治沟造地对延安土壤有机碳及酶活性的影响

张盼盼， 雷 娜， 李 燕

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司， 陕西 西安 710075； 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司， 陕西 西安 710075； 3.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室， 陕西 西安 710075； 4.陕西省土地整治工程技术研究中心， 陕西 西安 710075； 5.自然资源部 土地工程技术创新中心， 陕西 西安 710075)

黄土高原是我国黄河中游地区主要的地貌类型之一，黄土颗粒细，土质松软，矿物质养分含量丰富，利于耕作[1]，但受人类不合理开发利用和区域自然因素的双重影响，该区水土流失异常严重，是目前中国乃至世界水土流失最严重的地区。我国黄土高原总面积6.35×105km2，水土流失面积4.72×105km2[2]，水土流失是导致黄土高原土壤肥力低下，生态环境问题严峻的主要因素。治沟造地是针对黄土高原特殊地貌条件，利用现代化工程手段快速在沟道覆土造田，田坝渠路林综合建设的一种沟道土地整治新模式，是土地整治工程和水土保持骨干工程的融合与创新[3]。治沟造地工程是一个综合复杂的系统工程，实施内容包含土地平整工程、田间道路工程、灌溉与排水工程以及农田防护与生态保护工程等[4]，势必会对土壤理化生物性状等产生影响。土壤有机碳是土壤养分转化的核心，反映了土壤截留碳的能力，与土壤养分密切相关[5]；活性有机碳虽含量小但有效性高，对作物养分供应有直接关系[6]；土壤酶是土壤生物化学反应的催化剂，可促进土壤养分转化，能够敏感地反应土壤质量的变化[7]。目前对治沟造地工程的研究多集中在效益评价分析及耕地物理性质研究方面[8-10]，对土壤有机碳、活性有机碳含量、酶活性的影响研究较少。因此，探讨同一地区治沟造地实施区与未实施区及不同整治年限的土壤有机碳和土壤酶活性的差异，揭示治沟造地对土壤有机碳和酶活性的影响特征，可为沟道高标准农田建设及治沟造地工程的实施、推广提供科学决策和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

治沟造地工程项目区位于陕西省延安市。延安市位于黄河中游，属黄土高原丘陵沟壑区，内陆干旱半干旱气候，四季分明、日照充足、昼夜温差大，年均气温7.7～10.6℃，年均降水量500 mm左右，地貌以黄土高原、丘陵为主，地势西北高东南低。土壤取自延安市宝塔区的羊圈沟流域、顾屯村、麻洞川，安塞区闫桥片区，子长市九玉沟、南郑沟(各取样区治沟造地工程完成年、土壤质地见表1)，这些区域均种植玉米，一年一熟，化肥一次性施入。

表1 土壤取样区概况

1.2 土壤样品采集

治沟造地对土壤有机碳的影响是一个长期过程，一般方法是在不同时间(即整治前后)对同一区域内的土壤重复采样检测，但这种方法持续时间长，且需严格控制各种条件。为操作方便，本研究采用相邻土壤取样的间接对比方法。即在同一时间对整治后的和邻近的未整治的坡面土壤采样进行比较研究。具体做法：于2020年5月，在延安治沟造地各工程实施区与相邻未实施治沟造地的沟道，分别划1个10 m×10 m的样地，按照5点取土混合方式，各采集0～20 cm耕层土壤样品3个。6个地点共采集土壤样品36个，每个土壤样品约1 000 g，土壤去除杂物后，自然风干、磨碎过筛备用。

1.3 指标测定方法

土壤有机碳采用TOC/TN分析仪(MultiC/N3100)测定，活性有机碳采用紫外分光光度计、TOC/TN分析仪(MultiC/N3100)测定[11]，蛋白酶采用茚三酮比色法测定[12]。

1.4 数据统计分析

数据采用SPSS和Excel进行处理，用Origin软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 治沟造地对土壤有机碳的影响

由图1可见，研究区各点土壤有机碳含量治沟造地实施区均高于未实施区，提升幅度分别为0.05～0.80 mg/g，平均提升0.35 mg/g。其中：宝塔区羊圈沟土壤有机碳提升了0.19‰，顾屯提升1.48‰，麻洞川提升1.09‰；安塞区闫桥片区土壤有机碳提升0.52‰；子长市九玉沟提升0.19‰，南郑沟提升0.09‰。可见治沟造地工程有助于提高土壤有机碳含量。

图1 治沟造地区与未实施区土壤有机碳的含量

对研究区各点治沟造地实施区与未实施区土壤有机碳的含量差异显著性分析结果表明(表2)，治沟造地对土壤有机碳的含量影响显著。

表2 治沟造地区与未实施区土壤有机碳含量的差异显著性分析

2.2 治沟造地对土壤活性有机碳的影响

由图2可见，研究区各点治沟造地实施区土壤活性有机碳含量均高于未实施区，提升幅度分别为0.1～0.77 mg/g，平均提升0.47 mg/g。其中：宝塔区羊圈沟土壤活性有机碳提升38%，顾屯提升61%，麻洞川提升108%；安塞区闫桥片区土壤活性有机碳提升17%；子长市九玉沟提升18%，南郑沟提升187%。可见治沟造地工程有助于提高土壤活性有机碳含量。

图2 治沟造地区与未实施区土壤活性有机碳的含量

对研究区各点治沟造地实施区与未实施区土壤活性有机碳的含量差异显著性分析结果表明(表3)，治沟造地对土壤活性有机碳的含量影响极显著。

表3 治沟造地区与未实施区土壤活性有机碳含量的差异显著性分析

2.3 治沟造地对土壤蛋白酶活性的影响

由图3可见，研究区各点治沟造地实施区土壤蛋白酶活性均高于未实施区，提升幅度分别为0.02～0.14 mg/g，平均提升0.078 mg/g。其中：宝塔区羊圈沟土壤蛋白酶活性提升10%，顾屯提升15%，麻洞川提升33%；安塞区闫桥片区土壤蛋白酶活性提升11%；子长市九玉沟提升13%，南郑沟提升40%。可见治沟造地工程有助于提高土壤蛋白酶活性。

图3 治沟造地区与未实施区土壤蛋白酶的含量

对研究区各点土壤蛋白酶活性进行差异显著性分析结果表明(表4)，治沟造地前后土壤活性有机碳含量差异极显著。对研究区各点治沟造地实施区与未实施区土壤蛋白酶活性的含量差异显著性分析结果表明(表4)，治沟造地对土壤蛋白酶活性的影响显著。

表4 治沟造地区与未实施区土壤蛋白酶活性的差异显著性分析

2.4 不同整治年限对土壤有机碳、活性有机碳及酶活性的影响

由表5可见，2015年完工的宝塔区羊圈沟、顾屯、麻洞川治沟造地工程，土壤有机碳整治后较整治前平均增加0.500 mg/g，增幅为9.3%；土壤活性有机碳整治后较整治前平均增加0.540 mg/g，增幅为70%；蛋白酶活性整治后较整治前平均增加0.053 mg/g，增幅为20%。2018年完工的安塞区闫桥片区治沟造地工程，土壤有机碳整治后较整治前平均增加0.420 mg/g，增幅为5.1%；土壤活性有机碳整治后较整治前平均增加0.400 mg/g，增幅为17%；蛋白酶活性整治后较整治前平均增加0.050 mg/g，增幅为33%。2019年完工的子长市九玉沟、南郑沟治沟造地工程，土壤有机碳整治后较整治前平均增加0.075 mg/g，增幅为1.3%；土壤活性有机碳整治后较整治前平均增加0.385 mg/g，增幅为69%；蛋白酶活性整治后较整治前平均增加0.049 mg/g，增幅为25%。由此可见，土壤有机碳、活性有机碳、蛋白酶活性的变化量均是5 a>2 a>1 a，而土壤有机碳增幅是5 a>2 a>1 a，活性有机碳增幅是5 a>1 a>2 a，蛋白酶活性增幅是2 a>5 a>1 a。总体说明治沟造地工程完成的时间越长，土壤有机碳、活性有机碳及蛋白酶活性越高。

表5 治沟造地不同年限的土壤有机碳、活性有机碳和蛋白酶活性变化量

2.5 土壤有机碳、活性有机碳与土壤蛋白酶活性的关系

土壤酶参与土壤养分转化，土壤酶活性必然会影响土壤活性有机碳的循环转化过程[13]。经对研究区土壤有机碳、活性有机碳与土壤蛋白酶活性的相关性分析结果表明(表6)，土壤有机碳、活性有机碳与土壤蛋白酶活性呈显著正相关，说明治沟造地前后土壤活性有机碳含量与土壤蛋白酶活性具有高度的一致性。

表6 研究区土壤有机碳、活性有机碳与蛋白酶活性的相关性

3 讨论

耕层土壤的形成熟化需要一个漫长的过程，1 cm厚的土壤形成甚至需要400年的沉积打磨[14]。有研究表明，土地平整虽然剥离了表层土壤，但可以在短时间内增加土壤有机质含量、改善土壤结构和养分状态，增加作物产量，如若将剥离的表层土壤回填到整治后的耕地上，则可以大大加速土壤熟化进程，迅速提升地力，但在土地整治过程中应注重工艺流程，否则适得其反[15-16]。

土壤有机碳储量受自然和人为因素的影响，具有明显的空间异质性[17]，有机碳储量受输入和输出控制，输入主要取决于植被的分解速率和归还量[18]，分解速率低、归还量大则有机碳储量就高；输出主要取决于植被根系、微生物呼吸和含碳物质的氧化反应[19]。延安治沟造地工程实施包含土壤表层剥离技术，势必会对土壤养分有一定的影响，由于工程实施时间较短，土壤有机碳富集较慢，所以需要一定的熟化过程，随着作物种植、培肥等措施的使用，土壤有机碳储量势必会提高更多。

尽管土壤活性有机碳占土壤有机碳的比例很小，但土壤活性有机碳是土壤有机碳库中对物理、化学等各种干扰因素响应最为敏感的组分，在土壤养分循环中起着重要的作用[20]，能够反应土壤有机碳库微小的变化，直接参与土壤化学生物反应，是土壤碳源和养分流动的驱动力[21]。原荒地经人为平整后转变为农田，经过种植作物、施肥，土壤凋落物等增加，生物活性增加，土壤活性有机碳也随之增加。

土壤酶活性与土壤的代谢、土壤养分形态的转化、土壤肥力的提高息息相关[22]。而土壤蛋白酶不仅是分解土壤有机含氮化合物重要的水解酶，其活性还能反映土壤的环境质量状况[23]。蛋白酶主要由各种各样的微生物活动、植物根系分泌和动物残体的分解逐渐富集而来[20]，治沟造地工程涵盖了灌溉与排水、田间道路、农田防护和生态保护等配套工程，有利于农田生态系统恢复，增加了区域生物多样性，土壤蛋白酶活性也会随之增加。

治沟造地工程包含田间道路工程、灌溉与排水工程以及农田防护与生态保护工程措施，伴随着生产条件的改善，利于作物生长和生物量的积累；农田防护与生态保护工程的实施增加了林地面积，利于形成农田防护生态林系统的形成，对维护生态系统平衡、保持水土、保障生态安全有积极作用[24]。探讨治沟造地工程措施对土壤有机碳、活性有机碳和土壤酶的影响，可揭示治沟造地模式下土壤环境质量的变化。本研究对治沟造地工程土壤有机碳、活性有机碳与蛋白酶三者关系进行的初步分析表明，三者呈显著正相关，这与相关研究结果基本一致[25]。本研究受一些条件的限制，仅取样比较了治沟造地工程实施区与非实施区土壤中有机碳、活性有机碳和蛋白酶的差异，而未对治沟造地工程实施前后各指标随时间变化的差异进行比较分析，这有待今后进行深入持续研究。

4 结论

1) 治沟造地实施区0～20 cm的土壤有机碳、活性有机碳、蛋白酶含量均较未实施区有显著提升。其中，土壤有机碳提升幅度为0.05～0.80 mg/g，土壤活性有机碳提升幅度为0.10～0.77 mg/g，土壤蛋白酶活性提升幅度为0.02～0.14 mg/g。说明治沟造地工程有助于提高土壤有机碳、活性有机碳含量和土壤蛋白酶活性。

2) 治沟造地实施区土壤有机碳、活性有机碳含量和蛋白酶活性随工程完工年限的增加而提高。其中，完工5年的较整治前土壤有机碳平均增加0.50 mg/g、活性有机碳平均增加0.54 mg/g、蛋白酶活性平均增加0.053 mg/g，完工2年的较整治前土壤有机碳增加0.42 mg/g、活性有机碳增加0.40 mg/g、蛋白酶活性增加0.05 mg/g，完工1年的较整治前土壤有机碳增加0.075 mg/g、活性有机碳增加0.385 mg/g、蛋白酶活性增加0.049 mg/g。

3) 研究区土壤有机碳、活性有机碳与土壤蛋白酶活性呈显著正相关。

认为治沟造地工程有助于提高土壤有机碳、活性有机碳含量和土壤蛋白酶活性，深入研究治沟造地土地治理模式对土壤理化生物等指标的影响，对评价治沟造地工程效应、指导实际生产等方面具有重要意义。