黄土高原种植不同人工牧草对土壤酶活性的影响

2019-07-23韩国君何明珠黄海霞马乐元

水土保持通报 2019年3期

韩国君，何明珠，黄海霞，宋捷，马乐元

(1. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070； 2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000； 3.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070)

黄土高原是中国典型的生态脆弱区和水土保持重点区，也是中国治理水土流失和建设生态环境的关键区[1-2]。该区长期开展生态恢复的综合治理研究，退耕还林还草是黄土高原人工植被建设的重要措施之一，对脆弱生态恢复、土壤结构改良和土壤肥力提升发挥积极作用[2-3]。土壤酶是土壤有机体的代谢动力，是评价土壤质量和生态环境质量一项重要生物指标[4-6]，土壤酶学特征也是反映生态系统中土壤肥力和土壤有机氮库变化一个潜在指标[5,7]。土壤酶活性受到植被类型、土地利用方式、施肥、放牧、种植年限和季节变化等多因素的影响[8-10]。分析种植牧草后土壤酶活性的变化是评价人工植被建设成效的一项主要指标。土壤酶具有较强的抗逆性，可有效调节干旱贫瘠土壤养分的转化。有关牧草种植的研究表明，青海湖沙化区人工种植披碱草、碱茅和早熟禾显著提高土壤养分、土壤脲酶和过氧化氢酶的活性[11]。人工重建牧草截叶胡枝子和宽叶雀稗能增加退化红壤养分含量和提高土壤过氧化氢酶、酸性磷酸酶和脲酶活性[12]。由于入侵植物通过影响牧草的土壤酶活性和微生物群落结构而改变植物之间的竞争格局，入侵植物对垂穗披碱草、老芒麦和早熟禾土壤养分、土壤微生物量和土壤酶活性产生显著影响[13]。石羊河退耕地土壤酶活性与土壤微生物存在缓慢的互馈响应，0—10 cm表层土壤中土壤微生物生物量及酶活性占较大比例[14]。前人较为集中地研究了人工种植苜蓿对土壤有机碳、土壤微生物、土壤理化性质、土壤养分及土壤酶活性的影响[15-17]，但较少研究人工种植不同牧草对土壤酶活性的影响。因此，研究黄土高原种植人工牧草品种对土壤酶活性的影响十分必要。本试验以黄土高原主要优良人工牧草地为研究对象，旨在探讨牧草品种、土层深度和季节变化对土壤酶活性的影响，以期为提高黄土高原人工植被的稳定性、提升土壤肥力和防治水土流失相关研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，地理位置为36°01′N，103°45′E，海拔1 751 m，属于典型的黄土高原半干旱区。年均降水量约323.5 mm，主要集中于7—9这3个月，蒸发量约1 445.0 mm，日照时间2 741.6 h，年平均气温达9.4 ℃。该试验区属于黄土高原半干旱丘陵沟壑区，土壤母质类型为第四纪风成黄土，土层深厚，土壤为灰钙土。试验区0—10 cm土层基本土壤养分情况如表1所示。

表1 试验地土壤基础养分情况

1.2 试验处理

试验于2014年4月条播种植了4种豆科牧草和3种禾本科牧草，行距30 cm，播种深度2～5 cm，设紫花苜蓿、猫尾草、红豆草、沙打旺、陆地中间偃麦草、冷地早熟禾、垂穗披碱草7种人工牧草地，以无种植的撂荒地为对照，共8个试验处理(见表1)。小区面积15 m2(5 m×3 m)，每个试验处理3个重复，共计24个小区，按随机区组排列。播种前施用尿素75 kg/hm2作为底肥，此后不施肥，每年3月返青，10月刈割，地力和田间管理条件基本一致。2016年3,6,9,12月取土壤样品，取样土层深度为0—5 cm和5—10 cm。土壤样品装于自封袋中保存并置于4 ℃冰箱进行冷藏。

表2 人工种植牧草地的试验处理

1.3 土壤酶测定方法

土壤脲酶活性的测定方法采用苯酚钠-次氯酸钠比色法[18]，酶活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示；土壤蔗糖酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[18]，酶活性以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克数表示；土壤磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法[18]，酶活性以24 h后1 g土壤中释放出的酚的毫克数表示；土壤过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法[18]，酶活性以高锰酸钾溶液滴定过氧化氢分解反应剩余过氧化氢的量表示。

1.4 数据处理

用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析及交互作用分析，用Duncan氏法进行多重比较。用Origin Pro 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同牧草地土壤脲酶活性的季节性变化

通过比较不同牧草土壤脲酶活性季节间的变化(图1)，6月不同人工牧草地土壤脲酶活性明显高于3，9，12月。在6月垂穗披碱草(P3)地和红豆草(L3)地的土壤脲酶活性差异显著(p<0.05)，垂穗披碱草(P3)地土壤脲酶活性比红豆草(L3)地高52.1%。0—5 cm土层土壤脲酶活性显著高于5—10 cm土层，0—5 cm土层和5—10 cm土层中冷地早熟禾(P2)、垂穗披碱草(P3)地的土壤脲酶活性较高，红豆草(L3)、沙打旺(L4)地的土壤脲酶活性较低。

注：CK为撂荒地对照； P1为陆地中间偃麦草； P2为冷地早熟禾； P3为垂穗披碱草； L1为紫花苜蓿； L2为猫尾草； L3为红豆草； L4为沙打旺。不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)，下同。

图1 不同牧草土壤脲酶活性的季节性变化特征

2.2 不同牧草地土壤蔗糖酶活性的季节性变化

不同牧草土壤蔗糖酶活性的季节变化如图2所示。6月份不同牧草地土壤的蔗糖酶活性显著高于3月份、9月份和12月份。在0—5 cm土层中，蔗糖酶的活性显著高于其在5—10 cm土层中的活性(p<0.05)。在0—5 cm的土层中，猫尾草(L2)和陆地中间偃麦草(P1)地的土壤蔗糖酶活性较高，沙打旺(L4)地的酶活性较低。在5—10 cm的土层中，陆地中间偃麦草(P1)地的蔗糖酶活性较高，沙打旺(L4)草地酶活性较低。

图2 不同牧草土壤蔗糖酶活性的季节性变化

2.3 不同牧草地土壤碱性磷酸酶活性的季节性变化

通过不同牧草土壤碱性磷酸酶活性的季节变化规律如图3所示。从图3可以看出，3，6，9，12月份不同人工牧草地土壤碱性磷酸酶均较高。其中6月份土壤碱性磷酸酶活性较高，9月份酶活性较低。3，6，9，12月份，在0—5 cm土层中土壤碱性磷酸酶活性显著高于5—10 cm土层(p<0.05)。在0—5 cm土层中，紫花苜蓿(L1)草地土壤碱性磷酸酶活性较高，沙打旺(L4)地酶活性较低。其中，紫花苜蓿(L1)草地土壤碱性磷酸酶活性比沙打旺(L4)地高22.9%。在5—10 cm土层中，垂穗披碱草(P3)地土壤的碱性磷酸酶活性较高，沙打旺(L4)地的酶活性较低。其中，垂穗披碱草(P3)地的土壤碱性磷酸酶活性比沙打旺(L4)地高33.2%。

图3 不同牧草土壤碱性磷酸酶活性的季节性变化

2.4 不同牧草地不同季节的土壤过氧化氢酶活性

不同牧草土壤过氧化氢酶活性的季节变化如图4所示。由图4可知6月不同人工牧草地土壤过氧化氢酶活性高于3月、9月和12月，除紫花苜蓿和猫尾草地的酶活性有着较为明显的季节变化差异外，其它处理下的人工牧草地土壤过氧化氢酶活性变化不显著。在0—5 cm和5—10 cm土层的土壤过氧化氢酶活性差异不显著。在0—5 cm土层中，沙打旺(L4)和冷地早熟禾(P2)草地的过氧化氢酶活性较低，其他处理无显著差异。5—10 cm土层中，红豆草(L3)和沙打旺(L4)草地中的过氧化氢酶活性较低，其他处理无显著差异。

图4 不同牧草土壤过氧化氢酶活性的季节性变化

2.5 土壤酶活性的交互效应

由牧草品种、季节和土层深度对土壤酶活性影响的交互作用分析(表3)可知，季节和土层深度的交互作用对脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性产生极显著影响。品种和季节的交互作用对脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶产生极显著影响；而品种和土层深度互作以及品种、季节和深度3因素互作对脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性的影响不显著。

2.6 根据土壤酶活性对不同人工牧草品种进行聚类

通过运用聚类分析方法，将不同处理作为变量进行Q型聚类分析，计算距离时选择平方欧氏距离，通过SPSS 20.0进行处理得到分析结果(图5)。根据4种主要土壤酶活性的综合排序分组，CK，L1，L3，L4为一类，P1，P2，P3和L2为另一类。即撂荒地、紫花苜蓿、红豆草和沙打旺为一组，陆地中间偃麦草、冷地熟草禾、垂穗披碱草和猫尾草为另一组。

表3 牧草品种、季节和土层深度对土壤酶活性影响的交互作用分析

注：p<0.01为极显著，p<0.05为显著。

图5 不同牧草地土壤酶综合活性的聚类分析结果

3 讨论与结论

3.1 讨论

土壤酶活性与土壤微生物量、土壤呼吸、土壤有机碳之间有一个明显的互动过程，是一个敏感的生物指标，能反映出土壤微生物活性的高低[19-21]。植物群落物种组成与土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶等水解酶类的活性具有一定相关性，而土壤转化酶差异不显著[11,22]。通过添加生物炭提高了土壤碱性磷酸酶、纤维素酶的活性且延长酶活性的周期[23]。土壤活性有机碳组分在土壤表层显著高于下层，土壤酶活性也随土层深度的增加而降低，表明土壤活性有机碳与土壤酶活性密切相关[24]。有关人工植被建成后土壤酶活性变化表明，在三江源区重度退化草地人工种植优势种垂穗披碱草的土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶的活性显著提高，而过氧化氢酶活性无明显变化规律[22]。在人工杨树林土壤中酶活性存在季节变化，春季的土壤脲酶、土壤蔗糖酶活性较高，而秋季的磷酸酶活性较高，过氧化氢酶季节变化不明显[25]。果园生草可有效调节果园土壤微环境，增加了土壤微生物多样性和土壤酶活性[26]。对比清耕、生草梨园土壤酶活性的空间变化，生草能提高梨园土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性[27]。本试验研究结果为在黄土高原人工种植牧草后土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性增高，而过氧化氢酶在季节间差异不显著。季节和土层深度的交互作用对脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性产生极显著影响；品种和季节的交互作用对脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶产生极显著影响。本试验研究结果与前人[9,14]研究结果相似，说明牧草品种、季节和土层深度之间的土壤酶活性的存在差异。总体来看，人工种植紫花苜蓿土壤酶活性较高，种植沙打旺土壤酶活性较低。

研究人工种植牧草土壤酶活性的垂直分布特征，在青海湖东沙化区人工建植5 a的披碱草、碱茅和早熟禾后，土壤脲酶、过氧化氢酶的活性及土壤养分含量均显著提高，且土壤酶活性与土壤养分含量呈显著相关性[11]。在内蒙古人工种植紫花苜蓿0—40 cm土壤中脲酶、蔗糖酶过和氧化氢酶活性均随土层深度的增加而降低[28]。同样，在贺兰山农牧场的这3种土壤酶活性随土壤深度和种植年限的增加而降低，土壤酶活性主要集中在0—20 cm土层内。在盐碱化草地土壤酶活性随着土层深度的增加而逐渐降低，在0—5 cm土层土壤酶活性最强，具有“表聚性”特征[16,29]。受盐碱化的影响过氧化氢酶、转化酶对季节变化的敏感性下降而变化幅度较小，种植紫花苜蓿各土层之间的过氧化氢酶活性无显著差异[9,16,29]。土壤过氧化氢酶也受土壤水热状况的协同作用，且过氧化氢酶活性与草地群落的生长状态显著相关[30]。但本试验研究显示，土壤过氧化氢酶活性在各土层之间差异不显著，0—5 cm土层土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性显著高于5—10 cm。土壤酶活性主要集中在0—5 cm土层内，也表现出土壤酶活性在土层“表聚性”。