土地利用方式对黑龙江西部地区土壤理化性质和酶活性的影响

张童 刘宇飞 隋心 宋福强

摘要：为揭示土地利用方式对土壤质量的影响，以黑龙江西部3种土地利用方式的土壤为研究对象，测定土壤理化性质及酶活性。结果表明：土地利用方式会引起土壤理化性质的改变，农田砂粒含量高于森林和草原，粘粒含量上层和下层都是草原>森林>农田。全磷和硝态氮差异显著，农田>森林>草原。不同土层土壤养分（有机质、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮）的变化规律一致，均呈现上层>下层。不同土地利用方式土壤酶活有显著的变化，但变化规律不一致。相关性分析表明，土壤养分与酶活性呈显著或极显著相关，说明土壤养分可能是导致土壤酶活性差异的主要原因，并且可能会影响黑龙江省西部地区C、N等的循环。

关键词：土地利用方式；土壤质量；黑龙江省西部；土壤理化性质；土壤酶活；相关性分析

中图分类号：S154.1文献标志码：A论文编号：cjas20190700110

Land Use Patterns： Effects on Soil Physical and Chemical Properties and Enzyme Activities in the Western Heilongjiang

Zhang Tong1，2， Liu Yufei1，2， Sui Xin1，2， Song Fuqiang1，2

（1Heilongjiang Key Laboratory of Ecological Restoration and Resource Utilization for Cold Region/School of Life Sciences，

Heilongjiang University， Harbin 150080， Heilongjiang， China；2Engineering Research Center of Agricultural Microbiology Technology， Ministry of Education， Heilongjiang University， Harbin 150080， Heilongjiang， China）

Abstract： The paper aims to reveal the impact of land use patterns on soil quality. Taking soils of 3land use patterns in western Heilongjiang as research objects， we determined the soil physical and chemical properties and enzyme activities. The results showed that： the land use patterns caused the change of soil physical and chemical properties： the sand content of farmland was higher than that of forest and grassland； the clay content of upper and lower layers were grassland>forest>farmlan； the differences between total phosphorus and nitrate nitrogen were significant， farmland>forest>grassland； the change rules of soil nutrients （SOC， TN， TP， NH4+-N， NO3-- N） in different soil layers were consistent， showing upper layer>lower layer； there were significant changes in soil enzyme activities in different land use patterns， but the changes were inconsistent. Correlation analysis showed that： the soil nutrient and enzyme activity showed significant or extremely significant correlation， indicating that soil nutrients might be the main cause of differences in soil enzyme activities， and might affect the circulation of C and N in the western Heilongjiang.

Keywords： Land Use Patterns； Soil Quality； Western Heilongjiang； Soil Physical and Chemical Properties； Soil Enzyme Activity； Correlation analysis

0引言

土壤作為陆地生态系统中的重要组成部分，是物质循环、能量转换和信息传递的核心区域[1]，可与水、气和植物相互作用从而影响环境，又可以反映人类生产经营活动所导致的生物地球化学循环的变化过程[2]。不同的土地利用方式在反映人类利用土地各种活动目的的同时，也影响着土壤性质的变化和和土壤生态系统[3]。土地利用是人类干预土壤质量最重要、最直接的活动，它通过不同物质的时空配置和循环，干扰和调整土壤生物化学循环过程，改变原有土壤的营养循环强度、总量和路径以及土壤生物的代谢活动，从而使土壤供应作物的营养水平发生变化，并且导致土壤生物学质量的改变[4-5]。

土壤酶是由土壤微生物分泌的具有高效性的活性物质，作为重要的蛋白质生物催化剂，在土壤养分和有机质分解以及其循环和合成过程中扮演着重要的角色[6-7]，可以客观地评价土壤生物活性和土壤肥力。酶活性的大小也反映了土壤中各种生化反应的强度和方向，对土壤肥力的演变具有重要影响[8]。土壤脲酶、蔗糖、FDA水解酶等活性能够表征土壤氮、磷、碳等养分的循环状况，蛋白酶能水解各种蛋白质及肽类等化合物为氨基酸，因此其活性与植物N素的吸收有极其重要的关系[9]，脱氢酶、过氧化物酶等活性与土壤腐殖化过程、生物呼吸强度紧密相关[10-11]。

马志敏等[12]对黑河荒漠绿洲区不同土地利用方式下的土壤肥力状况的研究表明，长期人为的耕作及农田的不断扩张是土壤肥力退化的主要原因；敖登高娃等[13]对内蒙古土地利用方式对土壤质量的研究表明，林地转变为耕地时，土壤质量明显下降，土壤生态环境趋向退化；草地转变为灌木林地和林地，土壤质量改善；彭木等[14]对大庆松嫩平原地区研究结果表明，不同土地利用方式对土壤理化性质、酶活产生了有积极的影响，但是变化规律不同，土壤酶活性和土壤理化性质之间相关性显著，可以反映土壤质量。合理的土地利用方式，即可改善土壤结构，还可提高土壤肥力；王振芬[15]对三江平原湿地研究发现，不同土壤利用方式，其有机碳、酶活性也将发生相应的改变，土壤养分在不同区域也呈现显著差异。不合理的土地利用方式，不仅会导致土壤肥力下降，还使得生态环境趋向恶化。

东北地区土壤是中国最肥沃的地区，具有悠久的农耕历史，也是中国重要的产粮区之一。其土壤理化性质及肥力对农业的可持续发展至关重要。黑龙江省位于中国东北，该区域主要是平原地区，主要以森林和草原生态系统为主。然而，随着人口增长和经济的发展，大量森林和草原被开垦成农田，使得目前农田面积逐渐扩大，森林和草原面积逐渐减少。因此，了解不同土地利用類型土壤理化性质和土壤酶活性的改变以及如何影响东北地区土壤生态系统功能的改变就显得十分重要。因此，本研究选择黑龙江省西部地区3种不同土地利用方式的土壤，对其土壤理化性质和土壤酶活性的变化趋势开展研究，旨在揭示不同土地利用方式对土壤养分及质量影响的作用，其结果对该区域土地经营模式及预测区域土壤质量变化具有一定的意义。

1材料与方法

1.1试验地概况

研究样地设在黑龙江省西部齐齐哈尔市梅里斯区（123°35′E，47°31′N），平均海拔146 m，属中温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，冬季寒冷少雪，平均气温2.3℃。平均降水量454 mm，但降水时间较集中，多在5—9月。封冻期在11月上旬，解冻期在5月上旬。

1.2试验方法

1.2.1试验设计在该地区选择的3种土地利用方式分别是：（1）草原，面积大约为500 m×800 m，植被主要为羊草[Leymus chinensis （Trin.） Tzvel.]、贝加尔针茅（Stipa baicalensis Roshev.）；（2）农田，在20年前草原上垦殖而成的农田，面积大约为200 m×300 m，种植作物主要为玉米，每年进行机器翻耕1次，春季施加史丹利玉米复合肥（N+P2O5+K2O≥40%）35 kg/hm2，6月中旬肥15 kg/hm2；（3）森林面积大约为300 m×600 m，为20年生的杨树纯人工林，作为研究样地。

1.2.2样品的采集2018年8月7日，分别在不同土地利用方式的样地内设置3块标准地（50 m×50 m），共计9块标准地。在每块标准地内采用五点混合取样法，利用土壤取样器分别取0～10 cm、10～20 cm 2个土层深度的土壤样品，各层土样混合均匀后，立即放入自封袋中带回实验室。在实验室内去除土壤样品中的根茎，一部分自然风干后磨碎，并过2 mm筛，用于土壤理化性质和酶活性的测定。

1.2.3土壤样品理化性质的测定

（1）土壤含水率的测定。将盛有新鲜土样的铝盒在分析天平上称重，精确至0.01 g，将盒盖倾斜放在铝盆上，置于已预热至10℃±2℃的恒温干燥箱中烘8 h，取出称重计算。

（2）土壤pH值。采用水土比为2.5：1的酸度计测定。

（3）土壤机械组成。采用密度计法测定。

（4）土壤有机质。采用德国Elementar公司生产的vario TOC仪测定土壤有机碳含量。

（5）全氮。称取0.25 g过0.149的筛子，加入2 g硫酸锌和硫酸铜混合后的加速剂和5 mL浓H2SO4进行消煮，定容过滤，用连续流动分析仪进行测定。

（6）硝态氮、铵态氮。称6 g过2 mm筛的风干土，加入1 mol/L氯化钾溶液10 mL，震荡1 h后过滤，用连续流动分析仪进行测定。

（7）全磷。硫酸-高氯酸酸溶-钼锑抗比色法测定[16]。

1.2.4土壤酶活性的测定采用苏州科铭生物技术有限公司生产的试剂盒，测定土壤样品中的土壤脲酶（SUE）、FDA水解酶、土壤过氧化物酶（S-POD）、土壤酸性蛋白酶（S-ACPT）、土壤蔗糖酶（S-SC）、土壤脱氢酶（sDHA）活性，具体方法按照说明书严格进行操作。

1.2.5数据处理数据分析采用Excel 2013。数据均用SPSS 22.0软件进行统计分析，对数据进行重复度量的方差分析，土地利用方式和土层及交互作用对土壤理化性质的影响。利用单因素方差分析检测土地利用方式和土壤深度对土壤理化的影响，利用Duncan检验法进行多重比较，采用Pearson相关性分析土壤理化性质之间的相关性。利用软R语言中的Vegan软件包对不同土地利用方式下的土壤理化性质和酶活性进行典范对应分析（canonical correspondence analusis， CCA）。

2结果与分析

2.1不同土地利用方式的机械组成

分析和对比了不同土地利用方式下土壤粒径分布，从表1可以看出，3种土地利用方式的土壤粒径都是以砂粒占主导，粒径含量：砂粒>粘粒>粉粒。通过多重比较分析发现，3种不同的土地利用方式下土壤粒径出现一些显著性差异，砂粒含量上层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）都是农田>森林>草原，三者之间存在显著性差异；粉粒含量在上层土壤中森林>农田>草原，在下层中是农田>森林>草原，三者之间存在显著性差异；粘粒含量上层和下层都是草原>森林>农田，三者之间存在显著性差异。

2.2不同土地利用方式土壤养分含量的特征

对不同土地利用方式的土壤基本理化性质进行了测定（见表2）。该地区酸碱度都在pH 8.9以上。除草原pH、草原和农田全磷、森林硝态氮在上层（0～10 cm）和下层（10～20 cm）存在显著性差异（P<0.05）外，其余各指标在上层和下层土壤中没有显著性差异。森林上层含水率大约在16.5%，是高于草原和农田，并且与草原和农田存在显著性差异（P<0.05），而草原与农田含水率接近没有显著性差异；上层土壤中3种土地利用方式的pH、有机质、全氮、铵态氮都没有显著性差异；在上层土壤中农田全磷含量高于森林和草原，存在显著性差异（P<0.05），而森林和草原并没有显著性差异；在上层土壤中硝态氮含量农田>森林>草原，并且三者都存在显著性差异。

在下层土壤中3种土地方式的含水率、有机质、全氮、铵态氮显著性差异与上层中一样，森林含水率仍然高于草原和农田，并且存在显著性差异（P<0.05），而3种土地方式的有机质、全氮、铵态氮含量仍接近，没有存在显著性差异。下层土壤中草原的pH、全磷高于森林和农田，并且存在显著性差异（P<0.05），而森林和农田没有显著性差异；下层土壤中农田的硝态氮含量高于森林和草原，存在显著性差异（P<0.05），而森林和草原沒有显著性差异。

2.3不同土地利用方式的土壤酶活性特征

图1a为森林、草原、农田3种土地利用方式的土壤样品中FDA水解酶活性。从中可以看出，3种土地利用方式上、下层土壤的FDA水解酶活性都存在显著性差异，草原FDA水解酶活性较森林和农田是显著增高，并且草原上、下层FDA水解酶活性接近为120μmol/（d·g），没有显著性差异，而在森林和农田当中FDA水解酶活性上层是高于下层的，并且存在显著性差异。

图1b为森林、草原、农田3种土地利用方式的土壤样品中过氧化物酶活性。从中可以看出，3种土地利用方式过氧化物酶活性稳定在80～98 mg/（d·g），上层没有存在显著性差异，下层也没有显著性差异，上层中草原最高，森林最低；下层中草原最高，农田最低。并且3种土地方式的上层和下层过氧化物酶活性也接近，没有明显的差异。

图1c为森林、草原、农田3种土地利用方式的土壤样品中脲酶活性。从中可以看出，在上层土壤中森林、农田的脲酶活性是高于草原，存在显著性差异，而森林与农田脲酶活性是接近的，没有显著性差异。在下层土壤中3种土地方式脲酶活性表现和上层一样，都是森林与农田脲酶活性接近并且高于草原。每种土地方式的上层和下层脲酶活性接近，没有明显差异。

图1d为森林、草原、农田3种土地利用方式的土壤样品中酸性蛋白酶活性。从中可以看出，酸性蛋白酶活性在上层土壤中农田明显高于森林和草原，其活性高于50%，具有显著性差异，而森林和草原酸性蛋白酶活性接近，没有明显差异。在下层土壤中3种土地方式酸性蛋白酶活性大小就近，活性分别为11.82 mg/（d·g）、12.90 mg/（d·g）、10.83 mg/（d·g）。草原的酸性蛋白酶活性下层是高于上层，并且存在显著性差异，森林酸性蛋白酶活性也是下层高于上层，但没有存在显著性差异，而在农田中酸性蛋白酶活性是上层高于下层。

图1e为森林、草原、农田3种土地利用方式的土壤样品中脱氢酶活性。从中可以看出，在上层土壤中脱氢酶活性森林是高于草原、农田，森林高于草原的40%，高于农田的52%，具有显著性差异，草原与农田脱氢酶活性接近没有显著性差异，分别为43.79μg/（d·g）、35.89μg/（d·g）。在下层土壤中脱氢酶活性是农田高于森林、草原，具有显著性差异，森林与草原脱氢酶活性接近没有显著性差异。森林的上层脱氢酶活性高于下层32%，具有显著性差异，草原和农田的上下层脱氢酶活性接近，没有显著性差异。

图1f为森林、草原、农田3种土地利用方式的土壤样品中蔗糖酶活性。从中可以看出，蔗糖酶活性在上层和下层土壤中3种土地方式都都十分接近，分析发现没有存在显著性差异，每种土地方式的上层蔗糖酶活性都高于下层，但是差值不大，没有明显差异。

2.4土壤酶活性与土壤理化性质的相关性分析

由表3可以看出，FDA水解酶在下层土壤中与pH存在显著的正相关，相关系数为0.743；脲酶在下层土壤中与pH存在极显著的负相关，相关系数为-0.888；酸性蛋白酶在上层土壤中与全磷存在极显著的正相关，与硝态氮存在显著正相关，在下层土壤中与铵态氮存在极显著负相关；脱氢酶在上层土壤中与含水率存在极显著的正相关，在下层土壤中与有机质和全氮存在显著的正相关；过氧化物酶和蔗糖酶与基本理化性质都没有存在显著的相关性。

通过CCA分析可知（见图2），此分析的土地利用方式与环境因子的总解释率为87.04%。3种土地利用类型在土层上并没有显著的差异，但是3种土地利用类型上差异显著，从图2可以看出，森林和草原土壤样品分异性比较明显，而农田样品较为集中。蛋白酶、FDA水解酶、pH、过氧化物酶、蔗糖酶、SOC、TN与草原土壤存在正相关性，尤其是蛋白酶和FDA水解酶与草原土壤正相关性较高；FDA水解酶、蛋白酶、TP、脲酶与多数农田存在正相关性，而且这几种酶与农田相关性都较高，可能是农田的每年翻耕增加了土壤酶的活性。TP、脲酶、硝态氮、铵态氮、含水率、脲酶与森林存在显著正相关。发现这几种酶的活性较土壤理化性质都与土地利用方式存在显著的相关性。

3讨论

3.1土地利用方式对土壤机械组成的影响

土壤机械组成及分布特征是重要的物理属性，对土壤水热条件、肥力状况、养分循环等过程发挥着重要作用[17]。土壤机械组成的变化对于不同土地里利用方式下的表现是不同的，这是因为土壤机械组成会受到植物根系、土壤微生物、凋落物质量的影响。在本研究的土壤机械组成中，3种土地利用方式都是以砂粒含量占据着主导地位，其次是粘粒，粉粒含量相对较低。不同土地利用方式下土壤粒径出现一些显著性差异，砂粒含量森林≈农田>草原；粉粒含量农田>森林>草原；粘粒含量草原>森林>农田。草原的粘粒含量是远大于森林和农田的，可能是由于本研究区土地原始为草原，生长多是1年生草本植物，覆盖度高，且草本的地上生物量和地下生物量大于森林和草原的地下生物量，在成土过程中腐殖质化作用有利于母质的风化[18]。森林粘粒和粉粒含量都是高于农田，这是由于本区的人工森林种植年限较短，森林对细颗粒的聚集小于草原，但是相对于农田也会使土壤细化。砂粒含量是农田高于森林和草原，说明长期种植开垦的土地会导致土壤沙化，引起土壤质量下降。

3.2土地利用方式对土壤理化性质的影响

不同的土地利用方式对土壤理化性质产生了一定的影响，在本研究中，3种土地利用方式含水率是森林>草原>农田，其中森林与草原、农田存在显著差异，这与李慧[19]的研究一致，森林的蓄水能力是高于草原和农田的。不同土地利用方式的pH没有显著差异，但农田pH是相对小于森林和草原，可能受施肥的影响，农田长期大量施用复合肥以及半腐熟的有机肥料可能会降低土壤pH。该地区土壤有机质含量偏低，并且同一地块内的不同土层的有机质含量均为由上而下呈递减趋势，主要原因土壤表层微生物含量较深层丰富，温度也高于深层等原因，致使有机质产生的比较多[20]。有机质含量草原>森林>农田，农田常年种植农作物，对有机质的利用较多，所以有机质含量较低。3种土地利用方式全氮含量顺序大小和有机质含量同样，是由于有机质的分解释放出氮，使得全氮的含量增加，且随土层深度增加而降低，这与吕薇等研究结果一致[21]。土壤全磷表层和下层土壤含量都是农田>森林>草原，这可能与当地施加的磷肥有关。土壤中铵态氮和硝态氮是土壤速效氮的2种主要形式，它们一起被作为土壤营养诊断的氮素营养指标。该地区铵态氮含量森林>草原>农田，硝态氮含量农田>森林>草原。土壤中铵态氮和硝态氮的含量主要来源于土壤有机氮的氨化和硝化等由土壤微生物进行的矿化作用，因此其含量的高低受土壤有机质含量、微生物种类和土壤环境条件如土壤温度、湿度和盐碱度等的多重影响[22]。

3.3土地利用方式对土壤酶活性的影响

由于土壤酶活性与土壤化学性质均系土壤的内在因素，因此人们通常认为二者之间存在着十分密切的相互关。在复杂的土壤环境里，重要的土壤酶如FDA水解酶、过氧化物酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和脱氢酶等，与土壤化学性质之间的关系可能还需要根据具体情况进行分析。

FDA水解酶主要来源于微生物细胞及部分动植物残体的分解，它可以被酯酶、蛋白酶及脂肪酶等多种非专一性酶水解，酶解终产物为有色的荧光素（fluorescein）[23]。其活性能够很好地反映土壤有机质转化及土壤中微生物的活性，被认为是土壤健康质量的生物学指标之一[24]。虽然FDA水解酶早已被发现，但是针对土壤FDA水解酶的研究较少[25]。在本研究中，FDA水解酶与土壤下层pH存在显著的正相关，王校常[26]研究中发现，FDA水解酶与土壤pH存在显著的负相关，曹永昌[27]在秦岭地带研究发现FDA水解酶与土壤pH也存在显著负相关，但他们共同特点是当地土壤为酸性土壤，而本研究中该地区为碱性土壤，土壤的酸碱性可能对FDA水解酶活性产生影响，这个也可以对其进一步的研究。并且通过CCA分析发现，FDA水解酶活性与农田和草原具有较高的正相关性，这与许云翔[28]研究结果一致，农田中由于施加化肥和秸秆还田原因，使得FDA水解酶活性增强。

过氧化物酶能利用由于微生物活动和某些氧化酶的作用而在土壤中形成的過氧化氢和其他有机过氧化物中的氧，氧化土壤有机物质，催化多种芳香族化合物（苯酚、取代酚、苯胺、多环芳烃等）的氧化反应，在腐殖质的形成中具有重要作用[29]。本研究中3种土地方式过氧化物酶活性都相接近，并且上下层活性也接近，没有显著性差异。过氧化物酶与土壤理化没有显著性相关，这与梁毅[30]的研究基本一致，在张英英[30]的研究中同样发现，过氧化物酶活性与土壤理化性质相关性不大。但岳中辉[31]在松嫩草原研究发现过氧化物酶与土壤理化性质存在一定的显著性相关，所以关于土壤过氧化物酶活性有待进一步研究。

脲酶直接参与土壤中含氮有机化合物的转化，其活性与土壤氮素、pH直接相关[32]。脲酶在草原中的活性相对较低，可能与草原的氮含量低有关。脲酶活性在下层土壤中与pH呈极显著性负相关，这与侯彦会等人研究一致，与pH呈显著负相关，其活性强度的变化随土壤肥力降低和土壤碱化程度的升高而降低，说明土壤脲酶活性可以作为表征土壤肥力的指标。通过CCA分析发现，脲酶与森林相关性较高，因为森林中土壤有机质含量较高，这与张晓曦[33]和王文台[34]研究结果部分相似，脲酶活性提高可能提供了腐殖质形成的一些前体物质或者提供了有机质分解的养分条件。3种土地方式脲酶活性上下层差异不大，可能是由于上下层两距离差距不大，没有明显差异。

蛋白酶是土壤有机氮水解为氨基酸过程中重要的酶，能够将蛋白质、肽类分解为氨基酸，参与调节生物的氮素代谢，是促进土壤氮循环的重要组分[35]。本研究中酸性蛋白酶活性森林和草原下层低于上层，随着土层的增加蛋白酶活性逐渐增加，10～20 cm的土壤层蛋白酶活性最高，这与聂素梅等[36]研究结果一致。在农田当中酸性蛋白酶活性上层高于下层，而且上层土壤中与全磷呈极显著性正相关、与铵态氮含量呈显著性正相关，原因是农田施肥较多、植物残体及微生物分布较多，其养分含量高，故酸性蛋白酶活性高，这与雷明等[37]研究结果类似。

土壤脱氢酶属于胞内酶，其活性可以作为土壤微生物氧化还原系统的指标，它从一定的基质中析出氢或氢的供体而进行氧化作用，反映土壤微生物新陈代谢的整体活性，可以作为微生物氧化还原能力的指标。在本研究中脱氢酶活性在上层土壤中森林显著高于草原和农田，通过CCA分析，脱氢酶活性与森林具有正相关性，与含水率有极显著性正相关，可能是森林含水率和土壤微生物活性较高的原因。在下层土壤中脱氢酶活性农田高于森林和草原，并与有机质、全氮含量呈显著性正相关，说明有机质和全氮是影响脱氢酶的主要因素，这也与郑佳玉[38]的研究结果一致。

蔗糖酶是土壤中又一广泛存在的酶，其活性对土壤有机碳的矿化起决定作用，是土壤中碳循环的关键酶，该酶受其底物的诱导作用。本研究中3种不同土地利用方式蔗糖酶活性没有明显差异，三者十分接近。但是上层土壤蔗糖酶活性是全部高于下层，说明蔗糖酶活性是随深度增加而减小，这与刘红梅等[39]研究结果一致。在0～10 cm土层，水热条件和通气状况良好，微生物代谢活跃，呼吸强度加大，从而使此土层的蔗糖酶活性较高。从相关性分析看，蔗糖酶活性与土壤理化性质没有显著性相关。

4结论

不同的土地利用方式会导致土壤机械组成和理化性质发生改变，耕地相对于林地和草地的砂粒含量明显增加，粘粒减少，土壤含水量也明显下降，土壤pH也明显降低，并对土壤中一些酶活性也引起不同的改变。土壤土地利用方式的改变所导致的土壤理化性质和土壤酶活性的改变可能会影响黑龙江省西部地区C、N等的循环。对于该地区来讲，土壤含水量对于维持该区域生态系统功能十分重要，当原始草地转变为长期耕作农田时，会导致土壤旱化、沙化，导致土壤质量下降。

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