紫花苜蓿与多年生黑麦草不同种植模式下沙化土壤碳、氮含量和酶活性研究

蔺 芳，刘晓静，张家洋

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.新乡学院 生命科学技术学院，河南 新乡 453003)

土壤有机碳和全氮作为综合评价土壤质量或肥力的重要指标，是植物所需碳、氮的重要“源”或“库”，不仅影响着作物产量，还在整个土壤生态系统中占有重要地位[1-2]。土壤酶是生态系统功能的基础，在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面扮演着重要角色，可作为评价土壤质量的生物指标[3]。其中，蔗糖酶，淀粉酶和纤维素酶是参与土壤碳转化最重要的酶，其活性高低可表征土壤生物化学过程的方向和强度[4]。脲酶和蛋白酶是参与土壤氮转化的关键酶，其酶促反应产物氮是植物氮源之一，其活性可以用来表征土壤氮素状况[3]。土壤系统中，一切复杂的生物化学过程都是在土壤酶的参与下进行，土壤酶的活性反映了土壤生物化学过程的相对强度，也是判别土壤肥力与土壤质量的重要指标之一[5]。对土壤碳、氮含量和酶活性的监测已引起了研究者的格外关注[4-6]。

人工草地建设是保障我国粮食安全和生态安全的重要措施[7]。目前，人工草地播种方式包括单播和混播2种形式[8]，其中豆科+禾本科混播草地是提高草地生产力的基本方法，研究表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)与禾本科牧草混播是理想组合[9]。紫花苜蓿作为现代畜牧业生产中重要的植物性蛋白饲草被誉为“牧草之王”[10]，是我国人工草地种植面积最大的豆科牧草。另外，紫花苜蓿的根瘤由于能够固定空气中的游离态氮，因而可以增加土壤有机质与氮素的含量。多年生黑麦草(Loliumperenne)是禾本科高产牧草，适口性好，消化率高[11]，并具有一年建植多年受益的优点，是豫北平原的战略性保障饲草之一。近年来，许多学者对土壤碳、氮含量和酶活性开展了广泛研究，但大多数的研究对象是林地或农田土壤[12-13]，且多集中于不同母质[14-15]、施肥模式[16-17]和施肥量[18]等，而对不同种植模式草地土壤碳、氮含量和酶活性的研究较少。为此，研究探讨了豫北地区紫花苜蓿与多年生黑麦草不同种植模式对土壤碳、氮含量和酶活性的影响，以及它们之间的相互关系，旨在为该地区人工草地建植及土壤环境改善提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于河南省新乡市红旗区原堤村，地理位置N 35°16′12″，E 113°58′12″，地处豫北地区，北临余河通道，南临黄河，属黄河冲积平原，由于黄河多年的频繁泛滥改道，地表多含有一定比例的主流沉沙，因而土壤沙化较为严重[19-20]。该地区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14.2℃，年均日照时数2 400 h，年平均相对湿度68.0%，无霜期220 d。年平均降水量573.4 mm，年际间降雨分配不均，主要集中在7～8月。供试土壤类别为砂壤土，全氮0.88 g/kg，全磷0.70 g/kg，全钾13.06 g/kg，碱解氮38.44 mg/kg，速效磷16.27 mg/kg，速效钾88.64 mg/kg，有机质含量8.45 g/kg，pH 7.86。

1.2 试验设计

2013～2018年连续6年实施紫花苜蓿、多年生黑麦草单播和混播种植，随机区组设计，设4个处理，以沙化裸地为对照，设紫花苜蓿单播，多年生黑麦草单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播3种不同的种植模式(图1)，每个处理3次重复，共12个小区，小区面积5 m×5 m，总面积300 m2。紫花苜蓿和多年生黑麦草的品种分别为三得利和Mathilde，购自河南世纪天缘生态科技有限公司。2013年10月播种，单播紫花苜蓿的播量为15 kg/hm2，单播多年生黑麦草的播量为18 kg/hm2，播种方式为条播，行距25 cm。紫花苜蓿/多年生黑麦草混播体系的种植比例为1∶1，异行种植，混播下紫花苜蓿、多年生黑麦草的播量和行距同单播。紫花苜蓿和多年生黑麦草每年均刈割5次，分别是每年的5月初、6月中上旬、7月中旬、8月下旬和10月初。试验期间免耕处理，不施用任何肥料，每年于1、3、5、9、11月定期灌水，共5次，灌水方法为机泵抽取井水进行田面畦灌，水质符合国家灌溉标准，灌水量约为900 m3/hm2。

图1 研究区域及样方布置示意图Fig.1 Schematic diagram of study area and sample layout

1.3 样品采集及测定

土壤样品采集与测定：2018年10月，采用五点取样法，在各小区用土钻进行分层取样，采用方法为：将土样中杂草等明显的有机物及小石块剔除后，装入自封袋带回实验室，自然风干，研磨，过筛，用于土壤各指标的测定[21]。多年生黑麦草没有发达的主根，为须根系，其根系主要集中在40 cm以内，故试验用土取0～10、10～20、20～30和30～40 cm土层。

土壤碳、氮含量的测定：采用有机碳分析仪(Elementar，德国)测定土壤有机碳质量分数(g/kg)，分别采用半微量凯氏定氮法和碱解扩散法测定土壤全氮和碱解氮含量[22]。

土壤酶活性测定：采用常规分析方法[15]测定土壤酶活性。其中，脲酶采用靛酚蓝比色法测定，以24 h后1.0 g土壤中氨态氮质量分数(mg/g)表示；蛋白酶用茚三酮比色法测定，以1.0 g土壤中24 h后氨基氮的质量分数(mg/g)表示；蔗糖酶，淀粉酶和纤维素酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，其中，蔗糖酶和淀粉酶以24 h 后1.0 g 土壤中葡萄糖质量分数(mg/g)表示，纤维素酶以72 h后1.0 g 土壤中葡萄糖质量分数(mg/g)表示。

1.4 数据处理与分析

数据经过Excel 2007 整理和作图后，采用SPSS 19.0 软件进行方差分析和回归分析。其中，不同种植模式间各指标的差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行分析比较，各因子间的相关关系采用Pearson 相关系数法进行评价，所有数据均以3 次重复的平均值±标准误来表示。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下土壤有机碳含量

沙化裸地和3种种植模式土壤有机碳(0～40 cm土层的平均值)高低排序为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播(9.17 g/kg)>紫花苜蓿单播(7.91 g/kg)>多年生黑麦草单播(6.63 g/kg)>沙化裸地(6.04 g/kg)。其中，土壤表层(0～20 cm)多年生黑麦草单播、紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播土壤有机碳含量均较沙化裸地显著增加(P<0.05)，且多年生黑麦草单播，紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播3种种植模式之间也呈显著性差异(P<0.05)；土壤亚表层(20～40 cm)紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播土壤有机碳含量较沙化裸地显著增加(P<0.05)，而多年生黑麦草单播与沙化裸地相比未呈现显著差异(P>0.05)。此外，从土壤剖面分析，沙化裸地和3种种植模式下土壤有机碳含量呈现出表聚性特征，即土壤表层含量最高，其次是亚表层(图2)。

图2 不同种植模式下土壤各土层有机碳含量Fig.2 Soil organic carbon content in each soil layer under different planting patterns注：不同小写字母表示同一土层不同种植模式间差异显著(P<0.05)

2.2 不同种植模式下土壤全氮和碱解氮含量

紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下土壤全氮和碱解氮含量最高，且2种种植模式之间无显著性差异(P>0.05)。土壤全氮含量的表现情况与沙化裸地相比，紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下土壤全氮含量在0～40 cm土层均显著增加(P<0.05)，分别比对照增加22.6%和20.8%，而多年生黑麦草单播与沙化裸地相比则未呈现显著性差异(P>0.05)。土壤碱解氮含量的表现为：土壤表层(0～20 cm)多年生黑麦草单播、紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下土壤碱解氮含量均较沙化裸地显著增加(P<0.05)，分别比对照增加32.8%，76.7%和71.8%；土壤亚表层(20～40 cm)紫花苜蓿单播和紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下土壤碱解氮含量较沙化裸地呈显著性增加(P<0.05)，分别比对照增加55.7%和47.4%。此外，从土壤剖面分析，沙化裸地和3种种植模式下土壤全氮和碱解氮含量也呈现出表聚性特征(表1)。

2.3 不同种植模式下土壤酶活性

与沙化裸地相比，3种种植模式下5种土壤酶(脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纤维素酶)活性在各土层均显著性增加(P<0.05)。3种种植模式下5种土壤酶活性高低均表现为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播>紫花苜蓿单播>多年生黑麦草单播。具体来说，从土壤酶活性的各土层平均值来看，紫花苜蓿/多年生黑麦草混播下脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纤维素酶活性分别比沙化裸地增加266.80%、87.79%、49.96%、433.26%和232.38%，紫花苜蓿单播下脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纤维素酶活性分别比沙化裸地增加197.36%、59.60%、43.38%、269.02%和190.91%，多年生黑麦草单播下脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纤维素酶活性分别比沙化裸地增加76.89%、32.30%、20.33%、190.66%和72.01%。试验得出，与沙化裸地相比，3种种植模式下5种土壤酶活性的增幅由大到小依次是：淀粉酶、脲酶、纤维素酶、蛋白酶、蔗糖酶。此外，从土壤垂直分布来看，沙化裸地和3种种植模式下5种土壤酶活性也呈现出表聚性特征，即土壤表层含量较高(表2)。

2.4 相关性分析

对各土层土壤有机碳、全氮、碱解氮与5种土壤酶的相关性分析可知(表3)，土壤有机碳与蔗糖酶呈极显著正相关(P<0.01)，与淀粉酶呈显著正相关(P<0.05)；土壤全氮与碱解氮之间呈极显著正相关(P<0.01)；土壤碱解氮与脲酶呈显著正相关(P<0.05)。土壤脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、淀粉酶和纤维素酶彼此之间呈极显著(P<0.01)或显著正相关(P<0.05)。

表1 不同种植模式下土壤各土层全氮和碱解氮含量

注：不同小写字母表示同一土层不同种植模式之间差异显著(P<0.05)，下同

表2 不同种植模式下各土层土壤酶活性

表3 土壤碳，氮和土壤酶的相关性分析

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关

3 讨论

土壤碳、氮含量的高低是表征土壤质量状况的重要因子[23]。与沙化裸地相比，3种种植模式下土壤有机碳，全氮和碱解氮含量均不同程度地增加，这是因为人工草地建植后地表枯落物和地下根系增多，因而土壤中天然有机质的来源增加，有利于土壤养分的累积。3种种植模式下土壤有机碳含量高低排序为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播>紫花苜蓿单播>多年生黑麦草单播。3种种植模式下土壤全氮和碱解氮含量表现为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播和紫花苜蓿单播土壤含量最高，且二者之间无显著差异(P>0.05)。多年生黑麦草单播土壤的有机碳，全氮和碱解氮含量较低，一方面是因为该模式下长期向外输出生物量而输入不足(试验期间牧草定期刈割且未施肥)；另一方面是因为经过连续多年种植，多年生黑麦草单播土壤养分输出较多，因而导致土壤养分的缺乏。由于紫花苜蓿的生物固氮作用，紫花苜蓿单播和混播可提高土壤生物活性，改善土壤养分状况。试验中混播土壤有机碳，全氮和碱解氮含量较高，分析原因是紫花苜蓿的生物固氮作用为禾本科牧草提供了充足的氮源[24]，根系活力增强，光合能力提高，土壤微生物活性增强，植物体碳、氮积累能力增加[25]，因而混播模式下回归土壤的养分较多。试验表明，从土壤垂直分布来看，沙化裸地和3种种植模式下土壤有机碳，全氮和碱解氮含量均呈现出表聚性特征，即土壤表层含量最高，其次是亚表层，究其原因，一方面可能是土壤可溶性有机物在土壤剖面做垂直水分运动，然后逐渐被各层土壤矿质吸附累积[26]；另一方面可能是植物残体主要积累在土壤表层[27]，可供微生物维系生命活动的能量充足，从而导致土壤表层养分含量较高。

土壤酶作为土壤生态系统的组分，是生态系统的生物催化剂，也是土壤有机体的代谢动力[3]。土壤蔗糖酶，淀粉酶和纤维素酶是参与碳代谢不可缺少的酶，其活性的提高能促进土壤中的水溶性有机碳的积累[28]。试验中3种种植模式下土壤蔗糖酶，淀粉酶和纤维素酶活性均表现为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播优于单播，这与研究中土壤有机碳的变化表现出一致的趋势，究其原因是在混播模式下，紫花苜蓿和多年生黑麦草共生调节了其根系分泌物和根茬腐解物的作用[18]，促进了根系的碳代谢生理活动，从而使土壤蔗糖酶，淀粉酶和纤维素酶活性处于较高水平。土壤脲酶和蛋白酶是表征土壤有机氮及其转化状况的重要因子，其活性的提高能促进土壤中的有机氮向有效氮的转化，二者是参与土壤氮代谢的重要酶[29]。其中，脲酶作为专性酶，它能水解土壤中的尿素形成碱解氮养分-铵态氮，因此，土壤脲酶活性可表征土壤氮素状况[3]。土壤脲酶和蛋白酶也表现为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播土壤较高，与研究中土壤全氮和碱解氮的表现相似，这可能是因为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下根系的氮代谢增强，因而土壤脲酶和蛋白酶活性也较高。从土壤垂直分布分析，5种土壤酶活性均表现为表层(0～20 cm)较高，呈现出表聚性，其他研究也证实了这一点[30-31]，这主要是因为表层土壤与大气相连，其水热条件和通气状况较好[22]，微生物生长旺盛，代谢活跃，呼吸强度加大从而使土壤表层的酶活性较高。

土壤碳、氮含量和酶活性密切相关[3]。土壤酶在催化有机质分解和养分循环过程中起着关键作用，能够将土壤中复杂的大分子有机化合物分解成糖类、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，是反映土壤肥力和质量变化的预警及敏感指标[33]。刘文辉等[34]对燕麦/箭筈豌豆混播土壤酶活性的研究发现脲酶与碱解氮含量呈极显著正相关，惠竹梅等[35]研究表明紫花苜蓿草地中土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶与土壤有机质呈显著正相关。试验相关性分析表明，土壤有机碳分别与蔗糖酶和淀粉酶呈极显著(P<0.01)和显著正相关(P<0.05)，土壤碱解氮与脲酶呈显著正相关(P<0.05)。因此，蔗糖酶，淀粉酶和脲酶可表征土壤碳、氮特征，在研究中可通过它们的活性变化反映出土壤碳、氮及其转化状况。

4 结论

豫北地区人工草地建植6年后，与沙化裸地相比，土壤有机碳含量和5种土壤酶均表现为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播模式下最高；土壤全氮和碱解氮含量表现为紫花苜蓿/多年生黑麦草混播和紫花苜蓿单播模式下最高；土壤有机碳分别与蔗糖酶和淀粉酶呈极显著和显著正相关，土壤碱解氮与脲酶呈显著正相关。以上说明豫北地区沙化裸地经人工草地建植多年后土壤主要性状得到了有效改善，总体来看，以混播模式为最佳。因此，在该地区进行紫花苜蓿/多年生黑麦草混播可以有效改良土壤沙漠化现状，是当地一种值得推广的种植模式。