藺 芳

（新鄉(xiāng)學院 生命科學技術學院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

土壤微生物量是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的重要驅(qū)動力，微生物量庫對土壤肥力的提高具有重要作用［1-2］。土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）和土壤微生物量磷（SMBP）是植被所需碳、氮、磷的重要 “源”或 “庫”，是綜合評價土壤質(zhì)量或肥力的重要指標，也是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預警及敏感指標［3］。土壤酶是陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎，可作為評價土壤質(zhì)量的生物指標［4］。SMBC，SMBN，SMBP和土壤酶對土壤環(huán)境因子的變化十分敏感，土壤的微小變動均會引起其含量或活性的變化［5］，當前，對土壤微生物量和酶活性的監(jiān)測已成為所有生態(tài)體系研究必不可少的內(nèi)容［6］。紫花苜蓿Medicago sativa是世界范圍內(nèi)人工草地栽培面積最大的豆科Leguminosae牧草，因其根瘤能夠有效固定空氣中的游離態(tài)氮而提高土壤肥力［7］；無芒雀麥Bromus inermis是禾本科Gramineae優(yōu)良的放牧型牧草，適口性好，營養(yǎng)價值高［8］。近年來，豆科和禾本科牧草栽培對人工草地中SMBC，SMBN，SMBP和土壤酶的影響已引起了眾多研究者的格外關注［9］，本研究就豫北地區(qū)紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播和紫花苜蓿/無芒雀麥混播3種栽培模式下SMBC，SMBN，SMBP的質(zhì)量分數(shù)及相關土壤酶活性進行了連續(xù)6 a的定位研究，旨在探尋既能滿足豫北地區(qū)飼草優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)，又能有效改良沙化土壤的人工草地栽培模式，以期為今后該地區(qū)人工草地的合理建植提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地河南省新鄉(xiāng)市洪門鎮(zhèn)原堤村（35°16′N，113°57′E），地處豫北平原，南臨黃河，北面是余河通道，屬黃河沖積平原，土壤沙化較為嚴重。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為14.2℃，年均降水量為573.4 mm，年均日照時數(shù)為2 400 h，年均濕度為68.0%，無霜期為220 d。降水年際間分配不均，主要集中在7和8月。供試土壤類別為砂壤土，試驗地0～40 cm土層基礎理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地0～40 cm土層土壤基礎理化性質(zhì)Table 1 Soil basic physical and chemical properties in 0-40 cm soil layer at test site

1.2 試驗設計

試驗地總面積為720 m2，2012年10月用旋耕機進行整體旋耕作業(yè)，隨后連續(xù)6 a進行播種試驗。隨機區(qū)組設計，重復3次·小區(qū)-1，共12個小區(qū)，各小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m），以沙化裸地為對照，設紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播、紫花苜蓿/無芒雀麥混播3種不同的栽培模式；于2012年10月6日同時播種，紫花苜蓿的單播播量為15.0 kg·hm-2，無芒雀麥的單播播量為22.5 kg·hm-2，紫花苜蓿/無芒雀麥混播播量均為相應單播播量的一半。播種方式為條播，行距30 cm。試驗期間免耕處理，不施用任何肥料，定期刈割牧草，5次·a-1，定期澆水與人工除草。

1.3 土壤樣品采集及測定

1.3.1 土壤樣品采集 2017年10月30日試驗結(jié)束后，以五點取樣法在各小區(qū)用土鉆分層（0～10，10～20，20～30， 30～40 cm）取樣。采集到的土樣帶回實驗室，并剔除粗根和小石塊，風干磨碎后過0.15mm孔篩，備用。

1.3.2 土壤生物學指標測定 各生物學指標按各測定方法［10］。SMBC采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定；SMBN用氯仿熏蒸-茚三酮比色法測定；SMBP采用熏蒸提取-全磷法測定；脲酶用靛酚藍比色法測定，以24 h后1.0 g土壤中氨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)（mg·g-1）表示；蔗糖酶、淀粉酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后 1.0 g土壤中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)（mg·g-1）表示；堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定，以1.0 g土壤中24 h后苯酚的質(zhì)量分數(shù)（mg·g-1）表示；蛋白酶用茚三酮比色法測定，以1.0 g土壤中24 h后氨基氮的質(zhì)量分數(shù)（mg·g-1）表示；β-葡糖苷酶活性用硝基苯比色法測定，以對硝基酚的質(zhì)量分數(shù)（mg·g-1）表示；過氧化氫酶用紫外分光光度法測定，以20 min內(nèi)1.0 g土壤中分解的過氧化氫的質(zhì)量分數(shù)（mg·g-1）表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel 2003整理和作圖后，采用SPSS 24.0進行方差分析、回歸分析和通徑分析。不同栽培模式間各指標的差異采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）進行分析比較，各因子間的相關關系采用Pearson相關系數(shù)法進行評價，采用線性回歸 “Linear”程序進行通徑分析，所有數(shù)據(jù)均以3次重復的平均值±標準差來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式下各土層土壤微生物量比較

由圖1可知：各樣地SMBC質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為283.71 mg·kg-1（紫花苜蓿/無芒雀麥混播）＞207.51 mg·kg-1（紫花苜蓿單播）＞188.71 mg·kg-1（無芒雀麥單播）＞113.26 mg·kg-1（沙化裸地）； SMBN 質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為 41.78 mg·kg-1（紫花苜蓿/無芒雀麥混播）＞35.43 mg·kg-1（紫花苜蓿單播）＞31.83 mg·kg-1（無芒雀麥單播）＞18.99 mg·kg-1（沙化裸地）； SMBP 質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為 18.65 mg·kg-1（紫花苜蓿/無芒雀麥混播）＞16.55 mg·kg-1（紫花苜蓿單播）＞14.79 mg·kg-1（無芒雀麥單播）＞10.20 mg·kg-1（沙化裸地）。 與沙化裸地相比，3種栽培模式下SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)均顯著增加（P＜0.05）。其中，土壤表層（0～20 cm）混播模式下SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)較2種單播模式均呈顯著差異（P＜0.05），紫花苜蓿單播模式下SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)顯著大于無芒雀麥單播（P＜0.05）；土壤亞表層（20～40 cm）混播模式較2種單播模式也均呈顯著差異 （P＜0.05），但2種單播模式的SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)差異不顯著（P＞0.05）。

從土壤剖面來看，沙化裸地和3種栽培模式下SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)整體表現(xiàn)為土壤表層（0～20 cm）高于亞表層（20～40 cm）， 呈表聚性特征。

圖1 不同栽培模式下土層中土壤微生物量比較Figure 1 Comparison of soil microbial content in different cultivating patterns

2.2 不同栽培模式下各土層土壤酶活性比較

表2可以看出：不同栽培模式下土壤7種酶（脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶）活性從高到低均依次為紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播和沙化裸地，與沙化裸地相比，3種栽培模式下7種酶活性均不同程度增加（P＜0.05）。

具體來說，與單播相比，各土層紫花苜蓿/無芒雀麥混播模式下脲酶和蔗糖酶活性均顯著增加（P＜0.05）， 土壤表層（0～20 cm）紫花苜蓿單播較無芒雀麥單播顯著增加（P＜0.05）， 亞表層（20～40 cm）2 種單播則差異不顯著（P＞0.05）。各土層3種栽培模式下堿性磷酸酶活性差異不顯著（P＞0.05）。與單播相比，各土層紫花苜蓿/無芒雀麥混播模式下蛋白酶和淀粉酶活性均顯著增加（P＜0.05），但2種單播之間差異不顯著（P＞0.05）。各土層混播和紫花苜蓿單播模式下β-葡萄糖苷酶活性較無芒雀麥單播呈顯著增加（P＜0.05），但混播和紫花苜蓿單播之間差異不顯著（P＞0.05）；較無芒雀麥單播，混播和紫花苜蓿單播使土壤表層（0～20 cm）β-葡萄糖苷酶活性顯著增加（P＜0.05），但混播和紫花苜蓿單播之間差異不顯著（P＞0.05）。此外，土壤7種酶的活性均隨著土層深度的增加而減小。

表2 不同栽培模式下土層土壤7種酶活性Table 2 7 soil enzyme activities in different soil layers under different cultivating patterns

2.3 不同栽培模式下土壤微生物量和土壤酶的相關性分析

對土層中SMBC，SMBN，SMBP與土壤酶活性的相關性分析可知（表3）：SMBC（y1），SMBN（y2）和SMBP（y3）彼此之間極顯著正相關（P＜0.01）； 土壤脲酶（x1）、 蔗糖酶（x2）、 堿性磷酸酶（x3）、 蛋白酶（x4）、淀粉酶（x5）、 β-葡萄糖苷酶（x6）和過氧化氫酶（x7）彼此之間也表現(xiàn)出了極顯著正相關（P＜0.01）； SMBC 和SMBN均與土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶呈極顯著正相關（P＜0.01），與蔗糖酶顯著正相關（P＜0.05）；SMBP與土壤7種酶均極顯著正相關（P＜0.01）。

表3 土壤微生物量碳氮磷和土壤酶的相關性分析Table 3 Correlation between soil microbial biomass carbon,nitrogen,phosphorus and soil enzyme

2.4 不同栽培模式下土壤微生物量和土壤酶的逐步回歸分析和通徑分析

對SMBC相關的7個土壤酶經(jīng)逐步回歸分析，剔除次要影響因素過氧化氫酶（x7）和堿性磷酸酶（x3），剩余的5個酶與SMBC（y1）存在極顯著線性關系，其回歸方程為y1＝754.492x1-18.909x2-13.309x4+311.551x5-48.216x6+72.325，該方程達極顯著水平，檢驗值F＝75.779，R2＝0.952；對SMBN相關的7個土壤酶經(jīng)逐步回歸分析，剔除次要影響因素過氧化氫酶（x7）、蛋白酶（x4）和淀粉酶（x5），剩余的4個酶與SMBN（y2）存在極顯著線性關系，其回歸方程為y2＝98.297x1-3.308x2+36.871x3-5.087x6-5.867，該方程達極顯著水平，檢驗值F＝249.808，R2＝0.981；對SMBP相關的7個土壤酶經(jīng)逐步回歸分析，剔除次要影響因素脲酶（x1）和蛋白酶（x4），剩余的5個酶與 SMBP（y3）存在極顯著線性關系，其回歸方程為y3＝0.817x2+9.170x3+5.215x5+1.130x6-2.459x7+6.289，該方程達極顯著水平，檢驗值F＝273.483，R2＝0.986。

通徑分析（表4）進一步表明：各因素對SMBC的直接通徑系數(shù)按絕對值從大到小排序為脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶和蛋白酶。脲酶對SMBC的直接通徑系數(shù)最大（1.674），有強烈的正直接作用，盡管其他酶表現(xiàn)出對SMBC的負間接作用，但最終表現(xiàn)為正效應；結(jié)合脲酶且SMBC有極顯著相關性，說明脲酶是影響SMBC的主要因素。蔗糖酶、蛋白酶和β-葡萄糖苷酶對SMBC都表現(xiàn)出較大的負效應，但受到其他酶的間接正效應，最終表現(xiàn)為正效應，與相關系數(shù)表現(xiàn)一致。淀粉酶對SMBC直接通徑系數(shù)為0.646，間接通徑系數(shù)總和為0.266，說明淀粉酶通過其他酶使得對SMBC的正效應進一步增強。

表4 土壤相關酶對微生物量碳（y1）的通徑系數(shù)Table 4 Path coefficient of soil related enzymes to microbial carbon（y1）

表5所示：各因素對SMBN的直接通徑系數(shù)按絕對值從大到小排序為脲酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶。脲酶對SMBN的直接通徑系數(shù)很大（1.416），有強烈的正直接作用，盡管其通過其他酶表現(xiàn)出對SMBN的負間接作用，但最終表現(xiàn)為正效應；結(jié)合脲酶與SMBN的極顯著相關性，說明脲酶是影響SMBN的主要因素。蔗糖酶對SMBN呈負效應，但是其通過其他酶的間接正效應，使得最終總和表現(xiàn)為正效應。堿性磷酸酶對SMBN的直接通徑系數(shù)只有0.396，而其通過其他因子對SMBN的間接通徑系數(shù)卻達0.552，說明堿性磷酸酶主要是通過其他酶的間接作用來影響SMBN的。β-葡萄糖苷酶對SMBN表現(xiàn)出直接的負效應，但是其通過其他因子表現(xiàn)出的正效應抵消了直接的負效應，最終表現(xiàn)為很強的正效應。

表5 土壤相關酶對土壤微生物量氮（y2）的通徑系數(shù)Table 5 Path coefficient of soil related enzymes to soil microbial nitrogen（y2）

表6所示：各因素對SMBP的直接通徑系數(shù)按絕對值從大到小排序為蔗糖酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶和淀粉酶。土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶、淀粉酶和β-葡萄糖苷酶對SMBP的直接和間接通徑系數(shù)都為正，說明在土壤中它們對SMBP不僅表現(xiàn)出直接的正效應，還通過其他相關酶來加強這種正效應。過氧化氫酶對SMBP表現(xiàn)出負效應，但是受其他因子較大的間接正效應，最終表現(xiàn)為正效應。

表6 土壤相關酶對土壤微生物量磷（y3）的通徑系數(shù)Table 6 Path coefficient of soil related enzymes to soil microbial phosphorus（y3）

3 討論與結(jié)論

3.1 不同栽培模式對土壤微生物量的影響

本研究中，人工草地建植6 a后，與沙化裸地相比，3種栽培模式下SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)均顯著性增加，從高到低依次為紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播。無芒雀麥單播的土壤微生物量最低，一方面是因為該模式下長期向外輸出生物量而輸入不足（試驗期間未施肥且牧草均定期刈割），導致土壤微生物能源的缺乏；另一方面是因為經(jīng)過連續(xù)多年栽培，無芒雀麥單播土壤養(yǎng)分輸出較多，不利于土壤微生物的生長繁殖，其土壤微生物的儲量和活性均很低。由于紫花苜蓿的生物固氮作用，紫花苜蓿單播和混播可改善土壤養(yǎng)分狀況，提高土壤微生物量。相對于單播，混播模式下植物生長更加旺盛，不僅可以為土壤系統(tǒng)輸入更多的有機殘體，還可以通過改善土壤微生物生長的微環(huán)境，提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)和能源物質(zhì)以提高微生物活性［11］，進而提高土壤微生物量。

本研究中，3種栽培模式下SMBC，SMBN和SMBP質(zhì)量分數(shù)均表現(xiàn)為土壤表層大于亞表層，呈現(xiàn)表聚性。這是因為表層土壤水熱和通氣狀況較好，表層中細根和凋落物的快速周轉(zhuǎn)，有利于微生物生長和繁殖，增強了土壤養(yǎng)分的生物有效性［12］；隨著土層的加深，微生物生境條件變差，微生物生物量的分布受到影響，因而其土壤微生物量明顯低于表層［13］。

3.2 不同栽培模式對土壤酶活性的影響

本研究中，相較于沙化裸地，單播和混播模式下7種土壤酶活性較高，從高到低依次為紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播、沙化裸地，得益于紫花苜蓿和無芒雀麥根茬和根系分泌物對土壤酶活性的促進［14］；紫花苜蓿單播模式大于無芒雀麥單播模式，究其原因，一方面是因為紫花苜蓿的生物固氮作用［15］，對脲酶和蛋白酶活性的影響較大，促進土壤氮素轉(zhuǎn)化；另一方面，紫花苜蓿根系的根瘤菌會提升土壤中的腐殖質(zhì)含量，促進蔗糖酶、淀粉酶和β-葡萄糖苷酶的活性［16］，從而提高土壤碳素轉(zhuǎn)化效率，同時促進堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性［17］，對土壤有機磷轉(zhuǎn)化、土壤微生物活動強度提高均有益。相比而言，紫花苜蓿/無芒雀麥混播對7種土壤酶活性效果更顯著，這可能是混播模式中紫花苜蓿和多年生黑麥草共生，調(diào)節(jié)了其根系分泌和根茬腐解的作用，促進了根系的碳代謝生理，使這7種土壤酶活性處于較高水平，表現(xiàn)出與SMBC，SMBN和SMBP同樣的變化規(guī)律，說明7種土壤酶與SMBC，SMBN，SMBP的關系較為密切。從土壤垂直分布來看，7種土壤酶活性均表現(xiàn)為表層較高，主要是因為表層土壤與大氣相連，其溫度和通透性更好［18］，從而為微生物的良好生長提供更有利的條件［19］。

3.3 SMBC，SMBN，SMBP和土壤酶的相互關系

本研究中，SMBC和SMBN與土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶呈極顯著正相關（P＜0.01），與蔗糖酶呈顯著正相關（P＜0.05）；SMBP與7種酶均呈極顯著正相關（P＜0.01）。分析原因為土壤酶是由土壤中的細菌、真菌和植物根部分泌［20］，直接參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化［9］，其活性在一定程度上能表征土壤生物氧化過程的強弱［6］，反映土壤微生物活動的強度，進而影響土壤微生物量的高低。

本研究通過逐步回歸分析對土壤酶彼此之間的顯著相關關系進行了量化，發(fā)現(xiàn)入選的因子（土壤酶）對SMBC，SMBN，SMBP的決定系數(shù)高達0.952，0.981和0.986，均達極顯著水平，表明篩選的影響因子真實可靠。具體來說，對SMBC的直接貢獻效應因子為脲酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、蔗糖酶和蛋白酶，對SMBN的直接貢獻效應因子為脲酶、蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶，對SMBP的直接貢獻效應因子為蔗糖酶，堿性磷酸酶，β-葡萄糖苷酶，過氧化氫酶和淀粉酶。

3.4 結(jié)論

豫北地區(qū)人工草地建植6 a后，與沙化裸地相比，土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性得到了提高，土層SMBC，SMBN和SMBP的積累明顯，從高到低均依次為紫花苜蓿/無芒雀麥混播、紫花苜蓿單播、無芒雀麥單播；SMBC，SMBN和SMBP與土壤7種酶均呈顯著或極顯著相關；通徑分析表明：脲酶是影響SMBC和SMBN的首要因子，蔗糖酶是影響SMBP的首要因子?？梢?，在豫北地區(qū)實施人工草地建植可以有效改良土壤，紫花苜蓿/無芒雀麥混播是最佳的種植模式。