黃土高原長(zhǎng)期種植紫花苜蓿對(duì)土壤酶活性的影響

韓國(guó)君， 田福平, 何明珠， 李　良， ?！↓?/p>

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站， 甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

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黃土高原長(zhǎng)期種植紫花苜蓿對(duì)土壤酶活性的影響

韓國(guó)君1， 田福平2, 何明珠3， 李良1， 海龍1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蘭州畜牧與獸藥研究所/農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站， 甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

研究黃土高原地區(qū)牧草地土壤酶活性隨種植年限的變化趨勢(shì)，可為人工草地利用和科學(xué)管理提供依據(jù). 本文選取蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站不同種植年限(1年、2年、4年、11年和16年)的紫花苜蓿(Medicagosativa) 地為研究對(duì)象，分析了紫花苜蓿地土壤淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶、纖維素酶和蔗糖酶活性對(duì)種植年限的響應(yīng). 研究結(jié)果表明，淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土壤表層(0～5 cm)顯著高于下層(5～10 cm)，但纖維素酶含量在不同土壤深度差異不顯著. 土壤酶活性隨種植年限呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，其中淀粉酶和過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)“先增后減”的趨勢(shì)，并且在種植后第4年達(dá)到峰值；而磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在種植后第11年達(dá)到最高值；纖維素酶活性隨種植年限的延長(zhǎng)不斷降低，在11年和16年的樣地達(dá)到最小值. 因此，從土壤酶活性的角度分析認(rèn)為，紫花苜蓿在種植一定年限后(11年)土壤酶活性和土壤肥力開(kāi)始下降，故應(yīng)重視牧草更新和土壤肥力的科學(xué)管理.

紫花苜蓿；種植年限；土壤酶活性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是我國(guó)種植面積最大的人工草地牧草，具有很高的飼用價(jià)值，以及保持水土、增強(qiáng)土壤肥力、植物修復(fù)等生態(tài)價(jià)值[1,2].土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一，是生態(tài)系統(tǒng)里不可或缺的生物催化劑[3-5].土壤酶參與土壤中各種化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)過(guò)程，與有機(jī)物質(zhì)礦化分解、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、土壤環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)，可作為反映土壤肥力狀況、土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)[6-10].土壤酶包括水解酶、裂合酶、氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、異構(gòu)酶和連接酶等多種類型[11].已有學(xué)者對(duì)鹽堿草地[12]、退耕草地[13]、荒漠鹽生植被[14]和丘陵坡地不同植被類型[15]的土壤酶活性開(kāi)展了研究.同時(shí)，土壤酶活性受到土壤物理性質(zhì)、土壤微生物、人工管理措施、農(nóng)藥、種植年限等影響[16].因此，開(kāi)展黃土高原不同種植年限紫花苜蓿地土壤酶活性的研究，旨在合理評(píng)價(jià)紫花苜蓿的生態(tài)效應(yīng)，可為制定黃土高原區(qū)紫花苜蓿輪作年限和培肥地力提供理論指導(dǎo).

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于農(nóng)業(yè)部蘭州黃土高原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，地處甘肅省蘭州市七里河區(qū)彭家坪鄉(xiāng)龔家灣村大洼山，北緯36°01′，東經(jīng)103°45′，海拔1 750 m，屬于蘭州盆地黃河南岸三級(jí)階地. 年均降水量為324.5 mm，主要集中在7、8、9三個(gè)月份，蒸發(fā)量為1 450.0 mm，日照時(shí)數(shù)為2 751.4 h；年均溫為9.3 ℃，≥0 ℃的活動(dòng)積溫為3 700 ℃，≥10 ℃的活動(dòng)積溫為1 900～2 300 ℃，極端最高溫為39.1 ℃，最低溫為-23.1 ℃. 該區(qū)屬于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)風(fēng)成黃土，土層深厚，土壤種類主要為灰鈣土. 試驗(yàn)地耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量5.47 g·kg-1，堿解氮19.15 mg·kg-1，有效磷4.08 mg· kg-1，有效鉀109.35 mg· kg-1，全氮0.41g· kg-1，全磷0.46 g·kg-1，全鉀18.24g·kg-1，pH值為8.25.

2　研究方法

2.1樣品采集

2015年12月，選取試驗(yàn)站不同種植年限(1年、2年、4年、11年和16年)的紫花苜蓿地為研究樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣方，每個(gè)樣方內(nèi)按“S” 形采集5個(gè)點(diǎn)的(0～5 cm)和(5～10 cm)的土壤樣品，并將每層的樣品混合，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏保存用于土壤酶活性的測(cè)定.

2.2測(cè)定方法

2.3統(tǒng)計(jì)分析

利用軟件SPSS Statistics16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素和雙因素方差分析，t檢驗(yàn)分析紫花苜蓿同一種植年限不同土層土壤酶活性的差異顯著性；利用Tukey HSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn) (α=0.05). 采用Origin 8.0對(duì)數(shù)據(jù)編輯和繪圖.

3　結(jié)果與分析

3.1土壤酶活性的垂直變化特征

由圖1和表1所示，淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土壤表層(0～5 cm)顯著高于淺表層土壤 (5～10 cm)，而纖維素酶在兩個(gè)深度土壤中的活性沒(méi)有顯著差異. 表層較高的土壤酶活性和枯落物、有機(jī)物質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分在土壤表層的富集有密切聯(lián)系.

圖1　紫花苜蓿地不同土壤深度土壤酶活性(不同大寫(xiě)字母表示不同土壤深度土壤酶活性差異顯著，P<0.001)

3.2土壤酶活性隨種植年限的動(dòng)態(tài)變化特征

由表1可知，淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、脲酶、纖維素酶和蔗糖酶都受到紫花苜蓿的種植年限和土壤深度的影響. 種植年限和土壤深度的交互作用顯著影響過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性. 由圖2所示，淀粉酶和過(guò)氧化氫酶水平隨種植年限的變化規(guī)律相似，兩種酶都呈現(xiàn)“先增后減”的趨勢(shì)，并且在紫花苜蓿種植4年時(shí)達(dá)到最大值，然后逐漸減小. 磷酸酶、脲酶和蔗糖酶水平隨種植年限的增加也表現(xiàn)出“先增后減”的趨勢(shì)，但三種酶的峰值出現(xiàn)在種植11年的紫花苜蓿樣地. 纖維素酶呈現(xiàn)隨種植年限的延長(zhǎng)而逐漸下降的趨勢(shì)，種植11年和16年的紫花苜蓿地纖維素酶的水平顯著低于年限較短的樣地.

表1　種植年限和土壤深度對(duì)土壤酶活性影響的雙因素方差分析

圖2　紫花苜蓿地不同種植年限和土壤深度的土壤酶活性

4　結(jié)論與討論

草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶的活性受多種因素的影響，施肥、放牧、土壤微生物、季節(jié)變化和退化程度等對(duì)土壤酶活性均有一定影響[18]. 過(guò)氧化氫酶屬氧化還原酶類，其活性可表征土壤腐殖質(zhì)化強(qiáng)度大小和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化速度. 土壤蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和呼吸強(qiáng)度密切相關(guān). 土壤脲酶活性在一定程度上反映土壤的供氮能力. 土壤磷酸酶活性高低直接影響著土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性. 纖維素酶可表征土壤碳素循環(huán)速度的重要指標(biāo)[4]. 邰繼承等研究表明，土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶的活性2年生紫花苜蓿地均高于5年生[19]. 渭北高原溝壑區(qū)紫花苜蓿顯著改善土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤微生物量，且隨種植年限的延長(zhǎng)均呈先升后降的趨勢(shì)，最高點(diǎn)出現(xiàn)在第11年[20]. 本研究結(jié)果顯示，隨苜蓿種植年限的延長(zhǎng)，淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性呈現(xiàn)“先增后減”的趨勢(shì)，這與吳旭東[1]、邰繼承[19]和楊恒山[21]的研究結(jié)果相似. 磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在紫花苜蓿種植后第11年達(dá)到最高值，說(shuō)明土壤酶活性與土壤微生物量及土壤養(yǎng)分具有相關(guān)性.纖維素酶活性隨種植年限的延長(zhǎng)持續(xù)降低. 雖然苜蓿是一種“養(yǎng)地作物”，紫花苜蓿地土壤酶活性降低時(shí)，需要進(jìn)行牧草更新、適當(dāng)施肥等人工干預(yù)措施提高土壤肥力.

土壤酶活性還與土層深度有關(guān)，隨土層深度增加，土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶活性降低[19]. 吳旭東等研究表明，苜蓿地土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性隨種植年限和土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，土壤酶活性主要富集(0～20) cm內(nèi)，形成表層聚集性[1]. 托爾·買買提研究也顯示，不同種植年限苜蓿地土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均隨土層深度的增加而降低[22]. 本研究結(jié)果顯示，纖維素酶含量在不同土層深度差異不顯著，但淀粉酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土壤表層(0～5 cm)顯著高于下層(5～10 cm)，表現(xiàn)出土壤酶表層聚集性.

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責(zé)任編輯：鄭敬剛

Effects of Long-term Plantation of Alfafa on Soil Enzyme Activities in the Loess Plateau Area

HAN Guo-jun1, TIAN Fu-ping2, HE Ming-zhu3, LI Liang1, HAI Long1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.LanzhouInstituteofHusbandryandPharmaceuticalSciencesofChineseAcademyofAgriculturalSciences,TheLanzhouScientificObservationandExperimentFieldStationofMinistryofAgricultureforEcologicalSystemintheLoessPlateauArea,Lanzhou730050,China; 3.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China)

Studying changes of soil enzyme activities in grasslands of the loess plateau may provide the basis for the utilization and scientific management of cultivated grasslands. Taking the alfafa lands with different plantation ages (1 year, 2 years, 4 years, 11 and 16 years) in the Lanzhou Scientific Observation and Experiment Field Station as the research objects, we study responses to soil enzymes, including amylase, catalase, urease, alkaline phosphatase and cellulose, to the plantation ages . The results show that the amylase, catalase, sucrase, urease and phosphatase activities in the soil surface (0 to 5 cm) are significantly higher than the lower layer (5-10 cm), but no significant differences of cellulose activitity are found in different soil depths. Soil enzyme activity showed different trends. With increasing of plantation ages, amylase and catalase activity showed a trend of “increase first then decrease”, peaking at 4-years land. Phosphatase, urease and invertase activities reach the peak point after alfafa 11-year plantation. Cellulose enzyme activity decreased constantly and reached minimum values after alfafa 11-year and 16-year plantation. Therefore, basing on our results about soil enzyme activities in this study, we find that soil enzyme activities and soil fertility start to decline after 11-year plantation,so we should attach importance to forages renewal and scientific management of soil fertility.

alfalfa; plantation age; soil enzyme activity

2016-04-10

甘肅省高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目“釀酒葡萄分根區(qū)交替灌溉的調(diào)控及節(jié)水機(jī)理”(037-041015)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目“寒生、旱生灌草新品種選育(CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)”

韓國(guó)君(1977—)，男，甘肅白銀人，講師，博士，主要從事節(jié)水灌溉及植物生理生態(tài)學(xué)研究.

1671-9824(2016)05-0110-05

S154

A