冀北壩上不同土地利用對土壤微生物量碳氮磷及酶活性的影響

喬趙崇，趙海超，黃智鴻，劉穎慧，盧海博，李瑞鑫

河北北方學院，河北 張家口 075000

土壤微生物量碳氮磷（microbial biomass C，N，P）是指土壤中體積小于 5000 μm3的活的和死的微生物體內碳氮磷的總和（劉楊，2018），在土壤碳氮磷庫中所占比例很小，但它可以反映土壤微小的變化。地球土壤中的碳是陸地植被體內碳的 3倍（Kumar et al.，2018），但土壤微生物量碳（microbial biomass carbon，BC）卻是土壤有機質中的最活躍的部分（Nsabimana et al.，2004；Li et al.，2004）。土壤微生物量氮（microbial biomass nitrogen，BN）是土壤中有機-無機態氮轉化關鍵的環節之一（仇少君等，2006），而土壤微生物量磷（microbial biomass phosphorus，BP）則是植物有效磷的重要來源（唐玉霞等，2002）。微生物群落的多樣性跨越了所有主要的生命領域，微生物量隨土壤碳含量的變化而變化，通過微生物計量化學特征可以更加了解C、N、P在地球上的生物化學循環（Cleveland et al.，2007）。由于時間和空間上的差異，在尋找土壤微生物量的規律和歸納總結方面投入的努力還很少（Xu et al.，2013）。土地利用方式是影響土壤BC、BN、BP的重要因素，前人發現，免耕和少耕法與傳統農業耕作方式相比能提高表層上壤的微生物量和土壤有機質（王豐，2008），霍利霞等（2018）研究發現隨著施氮水平的增加，BC先增后降，BN卻逐漸增加，施肥能夠提高BC（趙海超等，2013）。

脲酶（Urease，URE）是一種專性較強的水解酶，可以酶促水解生成氨、二氧化碳和水，脲酶酶促產物——氨是植物氮素來源之一（李亞娟等，2018），對提高尿素氮肥利用率有重要意義。張知曉等（2018）研究表明，土壤脲酶活性細菌、有機質、總氮等都與土壤脲酶活性相關。蔗糖酶（Sucrase，SUC）又叫轉化酶或 β-呋喃果糖苷酶，是表征土壤生物活性的一種重要的水解酶，可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標（蔣永梅等，2017；尹亞麗等，2017）。土地利用及農藝措施直接或間接影響土壤酶活性，萐薛等（2011）研究表明，土地利用方式對干熱河谷地帶土壤酶活性影響顯著，黃智鴻等（2016）研究表明，增施有機肥可降低土壤蔗糖酶、脲酶活性。

冀北是中國重要的生態脆弱地帶，自 20世紀實施大規模的退耕還林還草工程和京津風沙治理工程以來，該地區植被得到一定恢復（韓永偉等，2004）。2000年起，由原來的傳統農業模式逐步形成以反季節蔬菜、馬鈴薯等經濟作物為主的多種農業種植模式，形成了林地、草地、農用地多種生態類型，設施農業、露地蔬菜、馬鈴薯、飼草作物多種農作模式并存，成為中國土地利用變化最明顯的地區之一（王石英等，2004）。隨著人們耕作方式和管理方法的變化，土壤本身的理化和生物性狀亦發生了變化，土壤中酶活性和微生物量發生了明顯的變化（楊濱娟等，2014；董莉麗等，2010）。本研究通過對冀北壩上不同種土地利用類型下土壤BC、BN、BP以及酶活性的差異進行分析，揭示植被類型及耕作措施對土壤肥力的影響機制，為優化該區域土地利用、提高地力及防止土壤退化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與采樣點位

研究區域位于河北省張家口壩上地區的張北縣（114°45′04.7″E－115°17′47.3″E，41°09′97.9″N－41°23′16.2″N），是河北省北部典型的農牧交錯地帶，土壤為自生性土壤，屬于干旱、半干旱的大陸性季風氣候（劉正恩，2010），年降雨量300 mm左右，年平均日照時數2897.8 h。土壤類型為栗鈣土，海拔高度在1600－2100 m。采樣地類型有林地（15－20年生的楊樹PopulusL.，株行距約5 m×5 m，高約6－7 m，直徑為20－30 cm）、草地（自2000年起為草甸草原草地）、農用地（均在 2012－2013年由草地轉變而成）。農用地包括露天菜地、青貯玉米（Zea maysL.）地、大棚菜地、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）地、燕麥地2個。其中，露天菜地種植作物為蘆筍（Asparagus officinalis），前茬分別為胡蘿卜（Daucus carotavar.sativa）和圓白菜（Brassica oleraceravar.Acpitata），主要施用有機肥，輔以氮磷肥；青貯玉米地（前茬分別為燕麥（Avena sativaL.）和青貯玉米，主要施氮磷肥；大棚菜地，種植作物為架豆角（Vigna unguiculata），前茬均為架豆角，主要施用有機肥，輔以氮磷肥；馬鈴薯地前茬分別為馬鈴薯、馬鈴薯、燕麥，主要以氮肥為主，有機肥為輔；燕麥地前茬分別為馬鈴薯、燕麥，以氮肥為主。各類型土地土壤理化性狀如表1所示。

1.2 土壤樣品采集

于2017年11月在不同土地利用類型區域利用GPS定位，在每種土地利用類型中分別設置3個距離大于40 m樣方，面積均為20 m2，按照“S”形五點采樣法采集0－20 cm土層土壤樣品，現場混勻，去除土壤中植物殘體和根系，置于塑封袋中，于4 ℃冰盒中保存，帶回實驗室。一部分鮮樣用于測定土壤 BC、BN、BP及酶活性，另一部分風干后測定土壤理化指標。

1.3 樣品分析方法

土壤 BC、BN、BP均采用三氯甲烷熏蒸培養法測定（吳金水等，2006；Calbrix et al.，2007）；脲酶活性測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，其活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的質量（mg）表示（關松陰，1986）；蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法（魯如坤，1999）測定；土壤pH值使用臺式pH計測定（鮑士旦，2000）；全氮（total nitrogen，TN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定（鮑士旦，2000）；全磷（total phosphorus，TP）采用過硫酸鉀氧化-分光光度計法（鮑士旦，2000）測定；總有機質（total organic matter，TOM）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱測定（鮑士旦，2000）；土壤活性有機質（active soil organic matter，ASOM）采用 333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法（Rod et al.，1993）測定；氨氮（ammonia nitrogen，NH4+-N）采用納氏試劑光度法（Ros et al.，2010）測定；無機磷（Inorganic phosphorus，IP）采用鉬銻抗比色法（鮑士旦，2000）測定。

表1 不同土地利用方式土壤理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of different land use types

1.4 數據處理

數據和制圖均運用Excel 2003軟件進行處理，運用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤BC、BN、BP的影響

冀北壩上不同植被類型土壤 BC、BN、BP變化如圖1所示。不同土地利用類型土壤BC在174.73－322.67 mg·kg-1之間，草地土壤最高，為 292.67 mg·kg-1，顯著高于林地和農用地，分別較其高出了54.25%、46.17%；土壤BN在22.50－43.63 mg·kg-1之間，草地土壤最高，為39.01 mg·kg-1，顯著高于林地和農用地，分別較其高出了52.35%、39.11%；土壤BP在2.81－10.85 mg·kg-1之間，林地土壤最高，為10.38 mg·kg-1，顯著高于草地與農用地，草地顯著高于農用地，林地比草地和農用地分別高出了41.38%、146.35%。草地、林地、農用地BC/BN分別為 7.50、7.41、7.14，BC/BP 分別為 39.87、18.28、47.52，BN/BP分別為5.31、2.48、6.66。可見，草地土壤BC、BN較高，其BC/BN變大；林地土壤BP較高，其BN/BP變小；而種植農作物顯著減少土壤BC和BP，其BC/BN變小，但BC/BP和BN/BP變大。

冀北壩上不同種植模式農用地土壤BC、BN、BP變化如圖2所示。不同農用地土壤BC在49.15－425.20 mg·kg-1之間，大棚菜地最高，為 393.52 mg·kg-1，顯著高于其他農用地，露地菜地次之，顯著高于青貯玉米地、馬鈴薯地和燕麥地，青貯玉米地顯著低于其他農用地。不同農用地土壤 BN在9.89－64.08 mg·kg-1之間，大棚菜地最高，為57.20 mg·kg-1，青貯玉米地次之，兩者顯著高于露地菜地、馬鈴薯地和燕麥地，馬鈴薯地顯著高于露地菜地、燕麥地。不同耕作農用地土壤 BP在 0.50－13.10 mg·kg-1之間，青貯玉米地最高，為 13.07 mg·kg-1，顯著高于其他農用地，大棚菜地次之，露地菜地和燕麥地顯著低于其他農用地。露地菜地、青貯玉米地、大棚菜地、燕麥地、馬鈴薯地 BC/BN分別為20.83、1.10、6.88、10.68、6.32，BC/BP 分別為 364.81、4.59、53.11、242.19、36.35，BN/BP分別為17.51、4.17、7.72、22.66、5.75，可見在設施農業中土壤BC、BN較高，露地菜地BC/BN、BC/BP較高，燕麥地BN/BP較高，青貯玉米地土壤BN、BP較高但BC較低，故其BC/BN、BC/BP較低。

圖1 冀北壩上不同植被類型土壤BC、BN、BPFig. 1 Contents of BC, BN and BP in different vegetation types on the plateau of North Hebei

圖2 冀北壩上不同種植模式農用地土壤BC、BN、BPFig. 2 Contents of BC, BN and BP in soil of different planting patterns on the plateau of North Hebei

2.2 不同土地利用方式對土壤脲酶、蔗糖酶活性的影響

冀北壩上不同植被類型土壤脲酶、蔗糖酶活性變化如圖3所示。不同土地利用類型土壤URE活性在 0.02－0.08 mg·g-1·h-1之間，草地最高，為 0.08 mg·g-1·h-1，顯著高于林地和農用地，分別較其高出了299%、183%，農用地次之。不同土地利用類型SUC 活性在 0.14－0.17 mg·g-1·h-1之間，草地最高，其次為林地，兩者顯著高于農用地，可見草地土壤脲酶和蔗糖酶的活性較高，而種植農作物顯著降低了土壤脲酶、蔗糖酶活性。

圖3 冀北壩上不同植被類型土壤脲酶及蔗糖酶活性Fig. 3 Soil urease and sucrose activity of different vegetation types on the plateau of North Hebei

冀北壩上不同種植模式農用地土壤脲酶、蔗糖酶活性變化如圖4所示。不同農用地土壤URE活性在 0.01－0.08 mg·g-1·h-1之間，露地菜地土壤URE活性最強，顯著高于其他農用地，大棚菜地次之，顯著高于青貯玉米地、燕麥地、馬鈴薯地，燕麥地和馬鈴薯地最低。不同耕作農用地土壤SUC 活性在 0.11－0.18 mg·g-1·h-1之間，露地菜地最高，顯著高于其他農用地，大棚菜地次之，顯著高于青貯玉米地、燕麥地、馬鈴薯地，燕麥地最低。可見露地菜地脲酶和蔗糖酶活性較高，而種植燕麥、馬鈴薯、青貯玉米顯著降低了土壤脲酶和蔗糖酶活性。

2.3 土壤微生物量和酶活性對土壤理化性狀的響應

圖4 冀北壩上不同種植模式農用地土壤脲酶及蔗糖酶活性Fig. 4 Soil urease and sucrose activity in different planting patterns on the plateau of North Hebei

表2 土壤微生物量和酶活性與土壤理化性狀的相關性Table 2 Correlation analysis between soil microbial biomass, soil enzyme activities and soil physical and chemical propertie

冀北壩上不同土地利用類型土壤微生物量和酶活性與土壤理化性狀的相關性如表 2所示，BC與TOM、TN、TP、NH4+-N均呈顯著正相關，表明土壤營養鹽含量越高，BC越高。BP與ASOM呈顯著正相關，與IP、IP/TP呈極顯著負相關，表明ASOM含量越高，土壤BP越高，IP的增加會降低BP。蔗糖酶活性與脲酶活性關系密切，脲酶活性與TN、TP、ASOM/TOM、蔗糖酶均呈顯著正相關，表明土壤TN、TP、ASOM/TOM可以提高土壤脲酶活性，TN也與BC呈極顯著相關，故BC的提高也會促進酶活性的增強；BC/BN可以反映土壤微生物群落結構，BC/BN、BC/BP與土壤 IP呈極顯著正相關，BC/BP、BN/BP與土壤IP/TP呈顯著正相關，表明土壤IP含量的增加或TP含量的降低會提高土壤BC/BN、BC/BP和BN/BP。

3 討論

3.1 不同土地利用類型土壤微生物量和酶活性存在顯著差異的機制

土壤微生物及酶活性是影響土壤養分轉化的重要生物因素，其對土壤供肥能力具有關鍵作用，同時土壤中養分含量及活性強度也反作用于土壤BC、BN及酶活性（寶日瑪等，2016）。不同土地利用方式由于向土壤輸入的TOM及其對土壤中C、N、P利用強度不同進而影響土壤C、N、P總量及活性，因此對土壤 BC、BN、BP及酶活性產生影響。草地植被區域土壤BC高于林地和農用地，這與趙彤等（2013）研究結果相同，前人研究表明施用有機肥可以提高BC（賀美等，2017；王文鋒等，2016），而在草地中動物糞便及植被殘落物輸入量大，分解速率快，等同于施入了大量有機肥料，使土壤BC較高，故其BC/BN也較大；草地的脲酶及蔗糖酶活性高于林地和農用地，這與李生寶等（2006）研究結果相同，可能由于草地土壤植被殘落物輸入量大，使TN、TP含量升高，而脲酶與TN、TP呈顯著正相關，從而使酶活性增強；林地區域根系發達且多，吸收IP較多，土壤中IP/TP降低，根系附近分泌物較多，使ASOM含量升高，因此土壤BP較高；農用地土壤在長期耕作下土壤BC、BN、BP含量特征及其化學計量比發生變化（王傳杰等，2018），由于施用化肥量大，土壤IP含量提高，而IP與BP呈顯著負相關，導致BC/BP和BN/BP較大；設施農業土壤肥力較高，施肥量效果好（劉霓紅等，2018），特別是有機肥用量較多，因此土壤BC顯著高于其他農用地，而青貯玉米地土壤貧瘠，很少施用農家肥，故土壤BC較低，但其根系多，吸收IP較快，土壤中 IP含量減少，因此土壤BP較高。露地菜地施肥量較多，土壤TN、TP、ASOM及IP含量較高，ASOM/TOM比值增大，且通風透光性好，因此脲酶活性較強，蔗糖酶活性較強，而IP與BC/BN、BC/BP呈極顯著正相關，故BC/BN、BC/BP較大。

3.2 土壤微生物與酶活性對土地利用方式的響應

土壤微生物及酶活性是指示土壤生態環境的重要因子，BC、BN、BP的變化比總碳氮磷對土地利用方式變化的反映更加敏感（楊雪艷等，2018）。在冀北壩上不同土地利用方式中，草地微生物量及酶活性高于林地和農用地，表明在冀北壩上地區草原植被對土壤的保護能力更強。而農用地常裸露，地表受外界環境影響較大，常年耕作，土層破壞嚴重，肥力流失，作物生長又會從土壤中帶走大量營養元素，造成土壤肥力低下，土壤 BC、BN、BP降低及酶活性降低。特別是馬鈴薯田土壤C、N、P含量降低及酶活性顯著低于其他農用地。大棚蔬菜及露地蔬菜田由于有機肥施用量較高使土壤 BC、BN、BP及酶活性較高。退耕還草改善土壤的理化性質，提高土壤質量，土壤抗蝕能力增強，遏制了水土流失（張新榮等，2014）。因此，冀北壩上地區對于土壤貧瘠、肥力差，利用率低的土壤可以通過改種牧草進行培肥改良。寧川川等（2016）研究表明，有機肥能顯著改善土壤物理性狀，增加土壤有效養分，緩解土壤酸化，提高土壤生物和生物化學特性，優化土壤微生物群落的結構組成，故在農作物種植過程中應增施有機肥，適當補充氮磷肥。張娟霞等（2018）研究表明，秸稈、植被殘體等歸還土壤后可以提高土壤肥力，提高土壤 BC，故可以種植歸還率較高的作物，以防止土壤退化。通過長期施用有機肥或與無機肥配施，能提高土壤微生物量和酶的活性，從而提高土壤的持續生產力（王月等，2016）。對部分農用地可建造設施農業，避免土壤被風雨侵蝕，從而改良土壤，提高經濟效益，進而減少土地耕作面積。

4 結論

冀北壩上不同土地利用類型土壤 BC為 49.15－425.20 mg·kg-1，土壤 BN 為 9.89－64.08 mg·kg-1，土壤BP為 0.50－13.10 mg·kg-1。草地及設施農業顯著增加土壤BC、BN，林地及青貯玉米地顯著增加土壤 BP，種植農作物使土壤微生物量減少。脲酶活性為 0.01－0.08 mg·g-1·h-1，土壤蔗糖酶活性為0.11－0.18 mg·g-1·h-1，草地和露地蔬菜地顯著增加土壤脲酶、蔗糖酶活性，林地及農用地會使土壤脲酶、蔗糖酶活性降低。壤微生冀北壩上地區農用地應增施有機肥，部分農用地建設溫室大棚，種植歸還率較高的作物，從而防止農用地土壤退化，針對退化嚴重的農用地應退田還草。