应更敏感，这与矿化试验的结果相互印证，说明磷肥对研究区草地的影响较大，但磷肥抑制脲酶活性的机制尚不清楚，可能与过磷酸钙肥的弱酸性以及植物根系吸收分泌过程有关。在高寒草甸施肥抑制土壤纤维素酶、多酚氧化酶和过氧化物酶活性，而N、P、K配施使土壤脲酶和磷酸酶活性提高[37]。也有研究表明增施有机肥可以不同程度地提高土壤酶活性，而单施氮肥导致酶活性降低[46]。在本试验中，与施肥措施的效果相反，切根对土壤酶活性起到促进的作用，这可能与切根处理使土壤透气性增加促进好氧微生物的增殖，以及提高根系渗出分泌物等过程相关。在我国呼伦贝尔草甸草原的研究结果就很好的证明了上述观点，翻耕短期内使土壤呼吸明显加速[46]。此外，土壤理化性质的结果表明切根使土壤全氮含量降低，电导率、C/N升高，也可能是与酶活性的改变有关。因此，有必要进一步探索切根配合施肥措施对研究区草地的培育效果。