黃土高原長期種植紫花苜蓿對土壤酶活性的影響

韓國君， 田福平, 何明珠， 李　良， ?！↓?/p>

(1.甘肅農業大學 資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國農業科學院 蘭州畜牧與獸藥研究所/農業部蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站， 甘肅 蘭州 730050；3.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

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黃土高原長期種植紫花苜蓿對土壤酶活性的影響

韓國君1， 田福平2, 何明珠3， 李良1， 海龍1

(1.甘肅農業大學 資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070； 2.中國農業科學院 蘭州畜牧與獸藥研究所/農業部蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站， 甘肅 蘭州 730050；3.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000)

研究黃土高原地區牧草地土壤酶活性隨種植年限的變化趨勢，可為人工草地利用和科學管理提供依據. 本文選取蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站不同種植年限(1年、2年、4年、11年和16年)的紫花苜蓿(Medicagosativa) 地為研究對象，分析了紫花苜蓿地土壤淀粉酶、過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶、纖維素酶和蔗糖酶活性對種植年限的響應. 研究結果表明，淀粉酶、過氧化氫酶、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不同的變化趨勢，其中淀粉酶和過氧化氫酶活性呈現“先增后減”的趨勢，并且在種植后第4年達到峰值；而磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在種植后第11年達到最高值；纖維素酶活性隨種植年限的延長不斷降低，在11年和16年的樣地達到最小值. 因此，從土壤酶活性的角度分析認為，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始下降，故應重視牧草更新和土壤肥力的科學管理.

紫花苜蓿；種植年限；土壤酶活性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是我國種植面積最大的人工草地牧草，具有很高的飼用價值，以及保持水土、增強土壤肥力、植物修復等生態價值[1,2].土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機成分之一，是生態系統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反應和生物化學過程，與有機物質礦化分解、礦質營養元素循環、土壤環境質量等密切相關，可作為反映土壤肥力狀況、土壤質量的生物學指標[6-10].土壤酶包括水解酶、裂合酶、氧化還原酶、轉移酶、異構酶和連接酶等多種類型[11].已有學者對鹽堿草地[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]的土壤酶活性開展了研究.同時，土壤酶活性受到土壤物理性質、土壤微生物、人工管理措施、農藥、種植年限等影響[16].因此，開展黃土高原不同種植年限紫花苜蓿地土壤酶活性的研究，旨在合理評價紫花苜蓿的生態效應，可為制定黃土高原區紫花苜蓿輪作年限和培肥地力提供理論指導.

1　研究區概況

研究區位于農業部蘭州黃土高原生態環境重點野外科學觀測試驗站，地處甘肅省蘭州市七里河區彭家坪鄉龔家灣村大洼山，北緯36°01′，東經103°45′，海拔1 750 m，屬于蘭州盆地黃河南岸三級階地. 年均降水量為324.5 mm，主要集中在7、8、9三個月份，蒸發量為1 450.0 mm，日照時數為2 751.4 h；年均溫為9.3 ℃，≥0 ℃的活動積溫為3 700 ℃，≥10 ℃的活動積溫為1 900～2 300 ℃，極端最高溫為39.1 ℃，最低溫為-23.1 ℃. 該區屬于黃土高原半干旱丘陵溝壑區，土壤母質為第四紀風成黃土，土層深厚，土壤種類主要為灰鈣土. 試驗地耕層土壤有機質含量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，每個樣地設置3個重復樣方，每個樣方內按“S” 形采集5個點的(0～5 cm)和(5～10 cm)的土壤樣品，并將每層的樣品混合，及時帶回實驗室冷藏保存用于土壤酶活性的測定.

2.2測定方法

2.3統計分析

利用軟件SPSS Statistics16.0對數據進行單因素和雙因素方差分析，t檢驗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法進行差異顯著性檢驗 (α=0.05). 采用Origin 8.0對數據編輯和繪圖.

3　結果與分析

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)，而纖維素酶在兩個深度土壤中的活性沒有顯著差異. 表層較高的土壤酶活性和枯落物、有機物質、氮、磷等養分在土壤表層的富集有密切聯系.

圖1　紫花苜蓿地不同土壤深度土壤酶活性(不同大寫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態變化特征

由表1可知，淀粉酶、過氧化氫酶、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氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性. 由圖2所示，淀粉酶和過氧化氫酶水平隨種植年限的變化規律相似，兩種酶都呈現“先增后減”的趨勢，并且在紫花苜蓿種植4年時達到最大值，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出“先增后減”的趨勢，但三種酶的峰值出現在種植11年的紫花苜蓿樣地. 纖維素酶呈現隨種植年限的延長而逐漸下降的趨勢，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　結論與討論

草地生態系統中土壤酶的活性受多種因素的影響，施肥、放牧、土壤微生物、季節變化和退化程度等對土壤酶活性均有一定影響[18]. 過氧化氫酶屬氧化還原酶類，其活性可表征土壤腐殖質化強度大小和有機質轉化速度. 土壤蔗糖酶活性與有機質的轉化和呼吸強度密切相關. 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磷的分解轉化及其生物有效性. 纖維素酶可表征土壤碳素循環速度的重要指標[4]. 邰繼承等研究表明，土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶和過氧化氫酶的活性2年生紫花苜蓿地均高于5年生[19]. 渭北高原溝壑區紫花苜蓿顯著改善土壤有機質含量及土壤微生物量，且隨種植年限的延長均呈先升后降的趨勢，最高點出現在第11年[20]. 本研究結果顯示，隨苜蓿種植年限的延長，淀粉酶、過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性呈現“先增后減”的趨勢，這與吳旭東[1]、邰繼承[19]和楊恒山[21]的研究結果相似. 磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在紫花苜蓿種植后第11年達到最高值，說明土壤酶活性與土壤微生物量及土壤養分具有相關性.纖維素酶活性隨種植年限的延長持續降低. 雖然苜蓿是一種“養地作物”，紫花苜蓿地土壤酶活性降低時，需要進行牧草更新、適當施肥等人工干預措施提高土壤肥力.

土壤酶活性還與土層深度有關，隨土層深度增加，土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、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、過氧化氫酶活性隨種植年限和土層深度的增加呈下降趨勢，土壤酶活性主要富集(0～20) cm內，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氧化氫酶活性均隨土層深度的增加而降低[22]. 本研究結果顯示，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)，表現出土壤酶表層聚集性.

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責任編輯：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?；究蒲袠I務費專項基金項目“釀酒葡萄分根區交替灌溉的調控及節水機理”(037-041015)；中國農業科學院創新工程項目“寒生、旱生灌草新品種選育(CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)”

韓國君(1977—)，男，甘肅白銀人，講師，博士，主要從事節水灌溉及植物生理生態學研究.

1671-9824(2016)05-0110-05

S154

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