崔振波 曹成有 耿莉

摘要 [目的] 為了探討不同利用方式對草甸草地土壤質(zhì)量的影響。[方法] 選擇科爾沁沙地西部地區(qū)天然草地、林地、開墾4年的玉米地、開墾20年的玉米地和水稻田5利用方式為對象，研究了0～10 cm和10～30 cm土層中土壤酶活性。[結(jié)果] 不同土地利用方式、不同土層深度對土壤酶活性具有極顯著影響。土壤脲酶、蛋白酶、磷酸單酯酶、硝酸還原酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、脫氫酶的活性在草地和林地中活性較高且0～10 cm土層>10～30 cm土層；在4年和20年玉米地中土層間差異不顯著；水田中的多酚氧化酶、脲酶、磷酸單酯酶、硝酸還原酶和蔗糖酶均表現(xiàn)出0～10 cm土層活性顯著低于10～30 cm土層。[結(jié)論]總體來看，天然草地和林地中土壤酶活性維持較高水平，具有持續(xù)的生產(chǎn)能力，而墾荒（包括開發(fā)水田）后土壤質(zhì)量下降，而且易引起土地沙化。

關(guān)鍵詞 土地利用方式；土壤生物活性；土壤酶

中圖分類號 S154 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）05-113-04

Effects of Different Land Use of Meadow Grassland on Soil Biological Activities of Horqin Region

CUI Zhenbo， CAO Chengyou， GENG Li

（Faculty of Science and Health，Northeastern University，Shenyang， Liaoning 110004）

Abstract [Objective] The research aimed to determine the effects of different land use of meadow grassland on the biological activities of meadow soil. [Method] The enzyme activities were analyzed with five typical land use in western Horqin Sandy Land. Soil samples at the depth of 0-10 and 10-30 cm from natural grassland， forestry field， 4year corn filed， 20year corn filed and paddy field were determined. [Result] Different land use and soil depths had significant influence on the enzyme activities. The activities of soil protease， urease， saccharase， phosphomonoesterase， polyphenoloxpdase， nitrate reductase and dehydrogenase of forest land and grassland were higher than those of other land use type， and the value in 0-10 cm was higher than that in 10-30 cm. However the difference between the two depth of 4year and 20year cornfields werent significant. The activities of phosphomonoesterase， saccharase， urease， polyphenol oxidase， and nitratereductase of paddy field were significantly lower in 0-10 cm layer than those in 10-30 cm layer. [Conclusion] On the whole， the soil enzyme activities were at high levels， therefore the continuable production ability was present in natural grassland and forestry field. Along with land reclamation， including paddy field， soil quality descended and was easily eroded to desertification. Therefore returning farmland to forests or grassland is one of the feasible ways of restoration of land productivity in this region.

Key words Land use type；Soil biological activity；Soil enzyme

作者簡介 崔振波（1979- ），男，遼寧沈陽人，實驗師，碩士，從事微生物生態(tài)學(xué)方面的研究。

收稿日期 20141229

土壤酶系統(tǒng)是土壤中生物活性最強的部分。它參與土壤的發(fā)生、發(fā)育及土壤肥力形成和演變的全過程。不同植物的根系在生長發(fā)育過程中的分泌物、死亡根茬的礦化分解及不同的土地利用、耕作和管理方式等都會影響土壤酶活性[1]。土壤酶一方面與土壤肥力有著極密切的關(guān)系，另一方面能反映土壤的生物學(xué)狀態(tài)，在土壤生物學(xué)過程中有重要的意義[2]。由土壤微生物生命活動和植物根系產(chǎn)生的土壤酶不但在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化過程中起主要作用，而且通過它對進入土壤的多種有機物質(zhì)和有機殘體產(chǎn)生的生命化學(xué)轉(zhuǎn)化，使得生態(tài)系統(tǒng)的各組分間有功能上的聯(lián)系，從而保持土壤生物化學(xué)的相對穩(wěn)定狀態(tài)。土壤酶作為表征土壤肥力的一個重要指標(biāo)，與土壤各肥力因素間有著密切的聯(lián)系，并且受環(huán)境條件的影響而變化[3]。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

科爾沁沙地是我國東北西部東西長達400余km的一條大沙帶，總面積5.17萬km2。該地區(qū)是我國北方典型的農(nóng)牧交錯地區(qū)，是傳統(tǒng)的宜牧地區(qū)。進入20世紀(jì)以來，由于受到干旱多風(fēng)等氣候因素和“濫墾、濫砍、濫伐”等人為活動的影響，生態(tài)環(huán)境發(fā)生急劇變化。目前，原生植被已被破壞殆盡，植被表現(xiàn)出強烈的次生性，大部分已演變?yōu)樯成脖缓筒莸橹脖弧５貛酝寥乐饕獮樯迟|(zhì)栗鈣土，在風(fēng)的作用下目前大部分退化為風(fēng)沙土。沙漠化引發(fā)的生態(tài)問題已對我國東北和華北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)安全以及社會穩(wěn)定等構(gòu)成威脅[4-6]。該研究地區(qū)位于科爾沁沙地西部，內(nèi)蒙古自治區(qū)翁牛特旗風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重的烏蘭敖都地區(qū)（43°2′ N，119°39′ E），海拔480 m。該地區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，氣候干燥，風(fēng)沙大且頻繁。年均風(fēng)速4.5 m/s，每年起風(fēng)沙日數(shù)200 d以上，8級以上大風(fēng)數(shù)為75.3 d。年平均降水340.5 mm，多集中在7～8月，年蒸發(fā)量2 500 mm左右。年平均溫度6.4℃，無霜期約130 d。主要土壤類型有風(fēng)沙土、生草沙土、草甸土和鹽堿土[5]

1.2 采樣方法

選取有代表性的5種土地利用方式作為研究對象，包括天然草甸草地、林地、開墾20年以上玉米地、新開墾玉米地（4年）和開墾水田（4年）。每種土地利用方式作為一個處理，在研究地區(qū)用土鉆采集土壤樣品，5個處理分別分兩層取樣，深度分別為0～10、10～30 cm。為減少樣地間地形、氣候差異，盡量選擇地形要素、環(huán)境條件、土壤類型相同的地段，采取5點混合取樣，3次重復(fù)。樣品采集后，測定酶活性，同時進行數(shù)據(jù)處理和分析。

1.3 土壤酶活性的測定方法

脲酶（UA）活性采用氨釋放量比色法測定[7] ；蔗糖酶（SAA）活性采用3，5二硝基水楊酸比色法測定[8-9] ；磷酸單酯酶（PMA）活性采用對硝基苯磷酸鹽法測定[10] ；硝酸還原酶（NRA）活性采用嫌氣培養(yǎng)比色法方法測定[11]；脫氫酶（DHA）活性采用氯代三苯基四氮脞（TTC）法測定[9] ；多酚氧化酶（POA）活性用鄰苯二酚比色法測定[12]；蛋白酶（PRA）活性采用Fo lin酚比色法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 11.5統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析、多重比較和線性回歸（0.05顯著性水平）；同時，Microsoft Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酶活性的方差分析

從表1可以看出，不同土地利用方式對7種土壤酶活性均具有顯著影響；在不同的土層深度，7種酶都呈現(xiàn)顯著性差異。不同的利用方式、不同的土層深度兩因素都是不同植物生長條件的表觀體現(xiàn)。分析其本質(zhì)作用，反映土壤酶與植物生長之間存在必然的內(nèi)在聯(lián)系。方差分析結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果保持高度的一致性。曹成有等[13]研究表明，在流動沙地上種植適生的喬木、灌木和半灌木22年后，土壤磷酸單酯酶、脲酶、蛋白酶和脫氫酶活性均明顯提高，但是不同植物種類對土壤酶活性的影響程度差異較大。孫啟祥等[14]研究表明，在不同土地利用方式下，土壤酶活性不同。曹成有等[15]在固定沙地到流動沙地的退化過程的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤水解酶如脲酶、蛋白酶、磷酸單酯酶、蔗糖酶和土壤氧化還原酶如多酚氧化酶、脫氫酶和硝酸還原酶的活性都在退化過程中表現(xiàn)出下降趨勢，土壤酶對土壤沙化程度非常敏感。酶在所有有機體的生物化學(xué)反應(yīng)中均起著重要的作用。土壤中所進行的各種各樣的、復(fù)雜的生物化學(xué)過程也必然與土壤酶活性相關(guān)。長期定位試驗結(jié)果[16-17]表明，土壤酶活性在識別不同土壤管理措施（如殘留物管理、土壤壓實、耕作、作物輪作、施肥等）的效果時比較敏感，尤其是對施肥效果的反應(yīng)更明顯，因而研究土壤酶活性的變化，將有助于了解土壤肥力的現(xiàn)狀和演化規(guī)律。

2.2 草地不同利用方式對蛋白酶活性的影響

蛋白酶（肽水解酶）能酶促蛋白物質(zhì)和肽水解成氨基酸，因此土壤中蛋白酶活性與土壤中氮素營養(yǎng)的轉(zhuǎn)化狀況有極其重要的關(guān)系。從圖1可以看出，蛋白酶活性在不同利用方式下隨著土層深度的增加而減少，在不同利用方式下0～10 cm土層的蛋白酶活性分別是20～30 cm土層的2.00、3.37、1.00、1.13、4.20倍。草地表層土壤酶活性最大，20年玉米地和水田土壤酶活性相對較低。玉米地和水田在人為因素干擾下下經(jīng)常翻耕利用，礦物質(zhì)頻繁流失，土壤中的營養(yǎng)元素失去平衡，從而導(dǎo)致蛋白酶活性低于天然草地和林地。這種翻耕措施也導(dǎo)致表層和深層土壤間不斷進行著空間交換和營養(yǎng)物質(zhì)交換，表現(xiàn)出酶活性在兩層間的差異減小。還可以看出，草地和林地處在人為因素干擾較少的自然狀態(tài)下，表層土中酶活性與深層土壤以及其他利用方式同層土壤酶活性相比具有顯著差異，隨著開發(fā)利用的程度逐漸加深和土層深度的加深，這種變化趨勢趨于平緩。

2.3 草地不同利用方式對多酚氧化酶活性的影響

多酚氧化酶參加腐殖質(zhì)組分中芳香族有機化合物的轉(zhuǎn)化。測定土壤多酚氧化酶活性，能在一定程度上了解土壤腐殖化進程。5種土地利用方式下多酚氧化酶的活性值范圍在2.64～8.62 mmol/（kg·10 min）之間。從圖2可以看出，在0～10 cm土層中，林地活性最高，玉米地和草地含量之間差異不顯著。最大值出現(xiàn)在20年玉米地的10～30 cm土層，是同層其他利用方式的1.00～1.70倍。在草地、20年玉米地和水田中，均呈現(xiàn)隨著土層深度的增加酶活性含量逐漸降低的趨勢。而在林地和4年玉米地中正相反。不同利用方式下多酚氧化酶活性變化的總體趨勢并不明顯。這說明不同的土地利用和管理方式改變了多酚氧化酶發(fā)生作用的條件。這種影響不僅僅體現(xiàn)在單一的土壤攪動或植被蓋度上，很可能是多個因素綜合作用的結(jié)果。

2.4 草地不同利用方式對磷酸單酯酶活性的影響

磷酸酶是一種水解性酶，是由活的生物體合成的對有機磷具有專性催化作用的蛋白質(zhì)。酶促作用能夠加速有機磷的脫磷速度，提高土壤磷素的有效性。磷酸酶是誘導(dǎo)酶。它對地球上磷的生物地球化學(xué)循環(huán)起著重要作用，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性，是一個表示土壤管理系統(tǒng)效果和土壤有機質(zhì)含量的重要指標(biāo)[18]。從圖3可以看出，磷酸單酯酶活性由高到低的順序依次是林地、草地、4年玉米地、20年玉米地和水田，表現(xiàn)出隨著土地利用程度加強而逐漸降低的趨勢。林地0～10 cm土層的酶活性分別是其他利用方式下0～10 cm土壤酶活性的1.09、3.39、4.68和5.62倍；10～30 cm土層該比值分別為1.15倍、2.19倍、2.70倍和4.00倍。有文獻顯示，森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)會導(dǎo)致土壤退化，土壤磷酸單脂酶活性降低[19]。這與該研究結(jié)果相符。在4年玉米地、20年玉米地和水田3種耕地土壤中，10～30 cm土層磷酸單酯酶活性比0～10 cm土層略有升高但變化幅度很小，統(tǒng)計學(xué)上無顯著差異。天然草地系統(tǒng)經(jīng)過人為轉(zhuǎn)變成耕地后，土層間機械攪動增加，使得土層間養(yǎng)分和物理性質(zhì)差異減小。土壤磷酸單酯酶活性隨著土地利用強度的增加而迅速減小，垂直分布變化趨勢也受到同樣的影響。

2.5 草地不同利用方式對脲酶活性的影響

脲酶活性與土壤供N能力有密切的關(guān)系，對施入土壤尿素利用率的影響很大。研究脲酶活性，將有助于更好地了解土壤氮素的轉(zhuǎn)化進程[20]。土壤脲酶活性與土壤的微生物數(shù)量、有機物質(zhì)含量、全氮和速效磷呈正相關(guān)，根際土壤脲酶活性較高，中性土壤脲酶活性高于堿性土壤，而堿性土壤和富含碳酸鹽的土壤僅有較低的脲酶活性。人們常用土壤脲酶活性表征土壤的氮素情況[2]。

圖4比較了脲酶在不同利用方式下的垂直分布規(guī)律。林地土壤脲酶活性最高，0～10 cm層和10～30 cm層分別達到263.64和260.19 mg/（kg·h），是其他幾種利用方式的1.40～1.80倍。脲酶活性的高低可以作為評價土壤氮素的指標(biāo)之一。這些數(shù)據(jù)從該角度表明林地土壤中氮素情況較好。林地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，不斷有枯枝落葉腐敗后作為天然的有機肥料補充到土壤中，植物與土壤間物質(zhì)交換進入良性循環(huán)。

草地和林地土壤均表現(xiàn)出隨土層加深而含量降低的趨勢，但降低的幅度非常小。經(jīng)方差分析，P值分別為0.182和0.705，表明在草地和林地中土層深度對脲酶活性無顯著性影響。

在4年玉米地、20年玉米地和水田3種耕地利用方式下土壤脲酶活性均高于天然草地，且表現(xiàn)為表層土壤脲酶活性低于10～30 cm土層，土層深度對酶活性影響的方差分析P值分別為0.144、0.035和0.001，說明只有20年玉米地和水田2種利用方式下脲酶的垂直分布有顯著性差異。通常，土壤酶活性在表層土壤中相對較高，脲酶也不例外。該研究顯示，在3種耕地利用方式中，垂直分布規(guī)律與此相反。從影響脲酶活性的因素分析，最具理論支持的原因應(yīng)該是施肥的影響。研究表明，長期合理施用氮磷鉀可以增強脲酶活性。從氮的配施比例來看，尿素施用量增加，脲酶活性增大，脲酶活性達到平衡之前，土壤脲酶活性隨尿素量的增加而增加。土壤模擬試驗也表明，隨著施尿素量增加，脲酶活性增大，但高于一定量時，酶活性降低直至檢測不到脲酶活性。在高氮和高磷常氮處理時，脲酶活性受到抑制[20]。研究中，3種耕地利用方式由于人為干擾造成土壤退化，脲酶活性按規(guī)律應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于草地和林地等利用方式，但脲酶活性在3種耕地中的活性均與草地中的水平接近。這個結(jié)論符合施肥對脲酶活性的影響規(guī)律。供試土樣采自8月份，正值夏季莊稼生長旺盛的關(guān)鍵季節(jié)。此時大量施肥很可能是出現(xiàn)該情況的原因。

2.6 草地不同利用方式對脫氫酶活性的影響

脫氫酶是土壤中的主要酶類之一，能酶促有機物脫氫，起著氫的中間傳遞體的作用。它可以作為氫的供體，能自基質(zhì)中析出氫而進行氧化作用。國內(nèi)外研究表明，不同環(huán)境下不同土壤的脫氫酶活性有一定差異，其活性可較好地表征土壤微生物活性的高低，同時也可用于簡單的毒性檢測以及作為重金屬污染監(jiān)測的指示物[2]。

圖5顯示，供試土壤脫氫酶活性在不同土層和不同利用方式下表現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律，0～10 cm土層中的活性在0.05水平顯著高于10～30 cm土層，在同一土層水平下酶活性隨著土地利用強度的增加而逐漸減少，但在3種耕地利用方式下變化趨勢趨于平緩。酶活性最高值出現(xiàn)在天然草地的0～10 cm土層，達到109 mg/（kg·h），分別是林地、4年玉米地、20年玉米地和水田的1.62倍、5.29倍、7.38倍和6.53倍，在10～30 cm土層中，該比例分別是3.48倍、6.14倍、5.82倍和13.01倍。從對土壤脫氫酶影響的總體效果來看，草地 > 林地 > 4年玉米地 > 20年玉米地 > 水田。這些數(shù)據(jù)表明不同利用方式對土壤脫氫酶活性有顯著的影響。

2.7 草地不同利用方式對硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶能酶促土壤中硝態(tài)氮還原成氨，在氮素循環(huán)中起到非常重要的作用[2]。

圖6顯示了硝酸還原酶活性在不同利用方式間的變化趨勢。除水田以外都表現(xiàn)出0～10 cm土層活性較高，草地0～10 cm土層酶活性最高，分別是林地、4年玉米地、20年玉米地和水田的3.04倍、2.46倍、2.76倍和4.80倍。

林地和天然草地在科爾沁沙地被廣泛認(rèn)為土壤理化性質(zhì)較好和生物活性較高的土地類型。但除草地表層土壤外，硝酸還原酶的活性在圖6中并未表現(xiàn)出優(yōu)勢而是略低于耕地的平均水平，表明耕地土壤的管理利用方式能提高硝酸還原酶的活性。張玉蘭等[20]對潮棕壤稻田不同氮磷肥配施對土壤酶活性、生產(chǎn)力影響的研究顯示，低氮處理過的土壤硝酸還原酶活性增強9%～10%，高氮常磷處理增加7%，而常氮常磷處理增加29%。該試驗結(jié)果說明，向土壤中添加氮磷肥料對硝酸還原酶通常有激活作用，增量施用時沒有顯著影響，可就此推斷5種利用方式中3種農(nóng)田在管理利用過程中由于人為施肥的因素可激活硝酸還原酶活性，表現(xiàn)出高于原生態(tài)土壤的趨勢。林地表層土壤與草地相比酶活性偏低可能與脲酶活性偏高有一定的關(guān)聯(lián)。硝酸還原酶和脲酶都是在氮素循環(huán)中起關(guān)鍵作用的酶。脲酶的專一性底物尿素最主要來源之一就是植物殘體。這恰恰是林地最為豐富的天然有機肥料，林地中脲酶的高活性使得土壤中氨態(tài)氮來源豐富，可能因此使作為誘導(dǎo)酶的硝酸還原酶活性偏低。

2.8 草地不同利用方式對蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶是研究的較多的一種酶。它能酶促蔗糖分子中果糖殘基內(nèi)β葡萄糖苷碳原子處的鍵裂解，使得蔗糖水解成葡萄糖和果糖。有研究證明，蔗糖酶與土壤許多因子有相關(guān)性[16]。在一般情況下，土壤肥力越高，蔗糖酶活性越強。蔗糖酶（轉(zhuǎn)化酶）是表征土壤生物學(xué)活性強度的重要酶。土壤中腐殖質(zhì)、水溶性有機質(zhì)和黏粒含量以及微生物數(shù)量及其活動呈正相關(guān)。隨著土壤熟化程度的提高，蔗糖酶（轉(zhuǎn)化酶）的活性亦增強，常用于評價土壤熟化程度和肥力水平。隨著土壤熟化程度提高，蔗糖酶的活性亦增強[2]。

從圖7可以看出，0～10 cm土層蔗糖酶活性呈現(xiàn)出隨人為利用強度增加而逐漸減少的規(guī)律，活性遞減順序為草地 > 林地 > 4年玉米地 > 20年玉米地 > 水田。草地表層土壤中活性值為16.89 mg/（kg·24h），是10～30 cm土層的3.26倍，林地中該比值則達到4.36倍。這一結(jié)果表明，在自然狀態(tài)下土層深度對蔗糖酶活性有顯著性影響。在自然植被下，由于上層土壤腐殖質(zhì)含量高，土壤動植物、微生物活躍，土壤代謝旺盛，蔗糖酶活性較高。隨著土層的加深，蔗糖酶活性降低。

3 結(jié)論

在草地和林地中土壤脲酶、蛋白酶、磷酸單酯酶、硝酸還原酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、脫氫酶活性總體呈現(xiàn)較高水平且0～10 cm土層活性較高，10～30 cm土層大幅度下降；在4年和20年玉米地中土層間差異不顯著；水田中的多酚氧化酶、脲酶、磷酸單酯酶、硝酸還原酶和蔗糖酶均表現(xiàn)出0～10 cm土層活性顯著低于10～30 cm土層。

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責(zé)任編輯 陳玉敏 責(zé)任校對 李巖