黄土丘陵区不同土地利用类型下土壤酶活性和养分特征.docx

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黄土丘陵区不同土地利用类型下土壤酶活性和养分特征

黄土丘陵区不同土地利用类型下土壤酶活性和养分特征

董莉丽1，郑粉莉2，3

1.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062；2.西北农林科技大学资源与环境学院，陕西杨凌712100；

3.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100

摘要：

研究了土地利用类型对土壤酶活性和土壤养分的影响。

首先通过最小显著性差异（LSD）评价各样地之间和同一样地土壤剖面四个不同层次的土壤酶活性和养分的差异，其次分析四种土壤酶（转化酶、碱性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶）活性和土壤养分之间相关性；最后以农地为对照，应用土壤恢复指数研究不同土地利用类型对土壤的改良效果。

研究结果表明，同农地相比，不同土地利用类型的表层（0~5cm）土壤四种酶活性、全氮、有机质和碱解氮含量均有所提高，且在同一土地利用类型下表层土壤酶活性和养分均显著大于下部各土层。

相关性分析表明，土壤四种酶活性与有机质、全氮、碱解氮呈极显著正相关关系。

同农地相比,其余土地利用类型表层土壤质量显著提高，而以杨树、侧柏、油松、仁用杏和刺槐5种人工林地的土壤质量提高最为明显，同龄树种中，杨树对土壤的恢复效果大于刺槐和油松。

关键词：

土地利用类型；土壤养分；土壤酶活性；剖面分布；黄土丘陵区

中图分类号：

S158文献标识码：

A文章编号：

1672-2175（2008）05-2050-09

土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映，是影响土壤肥力变化最普遍、最直接、最深刻的因素[1]。

由于在不同土地利用类型下，地面覆被不同，对土壤养分的富集和再分配作用，以及减少水土流失引起的养分流失的作用不同，进而会对土壤酶活性和养分及其在土壤剖面上的分布产生影响。

以往多数研究主要集中在利用土壤物理[2-3]和化学属性[4-5]来表征土地利用类型对土壤质量的影响。

但是，土壤中所进行的生物和生物化学过程之所以能够持续进行，得益于土壤中酶的催化作用。

同时,土壤酶在与有机质分解和养分循环等相关的催化反应中起到重要作用[6]。

许多研究表明，土壤酶活性可以指示土壤生态系统的健康和可持续性以及农业实践引起的土壤质量的变化[7-9]。

本研究区位于陕北黄土高原北部米脂县境内，这里不仅水蚀和风蚀并存，而且人口密度大（200人·km-2）,可耕地面积少。

目前，有关研究区不同土地利用类型下土壤酶活性和养分特征的研究尚未见报道。

本文基于对不同土地利用类型及同一土地利用类型不同土壤剖面层次的四种酶活性和有机质、全氮、碱解氮、速效磷的分析，探讨研究区十种典型土地利用类型对土壤酶活性和养分特征的影响，其研究结果对于合理利用土壤资源、培肥地力、减少养分流失具有重要的意义，并可以评价多年来在该研究区实施退耕还林等水土保持工程对土壤的改良作用。

1材料与方法

1.1样点位置

研究区样点主要布设在泉家沟和艾家峁（见表1），其隶属于米脂县桥河岔乡的两个自然村。

多年平均降水422mm，年平均气温8.4℃，年平均蒸发量1557mm，干燥度3.74。

全年降水分布极不均匀，年最高降水量达704.8mm，最低降水量186.1mm。

7～9三个月平均降水量为291.1mm，占全年总降水量的64.5％，汛期降雨多为大雨和暴雨。

1.2样品采集与分析

根据土地利用类型和分布地点的代表性，选择的样地类型分别为农地、侧柏、果园、仁用杏、苜蓿、油松、杨树、荒地、柠条和刺槐。

2007年9月底10月初进行土壤样品采集。

每个样地按S型布设5个样点，每个样点挖取土壤剖面，每个剖面分0~5cm，5~10cm，10~20cm,20~40cm四层采集，将每层采集的5个样点土壤样品混合均匀，按四分法分三袋装，带回实验室，风干后过1mm和0.25mm筛。

过1mm筛的土样用于测定土壤酶活性、速效磷和碱解氮，过0.25mm筛的土样用于测定土壤有机质和全氮。

每一测定项目做三个重复，两个平行。

所有试验在中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀和旱地农业国家重点实验室完成。

在野外利用罗盘测定样地的坡向和坡度，利用便携式GPS测定样地的海拔和经纬度。

土壤有机质采用重铬酸钾—硫酸氧化法[10]，土壤全氮采用开氏（J.Kjedahl）消煮法，速效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提一钼锑抗比色法[11]，碱解氮采用碱解扩散法[12]。

转化酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，碱性磷酸酶用苯磷酸二钠比色法测定，过氧化氢酶用KMnO4滴定法测定。

四种酶活性分别以葡萄糖mg·g-1·d-1，酚mg·kg-1·d-1，（NH3）-Nmg·kg-1·d-1和0.1mol·L-1高锰酸钾毫升数（空白与试验测定的差）表示。

表1土壤样地描述

Table1thedescriptiveofthesoilsamplingsites

地点

退耕时间（yr）

样地类型

坡向/坡度

海拔/m

经度/纬度

泉家沟

1983

杨树（populus）

北偏东35°/30°

1014

E110°15′50″/N37°46′29″

1983

刺槐（Robiniapseudoacacia）

北偏东55/30°

1030

E110°15′49″/N37°46′29″

1970

柠条（CaraganaKorshinskii）

正东/32°

1030

E110°16′10″/N37°46′04″

2004

苜蓿（Medicagosativa）

北偏西50°/25°

1003

E110°16′07″/N37°46′25″

1998

荒地

正北/20°

1054

E110°15′51″/N37°46′27″

1983

油松（Pinustabulaeformis）

北偏东35°/22°

1004

E110°15′51″/N37°46′29″

1993

仁用杏（Armeniaca）

北偏东10°/33°

1008

E110°15′53″/N37°46′28″

艾家峁

1958

侧柏（Platycladusorientalis）

北偏东24°/18°

1020

E110°17′34″/N37°46′37″

1986

果园

北偏东65°/0°

1030

E110°17′34″/N37°46′37″

农地

北偏东70°/28°

1018

E110°17′33″/N37°46′37″

1.3统计分析

所有结果以风干土质量为基础进行计算。

本文给出了六个重复的算术平均值及其标准偏差。

利用SPSS13.0进行方差分析和相关性分析。

应用最小显著性差异（LSD）检验不同土地利用类型和同一土地利用下土壤剖面四个层次土壤酶活性和养分特征的差异显著性，具有相同字母者代表0.05水平差异不显著。

2结果与讨论

2.1土地利用类型对土壤酶活性的影响

表2不同土地利用类型下表层土壤酶活性特征

Table2Topsoilenzymeactivitiesinvariouslandusetypes

土地利用类型

转化酶葡萄糖/（mg·g-1·d-1）

碱性磷酸酶酚/（mg·kg-1·d-1）

脲酶NH3-N/（mg·kg-1·d-1）

过氧化氢酶0.1mol·L-1KMnO4ml

农地

5.67h±0.82

1057.47i±47.04

688.60f±109.05

5.48g±0.44

侧柏地

20.57de±1.96

2452.56b±31.09

2563.60ab±274.49

14.30a±0.32

果园

10.03g±1.60

1146.00h±106.40

1878.00cd±104.98

6.93f±0.37

仁用杏地

25.20b±0.87

2276.52d±28.87

1755.80d±114.86

8.75c±0.22

苜蓿地

20.97d±0.90

2023.97f±41.35

1236.60e±63.72

7.05ef±0.57

油松地

23.47c±2.07

2365.90c±58.76

2315.20b±98.11

7.90d±0.15

杨树地

32.67a±1.82

2582.28a±38.29

2682.20a±193.19

9.57b±0.40

荒地

19.20e±0.75

2076.67ef±76.79

2060.80c±190.53

9.17bc±0.72

柠条地

13.08f±0.087

1892.47g±69.32

2439.40b±158.57

7.59de±0.22

刺槐地

33.13a±1.73

2144.63e±44.02

2428.80b±48.88

7.35def±0.45

土壤酶在土壤生物化学过程中，特别是在有机质的分解和氮、磷的活化过程中具有重要作用[13]。

不同土地利用类型对表层（0~5cm）土壤酶活性有明显影响（见表2）。

表2列出了10种土地利用类型表层土壤四种酶活性的平均值、标准偏差和差异显著性检验结果。

由表2可知，农地表层土壤四种酶活性最低，转化酶，碱性磷酸酶，脲酶和过氧化氢酶活性分别为5.67，1057.47，688.60和5.48。

各样地土壤剖面各土层之间酶活性的分布特征见图1。

转化酶活性在刺槐地和杨树地表层较高，分别为农地表层土壤的5.84和5.76倍。

其在仁用杏地、油松地、苜蓿地、侧柏地、荒地、柠条地和果园分别为农地的4.44、4.14、3.70、3.63、3.39、2.31和1.77倍。

LSD检验表明，转化酶活性除在刺槐和杨树地，苜蓿和侧柏地以及侧柏和荒地之间差异不显著外，在其余各样地之间，其差异均达到显著性水平。

同一土地利用类型下土壤剖面各层次之间的LSD检验表明，转化酶活性在农地10~20cm处最高，但其在农地土壤剖面四个层次之间其差异不显著；而在其余各样地，表层土壤转化酶活性均显著大于其下部各土层。

碱性磷酸酶活性在杨树地和侧柏地较高，分别为农地的2.44和2.32倍。

在油松地、仁用杏地、刺槐地、荒地、苜蓿地、柠条地和果园，表层土壤碱性磷酸酶活性分别为农地的2.24、2.15、2.03、1.96、1.91、1.79和1.08倍。

表层土壤碱性磷酸酶活性除在刺槐地和荒地以及荒地和苜蓿地之间差异不显著外，在其余各样地之间差异均显著。

土壤剖面不同土层之间的LSD检验表明，土壤碱性磷酸酶活性在农地10~20和5~10cm，5~10和20~40cm以及荒地5~10，10~20和20~40cm差异不显著；其余8个样地碱性磷酸酶活性随土层的加深而降低，且土壤剖面各土层之间的差异显著。

图14种酶活性在不同土地利用下土壤剖面上的分布特征

Fig.1theprofilecharacteristicsofthefoursoilenzymeactivitiesinvariouslandusetypes

（a:

碱性磷酸酶;b:

转化酶;c:

脲酶;d:

过氧化氢酶）

（a:

alkalinephosphatase;b:

invertaseglucose;c:

urease;d:

catalase）

脲酶活性在杨树地和侧柏地较高，分别为农地的3.90和3.72倍。

在柠条地、刺槐地、油松地、荒地、果园、仁用杏地、苜蓿地，脲酶活性分别为农地的3.54、3.53、3.36、2.99、2.73、2.55和1.80倍，其中，脲酶活性在杨树和侧柏地，侧柏、柠条、刺槐和油松地，荒地和果园以及果园和仁用杏地之间差异不显著。

脲酶活性在土壤剖面各土层之间的LSD检验表明，农地10~20和20~40cm脲酶活性较高，分别为1015.20和974.20，而5~10和0~5cm脲酶活性较低，分别为818.60和688.60，且10~20和20~40cm以及5~10和0~5cm之间脲酶活性差异不显著。

脲酶活性除在果园0~5和5~10cm，在油松地5~10和10~20cm以及在荒地5~10，10~20和20~40cm差异不显著外，在其余各样地土壤剖面不同层次之间差异显著。

过氧化氢酶活性在侧柏地最高，为农地的2.61倍，而在杨树地、荒地、仁用杏地、油松地、柠条地、刺槐地、苜蓿地和果园，过氧化氢活性分别为农地的1.75、1.67、1.60、1.44、1.39、1.34、1.29和1.26倍。

各土地利用类型中，过氧化氢酶活性在杨树地和荒地，荒地和仁用杏地，油松、柠条和刺槐地，柠条、刺槐和苜蓿地，刺槐、苜蓿和果园之间差异不显著。

过氧化氢酶活性在荒地仅次于侧柏地和杨树地，并且，其在荒地与杨树地之间的差异不显著。

这与邱莉萍等[14]研究得出撂荒未翻耕地表层过氧化氢酶活性大于林地的结论相似。

过氧化氢酶活性在土壤剖面各层次之间的LSD检验表明，在各土地利用类型中，土壤过氧化氢酶活性在表层最高，除在农地和荒地外，随土层深度的增加，其活性降低。

过氧化氢酶活性在农地土壤剖面各层次之间差异不显著；在果园、苜蓿和油松地，其在5~10和10~20cm差异不显著；在仁用杏和柠条地，其在10~20和20~40cm差异不显著；在荒地和刺槐地，其在5~10，10~20和20~40cm差异不显著。

过氧化氢酶活性在侧柏和杨树地土壤剖面不同土层之间差异达显著水平。

表3不同土地利用类型下表层土壤养分含量

Table3Topsoilnutrientcontentsinvariouslandusetypes

土地利用类型

有机质/%

全氮/%

碱解氮/（mg·kg-1）

速效磷/（mg·kg-1）

农地

0.5072j±0.0039

0.0294i±0.0018

23.47f±2.65

5.22bc±1.33

侧柏地

1.6335b±0.0457

0.0813b±0.0026

59.12b±6.60

2.25ef±0.63

果园

0.7270h±0.0299

0.0437g±0.0031

32.84e±1.06

6.64a±0.71

仁用杏地

1.2525e±0.0435

0.0651d±0.0045

50.53c±4.49

5.09c±1.18

苜蓿地

0.6367i±0.0374

0.0337h±0.0014

30.89e±2.09

4.05d±0.38

油松地

1.3880d±0.0612

0.0655d±0.0024

51.95c±2.40

1.80f±0.20

杨树地

1.6857a±0.0623

0.0867a±0.0025

68.50a±4.87

1.71f±0.27

荒地地

1.1287f±0.0104

0.0592e±0.0012

55.83b±1.56

1.57f±0.12

柠条地

0.9597g±0.0226

0.0514f±0.0017

44.1d±2.02

5.99ab±0.55

刺槐地

1.4797c±0.0237

0.0769c±0.0035

65.37a±1.46

2.71e±0.32

以上分析可知，几种林地土壤酶活性普遍较高，这是因为林地植物凋落物和根系分泌物不仅使微生物大量繁殖，丰富了土壤酶的来源，同时这些凋落物的分解和根系的生理代谢过程也向土壤释放多种酶。

而农地和果园由于地表无覆被物，土壤养分含量少，对土壤微生物的繁衍不利，其土壤酶活性也因此较低。

2.2土壤养分特征

土地利用类型不同，则地表覆盖及人为干扰影响程度不同，直接影响土壤养分物质的输入和输出，进而深刻影响土壤的养分贮量和养分有效性等肥力状况[4]。

表3列出了不同土地利用类型下表层土壤有机质、速效磷、全氮和碱解氮含量。

土壤有机质含量在杨树地最高，为1.6857%，在农地最低，为0.5072%；与农地相比，有机质含量在杨树地、侧柏地、刺槐地、油松地、仁用杏地、荒地、柠条地、果园和苜蓿地分别增加了232.4%、222.06%、191.74%、173.66%、146.94%、122.54%、89.22%、43.34%和25.53%，并且各样地之间的差异均显著。

土壤全氮含量与有机质含量大小顺序完全相同，与农地相比，在杨树地、侧柏地、刺槐地、油松地、仁用杏地、荒地、柠条地、果园和苜蓿地，全氮含量分别增加了194.90%、176.53%、161.56%、122.79%、121.43%、101.36%、74.83%、48.64%和14.63%。

有机质含量除在油松和仁用杏地之间差异不显著外，其余各样地之间差异均显著。

与农地相比，在杨树地、刺槐地、侧柏地、荒地、油松地、仁用杏地、柠条地、果园和苜蓿地，碱解氮含量分别增加了191.86%、178.53%、151.90%、137.88%、121.35%、115.30%、87.90%、39.92%和31.61%，碱解氮在杨树和刺槐地，侧柏和荒地，油松和仁用杏地以及果园和苜蓿地之间差异不显著。

碱解氮和有机质、全氮含量在各样地之间的大小顺序基本相同，这说明三者之间呈现很好的相关性。

一般认为黄绵土表层有机质含量为0.45%～0.80%，十种土地利用类型中，除农地、果园和苜蓿地表层土壤有机质含量在0.5072%～0.7270%之间外，其余七种土地利用类型表层土壤有机质含量在0.9597%～1.6857%之间。

其中，杨树、侧柏、刺槐、油松和仁用杏地五种林地表层土壤有机质含量高，邱莉萍等[14]也认为土壤有机质在农地含量最低，在林地含量最高。

这主要是由于林草地枯枝落叶比较丰富,可以有效减少径流,使得表层的养分含量很高，特别是有机质和全氮尤为明显[15]。

而果园和农地表面无草被覆盖，且作物生长过程中吸收利用了大量的土壤养分，作物收获后未留下残茬，返还到土壤中的有机物很少，其土壤有机质含量比较低[14]。

巩杰等[16]研究认为灌木林地的有机质含量高于油松林地和山杏林地，而本文得出柠条地仅高于果园、苜蓿地和农地，这主要是由于当地柠条于1970年栽种，部分已经枯死，地面覆盖度低的原因。

以上分析说明植被对土壤有机质明显的积累作用,同时也说明多年的植树造林工程对坡地养分流失有明显的减缓作用。

各样地表层土壤速效磷含量大小顺序依次为：

果园＞柠条地＞农地＞仁用杏地＞苜蓿地＞刺槐地＞侧柏地＞油松地＞杨树地＞荒地。

其中，速效磷在果园和柠条地，柠条和农地，农地和仁用杏地，刺槐和侧柏地以及侧柏、油松、杨树和荒地之间差异不显著。

陆安祥等[17]得出果园和农地的速效磷含量低于菜地而高于草地和林地的结论。

安韶山等[18]也认为与农地、天然草地、人工草地和灌木林地相比，果园的速效磷含量最高，并认为果园与农地磷含量高与作物生产过程中的施肥及田间管理等措施有关；也有研究认为[16,19]速效磷在不同的土地利用类型下没有显著的差异。

图2为有机质、全氮、碱解氮、速效磷在土壤剖面上的分布特征。

可以看出,不同土地利用类型下土壤养分含量变化基本上呈现出随着土壤剖面深度的增加而降低的规律。

有机质含量在农地各土层排序依次为10~20cm（0.5602）＞20~40cm（0.5098）＞0~5cm（0.5072）＞5~10cm（0.4978）,其中，后三层之间差异不显著。

有机质含量在荒地各土层排序依次为：

0~5cm（1.1287）＞20~40cm（0.6522）＞10~20cm（0.6227）＞5~10cm（0.6012），且其在各层次之间差异显著，其中，有机质含量在20~40cm和10~20cm高于5~10cm，这与采样时发现20cm土层处有约10cm厚的草根有关。

其余7种土地利用类型土壤有机质含量均随土层深度的增加而降低,并且各层之间的差异达显著水平。

全氮在农地各土层的排序依次为：

10~20cm（0.0303）＞0~5cm（0.0294）＞5~10cm（0.0285）＞20~40cm（0.0274），且其在四个土层间差异不显著。

全氮在油松5~10cm和10~20cm差异不显著。

全氮在荒地土壤剖面各土层排序依次为：

0~5cm（0.0592）>20~40cm（0.0355）>10~20cm（0.0348）=5~10cm（0.0348），后三层之间差异不显著。

土壤全氮含量在其余各样地均随土层深度的增加而降低，且各土层之间差异显著。

碱解氮在农地表层大于下部各土层，但其在各土层之间的差异不显著；而碱解氮在其余九个样地表层均显著大于下部土层。

在侧柏、仁用杏和刺槐地，碱解氮在10~20、20~40cm之间的差异不显著；碱解氮在油松地5~10、10~20cm之间，以及在荒地5~10、10~20和20~40cm之间的差异不显著；碱解氮在苜蓿、杨树以及柠条地在剖面各层次之间差异均达到显著性水平。

速效磷除在油松地10~20cm土层大于5~10cm土层外，其余各样地速效磷均随土层深度的增加而降低。

速效磷在农地和杨树地5~10、10~20cm以及10~20、20~40cm之间，在侧柏、仁用杏、油松、荒地和刺槐地5~10、10~20和20~40cm之间，在苜蓿、果园和柠条地10~20和20~40cm之间差异不显著。

土壤酶活性和养分在土壤剖面上的分布表明，土层深度对土壤酶活性和土壤养分有影响。

除农地外，其余各土地利用类型下表层土壤酶活性和养分均大于下部土层，这和zhangyongmei等[8]研究认为土壤转化酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、过氧化物酶活性和土壤有机质、全氮、水解氮、速效磷在0~20cm处高于20~40cm处相一致。

土壤酶活性及其养分的分布模式表明，土壤有机质的分解速率及养分循环依赖于土层深度，这主要是由于枯枝落叶或植物残体在地表聚集的原因。

另外，由于农地翻耕、播种、施肥等因素，层次之间的土壤各属性差异小。

2.3土壤酶活性和土壤养分之间的相关性分析

转化酶、碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性以及有机质、全氮、碱解氮之间的相关性（见表4）均达到极显著水平。

速效磷与过氧化氢酶、有机质、全氮的相关性不显著，与碱性磷酸酶活性呈极显著正相关，与转化酶和脲酶活性呈显著性正相关。

碱性磷酸酶活性与有机质和全氮成极显著正相关，这是由于有机质会吸附大量的有机磷，进而增加碱性磷酸酶活性，这与前人的研究结论[20]相一致。

除过氧化氢酶与速效磷不相关外，其余三种酶活性与土壤有机质、全氮、速效磷和碱解氮显著相关，这表明土壤酶对土壤肥力的形成非常重要，不仅提供了植物所需要的养分，并可积累有机物质[8]。

有机质和全氮含量相关系数为0.987，LiuCunqi等[20]也发现有机质和全氮存在正相关性。

王国梁等[21]研究认为土壤全氮含量与土壤有机质的含量有很好的相关性,并可以用线性关系式表示，这充分证明了土壤全氮来源于有机质。

另外，有机质与四种酶活性以及碱解氮也呈极显著正相关，可以认为有机质是土壤养分和酶活性的源和库。

2.4土壤恢复指数

图2土壤养分在不同土地利用下土壤剖面上的分布特征

Fig.2theprofilecharacteristicsofthefoursoilnutrientsinvariouslandusetypes

（a:

有机质;b:

全氮;c:

碱解氮;d:

速效磷）

（a:

o