刈割對羊草草原土壤酶活性和養(yǎng)分含量的影響

秦燕，何峰，仝宗永，陳寶瑞，李向林*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.齊齊哈爾大學(xué)， 黑龍江 齊齊哈爾 161006；

3.呼倫貝爾國家野外站，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

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刈割對羊草草原土壤酶活性和養(yǎng)分含量的影響

秦燕1,2，何峰1，仝宗永1，陳寶瑞3，李向林1*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.齊齊哈爾大學(xué)， 黑龍江 齊齊哈爾 161006；

3.呼倫貝爾國家野外站，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

摘要：土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一，是土壤中重要的生物活性物質(zhì)，草地土壤酶活性與草地土壤養(yǎng)分含量關(guān)系密切。本文研究了刈割制度對呼倫貝爾羊草草原土壤酶活性和養(yǎng)分的影響，主要結(jié)果為：土壤脲酶、堿性磷酸酶對刈割制度的響應(yīng)較為敏感，與逐年刈割相比，刈割間隔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，堿性磷酸酶活性降低了28.9%～44.2%。刈割對草地30～60 cm土壤養(yǎng)分含量影響更大，表現(xiàn)為土壤全氮、速效氮、全磷、速效鉀和速效磷含量在各處理間0～30 cm土壤中沒有顯著的變化，僅6年1割樣地較逐年刈割樣地土壤有機質(zhì)含量增加了10.5%；隨刈割間隔年限的增加，30～60 cm土壤全氮和有機質(zhì)含量變化范圍分別為0.36～0.66 g/kg和12.26～17.73 g/kg，并且速效鉀和速效磷含量都有降低的趨勢。不同刈割制度下草地土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性的關(guān)系不盡相同，正負兼有。研究結(jié)果表明逐年刈割對土壤養(yǎng)分的影響有限，逐年刈割適用于該研究區(qū)的草地管理。

關(guān)鍵詞：刈割；土壤酶活性；土壤養(yǎng)分；草地管理

土壤酶是土壤一切生物化學(xué)過程的重要參與者，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分之一[1-2]，來源于土壤微生物的分泌、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程中釋放的酶[3]。土壤酶活性反映土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量代謝的強度，通過參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進而對土壤肥力產(chǎn)生重要影響[4]。土壤酶與微生物是土壤中重要的生物活性物質(zhì)，共同推動土壤生物化學(xué)過程，兩者與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切[5]。因此，土壤酶活性在一定程度上反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化情況[6]，可作為評價草地土壤質(zhì)量變化、生產(chǎn)力和生物活性的有效指標(biāo)[7-8]。

草地土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系密切。土壤蔗糖酶與土壤中腐殖質(zhì)、有機質(zhì)、粘粒的含量、氮磷含量呈正相關(guān)關(guān)系[9]；土壤脲酶直接參與土壤含氮有機化合物的轉(zhuǎn)化，影響土壤中氮素轉(zhuǎn)化能力[10]。施肥通過刺激牧草根系生長而增加根系分泌物，提高土壤酶活性[11]；草地管理方式影響土壤酶活性，但往往因草地類型不同而異。溫帶草甸草原在適度放牧下，土壤脲酶和過氧化氫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顯高于封育草地[13]；而青藏高原高寒草甸土壤酸性磷酸酶和淀粉酶活性隨放牧率的增加而降低，脲酶活性與放牧率正相關(guān)[14]，但在荒漠草原，封育對土壤蔗糖酶影響不顯著，而多酚氧化酶活性顯著提高[15]。呼倫貝爾草甸草原是我國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，刈割利用是其常見利用方式之一，但刈割制度對呼倫貝爾羊草草原土壤酶活性和養(yǎng)分的影響及其相互關(guān)系尚不清楚，因此，本文研究了不同刈割間隔時間對呼倫貝爾羊草草原土壤酶活性和養(yǎng)分變化規(guī)律的影響，以期為呼倫貝爾草原管理利用提供理論依據(jù)和參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站試驗區(qū)(海拉爾市謝爾塔拉，N 49.33°，E 120.05°)，屬溫帶半干旱大陸性氣候。海拔620～660 m，年均降水量319 mm，年均溫-2.4℃，土壤為暗栗鈣土，草地類型為以羊草(Leymuschinensis)為優(yōu)勢種的草甸草原，主要伴生植物種有：苔草(Carexsiderosticta)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、硬質(zhì)早熟禾(Poasphondylodes)、斜莖黃芪(Astragalusadsuigens)等 。

1.2樣地設(shè)置和樣品采集

選取試驗站羊草草甸草原固定觀測樣地，開展不同刈割制度對草地影響的相關(guān)研究。試驗設(shè)置了4種刈割制度(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)。樣地于2006年底開始圍封、設(shè)置，各處理圍欄面積為0.7～1.3 hm2。刈割試驗于2007年開始，在每年8月5日前后使用割草機進行刈割，留茬高度通常為7 cm。各刈割試驗區(qū)植物群落組成相似，生物量為80～120 g/m2。

表1　樣地情況簡介

土壤樣品于2013年9月8日采集，在各樣地隨機選取10個土壤采樣點，分別取0～30 cm和30～60 cm兩層土樣，同層混合即得1個樣品，去除植物殘體后，將一部分迅速過2 mm篩后裝入樣品袋，用具生物冰袋的保溫箱帶回實驗室，并置于4℃冰箱保存，此部分為土壤酶活性分析待用樣品；另一部分自然風(fēng)干后過0.5 mm篩，樣品儲存室保存，用于土壤養(yǎng)分測定。

1.3樣品測定

土壤酶活性測定原理：用甲苯浸泡土壤樣品后，加入最適于某種酶活性的緩沖液和反應(yīng)基質(zhì)，在適宜的溫度條件下進行培養(yǎng)，測定酶促反應(yīng)生成物質(zhì)的濃度，土壤酶活性以單位土壤發(fā)生酶促反應(yīng)生成物質(zhì)的量計算。脲酶活性采用靛酚比色法[3]、蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法[3]、過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法[3]，堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[16]。

有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化滴定法，全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用堿解擴散法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，速效磷采用碳酸氫鈉法，速效鉀采用火焰光度計法[17]。

1.4數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析模塊(One-way ANOVA)進行不同處理中各指標(biāo)間的差異顯著性分析，相關(guān)分析采用Pearson’s相關(guān)分析法。

2結(jié)果與分析

2.1土壤酶活性

草地0～30 cm土壤脲酶活性隨刈割間隔時間增加而提高(圖1)。樣地1yr-C土壤脲酶活性為4.49 μg/(g·h)，低于其他刈割處理，分別為6yr-C、3yr-C和2yr-C樣地的81.4%，66.9%和71.2%，樣地6yr-C、3yr-C和2yr-C無顯著差異(P>0.05)，但6yr-C和3yr-C樣地顯著高于1yr-C(P<0.05)。6yr-C、3yr-C和2yr-C樣地30～60 cm土壤脲酶活性均高于1yr-C樣地，但除2yr-C顯著高于1yr-C外，其他處理間均無顯著差異。

與土壤脲酶變化趨勢相反，刈割間隔對草地30～60 cm土壤過氧化氫酶活性有較明顯的影響，對草地0～30 cm影響不明顯(圖1)。隨著刈割間隔時間的增加，30～60 cm土壤過氧化氫酶逐漸降低，變化范圍為4.89～5.74 mg H2O2/(g·20 min)，6yr-C和3yr-C樣地間無顯著差異，但均顯著低于2yr-C和1yr-C(P<0.05)。

圖1　不同刈割間隔時間對草地土壤酶活性的影響Fig.1　Effect of cutting intervals on soil enzyme activities in L. chinensis meadow　不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤；下同。Bars (means±SE) without shared lowercase letters denote significant differences (P<0.05) among treatments. The same below.

刈割間隔時間對兩層土壤堿性磷酸酶活性均有顯著影響(圖1)。隨著刈割間隔延長，草地0～30 cm土壤堿性磷酸酶活性呈降低趨勢，1yr-C為16.6 mg/g，顯著高于其他刈割處理(P<0.05)，約為3yr-C的1.79倍，2yr-C和6yr-C土壤堿性磷酸酶活性無顯著差異，但均顯著高于3yr-C。30～60 cm土壤堿性磷酸酶活性則隨著刈割間隔延長而增加，3yr-C和6yr-C樣地?zé)o顯著差異，但均顯著高于1yr-C和2yr-C，且1yr-C為7.3 mg/g，為6yr-C的39.4%。

刈割間隔對草地兩層土壤蔗糖酶活性均無顯著影響(P>0.05)。

2.2土壤養(yǎng)分

隨著刈割間隔延長，草地0～30 cm土壤全氮含量有增加的趨勢(圖2)，但各處理間無顯著差異(P>0.05)，6yr-C土壤全氮含量為2.04 g/kg，較1yr-C提高了13.1%。草地30～60 cm土壤全氮含量則隨著刈割間隔延長顯著提高(P<0.05)，其中3yr-C和6yr-C樣地?zé)o顯著差異(P>0.05)，但均顯著高于1yr-C(P<0.05)，其中3yr-C樣地最高，為1yr-C的1.84倍。

圖2　不同刈割間隔時間對草地土壤養(yǎng)分的影響Fig.2　Effects of cutting intervals on soil nutrient factors in L. chinensis meadow

刈割間隔對草地土壤速效氮含量無顯著影響。0～30 cm土層速效氮含量變化范圍為17.53～20.35 mg/kg，30～60 cm土層速效氮含量變化為15.43～17.69 mg/kg。

刈割間隔對草地土壤全磷含量無顯著影響，各處理間0～30 cm和30～60 cm土壤全磷含量均無顯著差異，但0～30 cm土壤全磷平均含量約為0.38 g/kg，顯著高于30～60 cm土層(0.26 g/kg)。

草地土壤速效磷含量變化趨勢與土壤全磷相似，兩層土壤速效磷含量均隨刈割間隔延長而降低。不同刈割間隔草地0～30 cm土壤速效磷含量無顯著差異(P>0.05)，其中2yr-C為6.16 mg/kg，略高于其他處理。3yr-C草地30～60 cm僅為3.25 mg/kg，顯著低于其他處理(P<0.05)。

草地0～30 cm土壤速效鉀含量隨刈割間隔延長而增加，但各處理間無顯著差異(P>0.05)。隨著刈割間隔延長，草地30～60 cm土壤速效鉀含量顯著降低。6yr-C草地30～60 cm土壤速效鉀含量為18.3 mg/kg，較2yr-C土壤速效鉀含量下降了約38.2%，并顯著低于1yr-C、2yr-C和3yr-C(P<0.05)。

草地刈割間隔時間影響草地土壤有機質(zhì)含量，隨刈割間隔延長，草地土壤有機質(zhì)含量增加。6yr-C草地0～30 cm達到40.9 g/kg，但與1yr-C、2yr-C和3yr-C草地?zé)o顯著差異，較1yr-C增加10.5%。草地30～60 cm土壤有機質(zhì)含量隨刈割間隔延長逐漸升高，3yr-C和6yr-C無顯著差異，但均顯著高于1yr-C和2yr-C(P<0.05)。

2.3土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

土壤養(yǎng)分含量影響土壤酶活性，并且影響不同土壤酶活性的主要因素在土壤0～30 cm和30～60 cm中各異(表2)。0～30 cm土壤中，脲酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷和速效鉀存在負相關(guān)關(guān)系，其中與土壤速效磷含量存在顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.567，P<0.05)，而0～30 cm土壤脲酶活性隨土壤C/N增加而提高。30～60 cm土壤中脲酶活性與土壤全磷和速效鉀含量存在正相關(guān)關(guān)系，而土壤有機質(zhì)和全氮含量則存在負相關(guān)關(guān)系。

表2　不同刈割間隔時間草地土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

*和**分別表示相關(guān)性在0.05和0.01水平顯著。* Correlation is significant at the 0.05 level. ** Correlation is significant at the 0.01 level.SOM: 土壤有機質(zhì) 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: 速效鉀 Available potassium；C/N: 碳氮比 Ratio of C and N.

0～30 cm土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量均與土壤蔗糖酶活性存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其中與速效磷關(guān)系達到極顯著水平(r=0.713，P<0.01)。30～60 cm土壤蔗糖酶活性僅與土壤C/N正相關(guān)(r=0.244)，與其他土壤養(yǎng)分均為負相關(guān)關(guān)系。

0～30 cm土壤C/N對土壤堿性磷酸酶活性有較大抑制作用(r=-0.488)，0～30 cm土壤速效磷含量與土壤堿性磷酸酶活性存在正相關(guān)關(guān)系(r=0.163)，但不顯著。影響30～60 cm土壤堿性磷酸酶活性因素較多，與土壤全磷(r=-0.550)、速效磷(r=-0.631)和速效鉀(r=-0.595)含量均存在顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而土壤全氮和有機質(zhì)含量增加有利于土壤堿性磷酸酶活性的提高，其中土壤全氮含量與堿性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)(r=0.526，P<0.05)。

0～30 cm土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀含量與土壤過氧化氫酶活性呈負相關(guān)關(guān)系，土壤全磷含量對過氧化氫酶活性有促進作用(r=0.255)。30～60 cm土壤有機質(zhì)含量對土壤過氧化氫酶活性影響較大，兩者存在顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.564，P<0.05)，30～60 cm土壤速效磷和速效鉀含量與過氧化氫酶活性正相關(guān)。

3討論和結(jié)論

草地利用方式和管理措施通過干擾草地植被和土壤，對土壤酶活性和土壤養(yǎng)分等產(chǎn)生直接或間接的影響[18-19]。土壤酶參與幾乎土壤中的一切生物化學(xué)過程，對整個生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生重要影響，故常被作為標(biāo)示土壤肥力和質(zhì)量以及生態(tài)系統(tǒng)健康評價的重要指標(biāo)[20-21]。

草地刈割利用改變了牧草營養(yǎng)物質(zhì)在地上和地下部的分配比例和模式，可進一步影響牧草與土壤間的物質(zhì)交換[22]，從而對土壤酶活性和養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響。本研究結(jié)果表明,刈割間隔年限的變化使羊草草地0～30 cm和30～60 cm土壤酶活性和養(yǎng)分含量發(fā)生了變化。延長刈割間隔使草地0～30 cm土壤脲酶活性提高，其原因可能與刈割間隔延長影響草地植物的密度、高度和地上生物量以及土壤養(yǎng)分狀況得到改善有關(guān)[23]。刈割間隔延長使草地表層土壤有機質(zhì)含量增加，使土壤水熱狀況得到改善，微生物量增加，進一步促進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發(fā)現(xiàn)了相似變化規(guī)律。過氧化氫酶與土壤中有機物的各種生物化學(xué)氧化反應(yīng)密切相關(guān)，可以表示土壤氧化過程的強度，其活性通常與土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化速度密切相關(guān)。本研究中草地刈割間隔對30～60 cm土壤過氧化氫酶活性影響比較明顯，但在東北羊草草甸的研究發(fā)現(xiàn)，土壤過氧化氫酶活性隨著土層的加深而遞減[26]，可能與土壤過氧化氫酶活性易受降雨量、大氣溫度、土壤溫度和土壤含水量等環(huán)境因子影響有關(guān)，因此不同類型草地土壤過氧化氫酶活性在不同土層深度反應(yīng)各異。土壤堿性磷酸酶活性在0～30 cm和30～60 cm土壤中表現(xiàn)出相反的變化趨勢，可能是由于刈割改變了植物群落組成、凋落物、根系分布以及土壤溫度和水分等非生物因素有關(guān)，有待進一步研究。

土壤酶的催化作用與土壤養(yǎng)分物質(zhì)遷移和循環(huán)關(guān)系密切，并會受到土壤養(yǎng)分含量和環(huán)境因素直接或間接地影響[20,27]。本研究中土壤酶活性與土壤有機質(zhì)、氮、磷和鉀含量存在或正或負的相關(guān)關(guān)系，類似的研究中也發(fā)現(xiàn)，不同草地類型和利用方式下土壤酶活性與土壤有機質(zhì)[19]、微生物量[28]、全氮[29]、全磷[30]和鉀[31]的相關(guān)性不盡相同[32-33]，表明土壤養(yǎng)分與土壤酶活性關(guān)系密切，其相互關(guān)系因生境的不同而異。本試驗中逐年刈割并未顯著改變土壤主要養(yǎng)分含量，不會引起土壤質(zhì)量下降，因此，逐年刈割適用于研究區(qū)草地管理。

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在對人員的維和培訓(xùn)方面進行更多國際性專業(yè)交流，注重語言能力特別是英語技能的培訓(xùn)。尋求在維和討論會、訓(xùn)練課程及其他專業(yè)技術(shù)和綜合處置能力培養(yǎng)項目等方面的地區(qū)性及國際間合作，學(xué)習(xí)他國先進經(jīng)驗，利用國外優(yōu)質(zhì)資源來提高我維和人員的素質(zhì)。積極探索有效途徑，創(chuàng)造新型平臺，與外軍開展形式更加多樣、內(nèi)容更加豐富的軍事交流。

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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

作者簡介：秦燕(1981-)，女，黑龍江齊齊哈爾人，在讀博士。E-mail：mule119@163.com

基金項目：國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系課題(CARS-35)，公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費(201303060)和草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室開放課題(SKLGAE201506)資助。

*收稿日期：2015-12-04；改回日期：2015-12-31

DOI：10.11686/cyxb2015549

http://cyxb.lzu.edu.cn

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