灌耕灰鈣土農田土壤酶活性與養分的關系

徐 莉，閆俊杰，陳 晨，崔 東

(1.伊犁師范學院生物與地理科學學院，新疆伊寧 835000;2.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046;3.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011;4.中國科學院大學，北京 100049)

【研究意義】土壤酶是土壤有機體的代謝動力，在生態系統中起著重要的作用［1］。自20世紀80年代以來，土壤酶逐漸發展成為土壤生態系統變化的預警指標［2］，其活性大小成為判斷和衡量土壤肥力水平的重要標志。土壤養分是評價土壤自然肥力的重要因素［3］。土壤酶與土壤養分關系密切，土壤中有機質的存在狀況和含量及土壤氮、磷、鉀等營養元素的形態和含量等都與土壤酶活性變化有關［4－6］。農田土壤肥力水平取決于土壤酶活性和養分含量的高低，而且直接決定著農作物的生長狀況，因此，研究農田土壤酶活性和土壤養分的關系對提高農作物的產量與品質、了解土壤肥力狀況以及保護耕地等具有重要意義。【前人研究進展】前人研究表明土壤類型［7－9］、不同土地利用方式［10］、施肥［11－12］、耕作方式［13］、種植方式［14］及灌溉方式［15］等影響農田土壤酶活性和土壤養分含量的大小以及兩者之間的關系，而且不同區域土壤酶活性還會受氣候條件、母質類型和地形等因素影響，表明土壤酶活性和養分含量的變化特征是多種因素綜合作用的結果。因此，為精確評價土壤肥力狀況，使用綜合土壤酶活性較單一酶活性更能有效揭示土壤肥力狀況［16－17］。新疆察布查爾縣是全國唯一的錫伯族自治縣，是干旱區綠洲典型以農業生產為主的縣，是新疆最大的有機水稻種植縣，素有“糧倉”之美稱。灰鈣土是新疆伊犁河流域重要的土壤資源［18］，是伊犁河谷典型地帶性土壤。灌耕灰鈣土是灰鈣土的一種類型［19］，土層厚，質地輕松，結構性較好，宜耕期長，適宜種植多種農作物，是新疆察布查爾縣境內主要的灌溉農業土壤［20］。該縣主要種植水稻、玉米、小麥等農作物，一年一熟制，小麥和玉米實行冬小麥收割后復播青貯玉米。由于耕地長期冬麥連作，缺少養地作物，加之施肥不足，肥力下降，土壤結構逐漸變差，在一定程度上影響了農業耕地的可持續利用。【本研究切入點】本文以新疆伊犁察布查爾縣灌耕灰鈣土農田土壤為研究對象，運用典型相關分析，分析了不同農田的土壤酶活性與土壤養分之間的關系，了解該土壤類型土壤酶活性對土壤養分的影響程度。【擬解決的關鍵問題】以期為土壤酶活性強弱來鑒別土壤類型的方法提供數據支持，同時為農田灌耕灰鈣土的可持續利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

察布查爾錫伯自治縣位于新疆維吾爾自治區西部，伊犁河谷盆地伊犁河南岸和中天山西端。地理坐標介于43o17'N～43o57'N和80o31'E～81o43'E之間，全縣總面積約為4485 km2。該區屬于大陸性北溫帶溫和干旱氣候，年平均氣溫在5.0～8.4℃之間，全年有效光照時數達2846 h，平均無霜期為177 d，年平均降水量約為222 mm，總體熱量豐富，光照充足，四季分明;地勢自南向北形成多級階梯，東窄西寬，南高北低;地形分為南部山區、山麓、丘陵、中部傾斜平原、北部河流階地和河漫灘等五個地貌類型;有伊犁河、察布查爾河等水系;主要發育的土壤類型是灰鈣土、草甸土、栗鈣土、潮土和沼澤土等，其中灰鈣土是伊犁河谷地地帶性土壤，發育面積較廣。

察布查爾縣錫伯自治縣總人口達到19.67萬人，縣轄3鎮、10鄉、2個國營農牧場(良種繁育場、種羊場)，65個行政村。該縣糧食作物以玉米、小麥和水稻等作物為主;經濟作物以油葵、棉花、甜菜、蔬菜為主，且主要農作物產品糧食總產量從2008年1.91 ×105t提高到2014 年的4.89 ×105t，提高了2.98×105t，其中，玉米、水稻、小麥總產量分別增長了約1.54 ×105、5.51 ×104、8.78 ×104t(數據來源于2008－2015伊犁州統計年鑒)。

1.2 樣品采集

2016年10月，對伊犁察布查爾縣南部分布在沖積平原二級階地上的灌耕灰鈣土農耕區進行了野外調查，本研究選取了玉米(YM)、小麥(XM)、食葵(SK)、水稻(SD)以及空地(KD)等作為研究對象，在每個樣地設置5個采樣點，每個樣點以3個重復分別取深度為0～10，10～20，20～40，40～60 cm 層的土樣，采好后放入密封袋中，在密封袋內外都附上標簽，包括樣品名稱、土層深度、經緯度等。將野外采集的土壤樣品帶回實驗室，在實驗室內去除細根和石塊等雜質，自然風干，過2 mm孔篩，并分成2份，1份鮮土置4℃下保存用于酶活性測定。另1份置于陰涼干燥通風處風干，用于土壤 pH，土壤有機質(SOM)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、全氮(TN)等指標的測定。

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤酶活性的測定 土壤酶活性測定參照《土壤酶及其研究方法》［17］。過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，以20 min后每克土壤消耗0.1 mol·L－1高錳酸鉀亳升數表示;土壤脲酶采用靛酚比色法，脲酶活性以24 h后每克土壤中NH3-N的質量(mg)表示;蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸法，以24 h后每克土壤中葡萄糖的質量(mg)表示。

1.3.2 土壤養分含量的測定 土壤養分測定參照《土壤農化分析(第三版)》［21］。土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法);土壤速效磷采用0.5 mol·L－1碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法，上機儀器是UV-2550型紫外分光光度計;土壤速效鉀采用乙酸銨浸提－火焰光度計法測定;土壤全氮采用凱氏定氮法測定;土壤pH采用水土比為2.5︰1的酸度計測定。

1.4 數據分析方法

典型相關分析是研究兩組變量間相關關系的多元統計分析方法，設兩組變量用 X1，X2，…，XP及Y1，Y2，…，Yq表示，研究兩組變量的相關關系，同時找出第1組P個變量和第2組Q個變量的線性組合，使其具有最大的相關，然后再在每組變量中找出第2對線性組合，使它們具有次大的相關，將此進行下去，直到每組變量間相關系數被提取完為止，每對變量的表達式為:

式中，a1，a2，…，ap是典型變量 X 的待定系數，b1，b2，…，bq是典型變量Y的待定系數，W和V之間具有最大相關系數，這個相關系數就是“典型相關系數”，用來表征2個線性函數間的聯系強度，以提示“兩組”指標間的內部聯系，每組指標的內容可以不同。本研究以土壤養分指標和土壤酶指標作為研究對象，運用SAS 6.0進行典型相關分析。

所有實驗數據使用Excel 2010整理后，利用SPSS 19.0統計軟件對土壤養分和土壤酶活進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(LSD)，用Pearson相關系數檢驗土壤養分和土壤酶活性之間的相關性，并用Origin 8.0軟件對數據進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養分特征

不同樣地土壤養分含量存在明顯的差異(表1)。土壤pH值在7.34～8.22之間，表現為堿性，且各樣地間差異顯著(P＜0.05)，不同土層間差異不顯著(P ＞0.05)。

土壤有機質是土壤肥力的重要物質基礎，在維持土壤結構、保持土壤水分和供應養分等方面具有重要作用［22］。土壤 SOM 含量在 0.03% ～2.01%之間，總體含量較低。各樣地土壤有機質均值為XM＞YM＞SD＞SK＞KD。各樣地間差異不顯著(P＞0.05)。不同土層SOM存在顯著差異，其中，SK在0～10和20～40 cm處SOM含量與其他樣地差異顯著(P＜0.05)，與SK相比較，XM 在0～10和20～40 cm處SOM含量分別是其2.58和1.91倍。隨著土層深度增加，土壤SOM含量呈現出降低趨勢，其中KD降幅較大，XM降幅較小。

磷是土壤重要的營養元素之一，土壤速效磷可以表征直接被作物吸收利用的含量，其含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的儲量和供應能力［23］。土壤 AP 含量變化在 1.62 ～56.92 mg·kg－1之間，各樣地土壤AP均值為XM＞SD＞SK＞YM＞KD。XM與其他樣地間差異顯著(P＜0.05)，與XM(56.92 mg·kg－1)相比較，SD、SK、YM 和 KD 分別降低了 20.36%、71.15%、85.82% 和 86.68%。不同土層AP均存在顯著差異，且隨著土層深度增加而呈現出降低趨勢，其中SK降幅較大，且SK在0～10 cm處AP含量較底層40～60 cm降低了87.09%。

鉀是植物必須的大量元素之一，速效鉀能夠表征可供作物利用的鉀素的含量［23］。土壤AK含量在20.36 ～115.31 mg·kg－1之間，各樣地土壤 AK均值為YM＞XM＞KD＞SK＞SD。SD與YM、XM間差異顯著(P ＜0.05)，與 SD(42.66 mg·kg－1)相比較，YM和XM分別是其的2.06和2.40倍。不同土層AK存在顯著差異，其中YM、SD和SK在0～10 cm處AK含量較40～60 cm差異顯著(P＜0.05)，分別下降了28.79%、28.11%和80.79%。隨著土層深度的增加，AK含量呈現出下降趨勢，其中SK降幅較大。

氮是作物生長的主要營養元素之一，全氮是土壤氮素總量和供應植物有效氮素的源和庫［23］。土壤 TN 含量在0.58 ～2.78 g·kg－1之間，各樣地土壤TN均值為XM＞YM＞SK＞SD＞KD。XM與SK差異顯著(P ＜0.05)，與 XM(2.78 g·kg－1)相比較，SK降低了38.13%。各樣地不同土層TN含量均存在顯著差異(P＜0.05)，且隨著土層深度的增加，TN含量有降低的趨勢，其中YM變降幅最大。土壤C/N含量在0.18～10.38之間，各樣地土壤C/N均值為XM＞YM＞SD＞KD＞SK。各樣地間差異不顯著(P＞0.05)。不同土層 C/N無明顯差異(P＞0.05)，隨著土層深度的增加而呈現出下降趨勢，其中SD降幅最大。

2.2 土壤酶活性特征

土壤酶是土壤生態系統的重要組成成分，在土壤營養物質循環和能量轉化過程中具有重要作用，是反映土壤質量的重要生物指標［24］。而且不同的耕作管理方式和不同作物根系分泌物等都會影響土壤酶的活性［25］。不同樣地土壤酶活性含量存在一定的差異(圖1)。

過氧化氫酶廣泛存在于土壤中，且與土壤有機質含量顯著有關［26］。過氧化氫酶活性的范圍在1.01～2.31 mL/(g·20 min)之間，各樣地過氧化氫酶活性均值為SK＞XM＞KD＞YM＞SD。SK與YM、SD和XM間差異顯著(P＜0.05)，且SK過氧化氫酶活性顯著高于YM、SD和XM。不同土層過氧化氫酶活性存在顯著差異(P＜0.05)，且隨著土層深度的增加，過氧化氫酶活性降低趨勢。

表1 不同樣地土壤養分的含量Table 1 Content of soil nutrient in different sample

脲酶廣泛存在于土壤中，是研究得比較深入的一種酶，脲酶與尿素氮肥水解密切相關，能夠在一定程度上反映土壤的供氮能力，并且與土壤其他因子(有機質含量、微生物數量)等有關［27－28］。脲酶的活性范圍在0.31～1.18 mg/(g·24h)之間，各樣地脲酶活性均值為YM＞XM＞SK＞SD＞KD。各樣地間差異顯著(P＜0.05)，且YM脲酶活性顯著高于其他各樣地。不同土層脲酶活性存在一定差異，表層0～10 cm與底層40～60 cm顯著差異(P＜0.05)，且隨著土層深度的增加，脲酶活性呈波動降低趨勢。

蔗糖酶也叫轉化酶，對增加土壤中易溶性營養物質起著重要作用，且與土壤有機質、氯、磷含量，微生物數量及土壤呼吸強度等有密切關系［29］。蔗糖酶活性的范圍在0.10～2.61 mg/(g·24h)之間，各樣地蔗糖酶活性均值為YM＞XM＞SK＞SD＞KD。XM與SD、KD間差異顯著(P＜0.05)，且XM蔗糖酶活性顯著高于SD和KD。不同土層蔗糖酶活性在40～60 cm顯著差異(P＜0.05)，其他各層均無明顯差異，且隨著土層深度的增加，蔗糖酶活性逐漸降低。

2.3 土壤酶活性與土壤養分的相關關系

圖1 不同樣地土壤酶活性的含量特征Fig.1 Contents of soil enzymes in different samples

土壤肥力水平在很大程度上受到土壤酶的影響，其活性大小能夠表征土壤養分轉化和運移能力的強弱，是表征土壤質量的一種潛在指標［30］。不同農田樣地土壤酶活性與土壤養分含量間具有一定的相關性。由表2所知，YM樣地中，土壤過氧化氫酶與土壤pH、AP及C/N呈負相關，與土壤SOM、AK及TN呈正相關;除pH外，脲酶和蔗糖酶與其他各養分指標間均表現為正相關，且均與土壤AK均顯著正相關(P ＜0.05)，相關系數分別為 0.986和0.977。SD樣地中，除pH外，土壤酶活性均與其他各養分指標間呈正相關，脲酶與土壤TN表現為顯著正相關(P＜0.05)，相關系數為0.973。SK樣地中，除pH外，土壤酶活性均與其他各養分指標間呈為正相關，蔗糖酶與土壤TN表現為顯著正相關(P＜0.05)，相關系數為0.959。XM 樣地中，土壤過氧化氫酶與土壤TN呈負相關，與其他各養分指標呈正相關;脲酶與土壤pH、SOM及C/N呈負相關，與土壤AP、AK及TN呈正相關;蔗糖酶與土壤pH、SOM、AK及C/N呈負相關，與土壤AP和TN呈正相關。KD樣地中，土壤過氧化氫酶和蔗糖酶與土壤pH和AK呈負相關，與其他各養分指標間均呈正相關;除pH外，脲酶與其他各養分指標間均呈正相關關系，且與土壤TN表現為顯著正相關(P＜0.05)，相關系數為0.970。綜合說明，不同樣地中土壤酶活性與土壤養分存在一定的相關性。

2.4 土壤酶活性與土壤養分的典型相關分析

為了進一步得出土壤酶活性與土壤養分的相關關系，通過典型相關性分析得到“綜合土壤養分因子”(W)和“綜合土壤酶”(V)的3對典型變量。由表3可以看出，第1和2對變量間表現為極顯著相關(P ＜0.01)，典型相關系數為0.7921 和0.5455，2對典型變量的累積貢獻率達到了95.51%，完全能夠反映土壤酶活性和土壤養分間的相關關系，將土壤養分特征向量代入公式(1)，將土壤酶的特征向量代入公式(2)，得到2對典型變量的表達式:

第1對:

W1=0.3753X1+0.4036X2－0.0455X3+0.4800X4+0.5138X5－0.2105X6

V1=0.5222Y1+0.8140Y2+0.0264Y3

第2對:

W2=0.4713X1+0.3326X2+1.0429X3－0.6388X4++0.0751X5－0.0030X6

V2= －0.0141Y1－1.1951Y2+1.3339Y3

從2對表達式可以看出，在第一綜合土壤養分中起到主要作用的是 X5、X4和 X2，即 TN、AK和SOM，第一綜合土壤酶中起到主要作用的是Y2和Y1，即脲酶和過氧化氫酶，說明 TN、AK、SOM和脲酶、過氧化氫酶顯著相關;在第二綜合土壤養分中起主要作用的是X3和X4，即AP和AK，在第二綜合土壤酶中起主要作用的是Y3和Y2，即蔗糖酶和脲酶，說明AP、AK和蔗糖酶、脲酶關系密切。

表2 土壤酶活性與土壤養分相關關系Table 2 Correlation between soil nutrient and activities of soil enzymes

表3 土壤酶活性與土壤養分的典型變量Table 3 Canonical variables of soil nutrient elements and activities of soil enzymes

如圖2所示，將各樣點的原始數據代入2對變量中，得到它們在第1和2對典型變量上的排序坐標。2對典型變量上的排序存在明顯差異，第1對變量排序呈現出V1隨著W1的減少逐漸降低，呈現出有規律的下降趨勢，且從左上方向右下方集聚，略呈直線排開，表明隨著土壤養分含量的減少土壤酶活性含量也會相應的減少。第2對變量排序V2隨著W2的增加而升高，說明不同土壤養分條件和不同土壤酶活性之間的關系不同。在2對典型變量中，不同樣地之間W值和V值得變化規律存在一定差異，其中第一對典型變量的相關性最大。各樣地間W、V值沒有明顯的區域分布特征，說明不同樣地間土壤養分和酶活性之間有較大的重疊關系，但W值從左向右表現為YM、XM、SK、KD、QD順序集結，V值從上到下YM、XM、SK、KD、QD 順序集結，說明YM和XM土壤養分和酶活性值較高，QD和KD土壤養分和酶活性值較低，即玉米和小麥綜合土壤養分和酶活性值顯著高于水稻和空地。

3 討論

本文以察布查爾縣灌耕灰鈣土為研究對象，對不同農田土壤養分和土壤酶的特征進行了研究，結果表明，不同農田土壤養分特征與土壤酶的閾值不同，說明不同農田土壤肥力狀況存在顯著差異，其中，小麥(XM)和玉米(YM)的土壤養分和酶活性較高，且耕層0～20 cm均明顯高于底層40～60 cm。這主要是與玉米秸稈還田和小麥的輪作耕作方式有關，同時與灰鈣土在開墾耕作之后重視肥料的投入對其也有一定的影響。為進一步確定土壤酶活性與土壤養分之間的關系，對不同樣地土壤酶活性與土壤養分進行了相關關系的分析，發現單一酶和單一養分之間的相關關系不同，其中，脲酶在水稻(SD)和空地(KD)中與土壤TN表現為顯著正相關(P＜0.05)，相關系數分別為0.973 和0.970，在玉米(YM)中與土壤AK表現為顯著正相關(P＜0.05)，相關系數為0.986;蔗糖酶在玉米(YM)中與土壤AK表現為顯著正相關(P ＜0.05)，相關系數為0.986，在食葵(SK)中與土壤TN表現為顯著正相關(P＜0.05)，相關系數為0.959。這主要是與土壤中酶各自的底物和催化特征的不同有關［9］。此外，每種酶和特定養分之間相關，如曾憲軍等人研究表明過氧化氫酶活性可以表征土壤腐殖質化強度大小和有機質轉化速度［26］;王兵等人研究表明脲酶與尿素氮肥水解密切相關［27］;張逸飛等認為施用鉀肥能夠增強土壤蔗糖酶活性［31］。由此可見，使用單一酶活性來反映有機質更新過程中養分的釋放存在一些不足，使用土壤酶的綜合活性來預測土壤肥力，比單一酶活性更加有效［17］。

圖2 3對典型變量排序Fig.2 Sequence of three canonical variables

近些年，不少學者研究了灰鈣土耕作的土壤肥力特征［20，32－33］，結果表明在培肥和配比施肥等措施下灰鈣土的土壤肥力水平有所提高，說明目前灰鈣土肥力狀況已經發生了改變，本研究結果也表明灌耕灰鈣土農田土壤有機質、氮素、磷素和鉀素含量等較空地(KD)均有所提高。因此，為進一步了解土壤酶活性和土壤養分之間的密切關系，運用典型相關分析，得到了2對典型變量，第1對典型變量相關系數達到了0.7921，相關性較高，且在綜合酶活性中起主導作用的是脲酶，在綜合土壤養分中起主導作用的是土壤TN，說明脲酶在灌耕灰鈣土農田土壤養分循環中起重要作用，但其內在的作用機制還需在以后的研究中進一步探討。