黄土高原长期种植紫花苜蓿对土壤酶活性的影响

韩国君， 田福平, 何明珠， 李　良， 海　龙

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070； 2.中国农业科学院 兰州畜牧与兽药研究所/农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站， 甘肃 兰州 730050；3.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000)



黄土高原长期种植紫花苜蓿对土壤酶活性的影响

韩国君1， 田福平2, 何明珠3， 李良1， 海龙1

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070； 2.中国农业科学院 兰州畜牧与兽药研究所/农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站， 甘肃 兰州 730050；3.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000)

研究黄土高原地区牧草地土壤酶活性随种植年限的变化趋势，可为人工草地利用和科学管理提供依据. 本文选取兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站不同种植年限(1年、2年、4年、11年和16年)的紫花苜蓿(Medicagosativa) 地为研究对象，分析了紫花苜蓿地土壤淀粉酶、过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶、纤维素酶和蔗糖酶活性对种植年限的响应. 研究结果表明，淀粉酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土壤表层(0～5 cm)显著高于下层(5～10 cm)，但纤维素酶含量在不同土壤深度差异不显著. 土壤酶活性随种植年限呈现不同的变化趋势，其中淀粉酶和过氧化氢酶活性呈现“先增后减”的趋势，并且在种植后第4年达到峰值；而磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在种植后第11年达到最高值；纤维素酶活性随种植年限的延长不断降低，在11年和16年的样地达到最小值. 因此，从土壤酶活性的角度分析认为，紫花苜蓿在种植一定年限后(11年)土壤酶活性和土壤肥力开始下降，故应重视牧草更新和土壤肥力的科学管理.

紫花苜蓿；种植年限；土壤酶活性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是我国种植面积最大的人工草地牧草，具有很高的饲用价值，以及保持水土、增强土壤肥力、植物修复等生态价值[1,2].土壤酶作为土壤组分中最活跃的有机成分之一，是生态系统里不可或缺的生物催化剂[3-5].土壤酶参与土壤中各种化学反应和生物化学过程，与有机物质矿化分解、矿质营养元素循环、土壤环境质量等密切相关，可作为反映土壤肥力状况、土壤质量的生物学指标[6-10].土壤酶包括水解酶、裂合酶、氧化还原酶、转移酶、异构酶和连接酶等多种类型[11].已有学者对盐碱草地[12]、退耕草地[13]、荒漠盐生植被[14]和丘陵坡地不同植被类型[15]的土壤酶活性开展了研究.同时，土壤酶活性受到土壤物理性质、土壤微生物、人工管理措施、农药、种植年限等影响[16].因此，开展黄土高原不同种植年限紫花苜蓿地土壤酶活性的研究，旨在合理评价紫花苜蓿的生态效应，可为制定黄土高原区紫花苜蓿轮作年限和培肥地力提供理论指导.

1　研究区概况

研究区位于农业部兰州黄土高原生态环境重点野外科学观测试验站，地处甘肃省兰州市七里河区彭家坪乡龚家湾村大洼山，北纬36°01′，东经103°45′，海拔1 750 m，属于兰州盆地黄河南岸三级阶地. 年均降水量为324.5 mm，主要集中在7、8、9三个月份，蒸发量为1 450.0 mm，日照时数为2 751.4 h；年均温为9.3 ℃，≥0 ℃的活动积温为3 700 ℃，≥10 ℃的活动积温为1 900～2 300 ℃，极端最高温为39.1 ℃，最低温为-23.1 ℃. 该区属于黄土高原半干旱丘陵沟壑区，土壤母质为第四纪风成黄土，土层深厚，土壤种类主要为灰钙土. 试验地耕层土壤有机质含量5.47 g·kg-1，碱解氮19.15 mg·kg-1，有效磷4.08 mg· kg-1，有效钾109.35 mg· kg-1，全氮0.41g· kg-1，全磷0.46 g·kg-1，全钾18.24g·kg-1，pH值为8.25.

2　研究方法

2.1样品采集

2015年12月，选取试验站不同种植年限(1年、2年、4年、11年和16年)的紫花苜蓿地为研究样地，每个样地设置3个重复样方，每个样方内按“S” 形采集5个点的(0～5 cm)和(5～10 cm)的土壤样品，并将每层的样品混合，及时带回实验室冷藏保存用于土壤酶活性的测定.

2.2测定方法

2.3统计分析

利用软件SPSS Statistics16.0对数据进行单因素和双因素方差分析，t检验分析紫花苜蓿同一种植年限不同土层土壤酶活性的差异显著性；利用Tukey HSD法进行差异显著性检验 (α=0.05). 采用Origin 8.0对数据编辑和绘图.

3　结果与分析

3.1土壤酶活性的垂直变化特征

由图1和表1所示，淀粉酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土壤表层(0～5 cm)显著高于浅表层土壤 (5～10 cm)，而纤维素酶在两个深度土壤中的活性没有显著差异. 表层较高的土壤酶活性和枯落物、有机物质、氮、磷等养分在土壤表层的富集有密切联系.

图1　紫花苜蓿地不同土壤深度土壤酶活性(不同大写字母表示不同土壤深度土壤酶活性差异显著，P<0.001)

3.2土壤酶活性随种植年限的动态变化特征

由表1可知，淀粉酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、纤维素酶和蔗糖酶都受到紫花苜蓿的种植年限和土壤深度的影响. 种植年限和土壤深度的交互作用显著影响过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性. 由图2所示，淀粉酶和过氧化氢酶水平随种植年限的变化规律相似，两种酶都呈现“先增后减”的趋势，并且在紫花苜蓿种植4年时达到最大值，然后逐渐减小. 磷酸酶、脲酶和蔗糖酶水平随种植年限的增加也表现出“先增后减”的趋势，但三种酶的峰值出现在种植11年的紫花苜蓿样地. 纤维素酶呈现随种植年限的延长而逐渐下降的趋势，种植11年和16年的紫花苜蓿地纤维素酶的水平显著低于年限较短的样地.

表1　种植年限和土壤深度对土壤酶活性影响的双因素方差分析

图2　紫花苜蓿地不同种植年限和土壤深度的土壤酶活性

4　结论与讨论

草地生态系统中土壤酶的活性受多种因素的影响，施肥、放牧、土壤微生物、季节变化和退化程度等对土壤酶活性均有一定影响[18]. 过氧化氢酶属氧化还原酶类，其活性可表征土壤腐殖质化强度大小和有机质转化速度. 土壤蔗糖酶活性与有机质的转化和呼吸强度密切相关. 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响着土壤有机磷的分解转化及其生物有效性. 纤维素酶可表征土壤碳素循环速度的重要指标[4]. 邰继承等研究表明，土壤蔗糖酶、淀粉酶、脲酶和过氧化氢酶的活性2年生紫花苜蓿地均高于5年生[19]. 渭北高原沟壑区紫花苜蓿显著改善土壤有机质含量及土壤微生物量，且随种植年限的延长均呈先升后降的趋势，最高点出现在第11年[20]. 本研究结果显示，随苜蓿种植年限的延长，淀粉酶、过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性呈现“先增后减”的趋势，这与吴旭东[1]、邰继承[19]和杨恒山[21]的研究结果相似. 磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在紫花苜蓿种植后第11年达到最高值，说明土壤酶活性与土壤微生物量及土壤养分具有相关性.纤维素酶活性随种植年限的延长持续降低. 虽然苜蓿是一种“养地作物”，紫花苜蓿地土壤酶活性降低时，需要进行牧草更新、适当施肥等人工干预措施提高土壤肥力.

土壤酶活性还与土层深度有关，随土层深度增加，土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性降低[19]. 吴旭东等研究表明，苜蓿地土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性随种植年限和土层深度的增加呈下降趋势，土壤酶活性主要富集(0～20) cm内，形成表层聚集性[1]. 托尔·买买提研究也显示，不同种植年限苜蓿地土壤脲酶和过氧化氢酶活性均随土层深度的增加而降低[22]. 本研究结果显示，纤维素酶含量在不同土层深度差异不显著，但淀粉酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土壤表层(0～5 cm)显著高于下层(5～10 cm)，表现出土壤酶表层聚集性.

[1]吴旭东,张晓娟,谢应忠,等.不同种植年限紫花苜蓿人工草地土壤有机碳及土壤酶活性垂直分布特征[J].草业学报,2013,22(1):245-251.

[2]王鑫,马永祥,李娟.紫花苜蓿营养成分及主要生物学特性[J].草业科学,2003,20(10):39-41.

[3]Marx M C,Wood M,Jarvis S C.A microplate fluorimetric assay for the study of enzyme diversity in soils[J].Soil Biology & Biochemistry,2001,33(s12-13):1 633-1 640.

[4]刘善江,夏雪,陈桂梅,等.土壤酶的研究进展[J].中国农学通报,2011,27(21):1-7.

[5]董艳,董坤,郑毅,等.种植年限和种植模式对设施土壤微生物区系和酶活性的影响[J].农业环境科学学报,2009,28(3):527-532.

[6]边雪廉,岳中辉,焦浩,等.土壤酶对土壤环境质量指示作用的研究进展[J].土壤,2015,47(4):634-640.

[7]Yao X H,Min H,Lü Z H,et al.Influence of acetamiprid on soil enzymatic activities and respiration[J].European Journal of Soil Biology,2006,42(2):120-126.

[8]邱莉萍,刘军,王益权, 等.土壤酶活性与土壤肥力的关系研究[J]. 植物营养与肥料学报,2004,10(3):277-280.

[9]杨万勤,王开运.土壤酶研究动态与展望[J].应用与环境生物学报,2002,8(5):564-570.

[10]García-Ruiz R,Ochoa V,Hinojosa M B,et al.Suitability of enzyme activities for the monitoring of soil quality improvement in organic agricultural systems[J].Soil Biology & Biochemistry,2008,40(9):2 137-2 145.

[11]曹慧,孙辉,杨浩,等.土壤酶活性及其对土壤质量的指示研究进展[J].应用与环境生物学报,2003,9(1):105-109.

[12]南丽丽,郭全恩,向华,等.甘肃省盐碱草地主要植物群落土壤酶活性研究[J].水土保持学报,2015,29(4):311-315.

[13]王理德,姚拓,何芳兰,等.石羊河下游退耕区次生草地自然恢复过程及土壤酶活性的变化[J].草业学报,2014,23(4):253-261.

[14]弋良朋,马健,李彦.荒漠盐生植物根际土壤酶活性的变化[J].中国生态农业学报,2009,17(3):500-505.

[15]杨宁,邹冬生,杨满元,等.衡阳紫色土丘陵坡地不同植被恢复阶段土壤酶活性特征研究[J].植物营养与肥料学报,2013,19(6):1 516-1 524.

[16]黄昌明,徐建明.土壤学[M]. 北京:中国农业出版社,2010.

[17]周礼恺.土壤酶学[M].北京: 科学出版社,1987.

[18]向泽宇,王长庭,宋文彪,等.草地生态系统土壤酶活性研究进展[J].草业科学,2011,28(10):1 801-1 806.

[19]邰继承,杨恒山,张庆国,等.不同生长年限紫花苜蓿人工草地土壤酶活性及分布[J].草业科学,2008,25(4):76-78.

[20]张宝泉,李红红,马虎,等.渭北旱塬区不同年限苜蓿对土壤主要养分及微生物量的影响[J].草地学报,2015,23(6):1 190-1 196.

[21]杨恒山,张庆国,邰继承,等.种植年限对紫花苜蓿地土壤pH值和磷酸酶活性的影响[J].中国草地学报,2009,31(1):32-35.

[22]托尔坤·买买提,于磊,鲁为华,等.不同生长年限苜蓿对土壤酶活性与养分的影响[J]. 草业科学,2010,27(11):21-25.

责任编辑：郑敬刚

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

甘肃省高等学校基本科研业务费专项基金项目“酿酒葡萄分根区交替灌溉的调控及节水机理”(037-041015)；中国农业科学院创新工程项目“寒生、旱生灌草新品种选育(CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)”

韩国君(1977—)，男，甘肃白银人，讲师，博士，主要从事节水灌溉及植物生理生态学研究.

1671-9824(2016)05-0110-05

S154

A