新疆艾比湖地區不同土地利用方式土壤養分、酶活性及微生物特性研究

張曉東， 李 忠， 張 峰

(1.巴音郭楞職業技術學院生物工程學院， 新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆庫爾勒市香梨研究中心， 新疆 庫爾勒 841000)

新疆艾比湖地區不同土地利用方式土壤養分、酶活性及微生物特性研究

張曉東1， 李 忠1， 張 峰2

(1.巴音郭楞職業技術學院生物工程學院， 新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆庫爾勒市香梨研究中心， 新疆 庫爾勒 841000)

新疆艾比湖地區在我國內陸荒漠自然生態系統中具有典型性和較高研究價值，通過對不同土地利用方式土壤進行采樣和分析，系統地研究和比較了不同土地利用方式土壤酶活性及微生物特性(土壤微生物量和微生物數量)。結果表明：新疆艾比湖不同土地利用方式土壤機械組成不盡一致，黏粒含量占主導地位，粗砂粒含量相對較低，土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反。不同土地利用方式對土壤養分具有較大影響，不同土地利用方式下土壤養分(有機碳、全氮、全磷)和有效養分(有效磷、有效氮、有效鉀、有效鋅、有效鐵含量)均呈現出一致性規律，大致表現為林地>草地>耕地>未利用地，土壤全磷在不同土地利用方式下差異均不顯著(p>0.05)；與耕地相比，土壤微生物量碳和氮、土壤微生物數量(細菌、真菌和放線菌)，土壤酶活性(土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、酸性磷酸酶活性)均有明顯的增加，大致表現為：林地>草地>耕地>未利用地；相關性分析表明，土壤微生物量碳和氮、細菌、放線菌和真菌數量、蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和磷酸酶活性均呈顯著或者極顯著的負相關(p<0.05，p<0.01)；土壤有機質和全氮與蔗糖酶、脫氫酶、磷酸酶和細菌數量呈極顯著正相關(p<0.01)，土壤有效養分與土壤微生物量碳、細菌數量和蔗糖酶活性呈顯著或極顯著正相關(p<0.05，p<0.01)，說明土壤微生物量碳仍是有效養分的主要來源，其中土壤容重對土壤微生物量、微生物數量和酶活性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物量、微生物數量和酶活性貢獻為正，這是造成不同土地利用方式土壤微生物量、微生物數量和酶活性差異的重要原因，其中有機質和全氮是土壤微生物量、微生物數量和酶活性的主要養分來源。

艾比湖; 土地利用方式; 土壤養分; 土壤微生物

土壤酶活性和微生物量(土壤養分)是植物生長必不可少的限制性因子，作為各種氣候、地形因子以及人類活動等綜合作用的結果，深刻影響著地球生態系統的土壤質量與生產力[1-5]；土壤酶是由土壤微生物分泌的具有高效性的活性物質，作為重要的蛋白質性質的生物催化劑，在土壤各種生化反應過程中發揮著重要作用，也是有機質分解過程、物質循環、能量流動等過程中不可或缺的組成部分[6-7]；土壤微生物量是地下生態系統代謝的主要驅動力，在一定程度上反映了土壤物質交換與能力流動的強度，經常被作為反應地下生態系統變化的敏感指標和預警閾值[8-9]，主要是由土壤微生物、植物根系分泌物、腐解的動植物殘體產生，參與土壤中各種有機物質的合成、轉化與分解，無機物質的氧化還原等過程。土地利用是人類干預土壤肥力(土壤酶活性和微生物量)最直接、最重要的表現形式之一，主要是通過改變土壤養分循環的總量、強度以及路徑等發生過程，通過影響水、熱等環境條件等進而影響到土壤養分(土壤酶活性和微生物量)轉化與流動過程[10]。土地利用方式的改變會引起生物地球化學循環過程發生變化，進而導致土地生產力的改變和土壤養分(土壤酶活性和微生物量)循環過程；合理的土地利用方式能夠改善土壤物理化學結構，增強對外界環境脅迫的抵抗力，然而不合理的土地利用方式造成土壤質量下降，并且加速侵蝕和土壤退化等過程[11-12]。

我國可利用土地面積較少，隨著精細農業的發展與興起，亟需掌握不同土地利用方式下土壤養分(土壤酶活性和微生物量)循環過程及變遷規律，以便于合理優化土地管理和土壤的可持續利用發展[13-14]。新疆是我國干旱—半干旱地的主要的集中區域，該區域水、熱、光、土、氣條件的獨特性，形成了獨具特色的農業產業鏈，因此新疆具備了建立高產、優質、高效農業的先天性優越條件，然而獨特的氣候條件也造成了該區土壤退化，養分循環受阻等，伴隨著隨著不合理的土地利用方式引起的土壤質量等問題逐步受到關注。有鑒于此，研究不同土地利用方式土壤養分的轉變可為該區土壤質量的有效提高與利用提供基本的數據支撐。本論文以新疆艾比湖為研究對象，探討不同土地利用方式下土壤酶活性、土壤微生物量的變化趨勢，旨在揭示不同土地利用方式對土壤養分及質量演變的作用機制，對該區土壤退化和有效恢復具有一定的指導意義，同時也為新疆土地資源質量的有效調控及土地的可持續發展理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

艾比湖流域(43°38′—45°52′N，79°53′—85°02′E)地跨新疆維吾爾自治區博爾塔拉蒙古自治州、奎屯市和克拉瑪依市的獨山子區，位于新疆維吾爾自治區的西北部，準噶爾盆地西南方向。受西風環流以及蒙古高壓和西伯里亞冷空氣的影響，該區屬溫帶干旱性氣候，光照充足，干燥少雨，夏季降水稀少，冬季異常干燥寒冷，年平均氣溫6.6～7.8℃，多年平均降水量116.0～169.2 mm，年蒸發量為1 626 mm左右(近10 a數據)，年降水量不足100 mm，年平均≥8級以上大風165 d，極大風速達55 m/s。該流域土壤多為戈壁及亞沙土，地表植被多稀疏且分布不均，地表、地下水資源的提供與補給主要來源于山區，地勢西南高，東北低，同時由于春夏降雨及雪山融水原因，地表侵蝕現象嚴重。該流域內有33條溝系和7條主要河流，水資源量為37.8億m3，土地次生鹽堿化較為明顯，土地退化和生態環境問題嚴重突出，地理位置及區域具有重要性[15-16]。

1.2 土壤樣品采集

于2015—2016年的9月中旬，對4種不同土地利用方式取樣(林地、草地、耕地、未利用地)，其中林地以梭梭(Haloxylonammodendron)和檉柳(Tamarixchinensis)為主，草地以溫性荒漠草原為主，伴生羊茅(Festucaovina)，針茅(Stipacapillata)，冰草(Agropyroncristatum)等，耕地以為玉米地為主，未利用地為>20 a的棄耕地，每種土地利用方式設置5個重復樣地(樣地面積為100 m×100 m左右)，每個樣地相距100 m左右，隨機設置5個采樣點，每個采樣點間距在10 m以上，每個采樣點重復取5次作為平行(間隔2 m)，為了保證取樣條件的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°(合計：n=400)。除去表層的枯落物層，四分法取1 kg左右的土壤樣品(0—20 cm混合土樣)，所取的土壤樣品分為兩部分，一部分鮮土現場過2 mm篩后4℃保溫冰箱保存，另一部分帶回實驗室風干后去除雜質對其養分和有效養分進行測定；一份4℃保存用于測定土壤微生物量。在每個樣點附近挖取相同深度對的剖面測定土壤容重(環刀法，g/cm3)并計算土壤孔隙度(%)。

1.3 土壤養分和酶活性測定

土壤自然風干(20 d)后過2 mm篩(去除植物根系等雜物)。土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進行測定；土壤全氮采用開氏消煮法測定；土壤全磷采用NaOH堿溶—鉬銻抗比色法；土壤有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；土壤有效氮采用NaOH-H3BO3法；土壤有效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法；土壤有效性銅、鋅、鐵的測定采用DTPA提取—原子吸收光譜法[17]；土壤顆粒組成采用吸管法測定，根據美國農部制將土壤顆粒級別分為：2～0.5 mm(粗砂粒)，0.5～0.25 mm(中砂粒)，0.25～0.05 mm(細砂粒)，0.05～0.002 mm(粉粒)、<0.002 mm(黏粒)。采用平板梯度稀釋法測定土壤微生物的數量[17]，其中牛肉膏蛋白胨瓊脂為細菌培養基，馬丁氏培養基為真菌培養基，高氏一號瓊脂為放線菌培養基；采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L的K2SO4浸提法測定土壤微生物生物量碳和氮[17]；土壤酶活性的測定[17]：采用分光光度計比色法測定土壤酶活性，測定酶活種類為蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和酸性磷酸酶。

1.4 統計分析

利用SPSS 18.00和Excel 2007對數據進行整理和分析，單因素方差分析(One-way ANOVA)和鄧肯新復檢驗法對處理之間的差異進行統計，各試驗結果用平均值±標準誤差的形式表示，Pearson相關分析系數探討土壤養分之間的相關程度。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤顆粒分布特征

分析和對比了不同土地利用方式下土壤粒徑分布及分形維數(表1)。由表1看出，土壤粒徑分布在不同土地利用方式有著有明顯的不同，其中黏粒百分比占主導地位，范圍變化為44.13%～69.13%。細砂粒和中砂粒含量百分比分別位于3.56%～18.37%和2.17%～8.16%，粗砂粒含量相對較低。研究區土壤顆粒分形維數變化范圍是2.615～2.979，表明土壤質量較好。有較高分形維數的地類對應于較高的土壤質量。因此，與單純依靠土壤粒徑分布或土壤質地相比，土壤顆粒分形維數在比較不同土地利用方式土壤質量時能提供更多的信息。不同土地利用方式的分形維數表現為未利用地>草地>耕地>林地，說明未利用地的土壤相對更好，這是因為條件好、土層厚的土地主要用來種植農作物，而大多數林地植被生長在立地條件相對較差的環境。

表1 土壤顆粒的粒徑分布與分形特征

注：相同小寫字母表示在0.05水平上差異不顯著，下同。

2.2 不同土地利用方式土壤養分含量特征

由表2可知，在林地、草地、耕地、未利用地4種不同土地利用方式下，土壤養分和有效養分均呈現出一致性規律，大致表現為林地和草地高于耕地和未利用地；其中林地和草地土壤有機碳含量差不不顯著(p>0.05)，二者顯著高于耕地和未利用地(p<0.05)，耕地和未利用地差異顯著(p<0.05)；土壤全氮依次表現為林地>草地>耕地>未利用地，其中不同土地利用方式土壤全氮含量差異均顯著(p<0.05)；土壤全磷含量依次表現為林地>草地>未利用地>耕地，不同土地利用方式土壤全磷含量差異均不顯著(p>0.05)；土壤有效磷和有效氮含量依次表現為林地>草地>耕地>未利用地，其中不同土地利用方式土壤有效磷和有效氮含量差異均顯著(p<0.05)；土壤有效鉀含量依次表現為林地>草地>未利用地>耕地，未利用地和耕地土壤有效鉀含量差異不顯著(p>0.05)，二者顯著低于林地和草地；土壤有效鋅含量依次表現為林地>草地>未利用地>耕地，林地和草地土壤有效鉀含量差異不顯著(p>0.05)，二者顯著高于未利用地和耕地；土壤有效鐵含量依次表現為林地>草地>耕地>未利用地，未利用地最低(p<0.05)。

表2 不同土地利用方式土壤養分

2.3 不同土地利用方式土壤微生物碳和氮

從表3可以看出，不同土地利用方式土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)均呈現出一致性規律，大致表現為林地和草地高于耕地和未利用地；不同土地利用方式土壤微生物量碳含量變化范圍為73.02～136.56 mg/kg，不同土地利用方式土壤微生物量碳含量差異均顯著(p<0.05)；不同土地利用方式土壤微生物量氮含量變化范圍為15.49～35.18 mg/kg，不同土地利用方式土壤微生物量氮含量差異均顯著(p<0.05)；不同土地利用方式土壤微生物量碳/微生物量氮則呈現出相反的變化趨勢(草地<林地<耕地<未利用地)，變化范圍為3.88～4.71，草地、林地和耕地差異不顯著(p>0.05)，顯著低于未利用地(p<0.05)。

表3 不同土地利用方式土壤微生物生物量碳和氮

2.4 不同土地利用方式土壤微生物數量

土壤微生物數量分布是土壤中活性物質的的具體體現之一，還能夠敏感地反映土壤質量的變化。由表可知，土壤微生物數量與總微生物數量在不同土地利用方式下均具有較大的差異，其中各類菌數量與微生物總量保持一致的變化規律；與此同時，在組成類別中，細菌數量占據著絕對優勢地位(其比分比校稿)。由表可知，不同土地利用方式土壤細菌數量變化范圍為0.61～1.75 cfu/g，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，不同土地利用方式土壤細菌數量、放線菌數量差異均顯著(p<0.05)；不同土地利用方式土壤真菌數量變化范圍為0.32～0.91 cfu/g，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，林地和草地差異不顯著(p>0.05)，二者顯著高于耕地和未利用地(p<0.05)；不同土地利用方式土壤微生物總數與3種菌類數量變化趨勢相一致，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，林地和草地差異不顯著(p>0.05)，二者顯著高于耕地和未利用地(p<0.05)。

表4 不同土地利用方式土壤微生物數量

2.5 不同土地利用方式土壤酶活性

土壤酶活性能夠靈敏地反映土壤管理措施的變化，可用于表征土壤養分循環速率。由表5可知，不同土地利用方式下土壤酶活性存在較大差異，不同土地利用方式土壤蔗糖酶活性變化范圍為62.58～121.47 mg/(g·d)，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，不同土地利用方式土壤蔗糖酶活性均顯著(p<0.05)；脫氫酶活性變化范圍為0.52～0.79 mg/(g·d)，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，林地和草地差異不顯著(p>0.05)，二者顯著高于耕地和未利用地(p<0.05)；脲酶活性變化范圍為0.32～0.83 mg/(g·d)，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，不同土地利用方式土壤脲酶活性均顯著(p<0.05)；酸性磷酸酶活性變化范圍為112.47～236.52 mg/(g·d)，基本表現為林地>草地>耕地>未利用地，不同土地利用方式下酸性磷酸酶活性差異均顯著(p<0.05)。

表5 不同施肥模式對葡萄根區土壤酶活性的影響

2.6 不同土地利用方式下土壤養分之間的相關性

由表6可知，土壤微生物量碳和氮、細菌、放線菌和真菌數量、蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和磷酸酶活性均呈顯著或者極顯著的負相關(p<0.05，p<0.01)；土壤容重與土壤微生物量碳和氮、細菌、放線菌和真菌數量、蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和磷酸酶活性均負相關；土壤有機質和全氮與土壤微生物量碳、微生物量氮、蔗糖酶、脫氫酶、磷酸酶活性呈極顯著正相關(p<0.01)，土壤養分為土壤微生物提供了重要碳源和氮源。土壤有效養分與土壤微生物量碳、細菌數量和蔗糖酶活性呈顯著或極顯著正相關(p<0.05，p<0.01)，說明土壤微生物量碳仍是有效養分的主要來源，其中土壤容重對土壤微生物量、微生物數量和酶活性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物量、微生物數量和酶活性貢獻為正，這是造成不同土地利用方式土壤微生物量、微生物數量和酶活性差異的重要原因，其中有機質和全氮是土壤微生物量、微生物數量和酶活性的主要養分來源。

表6 不同土地利用方式下土壤養分之間的相關性(n=80)

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著(雙尾)。

3 討論與結論

土壤顆粒組成及分布特征是重要的物理屬性，對土壤水熱條件、肥力狀況、養分循環等過程發揮著重要作用，對深入了解土壤退化和侵蝕等過程具有有重要的研究意義[18]。在本研究的土壤顆粒組成中，以黏粒含量占據著主導地位，粗砂粒含量相對較低，土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反，這與前人研究結果相似[19-20]。相較于耕地，未利用地、草地、林地，土壤大粒徑顆粒呈現增加趨勢，這主要是由于人類的耕作方式極大地造成土壤結構性破壞，在土壤團聚體形成過程中，小粒徑的顆粒很難形成大顆粒團聚體；另外，耕作模式和管理方式加劇了土壤侵蝕，導致耕地的秸稈少部分歸還到土壤中，這直接造成有機質的分解和礦化降低，土壤顆粒的粘結作用造成耕地小粒徑顆粒較多。相比較而言，草地和林地沒有耕作措施和人為管理模式，土壤顆粒的粘結作用較強，增加了土壤團聚體的粘結作用，從而促進了土壤小顆粒物質通過團聚作用而形成的大顆粒物質。此外，林地較草地和耕地有豐富的凋落物和根系，對小粒徑顆粒的粘結作用更強，同時植被層也保證的一定的水分條件，為微生物活動提供了更好的環境，并促進了微生物的代謝和生長，從而更進一步促進了小粒徑物質團聚為大粒徑物質[19-20]。這也使得土壤養分、酶活性及微生物特性呈現出一致的變化規律。通常情況下，我們用土壤的分形維數類反映土壤質地組成的拘役程度以及肥力特征，并且與土壤的分形維數土壤結構穩定性密切相關，主要表現為分形維數越小，土壤結構也就越穩定[21-22]。由表1可知，耕地土壤的分形維數均顯著高于林地和草地，由此表明林地和草地的土壤物理結構相對穩定，這與不同土地利用方式下根系分布格局有關，主要是因為在土壤結構體的形成過程中，龐大的根系對土壤的穿插和纏結等作用發揮著重要的作用。

本研究顯示不同土地利用方式土壤機械組成不盡一致，土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反，不同土地利用方式對土壤養分具有較大影響，土壤養分呈現出一致性規律，大致表現為林地>草地>耕地>未利用地；主要是由于土壤養分來源于地表枯枝落葉層的積累、分解和礦化，林地植被蓋度和生物量相對較高，受人為干擾的影響小，有機質量積累多而分解少，因此林地土壤養分、微生物特性及土壤酶活性最高，耕地與此相反，地表幾乎沒有枯枝落葉層，造成養分循環代謝較低，土壤養分含量葉相對較低。土壤微生物數量與其發揮的生態功能緊密相關，在一定程度上能夠反映出土壤質量的好壞[23-24]；而土壤酶活性能夠表征土壤碳的代謝循環和微生物活性，反映出土壤養分的累積、分解和礦化等規律；相比于耕地，不同土地利用方式土壤酶活性、微生物量碳和氮、微生物數量均有所增加，這與不同土地利用方式下土壤養分及有機質的變化趨勢相一致。相關性分析表明：土壤酶活性、微生物數量與土壤養分之間具有較強的相關性，土壤養分與土壤微生物數量和土壤酶活性呈顯著的正相關關系，由此表明了土壤有機質作為碳源和其他營養成分的來源，有利于微生物代謝功能和土壤酶活性代謝的提高；而土壤微生物數量、土壤酶活性與土壤有效養分含量呈負相關關系，這與前人的研究結果相似[23-24]。

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SoilEnzymeActivitiesandMicrobialCharacteristicsUnderDifferentLandUsePatternsinAibinurLakeRegionofXinjiang

ZHANG Xiaodong1, LI Zhong1, ZHANG Feng2

(1.BayingolVocationalandTechnologyCollege，Korla,Xinjiang841000，China;2.KorlaResearchCenterofFragrantPearKorla,Xinjinag841000,China)

The Aibinur Lake region had great position for its ecology and geography. As the essential indicators of soil quality, soil enzyme activities and soil microbial biomass play an important role in many soil chemical, physical and biological properties. A field experiment was conducted to determine the variation of soil enzyme activities and soil microbial biomass under different land use patterns in Aibinur Lake region of Xinjiang. The results are as follows. (1) Coarse silt is dominant in soil, in addition to the coarse sand grains, the land uses have significant effects on the contents of the rest fractions, the hierarchy is not obvious. The soil mechanical composition under different land use patterns was different, and the change trend of soil total porosity was contrary with the soil bulk density. The soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and soil available nutrients (available phosphorus, available potassium, available potassium zinc, available iron) had the same change trends, which decreased in the order: forestland>grassland>cultivated land>unused land, while the soil total phosphorus had no significant difference under different land use patterns (p>0.05). Compared with cultivated land, there was the significant increase in soil microbial biomass (carbon and nitrogen), soil microbial quantity (bacteria, fungi and actinomycetes) and soil enzyme activities (invertase, dehydrogenase, urease and phosphatase), which decreased in the order: forest land>grassland>cultivated land>unused land. Correlation analysis showed that there was the extremely significant difference between soil microbial biomass and soil microbial quantity, soil enzyme activity (p<0.05,p<0.01), soil organic matter and total nitrogen had the extremely significant difference with soil enzyme activity (p<0.01), while soil bulk density had the extremely negatively significant difference with soil microbial biomass and soil microbial quantity, soil enzyme activity, which indicated that soil microbial biomass is the main source of available nutrients, and soil pH value had the negative contribution to soil microorganism quantity and enzyme activity, while soil nutrient had the positive contribution, which was the mainly reason for the differences in soil microorganism quantity and enzyme activity. Soil organic matter and total nitrogen were the main sources of nutrients.

Aibinur Lake; land use patterns; soil nutrients; soil microbial

S153.2

A

1005-3409(2017)06-0091-06

2017-03-10

2017-03-24

張曉東(1980—),男,重慶開縣人,碩士研究生,講師,主要從事土壤修復研究。E-mail:xiaodong_zhangxj@163.com