張 瑞，徐宗學(xué)，王志強(qiáng)

(1.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；2.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

土壤酶是土壤中產(chǎn)生專(zhuān)一生物化學(xué)反應(yīng)的生物催化劑，一般吸附在土壤膠體表面或呈復(fù)合體存在，部分存在于土壤溶液中。土壤酶參與土壤中的各種生物化學(xué)過(guò)程，如腐殖質(zhì)的分解與合成、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物殘?bào)w的分解，及合成有機(jī)化合物的水解與轉(zhuǎn)化等，是土壤生物過(guò)程的主要?jiǎng)恿?，也是土壤能量流通和養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分[1-2]。土壤酶活性大致反映了在某一種土壤生態(tài)狀況下生物化學(xué)過(guò)程的相對(duì)強(qiáng)度，測(cè)定相應(yīng)的酶活性，能夠間接了解某種物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化情況。土壤酶是土壤質(zhì)量和健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中非常重要的指標(biāo)之一，是土壤性狀的重要組成部分[3]，與其他土壤物理化學(xué)性質(zhì)相比，它對(duì)環(huán)境變化更為敏感。研究表明，土壤侵蝕、施肥、作物類(lèi)型、耕作方式和田間管理等都能影響到土壤酶活性[4-6]，而土壤侵蝕是影響土壤酶活性最主要的因素之一。土壤侵蝕會(huì)使土壤酶活性急劇下降[7]，繼而導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力的嚴(yán)重退化[8]，所以研究土壤侵蝕對(duì)土壤酶活性的影響方式和幅度對(duì)于人工干預(yù)侵蝕土壤，恢復(fù)和提高侵蝕土壤生產(chǎn)力具有重要意義。

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的玉米、粳稻等作物生產(chǎn)基地，也是我國(guó)土壤侵蝕較嚴(yán)重的地區(qū)[9]。截至目前，關(guān)于東北黑土區(qū)土壤酶活性的研究主要集中在施肥、作物模式和田間管理對(duì)土壤酶活性的影響方面[10-13]，有關(guān)土壤侵蝕對(duì)土壤酶活性的影響研究較少。陳文婷等[13]對(duì)黑龍江省5種不同有機(jī)質(zhì)含量的黑土農(nóng)田進(jìn)行了研究并得出結(jié)論，在相同的氣候背景、土壤環(huán)境和管理?xiàng)l件下，施肥可以不同程度地提高黑土的養(yǎng)分含量及土壤酶活性。然而，要完全解釋土壤微生物生態(tài)功能的差異性，還需要結(jié)合土壤管理措施、植被生長(zhǎng)情況、土壤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)一步分析研究[14]。米亮等[15]在黑龍江省海倫市的研究顯示，黑土削去10、30 cm表土?xí)r微生物量碳含量分別降低約19%、42%。在現(xiàn)實(shí)生活中土壤侵蝕是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，而人們常使用的削土法使深層土壤一次性暴露，得到的土壤微生物等性質(zhì)可能與自然侵蝕過(guò)程中下層土壤逐漸出露的情況不同，因此采用削土法模擬土壤侵蝕對(duì)土壤性質(zhì)的影響存在一定誤差。為了解決一次性削土法模擬土壤侵蝕對(duì)土壤造成劇烈擾動(dòng)的問(wèn)題，本研究在前期工作中，于2005年通過(guò)模擬耕作與土壤侵蝕對(duì)土壤剖面共同作用的影響過(guò)程，建立了土壤侵蝕與生產(chǎn)力試驗(yàn)小區(qū)[16]，之后持續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，并于2011年大豆收割后采集土樣，初步研究了不同侵蝕程度下土壤微生物及酶活性的變化情況[17]。考慮到不同作物可能反映的土壤酶的特征值不同，不能完全代表所有作物種植情況下的土壤酶活性及其變化情況，因此在前期種植大豆進(jìn)行土壤酶活性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本研究選取種植小麥情況下的土壤樣品進(jìn)行理化性質(zhì)、土壤酶活性的測(cè)定，以期能夠?yàn)闁|北黑土區(qū)作物種植提供參考，也希望能夠從土壤酶活性的角度為不同侵蝕程度土壤的生產(chǎn)力恢復(fù)措施制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處松嫩平原北部丘陵漫崗地帶，位于黑龍江省嫩江縣九三局鶴山農(nóng)場(chǎng)北京師范大學(xué)水土保持科學(xué)試驗(yàn)基地(48°55′59″N、125°17′35″E)，地面坡度大多在5°以?xún)?nèi)。氣候類(lèi)型屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬夏氣溫相差懸殊，年均氣溫為-1.5～0.4 ℃，年無(wú)霜期為115～120 d，年均降水量在470 mm左右，且降水量主要集中在6—9月。在黑土開(kāi)墾之前，自然植被為溫帶半濕潤(rùn)草原化草甸植被，主要土壤類(lèi)型為典型黑土，土層厚度一般為30～100 cm，主要作物為大豆、玉米和小麥。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)與作物種植

本研究是在2005年建立的不同侵蝕程度的田間試驗(yàn)小區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。該小區(qū)試驗(yàn)設(shè)侵蝕程度(侵蝕深度)和施肥兩個(gè)因素，其中侵蝕程度分別為0、10、20、30、40、50、60、70 cm共8個(gè)水平，施肥設(shè)當(dāng)?shù)赝扑]的田間施肥和未施肥兩個(gè)水平，這兩個(gè)因素組合成16個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。按照完全隨機(jī)區(qū)組的設(shè)計(jì)方法，將試驗(yàn)小區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組設(shè)置2行試驗(yàn)小區(qū)，每行8個(gè)小區(qū)，共48個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的面積為16 m2(4 m×4 m)，小區(qū)之間間隔2 m，小區(qū)邊緣留有水道以防積水，四周插有高20 cm的鐵皮，以免小區(qū)內(nèi)的土壤與四周土壤混合(圖1)。試驗(yàn)小區(qū)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[16,18]。

圖1 小區(qū)布設(shè)示意

注：圖中3 個(gè)區(qū)組為不同侵蝕程度試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)中A表示施肥小區(qū)，B表示未施肥小區(qū)，右下角數(shù)字代表侵蝕程度，虛線表示埋于地下的排水管道[16-18]。

試驗(yàn)小區(qū)作物種植采取大豆與小麥輪作的方式(大豆—大豆—大豆—小麥—大豆)，大豆、小麥的播種、收獲及施肥等均與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)進(jìn)程保持同步，每年的5月中旬播種，大豆于9月末收獲，小麥于8月末收獲，播種與收獲均由人工操作。小麥的種植密度為600萬(wàn)穗/hm2，大豆的種植密度為45 萬(wàn)粒/hm2。施肥小區(qū)的施肥量折合成N2、P2O5、K2O的施用量分別為46、60、14 kg/hm2，均在播種時(shí)攪拌均勻一次性施入，所有的小區(qū)均不進(jìn)行灌溉。

2.2 土壤樣品采集與測(cè)定

于2015年8月采集0～20 cm的表層土壤樣品，當(dāng)月進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析。2015年種植作物為小麥。采樣時(shí)用土鉆取試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)均勻分布的9個(gè)采樣點(diǎn)的土樣，然后將采集的9個(gè)土壤樣品進(jìn)行充分混合，攤在塑料布上，并用鑷子剔除植物殘?bào)w、石塊。先取約200 g裝入滅菌袋內(nèi)，置于4 ℃便攜式冰箱中冷藏，用于測(cè)定土壤酶活性，再取一部分風(fēng)干、磨碎并過(guò)篩，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

土壤酶活性的測(cè)定內(nèi)容包括過(guò)氧化氫酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶活性。過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法[19]，脲酶活性測(cè)定采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[20]，β-葡萄糖苷酶活性采用對(duì)硝基苯酚比色法[21]，纖維素酶活性測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[22]。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮含量均按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[23]，即：土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量—外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷采用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗比色法；全鉀采用NaOH熔融—火焰光度法；速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAc 浸提—火焰光度法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散—硼酸滴定法。為盡可能消除誤差，試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，以保證試驗(yàn)精度。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 17.0、Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、繪圖及相關(guān)性分析，進(jìn)而確定相應(yīng)變量之間的關(guān)系。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量

土壤測(cè)定結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著侵蝕程度的增加顯著降低，并呈指數(shù)降低趨勢(shì)(圖2)。這表明土壤侵蝕前期，即在侵蝕程度達(dá)30 cm之前，土壤有機(jī)質(zhì)含量降幅較大；當(dāng)侵蝕程度大于30 cm 后降幅減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。施肥與未施肥小區(qū)的降低趨勢(shì)基本一致，均隨侵蝕程度的增加而降低，只是施肥土壤中的有機(jī)質(zhì)含量略高于未施肥土壤。相比未侵蝕(侵蝕程度為0)，侵蝕程度達(dá)70 cm時(shí)，施肥土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降了50.47%，未施肥土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降了54.97%。

圖2 土壤有機(jī)質(zhì)含量隨侵蝕程度的變化趨勢(shì)

3.2 土壤氮、磷、鉀含量

圖3為施肥和未施肥土壤中氮、磷、鉀含量隨土壤侵蝕程度的變化趨勢(shì)。由圖3知，施肥和未施肥土壤中全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮含量均隨土壤侵蝕程度的增加而減少。相比未侵蝕，侵蝕程度為70 cm時(shí)，施肥土壤中全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮含量分別下降了67.1%、20.2%、55.8%、42.2%、42.36%，未施肥土壤中全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮含量分別下降了65.4%、24.5%、56.1%、35.4%、35.41%。在侵蝕程度為0～10、30～40 cm時(shí)，同一侵蝕程度下的施肥和未施肥土壤速效鉀含量差值均大于12 mg/kg，侵蝕程度為50～70 cm時(shí)差值小于5 mg/kg。當(dāng)侵蝕程度為0～30、60～70 cm時(shí)，土壤堿解氮含量明顯下降，且施肥土壤中堿解氮含量高于未施肥土壤的堿解氮含量；當(dāng)侵蝕程度為40～50 cm時(shí)，未施肥土壤中堿解氮含量高于施肥土壤中堿解氮含量。土壤全鉀含量隨著侵蝕程度的增加而增加，當(dāng)侵蝕程度從未侵蝕增加到70 cm時(shí)，施肥與未施肥土壤中全鉀平均含量相差約0.56 g/kg。

圖3 土壤氮、磷、鉀含量隨土壤侵蝕程度的變化趨勢(shì)

3.3 土壤酶活性隨侵蝕程度的變化

酶促反應(yīng)對(duì)溫度、pH值及底物狀況等外部環(huán)境有著較為苛刻的要求，土壤侵蝕造成了土壤環(huán)境狀態(tài)的改變，當(dāng)然也會(huì)對(duì)土壤酶活性造成影響。植物的根系及枯枝落葉的細(xì)胞裂解也能夠釋放出一定量的土壤酶，土壤侵蝕在影響植物生長(zhǎng)的同時(shí)也間接導(dǎo)致了土壤酶活性的變化。

土壤酶活性隨侵蝕程度的增加呈指數(shù)降低趨勢(shì)(圖4，表1)。土壤侵蝕對(duì)土壤酶活性的影響達(dá)到極顯著水平(表2)。研究顯示，與未侵蝕相比，當(dāng)侵蝕程度達(dá)到70 cm時(shí)，過(guò)氧化氫酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶活性在施肥土壤中分別下降了69%、72%、72%、61%，在未施肥土壤中分別下降了64%、76%、74%、63%。除個(gè)別波動(dòng)外，施肥土壤和未施肥土壤的降低趨勢(shì)基本一致，都呈指數(shù)降低趨勢(shì)。過(guò)氧化氫酶廣泛存在于生物體中，其活性能夠表征土壤的氧化還原反應(yīng)和微生物的活動(dòng)強(qiáng)度，而過(guò)氧化氫酶活性隨侵蝕程度增加而降低，表明侵蝕嚴(yán)重影響了土壤生物化學(xué)過(guò)程；纖維素酶主要參與纖維素、木質(zhì)素等大分子的降解，能夠推動(dòng)土壤腐殖質(zhì)的合成，與土壤碳素循環(huán)密切相關(guān)，隨侵蝕程度增加其活性降低，表明土壤侵蝕嚴(yán)重影響了土壤纖維素的降解和腐殖質(zhì)的合成；β-葡萄糖苷酶主要參與纖維二糖等糖苷類(lèi)有機(jī)物的降解，與土壤碳素循環(huán)密切相關(guān)，隨侵蝕程度增加其活性降低，表明侵蝕嚴(yán)重影響了土壤肥力和有機(jī)質(zhì)的形成；脲酶主要參與尿素、氨基酸等的分解，與土壤氮素循環(huán)密切相關(guān)，其活性隨侵蝕程度增加而降低，表明土壤侵蝕影響了土壤氮素循環(huán)。

圖4 隨侵蝕程度增加過(guò)氧化氫酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶活性的變化趨勢(shì)

土壤酶施肥未施肥過(guò)氧化氫酶y=32.153e-0.019xR2=0.945 4??y=24.43e-0.016xR2=0.947 1??纖維素酶y=324.21e-0.019xR2=0.98??y=299.55e-0.02xR2=0.946 8??β-葡萄糖苷酶y=42.179e-0.019xR2=0.943 7??y=37.99e-0.019xR2=0.916 6??脲酶y=16.526e-0.016xR2= 0.935 7??y=14.329e-0.015xR2= 0.861 8??

注：標(biāo)“**”號(hào)表示在0.01 水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)，下同。

表2 土壤侵蝕對(duì)土壤酶活性的影響

3.4 土壤有機(jī)質(zhì)含量、酶活性與土壤侵蝕程度的相關(guān)性分析

表3為土壤侵蝕程度與土壤酶活性的相關(guān)系數(shù)矩陣。由表3知，在施肥和未施肥土壤小區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量和過(guò)氧化氫酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶活性與土壤侵蝕程度均成負(fù)相關(guān)，其余各因素之間成正相關(guān)。在施肥小區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量和過(guò)氧化氫酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性的決定系數(shù)分別為0.89、0.92、0.95、0.88、0.89；在未施肥小區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量和過(guò)氧化氫酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性的決定系數(shù)分別為0.85、0.93、0.94、0.84、0.86。施肥和未施肥土壤中，纖維素酶活性的決定系數(shù)均為最高。

表3 土壤侵蝕程度與土壤酶活性的相關(guān)系數(shù)矩陣

3.5 施肥對(duì)土壤酶活性的影響

利用配對(duì) T 檢驗(yàn)比較了施肥小區(qū)和未施肥小區(qū)土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、?-葡萄糖苷酶、纖維素酶活性的差異，結(jié)果見(jiàn)表4。施肥對(duì)不同土壤酶的作用存在一定差異，整體上施肥對(duì)土壤酶活性有提高作用，但是提高幅度較小，可見(jiàn)低量施肥對(duì)提高土壤酶活性的作用有限。

表4 施肥對(duì)土壤酶活性的影響

注：表中同一行數(shù)字后字母相同代表無(wú)顯著性差異，字母不同代表有顯著性差異(P<0.05)。

4 討 論

土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，土壤酶活性的下降將不可避免地影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機(jī)質(zhì)礦化。與其他許多研究結(jié)果一樣，土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致黑土養(yǎng)分流失、酶活性降低[24]。施肥是一種很重要并很受歡迎的措施，能夠直接增加土壤肥力和提高作物產(chǎn)量，同時(shí)作物的凋落物又間接改善了土壤肥力[25]。本研究結(jié)果顯示，施肥和未施肥土壤的土壤酶活性與侵蝕程度均成負(fù)相關(guān)，但與其他研究成果不同的是，施肥并不能使酶活性顯著增加[26]。長(zhǎng)期大量施肥會(huì)對(duì)土壤微生物性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響，但是在我們的研究中由于施肥量相對(duì)較低且持續(xù)時(shí)間較短，加之還有許多其他因素可能影響到土壤酶活性，因此出現(xiàn)了這樣的研究結(jié)果，未來(lái)我們需要進(jìn)一步探究土壤生物過(guò)程中施肥對(duì)其他環(huán)境因素的影響，如植被、土壤類(lèi)型、氣候等。關(guān)于土壤全鉀含量隨著侵蝕程度的增加而增加，與侵蝕程度呈正相關(guān)，且施肥與未施肥小區(qū)土壤全鉀含量差異顯著的結(jié)果，其原因可能與試驗(yàn)小區(qū)原始土壤母質(zhì)全鉀含量背景值或鉀元素的下移有關(guān)，需要我們繼續(xù)觀察和分析。

5 結(jié) 論

本研究對(duì)東北黑土區(qū)8個(gè)侵蝕程度(0、10、20、30、40、50、60、70 cm)和兩種施肥處理(施肥和未施肥)試驗(yàn)小區(qū)的土壤性質(zhì)和酶活性進(jìn)行了測(cè)定與分析，主要結(jié)論如下：

(1)施肥和未施肥小區(qū)土壤中全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮含量均隨土壤侵蝕程度的增加而下降，而土壤全鉀含量隨著侵蝕程度的增加而增加，與侵蝕程度呈正相關(guān)。

(2)所有土壤酶活性隨侵蝕程度增加均呈指數(shù)降低趨勢(shì)。相比未侵蝕，侵蝕程度達(dá)70 cm時(shí)，過(guò)氧化氫酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶活性在施肥土壤中分別下降了69%、72%、72%、61%，在未施肥土壤中分別下降了64%、76%、74%、63%。

(3)化肥的施用對(duì)土壤酶活性提高作用有限。