不同利用方式对沙质草地土壤酶活性的影响

崔振波 曹成有 耿莉

摘要 [目的] 为了探讨不同利用方式对草甸草地土壤质量的影响。[方法] 选择科尔沁沙地西部地区天然草地、林地、开垦4年的玉米地、开垦20年的玉米地和水稻田5利用方式为对象，研究了0～10 cm和10～30 cm土层中土壤酶活性。[结果] 不同土地利用方式、不同土层深度对土壤酶活性具有极显著影响。土壤脲酶、蛋白酶、磷酸单酯酶、硝酸还原酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、脱氢酶的活性在草地和林地中活性较高且0～10 cm土层>10～30 cm土层；在4年和20年玉米地中土层间差异不显著；水田中的多酚氧化酶、脲酶、磷酸单酯酶、硝酸还原酶和蔗糖酶均表現出0～10 cm土层活性显著低于10～30 cm土层。[结论]总体来看，天然草地和林地中土壤酶活性维持较高水平，具有持续的生产能力，而垦荒（包括开发水田）后土壤质量下降，而且易引起土地沙化。

关键词 土地利用方式；土壤生物活性；土壤酶

中图分类号 S154 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）05-113-04

Effects of Different Land Use of Meadow Grassland on Soil Biological Activities of Horqin Region

CUI Zhenbo， CAO Chengyou， GENG Li

（Faculty of Science and Health，Northeastern University，Shenyang， Liaoning 110004）

Abstract [Objective] The research aimed to determine the effects of different land use of meadow grassland on the biological activities of meadow soil. [Method] The enzyme activities were analyzed with five typical land use in western Horqin Sandy Land. Soil samples at the depth of 0-10 and 10-30 cm from natural grassland， forestry field， 4year corn filed， 20year corn filed and paddy field were determined. [Result] Different land use and soil depths had significant influence on the enzyme activities. The activities of soil protease， urease， saccharase， phosphomonoesterase， polyphenoloxpdase， nitrate reductase and dehydrogenase of forest land and grassland were higher than those of other land use type， and the value in 0-10 cm was higher than that in 10-30 cm. However the difference between the two depth of 4year and 20year cornfields werent significant. The activities of phosphomonoesterase， saccharase， urease， polyphenol oxidase， and nitratereductase of paddy field were significantly lower in 0-10 cm layer than those in 10-30 cm layer. [Conclusion] On the whole， the soil enzyme activities were at high levels， therefore the continuable production ability was present in natural grassland and forestry field. Along with land reclamation， including paddy field， soil quality descended and was easily eroded to desertification. Therefore returning farmland to forests or grassland is one of the feasible ways of restoration of land productivity in this region.

Key words Land use type；Soil biological activity；Soil enzyme

作者简介 崔振波（1979- ），男，辽宁沈阳人，实验师，硕士，从事微生物生态学方面的研究。

收稿日期 20141229

土壤酶系统是土壤中生物活性最强的部分。它参与土壤的发生、发育及土壤肥力形成和演变的全过程。不同植物的根系在生长发育过程中的分泌物、死亡根茬的矿化分解及不同的土地利用、耕作和管理方式等都会影响土壤酶活性[1]。土壤酶一方面与土壤肥力有着极密切的关系，另一方面能反映土壤的生物学状态，在土壤生物学过程中有重要的意义[2]。由土壤微生物生命活动和植物根系产生的土壤酶不但在土壤物质转化和能量转化过程中起主要作用，而且通过它对进入土壤的多种有机物质和有机残体产生的生命化学转化，使得生态系统的各组分间有功能上的联系，从而保持土壤生物化学的相对稳定状态。土壤酶作为表征土壤肥力的一个重要指标，与土壤各肥力因素间有着密切的联系，并且受环境条件的影响而变化[3]。

1 材料与方法

1.1 区域概况

科尔沁沙地是我国东北西部东西长达400余km的一条大沙带，总面积5.17万km2。该地区是我国北方典型的农牧交错地区，是传统的宜牧地区。进入20世纪以来，由于受到干旱多风等气候因素和“滥垦、滥砍、滥伐”等人为活动的影响，生态环境发生急剧变化。目前，原生植被已被破坏殆尽，植被表现出强烈的次生性，大部分已演变为沙生植被和草甸植被。地带性土壤主要为沙质栗钙土，在风的作用下目前大部分退化为风沙土。沙漠化引发的生态问题已对我国东北和华北地区的经济发展、生态安全以及社会稳定等构成威胁[4-6]。该研究地区位于科尔沁沙地西部，内蒙古自治区翁牛特旗风蚀沙化严重的乌兰敖都地区（43°2′ N，119°39′ E），海拔480 m。该地区属温带大陆性半干旱气候，气候干燥，风沙大且频繁。年均风速4.5 m/s，每年起风沙日数200 d以上，8级以上大风数为75.3 d。年平均降水340.5 mm，多集中在7～8月，年蒸发量2 500 mm左右。年平均温度6.4℃，无霜期约130 d。主要土壤类型有风沙土、生草沙土、草甸土和盐碱土[5]

1.2 采样方法

选取有代表性的5种土地利用方式作为研究对象，包括天然草甸草地、林地、开垦20年以上玉米地、新开垦玉米地（4年）和开垦水田（4年）。每种土地利用方式作为一个处理，在研究地区用土钻采集土壤样品，5个处理分别分两层取样，深度分别为0～10、10～30 cm。为减少样地间地形、气候差异，盡量选择地形要素、环境条件、土壤类型相同的地段，采取5点混合取样，3次重复。样品采集后，测定酶活性，同时进行数据处理和分析。

1.3 土壤酶活性的测定方法

脲酶（UA）活性采用氨释放量比色法测定[7] ；蔗糖酶（SAA）活性采用3，5二硝基水杨酸比色法测定[8-9] ；磷酸单酯酶（PMA）活性采用对硝基苯磷酸盐法测定[10] ；硝酸还原酶（NRA）活性采用嫌气培养比色法方法测定[11]；脱氢酶（DHA）活性采用氯代三苯基四氮脞（TTC）法测定[9] ；多酚氧化酶（POA）活性用邻苯二酚比色法测定[12]；蛋白酶（PRA）活性采用Fo lin酚比色法测定[10]。

1.4 数据处理与分析

用SPSS 11.5统计软件对试验数据进行方差分析、多重比较和线性回归（0.05显著性水平）；同时，Microsoft Excel 2003作图。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性的方差分析

从表1可以看出，不同土地利用方式对7种土壤酶活性均具有显著影响；在不同的土层深度，7种酶都呈现显著性差异。不同的利用方式、不同的土层深度两因素都是不同植物生长条件的表观体现。分析其本质作用，反映土壤酶与植物生长之间存在必然的内在联系。方差分析结果与其他学者的研究结果保持高度的一致性。曹成有等[13]研究表明，在流动沙地上种植适生的乔木、灌木和半灌木22年后，土壤磷酸单酯酶、脲酶、蛋白酶和脱氢酶活性均明显提高，但是不同植物种类对土壤酶活性的影响程度差异较大。孙启祥等[14]研究表明，在不同土地利用方式下，土壤酶活性不同。曹成有等[15]在固定沙地到流动沙地的退化过程的研究中发现，土壤水解酶如脲酶、蛋白酶、磷酸单酯酶、蔗糖酶和土壤氧化还原酶如多酚氧化酶、脱氢酶和硝酸还原酶的活性都在退化过程中表现出下降趋势，土壤酶对土壤沙化程度非常敏感。酶在所有有机体的生物化学反应中均起着重要的作用。土壤中所进行的各种各样的、复杂的生物化学过程也必然与土壤酶活性相关。长期定位试验结果[16-17]表明，土壤酶活性在识别不同土壤管理措施（如残留物管理、土壤压实、耕作、作物轮作、施肥等）的效果时比较敏感，尤其是对施肥效果的反应更明显，因而研究土壤酶活性的变化，将有助于了解土壤肥力的现状和演化规律。

2.2 草地不同利用方式对蛋白酶活性的影响

蛋白酶（肽水解酶）能酶促蛋白物质和肽水解成氨基酸，因此土壤中蛋白酶活性与土壤中氮素营养的转化状况有极其重要的关系。从图1可以看出，蛋白酶活性在不同利用方式下随着土层深度的增加而减少，在不同利用方式下0～10 cm土层的蛋白酶活性分别是20～30 cm土层的2.00、3.37、1.00、1.13、4.20倍。草地表层土壤酶活性最大，20年玉米地和水田土壤酶活性相对较低。玉米地和水田在人为因素干扰下下经常翻耕利用，矿物质频繁流失，土壤中的营养元素失去平衡，从而导致蛋白酶活性低于天然草地和林地。这种翻耕措施也导致表层和深层土壤间不断进行着空间交换和营养物质交换，表现出酶活性在两层间的差异减小。还可以看出，草地和林地处在人为因素干扰较少的自然状态下，表层土中酶活性与深层土壤以及其他利用方式同层土壤酶活性相比具有显著差异，随着开发利用的程度逐渐加深和土层深度的加深，这种变化趋势趋于平缓。

2.3 草地不同利用方式对多酚氧化酶活性的影响

多酚氧化酶参加腐殖质组分中芳香族有机化合物的转化。测定土壤多酚氧化酶活性，能在一定程度上了解土壤腐殖化进程。5种土地利用方式下多酚氧化酶的活性值范围在2.64～8.62 mmol/（kg·10 min）之间。从图2可以看出，在0～10 cm土层中，林地活性最高，玉米地和草地含量之间差异不显著。最大值出现在20年玉米地的10～30 cm土层，是同层其他利用方式的1.00～1.70倍。在草地、20年玉米地和水田中，均呈现随着土层深度的增加酶活性含量逐渐降低的趋势。而在林地和4年玉米地中正相反。不同利用方式下多酚氧化酶活性变化的总体趋势并不明显。这说明不同的土地利用和管理方式改变了多酚氧化酶发生作用的条件。这种影响不仅仅体现在单一的土壤搅动或植被盖度上，很可能是多个因素综合作用的结果。

2.4 草地不同利用方式对磷酸单酯酶活性的影响

磷酸酶是一种水解性酶，是由活的生物体合成的对有机磷具有专性催化作用的蛋白质。酶促作用能够加速有机磷的脱磷速度，提高土壤磷素的有效性。磷酸酶是诱导酶。它对地球上磷的生物地球化学循环起着重要作用，其活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性，是一个表示土壤管理系统效果和土壤有机质含量的重要指标[18]。从图3可以看出，磷酸单酯酶活性由高到低的顺序依次是林地、草地、4年玉米地、20年玉米地和水田，表现出随着土地利用程度加强而逐渐降低的趋势。林地0～10 cm土层的酶活性分别是其他利用方式下0～10 cm土壤酶活性的1.09、3.39、4.68和5.62倍；10～30 cm土层该比值分别为1.15倍、2.19倍、2.70倍和4.00倍。有文献显示，森林生态系统转变成农田生态系统会导致土壤退化，土壤磷酸单脂酶活性降低[19]。这与该研究结果相符。在4年玉米地、20年玉米地和水田3种耕地土壤中，10～30 cm土层磷酸单酯酶活性比0～10 cm土层略有升高但变化幅度很小，统计学上无显著差异。天然草地系统经过人为转变成耕地后，土层间机械搅动增加，使得土层间养分和物理性质差异减小。土壤磷酸单酯酶活性随着土地利用强度的增加而迅速减小，垂直分布变化趋势也受到同样的影响。

2.5 草地不同利用方式对脲酶活性的影响

脲酶活性与土壤供N能力有密切的关系，对施入土壤尿素利用率的影响很大。研究脲酶活性，将有助于更好地了解土壤氮素的转化进程[20]。土壤脲酶活性与土壤的微生物数量、有机物质含量、全氮和速效磷呈正相关，根际土壤脲酶活性较高，中性土壤脲酶活性高于碱性土壤，而碱性土壤和富含碳酸盐的土壤仅有较低的脲酶活性。人们常用土壤脲酶活性表征土壤的氮素情况[2]。

图4比较了脲酶在不同利用方式下的垂直分布规律。林地土壤脲酶活性最高，0～10 cm层和10～30 cm层分别达到263.64和260.19 mg/（kg·h），是其他几种利用方式的1.40～1.80倍。脲酶活性的高低可以作为评价土壤氮素的指标之一。这些数据从该角度表明林地土壤中氮素情况较好。林地生态系统稳定，不断有枯枝落叶腐败后作为天然的有机肥料补充到土壤中，植物与土壤间物质交换进入良性循环。

草地和林地土壤均表现出随土层加深而含量降低的趋势，但降低的幅度非常小。经方差分析，P值分别为0.182和0.705，表明在草地和林地中土层深度对脲酶活性无显著性影响。

在4年玉米地、20年玉米地和水田3种耕地利用方式下土壤脲酶活性均高于天然草地，且表现为表层土壤脲酶活性低于10～30 cm土层，土层深度对酶活性影响的方差分析P值分别为0.144、0.035和0.001，说明只有20年玉米地和水田2种利用方式下脲酶的垂直分布有显著性差异。通常，土壤酶活性在表层土壤中相对较高，脲酶也不例外。该研究显示，在3种耕地利用方式中，垂直分布规律与此相反。从影响脲酶活性的因素分析，最具理论支持的原因应该是施肥的影响。研究表明，长期合理施用氮磷钾可以增强脲酶活性。从氮的配施比例来看，尿素施用量增加，脲酶活性增大，脲酶活性达到平衡之前，土壤脲酶活性随尿素量的增加而增加。土壤模拟试验也表明，随着施尿素量增加，脲酶活性增大，但高于一定量时，酶活性降低直至检测不到脲酶活性。在高氮和高磷常氮处理时，脲酶活性受到抑制[20]。研究中，3种耕地利用方式由于人为干扰造成土壤退化，脲酶活性按规律应远远低于草地和林地等利用方式，但脲酶活性在3种耕地中的活性均与草地中的水平接近。这个结论符合施肥对脲酶活性的影响规律。供试土样采自8月份，正值夏季庄稼生长旺盛的关键季节。此时大量施肥很可能是出现该情况的原因。

2.6 草地不同利用方式对脱氢酶活性的影响

脱氢酶是土壤中的主要酶类之一，能酶促有机物脱氢，起着氢的中间传递体的作用。它可以作为氢的供体，能自基质中析出氢而进行氧化作用。国内外研究表明，不同环境下不同土壤的脱氢酶活性有一定差异，其活性可较好地表征土壤微生物活性的高低，同时也可用于简单的毒性检测以及作为重金属污染监测的指示物[2]。

图5显示，供试土壤脱氢酶活性在不同土层和不同利用方式下表现出明显的分布规律，0～10 cm土层中的活性在0.05水平显著高于10～30 cm土层，在同一土层水平下酶活性随着土地利用强度的增加而逐渐减少，但在3种耕地利用方式下變化趋势趋于平缓。酶活性最高值出现在天然草地的0～10 cm土层，达到109 mg/（kg·h），分别是林地、4年玉米地、20年玉米地和水田的1.62倍、5.29倍、7.38倍和6.53倍，在10～30 cm土层中，该比例分别是3.48倍、6.14倍、5.82倍和13.01倍。从对土壤脱氢酶影响的总体效果来看，草地 > 林地 > 4年玉米地 > 20年玉米地 > 水田。这些数据表明不同利用方式对土壤脱氢酶活性有显著的影响。

2.7 草地不同利用方式对硝酸还原酶活性的影响

硝酸还原酶能酶促土壤中硝态氮还原成氨，在氮素循环中起到非常重要的作用[2]。

图6显示了硝酸还原酶活性在不同利用方式间的变化趋势。除水田以外都表现出0～10 cm土层活性较高，草地0～10 cm土层酶活性最高，分别是林地、4年玉米地、20年玉米地和水田的3.04倍、2.46倍、2.76倍和4.80倍。

林地和天然草地在科尔沁沙地被广泛认为土壤理化性质较好和生物活性较高的土地类型。但除草地表层土壤外，硝酸还原酶的活性在图6中并未表现出优势而是略低于耕地的平均水平，表明耕地土壤的管理利用方式能提高硝酸还原酶的活性。张玉兰等[20]对潮棕壤稻田不同氮磷肥配施对土壤酶活性、生产力影响的研究显示，低氮处理过的土壤硝酸还原酶活性增强9%～10%，高氮常磷处理增加7%，而常氮常磷处理增加29%。该试验结果说明，向土壤中添加氮磷肥料对硝酸还原酶通常有激活作用，增量施用时没有显著影响，可就此推断5种利用方式中3种农田在管理利用过程中由于人为施肥的因素可激活硝酸还原酶活性，表现出高于原生态土壤的趋势。林地表层土壤与草地相比酶活性偏低可能与脲酶活性偏高有一定的关联。硝酸还原酶和脲酶都是在氮素循环中起关键作用的酶。脲酶的专一性底物尿素最主要来源之一就是植物残体。这恰恰是林地最为丰富的天然有机肥料，林地中脲酶的高活性使得土壤中氨态氮来源丰富，可能因此使作为诱导酶的硝酸还原酶活性偏低。

2.8 草地不同利用方式对蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶是研究的较多的一种酶。它能酶促蔗糖分子中果糖残基内β葡萄糖苷碳原子处的键裂解，使得蔗糖水解成葡萄糖和果糖。有研究证明，蔗糖酶与土壤许多因子有相关性[16]。在一般情况下，土壤肥力越高，蔗糖酶活性越强。蔗糖酶（转化酶）是表征土壤生物学活性强度的重要酶。土壤中腐殖质、水溶性有机质和黏粒含量以及微生物数量及其活动呈正相关。随着土壤熟化程度的提高，蔗糖酶（转化酶）的活性亦增强，常用于评价土壤熟化程度和肥力水平。随着土壤熟化程度提高，蔗糖酶的活性亦增强[2]。

从图7可以看出，0～10 cm土层蔗糖酶活性呈现出随人为利用强度增加而逐渐减少的规律，活性递减顺序为草地 > 林地 > 4年玉米地 > 20年玉米地 > 水田。草地表层土壤中活性值为16.89 mg/（kg·24h），是10～30 cm土层的3.26倍，林地中该比值则达到4.36倍。这一结果表明，在自然状态下土层深度对蔗糖酶活性有显著性影响。在自然植被下，由于上层土壤腐殖质含量高，土壤动植物、微生物活跃，土壤代谢旺盛，蔗糖酶活性较高。随着土层的加深，蔗糖酶活性降低。

3 结论

在草地和林地中土壤脲酶、蛋白酶、磷酸单酯酶、硝酸还原酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、脱氢酶活性总体呈现较高水平且0～10 cm土层活性较高，10～30 cm土层大幅度下降；在4年和20年玉米地中土层间差异不显著；水田中的多酚氧化酶、脲酶、磷酸单酯酶、硝酸还原酶和蔗糖酶均表现出0～10 cm土层活性显著低于10～30 cm土层。

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责任编辑 陈玉敏 责任校对 李岩