国家高梁原原种扩繁基地土壤养分和酶的垂直分布特性

龙文靖　倪先林　刘天朋　丁国祥　赵甘霖

摘要：研究四川泸县的国家高梁原原种扩繁基地不同土层土壤养分和酶的垂直分布特性，为生土熟化和科学施肥提供理论依据。以国家高粱原原种扩繁基地土壤为研究对象，测定不同土层（0—20、20—40、40—60、60～80、80—100 cm）土壤养分含量和酶活性，结果表明：土壤养分和酶的垂直分布均具有明顯的规律性，国家高梁原原种扩繁基地表层土壤养分根据分级标准，全氮、碱解氮、有机质含量为4级水平，全钾、速效钾为3级水平，全磷、速效磷为2级水平。有机质、全磷和速效养分含量均是上部土层高于下部土层，表现随土层深度增加降低。而全氮含量在不同土层间无显著差异，全钾含量随土层深度增加先增加后减少。土壤酶（除过氧化氢酶）活性均是上部土层高于下部土层，表现随土层深度增加降低。土壤酶活性与土壤养分之间关系密切，除全氮含量、全钾含量无显著相关关系，土壤酶活性与碱解氮含量（除酸性磷酸酶）、速效钾含量、全磷含量、速效磷含量以及有机质与酶活性的相关关系均达到显著或极显著水平。土壤碱解氮和有机质含量随土层深度增加，较其他养分含量减少更大，在深层生土熟化过程中，应重施有机肥和速效氮肥。

关键词：国家高梁原原种扩繁基地;土壤养分;土壤酶活性;垂直分布;生土熟化

中图分类号：S153，S154

文献标志码：A

论文编号：cjas18020018

0引言

土壤肥力的重要评价标志是土壤养分，其对促进植物生长，协调植物生长的营养与环境条件，进一步实现土地的可持续发展与利用具有重要作用[1]。而作为土壤生态系统组分之一的土壤酶，则是土壤有机体的代谢动力，在整个土壤生态的物质循环和能量转化过程中起着重要作用[2]。前人研究表明不同土层土壤养分和酶的垂直分布具有明显的规律性。黄绍文等[3]研究表明0—20 cm土层N（N H4+- N）、P、K、Mn、Zn、Fe、Cu等主要养分速效含量明显高于20—40 cm和40—60 cm土层。文波龙等[4]对云南元阳梯田的研究表明，同一海拔段土壤碱解氮含量随着土层深度增加而增加，但在离村庄最近的中高海拔位置却随深度增加先减后增。范士超等[5]对海河低平原杨农复合系统不同间伐模式的研究表明，土壤有机质和全氮随土层深度增加呈现递减趋势，速效磷呈现U型变化趋势，速效钾呈现波动趋势。曹裕松等[6]研究表明，加拿大杨林和池杉林土壤中有机质、有效磷和速效钾含量均随着土层深度增加而下降。水稻田土壤中有机质、有效磷含量也随着土层深度的增加迅速降低。郭明英等[7]对呼伦贝尔羊草草甸草原研究表明，土壤蛋白酶、转化酶、过氧化氢酶活性均随土层的增加而逐渐降低，脲酶活性相反。李林海等[8]对黄土高原沟壑区小流域自然坡面研究结果表明，随土层的加深，土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性逐渐降低，氧化氢酶活性升高，表现出与其他酶类不同的响应特征。前人研究结果表明不同研究区状况、研究对象，土壤养分和酶的垂直分布表现出不同的变化规律。

本研究以国家高梁原原种扩繁基地土壤为研究对象，旨在探究基地土壤不同土层深度母质生土的土壤养分和酶活性垂直变化规律，以期为基地集约化建设、不同土层生土熟化和科学施肥提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试土壤为国家高梁原原种扩繁基地土壤，该基地位于四川泸县，北纬27039‘-29°20、东经105°8‘一106028之间，属亚热带湿润气候区。年均温18—18.6℃，lO℃以上年积温5735.7-6230.O℃，极端最低温-2.40C;年日照1288.6—1400 h左右，无霜期350天左右;年降雨量1142 mm，相对湿度84%[9]。

1.2试验设计

试验土壤类型为紫色壤土，前茬为油菜，当季为高粱。于2016年5月用取土器分别取试验地土层深度5个梯度，分别为0—20、20—40、40—60、60—80、80～100 cm的土壤，所有样点遵循“等量、随机、多点混合”的原则，采取5点重复，点间隔20m，充分混合后四分法取土lkg，带回实验室，样品在自然状态下风干、磨细，过孔径1.0 mm筛后测定有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾7个土壤养分指标和脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶4个土壤酶活性指标。

1.3土壤指标测定方法

土壤养分测定参照土壤农化分析的方法[10]。其中，土壤全氮采用凯氏定氮法，全磷采用磷钼蓝比色法，全钾采用火焰分光光度计法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用NH4F- HC1法，速效钾采用NH40Ac浸提后的火焰分光光度法，有机质采用重铬酸钾容量法一稀释热法测定。土壤酶活性的测定参照万年鑫等[11]测定马铃薯根区土壤的方法。其中，脲酶采用苯酚钠一次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶采用3，5一二硝基水杨酸比色法测定，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测，酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法。

1.4土壤质量评价方法

本文参照表l全国第二次土壤普查及有关标准，对不同土层土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾等指标进行评级[12]。

1.5数据处理与分析

试验数据采用Excel 2007进行统计，DPS7.0进行方差分析。显著性检验采用单因素方差分析最小显著差异法（LSD），显著性水平设定为a=0.05。图表中数据用平均值±标准差表示。

2结果与分析

2.1不同土层养分变化

由表2可知，土壤全氮含量随土层深度未表现明显差异，变异系数最小，仅为2.72%。全磷、全钾养分随土层深度增加差异较大，全磷含量在表层土壤（0—20 cm）显著高于其他土层含量，随土层深度增加，全磷含量均在0.60 g/kg上下浮动。全钾含量随土层深度增加先增加后减少，在40—60 cm含量最高，其在不同土层间变异幅度较小，变异系数为4.92%。而土壤速效养分和有机质含量呈现较明显的垂直分布规律，总的趋势是上部土层含量高于下部土层。有机质、碱解氮和速效钾含量随土壤深度变化影响较大，其变异系数均达到20%以上。

2.2不同土层土壤养分评级

根据全国第二次土壤普查及有关标准（表1），对不同土层土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾等指标进行评级，由表3可知，全氮、全钾以及速效磷的评价等级并未随土层深度的改变而改变。该区0—20 cm土层全氮、碱解氮、有机质评级为4級，钾养分为3级，磷养分均为2级，说明试验基地土壤氮素略缺乏，钾含量适中，磷养分丰富，总体而言土壤养分为中等水平。有机质、碱解氮随土层深度增加降级明显，生土的碱解氮和有机质均从4级水平降到最低6级水平（80—100 cm土层）。

2.3不同土层土壤酶活性的变化

过氧化氢酶作为土壤中的氧化还原酶类，活性可表征土壤腐殖质化强度大小和有机质转化速度。土壤蔗糖酶活性增强可以增加土壤中的易溶性营养物质，其活性与有机质的转化和呼吸强度有密切关系。土壤脲酶可促使有机质分子中的肽键水解而形成氨，其活性能够在一定程度上反映土壤的供氮能力。土壤磷酸酶活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性[2]。从表4可以看出，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性均随土层深度增加而下降，且在0—20、20—40、40～60 cm差异显著，表现为表聚性，而过氧化氢酶活性则随土层深度增加而增加，可促进过氧化氢的分解，防止对生物体的毒害作用。受土层深度影响较大的土壤酶类有脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶，其变异系数均在50%以上。

2.4不同土层土壤酶与土壤养分相关性分析

土壤酶活性与土壤养分之间联系密切。由不同土层土壤酶与土壤养分的相关系数（表5）可知，除全氮含量、全钾含量与不同的土壤酶活性无相关关系外，碱解氮含量（除酸性磷酸酶外）、速效钾含量、全磷含量、速效磷含量以及有机质与酶活性的相关关系均达到显著或极显著水平，其中过氧化氢酶活性与养分指标呈负相关关系，而脲酶、蔗糖酶以及酸性磷酸酶活性均呈正相关关系。

3讨论

3.1国家高梁原原种扩繁基地土壤养分垂直分布特性

国家高梁原原种扩繁基地土壤有机质和养分速效含量呈现较明显的垂直分布规律，总的趋势是上部土层含量高于下部土层。表层受人为农耕活动的影响，长期的培肥措施和农田残根枯枝落叶的累积使得表层土壤速效养分和有机质的含量较高。全氮含量在不同土层变化不显著，与大多数研究表层土壤全氮含量高不同，可能是国家高梁原原种扩繁基地土壤氮素水平偏低造成的，土壤氮素供应略有不足，而前作油菜每生产100 kg油菜籽粒吸收氮9.48 kg[13]，对表层氮肥吸收也较大。0—20 cm土层土壤磷素明显高于其他土层，主要与施入土壤中的磷（一般施在0—20 cm的耕层范围内）移动性小而使所施磷肥绝大部分残留在耕层，下部土层磷一直处于耗竭状态而难以得到补充[3]。全钾含量表现为随土层深度增加，先增加后减少，可能的原因是，施入土壤中的钾移动性较磷大[3]，上部钾素在雨水淋溶条件下，逐步富集到40—60 cm。

3.2国家高粱原原种扩繁基地土壤酶活性的垂直分布特性

国家高梁原原种扩繁基地土壤酶活性呈现较明显的垂直分布规律。土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性的垂直分布特征为随土层的增加而逐渐降低，该结果与罗珠珠等[14-16]大部分学者研究得出的土壤酶活性垂直变化的特点相一致，表层土壤相对于深层土壤，有更多的枯枝落叶和腐殖质，长期人工培肥松土，具有良好的温度条件和通气状况，微生物数量大，因此表层的土壤酶活性高，也反映了表层土壤营养、土壤肥力状况更高。由于研究区状况、研究对象等不同，一种土壤酶活性表现出不同的变化规律。本研究表明，土壤过氧化氢酶活性呈现随土层深度增加而增加的趋势，与前人大多数研究相反，这是因为过氧化氢酶属氧化还原酶类，活性大小受根系分泌物及土壤环境影响较大。

3.3土壤养分和酶的垂直分布特性对生土熟化指导意义

近年来随着农业集约化治理，高低不平的坡地和零星破碎的小块地变为平整的水浇地，位于耕作层之下的母质生土不可避免地被外翻至地表[17]。由于生土肥力低，土体紧实，生物活性弱㈣。在相同栽培技术条件下，生土栽培当年产量减产18%—35%，甚至多达40%—50%[19]。因此，从根本上解决生土的快速熟化及其土地复垦的可持续性发展成为研究者的重要任务。本研究表明随土层深度增加，速效养分和有机质含量减少，因此越深层生土熟化越要提高土壤的速效养分和有机质含量，而随土壤深度增加碱解氮和有机质含量较其他养分含量减少更大，因此在深层生土熟化过程中，应重施有机肥和速效氮肥。另外速效养分和有机质与土壤酶活性存在显著的相关关系，保持土壤耕层湿润[17]，深耕碎土精细整地[18]，增施多菌种的微生物有机复合肥、地膜沟植垄盖等综合技术措施[20]，翻压绿肥[21]等均能促进微生物代谢，增加土壤生物活性，加速生土熟化，实现增产增收。

4结论

国家高梁原原种扩繁基地表层土壤养分总体表现为中等水平，全氮、碱解氮、有机质含量为4级水平（缺乏），全钾、速效钾为3级水平（适量），全磷、速效磷为2级水平（丰富）。土壤养分和酶的垂直分布具有明显的规律性，土壤酶（除过氧化氢酶）活性、有机质、全磷和速效养分含量均是上部土层高于下部土层，表现随土层深度增加而降低。而全氮含量在不同土层间无显著差异，全钾含量随土层深度增加先增加后减少。土壤酶活性与土壤养分有很大的相关关系，多数养分指标与酶活性间的相关关系均达显著水平。随土层深度增加，土壤碱解氮和有机质含量较其他养分含量减少更大，在深层生土熟化过程中，应重施有机肥和速效氮肥。

参考文献

[1] 黄安，杨联安，杜挺，等基于主成分分析的土壤养分综合评价[J]干旱区研究，2014，31（5）：819-825

[2] 王理德，工方琳，郭春秀，等土壤酶学研究进展[J]土壤，2016，48（1）：12-21

[3] 黄绍文，金继运，杨俐节，等.粮田土壤磷、钾养分的垂直分布特征[J].土壤肥料，2001（4）：8-12.

[4] 文波龙，任国，张乃明云南元阳哈尼梯田土壤养分垂直变异特征研究[J].云南农业大学学报，2009，24（1）：78-81

[5] 范士超，张海林，黄光辉，等.不同间伐模式下杨农复合系统土壤养分垂直分布特征[J]华北农学报，2010，25（S2）：236-241.

[6] 曹裕松，吴风云，肖宜安，等.退耕还林对土壤养分含量及其垂直分布的影响[J]生态环境学报，2016，25（2）：196-201

[7] 郭明英，朝克图，尤金成，等.不同利用方式下草地土壤微生物及土壤呼吸特性[J].草地学报，2012，20（1）：42-48.

[8] 李林海，邱莉萍，梦梦黄土高原沟壑区土壤酶活性对植被恢复的响应[J].应用生态学报，2012，23（12）：3355-3360.

[9] 徐炯志，潘介春，黄永祥，等.四川省泸州市荔枝龙眼生产考察报告[J].广西农学报，2013，28（6）：25-29

[10]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2005：30-107.

[11]万年鑫，郑顺林，周少猛，等.薯玉轮作对马铃薯根区土壤养分及酶活效应分析[J].浙江大学学报，2016，42（1）：74-80

[12]周伟，工文杰，张波，等长春城市森林绿地土壤肥力评价[J]生态学报，2017，37（4）：1211-1220

[13]孙克刚，王亚莉，鹿智江，等.油菜氮磷钾元素的需肥规律和施肥研究[J]土壤肥料，2002（4）：35-37

[14]罗珠珠，黄高宅，蔡立群，等.不同耕作万式下春小麦生育期土壤酶时空变化研究[J]草业学报，2012，21（6）：94-101.

[15]王群，夏江宝，张金池，等黄河三角洲退化刺槐林地不同改造模式下土壤酶活性及养分特征[J].水土保持学报，2012，26（4）：133-137.

[16]文都口樂，李刚，张静妮，等.呼伦贝尔不同草地类型土壤微生物量及土壤酶活性研究[J].草业学报，2010，19（5）：94-102

[17]尚治安，李昱，杜治国，等.湿润灌溉加速生土熟化研究[J]水土保持学报，2001，15（6）：132-135

[18]李鸿恩“生土”的农业生产特性及培肥措施[J].土壤肥料，1990（4）：5-8.

[19]周晋丕.机修梯出生土熟化的研究[J]中国水土保持，1988（9）：42-45

[20]谢英荷，洪坚平，周淑琴，等.黄土丘陵区新造田培肥熟化高产技术措施的探讨[J].水土保持学报，2001，15（4）：126-128

[21]叶协锋，杨超，李正，等绿肥对植烟土壤酶活性及土壤肥力的影响[J].植物营养与肥料学报，2013，19（2）：445-454