长白楤木土壤酶活性及微生物量碳、氮特征对种植年限的响应

关键词：长白楤木；土壤酶活性；微生物量碳、氮；种植年限

中图分类号：S567.23+9.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）11-0114-07

作物连续种植后土壤理化性质、微生物群落结构会发生明显改变，且植物与土壤间具有互作机制，土壤肥力降低，进而影响植物生长。土壤质量的重要指标之一是酶活性，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性与土壤中氮、磷循环及物质吸收具有密切关系。在氮、磷循环利用过程中，微生物的转运作用也尤其重要，不同土层间微生物存在差异。土壤微生物量碳、氮是土壤有机质中最活跃的组分，对土壤的环境变化尤其敏感，因此微生物量碳、氮含量的变化也是反映土壤肥力的重要依据之一。

长白楤木是一种多年生草本植物，药食同源，具有较高的营养价值和经济价值。长白楤木在长年人工种植情况下容易出现生长缓慢、品质降低等情况。在自然环境条件下，随着种植年限的延长，土壤酶活性及微生物量碳、氮的变化会影响植物对养分的吸收，从而对植物的生长发育、品质产生一定影响。本研究从了解长白楤木土壤性质的动态演变及如何创造有利于植物的良好生长条件等角度出发，采集不同种植年限的长白楤木土壤，分析其土壤酶活性及微生物量碳、氮变化特征，明确长白楤木不同种植年限与土壤理化性质间的关系，以期为长白楤木持续高产种植提供参考依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2022年9月在长春大学长白楤木试验基地（125°17′56″E，43°49′47″N）进行。该地区年平均气温4.8℃，日照时间2 688 h；四季分明，春季昼短夜长，气候干燥；夏季温暖多雨；秋季早晚温差大；冬季漫长而寒冷。

1.2土壤样品采集

采集连续种植2、5、10年长白楤木且未施用肥料的土样，分别取0～10、10～20、20～30 cm三个土层的土壤，装入袋中带回实验室。将部分新鲜土样自然风干后磨碎，过0.25mm后备用；剩余鲜土4℃条件贮存。

1.3测定指标及方法

土壤脲酶（UE）活性采用苯酚钠一次氯酸钠比色法测定；土壤磷酸酶（ALP）活性采用磷酸苯二钠比色法测定；土壤蔗糖酶（SC）活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定。土壤微生物量碳（SWBC）、土壤微生物量氮（SWBN）采用氯仿熏蒸处理法测定。

1.4数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理，采用SPSS 27.0软件进行方差分析和相关性分析，采用Origin 2018、R 4.3.0软件绘图。

2结果与分析

2.1不同种植年限对长白楤木土壤酶活性的影响

2.1.1土壤脲酶活性 由图1可知，不同种植年限的长白楤木土壤脲酶活性均随着土层加深而降低。0～10 cm土层，种植5年的长白楤木土壤脲酶活性最高，种植10年的最低，后者较前者显著下降59%。10～20 cm土层，种植2年的长白楤木土壤脲酶活性最高，较种植10年的显著提高135%。20～30 cm土层，不同种植年限的土壤脲酶活性基本稳定在1.32 mg·g^-1·d^-1左右，种植年限间无显著差异。整体来看，种植5年和10年的长白楤木平均土壤脲酶活性较种植2年的分别降低15%和47%。

柱上不同大写字母代表同一土层不同种植年限间有显著差异（Plt;0.05）；不同小写字母代表同一种植年限不同土层间有显著差异（Plt;0.05）。下同。

2.1.2土壤磷酸酶活性 由图2可知，种植2年和10年的长白楤木土壤磷酸酶活性均随着土层加深而降低，而种植5年的土壤磷酸酶活性则先降低后升高。0～10 cm土层，种植2年的长白楤木土壤磷酸酶活性最高，种植10年的最低，后者较前者显著下降32%。10～20 cm土层，种植2年的长白楤木土壤磷酸酶活性最高，较种植5年的显著提高55%。20～30 cm土层，种植5年的长白楤木土壤磷酸酶活性最高，种植10年的最低，较种植2年和5年的分别显著下降26%和53%。整体来看，种植5年和10年的长白楤木平均土壤磷酸酶活性较种植2年的分别降低12%和28%。

2.1.3土壤蔗糖酶活性 由图3可知，种植2年与10年的长白楤木土壤蔗糖酶活性均随着土层加深而降低，而种植5年的土壤蔗糖酶活性则先降低后升高。0～10 cm土层，种植10年的长白楤木土壤蔗糖酶活性最高，种植5年的最低，较种植2年与10年的分别显著下降18%和30%。10～20 cm土层，种植10年的土壤蔗糖酶活性最高，种植5年的最低，较种植2年与10年的分别显著下降25%和37%。在20～30cm土层，种植2年与10年的土壤蔗糖酶活性稳定在0.34mg·g^-1·d^-1左右，二者无显著差异，而种植5年的土壤蔗糖酶活性显著高于种植2、10年的。整体来看，种植5年和10年的长白楤木平均土壤蔗糖酶活性较种植2年的分别提高6%和15%。

2.2不同种植年限对长白槐木土壤微生物量碳含量的影响

由图4可知，随土层加深，不同种植年限的长白楤木土壤微生物量碳含量均呈显著下降趋势。不同土层的土壤微生物量碳含量均为种植2年的最高，10年的最低。其中在0～10 cm土层，种植2年的土壤微生物量碳含量较种植5年和10年的分别显著增加21%和29%。10～20 cm土层，种植2年的土壤微生物量碳含量较种植5年和10年的分别显著增加20%和28%。20～30 cm土层，种植2年的土壤微生物量碳含量较种植5年和10年的分别显著增加24%和40%。整体来看，种植年限为2、5年和10年的长白楤木20～30cm土层的土壤微生物量碳含量比表层土壤分别显著下降25%、27%和31%。种植5年和10年的平均土壤微生物量碳含量较种植2年的分别显著降低18%和24%。

2.3不同种植年限对长白楤木土壤微生物量氮含量的影响

由图5可知，随土层加深，不同种植年限的长白楤木土壤微生物量氮含量呈显著下降趋势。不同土层的土壤微生物量氮含量均为种植2年的最高，种植10年的最低。其中在0～10 cm土层，种植2年的土壤微生物量氮含量较种植5年和10年的分别显著增加49%和65%。10～20 cm土层，种植2年的土壤微生物量氮含量较种植5年和10年的分别显著增加57%和74%。20～30 cm土层，种植2年的土壤微生物量氮含量较种植5年和10年的分别显著增加50%和61%。整体来看，种植年限为2、5年和10年的长白楤木20～30cm土层的土壤微生物量碳含量比表层土壤分别显著下降15%、16%和13%。种植5年和10年长白楤木的平均土壤微生物量氮含量较种植2年的分别显著降低34%和40%。

2.4不同种植年限下土壤微生物量碳、氮含量与相关酶活性的相关性分析

由图6A可知，种植年限为2年时，土壤微生物量碳含量与脲酶、蔗糖酶活性呈极显著正相关，与磷酸酶活性呈不显著正相关：脲酶活性与蔗糖酶活性呈极显著正相关，与磷酸酶活性呈显著正相关；磷酸酶活性与蔗糖酶活性呈显著正相关；微生物量氮含量与脲酶活性呈不显著正相关，与磷酸酶、蔗糖酶活性呈不显著负相关。

由图6B可知，种植年限为5年时，土壤微生物量碳含量与脲酶、蔗糖酶活性呈显著正相关，与磷酸酶活性呈不显著正相关：脲酶活性与磷酸酶活性呈显著正相关；蔗糖酶活性与脲酶、磷酸酶活性呈极显著正相关；土壤微生物量氮含量与三种酶活性均呈不显著正相关。

由图6C可知，种植年限为10年时，土壤脲酶活性与磷酸酶活性呈显著正相关；土壤蔗糖酶活性与脲酶、磷酸酶活性呈极显著正相关；土壤微生物量碳、氮含量与三种酶活性之间呈不显著正相关。

由以上分析可见，种植年限为2年的长白楤木土壤酶活性受微生物量碳、氮含量的影响较大，土壤酶活性的变化影响土壤碳、氮的累积和转化。

3讨论

3.1长白楤木土壤酶活性对种植年限的响应

土壤酶在土壤养分循环转化中起着主要作用，其活性是衡量土壤肥力的重要指标之一，并且会受到养分含量变化的影响。本研究中，随着长白楤木种植年限的延长，土壤脲酶和磷酸酶活性均表现出逐渐降低趋势，这与Cheviron等的研究结果基本一致。主要原因是种植年限和栽培管理会影响土壤酶活性的变化，而酶活性的改变也与形成种植障碍密切相关，当植物经过长期种植栽培后，土壤质量下降，酶活性降低。而土壤蔗糖酶活性变化趋势则相反，随着种植年限的延长而增高，这与古军霞等的研究结果较为一致。分析认为，土壤蔗糖酶能够将土壤中的蔗糖水解为单糖，然后被植物所吸收利用，而长白楤木生长过程中根系分泌物提供了丰富的碳源，从而提高了蔗糖酶的活性。

本研究表明，长白楤木不同种植年限土壤脲酶活性随土层加深而呈显著下降趋势，这与焦亚鹏等的研究结果相似。而深层土壤脲酶活性无显著差异，这主要是因为土壤表层的营养物质丰富，有利于土壤微生物的呼吸与活动，并促进其新陈代谢。土壤磷酸酶活性总体随着土层增加而显著降低。有研究发现，土壤磷酸酶活性一方面与微生物的数量有关，另一方面与土壤微生物群落的多样性与均匀性密切相关，这种多样性与均匀性会随着种植年限延长而逐渐降低，所以土壤磷酸酶活性也会降低。Tang等的研究结果为土壤蔗糖酶平均活性在0～10、10～20、20～30cm土层分别为0.82、0.47、0.46mg·g^-1.d^-1，表层土壤高于深层，具有一定的表聚性。然而种植5年长白楤木的土壤在深层中的磷酸酶与蔗糖酶活性显著增加，这可能与土壤类型、周围环境条件等因素有关，具体原因需要进一步探究。

3.2长白楤木土壤微生物量碳、氮含量对种植年限的响应

有机质是土壤的活性养分库，提供植物生长需要的碳、氮养分。本研究中，随着种植年限的延长，各土层土壤微生物量碳、氮含量大多表现为显著降低，这与前人的研究结果较为一致。其中导致土壤微生物量碳含量变化的因素有很多，如土壤温度、水分、营养状况、土壤质量等，长白楤木的种植年限越长，这些因素就越有可能会发生裂变，导致土壤微生物量碳含量逐渐降低。土壤微生物量氮含量随种植年限延长下降明显，其原因可能是种植年限越长，土壤中的氮补充较少，同时长白楤木的生长也会吸收带走土壤中大量的氮，从而导致土壤中微生物量氮含量逐年下降。并且两者变化趋势相似，正是因为微生物在活动过程中吸收碳的同时也要吸收氮，这样可以使自身的碳氮比达到平衡。

研究表明，微生物量氮对土壤中氮素的循环和供给起着重要作用。本研究表明，长白楤木种植年限为2、5年和10年的土壤微生物量碳、氮含量随土层加深呈现下降趋势，其中微生物量氮在20～30cm土层与0～10、10～20 cm土层有显著差异。这可能是不同深度的土壤肥力存在差异，而土壤微生物对土壤质量的变化非常敏感，从而影响土壤微生物量碳、氮的含量。因此，在长白楤木的种植过程中应对深层土壤加强管理，可以适当增施肥料、调节土壤pH值等，以提高土壤微生物量碳、氮含量，另外进行土壤改良也是不可或缺的。

3.3不同种植年限长白槐木土壤微生物量碳、氮及酶活性的相关性

土壤酶是土壤中物质循环的催化剂，其活性可以反映出土壤各种生物化学过程的强度与方向。研究表明，土壤中大部分酶的活性都会受到土壤微生物量碳、氮的影响，种植年限的延长会改变植物根系对土壤养分的吸收和利用，从而造成土壤肥力下降。相关性分析结果表明，种植年限为2年时，土壤微生物量碳与脲酶、蔗糖酶呈极显著正相关，而种植年限为10年时，这种相关性并不显著。这是由于土壤酶会将土壤中的有机物转化成植物需要的养分，而微生物量碳与土壤中的碳、氮等养分的转化供给有着密切关系。长白楤木种植年限短，土壤受到水分、植物根系等影响，微生物活动较强，直接影响土壤碳的累积和转化。不同种植年限下，土壤中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶之间均有一定的相关性。这与郭书亚、李春霖等的研究结果相似。

4结论

种植年限和土层深度对长白楤木土壤脲酶、磷酸酶活性及土壤微生物量碳、氮含量均有一定影响。随种植年限延长，各指标均呈现下降趋势；随土层加深，各指标均呈现递减趋势。由此可推断，长白楤木的种植年限越长对其土壤理化性质的影响越大，种植10年长白楤木的土壤肥力较低。因此，在长白楤木种植年限延长后应注意土壤管理，改善土壤质量，以更好地促进长白楤木的生长发育和产量提高。