劉文輝，張英俊，師尚禮，賀永娟，孫建，魏小星

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所，北京 100094；4.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

高寒區(qū)施肥和豆科混播水平對(duì)燕麥人工草地土壤酶活性的影響

劉文輝1,2，張英俊1,3*，師尚禮1，賀永娟2，孫建4，魏小星2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所，北京 100094；4.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

主要探討了燕麥人工草地土壤酶活性對(duì)燕麥品種、施肥水平和豆科混播水平的響應(yīng)，為合理評(píng)價(jià)燕麥人工草地的生態(tài)效應(yīng)和對(duì)土壤培肥的影響提供理論依據(jù)。采用4個(gè)燕麥品種(A1：青燕1號(hào)；A2：林納；A3：青海444；A4：青海甜燕麥)、4個(gè)施肥水平(B1：不施任何肥料，CK0；B2：尿素75 kg/hm2+磷酸二銨150 kg/hm2，IM；B3：有機(jī)肥1500 kg/hm2，OM；B4：尿素37.5 kg/hm2+磷酸二銨75 kg/hm2+有機(jī)肥750 kg/hm2，IM+OM)和4個(gè)箭筈豌豆混播水平(C1：0 kg/hm2；C2：45 kg/hm2；C3：60 kg/hm2；C4：75 kg/hm2)的三因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，開展三因素對(duì)燕麥人工草地土壤酶活性(脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶)影響的比較研究。結(jié)果表明，燕麥品種、施肥水平和豆科混播水平均能顯著提高土壤酶活性；高寒區(qū)0～20 cm耕作層土壤脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性范圍分別為400～900 μg/g，80～180 μg/g和4～7 mg/g；3個(gè)因素對(duì)土壤酶活性影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋菏┓仕?品種>豆科混播水平；在3個(gè)因素的影響下，隨著生育期的推進(jìn)，土壤脲酶和纖維素酶活性分別呈“先增后減”、“先降后增”的變化，分別在開花期和拔節(jié)期出現(xiàn)單峰值，轉(zhuǎn)化酶活性呈“增—降—增—降”或“降—增—降”的變化，在拔節(jié)期和抽穗期出現(xiàn)雙峰值。土壤酶相對(duì)活性指數(shù)和土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)能很好地反映土壤酶的變化。選用青海444或青海甜燕麥，混播箭筈豌豆45 kg/hm2，施尿素37.5 kg/hm2、磷酸二銨75 kg/hm2和有機(jī)肥750 kg/hm2時(shí)，對(duì)提高土壤酶活性效果最佳。

高寒區(qū)；品種；施肥水平；豆科混播水平；土壤酶活性

土壤酶是土壤中植物根系及其殘?bào)w、土壤動(dòng)物及其遺骸和微生物分泌的活性物質(zhì)，是土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一，是參與土壤新陳代謝的重要物質(zhì)[1]。土壤酶參與土壤中各種化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)過程，與有機(jī)物質(zhì)礦化分解、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移以及環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)[2]。土壤酶活性能反映土壤微生物活性高低、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運(yùn)轉(zhuǎn)能力強(qiáng)弱以及土壤生化反應(yīng)的強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)土壤肥力、質(zhì)量及健康狀況的重要指標(biāo)之一，反映出土壤中各種養(yǎng)分代謝活性的強(qiáng)度與方向[3]。土壤酶活性的變化可用來表示因農(nóng)業(yè)措施而導(dǎo)致的土壤性質(zhì)的早期變化[4]，其中土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶等水解酶是表征土壤C、N等養(yǎng)分循環(huán)狀況和土壤性質(zhì)的生物活性指標(biāo)，已被應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化、各種農(nóng)業(yè)措施和肥料施用的效果評(píng)價(jià)[5]。研究土壤酶活性的變化，將有助于了解土壤肥力的現(xiàn)狀和演化。

燕麥(Avenasativa)性喜涼爽濕潤(rùn)，耐寒，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，抗逆性強(qiáng)，病蟲害少，耐瘠薄、抗雜類草等性能都比較強(qiáng)，是適宜在青藏高原高寒牧區(qū)和半農(nóng)半牧區(qū)種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)糧草兼用作物[6]。因其適口性好，易于栽培、貯藏，已成為高寒牧區(qū)冬春季節(jié)家畜補(bǔ)飼的重要飼草來源，對(duì)高寒地區(qū)畜牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展起到了重要作用[7]。研究表明，品種選擇[8]、施肥(肥料種類[3]、施肥水平[9-10]、施肥方式[9,11]、施肥制度[12]等)、栽培方式[8]等農(nóng)藝措施對(duì)人工草地土壤酶活性具有重要影響。然而，這些研究多局限于單一栽培制度對(duì)土壤酶活性的影響，研究結(jié)果難以確定不同栽培體系或農(nóng)藝措施下敏感的土壤酶學(xué)指標(biāo)?；诖?，本研究擬在青藏高原高寒地區(qū)通過研究不同燕麥品種、不同施肥水平和豆科混播水平的農(nóng)藝措施對(duì)燕麥人工草地土樣酶活性的影響，旨在為合理評(píng)價(jià)燕麥人工草地的生態(tài)效應(yīng)和對(duì)土壤培肥的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于青海省海北州西海鎮(zhèn)。地理坐標(biāo)36°59.36′ E，100°52.848′ N，海拔3156 m，氣候寒冷潮濕，無絕對(duì)無霜期，年均溫0.5 ℃，年降水量369.1 mm，多集中在7、8、9三個(gè)月，年蒸發(fā)量1400 mm，全年日照時(shí)數(shù)2980 h。平均無霜期93 d。土壤為栗鈣土。試驗(yàn)前采集試驗(yàn)地土樣，分析結(jié)果如下：pH值8.43，全氮(N)1.56 g/kg，全磷(P2O5)1.39 g/kg，全鉀(K2O)22.06 g/kg，堿解氮88.77 mg/kg，速效磷2.15 mg/kg，速效鉀168.21 mg/kg，有機(jī)質(zhì)32.48 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

供試材料燕麥品種為青燕1號(hào)(Avenasativacv. Qingyan No.1)、青海444(A.sativacv. Qinghai 444)、青海甜燕麥(A.sativacv. Qinghai)和林納(A.sativacv. Lena)，箭筈豌豆品種為西牧324(Viciasativacv. Ximu 324)，均為上年收獲種子。選用肥料為尿素(N 46%)，磷酸二銨(N 16%，P2O546%)，有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)>40%，N+P2O5+K2O 25%，有效活菌數(shù)0.2億/g)。

本試驗(yàn)為品種、施肥水平、箭筈豌豆混播水平三因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[L16(45)]，共16個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。燕麥品種為A1(青燕1號(hào)，Qingyan No.1)、A2(林納，Lena)、A3(青海444，Qinghai 444)和A4(青海甜燕麥，Qinghai)；施肥水平為B1(CK0，不施任何肥料)、B2(inorganic manure, IM，尿素75 kg/hm2+磷酸二銨150 kg/hm2)、B3(organic manure, OM，有機(jī)肥1500 kg/hm2)和B4(inorganic manure and organic manure, IM+OM，尿素37.5 kg/hm2+磷酸二銨75 kg/hm2+有機(jī)肥750 kg/hm2)；箭筈豌豆混播水平為C1(0 kg/hm2)、C2(45 kg/hm2)、C3(60 kg/hm2)和C4(75 kg/ hm2)。試驗(yàn)小區(qū)面積為4 m×5 m，小區(qū)間隔0.5 m，燕麥播種量按600萬株/hm2保苗數(shù)計(jì)算，根據(jù)千粒重、發(fā)芽率、純凈度計(jì)算得各品種的實(shí)際播量為：青燕1號(hào)、林納、青海444和青海甜燕麥分別為154.3,150.0,183.0和216.0 kg/hm2，撒播，播深3～4 cm。2014年5月14日播種，肥料在播種前一次性施入。出苗后，人工除雜1次，田間管理和觀測(cè)項(xiàng)目在同一工作日完成。

播種后，分別于6月15日(拔節(jié)期)、7月15日(抽穗期)、8月15日(開花期)、9月15日(乳熟期)、10月15日(收獲后期)在各試驗(yàn)小區(qū)取0～20 cm土樣(以撂荒地土樣為對(duì)照，CK)，共取5次土樣，每次每小區(qū)取3個(gè)點(diǎn)，混合后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤脲酶(urease,Ure)、轉(zhuǎn)化酶(invertase,Inv)和纖維素酶(cellulose,Cel)活性。土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶分別用靛酚藍(lán)比色法[3]、3,5-二硝基水楊酸比色法[13]和3,5-二硝基水楊酸比色法[3]測(cè)定。其中：土壤脲酶活性以1 g干土37 ℃酶促反應(yīng)72 h消耗尿素生成氨的數(shù)量來表示(μg/g)；轉(zhuǎn)化酶活性以1 g干土37 ℃培養(yǎng)24 h生成的葡萄糖毫克數(shù)表示(mg/g)；纖維素酶活性以1 g干土37 ℃培養(yǎng)72 h生成的葡萄糖微克數(shù)表示(μg/g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

品種、施肥水平和豆科混播水平對(duì)酶的保護(hù)效果采用土壤酶相對(duì)活性指數(shù)(relative enzymes activity index，REAI)和土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(relative enzyme activity comprehensive index，REACI)表示[14-15]：

REAI=EAt/EAck
REACI=(REAIUre+REAICel+REAIInv)/3

式中：REAI表示土壤酶相對(duì)活性指數(shù)，EAt表示不同品種、施肥水平和豆科混播水平下的土壤酶活性，EAck表示各處理對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)季對(duì)照土壤酶活性(其中品種間REAI計(jì)算時(shí)以休閑地土壤酶活性作為EAck，施肥處理間REAI計(jì)算時(shí)以不施肥處理土壤酶活性作為EAck，豆科混播水平間REAI計(jì)算時(shí)以單播燕麥處理下土壤酶活性作為EAck)，REACI表示土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)，Ure、Cel和Inv分別表示脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶。

采用Excel 2003對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，用SPSS for Windows 11.5進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，用Sigmaplot 12.5進(jìn)行繪圖。采用Duncan法在0.05水平上進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 品種、施肥和豆科混播水平對(duì)土壤酶活性的影響

2.1.1 品種對(duì)土壤酶活性的影響 由表1可以看出，不同生育期各燕麥品種脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均顯著高于對(duì)照(休閑地)(P<0.05)，各品種中土壤脲酶活性以青海甜燕麥最高(662.92 μg/g,平均值,下同)，較對(duì)照(休閑地)高96.16%，其次為青海444(685.06 μg/g)，林納最低(568.06 μg/g)，較對(duì)照(休閑地)高68.09%；纖維素酶活性以青海444和青海甜燕麥最高(116.22和113.42 μg/g)，分別較對(duì)照(休閑地)高60.08%和56.23%，林納最低(97.28 μg/g)，較對(duì)照(休閑地)高33.99%；轉(zhuǎn)化酶活性以青海444和青海甜燕麥最高(6.07和6.03 mg/g)，分別較對(duì)照(休閑地)高19.02%和18.24%，林納最低(5.83 mg/g)，較對(duì)照高14.31%。

各品種隨生育期推進(jìn)，3種酶活性變化趨勢(shì)不同(表1)。脲酶隨生育期推進(jìn)呈“先增后降”的變化規(guī)律，在開花期達(dá)到最大(745.83 μg/g)，拔節(jié)期和乳熟期最低(分別為563.30和563.75 μg/g)；纖維素酶活性呈現(xiàn)“先降后增”的變化規(guī)律，在拔節(jié)期達(dá)到最大(130.45 μg/g)，在抽穗期則為最低(90.93 μg/g)；轉(zhuǎn)化酶活性變化呈現(xiàn)“增—降—增—降”的變化規(guī)律，在拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期和收獲后期較高(分別為6.20，6.20，6.12和6.02 mg/g)，而在開花期最低(5.32 mg/g)。

2.1.2 施肥水平對(duì)土壤酶活性的影響 表2顯示，各生育期燕麥在不同施肥水平下脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均顯著高于對(duì)照(休閑地)(P<0.05)，其中脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均以尿素+二銨+有機(jī)肥施肥處理下最高，平均分別為726.30 μg/g,128.40 μg/g和6.12 mg/g，分別較對(duì)照(休閑地)高114.92%，76.86%和20.00%，其次為尿素+二銨施肥處理，分別為650.68 μg/g，110.82 μg/g和6.03 mg/g，不施肥處理最低，平均分別為531.68 μg/g，92.38 μg/g和5.80 mg/g，分別較對(duì)照(休閑地)高57.33%，27.25%和13.73%。

表1 品種影響下燕麥人工草地0～20 cm土層土壤酶活性變化Table 1 The soil enzymatic activity from 0-20 cm under different oat varieties

注：同列不同小寫字母和同行不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters within the same column and different capital letters within the same row show significant difference(P<0.05). The same below.

表2 施肥水平影響下燕麥人工草地0～20 cm土層土壤酶活性變化Table 2 The soil enzymatic activity from 0-20 cm under different fertilizer rate

燕麥在不同施肥處理下隨生育期推進(jìn)，3種酶活性變化趨勢(shì)不同(表2)。脲酶隨生育期推進(jìn)呈“先增后降”的變化規(guī)律，在開花期達(dá)到最大(793.70 μg/g)，乳熟期最低(583.57 μg/g)；纖維素酶活性呈現(xiàn)“先降后增”的變化規(guī)律，在拔節(jié)期達(dá)到最大(141.47 μg/g)，在抽穗期最低(93.57 μg/g)；轉(zhuǎn)化酶活性變化呈現(xiàn)“降—增—降”的變化規(guī)律，在拔節(jié)期和抽穗期最大(分別為6.23和6.23 mg/g)，而在開花期最低(5.44 mg/g)。

2.1.3 豆科混播水平對(duì)土壤酶活性的影響 表3顯示，各生育期燕麥在不同箭筈豌豆混播水平下脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均顯著高于對(duì)照(休閑地)(P<0.05)，而不同箭筈豌豆混播水平下3種土壤酶活性無顯著差異(P>0.05)。脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均以箭筈豌豆45 kg/hm2混播時(shí)最高，平均分別為637.14 μg/g、109.3 μg/g和5.98 mg/g，分別較對(duì)照(休閑地)高88.54%，50.55%和17.25%，以箭筈豌豆60 kg/hm2混播時(shí)最低，平均分別為611.98 μg/g、106.16 μg/g和5.96 mg/g，分別較對(duì)照(休閑地)高81.09%，46.23%和16.86%。

表3 不同箭筈豌豆混播水平影響下燕麥人工草地0～20 cm土層土壤酶活性變化Table 3 The soil enzymatic activity from 0-20 cm under different common vetch mixture level

燕麥在不同箭筈豌豆混播水平下隨生育期推進(jìn)，3種酶活性變化趨勢(shì)不同(表3)。脲酶隨生育期推進(jìn)呈“先增后降”的變化規(guī)律，在開花期達(dá)到最大(745.8 μg/g)，拔節(jié)期和乳熟期最低(分別為565.33和563.73 μg/g)；纖維素酶活性呈現(xiàn)“先降后增”的變化規(guī)律，在拔節(jié)期達(dá)到最大(130.43 μg/g)，在抽穗期最低(90.93 μg/g)；轉(zhuǎn)化酶活性變化呈現(xiàn)“降—增—降”的變化規(guī)律，在拔節(jié)期和抽穗期最大(分別為6.20和6.20 mg/g)，而在開花期最低(5.32 mg/g)。

2.2 不同農(nóng)藝措施對(duì)土壤酶活性的影響

方差分析結(jié)果表明(表4)，不同生育期3種酶活性對(duì)品種、施肥水平和豆科混播水平的響應(yīng)不同。脲酶活性在拔節(jié)期、乳熟期和收獲后期，纖維素酶活性在抽穗期、乳熟期，轉(zhuǎn)化酶活性在抽穗期、乳熟期和收獲后期對(duì)豆科混播水平的響應(yīng)不顯著(P>0.05)外，其余各時(shí)期品種、施肥水平和豆科混播水平對(duì)脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響達(dá)到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。

各因素在拔節(jié)期、乳熟期和收獲后期對(duì)脲酶的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋菏┓仕?品種>豆科混播水平，在抽穗期和開花期影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋浩贩N>施肥水平>豆科混播水平。不同生育期各因素對(duì)纖維素酶活性影響的強(qiáng)弱順序均為：施肥水平>品種>豆科混播水平。各因素在開花期、乳熟期和收獲后期對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋菏┓仕?品種>豆科混播水平，在拔節(jié)期和抽穗期影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋浩贩N>施肥水平>豆科混播水平。

表4 品種、施肥和豆科混播水平對(duì)土壤酶活性影響的方差分析Table 4 Variance analysis of soil enzymatic activity under effects of varieties, fertilization and mixture level

2.3 土壤酶相對(duì)活性指數(shù)

土壤酶相對(duì)活性指數(shù)(REAI)將3種土壤酶活性對(duì)品種、施肥水平和豆科混播水平的響應(yīng)剔除了對(duì)照對(duì)各因素的影響，可以更客觀準(zhǔn)確地反映出各因素對(duì)酶活性的影響強(qiáng)弱。由圖1可以看出，各品種對(duì)脲酶活性和纖維素酶活性的影響強(qiáng)弱隨生育期的推進(jìn)呈下降趨勢(shì)，至抽穗/開花期后開始上升，乳熟期到收獲后期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不同品種脲酶和纖維素酶相對(duì)活性在拔節(jié)期均表現(xiàn)最高(2.62和1.65)，開花期最低(1.61和1.35)。轉(zhuǎn)化酶相對(duì)活性指數(shù)則隨生育期的推進(jìn)呈“降—增—降—增”的變化，在收獲后期表現(xiàn)最高(1.34)，而在抽穗期和乳熟期最低(1.11和1.10)。不同施肥水平下，脲酶活性隨生育期的推進(jìn)呈“降—增—降—增”的變化，在開花期最大(1.31)，而在乳熟期最低(1.16)；纖維素酶則呈“先降后增”的變化，在拔節(jié)期最大(1.45)，在乳熟期最低(1.15)；轉(zhuǎn)化酶則呈“先增后降”的變化，在開花期最大(1.10)，而在收獲后期最低(1.03)。在不同豆科混播水平下，脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶相對(duì)活性指數(shù)變化規(guī)律不明顯。

2.4 土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)

圖1 品種、施肥和豆科混播水平對(duì)土壤酶相對(duì)活性指數(shù)的影響Fig.1 Effects of REAI under variety, fertilization and common vetch level JS：拔節(jié)期 Jointing stage；HS：抽穗期 Heading stage；FS：開花期 Flowering stage；MS：乳熟期 Milk stage；HT：收獲后期 Harvest time.下同The same below.

土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(REACI)表征了不同燕麥品種、不同施肥水平和不同豆科混播水平下對(duì)3種酶活性影響的整體效果。由圖2可以看出，不同品種隨生育期的推進(jìn)，REACI呈“先降后增”的變化，整個(gè)生育期拔節(jié)期REACI最高(1.81)，開花期最低(1.36)；各品種中，青海444的REACI在整個(gè)生育期均較高(1.63)，其次為青海甜燕麥(1.60)，而林納最低(1.43)。不同施肥水平下，隨著生育期的推進(jìn)REACI呈“降—增—降—增”的變化，整個(gè)生育期拔節(jié)期最高(1.24)，抽穗期最低(1.11)；各施肥水平中，以尿素+二銨+有機(jī)肥處理REACI最高(1.27)，有機(jī)肥處理最低(1.08)。不同豆科混播水平下，整個(gè)生育期REACI基本趨于平穩(wěn)，不同混播水平的REACI亦較平穩(wěn)。

圖2 品種、施肥和豆科混播水平對(duì)土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)的影響Fig.2 Effects of REACI under different variety, fertilization and common vetch mixture level

3 討論

3.1 農(nóng)藝措施對(duì)土壤酶活性的影響

研究發(fā)現(xiàn)，高寒地區(qū)不同燕麥品種各生育期對(duì)土壤酶活性均有顯著影響，這與孟慶英等[8]、梁秀芝等[16]對(duì)紫花苜蓿(Medicagosativa)品種土壤酶活性的研究結(jié)果一致，而與李春喜等[17]對(duì)小麥(Triticumaestivum)品種土壤酶變化規(guī)律的研究結(jié)果不一致。植物根系是土壤酶的主要來源之一[16]，植物品種本身的生物學(xué)特性亦可影響土壤中微生物的活動(dòng)狀況，從而間接地影響土壤酶的活性[18]。不同燕麥品種由于其生長(zhǎng)特征、根系發(fā)育特征的不同，在整個(gè)生育期表現(xiàn)出不同燕麥品種人工草地土壤中脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均存在顯著差異，各品種中，3種土壤酶活性均以青海甜燕麥和青海444燕麥人工草地最高。本研究表明，與休閑地相比，不同品種、施肥水平和豆科混播水平顯著提高了土壤中的酶活性，表明3種農(nóng)藝措施有利于土壤功能的保持。土壤酶活性是土壤生物學(xué)活性的表現(xiàn)，也是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)，能反映土壤養(yǎng)分，但土壤生物活性又受土壤養(yǎng)分、土壤質(zhì)地、農(nóng)藝措施等因素的影響。

施肥措施是影響土壤酶活性的重要因素之一。研究表明，施肥能有效提高土壤酶活性[3,19]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理均顯著提高了土壤酶活性，施肥可促進(jìn)作物根系代謝，增加根系分泌物，加快微生物繁殖速度，從而提高土壤酶活性[20]。各生育期土壤脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均以尿素+二銨+有機(jī)肥施肥處理最高，尿素+二銨處理次之，單施有機(jī)肥處理酶活性最低。有機(jī)肥配施氮、磷肥將有助于提高土壤脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶，尤其是纖維素酶的活性，這一結(jié)果與諸多學(xué)者的研究結(jié)果一致[1,21-23]。前人研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥在以下幾個(gè)方面對(duì)土壤酶活性的提高發(fā)揮作用：1)有機(jī)肥和化肥配施，促進(jìn)作物根系代謝，改善土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤C/N，為微生物和土壤動(dòng)物生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境[13]；2)有機(jī)肥本身也含有一定數(shù)量的酶，可為土壤提供更多、更豐富的酶促基質(zhì)，發(fā)揮底物誘導(dǎo)的作用[24]；3)有機(jī)物作為土壤的底物，也可能直接誘導(dǎo)土壤酶活性提高，有機(jī)肥不但增加了土壤有機(jī)碳含量，而且?guī)肓素S富的微生物和酶，顯著影響土壤酶活性；4)有機(jī)肥的施用可以提高土壤腐殖質(zhì)含量，從而增加土壤酶的保護(hù)位點(diǎn)[25-26]，而腐殖質(zhì)能夠通過離子交換、共價(jià)鍵或離子鍵等與土壤酶結(jié)合，固定土壤酶，增加土壤酶活性[13]。

3.2 土壤酶活性的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

土壤酶類作為催化土壤中各類生化反應(yīng)的活性物質(zhì)，是土壤物質(zhì)循環(huán)中的催化劑，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中有著不可替代的作用。它不僅能反映土壤生物活性的高低，而且能反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的速度。前人研究表明，土壤酶活性均隨著生育期的變化而變化[16]。作物在不同生育時(shí)期，土壤酶活性也有顯著的差異。通常說，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，土壤中的酶活性不斷升高，不同的酶在不同的生育時(shí)期出現(xiàn)峰值。峰值以后逐步下降，但下降的快慢有明顯的不同。有少數(shù)情況酶活性在生育時(shí)期出現(xiàn)雙峰值[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同農(nóng)藝措施(品種、施肥水平、豆科混播水平)下，隨著生育期的推進(jìn)，土壤脲酶、纖維素酶均隨著生育期的推進(jìn)，呈現(xiàn)“先增后減”、“先降后增”的變化規(guī)律，3種處理下均在開花期土壤脲酶達(dá)到最大，在拔節(jié)期纖維素酶達(dá)到最大；而轉(zhuǎn)化酶活性在品種、施肥水平和豆科混播水平下，分別呈“增—降—增—降”、“降—增—降”和“降—增—降”的變化，分別在開花期和拔節(jié)期，拔節(jié)期和抽穗期、拔節(jié)期和抽穗期出現(xiàn)雙峰值,這與劉淑英[28]、馬忠明等[1]、孫建平等[29]、高秀君等[30]的研究結(jié)果一致。作物生長(zhǎng)前期對(duì)養(yǎng)分的需求強(qiáng)烈，土壤速效養(yǎng)分含量下降，同時(shí)根系迅速生長(zhǎng)，根系分泌物、脫落物增多，豐富的機(jī)制促進(jìn)了土壤酶活性的提高，拔節(jié)至開花期，作物迅速開始生長(zhǎng)，對(duì)養(yǎng)分需求更加旺盛，根系活化養(yǎng)分的能力增強(qiáng)，土壤酶活性上升快[1]。研究發(fā)現(xiàn)，開花期到種子成熟期，根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收不如作物生長(zhǎng)前期旺盛，對(duì)養(yǎng)分的活化能力也相對(duì)下降，土壤酶活性開始下降，乳熟到收獲后期，由于高寒地區(qū)氣溫開始下降，土壤酶活性均出現(xiàn)了下降的變化趨勢(shì)。

3.3 提高土壤酶活性的最佳農(nóng)藝措施的確定

通過對(duì)不同生育期品種、施肥水平、豆科混播水平對(duì)3種土壤酶活性影響的方差分析表明，3種農(nóng)藝措施對(duì)土壤酶活性影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋菏┓仕?品種>豆科混播水平。由于土壤酶活性具有底物專一性和反應(yīng)專一性的特點(diǎn)，很難從單獨(dú)一個(gè)酶活性的變化評(píng)價(jià)整體土壤狀態(tài)[31]，對(duì)提高3種土壤酶活性最有效的農(nóng)藝措施為：選用青海444或青海甜燕麥，采用有機(jī)肥+尿素+二銨的施肥方式，并混播箭筈豌豆45 kg/hm2時(shí)可有效提高土壤酶活性。栽培模式、種植年限、土壤類型、管理方式以及作物生長(zhǎng)階段等都會(huì)影響土壤的酶活性。以往的研究?jī)H從某一種影響因素方面開展了研究，但各因素間影響的大小方面缺乏深入的研究。本研究采用品種、施肥和混播水平對(duì)土壤酶活性的研究，初步得出了3個(gè)因素影響力的大小，但這3個(gè)因素是否是影響土壤酶活性的主要因素，還需進(jìn)一步研究。同時(shí)本研究只考慮了3個(gè)因素的直接效應(yīng)，未考慮其交互效應(yīng)，交互效應(yīng)對(duì)土壤酶活性的影響大小如何，還需進(jìn)一步深入研究。

3.4 土壤酶活性指數(shù)

采用土壤酶相對(duì)活性指數(shù)(REAI)和土壤酶相對(duì)活性綜合指數(shù)(REACI)等土壤質(zhì)量指標(biāo)來表達(dá)土壤重要的生態(tài)功能[15]。通過對(duì)不同品種、施肥水平和豆科混播水平處理下3種酶的REAI和REACI的研究，3種酶的REAI變化規(guī)律與其對(duì)應(yīng)的酶活性變化規(guī)律不一致，而REACI的變化與脲酶活性變化情況一致。鄭洪元等[32]，田永強(qiáng)等[33]的研究表明，單獨(dú)以酶活性作為土壤肥力指標(biāo)有一定的局限性。由于酶專一地作用于某一基質(zhì)，因此個(gè)別酶活性只能反映土壤專一的分解過程或營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。如土壤脲酶活性在一定程度上能反映土壤的供氮能力；纖維素酶與氮素循環(huán)有關(guān)；轉(zhuǎn)化酶可反映土壤有機(jī)質(zhì)殘?bào)w分解強(qiáng)度。因此，不能用一種酶活性的變化指示土壤肥力的變化情況。本研究用3種酶活性來評(píng)價(jià)土壤水平的指標(biāo)，但在研究土壤肥力水平時(shí)，作為評(píng)價(jià)肥力水平高低的總體參數(shù)是否全面尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

通過對(duì)青藏高原高寒地區(qū)海拔3200 m地區(qū)不同農(nóng)藝措施下的3種酶活性的研究表明，不同燕麥品種、施肥水平和豆科混播水平等措施均能顯著提高土壤脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性，3種酶活性的范圍為400～900 μg/g，80～180 μg/g和4～7 mg/g。高寒地區(qū)各生育期不同燕麥品種、施肥水平和混播水平對(duì)土壤酶活性均有顯著影響。青海甜燕麥和青海444，尿素+磷酸二銨+有機(jī)肥施肥處理和混播箭筈豌豆45 kg/hm2時(shí)，各時(shí)期土壤脲酶、纖維素酶和轉(zhuǎn)化酶活性均較高。隨著生育期的推進(jìn)，土壤脲酶、纖維素酶均隨著生育期的推進(jìn)，呈現(xiàn)“先增后減”、“先降后增”的變化規(guī)律，3種處理下均在開花期土壤脲酶達(dá)到最大，在拔節(jié)期纖維素酶達(dá)到最大；轉(zhuǎn)化酶活性在品種、施肥水平和豆科混播水平下，分別呈“增—降—增—降”、“降—增—降”和“降—增—降”的變化，分別在開花期和拔節(jié)期，拔節(jié)期和抽穗期、拔節(jié)期和抽穗期出現(xiàn)雙峰值。3個(gè)因素對(duì)土壤酶活性影響的大小順序?yàn)槭┓仕?品種>豆科混播水平。單一土壤酶活性不能完全反映土壤肥力的高低，必須綜合評(píng)價(jià)才能得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

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Soil enzyme activities in alpine naked oat-artificial grassland in response to fertilizer and legume mix levels

LIU Wen-Hui1,2, ZHANG Ying-Jun1,3*, SHI Shang-Li1, HE Yong-Juan2, SUN Jian4, WEI Xiao-Xing2

1.PrataculturalCollegeofGansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.KeyLaboratoryofSuperiorForageGermplasmintheQinghai-TibetanPlateau,QinghaiAcademyofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xining810016,China; 3.InstitudeofGrasslandSciences,ChineseAgriculturalUniversity,Beijing100094,China; 4.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

To investigate the dynamics of soil enzymatic activity with regard to the combined effects of oat variety and different fertilizer and legume mixtures, an orthogonality experiment has been conducted in an alpine area. The experiment consists of three factors (oat varieties, fertilizer and legume mixtures) and four levels made up of (1) four oat varieties:Avenasativacv. Qingyan No.1,A.sativacv. Lena,A.sativacv. Qinghai 444,A.sativacv. Qinghai; (2) four fertilizer mixes: CK0, urea (75 kg/ha)+NH4H2PO3(150 kg/ha), organic manure (1500 kg/ha), urea (37.5 kg/ha)+NH4H2PO3(75 kg/ha)+organic manure (750 kg/ha); and (3) fourViciasativasow mixture rates: 0 kg/ha, 45 kg/ha, 60 kg/ha, 75 kg/ha. The results showed that appropriate combinations of oat variety, fertilizer mixes and legume sow rates can significantly improve soil enzymatic activities. The activities of soil urease, cellulose and invertase were respectively in the range of 400-900 μg/g, 80-180 μg/g and 4-7 mg/g in the cultivated alpine soil. Ranked from high to low, the factors that influenced soil enzymatic activities were first fertilizer mix, then variety, then legume mixture rate. Soil urease activity first increased and then decreased during the growth period, peaking at anthesis; cellulose activity first decreased and then increased, peaking at jointing stage; invertase activity had two periods of increase followed by decrease, with double peaks at the jointing and heading stages. Soil enzyme dynamics were calculated using the relative enzymes activity index and the relative enzyme activity comprehensive index. The highest soil enzymatic activities were recorded in the treatment consisting of the Qinghai 444 or Qinghai sweat oat variety mixed with 45 kg/haV.sativaand fertilized with 37.5 kg/ha urea, 75 kg/ha NH4H2PO3and 750 kg/ha organic manure.Key words: alpine area; variety; fertilization rate; legume mixed sowing; soil enzymatic activity

10.11686/cyxb2016196

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-05-09；改回日期：2016-06-28

“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金”(CARS-35-41)，農(nóng)業(yè)部“青藏高原牧草種質(zhì)資源保護(hù)利用”項(xiàng)目(13162130135252040)和青海省飼草產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目資助。

劉文輝(1979-)，男，青海貴德人，副研究員。E-mail：qhliuwenhui@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail：zhangyj@cau.edu.cn

劉文輝, 張英俊, 師尚禮, 賀永娟, 孫建, 魏小星. 高寒區(qū)施肥和豆科混播水平對(duì)燕麥人工草地土壤酶活性的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(1): 23-33.

LIU Wen-Hui, ZHANG Ying-Jun, SHI Shang-Li, HE Yong-Juan, SUN Jian, WEI Xiao-Xing. Soil enzyme activities in alpine naked oat-artificial grassland in response to fertilizer and legume mix levels. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(1): 23-33.