冀北坝上不同土地利用对土壤微生物量碳氮磷及酶活性的影响

乔赵崇，赵海超，黄智鸿，刘颖慧，卢海博，李瑞鑫

河北北方学院，河北 张家口 075000

土壤微生物量碳氮磷（microbial biomass C，N，P）是指土壤中体积小于 5000 μm3的活的和死的微生物体内碳氮磷的总和（刘杨，2018），在土壤碳氮磷库中所占比例很小，但它可以反映土壤微小的变化。地球土壤中的碳是陆地植被体内碳的 3倍（Kumar et al.，2018），但土壤微生物量碳（microbial biomass carbon，BC）却是土壤有机质中的最活跃的部分（Nsabimana et al.，2004；Li et al.，2004）。土壤微生物量氮（microbial biomass nitrogen，BN）是土壤中有机-无机态氮转化关键的环节之一（仇少君等，2006），而土壤微生物量磷（microbial biomass phosphorus，BP）则是植物有效磷的重要来源（唐玉霞等，2002）。微生物群落的多样性跨越了所有主要的生命领域，微生物量随土壤碳含量的变化而变化，通过微生物计量化学特征可以更加了解C、N、P在地球上的生物化学循环（Cleveland et al.，2007）。由于时间和空间上的差异，在寻找土壤微生物量的规律和归纳总结方面投入的努力还很少（Xu et al.，2013）。土地利用方式是影响土壤BC、BN、BP的重要因素，前人发现，免耕和少耕法与传统农业耕作方式相比能提高表层上壤的微生物量和土壤有机质（王丰，2008），霍利霞等（2018）研究发现随着施氮水平的增加，BC先增后降，BN却逐渐增加，施肥能够提高BC（赵海超等，2013）。

脲酶（Urease，URE）是一种专性较强的水解酶，可以酶促水解生成氨、二氧化碳和水，脲酶酶促产物——氨是植物氮素来源之一（李亚娟等，2018），对提高尿素氮肥利用率有重要意义。张知晓等（2018）研究表明，土壤脲酶活性细菌、有机质、总氮等都与土壤脲酶活性相关。蔗糖酶（Sucrase，SUC）又叫转化酶或 β-呋喃果糖苷酶，是表征土壤生物活性的一种重要的水解酶，可以作为评价土壤熟化程度和土壤肥力水平的一个指标（蒋永梅等，2017；尹亚丽等，2017）。土地利用及农艺措施直接或间接影响土壤酶活性，萐薛等（2011）研究表明，土地利用方式对干热河谷地带土壤酶活性影响显著，黄智鸿等（2016）研究表明，增施有机肥可降低土壤蔗糖酶、脲酶活性。

冀北是中国重要的生态脆弱地带，自 20世纪实施大规模的退耕还林还草工程和京津风沙治理工程以来，该地区植被得到一定恢复（韩永伟等，2004）。2000年起，由原来的传统农业模式逐步形成以反季节蔬菜、马铃薯等经济作物为主的多种农业种植模式，形成了林地、草地、农用地多种生态类型，设施农业、露地蔬菜、马铃薯、饲草作物多种农作模式并存，成为中国土地利用变化最明显的地区之一（王石英等，2004）。随着人们耕作方式和管理方法的变化，土壤本身的理化和生物性状亦发生了变化，土壤中酶活性和微生物量发生了明显的变化（杨滨娟等，2014；董莉丽等，2010）。本研究通过对冀北坝上不同种土地利用类型下土壤BC、BN、BP以及酶活性的差异进行分析，揭示植被类型及耕作措施对土壤肥力的影响机制，为优化该区域土地利用、提高地力及防止土壤退化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与采样点位

研究区域位于河北省张家口坝上地区的张北县（114°45′04.7″E－115°17′47.3″E，41°09′97.9″N－41°23′16.2″N），是河北省北部典型的农牧交错地带，土壤为自生性土壤，属于干旱、半干旱的大陆性季风气候（刘正恩，2010），年降雨量300 mm左右，年平均日照时数2897.8 h。土壤类型为栗钙土，海拔高度在1600－2100 m。采样地类型有林地（15－20年生的杨树PopulusL.，株行距约5 m×5 m，高约6－7 m，直径为20－30 cm）、草地（自2000年起为草甸草原草地）、农用地（均在 2012－2013年由草地转变而成）。农用地包括露天菜地、青贮玉米（Zea maysL.）地、大棚菜地、马铃薯（Solanum tuberosumL.）地、燕麦地2个。其中，露天菜地种植作物为芦笋（Asparagus officinalis），前茬分别为胡萝卜（Daucus carotavar.sativa）和圆白菜（Brassica oleraceravar.Acpitata），主要施用有机肥，辅以氮磷肥；青贮玉米地（前茬分别为燕麦（Avena sativaL.）和青贮玉米，主要施氮磷肥；大棚菜地，种植作物为架豆角（Vigna unguiculata），前茬均为架豆角，主要施用有机肥，辅以氮磷肥；马铃薯地前茬分别为马铃薯、马铃薯、燕麦，主要以氮肥为主，有机肥为辅；燕麦地前茬分别为马铃薯、燕麦，以氮肥为主。各类型土地土壤理化性状如表1所示。

1.2 土壤样品采集

于2017年11月在不同土地利用类型区域利用GPS定位，在每种土地利用类型中分别设置3个距离大于40 m样方，面积均为20 m2，按照“S”形五点采样法采集0－20 cm土层土壤样品，现场混匀，去除土壤中植物残体和根系，置于塑封袋中，于4 ℃冰盒中保存，带回实验室。一部分鲜样用于测定土壤 BC、BN、BP及酶活性，另一部分风干后测定土壤理化指标。

1.3 样品分析方法

土壤 BC、BN、BP均采用三氯甲烷熏蒸培养法测定（吴金水等，2006；Calbrix et al.，2007）；脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，其活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的质量（mg）表示（关松阴，1986）；蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法（鲁如坤，1999）测定；土壤pH值使用台式pH计测定（鲍士旦，2000）；全氮（total nitrogen，TN）采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定（鲍士旦，2000）；全磷（total phosphorus，TP）采用过硫酸钾氧化-分光光度计法（鲍士旦，2000）测定；总有机质（total organic matter，TOM）采用重铬酸钾容量法-外加热测定（鲍士旦，2000）；土壤活性有机质（active soil organic matter，ASOM）采用 333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法（Rod et al.，1993）测定；氨氮（ammonia nitrogen，NH4+-N）采用纳氏试剂光度法（Ros et al.，2010）测定；无机磷（Inorganic phosphorus，IP）采用钼锑抗比色法（鲍士旦，2000）测定。

表1 不同土地利用方式土壤理化性状Table 1 Physical and chemical properties of different land use types

1.4 数据处理

数据和制图均运用Excel 2003软件进行处理，运用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤BC、BN、BP的影响

冀北坝上不同植被类型土壤 BC、BN、BP变化如图1所示。不同土地利用类型土壤BC在174.73－322.67 mg·kg-1之间，草地土壤最高，为 292.67 mg·kg-1，显著高于林地和农用地，分别较其高出了54.25%、46.17%；土壤BN在22.50－43.63 mg·kg-1之间，草地土壤最高，为39.01 mg·kg-1，显著高于林地和农用地，分别较其高出了52.35%、39.11%；土壤BP在2.81－10.85 mg·kg-1之间，林地土壤最高，为10.38 mg·kg-1，显著高于草地与农用地，草地显著高于农用地，林地比草地和农用地分别高出了41.38%、146.35%。草地、林地、农用地BC/BN分别为 7.50、7.41、7.14，BC/BP 分别为 39.87、18.28、47.52，BN/BP分别为5.31、2.48、6.66。可见，草地土壤BC、BN较高，其BC/BN变大；林地土壤BP较高，其BN/BP变小；而种植农作物显著减少土壤BC和BP，其BC/BN变小，但BC/BP和BN/BP变大。

冀北坝上不同种植模式农用地土壤BC、BN、BP变化如图2所示。不同农用地土壤BC在49.15－425.20 mg·kg-1之间，大棚菜地最高，为 393.52 mg·kg-1，显著高于其他农用地，露地菜地次之，显著高于青贮玉米地、马铃薯地和燕麦地，青贮玉米地显著低于其他农用地。不同农用地土壤 BN在9.89－64.08 mg·kg-1之间，大棚菜地最高，为57.20 mg·kg-1，青贮玉米地次之，两者显著高于露地菜地、马铃薯地和燕麦地，马铃薯地显著高于露地菜地、燕麦地。不同耕作农用地土壤 BP在 0.50－13.10 mg·kg-1之间，青贮玉米地最高，为 13.07 mg·kg-1，显著高于其他农用地，大棚菜地次之，露地菜地和燕麦地显著低于其他农用地。露地菜地、青贮玉米地、大棚菜地、燕麦地、马铃薯地 BC/BN分别为20.83、1.10、6.88、10.68、6.32，BC/BP 分别为 364.81、4.59、53.11、242.19、36.35，BN/BP分别为17.51、4.17、7.72、22.66、5.75，可见在设施农业中土壤BC、BN较高，露地菜地BC/BN、BC/BP较高，燕麦地BN/BP较高，青贮玉米地土壤BN、BP较高但BC较低，故其BC/BN、BC/BP较低。

图1 冀北坝上不同植被类型土壤BC、BN、BPFig. 1 Contents of BC, BN and BP in different vegetation types on the plateau of North Hebei

图2 冀北坝上不同种植模式农用地土壤BC、BN、BPFig. 2 Contents of BC, BN and BP in soil of different planting patterns on the plateau of North Hebei

2.2 不同土地利用方式对土壤脲酶、蔗糖酶活性的影响

冀北坝上不同植被类型土壤脲酶、蔗糖酶活性变化如图3所示。不同土地利用类型土壤URE活性在 0.02－0.08 mg·g-1·h-1之间，草地最高，为 0.08 mg·g-1·h-1，显著高于林地和农用地，分别较其高出了299%、183%，农用地次之。不同土地利用类型SUC 活性在 0.14－0.17 mg·g-1·h-1之间，草地最高，其次为林地，两者显著高于农用地，可见草地土壤脲酶和蔗糖酶的活性较高，而种植农作物显著降低了土壤脲酶、蔗糖酶活性。

图3 冀北坝上不同植被类型土壤脲酶及蔗糖酶活性Fig. 3 Soil urease and sucrose activity of different vegetation types on the plateau of North Hebei

冀北坝上不同种植模式农用地土壤脲酶、蔗糖酶活性变化如图4所示。不同农用地土壤URE活性在 0.01－0.08 mg·g-1·h-1之间，露地菜地土壤URE活性最强，显著高于其他农用地，大棚菜地次之，显著高于青贮玉米地、燕麦地、马铃薯地，燕麦地和马铃薯地最低。不同耕作农用地土壤SUC 活性在 0.11－0.18 mg·g-1·h-1之间，露地菜地最高，显著高于其他农用地，大棚菜地次之，显著高于青贮玉米地、燕麦地、马铃薯地，燕麦地最低。可见露地菜地脲酶和蔗糖酶活性较高，而种植燕麦、马铃薯、青贮玉米显著降低了土壤脲酶和蔗糖酶活性。

2.3 土壤微生物量和酶活性对土壤理化性状的响应

图4 冀北坝上不同种植模式农用地土壤脲酶及蔗糖酶活性Fig. 4 Soil urease and sucrose activity in different planting patterns on the plateau of North Hebei

表2 土壤微生物量和酶活性与土壤理化性状的相关性Table 2 Correlation analysis between soil microbial biomass, soil enzyme activities and soil physical and chemical propertie

冀北坝上不同土地利用类型土壤微生物量和酶活性与土壤理化性状的相关性如表 2所示，BC与TOM、TN、TP、NH4+-N均呈显著正相关，表明土壤营养盐含量越高，BC越高。BP与ASOM呈显著正相关，与IP、IP/TP呈极显著负相关，表明ASOM含量越高，土壤BP越高，IP的增加会降低BP。蔗糖酶活性与脲酶活性关系密切，脲酶活性与TN、TP、ASOM/TOM、蔗糖酶均呈显著正相关，表明土壤TN、TP、ASOM/TOM可以提高土壤脲酶活性，TN也与BC呈极显著相关，故BC的提高也会促进酶活性的增强；BC/BN可以反映土壤微生物群落结构，BC/BN、BC/BP与土壤 IP呈极显著正相关，BC/BP、BN/BP与土壤IP/TP呈显著正相关，表明土壤IP含量的增加或TP含量的降低会提高土壤BC/BN、BC/BP和BN/BP。

3 讨论

3.1 不同土地利用类型土壤微生物量和酶活性存在显著差异的机制

土壤微生物及酶活性是影响土壤养分转化的重要生物因素，其对土壤供肥能力具有关键作用，同时土壤中养分含量及活性强度也反作用于土壤BC、BN及酶活性（宝日玛等，2016）。不同土地利用方式由于向土壤输入的TOM及其对土壤中C、N、P利用强度不同进而影响土壤C、N、P总量及活性，因此对土壤 BC、BN、BP及酶活性产生影响。草地植被区域土壤BC高于林地和农用地，这与赵彤等（2013）研究结果相同，前人研究表明施用有机肥可以提高BC（贺美等，2017；王文锋等，2016），而在草地中动物粪便及植被残落物输入量大，分解速率快，等同于施入了大量有机肥料，使土壤BC较高，故其BC/BN也较大；草地的脲酶及蔗糖酶活性高于林地和农用地，这与李生宝等（2006）研究结果相同，可能由于草地土壤植被残落物输入量大，使TN、TP含量升高，而脲酶与TN、TP呈显著正相关，从而使酶活性增强；林地区域根系发达且多，吸收IP较多，土壤中IP/TP降低，根系附近分泌物较多，使ASOM含量升高，因此土壤BP较高；农用地土壤在长期耕作下土壤BC、BN、BP含量特征及其化学计量比发生变化（王传杰等，2018），由于施用化肥量大，土壤IP含量提高，而IP与BP呈显著负相关，导致BC/BP和BN/BP较大；设施农业土壤肥力较高，施肥量效果好（刘霓红等，2018），特别是有机肥用量较多，因此土壤BC显著高于其他农用地，而青贮玉米地土壤贫瘠，很少施用农家肥，故土壤BC较低，但其根系多，吸收IP较快，土壤中 IP含量减少，因此土壤BP较高。露地菜地施肥量较多，土壤TN、TP、ASOM及IP含量较高，ASOM/TOM比值增大，且通风透光性好，因此脲酶活性较强，蔗糖酶活性较强，而IP与BC/BN、BC/BP呈极显著正相关，故BC/BN、BC/BP较大。

3.2 土壤微生物与酶活性对土地利用方式的响应

土壤微生物及酶活性是指示土壤生态环境的重要因子，BC、BN、BP的变化比总碳氮磷对土地利用方式变化的反映更加敏感（杨雪艳等，2018）。在冀北坝上不同土地利用方式中，草地微生物量及酶活性高于林地和农用地，表明在冀北坝上地区草原植被对土壤的保护能力更强。而农用地常裸露，地表受外界环境影响较大，常年耕作，土层破坏严重，肥力流失，作物生长又会从土壤中带走大量营养元素，造成土壤肥力低下，土壤 BC、BN、BP降低及酶活性降低。特别是马铃薯田土壤C、N、P含量降低及酶活性显著低于其他农用地。大棚蔬菜及露地蔬菜田由于有机肥施用量较高使土壤 BC、BN、BP及酶活性较高。退耕还草改善土壤的理化性质，提高土壤质量，土壤抗蚀能力增强，遏制了水土流失（张新荣等，2014）。因此，冀北坝上地区对于土壤贫瘠、肥力差，利用率低的土壤可以通过改种牧草进行培肥改良。宁川川等（2016）研究表明，有机肥能显著改善土壤物理性状，增加土壤有效养分，缓解土壤酸化，提高土壤生物和生物化学特性，优化土壤微生物群落的结构组成，故在农作物种植过程中应增施有机肥，适当补充氮磷肥。张娟霞等（2018）研究表明，秸秆、植被残体等归还土壤后可以提高土壤肥力，提高土壤 BC，故可以种植归还率较高的作物，以防止土壤退化。通过长期施用有机肥或与无机肥配施，能提高土壤微生物量和酶的活性，从而提高土壤的持续生产力（王月等，2016）。对部分农用地可建造设施农业，避免土壤被风雨侵蚀，从而改良土壤，提高经济效益，进而减少土地耕作面积。

4 结论

冀北坝上不同土地利用类型土壤 BC为 49.15－425.20 mg·kg-1，土壤 BN 为 9.89－64.08 mg·kg-1，土壤BP为 0.50－13.10 mg·kg-1。草地及设施农业显著增加土壤BC、BN，林地及青贮玉米地显著增加土壤 BP，种植农作物使土壤微生物量减少。脲酶活性为 0.01－0.08 mg·g-1·h-1，土壤蔗糖酶活性为0.11－0.18 mg·g-1·h-1，草地和露地蔬菜地显著增加土壤脲酶、蔗糖酶活性，林地及农用地会使土壤脲酶、蔗糖酶活性降低。壤微生冀北坝上地区农用地应增施有机肥，部分农用地建设温室大棚，种植归还率较高的作物，从而防止农用地土壤退化，针对退化严重的农用地应退田还草。