不同耕作措施下隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳組分及其與酶活性間的關(guān)系

張英英，蔡立群，武均，齊鵬，羅珠珠，張仁陟

（1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070；3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730070；4.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅武威733006）

不同耕作措施下隴中黃土高原旱作農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳組分及其與酶活性間的關(guān)系

張英英1，2，4，蔡立群1，2，3，武均1，2，齊鵬1，2，羅珠珠1，2，3，張仁陟1，2，3

（1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070；3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730070；4.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅武威733006）

通過(guò)設(shè)置在隴中黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)15年的不同保護(hù)性耕作措施長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究了傳統(tǒng)耕作（T）、免耕（NT）、免耕結(jié)合秸稈覆蓋（NTS）、傳統(tǒng)耕作結(jié)合秸稈還田（TS）4種不同耕作措施下不同土層的土壤總有機(jī)碳、土壤活性有機(jī)碳、土壤微生物量、碳庫(kù)管理指數(shù)和土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶和過(guò)氧化物酶等4種參與碳循環(huán)土壤酶，并分析了土壤有機(jī)碳及其活性碳組分與土壤酶之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：0～30 cm土層，NTS處理可顯著提高土壤有機(jī)碳、土壤活性有機(jī)碳、土壤微生物量碳及碳庫(kù)管理指數(shù)，分別較T處理增加了16.3%、28.26%、41.88%、37.04%，NT、TS處理較T處理各指標(biāo)也均有不同程度提高；在0～30 cm土層，NTS、TS、NT處理與T處理相比，蔗糖酶分別提高了33.84%、21.59%、25.15%，淀粉酶活性分別提高了20.90%、13.43%、12.69%，纖維素酶活性分別提高了39.13%、17.39%、4.34%，過(guò)氧化物酶活性分別提高了7.81%、2.08%、3.65%；土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、過(guò)氧化物酶與各形態(tài)有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)均表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系；蔗糖酶活性增加對(duì)有機(jī)碳積累作用最顯著，有助于土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、微生物量碳含量提高，土壤纖維素酶對(duì)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量的增加有促進(jìn)作用，過(guò)氧化物酶有利于總有機(jī)碳的積累。免耕結(jié)合秸稈覆蓋是適宜該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展，減少碳庫(kù)損失的重要途徑。

耕作措施；土壤有機(jī)碳；土壤酶；活性碳組分

土壤有機(jī)碳庫(kù)是維持土壤生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、穩(wěn)定、健康與可持續(xù)的關(guān)鍵因素［1］，土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化是引起全球氣候變化和大氣碳庫(kù)變化的主要原因［2］，而農(nóng)田土壤碳庫(kù)作為土壤碳庫(kù)的核心組成，由于頻繁受到人為活動(dòng)干擾，其活性有機(jī)碳及其組分不斷處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中，提高農(nóng)田土壤固碳能力和維持土壤碳庫(kù)平衡，是有效緩解全球氣候變化和減少碳損失的重要途徑之一［3］。而土壤酶及其微生物作用參與的生物化學(xué)過(guò)程使得土壤有機(jī)碳形態(tài)不斷轉(zhuǎn)化是導(dǎo)致土壤活性碳庫(kù)及功能改變的關(guān)鍵因素，土壤酶參與土壤活性碳庫(kù)分解轉(zhuǎn)化、影響生物呼吸強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致物質(zhì)能量循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程的變化，使得最易分解、礦化的活性碳部分對(duì)環(huán)境改變非常靈敏迅速做出響應(yīng)［4－5］；其中土壤活性有機(jī)碳直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程直接為微生物提供碳源，土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶等均是參與土壤有機(jī)碳循環(huán)的重要酶，主要參與植物有機(jī)體中淀粉、纖維素、多糖、碳水化合物等的分解，過(guò)氧化物酶能氧化有機(jī)質(zhì)，能促進(jìn)土壤有機(jī)物質(zhì)氧化成醌，研究土壤酶活性將有助于揭示土壤發(fā)生和各種土壤代謝過(guò)程物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)的實(shí)質(zhì)［6］。目前，長(zhǎng)期過(guò)渡的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)如耕作措施等人為干擾對(duì)于土壤碳庫(kù)及其碳組分形態(tài)的轉(zhuǎn)變有巨大影響，使得土壤碳庫(kù)與大氣碳庫(kù)的平衡遭到嚴(yán)重破壞，對(duì)土壤農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展造成不利影響［3，7］。由于過(guò)度的耕作措施對(duì)耕層土壤干擾的深度和程度不同，使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，有機(jī)碳形態(tài)和酶活性分布也存在很大差異［8］。針對(duì)碳循環(huán)的酶類與有機(jī)碳及其組分的關(guān)系研究主要集中在濕地、林地、山地等不同的土壤類型［9－13］，對(duì)于不同耕作措施下的旱作農(nóng)田土壤參與碳循環(huán)的酶類與有機(jī)碳組分間關(guān)系研究還不夠深入。因此，通過(guò)研究黃土高原旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)不同耕作措施下土壤有機(jī)碳以及其有機(jī)碳組分與土壤酶活性之間的相關(guān)關(guān)系，試圖從生物化學(xué)角度闡明土壤有機(jī)碳及活性碳組分周轉(zhuǎn)變化，揭示人為干擾對(duì)有機(jī)碳及其形態(tài)轉(zhuǎn)變的影響，為該地區(qū)選擇有利于生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的合理耕作模式，對(duì)穩(wěn)定和增加該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量，減少土壤碳的凈排放量，保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良好運(yùn)轉(zhuǎn)有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)定西市李家堡鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)綜合實(shí)驗(yàn)站，屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2 000m，平均降水量390.9mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數(shù)為24.3%，試區(qū)農(nóng)田土壤為典型的黃綿土，質(zhì)地均勻，土性綿軟，疏松多孔。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2001年，種植模式為豌豆—小麥輪作，共設(shè)4個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，各處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20m×4m＝80m2，處理描述如表1。供試作物為春小麥“定西40號(hào)”，播種量187.5 kg·hm－2，行距20 cm，各處理均施純N 105 kg·hm－2（尿素，N46%），純P2O5105 kg·hm－2（過(guò)磷酸鈣，P2O514%）；前茬供試作物為豌豆“綠農(nóng)1號(hào)”，播種量180 kg· hm－2，行距24 cm，各處理均施純N 20 kg·hm－2（尿素，N46%），P2O5105 kg·hm－2（過(guò)磷酸鈣，P2O514%），所有肥料均作為基肥播種時(shí)同時(shí)施入。覆蓋處理所用秸稈為前茬作物秸稈，收獲后打碾切碎均勻撒布于小區(qū)內(nèi)。

1.3 樣品采集

于2015年8月上旬小麥?zhǔn)斋@后，在各小區(qū)利用五點(diǎn)取樣法分別采集0～5、5～10、10～30 cm各土層土樣并混合均勻，一部分新鮮土樣過(guò)2 mm篩后4℃保存，用于測(cè)定土壤酶活性和土壤微生物量碳，剩余樣品風(fēng)干后過(guò)1mm和0.25mm篩備用，用于土壤有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳的測(cè)定。

表1 試驗(yàn)處理Table1 1 Brief description of treatments

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 土壤有機(jī)碳及活性碳組分測(cè)定土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法［14］；活性有機(jī)碳測(cè)定采用333mmol·L－1高錳酸鉀氧化法，在565 nm下比色測(cè)定［15］，土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法［16］，轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.38。

1.4.2 土壤碳庫(kù)指數(shù)計(jì)算方法碳庫(kù)指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算方法如下：碳庫(kù)指數(shù)（CPI）＝土壤有機(jī)碳／參考土壤有機(jī)碳；碳庫(kù)活度（A）＝活性碳／非活性有機(jī)碳；碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）＝碳庫(kù)活度／參考土壤碳庫(kù)活度；碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）＝碳庫(kù)指數(shù)（CPI）×碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）×100。本文以傳統(tǒng)耕作（T）為參考土壤。

1.4.3 土壤酶活性測(cè)定蔗糖酶活性：3，5－二硝基水楊酸比色法［17］；淀粉酶活性：3，5－二硝基水楊酸比色法［17］；纖維素酶活性：3，5－二硝基水楊酸比色法［17］；過(guò)氧化物酶活性：鄰苯三酚比色法［17］。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定土壤酶活性所采用土樣均為新鮮土，結(jié)果均根據(jù)含水量換算為干土。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均采用EXCEL2010和SPSS19.0，運(yùn)用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，選Pearson系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳及活性碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

不同耕作措施下土壤總有機(jī)碳及活性碳組分和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)隨土層變化見(jiàn)表2，土壤總有機(jī)碳在0～5 cm土層表現(xiàn)為NTS與TS顯著高于T處理，分別較T處理增加了2.59、0.82 g·kg－1；且NTS處理顯著高于TS處理，TS處理顯著高于NT與T處理，但NT與T處理間差異不顯著，5～10 cm土層，NTS處理顯著高于NT、TS、T處理，但NT、TS與T處理間均無(wú)顯著性差異，10～30 cm土層表現(xiàn)為NTS、TS處理顯著高于NT、T處理，且NTS與TS處理，NT與T處理均無(wú)顯著差異。0～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量大小為NTS＞TS＞NT＞T，分別較T處理增加了16.3%、7.56%、1.91%。

土壤活性有機(jī)碳0～5 cm土層表現(xiàn)出與有機(jī)碳相似的規(guī)律變化，NTS、TS處理顯著高于T處理，分別較T處理增加了1.71、0.91 g·kg－1；且NTS顯著高于NT、TS處理，NT與TS、T均不顯著。5～10 cm土層表現(xiàn)為NTS顯著高于NT、T處理，分別增加了0.76、0.71 g·kg－1，但與TS處理不顯著；TS、NT、T處理間均無(wú)顯著差異；10～30 cm土層不同耕作措施之間均未表現(xiàn)出顯著性差異。0～30 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量大小為NTS＞TS＞NT＞T，分別較T處理增加了28.26%、15.54%、4.59%。

不同耕層措施下土壤微生物量碳與土壤活性有機(jī)碳變化規(guī)律一致。0～5 cm土層表現(xiàn)為NTS、TS處理顯著高于T處理，分別較T處理增加了99.56、45.86 mg·kg－1；且NTS處理顯著高于NT、TS處理，NT與TS、T處理差異均不顯著。5～10 cm土層表現(xiàn)為NTS處理顯著高于NT、T處理，分別增加了68.41、57.46mg·kg－1，但與TS處理差異不顯著；TS、NT、T處理間均無(wú)顯著差異；10～30 cm土層表現(xiàn)為NTS處理顯著高于T處理，增加了48.82 mg·kg－1；NT與TS、T處理間無(wú)顯著差異。0～30 cm土層微生物量碳含量大小為NTS＞TS＞NT＞T，分別較T處理增加了41.88%、21.60%、6.99%。

不同耕作措施下，0～5 cm碳庫(kù)管理指數(shù)較T處理均有明顯提高，NTS、TS處理顯著高于T處理，與T處理相比分別增加了72.9%、43.5%，且NTS與TS處理、NT與TS、T處理均無(wú)顯著性差異；5～10 cm土層表現(xiàn)為NTS處理顯著高于NT、T處理，分別提高了30.91%、26.81%，NTS與TS、TS與NT、T處理間均未表現(xiàn)出顯著性差異。10～30 cm土層不同耕作措施對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)影響均不顯著，說(shuō)明土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的變化主要集中在0～10 cm土壤表層。0～30 cm土層碳庫(kù)管理指數(shù)大小為NTS＞TS＞ NT＞T，分別較T處理提高了37.04%、21.57%、6.56%；3種不同保護(hù)性耕作措施相對(duì)于傳統(tǒng)耕作，均提高了碳庫(kù)管理指數(shù)，改善了土壤肥力，提高了土壤的綜合生產(chǎn)能力。

表2 不同耕作措施下土壤有機(jī)碳及活性碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的變化Table 2 The change of composition of soil organic carbon and soil carbon poolmanagement index under different tillagemeasures

2.2 不同耕作措施對(duì)土壤酶活性的影響

不同耕作措施下，4種參與碳循環(huán)的土壤酶隨土層的變化呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，NTS、NT處理下4種酶活性均隨土層的加深酶活性降低，TS、T處理下除蔗糖酶隨土層加深表現(xiàn)為先增后減外，其他3種酶隨土層加深而酶活性降低。不同耕作措施下土壤酶變化主要體現(xiàn)在0～10，10～30 cm土層，各處理土壤酶活性均沒(méi)有顯著性差異。0～5 cm土層土壤蔗糖酶表現(xiàn)為NTS、NT、TS處理均顯著高于T處理，分別較T處理提高了60.46%、46.42%、35.86%，且NTS處理顯著高于NT與TS處理；5～10 cm土層NTS、NT、TS處理均顯著高于T處理，分別提高了22.03%、13.23%、20.80%；土壤淀粉酶表現(xiàn)為0～5 cm土層NTS、NT處理顯著高于T處理，分別提高了30.67%、19.63%，且NTS與NT處理、TS與T處理均無(wú)顯著差異；5～10 cm土層不同處理間差異不顯著。纖維素酶在0～5、5～10 cm土層表現(xiàn)為NTS處理顯著高于NT、T處理，且NT、TS、T處理間差異不顯著，NTS較T處理在0～5、5～10 cm分別提高了55.56%、30.77%；過(guò)氧化物酶在0～5 cm表現(xiàn)為NTS顯著高于T處理，且NTS、TS、NT處理與TS、NT、T處理之間差異均不顯著，NTS較T處理相比過(guò)氧化物酶提高了11.40%；且5～10 cm土層各處理均無(wú)顯著性差異。經(jīng)過(guò)15年的3種不同保護(hù)性耕作措施處理，在0～30 cm土層，土壤酶活性較傳統(tǒng)耕作均不同程度有所提高，NTS、TS、NT處理與T處理相比，蔗糖酶分別提高了33.84%、21.59%、25.15%；淀粉酶活性分別提高了20.90%、13.43%、12.69%；纖維素酶活性分別提高了39.13%、17.39%、4.34%；過(guò)氧化物酶活性分別提高了7.81%、2.08%、3.65%。

2.3 土壤有機(jī)碳及其活性組分與土壤酶活性的相關(guān)性分析

對(duì)土壤總有機(jī)碳及其活性有機(jī)碳、微生物量碳、碳庫(kù)管理指數(shù)與4種參與碳循環(huán)酶活性進(jìn)行相關(guān)分析結(jié)果表明（表3），土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳、微生物量碳、碳庫(kù)管理指數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、過(guò)氧化物酶4種參與碳循環(huán)的酶也均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤活性有機(jī)碳、土壤微生物量碳與土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與本研究所涉及的參與碳循環(huán)的4種酶呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤活性有機(jī)碳的相關(guān)性高于與總有機(jī)碳的相關(guān)性，說(shuō)明活性有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳密切相關(guān)又不同于總有機(jī)碳，是土壤總有機(jī)碳的一部分。土壤酶活性相關(guān)性分析表明4種土壤酶活性均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明在參與整個(gè)碳循環(huán)生物化學(xué)過(guò)程中進(jìn)行酶促反應(yīng)時(shí)，土壤酶不僅發(fā)揮自身的專一性，而且各種酶間通過(guò)相互協(xié)調(diào)，在一定程度上可能會(huì)激發(fā)和誘導(dǎo)其他酶活性［18］，共同促進(jìn)植物所需營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化。

圖1 不同耕作措施下土壤酶活性的變化Fig.1 The variation of soil enzymes under different tillagemeasures

表3 土壤有機(jī)碳及其活性碳組分與土壤酶活性相關(guān)關(guān)系Table 3 The correlation coefficients between soil organic carbon fractions and enzymatic activities

以不同耕作措施下的土壤蔗糖酶活性（X1）、淀粉酶活性（X2）、纖維素酶活性（X3）、過(guò)氧化物酶活性（X4）作為自變量，土壤有機(jī)碳（Y）、土壤活性有機(jī)碳（Y1）、土壤微生物量碳（Y2）分別作為因變量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果可得，蔗糖酶活性、纖維素酶活性、過(guò)氧化物酶活性的提高有助于土壤總有機(jī)碳含量增加，土壤蔗糖酶與纖維素酶有利于活性有機(jī)碳的積累，而蔗糖酶活性提高有利于微生物量碳含量提高（表4）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，蔗糖酶活性對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性碳組分影響最大，纖維素酶次之，說(shuō)明土壤酶活性對(duì)土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)具有重要作用。

表4 土壤酶活性與土壤有機(jī)碳及活性組分的回歸分析Table 4 Analysis of relationships between composition of soil organic carbon and enzyme activities by stepwise regression equation

3 結(jié)論與討論

不同耕作措施下，0～5 cm和5～10 cm土層土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、土壤微生物量碳及碳庫(kù)管理指數(shù)均為免耕結(jié)合秸稈覆蓋顯著高于傳統(tǒng)耕作，秸稈還田在0～5 cm土層顯著高于傳統(tǒng)耕作，5～10 cm土層均高于傳統(tǒng)耕作，但未達(dá)顯著水平，0～10 cm土層免耕高于傳統(tǒng)耕作，未達(dá)顯著水平。10～30 cm土層免耕結(jié)合秸稈覆蓋與秸稈還田下土壤總有機(jī)碳高于傳統(tǒng)耕作，免耕結(jié)合秸稈覆蓋微生物量碳顯著高于傳統(tǒng)耕作外，不同耕作措施間無(wú)顯著性差異。不同耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳及其有機(jī)碳組分的影響主要體現(xiàn)在0～10 cm土層，對(duì)10～30 cm土層影響較小，與前人研究結(jié)果一致［19－21］，但也有報(bào)道長(zhǎng)期秸稈還田并未顯著提高土壤有機(jī)碳含量［22］，這可能是土壤類型、氣候條件不同所引起。不同耕作措施下土壤總有機(jī)碳變化說(shuō)明傳統(tǒng)耕作使得表層土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，加速了土壤有機(jī)碳的礦化速率［7］，使?jié)撛谏镉行紟?kù)在沒(méi)有外界有機(jī)物供給下不斷暴露在空氣中，加速了有機(jī)碳庫(kù)損失［20］。土壤有機(jī)碳庫(kù)在復(fù)雜的外部與內(nèi)部環(huán)境的綜合作用下處于不斷累積和分解的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，而土壤微生物量碳與土壤活性有機(jī)碳作為土壤碳組分中最活躍的部分，與土壤總有機(jī)碳相比，對(duì)其響應(yīng)更為敏感［4，23］，免耕可使土壤保持良好的結(jié)構(gòu)，并有效減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)礦化速率，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，為微生物提供了良好的水、熱條件和活動(dòng)空間，而秸稈覆蓋或秸稈還田為微生物提供了大量可被利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于微生物加快生長(zhǎng)繁殖速率，使得土壤微生物量碳含量明顯提高。傳統(tǒng)耕作下，土壤因頻繁擾動(dòng)，改變了土壤表層良好的結(jié)構(gòu)，不斷使得表土暴露在空氣中，促進(jìn)了土壤水分蒸散，加之缺乏外源有機(jī)物料的補(bǔ)充，繼而極大程度地影響了土壤微生物生存、繁殖及其活動(dòng)所需的營(yíng)養(yǎng)與水、熱條件，使得土壤活性有機(jī)碳與土壤微生物量碳含量均少于免耕結(jié)合秸稈覆蓋、免耕或秸稈還田處理。秸稈覆蓋或秸稈還田處理下，0～30 cm土層因有秸稈作為外源有機(jī)物質(zhì)為土壤提供大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得碳庫(kù)管理指數(shù)較傳統(tǒng)耕作相比，均顯著提高，尤其對(duì)0～10 cm土層作用更加明顯。免耕不覆蓋處理對(duì)0～5 cm表層作用明顯，但對(duì)5～10 cm和10～30 cm土層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)作用不明顯，說(shuō)明僅僅免耕而無(wú)秸稈覆蓋對(duì)提高土壤有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)是有局限性、不可持續(xù)發(fā)展的，這與蔡立群等研究結(jié)果相似［19］。因此，秸稈覆蓋或秸稈還田能夠提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，對(duì)提高土壤肥力、增加土壤碳庫(kù)、減少碳庫(kù)損失及該區(qū)農(nóng)田土壤碳庫(kù)平衡的保持意義重大。

與傳統(tǒng)耕作相比較，免耕覆蓋與不覆蓋以及傳統(tǒng)耕作＋秸稈還田均可提高本研究中所測(cè)定的4種參與碳循環(huán)的土壤酶活性，且對(duì)于提升表層土壤酶活性的作用更為明顯。秸稈覆蓋或還田處理，能保持土壤水分和維持土壤表層適宜的溫度，提高土壤保水性能和緩沖能力，改善土壤表層理化性質(zhì)［24］，為土壤酶各種生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程創(chuàng)造了良好的環(huán)境，在一定程度上激發(fā)了酶活性［25］；土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶均能促進(jìn)有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)物不僅有可供動(dòng)植物直接利用的小分子有機(jī)物，還為土壤微生物提供了大量可被利用的有機(jī)質(zhì)和有效能源［25］，進(jìn)而促進(jìn)真菌的生長(zhǎng)和植物根系的密集［7］，甚至能形成新的微生物功能群［26］，加之微生物、作物根系、土壤酶的分泌物不斷增加，從而促進(jìn)土壤酶活性顯著提高。

通過(guò)有機(jī)碳及其活性碳組分及碳庫(kù)管理指數(shù)與酶活性的相關(guān)關(guān)系研究，進(jìn)一步從生物化學(xué)角度闡明了土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化與土壤酶間的相互作用，說(shuō)明土壤有機(jī)碳及其活性碳組分對(duì)本研究所測(cè)定的4種參與土壤碳循環(huán)的酶活性變化響應(yīng)靈敏，酶活性提高有助于有效碳庫(kù)量提高，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳礦化速率。有機(jī)碳及其活性碳組分與土壤酶之間進(jìn)行逐步回歸表明，土壤蔗糖酶增多，能促進(jìn)土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、土壤微生物量碳含量的增加，說(shuō)明蔗糖酶在土壤有機(jī)碳及其活性組分轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮了舉足輕重的作用，這與萬(wàn)忠梅等［11－12］的研究結(jié)果一致。土壤纖維素酶有助于土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳含量的增加，土壤過(guò)氧化物酶主要是促進(jìn)土壤總有機(jī)碳的增加，土壤蔗糖酶、纖維素酶的作用能將土壤中蔗糖和纖維素等碳水化合物分解為較簡(jiǎn)單的單糖，其為土壤活性有機(jī)碳主要的組成部分。而過(guò)氧化物酶能氧化土壤有機(jī)質(zhì)，對(duì)土壤活性有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的腐殖質(zhì)具有重要作用。土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化一直處于一種動(dòng)態(tài)變化中，經(jīng)過(guò)15年的不同保護(hù)性耕作措施試驗(yàn)，結(jié)果表明免耕結(jié)合秸稈覆蓋、免耕、秸稈還田措施均能夠提高土壤有機(jī)碳及其活性碳組分含量和提高土壤酶活性，但其生物化學(xué)過(guò)程及其轉(zhuǎn)變過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受氣候、溫度、水分等因素影響的綜合效應(yīng)，還有待進(jìn)一步進(jìn)行長(zhǎng)期更加深入地研究?？傊陔]中黃土高原實(shí)施的免耕結(jié)合秸稈覆蓋是適應(yīng)該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的最佳耕作模式。不同保護(hù)性耕作措施，能夠改善該區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保證農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)良好的運(yùn)轉(zhuǎn)，提高土壤肥力，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

［1］Mosierar.Soil processes and global change［J］.Biology and Fertility，1998，27（3）：221-22.

［2］潘根興.中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)及其演變與應(yīng)對(duì)氣候變化［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2008，4（5）：282-285.

［3］張旭博，孫楠，徐明崗，等.全球氣候變化下中國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)未來(lái)變化［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（23）：4648-4657.

［4］Schimel JP，Weintraub M N.The implicationsofeco－enzymeactivity on microbial carbon and nitrogen limitation in soil：a theoretical model［J］.Soil Biology and Biochemistry，2003，35（4）：549-563.

［5］姜勇，梁文舉，聞大中.免耕對(duì)農(nóng)田土壤生物學(xué)特性的影響［J］.土壤通報(bào)，2004，35（3）：347-351.

［6］周禮愷.土壤酶學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1989.

［7］劉中良，宇萬(wàn)太.土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳研究進(jìn)展［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，19（2）：447-455.

［8］王清奎，汪思龍，馮宗煒，等.土壤活性有機(jī)質(zhì)及其與土壤質(zhì)量的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（3）：513-519.

［9］萬(wàn)忠梅，宋長(zhǎng)春，楊桂生，等.三江平原濕地土壤活性有機(jī)碳組分特征及其與土壤酶活性的關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（2）：406-412.

［10］賈曼莉，郭宏，李會(huì)科.渭北生草果園土壤有機(jī)碳礦化及其與土壤酶活性的關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)，2014，35（7）：2777-2783.

［11］萬(wàn)忠梅，宋長(zhǎng)春.小葉章濕地土壤酶活性分布特征及其與活性有機(jī)碳表征指標(biāo)的關(guān)系［J］.濕地科學(xué)，2008，6（02）：249-257.

［12］沈芳芳，袁穎紅，樊后保，等.氮沉降對(duì)杉木人工林土壤有機(jī)碳礦化和土壤酶活性的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（2）：517-527.

［13］馬瑞萍，安韶山，黨廷輝，等.黃土高原不同植物群落土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳和酶活性研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，2014，51（1）：105-113.

［14］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2007.

［15］Blair G J，Lefroy RDB，Lisle L.Soil carbon fractionsbased ontheir degree of oxidation，and the developmentof a carbonmanagement index for agricultural systems［J］.Australian Journal of Agriculture research，1995，46（7）：1459-1466.

［16］李振高，駱永明，滕應(yīng).土壤與環(huán)境微生物研究法［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［17］關(guān)松蔭.土壤酶及其研究方法［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

［18］熊明彪，雷孝章，田應(yīng)兵，等.長(zhǎng)期施肥對(duì)紫色土酶活性的影響［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2003，35（4）：60-63，99.

［19］蔡立群，齊鵬，張仁陟，等.不同保護(hù)性耕作措施對(duì)麥－豆輪作土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，17（1）：1-6.

［20］王晶，張仁陟，李愛(ài)宗.耕作方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26（6）：7-12.

［21］宋明偉，李愛(ài)宗，蔡立群，等.耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（2）：622-626.

［22］張振江.長(zhǎng)期麥稈直接還田對(duì)作物產(chǎn)量與土壤肥力的影響［J］.土壤通報(bào)，1998，29（4）：154-155.

［23］劉敏英.植茶年限對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及其有機(jī)碳組分影響［D］.雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

［24］張仁陟，黃高寶，蔡立群，等.幾種保護(hù)性耕作措施在黃土高原旱作農(nóng)田的實(shí)踐［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，（1）：61-69.

［25］孫建，劉苗，李立軍，等.免耕與留茬對(duì)土壤微生物量C、N及酶活性的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（10）：5508-5513.

［26］Riffaldi R，SaviozziA，LeviMinziR，etal.Biochemical propertiesof a Mediterranean soil as affected by long-term crop management systems［J］.Soil＆Tillage Research，2002，67：109-114.

The relationship between soil labile organic carbon fractions and the enzyme activities under different tillagemeasures in the Loess Plateau of central Gansu province

ZHANG Ying-ying1，2，4，CAILi-qun1，2，3，WU Jun1，2，QI-Peng1，2，LUO Zhu-zhu1，2，3，ZHANG Ren-zhi1，2，3

（1.Gɑnsu Provinciɑl Key Lɑborɑtory of Arid Lɑnd Crop Sciences，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.Fɑculty of Resourceɑnd Environmentof Gɑnsu Agri-culturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；3.Gɑnsu Provinceɑgriculturɑlwɑter-sɑving engineering reseɑrch center，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；4.Gɑnsu Institute of Agriculturɑl Engineering Technology，Wuwei，Gɑnsu 733006，Chinɑ）

Based on long-term conservation tillage experiments at Dingxi in the rain-fed field of western Loess Plateau in Gansu province，we investigated the effects of four typesof tillagemethods，including conventional tillage（T），no tillage no stubble retention（NT），no tillage with stubble retention（NTS）conventional tillage with stubble retention（TS），on soil organic carbon，soil labile organic carbon，soilmicrobial biomass carbon，carbon poolmanagement and four kinds of soil enzymes involved in carbon cyclingwere invertase，diastase，cellulase and peroxidase.Aanalysis of the relationship between soil organic carbon and labile carbon fractions and soil enzymes showed that compared with T treatment NTS improved soil organic carbon，soil active organic carbon，soilmicrobial biomass carbon and carbon poolmanagement index，by 16.3%，28.26%，41.88%，37.04%，respectively.Compared with T，NTS，TS，NT improved thesoil invertase，diastase，cellulase，peroxidase activities in 0～30 cm depth of soil，invertase activity were increased by 33.84%，21.59%，25.15%，diastase activity by 20.90%，13.43%，12.69%，cellulase activity by 39.13%，17.39%，4.34%，peroxidase activity by 7.81%，2.08%，3.65%.Soil invertase，diastase，cellulase，peroxidase and labile organic carbon fractions and carbon poolmanagement index were significantly positive correla-tion.With the increase in invertase activities，itwas benefit to increase the concentration of total organic carbon，soil labile organic carbon and soilmicrobial biomass carbon，and the invertase played a vital role in the accumulating of soil organic carbon pool，soil cellulase hasgreateffecton soilorganic carbon and soil labile organic carbon.Peroxidase favourable for the accumulation of total organic carbon.No tillage with straw cover is suitable for the healthy and stable development of the farmland ecosystem in this region as an importantway to reduce losses for carbon pool.

tillagemethods；soil organic carbon；soil enzymes；soil labile organic carbon fractions

S154.2

：A

1000-7601（2017）01-0001-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.01

2016-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（31160269，31571594）；“十二五”循環(huán)農(nóng)業(yè)科技工程項(xiàng)目（2012BAD14B03）；甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開(kāi)放基金（GSCS－2013－13）；甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2014A—058）

張英英（1991—），女，甘肅武威人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)。E-mail：495285884＠qq.com。

張仁陟（1961—），男，甘肅靜寧人，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作、節(jié)水農(nóng)業(yè)及恢復(fù)生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail：zhangrz＠gsau.edu.cn。