紫花苜蓿与禾本科牧草混播对土壤酶活性的影响

来幸樑，师尚礼，白杉杉，杨航，吴芳，王晓娟，刘中华

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃 兰州 730070)

畜牧业发达的国家，在栽培牧草、建植人工草地时，十分重视人工草地的混作。苜蓿(Medicagosativa)与禾草混播具有比单播苜蓿或单播禾草更为明显的优势[1]，主要表现在不仅能提高牧草产量[2]，改善牧草的品质和适口性[3-4]，更利于青干草的调制和青贮[5]，避免家畜得鼓胀病[6]，还能够很好地改善土壤状况[7-9]，实现土地的可持续利用，避免资源浪费。紫花苜蓿根系与其共生的根瘤菌具有生物固氮能力[10]，能够固定空气中的氮素，禾本科牧草吸收利用固氮产物后反过来又促进了苜蓿固氮效率的提高[11-13]。

土壤酶活性直接影响着人工草地生态群落的物质循环和能量流动[14]，与牧草的生长发育息息相关[15]。研究结果表明，栽培方式、土壤类型、植物群落、土壤理化性质、耕作措施等均在一定程度上影响着土壤酶活性[16-17]，这种影响主要是通过改变根系分泌物、微生物和酶促底物实现。虎德钰等[18]的研究表明土壤酶活性与土壤微生物显著正相关，且草田轮作能够提高土壤酶活性。豆科牧草与其他牧草混播往往会提高土壤酶活性，刘文辉等[19]在高寒区研究表明，燕麦与箭筈豌豆在不同混播水平下土壤脲酶、纤维素酶和转化酶活性均显著高于休闲地土壤(P<0.05)；蔺芳等[20]研究表明紫花苜蓿与多年生黑麦草混播土壤脲酶较沙化裸地提高了266.80%。

豆科牧草与禾本科牧草具有不同的形态学、生态学、营养学和生长发育特征，通过合适的混播草种搭配和混播比例优化，能够利用各自的优点，相互促进，形成相对稳定的人工草地群落。此外，混播牧草种类和混播比例影响土壤近地面的小环境，土壤微生物和分泌物一定程度上影响土壤酶活性。基于此，本试验将紫花苜蓿与3种不同根系类型和株丛类型的禾本科牧草混播，通过对土壤酶活性特性进行分析，研究豆禾混播对土壤酶活性的影响，筛选最合适的混播配置，为人工栽培草地改善土壤肥力状况、维持农田的可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃农业大学兰州牧草试验站进行，该站位于兰州市西北郊区，地处E 103°34′～103°47′，N 36°5′～36°10′，海拔1 517.3 m，属温暖半干旱气候，光照充足，气候干燥，昼夜温差大，年日照时数2 600 h，无霜期171 d，年降水量345 mm，集中分布于6～9月，年均蒸发量1 664 mm，年平均气温9.3℃。土壤类型为黄绵土，肥力均匀。灌溉采用滴灌方式。

1.2 试验材料

供试紫花苜蓿品种为甘农9号紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.9)，由甘肃农业大学草业学院提供。无芒雀麦(Bromusinermis)，苇状羊茅(Festucaarundinace)，在甘肃省农业科学院种子市场购买，海波草地早熟禾(Poapratensiscv.Haibo)由甘肃农业大学草业生态系统教育部重点实验室提供。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，小区面积2 m×5 m，小区间距0.50 m，行距0.20 m。将无芒雀麦、海波草地早熟禾、苇状羊茅分别与甘农9号紫花苜蓿按1∶2、1∶1和2∶1比例两两进行组合，同行混播，以3种禾草单播和紫花苜蓿单播为对照(分别记作CK1、CK2、CK3、CK4)，13 个处理，3次重复，共39 个小区。播种时间为2016年4月23日，单播播种量紫花苜蓿15 kg/hm2，无芒雀麦30 kg/hm2、苇状羊茅38 kg/hm、草地早熟禾25 kg/hm2，混播播种量按3种不同比例以单播量为标准计算(表1)，条播。播前施底肥，尿素(总氮 ≥6.4%)、磷酸二铵(P2O5≥46%)和全水溶硝硫基钾肥(K2O ≥23%)的施用量分别为30，150，75 kg/hm2。播种前采用Z字取样法用土钻于0～20，20～40 cm土层分别取样，测定土壤有机质、氮、磷、钾等本底指标(表2)。试验期间不再追施肥料，并采用人工除草，按生产田要求管理试验地，每次刈割后即行灌溉。紫花苜蓿初花期进行取样和指标测定，同时记录与其混播的禾本科牧草的生育时期。每年刈割3茬，第2年刈割时间分别为6月1日、7月28日和9月6日，第3年刈割时间为5月28日、8月3日和9月2日。采集土样时将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处用土钻取土，重复3次。自然风干，采用四分法分取土样，过1 mm筛，测定相关指标，3茬取其平均值。

1.4 测定指标与方法

脲酶活性采用次氯酸钠-苯酚钠比色法[21]，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠(硼酸做缓冲液)比色法[21]，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法[21]，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法[21]。

1.5 数据统计方法

试验数据用SPSS 19.0统计软件对不同混播组合、同组合不同比例混播处理进行单因素方差分析，并用Duncan法对各测定数据进行多重比较；采用Excel 2010制图。

表1 豆-禾混播方式、混播比例及播种量

表2 播前土壤理化性质

2 结果与分析

2.1 混播栽培方式对土壤脲酶活性的影响

2.1.1 混播组合对土壤脲酶活性影响 不同草种组合效应下0～20，20～40 cm土层土壤脲酶活性为M+B组合显著高于其他组合，分别提高15.27%、10.86%和21.59%、12.96%(P<0.05)(图1)。与CK4相比，0～20，20～40 cm土层M+B组合的土壤脲酶活性分别增加2.15%(P>0.05)和6.91%(P<0.05)，其他组合显著降低，分别低11.38%、7.86%和12.07%、5.35%(P<0.05)。0～20,20～40 cm土层所有混播组合的土壤脲酶活性均显著高于与之相对应的禾草单播，M+B组合较CK1高9.56%和19.43%，M+P组合较CK2高6.75%和14.28%，M+F组合较CK3高15.46%和13.62%(P<0.05)。

图1 不同单播及混播组合土壤脲酶活性Fig.1 Soil urease activity in monoculture and mixed sowing

2.1.2 同组合不同混播比例对土壤脲酶活性影响 0～20，20～40 cm土层M+B组合中A2处理的土壤脲酶活性最高，较其他比例分别高4.27%、0.63%和17.91%、0.48%，20～40 cm土层A2与A1差异显著(P<0.05)(图2)；M+P混播配比中B3较其他比例显著高12.12%、9.97%和15.57%、12.23%(P<0.05)；M+F混播配比中C3最高，较其他比例分别高11.42%、7.15%和7.12%、4.39%，C3与C1差异显著(P<0.05)。与CK4相比，A2、A3处理20～40 cm土层土壤脲酶活性显著增加12.81%、12.26%(P<0.05)，0～20 cm土层也增加但差异不显著，所有混播配比处理土壤脲酶活性均高于禾草单播。随着土层的加深，所有混播配比处理土壤脲酶活性均为0～20 cm高于20～40 cm土层。

图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 混播栽培方式对土壤碱性磷酸酶活性的影响

2.2.1 混播组合对土壤碱性磷酸酶活性影响 M+F处理0～20 cm土层的土壤碱性磷酸酶活性高于其他组合，提高0.32%、0.64%，20～40 cm土层也以M+F为最高，较M+B、M+P显著提高24.64%、27.93%(P<0.05)(图3)。0～20 cm土层所有混播组合的土壤碱性磷酸酶活性显著高于CK4，分别高6.20%、5.87%和6.54%(P<0.05)，20～40 cm土层为M+F处理显著增加5.70%(P<0.05)，其他组合显著降低(P<0.05)。与CK1、CK2、CK3相比，0～20 cm土层M+P处理的土壤碱性磷酸酶活性提高了3.37%(P>0.05)，其他组合低于禾草单播，20～40 cm土层所有混播组合则显著提高了28.81%、22.63%和4.56%(P<0.05)。

图3 不同单播及混播组合土壤碱性磷酸酶活性Fig.3 Soil alkaline phosphate enzyme activity in monoculture and mixed sowing

2.2.2 同组合不同混播比例对土壤碱性磷酸酶活性影响 0～20 cm土层土壤碱性磷酸酶活性为A1、B1、C2处理最高，较同组合其他比例分别提高了9.49%、9.57%，3.26%、1.25%，3.34%、6.05%，A1与A2、A3以及C2与C3差异显著(P<0.05)；20～40 cm土层分别为A1、B1、C3处理最高，较同组合其他比例分别提高了20.73%、6.27%，17.85%、26.01%，3.72%、6.97%(P<0.05)(图4)。与CK4相比，土壤碱性磷酸酶活性为0～20 cm土层所有配比处理均提高，最高高了12.74%(P<0.05)，20～40 cm土层M+F配比处理增加2.26%～9.38%，其他配比处理均低于CK4。与CK1、CK2、CK3相比，土壤碱性磷酸酶活性为除A1配比0～20 cm土层增加5.67%，M+P增加1.60%～4.91%，其他配比均降低；20～40 cm土层所有混播配比处理均增加了。随着土层的加深，土壤碱性磷酸酶活性增加。

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

2.3 混播栽培方式对土壤蔗糖酶活性的影响

2.3.1 混播组合对土壤蔗糖酶活性影响 0～20 cm土层土壤蔗糖酶活性为M+F组合最高，较M+B显著高13.63%(P<0.05)，但与M+P差异不显著(P>0.05)；20～40 cm土层为M+P最高，较其他组合高30.24%(P<0.05)和4.05%(P>0.05)(图5)。0～20 cm土层所有组合土壤蔗糖酶活性均显著高于CK4，提高了7.81%、19.60%和22.50%(P<0.05)；20～40 cm土层M+B组合的土壤蔗糖酶活性显著降低5.63%(P<0.05)，其他组合分别显著增加22.91%和18.13%(P<0.05)。与CK1、CK2、CK3相比，0～20 cm土层M+B组合土壤蔗糖酶活性低了8.29%(P>0.05)，M+P、M+F组合高了12.11%(P<0.05)、0.54%(P>0.05)；20～40 cm土层所有组合土壤蔗糖酶活性均显著提高，高了5.38%、63.35%和22.47%(P<0.05)。

图5 不同单播及混播组合土壤蔗糖酶活性Fig.5 Soil invertase activity in monoculture and mixed sowing

2.3.2 同组合不同混播比例对土壤蔗糖酶活性影响 两土层均为A1、B1、C3配比的土壤蔗糖酶活性高于同组合其他比例。与CK4相比，0～20 cm土层所有配比处理的土壤蔗糖酶活性均提高了，最高高37.68%(P<0.05)；20～40 cm土层除A2、A3和C2配比的土壤蔗糖酶活性降低18.81%、2.85%、2.71%，其他配比处理均提高了。0～20 cm土层的土壤蔗糖酶活性为A2、C2低于禾草单播，其他配比处理高于禾草单播，最高高了19.67%；20～40 cm土层M+B配比处理中A2的土壤蔗糖酶活性较CK1降低9.34%、其他配比高于禾草单播。随着土层的加深，土壤蔗糖酶活性降低。

图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 混播栽培方式对土壤过氧化氢酶活性的影响

2.4.1 混播组合对土壤过氧化氢活性影响 土壤过氧化氢酶活性均为M+B高于其他组合，0～20 cm土层显著提高了2.94%、2.58%(P>0.05)，20～40 cm土层高了1.40%(P>0.05)、2.44%(P<0.05)(图7)。除M+B、M+F组合0～20 cm土层的土壤过氧化氢酶活性较CK4增加2.74%(P<0.05)和0.16%(P>0.05)，其他处理均降低了。0～20 cm土层M+B组合的土壤过氧化氢酶活性较CK1高了1.77%(P<0.05)，其他组合低于禾草单播；20～40 cm土层所有组合土壤过氧化氢酶活性均显著高于禾草单播，高了3.78%、4.09%和2.01%(P<0.05)。

2.4.2 同组合不同混播比例对土壤过氧化氢活性影响 0～20,20～40 cm土层均为A2、B3和C3配比的土壤过氧化氢酶活性高于同组合其他配比，0～20 cm土层分别高了1.48%、0.13%，3.89%、1.48%，3.36%、0.99%，20～40 cm土层高了5.00%、3.81%、3.55%、1.43%，5.04%、1.77%(图8)。与CK4相比，除B1、C1低了2.23%、1.71%，其他所有配比的土壤过氧化氢酶活性均提高，20～40 cm土层A2增加1.79%，其他配比处理均降低；与CK1、CK2、CK3相比，0～20 cm土层的土壤过氧化氢酶活性为M+B所有比例处理较CK1高了0.82%～2.32%，B2和B3较CK2分别高0.12%和1.61%，其他处理均降低；20～40 cm土层除C1处理的土壤过氧化氢酶活性较CK3降低0.72%，其他配比均提高了。随着土层的加深，土壤过氧化氢酶活性降低。

图7 不同单播及混播组合土壤过氧化氢酶活性Fig.7 Soil catalase activity in monoculture and mixed sowing

图8 不同混播配比土壤过氧化氢酶活性Fig.8 Soil catalase activity under different combination of mixed species and different ratio of alfalfa to grass

3 讨论

土壤酶作为土壤中最活跃的部分，参与了许多的生物化学反应过程，主要来源是腐殖质、动植物残体和微生物残体的分解与合成，其活性可反映土壤中碳、氮分解的方向和强度，植物对土壤养分的利用状况，以及土壤质地等，可作为判断土壤肥力的重要指标[22-24]。其中土壤脲酶参与土壤氮素的转化、碱性磷酸酶将土壤中有机态磷转化为无机态磷、蔗糖酶参与有机碳的循环、过氧化氢酶能分解生物呼吸和生化反应产生的过氧化氢[25-26]。不同的施肥措施，农田耕作方式显著影响土壤微生物以及土壤酶活性[14，27]。

有研究显示牧草种植方式显著影响了土壤脲酶活性，且土壤脲酶活性为混播高于单播处理[28]。李硕等[29]的试验结果表明，鸭茅和豆科牧草混播时土壤脲酶活性高于鸭茅和无芒雀麦混播，鸭茅和苜蓿或无芒雀麦混播土壤蔗糖酶和土壤过氧化氢酶活性高于鸭茅同白三叶混播。本试验中播混播处理较单播处理提高了脲酶活性，进一步验证了这一结论，这是由于脲酶参与土壤氮素转化，紫花苜蓿与禾本科牧草混播后禾草吸收、消耗氮素，间接促进苜蓿固氮，且土壤氮素为脲酶提供了酶促底物。紫花苜蓿+无芒雀麦1∶1土壤脲酶活性最高，较2∶1混播提高了0.63%，说明1∶1混播紫花苜蓿与禾草处于一种协同生长的状态。土壤碱性磷酸酶参与磷的转化[30]，南丽丽等[31]的研究显示土壤碱性磷酸酶活性与速效磷极显著正相关，本试验中与苜蓿单播相比，混播提高了土壤碱性磷酸酶活性，这是由于混播草地更有利于土壤速效磷的积累，需要转化磷素的碱性磷酸酶活性也就增强了。混播较苜蓿单播提高了土壤蔗糖酶活性，降低了过氧化氢酶活性，避免了较高的过氧化氢对植物的毒害。有研究结果显示土壤深度对酶活性也有影响，空间分布上随着土层加深，酶活性降低，表层具有较高酶活性[32]，本试验也得出相同的结论。栽培牧草种类不同，根系分泌物的种类和数量的差异，以及牧草生物学特征的差异也会影响土壤酶活性[33]。紫花苜蓿与不同禾草混播因所处的生态位不同，对酶活性也有显著影响，本试验中紫花苜蓿为直立型、上繁草；无芒雀麦为短根茎疏丛型、上繁草；草地早熟禾为根茎疏丛型、下繁草；苇状羊茅为矮生-密丛型、下繁草，这4种牧草在形态学和生态学上都有差异[34]，因此豆科的紫花苜蓿与这3种禾草混播时混播组合对土壤酶活性影响显著。3种混播组合中紫花苜蓿+无芒雀麦混播处理土壤脲酶、过氧化氢酶活性最高，且1∶1混播时土壤酶活性高于其他比例，说明紫花苜蓿与无芒雀麦1：1混播的相容性最好，优于与草种及其他比例混播，主要是由于混播时无芒雀麦的叶片能够穿插在苜蓿叶片之间，对光和空间资源更能够合理利用，且无芒雀麦的须根繁多并集中在表层，将表层因常年种植未曾翻动而板结的土壤分解为细小颗粒，土壤通透性增强，根系分泌物多，因而土壤酶活性高。草地早熟禾和苇状羊茅均为下繁草，生物量主要在冠层的中下层，与紫花苜蓿混播形成的群落通风透气性较紫花苜蓿与无芒雀麦混播形成的群落差，因此随着混播年限的增加，混播群落中的草地早熟和和苇状羊茅生物量下降，逐渐向紫花苜蓿单播群落演变，土壤酶活性低于紫花苜蓿+无芒雀麦。紫花苜蓿+草地早熟禾1：2和紫花苜蓿+苇状羊茅2：1处理酶活性高于其他两个比例，并非所有草种组合均为1：1混播时土壤酶活性最高，因此设置合适的比例进行混播时非常重要的。

4 结论

与苜蓿单播相比，混播处理提高了0～20 cm土层的土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶活性以及20～40 cm土层的过氧化氢酶活性；与禾草单播相比混播提高了0～20 cm土层脲酶活性以及20～40 cm土层的4种酶活性。紫花苜蓿+无芒雀麦混播土壤具有较高的脲酶、过氧化氢酶活性且按1：1混播最优，而紫花苜蓿+苇状羊茅具有较高的碱性磷酸酶和蔗糖酶活性，2∶1处理高于其他2个比例。