紫花苜蓿與禾本科牧草混播對(duì)土壤酶活性的影響

來(lái)幸樑，師尚禮，白杉杉，楊航，吳芳，王曉娟，劉中華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心，甘肅 蘭州 730070)

畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，在栽培牧草、建植人工草地時(shí)，十分重視人工草地的混作。苜蓿(Medicagosativa)與禾草混播具有比單播苜?；騿尾ズ滩莞鼮槊黠@的優(yōu)勢(shì)[1]，主要表現(xiàn)在不僅能提高牧草產(chǎn)量[2]，改善牧草的品質(zhì)和適口性[3-4]，更利于青干草的調(diào)制和青貯[5]，避免家畜得鼓脹病[6]，還能夠很好地改善土壤狀況[7-9]，實(shí)現(xiàn)土地的可持續(xù)利用，避免資源浪費(fèi)。紫花苜蓿根系與其共生的根瘤菌具有生物固氮能力[10]，能夠固定空氣中的氮素，禾本科牧草吸收利用固氮產(chǎn)物后反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了苜蓿固氮效率的提高[11-13]。

土壤酶活性直接影響著人工草地生態(tài)群落的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)[14]，與牧草的生長(zhǎng)發(fā)育息息相關(guān)[15]。研究結(jié)果表明，栽培方式、土壤類型、植物群落、土壤理化性質(zhì)、耕作措施等均在一定程度上影響著土壤酶活性[16-17]，這種影響主要是通過(guò)改變根系分泌物、微生物和酶促底物實(shí)現(xiàn)。虎德鈺等[18]的研究表明土壤酶活性與土壤微生物顯著正相關(guān)，且草田輪作能夠提高土壤酶活性。豆科牧草與其他牧草混播往往會(huì)提高土壤酶活性，劉文輝等[19]在高寒區(qū)研究表明，燕麥與箭筈豌豆在不同混播水平下土壤脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均顯著高于休閑地土壤(P<0.05)；藺芳等[20]研究表明紫花苜蓿與多年生黑麥草混播土壤脲酶較沙化裸地提高了266.80%。

豆科牧草與禾本科牧草具有不同的形態(tài)學(xué)、生態(tài)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)和生長(zhǎng)發(fā)育特征，通過(guò)合適的混播草種搭配和混播比例優(yōu)化，能夠利用各自的優(yōu)點(diǎn)，相互促進(jìn)，形成相對(duì)穩(wěn)定的人工草地群落。此外，混播牧草種類和混播比例影響土壤近地面的小環(huán)境，土壤微生物和分泌物一定程度上影響土壤酶活性?；诖?，本試驗(yàn)將紫花苜蓿與3種不同根系類型和株叢類型的禾本科牧草混播，通過(guò)對(duì)土壤酶活性特性進(jìn)行分析，研究豆禾混播對(duì)土壤酶活性的影響，篩選最合適的混播配置，為人工栽培草地改善土壤肥力狀況、維持農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)蘭州牧草試驗(yàn)站進(jìn)行，該站位于蘭州市西北郊區(qū)，地處E 103°34′～103°47′，N 36°5′～36°10′，海拔1 517.3 m，屬溫暖半干旱氣候，光照充足，氣候干燥，晝夜溫差大，年日照時(shí)數(shù)2 600 h，無(wú)霜期171 d，年降水量345 mm，集中分布于6～9月，年均蒸發(fā)量1 664 mm，年平均氣溫9.3℃。土壤類型為黃綿土，肥力均勻。灌溉采用滴灌方式。

1.2 試驗(yàn)材料

供試紫花苜蓿品種為甘農(nóng)9號(hào)紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.9)，由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)，葦狀羊茅(Festucaarundinace)，在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子市場(chǎng)購(gòu)買，海波草地早熟禾(Poapratensiscv.Haibo)由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積2 m×5 m，小區(qū)間距0.50 m，行距0.20 m。將無(wú)芒雀麥、海波草地早熟禾、葦狀羊茅分別與甘農(nóng)9號(hào)紫花苜蓿按1∶2、1∶1和2∶1比例兩兩進(jìn)行組合，同行混播，以3種禾草單播和紫花苜蓿單播為對(duì)照(分別記作CK1、CK2、CK3、CK4)，13 個(gè)處理，3次重復(fù)，共39 個(gè)小區(qū)。播種時(shí)間為2016年4月23日，單播播種量紫花苜蓿15 kg/hm2，無(wú)芒雀麥30 kg/hm2、葦狀羊茅38 kg/hm、草地早熟禾25 kg/hm2，混播播種量按3種不同比例以單播量為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算(表1)，條播。播前施底肥，尿素(總氮 ≥6.4%)、磷酸二銨(P2O5≥46%)和全水溶硝硫基鉀肥(K2O ≥23%)的施用量分別為30，150，75 kg/hm2。播種前采用Z字取樣法用土鉆于0～20，20～40 cm土層分別取樣，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等本底指標(biāo)(表2)。試驗(yàn)期間不再追施肥料，并采用人工除草，按生產(chǎn)田要求管理試驗(yàn)地，每次刈割后即行灌溉。紫花苜蓿初花期進(jìn)行取樣和指標(biāo)測(cè)定，同時(shí)記錄與其混播的禾本科牧草的生育時(shí)期。每年刈割3茬，第2年刈割時(shí)間分別為6月1日、7月28日和9月6日，第3年刈割時(shí)間為5月28日、8月3日和9月2日。采集土樣時(shí)將地表的碎石以及凋落物清除，按0～20，20～40 cm的深度在距根5 cm處用土鉆取土，重復(fù)3次。自然風(fēng)干，采用四分法分取土樣，過(guò)1 mm篩，測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，3茬取其平均值。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

脲酶活性采用次氯酸鈉-苯酚鈉比色法[21]，堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉(硼酸做緩沖液)比色法[21]，過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法[21]，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法[21]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同混播組合、同組合不同比例混播處理進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；采用Excel 2010制圖。

表1 豆-禾混播方式、混播比例及播種量

表2 播前土壤理化性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 混播栽培方式對(duì)土壤脲酶活性的影響

2.1.1 混播組合對(duì)土壤脲酶活性影響 不同草種組合效應(yīng)下0～20，20～40 cm土層土壤脲酶活性為M+B組合顯著高于其他組合，分別提高15.27%、10.86%和21.59%、12.96%(P<0.05)(圖1)。與CK4相比，0～20，20～40 cm土層M+B組合的土壤脲酶活性分別增加2.15%(P>0.05)和6.91%(P<0.05)，其他組合顯著降低，分別低11.38%、7.86%和12.07%、5.35%(P<0.05)。0～20,20～40 cm土層所有混播組合的土壤脲酶活性均顯著高于與之相對(duì)應(yīng)的禾草單播，M+B組合較CK1高9.56%和19.43%，M+P組合較CK2高6.75%和14.28%，M+F組合較CK3高15.46%和13.62%(P<0.05)。

圖1 不同單播及混播組合土壤脲酶活性Fig.1 Soil urease activity in monoculture and mixed sowing

2.1.2 同組合不同混播比例對(duì)土壤脲酶活性影響 0～20，20～40 cm土層M+B組合中A2處理的土壤脲酶活性最高，較其他比例分別高4.27%、0.63%和17.91%、0.48%，20～40 cm土層A2與A1差異顯著(P<0.05)(圖2)；M+P混播配比中B3較其他比例顯著高12.12%、9.97%和15.57%、12.23%(P<0.05)；M+F混播配比中C3最高，較其他比例分別高11.42%、7.15%和7.12%、4.39%，C3與C1差異顯著(P<0.05)。與CK4相比，A2、A3處理20～40 cm土層土壤脲酶活性顯著增加12.81%、12.26%(P<0.05)，0～20 cm土層也增加但差異不顯著，所有混播配比處理土壤脲酶活性均高于禾草單播。隨著土層的加深，所有混播配比處理土壤脲酶活性均為0～20 cm高于20～40 cm土層。

圖2 不同混播配比土壤脲酶活性Fig.2 Soil urease activity under different combination of mixed species and different ratio of alfalfa to grass

2.2 混播栽培方式對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響

2.2.1 混播組合對(duì)土壤堿性磷酸酶活性影響 M+F處理0～20 cm土層的土壤堿性磷酸酶活性高于其他組合，提高0.32%、0.64%，20～40 cm土層也以M+F為最高，較M+B、M+P顯著提高24.64%、27.93%(P<0.05)(圖3)。0～20 cm土層所有混播組合的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于CK4，分別高6.20%、5.87%和6.54%(P<0.05)，20～40 cm土層為M+F處理顯著增加5.70%(P<0.05)，其他組合顯著降低(P<0.05)。與CK1、CK2、CK3相比，0～20 cm土層M+P處理的土壤堿性磷酸酶活性提高了3.37%(P>0.05)，其他組合低于禾草單播，20～40 cm土層所有混播組合則顯著提高了28.81%、22.63%和4.56%(P<0.05)。

圖3 不同單播及混播組合土壤堿性磷酸酶活性Fig.3 Soil alkaline phosphate enzyme activity in monoculture and mixed sowing

2.2.2 同組合不同混播比例對(duì)土壤堿性磷酸酶活性影響 0～20 cm土層土壤堿性磷酸酶活性為A1、B1、C2處理最高，較同組合其他比例分別提高了9.49%、9.57%，3.26%、1.25%，3.34%、6.05%，A1與A2、A3以及C2與C3差異顯著(P<0.05)；20～40 cm土層分別為A1、B1、C3處理最高，較同組合其他比例分別提高了20.73%、6.27%，17.85%、26.01%，3.72%、6.97%(P<0.05)(圖4)。與CK4相比，土壤堿性磷酸酶活性為0～20 cm土層所有配比處理均提高，最高高了12.74%(P<0.05)，20～40 cm土層M+F配比處理增加2.26%～9.38%，其他配比處理均低于CK4。與CK1、CK2、CK3相比，土壤堿性磷酸酶活性為除A1配比0～20 cm土層增加5.67%，M+P增加1.60%～4.91%，其他配比均降低；20～40 cm土層所有混播配比處理均增加了。隨著土層的加深，土壤堿性磷酸酶活性增加。

圖4 不同混播配比土壤堿性磷酸酶活性Fig.4 Activity of soil alkaline phosphatases under different combination of mixed species and different ratio of alfalfa to grass

2.3 混播栽培方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

2.3.1 混播組合對(duì)土壤蔗糖酶活性影響 0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性為M+F組合最高，較M+B顯著高13.63%(P<0.05)，但與M+P差異不顯著(P>0.05)；20～40 cm土層為M+P最高，較其他組合高30.24%(P<0.05)和4.05%(P>0.05)(圖5)。0～20 cm土層所有組合土壤蔗糖酶活性均顯著高于CK4，提高了7.81%、19.60%和22.50%(P<0.05)；20～40 cm土層M+B組合的土壤蔗糖酶活性顯著降低5.63%(P<0.05)，其他組合分別顯著增加22.91%和18.13%(P<0.05)。與CK1、CK2、CK3相比，0～20 cm土層M+B組合土壤蔗糖酶活性低了8.29%(P>0.05)，M+P、M+F組合高了12.11%(P<0.05)、0.54%(P>0.05)；20～40 cm土層所有組合土壤蔗糖酶活性均顯著提高，高了5.38%、63.35%和22.47%(P<0.05)。

圖5 不同單播及混播組合土壤蔗糖酶活性Fig.5 Soil invertase activity in monoculture and mixed sowing

2.3.2 同組合不同混播比例對(duì)土壤蔗糖酶活性影響 兩土層均為A1、B1、C3配比的土壤蔗糖酶活性高于同組合其他比例。與CK4相比，0～20 cm土層所有配比處理的土壤蔗糖酶活性均提高了，最高高37.68%(P<0.05)；20～40 cm土層除A2、A3和C2配比的土壤蔗糖酶活性降低18.81%、2.85%、2.71%，其他配比處理均提高了。0～20 cm土層的土壤蔗糖酶活性為A2、C2低于禾草單播，其他配比處理高于禾草單播，最高高了19.67%；20～40 cm土層M+B配比處理中A2的土壤蔗糖酶活性較CK1降低9.34%、其他配比高于禾草單播。隨著土層的加深，土壤蔗糖酶活性降低。

圖6 不同混播配比土壤蔗糖酶活性Fig.6 Soil invertase activity under different combination of mixed species and different ratio of alfalfa to grass

2.4 混播栽培方式對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

2.4.1 混播組合對(duì)土壤過(guò)氧化氫活性影響 土壤過(guò)氧化氫酶活性均為M+B高于其他組合，0～20 cm土層顯著提高了2.94%、2.58%(P>0.05)，20～40 cm土層高了1.40%(P>0.05)、2.44%(P<0.05)(圖7)。除M+B、M+F組合0～20 cm土層的土壤過(guò)氧化氫酶活性較CK4增加2.74%(P<0.05)和0.16%(P>0.05)，其他處理均降低了。0～20 cm土層M+B組合的土壤過(guò)氧化氫酶活性較CK1高了1.77%(P<0.05)，其他組合低于禾草單播；20～40 cm土層所有組合土壤過(guò)氧化氫酶活性均顯著高于禾草單播，高了3.78%、4.09%和2.01%(P<0.05)。

2.4.2 同組合不同混播比例對(duì)土壤過(guò)氧化氫活性影響 0～20,20～40 cm土層均為A2、B3和C3配比的土壤過(guò)氧化氫酶活性高于同組合其他配比，0～20 cm土層分別高了1.48%、0.13%，3.89%、1.48%，3.36%、0.99%，20～40 cm土層高了5.00%、3.81%、3.55%、1.43%，5.04%、1.77%(圖8)。與CK4相比，除B1、C1低了2.23%、1.71%，其他所有配比的土壤過(guò)氧化氫酶活性均提高，20～40 cm土層A2增加1.79%，其他配比處理均降低；與CK1、CK2、CK3相比，0～20 cm土層的土壤過(guò)氧化氫酶活性為M+B所有比例處理較CK1高了0.82%～2.32%，B2和B3較CK2分別高0.12%和1.61%，其他處理均降低；20～40 cm土層除C1處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性較CK3降低0.72%，其他配比均提高了。隨著土層的加深，土壤過(guò)氧化氫酶活性降低。

圖7 不同單播及混播組合土壤過(guò)氧化氫酶活性Fig.7 Soil catalase activity in monoculture and mixed sowing

圖8 不同混播配比土壤過(guò)氧化氫酶活性Fig.8 Soil catalase activity under different combination of mixed species and different ratio of alfalfa to grass

3 討論

土壤酶作為土壤中最活躍的部分，參與了許多的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，主要來(lái)源是腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物殘?bào)w的分解與合成，其活性可反映土壤中碳、氮分解的方向和強(qiáng)度，植物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用狀況，以及土壤質(zhì)地等，可作為判斷土壤肥力的重要指標(biāo)[22-24]。其中土壤脲酶參與土壤氮素的轉(zhuǎn)化、堿性磷酸酶將土壤中有機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)磷、蔗糖酶參與有機(jī)碳的循環(huán)、過(guò)氧化氫酶能分解生物呼吸和生化反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)氧化氫[25-26]。不同的施肥措施，農(nóng)田耕作方式顯著影響土壤微生物以及土壤酶活性[14，27]。

有研究顯示牧草種植方式顯著影響了土壤脲酶活性，且土壤脲酶活性為混播高于單播處理[28]。李碩等[29]的試驗(yàn)結(jié)果表明，鴨茅和豆科牧草混播時(shí)土壤脲酶活性高于鴨茅和無(wú)芒雀麥混播，鴨茅和苜?；驘o(wú)芒雀麥混播土壤蔗糖酶和土壤過(guò)氧化氫酶活性高于鴨茅同白三葉混播。本試驗(yàn)中播混播處理較單播處理提高了脲酶活性，進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論，這是由于脲酶參與土壤氮素轉(zhuǎn)化，紫花苜蓿與禾本科牧草混播后禾草吸收、消耗氮素，間接促進(jìn)苜蓿固氮，且土壤氮素為脲酶提供了酶促底物。紫花苜蓿+無(wú)芒雀麥1∶1土壤脲酶活性最高，較2∶1混播提高了0.63%，說(shuō)明1∶1混播紫花苜蓿與禾草處于一種協(xié)同生長(zhǎng)的狀態(tài)。土壤堿性磷酸酶參與磷的轉(zhuǎn)化[30]，南麗麗等[31]的研究顯示土壤堿性磷酸酶活性與速效磷極顯著正相關(guān)，本試驗(yàn)中與苜蓿單播相比，混播提高了土壤堿性磷酸酶活性，這是由于混播草地更有利于土壤速效磷的積累，需要轉(zhuǎn)化磷素的堿性磷酸酶活性也就增強(qiáng)了。混播較苜蓿單播提高了土壤蔗糖酶活性，降低了過(guò)氧化氫酶活性，避免了較高的過(guò)氧化氫對(duì)植物的毒害。有研究結(jié)果顯示土壤深度對(duì)酶活性也有影響，空間分布上隨著土層加深，酶活性降低，表層具有較高酶活性[32]，本試驗(yàn)也得出相同的結(jié)論。栽培牧草種類不同，根系分泌物的種類和數(shù)量的差異，以及牧草生物學(xué)特征的差異也會(huì)影響土壤酶活性[33]。紫花苜蓿與不同禾草混播因所處的生態(tài)位不同，對(duì)酶活性也有顯著影響，本試驗(yàn)中紫花苜蓿為直立型、上繁草；無(wú)芒雀麥為短根莖疏叢型、上繁草；草地早熟禾為根莖疏叢型、下繁草；葦狀羊茅為矮生-密叢型、下繁草，這4種牧草在形態(tài)學(xué)和生態(tài)學(xué)上都有差異[34]，因此豆科的紫花苜蓿與這3種禾草混播時(shí)混播組合對(duì)土壤酶活性影響顯著。3種混播組合中紫花苜蓿+無(wú)芒雀麥混播處理土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶活性最高，且1∶1混播時(shí)土壤酶活性高于其他比例，說(shuō)明紫花苜蓿與無(wú)芒雀麥1：1混播的相容性最好，優(yōu)于與草種及其他比例混播，主要是由于混播時(shí)無(wú)芒雀麥的葉片能夠穿插在苜蓿葉片之間，對(duì)光和空間資源更能夠合理利用，且無(wú)芒雀麥的須根繁多并集中在表層，將表層因常年種植未曾翻動(dòng)而板結(jié)的土壤分解為細(xì)小顆粒，土壤通透性增強(qiáng)，根系分泌物多，因而土壤酶活性高。草地早熟禾和葦狀羊茅均為下繁草，生物量主要在冠層的中下層，與紫花苜蓿混播形成的群落通風(fēng)透氣性較紫花苜蓿與無(wú)芒雀麥混播形成的群落差，因此隨著混播年限的增加，混播群落中的草地早熟和和葦狀羊茅生物量下降，逐漸向紫花苜蓿單播群落演變，土壤酶活性低于紫花苜蓿+無(wú)芒雀麥。紫花苜蓿+草地早熟禾1：2和紫花苜蓿+葦狀羊茅2：1處理酶活性高于其他兩個(gè)比例，并非所有草種組合均為1：1混播時(shí)土壤酶活性最高，因此設(shè)置合適的比例進(jìn)行混播時(shí)非常重要的。

4 結(jié)論

與苜蓿單播相比，混播處理提高了0～20 cm土層的土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶活性以及20～40 cm土層的過(guò)氧化氫酶活性；與禾草單播相比混播提高了0～20 cm土層脲酶活性以及20～40 cm土層的4種酶活性。紫花苜蓿+無(wú)芒雀麥混播土壤具有較高的脲酶、過(guò)氧化氫酶活性且按1：1混播最優(yōu)，而紫花苜蓿+葦狀羊茅具有較高的堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，2∶1處理高于其他2個(gè)比例。