沙地豆禾混播草地土壤酶与土壤养分对混播比例的响应

于铁峰， 郝 凤， 张永亮， 高 凯

(内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028042)

人工草地的建立是遏制土地沙漠化、恢复生态和发展草牧业的重要举措[1]。紫花苜蓿(Medicagosativa)作为畜牧业生产中的首选饲草，其蛋白含量高、固氮能力强[2]；无芒雀麦(Bromusinermis)具有适口性好、易于栽培、产草量高等特点，2者均为多年生牧草，且已成为我国北方地区重要的战略性保障饲草[3]。用苜蓿与无芒雀麦混播建立人工草地不仅经济效益高于种植粮食及其他饲草作物，而且其根系发达，固土培肥效果明显，有利于土壤有机质和速效养分的积累[4]。

土壤理化性质是评价土壤肥力的重要指标，但理化性质的变化比较缓慢，导致短期内土壤质量的微小变化难以体现[5]。而土壤酶是植物对土壤营养元素吸收与利用的直接参与者，是联系植物与土壤的载体，其活性大小表征了土壤中物质代谢的旺盛程度，是土壤质量、肥力及健康状况的指示剂[6]。作为土壤的主要组成部分，土壤酶活性与土壤的生物特性、理化性质等具有一定的关联性，而且对环境的响应特别敏感，施肥、作物种类、土壤类型都是引起其变化的重要因素[7-8]。

近年来，国内外学者对土壤酶和土壤养分的关系开展了广泛研究，但大多的研究对象是农田[9]、草甸[10-11]或荒漠区[12]，且多集中于施肥[13-14]、品种选择[15]、植被恢复重建[16-17]等，而不同的豆禾混播比例对旱区沙化草地土壤酶及土壤环境因素的影响研究较少。因此，本研究选择科尔沁沙地紫花苜蓿与无芒雀麦混播植被为研究对象，分析不同混播比例对旱区沙化草地的土壤酶活性和营养物质积累的影响以及2者之间的关系,以期为科尔沁沙地混播人工草地建植与管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古民族大学农牧业科技示范园区。属典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.4℃，极端最低温-30.9℃，≥10℃积温3 184℃，无霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生长季降水量占全年的89%。土壤为风沙土，土壤(0～20 cm)有机质含量4.86 g·kg-1、速效钾94.7 mg·kg-1、速效磷10.5 mg·kg-1、碱解氮11.2 mg·kg-1、pH值为8.2。具有喷灌条件，干旱时灌水。

1.2 试验材料

供试材料：紫花苜蓿(品种为‘公农1号’，来自吉林省农科院)、无芒雀麦(品种为‘Carlton’，来自北京正道种业有限公司)。

供试肥料：尿素CO(NH2)2(含N≥46%)、过磷酸钙Ca(H2PO4)2(含P2O5≥44%)、氯化钾(含K2O≥60%)。

1.3 试验设计

大田试验，试验地于2017年5月22日建植，试验设豆禾2∶2和1∶2两种间行混播比例。小区面积4 m×5 m=20 m2，每区12行，行距30 cm，3次重复。苜蓿播种量为15 kg·hm-2，无芒雀麦播种量为30 kg·hm-2，豆禾2∶2处理苜蓿与禾草各占其单播量的50%，豆禾1∶2处理苜蓿与禾草各占其单播量的33%和67%。施肥试验于2018年进行，氮磷钾施肥量分别为：360 kg·hm-2，100 kg·hm-2，360 kg·hm-2。磷肥在返青期(4月10日)全部施入，氮肥和钾肥分3次施入(牧草返青期施设计总量的40%、第1茬刈割后施30%、第2茬刈割后施30%)。第1次开沟施肥，在垄间开3～4 cm沟施肥，第2，3次撒施，每次施肥后均浇水。年刈割3次，1茬和2茬草在苜蓿盛花期刈割，刈割时间分别为6月初及7月中旬，3茬在9月初刈割，留茬高度5 cm。随时人工防除杂草。

1.4 测定方法

取样时间与方法：在每茬牧草刈割后第2天(6月12日、7月23日和9月4日)取土样，取样后施肥。每个小区按5点取样法用土钻钻取0～40 cm土层土壤样品，每层(10 cm)土壤混合成1个土样，一部分土壤自然风干后进行土壤养分指标的测定，一部分迅速放入冰盒中,并转移至4℃冰箱，立即进行土壤酶活性测定。

土壤养分含量的测定参照鲁如坤[18]的《土壤农化分析》一书，采用碱解扩散法测定碱解氮，0.5 M NaHCO3浸提—钼锑抗显色法测定速效磷，NH4OAc浸提—火焰光度法测定有效钾，重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质。

土壤酶活性[19]以苯酚钠-次氯酸钠比色法测定脲酶活性，磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性，高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性，3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性。

1.5 数据处理

用Excel 2016进行数据整理及图表绘制，SPSS 19.0统计软件中均数比较-独立样本t检验进行数据差异性分析。所有数据以平均值±标准误表示，P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 豆禾混播比例对土壤养分含量的影响

由图1可知，不同豆禾混播比例下不同土壤深度草地土壤养分不同。各处理下的土壤有机质含量均随土层深度的增加呈先增大后减小的趋势，在10～20 cm土层达最大值；豆禾1∶2处理土壤有机质含量均高于豆禾2∶2处理，且在10～20 cm，20～30 cm土层下，豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。土壤碱解氮和有效钾含量变化相一致，均表现为随土层深度的增加而减小，豆禾2∶2处理下碱解氮和有效钾含量较高，且在0～10 cm，10～20 cm土层，豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。豆禾1∶2处理下的土壤速效磷在0～10 cm土层达最大值，而豆禾2∶2处理下的土壤速效磷则在10～20 cm土层达最大值；各层土壤速效磷含量均表现为豆禾1∶2处理高于豆禾2∶2处理，且在0～10 cm，10～20 cm土层，豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。

图1 豆禾混播比例对土壤养分含量的影响Fig.1 Effect of different mixed modes on soil fertility factors注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同Note:Different lowecase letters indicate signifficant differences at the 0.05 level, the same as below

2.2 豆禾混播比例对土壤酶活性的影响

由图2可知，随着土层的加深,脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均呈逐渐降低的趋势,不同层次间显示出不同程度的差异性。除10～20 cm土层碱性磷酸酶活性、30～40 cm土层过氧化氢酶活性外，脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均表现为豆禾2∶2处理高于豆禾1∶2处理。各土层土壤脲酶活性均表现为豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm土层土壤蔗糖酶活性豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。0～10 cm土层土壤碱性磷酸酶活性豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土层过氧化氢酶活性，豆禾1∶2处理和豆禾2∶2处理相比差异显著(P<0.05)。

2.3 不同豆禾混播方式混播比例下土壤养分因子与土壤酶的相关分析

由表1可知，豆禾1∶2处理，表层土(0～20 cm)的蔗糖酶和碱性磷酸酶呈负相关，其他酶两两之间互为正相关。碱解氮与蔗糖酶、过氧化氢酶、速效磷关系密切，呈显著正相关(P<0.05)，尤其是与脲酶呈极显著正相关(P<0.01)。亚层土(20～40 cm)脲酶和碱性磷酸酶呈极显著正相关(P<0.01)，速效磷与蔗糖酶、碱解氮、有效钾呈显著正相关(P<0.05)。有效钾与碱解氮显著正相关(P<0.05)，与速效磷极显著正相关(P<0.01)。

图2 豆禾混播比例对土壤酶活性的影响Fig.2 Effect of different mixed modes on soil enzyme activities

表1 各指标间的相关系数矩阵(豆禾1∶2)Table 1 Correlation matrix(r-values) between soil enzyme activities and soil fertility factors(legume：grass=1∶2)

如表2可知，豆禾2∶2处理，表层土(0～20 cm)的脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶，两两之间互为正相关，其中过氧化氢酶与其他3种酶关系密切。碱解氮与脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶均呈极显著正相关(P<0.05)。有效钾与脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、碱解氮呈极显著正相关(P<0.01)。亚层土(20～40 cm)8个指标之间两两均互为正相关，其中有机质与过氧化氢酶、碱解氮、有效钾关系密切，呈显著正相关(P<0.05)。碱解氮与蔗糖酶、过氧化氢酶、有效钾关系尤为密切，呈极显著正相关(P<0.01)。速效磷与蔗糖酶呈极显著正相关(P<0.01)，有效钾与碱性磷酸酶、碱解氮极显著正相关(P<0.01)。

表2 各指标间的相关系数矩阵(豆禾2∶2)Table 2 Correlation matrix(r-values) between soil enzyme activities and soil fertility factors(legume:grass=2∶2)

2.4 土壤养分因子与土壤酶活性间的主成分分析

主成分分析是在损失较少信息的前提下将多项指标转化为较少的综合指标。由表3可知，对苜蓿土壤理化性质和土壤酶活性等8个指标进行了主成分分析，提取的2个主因子的累积贡献率达85.97%，且特征值均大于1，说明前2个主成分可用于反映土壤养分高低的供应状况。第一主成分贡献率是67.91%，脲酶、碱解氮具有较高正载荷。第二主成分贡献率18.05%，速效磷具有较高负载荷。

表3 土壤养分因子与土壤酶活性间的主成分分析Table 3 Principal component analysis of soil enzyme activities and soil fertility factors

3 讨论

3.1 豆禾混播比例对科尔沁沙地土壤养分的影响

豆禾混播比例的不同可使其土壤养分的分布与积累规律产生差异[20]。本研究中，2种混播比例草地的土壤养分变化基本一致，由表层向下土壤养分含量逐渐减少，与大部分草地相似，呈现垂直分布规律[21]且表层土(0～20 cm)的土壤养分含量与亚层土(20～40 cm)相比，波动较大。主要是由于表层土的透气性好，加之地表的枯枝落叶等归还物的快速周转，微生物较为活跃，使其养分积累较多，表现为表层土壤养分含量远大于亚层的规律[22]。但2种混播比例的有机质含量均在10～20 cm土层较高，可能是由于在苜蓿生长的第2年，产生的须根和根瘤大多分布在10～20 cm土层，有机残体的归还量及腐殖化系数较高，致使土壤有机物的输入量也集中于此，且输入量相对较大[23]。在豆禾混播系统中存在一种氮素共享的通道，豆科牧草固定的氮可通过各种途径为伴生的禾本科牧草提供氮源[24-25]。

豆禾混播比例为1∶2时，更有利于土壤有机质和速效磷的积累。而豆禾混播比例为2∶2时，更有利于碱解氮和有效钾的积累。主要是由于豆禾混播时，禾本科植物会优先吸收土壤中的无机态氮，尤其是硝态氮，使土壤矿质氮减小，更加促进了豆科固氮，而豆科比例相对增加时，氮的矿化和固定随之增加，对土壤氮的消耗随之减少[26]，同时豆禾牧草在根际可形成对土壤磷素利用的空间优势，促进了牧草对磷的吸收[27]。由此可见，适当增加豆科比例可显著增加土壤氮素和钾素的供应。这和关正翾等[28]、郑伟等[29]的研究结果一致。另土壤养分含量在表层土(0～20 cm)受混播比例的影响较大，在2种混播比例下，变化较为剧烈，差异达显著水平(P<0.05)。这也与土壤垂直分布规律有一定的关系[20]。

3.2 豆禾混播比例对草地土壤酶活性的影响

土壤酶活性具有催化作用，便于将有机物转化为植物和微生物可利用的营养物质[30]。本研究中从土壤垂直分布来看，4种土壤酶活性均呈逐渐降低的趋势，这与土壤养分的变化规律相一致，主要也是因为表层土壤与大气相连，其温湿度和透气性更好[31]，微生物的生存环境更为舒适，其生长和繁殖较快[32]。随着土层的加深，微生物生境条件变差，导致其土壤酶活性降低。

豆禾混播比例对土壤酶活性的影响较为明显，4种酶活性均表现为豆禾2∶2处理高于豆禾1∶2处理，可见，适当增加豆科牧草比例可不同程度的提高土壤酶活性，有利于土壤养分的积累和转化。是由于豆科牧草的结瘤固氮特性，使得豆禾混播牧草根系分泌物增加，根茬腐解作用增强，进而提高了蔗糖酶活性[33]。紫花苜蓿的根系较为发达，与无芒雀麦混播有效利用了土壤空间，提高了其根系密度和呼吸强度，使根系的碳代谢旺盛，从而增强了碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性[34-35]。而紫花苜蓿的固氮作用对与土壤氮素转化过程有关的脲酶活性的影响较大[36]，使土壤氮素积累较多。

3.3 不同豆禾混播比例下土壤酶活性与土壤养分的关系

土壤酶活性与植物可利用的土壤营养物质密切相关，较高的土壤酶活性，增强了土壤元素的矿质化作用，促进了混播系统中营养元素的利用[37]。本研究中，表层土(0～20 cm)，豆禾1∶2处理土壤碱解氮与脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性呈正相关关系，豆禾2∶2处理土壤碱解氮与脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性呈正相关关系，表明了氮素在土壤表层肥力中的重要程度。不仅是提供营养元素，而且也为土壤中的微生物提供反应底物原料，从而提高酶促反应强度[38]。另研究还发现表层土(0～20 cm)，除豆禾1∶2处理蔗糖酶和碱性磷酸酶呈负相关外，其他处理4种酶活性之间均呈正相关，这说明土壤酶类相互协作可提高土壤养分，同时土壤酶还有其专一特性[39]。

为了进一步探讨土壤酶活性与土壤养分的关系,本研究对科尔沁沙地人工草地土壤酶活性与土壤养分之间进行了主成分分析,以便能筛选出产生影响的主要因子群。提取2个主因子的累积贡献率达 85.97%，且它们的特征值都大于1，说明所提取的2个主因子已基本覆盖所有信息，故取前 2个主因子，并选用最大方差法做正交旋转，以便能够更好的解释变量间的关系和命名变量。第1主成分贡献率是67.91%，其载荷特征向量值较大。其中脲酶、碱解氮具有较高正载荷，说明其正相关性较好，可反映出土壤速效氮养分的转化及供应情况。第2主成分贡献率18.05%，其中速效磷具有较高载荷，其值为负数，与蔗糖酶具有较好的负相关关系，可反映出速效磷的供应状况。由此，豆禾混播草地的土壤肥力水平是由土壤酶活性和土壤养分因子共同评价的。

4 结论

随土层加深，土壤养分含量逐渐减少，呈现垂直分布规律。土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性与土壤有机质、碱解氮、速效磷和有效钾养分变化基本一致。

豆禾混播比例为1∶2时，有利于土壤有机质和速效磷的积累。而豆禾混播比例为2∶ 2时，更有利于碱解氮和有效钾的积累。适当增加豆科牧草比例可不同程度的提高土壤酶活性，有利于土壤养分的积累和转化。

相关分析和主成分分析表明，土壤酶活性与土壤主要养分因子间具有一定相关性,说明土壤酶可以用来表征土壤养分状况，且豆禾混播草地的土壤肥力水平是由土壤酶活性和土壤养分因子共同评价的。