來幸樑，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)物后反過來又促進(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改變根系分泌物、微生物和酶促底物實(shí)現(xiàn)?；⒌骡暤萚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)、營養(yǎng)學(xué)和生長發(fā)育特征，通過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?；诖耍驹囼?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)土壤過氧化氫酶活性的影響

2.4.1 混播組合對(duì)土壤過氧化氫活性影響 土壤過氧化氫酶活性均為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，土壤過氧化氫酶活性降低。

圖7 不同單播及混播組合土壤過氧化氫酶活性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)過程，主要來源是腐殖質(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)化為無機(jī)態(tài)磷、蔗糖酶參與有機(jī)碳的循環(huán)、過氧化氫酶能分解生物呼吸和生化反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫[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芒雀麥混播，鴨茅和苜?；驘o芒雀麥混播土壤蔗糖酶和土壤過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+無芒雀麥1∶1土壤脲酶活性最高，較2∶1混播提高了0.63%，說明1∶1混播紫花苜蓿與禾草處于一種協(xié)同生長的狀態(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，降低了過氧化氫酶活性，避免了較高的過氧化氫對(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+無芒雀麥混播處理土壤脲酶、過氧化氫酶活性最高，且1∶1混播時(shí)土壤酶活性高于其他比例，說明紫花苜蓿與無芒雀麥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+無芒雀麥混播土壤具有較高的脲酶、過氧化氫酶活性且按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。