松嫩平原鹽堿土區不同土地利用方式對土壤碳、氮及酶活性的影響

劉騫 郭博雅 伍秀瑜 王悅

摘要：【目的】探究不同土地利用方式對鹽堿地土壤肥力及微生物活性的影響，旨在為鹽堿地改良及生態修復提供科學依據。【方法】以吉林西部松嫩平原為例，分析農耕水田（ N1）、農耕旱田（N2）、濕地（S）、草地（C）等4種土地利用方式土壤中有機碳、全氮、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶的變化特征及相互關系。【結果】小同土地利用方式的土壤有機碳含量為Ni：9.70-16.27 9.kg-1. N2：3.85-11.58 g·kg-1.S：2.14-2.97 g·kg-1.C：5.25-11.24 g·kg-1;全氮含量為N1：1.83- 2.32 g·kg-1、N2：0.45- 0.76 g·kg-1、S：0.34- 1.28 g·kg-1.C：0.88- 2.04 g·kg-1;碳氮比為Ni：2.29-7.11、N2：8.89- 15.28、S：2.00- 6.42、C：4.20- 5.97，小同土地利用方式的土壤酶活性均表現為脲酶（ 60.64- 286.49 umol·d-1·mg-I）>堿性磷酸酶（ 9.22- 48.05 umol·d-1·mg-1）>過氧化氫酶（ 9.14- 9.68umol·d-1·m-1）>蔗糖酶（0.06- 7.82 umol·d-1·mg-1），并呈現出伴隨土層加深土壤酶活性逐漸降低的趨勢。相關分析結果表明，土壤蔗糖酶與碳氮比呈顯著相關（P<0.05），脲酶與碳氮比呈極顯著相關（P< O.OI），堿性磷酸酶與有機碳呈極顯著相關（P<0.01）、與全氮呈顯著相關（P<0 05），過氧化氫酶與全氮呈極顯著相關（P<0.01）、與碳氮比呈顯著相關（P<0.05）。冗余分析結果表明，土壤蔗糖酶、脲酶主要受土壤pH值和容重調控，土壤堿性磷酸酶、過氧化氫酶主要受土壤含水量和電導率調控。【結論】土壤有機碳、全氮含量及酶活性在不同土地利用方式間具有較明顯的差異，在垂直土層上呈現表層土壤高于深層土壤的規律性分布;農耕水田土地利用方式的土壤有機物質累積量和肥力優于農耕旱田、濕地和草地，證明種植水稻在一定程度上可改善鹽堿土壤的肥力及微生物活性，有利于生態環境的改善和修復。

關鍵詞：土地利用方式;有機碳;全氮;酶活性;鹽堿土壤

中圖分類號：S 154.1;X144

文獻標志碼：A

文章編號：1008-0384（2021）08-0956-08

Carbon， Nitrogen， and Enzyme Activity in Saline-alkali Soil on

Songnen Plain as Affected by Land Use

LIU Qian， GUO Boya， WU Xiuyu， WANG Yue

（ School of Gardens， Changclun University， Jilin， Changchun， Jilin I30022. China ）

Abstract：【Objective】Fertility and enzymatic activity of the saline-alkali soil in relation to land use were analyzed forecological improvements and restoration.【Method】At sites on Songnen Plain in western Jilin province. the effects onorganic carbon. total nitrogen. invertase. urease， alkaline phosphatase， and catalase of the saline-alkali soils under differenttypes of land use as paddy farming field（Ni）. dry farming field （N2）， wetland （S）， and grassland （C） were compared.【Result】The organic carbon contents in the soils ranged 9.70-16.27 g·kg-l under N1， 3.85-11.58 g·kg-l under N2， 2.142.97g·kg-l under S， and 5.25-11.24 g·kg-l under C.and the total nitrogen. 1.832.32 g·kg-l under N1. 0.450.76 g·kg-l under N2，0.34-1.28 g·kg-l under S， and 0.882.04 g·kg-l under C. and the total T/N. 2.297.11 under N1. 8.89-15.28 under N2， 2.00-6.42under S. and 4.20 5.97 under C. The activities of various enzymes were urease （60.64 286.49 umol·d-1mg-1）>alkalinephosphatase （9.22-48.05 umol·d-l . mg-1》 catalase （9. 149.68 umol·d-l mg-1）>sucrase （0.06-7.82 umol·d-l . mg-1） and decreasedalong the depth of the soil layers. The invertase significantly correlated with C/N at P< 0.05. the urease with C/N at P

Key words： land uses; organic carbon; total nitrogen; enzyme activity; saline-alkali soil

0 引言

【研究意義】鹽堿土壤是我國主要的后備土壤資源之一，對于鹽堿土壤的改良利用和生態建設一直是人們關注的熱點，探究鹽堿區的土地利用方式與土壤碳、氮及酶活性之間的關系，對于合理開發利用鹽堿土壤具有重要的理論意義和實際意義。【前人研究進展】土壤有機碳含量與土壤物質循環及能量流動關系密切，任何土壤碳庫儲量的微細變化，都能導致大氣CO，濃度的顯著變化[1]。土壤全氮包括所有形式的有機和無機氮素，是標志土壤氮素總量和供應植物有效氮素的源和庫，綜合反映了土壤的氮素狀況[2]。不同土地利用方式的土壤，其外界有機物質的輸入量及轉化效應不同，進而影響到土壤的碳、氮含量。大量研究表明，土壤酶活性易受環境中物理、化學及生物因素的影響，可以反映土壤狀態和動態變化，且對土壤碳、氮含量有一定的影響[3]。同時，土壤中的有機碳可以促進土壤酶及微生物的活動，并且供應土壤微生物所需的能量和養分。脲酶的酶促產物

氨是植物氮素來源之一[4]，土壤有機質、總氮等都與土壤脲酶活性相關[5];蔗糖酶是可以表征土壤生物活性的水解酶，可以作為評價土壤熟化程度和土壤肥力水平的一個指標[6];堿性磷酸酶與土壤肥力關系密切[7-8];過氧化氫酶活性與土壤呼吸強度和微生物活動有關，可以反映土壤微生物活動過程的強度，故研究不同土地利用方式對土壤碳、氮及酶活性的影響是土壤環境質量研究的重要內容[9]。松嫩平原鹽堿土是世界三大鹽堿土集中分布區之一，且鹽堿程度呈逐年增加之態勢，使得農作物產量下降、草地退化、生態環境日趨惡化[10]。以往的研究主要集中在鹽堿土壤改良后土壤物理、化學性質的變化[11-13]。【本研究切入點】從土壤碳、氮及酶活性差異的角度探討鹽堿區不同土地利用方式對土壤性質影響的相關研究結果鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以吉林西部松嫩平原為例，分析不同土地利用方式（農耕水田、農耕旱田、濕地、荒草地）土壤中碳、氮，以及蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶的變化特征及相互關系，闡明不同土地利用方式對土壤肥力及微生物的影響，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研究區概況

松嫩平原西部是蘇打鹽堿化最嚴重的地區，鹽堿地面積約96.87×104 hm2，其中輕度鹽堿地6.07×104 hm2、中度鹽堿地46.40×104 hm2、重度鹽堿地44.40×104 hm2[14]。該區屬半干旱半濕潤的大陸性季風氣候區，受西風帶和東亞夏季天氣系統的影響，氣候敏感，四季差異明顯，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季漫長寒冷[14]。該區經歷了多次沙漠化和鹽堿荒漠化的正逆演變過程，形成了大面積的鹽堿土沉積。研究區位于吉林西部松嫩平原內，該地區主要土地利用方式為農田（農耕旱田、農耕水田）、荒草地（以下簡稱草地）、濕地等。

1.2土壤樣品采集

根據土壤類型圖和土地利用方式類型圖，結合實地調查，于2018年7月采集樣品。每種土地利用方式中分別設置6個20 m2樣方，按照S形采樣法采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm土層土壤樣品，現場將每個采樣點相同土層的樣品混勻，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。帶回實驗室后自然風干，過1.00、0.25 mm篩，裝袋備用。采樣點基本信息見表1。

1.3樣品分析方法

有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法[15]，全氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法[15]，脲酶活性采用苯酚鈉次氯酸鈉比色法、堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法、過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法[17]，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[18]。

1.4數據處理

采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，采用最小差數法（LSD）進行差異顯著性分析，通過Pearson（雙側）相關分析判斷土壤碳、氮、酶之間的相關性。利用Canoc05.0軟件進行冗余分析，探究土壤各指標之間的關系。運用WPS軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1不同土地利用方式的土壤碳、氮含量

不同土地利用方式間的土壤有機碳（ SOC）、全氮（ TN）及碳氮比（C/N）變化見表2。不同土地利用方式土壤有機碳、全氮、碳氮比的差異性表現一致。土壤有機碳含量農耕水田為9.70～16.27 g·kg-l，農耕旱田為3.85～11.58 g·kg-l，濕地為2.14—2.97g·kg-l，草地為5.25—11.24 g·kg-l; 0—10 cm土層土壤有機碳含量的差異表現為：農耕水田>農耕旱田>草地>濕地。土壤全氮含量農耕水田為1.83--2.32g·kg-l，農耕旱田為0.45—0.769·kg-1，濕地為0.34～1.28 g·kg-l，草地為0.88～2.04 g·kg-l; 0～10 cm土層土壤全氮含量的差異表現為：農耕水田>草地>濕地>農耕旱田。土壤碳氮比農耕水田為2.29～7.11，農耕旱田為8.89～15.28，濕地為2.00～6.42，草地為4.20～5.97;0～10 cm土層土壤碳氮比的差異表現為：農耕旱田>農耕水田>草地>濕地。

分析不同土層土壤碳、氮含量的差異性，結果表明：土壤有機碳含量在農耕水田、農耕旱田、草地均表現為伴隨土層加深而逐漸減少的趨勢，而在濕地則表現為20-- 30 cm土層土壤有機碳含量高于10—20 cm與30～40 cm土層;土壤全氮含量，不同土地利用方式均表現為伴隨土層加深逐漸減少，0～10 cm土層顯著高于30～50 cm土層;碳氮比，農耕旱田的碳氮比顯著高于農耕水田、濕地和草地（P<0.05），農耕水田、農耕旱田的碳氮比表現為0～10 cm土層顯著高于40～50 cm土層（P<0.05），而濕地和草地的碳氮比則表現為0～10 cm土層低于40-- 50 cm土層。

2.2不同土地利用方式的土壤酶活性

由圖1可知，土壤蔗糖酶活性以農耕水田較高，顯著高于其他土地利用方式（P<0.05），草地土壤蔗糖酶活性較低;從土壤剖面層看，表層土壤蔗糖酶活性高于深層土壤。

由圖2可知，土壤脲酶活性以農耕旱田較高，顯著高于其他土地利用方式（P<0.05），草地土壤脲酶活性較低;從土壤剖面層看，土壤脲酶活性呈現隨土層加深而逐漸降低的趨勢，且農耕水田、農耕旱田、濕地各土層脲酶活性差異顯著（P<0.05）。

由圖3可知，土壤堿性磷酸酶活性以濕地較低;從土壤剖面層看，土壤堿性磷酸酶活性呈現隨土層加深而逐漸降低的趨勢，但0-- 10 cm、10～20 cm、40—50 cm土層農耕水田與農耕旱田之間的土壤堿性磷酸酶活性無顯著差異;而20～30 cm、30～40 cm土層的農耕水田與農耕旱田之間的土壤堿性磷酸酶活性有顯著差異（P<0.05）。

由圖4可知，土壤過氧化氫酶活性以濕地較低，顯著低于其他土地利用方式;從土壤剖面層看，同一土地利用方式的土壤過氧化氫酶活性呈現隨土層加深而逐漸降低的趨勢，0～30 cm土層農耕旱田土壤過氧化氫酶活性高于其他土地利用方式，30～50 cm土層草地土壤過氧化氫酶活性高于其他土地利用方式。

2.3土壤碳、氮含量與土壤酶活性的相關性

不同土地利用方式的土壤碳、氮含量與土壤酶活性的相關性如表3所示，土壤有機碳與堿性磷酸酶呈極顯著負相關（P<0.01）;土壤全氮與堿性磷酸酶呈顯著負相關（P<0.05），與過氧化氫酶呈極顯著負相關（P<0.01）;土壤碳氮比與蔗糖酶、過氧化氫酶呈顯著相關（P<0.05）、與脲酶呈極顯著相關（P<0.01）。冗余分析結果（圖5）表明，土壤蔗糖酶、脲酶主要受土壤pH值和容重調控，土壤堿性磷酸酶、過氧化氫酶受土壤含水量和電導率調控。

3討論

3.1不同土地利用方式對土壤有機碳、全氮含量的影響

土壤有機碳、全氮含量與有機物料輸入和輸出關系密切，同時土壤性質、利用方式、耕作管理、地覆植被均會影響土壤有機碳、全氮的含量及分布[19-20]。本研究中，不同土地利用方式土壤有機碳、全氮含量隨土層加深而呈現逐漸降低的趨勢。究其原因主要是因為植物根系、土壤微生物、植物凋落物、農耕肥等是土壤有機碳、全氮的主要來源物質，表層土壤優先獲得有機物料的輸入，并逐步傳導至深層土壤，因此表現為表層土壤的有機碳、全氮的累積量高于深層土壤[21-24]。不同土地利用方式中，各土層有機碳含量均值表現為農耕水田>農耕旱田>草地>濕地，說明鹽堿土壤在人為耕作活動之后，通過農作物凋落物和有機肥等形式輸入的碳素除了被植物吸收或者分解外，有更多的有機碳在土壤中累積。因此，農田耕作有利于提高鹽堿稻田土壤有機碳的含量[25]。李新愛等[26]對亞熱帶喀斯特地區不同土地利用方式土壤全氮含量的變化進行研究表明，稻田土壤全氮含量顯著高于旱地，本研究結果與之相似，也表現為農耕水田全氮含量高于農耕旱田。孫志高等[27]對三江平原地區不同土地利用方式的土壤全氮含量變化特征的研究表明，濕地土壤全氮含量高于農田，本研究結果也表現為0～10 cm土層的全氮含量濕地土壤高于農耕旱田。本研究中，土壤全氮與土壤有機碳之間具有明顯的正耦合效應，這與前人研究結果一致，說明農業實踐活動能夠強烈地影響氮循環和碳存儲[28-30]。其次，不同土地利用方式間，由于植被覆蓋類型及枯枝落葉的差別較大，導致土壤氮素輸入量不同。農耕水田土壤全氮含量高于其他土地利用方式，說明土壤氮素受水熱條件影響明顯，淹水狀態及溫度升高均能顯著提高土壤中溶解性氮的累積[31]。普遍認為，土壤碳氮比與土壤有機碳分解速率成反比關系[32]。本研究4種土地利用方式的C/N值基本為2.00～15 .28，其中農耕水田和農耕旱田的C/N值高于濕地和草地，這與土壤利用、水熱條件及田間管理有一定關系，受人為干擾的土壤碳氮比普遍高于未受干擾的土壤[33]。C/N值的升高對土壤微生物的繁殖速度和分解活動有一定的限制作用，使有機質和有機氮的分解礦化速度減慢，土壤固定有機碳能力提高。

3.2不同土地利用方式對土壤酶活性的影響

酶活性是影響土壤養分轉化的主要生物因素，對其碳、氮儲量及運轉速率影響明顯。與此同時，土壤中養分含量的變化影響土壤的酶活性[34]。本研究中，不同土地利用方式對土壤酶活性有顯著影響，其中：濕地土壤的過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性低于其他3種土地利用方式;農田（農耕水田、農耕旱田）的蔗糖酶和脲酶活性高于濕地和草地。這是由于農耕過程中施用肥料，能刺激植物根系生長，且農田枯落物數量較多，可促使植物根系和微生物分泌更多轉化酶[35]。

本研究中，不同土地利用方式間4種土壤酶活性均表現為表層土壤高于深層土壤，這與前人的研究結果基本一致[36-37]。不同土地利用方式土壤機械組成也不同，表現為土壤緊實度、通透性及肥力狀況上的差異[38_39]。而土壤機械組成與土壤含水率、土壤孔隙度等密切相關，不同土地利用方式會影響到土壤理化性質，從而對土壤酶活性產生反饋作用。因此，pH值、含水率、孔隙度間接影響了酶活性[40]。

3.3土壤碳、氮變化主控因素分析

在不同的土壤環境中，酶及微生物活性是區別不同土壤生態環境的重要指標，在促使土壤有機物質轉化中不僅顯示其專性特性，同時存在共性關系，氮素與碳素的相互轉化亦受到影響[41]。土壤類型、氣候條件、農田管理措施等環境因子的不同均會對土壤理化性質、酶活性造成影響，萬忠梅等[42]對三江平原濕地進行研究，結果表明，土壤酶的變化是對環境因子的綜合響應，這種變化對土壤碳循環過程產生直接影響。本研究從不同土地利用方式的角度分析酶活性及部分理化指標對其土壤碳氮變化的影響，結果表明，不同土地利用方式土壤酶活性具有明顯差異，且土壤有機碳含量與堿性磷酸酶活性顯著相關，土壤全氮含量與堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性顯著相關。土壤酶既參與有機物質的合成，又參與有機物的分解。土壤有機質在微生物和酶的作用下形成復雜而較穩定的大分子有機化合物。過氧化氫酶、磷酸酶均為與碳轉化密切相關的酶，參與土壤碳氮循環和轉化。表層土壤受到水分、植物根系等影響，微生物活性較強，直接影響到土壤碳的累積和轉化，而酶促反應釋放的低分子糖，是微生物的碳源和能源[43]。腐殖質可與酶結合，對土壤酶形成物理保護，促進或抑制酶促反應。Batra、Farnkenberger等[44-45]研究表明，鹽分的增加會降低土壤酶的活性。本研究中，不同利用方式土壤鹽堿化程度差異明顯，草地土壤堿化度較高，墾殖后土壤堿化度降低，pH值也均在8以上，但土壤碳、氮、酶之間均呈現顯著正相關，說明土壤酶參與了墾殖后土壤生態系統中的絕大部分能源循環和能量轉化過程，土壤碳庫的穩定性與酶活性之間存在響應模式，即使在較高的鹽堿化情況下，酶的生物化學作用仍可以促進土壤碳的轉化。不同利用方式下土壤酶活性存在差異，使碳、氮等有機化合物的轉化進程發生改變，也在一定程度上反映出不同的土壤肥力水平。農田與濕地、草地根本區別在于是否存在人為活動的影響，農田施用有機肥能增加土壤有效養分，調節土壤pH值，優化土壤微生物群落的結構組成[46]。由于鹽堿草地的堿化度較高，因此土壤肥力較低，而農耕水田在人為耕作活動下，土壤的堿化度得到改善，同時，施用有機肥使土壤具有了較高的碳、氮值和酶活性。因此，分析典型鹽堿土區不同土地利用方式間的碳、氮含量及酶活性的變化，不僅反映其差異性，同時也說明了人為耕作活動可促進提高土壤肥力和養分固持能力。

4結論

土壤有機碳、全氮含量及酶活性在不同土地利用方式間具有較明顯的差異，在垂直土層上呈表層土壤高于深層土壤的規律性分布;農耕水田土地利用方式的土壤有機物質累積量和肥力均優于濕地和草地，證明種植水稻在一定程度上可改善鹽堿土壤的肥力及微生物活性，有利于生態環境的改善和修復。

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（責任編輯：楊小萍）

收稿日期：202003-13初稿;20200505修改稿

作者簡介：劉騫（ 1982-）.女，博士，講師，研究方向：上壤養分資源利用（E-mail： hamiqi.365@163.com）

基金項目：長春大學科研培育基金（ 2019JBC 27L40）