东北黑土区土壤侵蚀对土壤酶活性的影响

张 瑞，徐宗学，王志强

(1.北京师范大学 水科学研究院，北京 100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875；3.北京师范大学 地理学与遥感科学学院，北京 100875)

土壤酶是土壤中产生专一生物化学反应的生物催化剂，一般吸附在土壤胶体表面或呈复合体存在，部分存在于土壤溶液中。土壤酶参与土壤中的各种生物化学过程，如腐殖质的分解与合成、动植物残体和微生物残体的分解，及合成有机化合物的水解与转化等，是土壤生物过程的主要动力，也是土壤能量流通和养分循环的重要组成部分[1-2]。土壤酶活性大致反映了在某一种土壤生态状况下生物化学过程的相对强度，测定相应的酶活性，能够间接了解某种物质在土壤中的转化情况。土壤酶是土壤质量和健康评价指标体系中非常重要的指标之一，是土壤性状的重要组成部分[3]，与其他土壤物理化学性质相比，它对环境变化更为敏感。研究表明，土壤侵蚀、施肥、作物类型、耕作方式和田间管理等都能影响到土壤酶活性[4-6]，而土壤侵蚀是影响土壤酶活性最主要的因素之一。土壤侵蚀会使土壤酶活性急剧下降[7]，继而导致土壤生产力的严重退化[8]，所以研究土壤侵蚀对土壤酶活性的影响方式和幅度对于人工干预侵蚀土壤，恢复和提高侵蚀土壤生产力具有重要意义。

东北黑土区是我国重要的玉米、粳稻等作物生产基地，也是我国土壤侵蚀较严重的地区[9]。截至目前，关于东北黑土区土壤酶活性的研究主要集中在施肥、作物模式和田间管理对土壤酶活性的影响方面[10-13]，有关土壤侵蚀对土壤酶活性的影响研究较少。陈文婷等[13]对黑龙江省5种不同有机质含量的黑土农田进行了研究并得出结论，在相同的气候背景、土壤环境和管理条件下，施肥可以不同程度地提高黑土的养分含量及土壤酶活性。然而，要完全解释土壤微生物生态功能的差异性，还需要结合土壤管理措施、植被生长情况、土壤结构特点等进一步分析研究[14]。米亮等[15]在黑龙江省海伦市的研究显示，黑土削去10、30 cm表土时微生物量碳含量分别降低约19%、42%。在现实生活中土壤侵蚀是一个渐进的过程，而人们常使用的削土法使深层土壤一次性暴露，得到的土壤微生物等性质可能与自然侵蚀过程中下层土壤逐渐出露的情况不同，因此采用削土法模拟土壤侵蚀对土壤性质的影响存在一定误差。为了解决一次性削土法模拟土壤侵蚀对土壤造成剧烈扰动的问题，本研究在前期工作中，于2005年通过模拟耕作与土壤侵蚀对土壤剖面共同作用的影响过程，建立了土壤侵蚀与生产力试验小区[16]，之后持续进行试验，并于2011年大豆收割后采集土样，初步研究了不同侵蚀程度下土壤微生物及酶活性的变化情况[17]。考虑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种植情况下的土壤酶活性及其变化情况，因此在前期种植大豆进行土壤酶活性试验的基础上，本研究选取种植小麦情况下的土壤样品进行理化性质、土壤酶活性的测定，以期能够为东北黑土区作物种植提供参考，也希望能够从土壤酶活性的角度为不同侵蚀程度土壤的生产力恢复措施制定提供基础数据。

1 研究区概况

研究区地处松嫩平原北部丘陵漫岗地带，位于黑龙江省嫩江县九三局鹤山农场北京师范大学水土保持科学试验基地(48°55′59″N、125°17′35″E)，地面坡度大多在5°以内。气候类型属于寒温带大陆性季风气候，冬夏气温相差悬殊，年均气温为-1.5～0.4 ℃，年无霜期为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。在黑土开垦之前，自然植被为温带半湿润草原化草甸植被，主要土壤类型为典型黑土，土层厚度一般为30～100 cm，主要作物为大豆、玉米和小麦。

2 研究方法

2.1 试验小区布设与作物种植

本研究是在2005年建立的不同侵蚀程度的田间试验小区的基础上进行的。该小区试验设侵蚀程度(侵蚀深度)和施肥两个因素，其中侵蚀程度分别为0、10、20、30、40、50、60、70 cm共8个水平，施肥设当地推荐的田间施肥和未施肥两个水平，这两个因素组合成16个处理，每个处理设置3个重复。按照完全随机区组的设计方法，将试验小区划分为3个区组，每个区组设置2行试验小区，每行8个小区，共48个试验小区，每个小区的面积为16 m2(4 m×4 m)，小区之间间隔2 m，小区边缘留有水道以防积水，四周插有高20 cm的铁皮，以免小区内的土壤与四周土壤混合(图1)。试验小区的详细设计和建设过程参见文献[16,18]。

图1 小区布设示意

注：图中3 个区组为不同侵蚀程度试验小区，小区编号中A表示施肥小区，B表示未施肥小区，右下角数字代表侵蚀程度，虚线表示埋于地下的排水管道[16-18]。

试验小区作物种植采取大豆与小麦轮作的方式(大豆—大豆—大豆—小麦—大豆)，大豆、小麦的播种、收获及施肥等均与当地大田生产进程保持同步，每年的5月中旬播种，大豆于9月末收获，小麦于8月末收获，播种与收获均由人工操作。小麦的种植密度为600万穗/hm2，大豆的种植密度为45 万粒/hm2。施肥小区的施肥量折合成N2、P2O5、K2O的施用量分别为46、60、14 kg/hm2，均在播种时搅拌均匀一次性施入，所有的小区均不进行灌溉。

2.2 土壤样品采集与测定

于2015年8月采集0～20 cm的表层土壤样品，当月进行室内试验分析。2015年种植作物为小麦。采样时用土钻取试验小区内均匀分布的9个采样点的土样，然后将采集的9个土壤样品进行充分混合，摊在塑料布上，并用镊子剔除植物残体、石块。先取约200 g装入灭菌袋内，置于4 ℃便携式冰箱中冷藏，用于测定土壤酶活性，再取一部分风干、磨碎并过筛，用于土壤理化性质的测定。

土壤酶活性的测定内容包括过氧化氢酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶活性。过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法[19]，脲酶活性测定采用苯酚钠—次氯酸钠比色法[20]，β-葡萄糖苷酶活性采用对硝基苯酚比色法[21]，纤维素酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[22]。土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮含量均按照相关标准方法测定[23]，即：土壤有机质测定采用重铬酸钾容量—外加热法；全氮采用半微量凯氏定氮法；全磷采用H2SO4-HClO4消煮—钼锑抗比色法；全钾采用NaOH熔融—火焰光度法；速效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用NH4OAc 浸提—火焰光度法；碱解氮采用碱解扩散—硼酸滴定法。为尽可能消除误差，试验进行3次重复，以保证试验精度。

2.3 数据分析方法

采用SPSS 17.0、Excel 2010进行数据分析、绘图及相关性分析，进而确定相应变量之间的关系。

3 结果分析

3.1 土壤有机质含量

土壤测定结果显示，土壤有机质含量随着侵蚀程度的增加显著降低，并呈指数降低趋势(图2)。这表明土壤侵蚀前期，即在侵蚀程度达30 cm之前，土壤有机质含量降幅较大；当侵蚀程度大于30 cm 后降幅减缓，并逐渐趋于稳定。施肥与未施肥小区的降低趋势基本一致，均随侵蚀程度的增加而降低，只是施肥土壤中的有机质含量略高于未施肥土壤。相比未侵蚀(侵蚀程度为0)，侵蚀程度达70 cm时，施肥土壤中有机质含量下降了50.47%，未施肥土壤中有机质含量下降了54.97%。

图2 土壤有机质含量随侵蚀程度的变化趋势

3.2 土壤氮、磷、钾含量

图3为施肥和未施肥土壤中氮、磷、钾含量随土壤侵蚀程度的变化趋势。由图3知，施肥和未施肥土壤中全氮、全磷、速效磷、速效钾、碱解氮含量均随土壤侵蚀程度的增加而减少。相比未侵蚀，侵蚀程度为70 cm时，施肥土壤中全氮、全磷、速效磷、速效钾、碱解氮含量分别下降了67.1%、20.2%、55.8%、42.2%、42.36%，未施肥土壤中全氮、全磷、速效磷、速效钾、碱解氮含量分别下降了65.4%、24.5%、56.1%、35.4%、35.41%。在侵蚀程度为0～10、30～40 cm时，同一侵蚀程度下的施肥和未施肥土壤速效钾含量差值均大于12 mg/kg，侵蚀程度为50～70 cm时差值小于5 mg/kg。当侵蚀程度为0～30、60～70 cm时，土壤碱解氮含量明显下降，且施肥土壤中碱解氮含量高于未施肥土壤的碱解氮含量；当侵蚀程度为40～50 cm时，未施肥土壤中碱解氮含量高于施肥土壤中碱解氮含量。土壤全钾含量随着侵蚀程度的增加而增加，当侵蚀程度从未侵蚀增加到70 cm时，施肥与未施肥土壤中全钾平均含量相差约0.56 g/kg。

图3 土壤氮、磷、钾含量随土壤侵蚀程度的变化趋势

3.3 土壤酶活性随侵蚀程度的变化

酶促反应对温度、pH值及底物状况等外部环境有着较为苛刻的要求，土壤侵蚀造成了土壤环境状态的改变，当然也会对土壤酶活性造成影响。植物的根系及枯枝落叶的细胞裂解也能够释放出一定量的土壤酶，土壤侵蚀在影响植物生长的同时也间接导致了土壤酶活性的变化。

土壤酶活性随侵蚀程度的增加呈指数降低趋势(图4，表1)。土壤侵蚀对土壤酶活性的影响达到极显著水平(表2)。研究显示，与未侵蚀相比，当侵蚀程度达到70 cm时，过氧化氢酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶活性在施肥土壤中分别下降了69%、72%、72%、61%，在未施肥土壤中分别下降了64%、76%、74%、63%。除个别波动外，施肥土壤和未施肥土壤的降低趋势基本一致，都呈指数降低趋势。过氧化氢酶广泛存在于生物体中，其活性能够表征土壤的氧化还原反应和微生物的活动强度，而过氧化氢酶活性随侵蚀程度增加而降低，表明侵蚀严重影响了土壤生物化学过程；纤维素酶主要参与纤维素、木质素等大分子的降解，能够推动土壤腐殖质的合成，与土壤碳素循环密切相关，随侵蚀程度增加其活性降低，表明土壤侵蚀严重影响了土壤纤维素的降解和腐殖质的合成；β-葡萄糖苷酶主要参与纤维二糖等糖苷类有机物的降解，与土壤碳素循环密切相关，随侵蚀程度增加其活性降低，表明侵蚀严重影响了土壤肥力和有机质的形成；脲酶主要参与尿素、氨基酸等的分解，与土壤氮素循环密切相关，其活性随侵蚀程度增加而降低，表明土壤侵蚀影响了土壤氮素循环。

图4 随侵蚀程度增加过氧化氢酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶活性的变化趋势

土壤酶施肥未施肥过氧化氢酶y=32.153e-0.019xR2=0.945 4∗∗y=24.43e-0.016xR2=0.947 1∗∗纤维素酶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：标“**”号表示在0.01 水平(双侧)上极显著相关，下同。

表2 土壤侵蚀对土壤酶活性的影响

3.4 土壤有机质含量、酶活性与土壤侵蚀程度的相关性分析

表3为土壤侵蚀程度与土壤酶活性的相关系数矩阵。由表3知，在施肥和未施肥土壤小区，有机质含量和过氧化氢酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶活性与土壤侵蚀程度均成负相关，其余各因素之间成正相关。在施肥小区，有机质含量和过氧化氢酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性的决定系数分别为0.89、0.92、0.95、0.88、0.89；在未施肥小区，有机质含量和过氧化氢酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性的决定系数分别为0.85、0.93、0.94、0.84、0.86。施肥和未施肥土壤中，纤维素酶活性的决定系数均为最高。

表3 土壤侵蚀程度与土壤酶活性的相关系数矩阵

3.5 施肥对土壤酶活性的影响

利用配对 T 检验比较了施肥小区和未施肥小区土壤过氧化氢酶、脲酶、ß-葡萄糖苷酶、纤维素酶活性的差异，结果见表4。施肥对不同土壤酶的作用存在一定差异，整体上施肥对土壤酶活性有提高作用，但是提高幅度较小，可见低量施肥对提高土壤酶活性的作用有限。

表4 施肥对土壤酶活性的影响

注：表中同一行数字后字母相同代表无显著性差异，字母不同代表有显著性差异(P<0.05)。

4 讨 论

土壤酶在土壤生态系统中具有重要作用，土壤酶活性的下降将不可避免地影响土壤养分循环和有机质矿化。与其他许多研究结果一样，土壤侵蚀会导致黑土养分流失、酶活性降低[24]。施肥是一种很重要并很受欢迎的措施，能够直接增加土壤肥力和提高作物产量，同时作物的凋落物又间接改善了土壤肥力[25]。本研究结果显示，施肥和未施肥土壤的土壤酶活性与侵蚀程度均成负相关，但与其他研究成果不同的是，施肥并不能使酶活性显著增加[26]。长期大量施肥会对土壤微生物性质产生很大的影响，但是在我们的研究中由于施肥量相对较低且持续时间较短，加之还有许多其他因素可能影响到土壤酶活性，因此出现了这样的研究结果，未来我们需要进一步探究土壤生物过程中施肥对其他环境因素的影响，如植被、土壤类型、气候等。关于土壤全钾含量随着侵蚀程度的增加而增加，与侵蚀程度呈正相关，且施肥与未施肥小区土壤全钾含量差异显著的结果，其原因可能与试验小区原始土壤母质全钾含量背景值或钾元素的下移有关，需要我们继续观察和分析。

5 结 论

本研究对东北黑土区8个侵蚀程度(0、10、20、30、40、50、60、70 cm)和两种施肥处理(施肥和未施肥)试验小区的土壤性质和酶活性进行了测定与分析，主要结论如下：

(1)施肥和未施肥小区土壤中全氮、全磷、速效磷、速效钾、碱解氮含量均随土壤侵蚀程度的增加而下降，而土壤全钾含量随着侵蚀程度的增加而增加，与侵蚀程度呈正相关。

(2)所有土壤酶活性随侵蚀程度增加均呈指数降低趋势。相比未侵蚀，侵蚀程度达70 cm时，过氧化氢酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶活性在施肥土壤中分别下降了69%、72%、72%、61%，在未施肥土壤中分别下降了64%、76%、74%、63%。

(3)化肥的施用对土壤酶活性提高作用有限。