民勤退耕區不同年限退耕地土壤理化性質及酶活性

吳 昊，王理德，宋達成，郭春秀，王芳琳，何芳蘭，趙赫然

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅臨澤荒漠生態系統國家定位觀測研究站，甘肅 臨澤 734200；3.甘肅省河西走廊森林生態系統國家定位觀測研究站，甘肅 武威 733000；4.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，甘肅 武威 733000)

民勤東、西、北三面均被巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠包圍，屬于典型的荒漠綠洲，生態環境極為脆弱。自1959年起，隨著石羊河流域中游人口數量增加與經濟規模的不斷擴大，進入下游民勤綠洲的地表水資源日趨減少[1]，為了維持一定程度生產規模、生活消費的基本需求，只能靠過量開采地下水來滿足灌溉需水[2]，特別是民勤縣城及北部周邊地區情況更為嚴重，土壤退化較快。民勤地下水位持續下降，部分地區下降達到幾十米，導致天然植被死亡、尾閭湖沼干涸、土地鹽堿化程度加重[3]，水土流失嚴重，風沙頻繁，生態環境逐步惡化[4]。大面積耕地因糧食產量低而被撂荒棄耕，退耕土地面積逐年增加，隨著退耕年限增加，一些生命力旺盛的沙旱生耐鹽堿植物在退耕地發育形成次生草地[5-6]。這些脆弱的次生草地如不加以保護與利用，極易發生退化并逐漸向沙漠化發展[7]。

土壤酶作為參與土壤生態系統的重要組成部分，既是生態系統的生物催化劑，也是評價生態系統生態功能健康發展與恢復中不可缺失的重要指標[8]，與土壤類型、土壤理化性質、農耕方式、施肥狀況以及地被植物等密切相關[9-10]。土壤酶活性在一定程度上可以反映土壤的營養狀況，并且其對環境等外界因素引起的變化較敏感，成為指示土壤生態系統變化的預警和敏感指標[11]。因此，土壤酶活性可以較全面地反映土壤環境、質量和肥力狀況、土壤養分轉化的快慢，判別不同環境下土壤生態系統變化[12]。目前，許多學者在土壤酶以及次生草地方面做了大量的研究工作[13-16]，但在西北地區干旱條件下，退耕區次生草地自然恢復過程中土壤酶變化的研究鮮有報道。

本文采用時空替代法，對民勤不同年限(1～13 a)退耕區次生草地自然恢復過程中土壤理化特征及土壤酶活性進行調查分析，并對自然恢復過程中退耕地土壤酶的活性變化及分布特征進行相關性研究，探討退耕次生草地土壤人工干預恢復技術對策，為促進退耕區次生草地良性循環提供參考，對保護退耕區次生草地脆弱環境有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在甘肅省民勤縣北部西渠鎮煌輝村與志云村退耕地域(39°01′30″—39°03′28″N、103°35′57″—103°37′56″E),海拔1 300～1 311 m，屬溫帶大陸性荒漠干旱氣候，年均氣溫7.9℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫-28.6℃，晝夜溫差25.2℃；年均降水量108 mm，主要集中在7—9月，占全年降雨量的75%，年均蒸發量2 501 mm，年日照時數3 073.5 h，年平均風速2.4 m·s-1。土壤類型以灰棕漠土為主。分布灌木植物主要有檉柳TamarixchinensisLour.、鹽爪爪Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq、紅砂Reaumuriasongarica(Pall.) Maxim、白刺NitrariatangutorumBobr、小果白刺NitrariasibiricaPall、黑果枸杞LyciumruthenicumMurray等；草本植物主要有五星蒿Bassiadasyphylla(Fisch.etMey.)、蒙古豬毛菜SalsolaikonnikoviiIljin、田旋花ConvolvulusarvensisLinn、藜ChenopodiumalbumLinn、白莖鹽生草HalogetonarachnoideusMoq、堿蓬Suaedaglauca(Bunge)、駱駝蒿PeganumnigellastrumBunge等[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及設置 采用空間替代法，對不同年限退耕區次生草地進行調查，選擇植物分布較為均勻、受人為干預影響較小的地段為試驗區域，在保證樣地沙土母質基本相同、各樣地之間相對高差較小的情況下，分別選取退耕年限為1、2、4、8、13 a的5塊1 hm2退耕地作為試驗樣地(用GPS定位)，以當年剛退耕地(退耕年限0 a)作為對照樣地，具體見表1。

表1 退耕地樣地位置與植被特征Table 1 Locations and vegetation characteristics of abandoned farmland in different years

1.2.2 樣品采集 2018年9月，在對照樣地及各退耕樣地分別設置100 m×100 m的標準樣方，并在樣方內采用“S”形5點采樣法確定采樣點，采樣前去除地表枯枝落葉，在樣點做土壤剖面，分別在0～20、20～40 cm兩個土層深度各采集約150 g土樣，每層3次重復。并將相同土層土樣混合均勻，除去植物殘根碎石后，利用四分法提取土樣約1 000 g。將一部分土樣裝入無菌袋中并放于恒溫箱內帶回實驗室，用于分析土壤酶活性，其余部分經過陰干處理后，用于土壤理化性質等指標的測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤理化性質的測定 用環刀測定土壤容重；采用pH測定儀(pHS-3S)測定土壤pH值；采用電熱恒溫箱烘干法測定土壤含水率；采用馬爾文激光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)測定砂粒含量；采用NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定速效磷；采用原子吸收分光光度法測定速效鉀；采用凱氏蒸餾法測定全氮。

1.3.2 土壤酶活性的測定 磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1.0 g土壤中釋出酚的毫克數表示[18]；蔗糖酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法，以24 h后1.0 g土壤葡萄糖的毫克數表示；脲酶活性測定采用靛酚藍比色法，以24 h后1.0 g土壤中NH3-N的毫克數表示[19]；過氧化氫酶活性測定采用容量法，以20 min后1 g土壤的0.1N(即0.02mol·L-1)高錳酸鉀的毫升數表示[20]。

1.4 不同退耕年限耕地土壤理化性質與土壤酶活性的通徑分析

將土壤理化性質和土壤酶活性等相關指標進行多元回歸分析，將土壤理化性質相關因子設置為自變量Xi，Xi=X1(pH值)，X2(全氮)，X3(有機質)，X4(速效磷)，X5(速效鉀)；土壤酶活性相關因子設置為因變量Yi，Yi=Y1(磷酸酶)，Y2(蔗糖酶)，Y3(脲酶)，Y4(過氧化氫酶)。通過SPSS計算分析，可得最優的多元線性回歸方程。

① 0～20cm土層深度：

Y1=-0.163X1-0.663X2+0.726X3+0.562X4-0.649X5；

Y2=0.297X1-0.321 X2+0.151X3+0.752X4-0.315 X5；

Y3=-0.145X1-0.738X2+0.576X3+0.279X4-0.947X5；

Y4=-0.642X1+0.566 X2-1.507 X3+0.346X4-1.344X5。

② 20～40cm土層深度：

Y1=1.134 X1-0.625X2+0.585 X3-1.087 X4-0.924 X5；

Y2=0.936X1-1.202X2+1.329 X3-1.531 X4-0.871 X5；

Y3=0.317X1-0.417 X2+0.432X3-0.842X4-1.044 X5；

Y4=-0.847X1-0.356X2+0.177 X3-0.132 X4+0.611X5。

任一自變量Xi對Y的間接通徑系數=各因子之間相關系數(rij)×直接通徑系數(Pjy)[21]。

1.5 土壤理化性質對土壤酶活性決定系數總效應分析

決定系數是通徑分析中的決策指標，用他把自變量對因變量的作用進行綜合排序，從而確定主要促進變量和抑制變量。具體計算公式為:

式中,R2(i)為自變量i的決定系數；Pi為自變量直接通徑系數；riy為自變量i與因變量Y的相關系數。R2(i)數值大小反映了回歸貢獻的相對程度。R2越大(接近于1)，所擬合的回歸方程越優，即R2(i)>0，表明自變量(X)對因變量(Y)起促進作用；當所求擬合度小于均值，即表明自變量(X)對因變量(Y)起抑制作用[21]。

1.6 數據處理

采用SPSS19.0軟件進行數據分析，采用單因素(One-WayANOVA)Duncan法分析差異性，對所有數據進行方差齊性檢驗、相關性分析，并采用回歸模型擬合土壤酶活性與土壤理化性質相關關系進行通徑分析，用Excel2010軟件進行數據整理及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 退耕地土壤理化性質變化特征

由表2可以看出，隨著退耕年限的增加，土壤含水率整體呈現先下降后上升的趨勢，相同土層深度在退耕8a降至最低值(約0.06%左右)，于退耕13a達到最高值(0.126%)。土壤砂粒含量整體表現為先上升后下降的趨勢，于13a降至最低值(59%)，僅為對照耕地的81.17%。土壤容重呈現波動性下降趨勢，于退耕13a達到最低值，對照耕地土壤容重顯著高于各退耕樣地。土壤有機質含量總體呈先下降再上升再下降的波動趨勢，在退耕2a達到最高值(1.35%)，后開始下降，直到退耕13a降至最低值(0.79%)；pH值隨著退耕年限的增加有輕微波動，總體呈弱堿性，在7.95～8.37之間。土壤全氮含量整體呈現下降趨勢，退耕8～13a下降明顯，于退耕13a降至最低(0.1g·kg-1)，顯著低于對照耕地。速效磷含量表現為先下降再上升再下降的波動性趨勢，于退耕8a達到1.482mg·kg-1，然后迅速降低，退耕13a為0.329mg·kg-1。速效鉀表現為退耕1a急劇下降而后緩慢上升趨勢，在退耕13a達到峰值(411mg·kg-1)，其余各樣地間差異性均不顯著。

表2 退耕地土壤理化性質指標參數Table 2 Physical and chemical properties of returned farmland

同一退耕年限不同土層深度間土壤理化性質均具有顯著差異(P<0.05)，土壤容重、含水率表現為表層(0～20cm)土壤小于深層(20～40cm)土壤；pH值在1～4a表現為表層大于深層,其余退耕年限均為深層大于表層，但整體差異性不顯著。其他各理化性質相同退耕年限樣地均表現為表層(0～20cm)高于深層(20～40cm)，且不同層次間存在顯著差異性(P<0.05)。

2.2 退耕地土壤酶活性變化特征

從圖1 可以看出，表層(0～20cm)土壤磷酸酶活性于退耕13a時降至最低值，僅為0.004mg·g-1·d-1，顯著低于其他各樣地；各退耕年限樣地土壤蔗糖酶活性呈先下降(1～2a)后上升(4～8a)再迅速下降，退耕13a達到最低值，且各退耕年限樣地間差異性均不顯著；土壤脲酶活性變化較為明顯，表現為先上升再下降的趨勢。退耕1a為0.036mg·g-1·d-1，對照樣地為0.023mg·g-1·d-1，均顯著高于退耕13a樣地,退耕2～8a較為穩定，變化范圍在0.026～0.029mg·g-1·d-1；過氧化氫酶活性總體呈先升高后降低趨勢，退耕8a為0.842mL·g-1·20min-1，比對照耕地、退耕13a樣地過氧化氫酶活性提高了0.194mL·g-1·20min-1、0.192mL·g-1·20min-1。深層(20～40cm)土壤磷酸酶活性呈先升高后逐步波動下降的趨勢，退耕1a值最大(0.025mg·g-1·d-1)，顯著高于退耕13a；蔗糖酶活性在退耕1a值最大(0.368mg·g-1·d-1)，最低值出現在退耕13a，僅為0.053mg·g-1·d-1，整體呈現先迅速上升(1a)再急速下降(2a)，然后波動性下降趨勢；脲酶活性同樣表現為先上升后下降趨勢，最高值為退耕1a(0.034mg·g-1·d),較最低值13a提高8.01%；過氧化氫酶活性變化趨勢不明顯，均在0.756～0.828mL·g-1·20min-1。

綜上所述，不同樣地表層(0～20cm)和深層(20～40cm)的土壤酶活性均隨退耕年限的增加表現出先升高再下降的趨勢，除了過氧化氫酶活性整體表現為較高水平外其余土壤酶活性均為表層大于深層，且土壤酶活性變化較明顯。4種土壤酶活性以過氧化氫酶活性值最高，達到了0.828mL·g-1·20min-1，磷酸酶活性值最低，達到了0.0036mg·g-1·d-1。

2.3 土壤理化性質與土壤酶活性間的相關性分析

由表3可知，不同年限退耕區次生草地土壤理化性質與土壤酶活性之間存在不同程度的相關性。土壤磷酸酶活性、土壤脲酶活性與土壤速效鉀含量間均呈現出極顯著負相關關系。不同種類的酶在土壤中參與的生化反應作用不同，因此與不同土壤理化性質之間的相關性存在一定差異。

表3 土壤理化性質與土壤酶活性的相關系數Table 3 Correlation coefficients between soil physical and chemical properties and soil enzyme activities

2.4 不同退耕年限耕地土壤理化性質與土壤酶活性的通徑分析

2.4.1 土壤理化性質對土壤酶活性的直接和間接影響 通過表4可以看出，在表層(0～20cm)土壤理化因子中，有機質含量對Y1通徑系數表現為最大正效應(0.726)，間接通徑系數總和大于其他理化因子呈正效應(1.311)，速效磷含量對Y1影響較低，未能達到顯著性水平；全氮、速效鉀、pH值含量對Y1通徑系數均表現為負效應，分別達到-0.649、-0.663、-0.163；速效磷含量對Y2的影響主要通過直接通徑系數表現出來(0.752)，速效鉀含量對Y2的直接通徑系數為-0.315，間接通徑系數總和為-0.869，說明速效鉀含量通過其他理化因子間的間接作用使得蔗糖酶活性的負效應進一步增強，全氮含量對Y2表現出較大的直接負效應，但是其通過其他理化因子間的間接正效應使得全氮含量間接通徑系數總和表現為正效應，有機質含量對Y2的影響主要通過間接通徑系數總和(0.947)表現出來；pH值對Y2影響較低未達到顯著性水平。速效鉀含量對Y3直接通徑系數達到最大值(-9.47)，其次為全氮(-0.738)，二者均表現為直接負效應，有機質對Y3的影響主要通過間接通徑系數總和表現出來，pH值、速效磷對Y3影響均較低；各理化因子對Y4的直接通徑系數從大到小依次為有機質、速效鉀、pH值、全氮、速效磷，其中有機質含量對Y4直接通徑系數、間接通徑系數總和表現為極顯著相關，分別達到-1.507、0.26，全氮含量對Y4的影響主要通過間接通徑系數總和表現出來，速效磷含量直接通徑系數和間接通徑系數均較小，由此可以推斷，土壤速效磷含量對Y4影響不顯著。

表4 表層(0～20 cm)土壤理化性質與土壤酶活性(Y)間的通徑系數Table 4 Path coefficients between soil physical and chemical properties and soil enzyme activity (Y) at a depth of 0～20 cm

通過表5可以看出，在20～40cm土層深度下，pH值對Y1的直接通徑系數為1.134，表現為最大正效應，但通過其他理化因子的間接作用最終對Y1的效應大幅度減弱，全氮含量對Y1的影響通過間接系數總和表現出來，各個間接通徑系數總和表現依次為全氮>有機質>速效磷>速效鉀>pH值；速效鉀對Y2通徑系數表現為最小負效應(-0.871)，速效磷對Y2的直接通徑系數表現為最大負效應為-1.531，pH值對Y2的直接通徑系數相關效應并不明顯，但通過其他理化因子間接作用下間接通徑系數總和對Y2表現為最大負效應(-0.072)，全氮、有機質含量對Y2影響不顯著；速效鉀含量對Y3的直接通徑系數為-1.044，表現為最大負效應，其次為有機質、全氮與速效磷，三者分別達到了0.432、-0.417、-0.842，pH值直接通徑系數與間接總和均為最小；各理化因子對Y4的直接影響中，以pH值通徑系數表現為最大正效應(0.847)，速效鉀含量次之(0.611)。有機質含量對Y4影響不顯著，速效磷含量對Y4的直接通徑系數表現為最小負效應(-0.132)，但在其他理化因子的作用下間接系數總和對Y4影響達到最大正效應(0.369)，全氮含量直接通徑系數與間接通徑系數都與Y4呈負相關效應。

表5 深層(20～40 cm)土壤理化性質與土壤酶活性(Y)間的通徑系數Table 5 Path coefficients between soil physical and chemical properties and soil enzyme activity (Y) at a depth of 20～40 cm

2.4.2 土壤理化性質對土壤酶活性決定系數總效應 通過表6可以看出，在表層(0～20cm)土壤中，Y1的主要抑制因子為X2(-1.134)、X1(-0.142)，主要促進因子依次為X5(0.726)、X4(0.443)、X3(0.375)；Y2的主要抑制因子為X2，其余均為促進因子，Y3的主要抑制因子為X2，促進因子依次為X5、X3、X4，分別達到0.916、0.305、0.187；Y4的主要促進因子為X4，其余均為抑制因子，依次排序為X3>X5>X2>X1。

表6 表層(0～20 cm)土壤理化性質與土壤酶活性(Y)的決定系數總效應Table 6 Total effects of coefficients of determination of soil physical and chemical properties and soil enzyme activity (Y) in 0～20 cm soil depth

通過表7可以看出，在深層(20～40 cm)土壤中，Y1的主要抑制因子為X4(-1.477)，其次為X2(-0.908)，起主要促進作用的為X5；Y2除X5為促進因子外，其余均為抑制因子，依次排序為X2(-2.375)>X4(-1.288)>X1(-0.882)>X3(-0.727)；Y3的主要抑制因子為X2，主要促進因子為X5；Y4的主要抑制因子為X4，主要促進因子為X5。

表7 深層(20～40 cm)土壤理化性質與土壤酶活性(Y)的決定系數總效應Table 7 Total effects of coefficients of determination of soil physical and chemical properties and soil enzyme activity (Y) in 20～40 cm soil depth

3 結論與討論

3.1 討論

在民勤退耕區次生草地上，植物根系較淺，大部分根系主要集中在0～40cm土層[22]，其土壤理化性質與土壤酶活性之間存在著相互影響。試驗樣地為大陸性荒漠干旱氣候區，降水少蒸發量大，土壤鹽堿狀況明顯，pH值整體呈弱堿性，總體保持在7.95～8.37。含水率整體呈現先下降后上升趨勢，各退耕年限與對照樣地差異顯著，退耕8a降至最低值，退耕13a升高到0.126%，這是由于退耕初期樣地土壤水肥條件好，一年生草本迅速生長，其根系較淺，需水量大，且處在大風干旱地區，綜合導致土壤含水率下降。退耕13a后期樣地植物優勢種逐漸被沙旱生灌木替代，植物對土壤保水性增強，使土壤含水率有所回升[23]。其他理化因子含量均為波動下降趨勢，且都在退耕13a達到低值。退耕初期經過反復耕作，土壤砂粒含量較為均勻，隨著退耕年限的增加，經過風蝕雨淋作用使得土壤團粒結構遭到破壞，導致砂粒含量逐年減少[24]，未退耕時人為施肥及作物種植，對土壤起到主要調節作用，使得全氮、有機質含量較多，而隨著退耕年限的增加進入土壤的凋落物以及根系殘留物和植物分泌物逐漸降低，加之區域干旱少雨的氣候特點，土壤全氮、有機質含量逐漸降低，這一結論與侯賢清等[25]的研究結果一致。土壤速效磷含量隨退耕年限的增加逐漸減少，可能是由于樣地在退耕前磷肥的施用量較高，隨退耕年限增加，植物生長消耗、環境變化等原因，導致樣地土壤磷含量的逐年降低[26-27]。由于研究區隨退耕年限的增加水分條件、土壤條件都發生變化，長時間退耕后植被根系發生釋鉀作用和土壤淋溶作用可能是速效鉀含量逐步升高的原因[28]。不同土層深度除含水率、容重表現為深層高于表層之外，其他各理化指標均表現為表層高于深層，且均呈現顯著性差異(P<0.05)。

隨土層深度增加4種土壤酶活性總體趨勢為逐漸降低。且0～20cm土層酶活性所占比例較大。這與妙佳源等[29]、南麗麗等[30]研究結論一致。不同退耕年限對脲酶與磷酸酶活性變化影響顯著，隨著退耕年限的增加，脲酶、磷酸酶活性不斷下降，都在退耕1a為最大值，退耕8a后開始大幅下降，13a時達到最低；土壤酶活性總體隨土層深度加深而降低，其主要原因是退耕后植物生長種類增多，植物根系釋放的酶較多，土壤表層有枯枝落葉和腐殖質，營養源豐富，利于土壤酶的生長和繁殖，而且土壤水熱和通氣狀況好，草本植物的生長使代謝活躍，對土壤中多種因子產生積極影響，導致土壤酶活性大，之后隨著水分的散失，土壤團粒結構發生變化，植物逐漸衰減，微生物開始減少[31]，酶活性均出現不同程度下降。

土壤酶活性與土壤理化因子具有一定相關性，且影響不同土壤酶活性的主要土壤因子也不盡相同，通過相關性分析發現在試驗樣地速效鉀含量與土壤磷酸酶活性、土壤脲酶活性極顯著負相關，這與韓福貴等[32]，馮愛青等[33]的研究結果一致, 退耕初期土壤水肥條件充足，植物大量生長，后期水肥條件及周圍環境變化使土壤理化性質和土壤酶之間相關性發生變化，可能是由于植被根系釋鉀與土壤淋溶共同作用所致，但具體原因還有待進一步研究。

相關系數和通徑分析結果表明，不同土層土壤酶活性受土壤養分因子影響的多重效應均不同。表層(0～20cm)土壤中，速效鉀含量是影響磷酸酶活性、蔗糖酶活性的直接主要因子，這與田麗青等[34]結論一致；影響脲酶的主要因子為速效磷，影響過氧化氫酶的主要因子為pH值。有機質含量間接作用是影響4種土壤酶活性的主要因子；深層(20～40cm)土壤中，土壤有機質含量為影響磷酸酶活性、過氧化氫酶活性直接主要因子。土壤酶活性很大程度依賴于有機質的存在，當有機質含量增加時,為土壤提供了大量的酶促反應底物，使酶轉化和分解過程加劇，循環加快，各種與之相關的理化因子與酶活性得到進一步提高[35]；影響蔗糖酶活性的主要因子為速效磷，全氮含量通過其它理化因子表現出的間接作用也很大程度上決定著4種土壤酶活性。土壤理化性質與酶活性間并非相互獨立，而是存在著緊密聯系并且具有很大的相關性[36]。

3.2 結 論

(1)民勤綠洲區不同退耕年限樣地中，隨著退耕年限增加，除土壤含水率、速效鉀含量表現有上升趨勢外，其余理化因子含量均表現下降趨勢，不同土層深度，除土壤含水率、容重表現為深層高于表層，其他各項理化因子含量表現為表層高于深層，且兩種土層深度間均呈現出顯著差異性(P<0.05)。

(2)不同退耕年限對脲酶與磷酸酶活性變化影響顯著，對過氧化氫酶、蔗糖酶活性變化影響不顯著。脲酶、磷酸酶活性在退耕1a值最大，退耕8a后開始大幅下降，13a時達到最低；土壤酶活性總體隨土層深度加深而降低。

(3)由相關系數和通徑分析可知，表層與深層均為不同的理化性質與酶共同參與發揮作用。通過決定系數得出速效鉀含量為4種土壤酶活性的主要促進因子;全氮含量表現為主要抑制因子。

各種土壤理化因子不但能直接或者間接影響土壤酶活性的變化，還通過相互作用共同參與土壤系統能量轉化，物質循環的多個環節，尤其在民勤地區還會受到地被植物生長、環境溫度等多方面外界因素的共同干預，所以各種成分之間的耦合關系也不盡相同，接下來還需進一步進行深入研究，以期達到退耕區次生草修復治理的目的。