國家高梁原原種擴繁基地土壤養分和酶的垂直分布特性

龍文靖　倪先林　劉天朋　丁國祥　趙甘霖

摘要：研究四川瀘縣的國家高梁原原種擴繁基地不同土層土壤養分和酶的垂直分布特性，為生土熟化和科學施肥提供理論依據。以國家高粱原原種擴繁基地土壤為研究對象，測定不同土層（0—20、20—40、40—60、60～80、80—100 cm）土壤養分含量和酶活性，結果表明：土壤養分和酶的垂直分布均具有明顯的規律性，國家高梁原原種擴繁基地表層土壤養分根據分級標準，全氮、堿解氮、有機質含量為4級水平，全鉀、速效鉀為3級水平，全磷、速效磷為2級水平。有機質、全磷和速效養分含量均是上部土層高于下部土層，表現隨土層深度增加降低。而全氮含量在不同土層間無顯著差異，全鉀含量隨土層深度增加先增加后減少。土壤酶（除過氧化氫酶）活性均是上部土層高于下部土層，表現隨土層深度增加降低。土壤酶活性與土壤養分之間關系密切，除全氮含量、全鉀含量無顯著相關關系，土壤酶活性與堿解氮含量（除酸性磷酸酶）、速效鉀含量、全磷含量、速效磷含量以及有機質與酶活性的相關關系均達到顯著或極顯著水平。土壤堿解氮和有機質含量隨土層深度增加，較其他養分含量減少更大，在深層生土熟化過程中，應重施有機肥和速效氮肥。

關鍵詞：國家高梁原原種擴繁基地;土壤養分;土壤酶活性;垂直分布;生土熟化

中圖分類號：S153，S154

文獻標志碼：A

論文編號：cjas18020018

0引言

土壤肥力的重要評價標志是土壤養分，其對促進植物生長，協調植物生長的營養與環境條件，進一步實現土地的可持續發展與利用具有重要作用[1]。而作為土壤生態系統組分之一的土壤酶，則是土壤有機體的代謝動力，在整個土壤生態的物質循環和能量轉化過程中起著重要作用[2]。前人研究表明不同土層土壤養分和酶的垂直分布具有明顯的規律性。黃紹文等[3]研究表明0—20 cm土層N（N H4+- N）、P、K、Mn、Zn、Fe、Cu等主要養分速效含量明顯高于20—40 cm和40—60 cm土層。文波龍等[4]對云南元陽梯田的研究表明，同一海拔段土壤堿解氮含量隨著土層深度增加而增加，但在離村莊最近的中高海拔位置卻隨深度增加先減后增。范士超等[5]對海河低平原楊農復合系統不同間伐模式的研究表明，土壤有機質和全氮隨土層深度增加呈現遞減趨勢，速效磷呈現U型變化趨勢，速效鉀呈現波動趨勢。曹裕松等[6]研究表明，加拿大楊林和池杉林土壤中有機質、有效磷和速效鉀含量均隨著土層深度增加而下降。水稻田土壤中有機質、有效磷含量也隨著土層深度的增加迅速降低。郭明英等[7]對呼倫貝爾羊草草甸草原研究表明，土壤蛋白酶、轉化酶、過氧化氫酶活性均隨土層的增加而逐漸降低，脲酶活性相反。李林海等[8]對黃土高原溝壑區小流域自然坡面研究結果表明，隨土層的加深，土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性逐漸降低，氧化氫酶活性升高，表現出與其他酶類不同的響應特征。前人研究結果表明不同研究區狀況、研究對象，土壤養分和酶的垂直分布表現出不同的變化規律。

本研究以國家高梁原原種擴繁基地土壤為研究對象，旨在探究基地土壤不同土層深度母質生土的土壤養分和酶活性垂直變化規律，以期為基地集約化建設、不同土層生土熟化和科學施肥提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤為國家高梁原原種擴繁基地土壤，該基地位于四川瀘縣，北緯27039‘-29°20、東經105°8‘一106028之間，屬亞熱帶濕潤氣候區。年均溫18—18.6℃，lO℃以上年積溫5735.7-6230.O℃，極端最低溫-2.40C;年日照1288.6—1400 h左右，無霜期350天左右;年降雨量1142 mm，相對濕度84%[9]。

1.2試驗設計

試驗土壤類型為紫色壤土，前茬為油菜，當季為高粱。于2016年5月用取土器分別取試驗地土層深度5個梯度，分別為0—20、20—40、40—60、60—80、80～100 cm的土壤，所有樣點遵循“等量、隨機、多點混合”的原則，采取5點重復，點間隔20m，充分混合后四分法取土lkg，帶回實驗室，樣品在自然狀態下風干、磨細，過孔徑1.0 mm篩后測定有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀7個土壤養分指標和脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶4個土壤酶活性指標。

1.3土壤指標測定方法

土壤養分測定參照土壤農化分析的方法[10]。其中，土壤全氮采用凱氏定氮法，全磷采用磷鉬藍比色法，全鉀采用火焰分光光度計法，堿解氮采用堿解擴散法，速效磷采用NH4F- HC1法，速效鉀采用NH40Ac浸提后的火焰分光光度法，有機質采用重鉻酸鉀容量法一稀釋熱法測定。土壤酶活性的測定參照萬年鑫等[11]測定馬鈴薯根區土壤的方法。其中，脲酶采用苯酚鈉一次氯酸鈉比色法測定，蔗糖酶采用3，5一二硝基水楊酸比色法測定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測，酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。

1.4土壤質量評價方法

本文參照表l全國第二次土壤普查及有關標準，對不同土層土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等指標進行評級[12]。

1.5數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2007進行統計，DPS7.0進行方差分析。顯著性檢驗采用單因素方差分析最小顯著差異法（LSD），顯著性水平設定為a=0.05。圖表中數據用平均值±標準差表示。

2結果與分析

2.1不同土層養分變化

由表2可知，土壤全氮含量隨土層深度未表現明顯差異，變異系數最小，僅為2.72%。全磷、全鉀養分隨土層深度增加差異較大，全磷含量在表層土壤（0—20 cm）顯著高于其他土層含量，隨土層深度增加，全磷含量均在0.60 g/kg上下浮動。全鉀含量隨土層深度增加先增加后減少，在40—60 cm含量最高，其在不同土層間變異幅度較小，變異系數為4.92%。而土壤速效養分和有機質含量呈現較明顯的垂直分布規律，總的趨勢是上部土層含量高于下部土層。有機質、堿解氮和速效鉀含量隨土壤深度變化影響較大，其變異系數均達到20%以上。

2.2不同土層土壤養分評級

根據全國第二次土壤普查及有關標準（表1），對不同土層土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等指標進行評級，由表3可知，全氮、全鉀以及速效磷的評價等級并未隨土層深度的改變而改變。該區0—20 cm土層全氮、堿解氮、有機質評級為4級，鉀養分為3級，磷養分均為2級，說明試驗基地土壤氮素略缺乏，鉀含量適中，磷養分豐富，總體而言土壤養分為中等水平。有機質、堿解氮隨土層深度增加降級明顯，生土的堿解氮和有機質均從4級水平降到最低6級水平（80—100 cm土層）。

2.3不同土層土壤酶活性的變化

過氧化氫酶作為土壤中的氧化還原酶類，活性可表征土壤腐殖質化強度大小和有機質轉化速度。土壤蔗糖酶活性增強可以增加土壤中的易溶性營養物質，其活性與有機質的轉化和呼吸強度有密切關系。土壤脲酶可促使有機質分子中的肽鍵水解而形成氨，其活性能夠在一定程度上反映土壤的供氮能力。土壤磷酸酶活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及其生物有效性[2]。從表4可以看出，土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性均隨土層深度增加而下降，且在0—20、20—40、40～60 cm差異顯著，表現為表聚性，而過氧化氫酶活性則隨土層深度增加而增加，可促進過氧化氫的分解，防止對生物體的毒害作用。受土層深度影響較大的土壤酶類有脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶，其變異系數均在50%以上。

2.4不同土層土壤酶與土壤養分相關性分析

土壤酶活性與土壤養分之間聯系密切。由不同土層土壤酶與土壤養分的相關系數（表5）可知，除全氮含量、全鉀含量與不同的土壤酶活性無相關關系外，堿解氮含量（除酸性磷酸酶外）、速效鉀含量、全磷含量、速效磷含量以及有機質與酶活性的相關關系均達到顯著或極顯著水平，其中過氧化氫酶活性與養分指標呈負相關關系，而脲酶、蔗糖酶以及酸性磷酸酶活性均呈正相關關系。

3討論

3.1國家高梁原原種擴繁基地土壤養分垂直分布特性

國家高梁原原種擴繁基地土壤有機質和養分速效含量呈現較明顯的垂直分布規律，總的趨勢是上部土層含量高于下部土層。表層受人為農耕活動的影響，長期的培肥措施和農田殘根枯枝落葉的累積使得表層土壤速效養分和有機質的含量較高。全氮含量在不同土層變化不顯著，與大多數研究表層土壤全氮含量高不同，可能是國家高梁原原種擴繁基地土壤氮素水平偏低造成的，土壤氮素供應略有不足，而前作油菜每生產100 kg油菜籽粒吸收氮9.48 kg[13]，對表層氮肥吸收也較大。0—20 cm土層土壤磷素明顯高于其他土層，主要與施入土壤中的磷（一般施在0—20 cm的耕層范圍內）移動性小而使所施磷肥絕大部分殘留在耕層，下部土層磷一直處于耗竭狀態而難以得到補充[3]。全鉀含量表現為隨土層深度增加，先增加后減少，可能的原因是，施入土壤中的鉀移動性較磷大[3]，上部鉀素在雨水淋溶條件下，逐步富集到40—60 cm。

3.2國家高粱原原種擴繁基地土壤酶活性的垂直分布特性

國家高梁原原種擴繁基地土壤酶活性呈現較明顯的垂直分布規律。土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性的垂直分布特征為隨土層的增加而逐漸降低，該結果與羅珠珠等[14-16]大部分學者研究得出的土壤酶活性垂直變化的特點相一致，表層土壤相對于深層土壤，有更多的枯枝落葉和腐殖質，長期人工培肥松土，具有良好的溫度條件和通氣狀況，微生物數量大，因此表層的土壤酶活性高，也反映了表層土壤營養、土壤肥力狀況更高。由于研究區狀況、研究對象等不同，一種土壤酶活性表現出不同的變化規律。本研究表明，土壤過氧化氫酶活性呈現隨土層深度增加而增加的趨勢，與前人大多數研究相反，這是因為過氧化氫酶屬氧化還原酶類，活性大小受根系分泌物及土壤環境影響較大。

3.3土壤養分和酶的垂直分布特性對生土熟化指導意義

近年來隨著農業集約化治理，高低不平的坡地和零星破碎的小塊地變為平整的水澆地，位于耕作層之下的母質生土不可避免地被外翻至地表[17]。由于生土肥力低，土體緊實，生物活性弱㈣。在相同栽培技術條件下，生土栽培當年產量減產18%—35%，甚至多達40%—50%[19]。因此，從根本上解決生土的快速熟化及其土地復墾的可持續性發展成為研究者的重要任務。本研究表明隨土層深度增加，速效養分和有機質含量減少，因此越深層生土熟化越要提高土壤的速效養分和有機質含量，而隨土壤深度增加堿解氮和有機質含量較其他養分含量減少更大，因此在深層生土熟化過程中，應重施有機肥和速效氮肥。另外速效養分和有機質與土壤酶活性存在顯著的相關關系，保持土壤耕層濕潤[17]，深耕碎土精細整地[18]，增施多菌種的微生物有機復合肥、地膜溝植壟蓋等綜合技術措施[20]，翻壓綠肥[21]等均能促進微生物代謝，增加土壤生物活性，加速生土熟化，實現增產增收。

4結論

國家高梁原原種擴繁基地表層土壤養分總體表現為中等水平，全氮、堿解氮、有機質含量為4級水平（缺乏），全鉀、速效鉀為3級水平（適量），全磷、速效磷為2級水平（豐富）。土壤養分和酶的垂直分布具有明顯的規律性，土壤酶（除過氧化氫酶）活性、有機質、全磷和速效養分含量均是上部土層高于下部土層，表現隨土層深度增加而降低。而全氮含量在不同土層間無顯著差異，全鉀含量隨土層深度增加先增加后減少。土壤酶活性與土壤養分有很大的相關關系，多數養分指標與酶活性間的相關關系均達顯著水平。隨土層深度增加，土壤堿解氮和有機質含量較其他養分含量減少更大，在深層生土熟化過程中，應重施有機肥和速效氮肥。

參考文獻

[1] 黃安，楊聯安，杜挺，等基于主成分分析的土壤養分綜合評價[J]干旱區研究，2014，31（5）：819-825

[2] 王理德，工方琳，郭春秀，等土壤酶學研究進展[J]土壤，2016，48（1）：12-21

[3] 黃紹文，金繼運，楊俐節，等.糧田土壤磷、鉀養分的垂直分布特征[J].土壤肥料，2001（4）：8-12.

[4] 文波龍，任國，張乃明云南元陽哈尼梯田土壤養分垂直變異特征研究[J].云南農業大學學報，2009，24（1）：78-81

[5] 范士超，張海林，黃光輝，等.不同間伐模式下楊農復合系統土壤養分垂直分布特征[J]華北農學報，2010，25（S2）：236-241.

[6] 曹裕松，吳風云，肖宜安，等.退耕還林對土壤養分含量及其垂直分布的影響[J]生態環境學報，2016，25（2）：196-201

[7] 郭明英，朝克圖，尤金成，等.不同利用方式下草地土壤微生物及土壤呼吸特性[J].草地學報，2012，20（1）：42-48.

[8] 李林海，邱莉萍，夢夢黃土高原溝壑區土壤酶活性對植被恢復的響應[J].應用生態學報，2012，23（12）：3355-3360.

[9] 徐炯志，潘介春，黃永祥，等.四川省瀘州市荔枝龍眼生產考察報告[J].廣西農學報，2013，28（6）：25-29

[10]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2005：30-107.

[11]萬年鑫，鄭順林，周少猛，等.薯玉輪作對馬鈴薯根區土壤養分及酶活效應分析[J].浙江大學學報，2016，42（1）：74-80

[12]周偉，工文杰，張波，等長春城市森林綠地土壤肥力評價[J]生態學報，2017，37（4）：1211-1220

[13]孫克剛，王亞莉，鹿智江，等.油菜氮磷鉀元素的需肥規律和施肥研究[J]土壤肥料，2002（4）：35-37

[14]羅珠珠，黃高宅，蔡立群，等.不同耕作萬式下春小麥生育期土壤酶時空變化研究[J]草業學報，2012，21（6）：94-101.

[15]王群，夏江寶，張金池，等黃河三角洲退化刺槐林地不同改造模式下土壤酶活性及養分特征[J].水土保持學報，2012，26（4）：133-137.

[16]文都口樂，李剛，張靜妮，等.呼倫貝爾不同草地類型土壤微生物量及土壤酶活性研究[J].草業學報，2010，19（5）：94-102

[17]尚治安，李昱，杜治國，等.濕潤灌溉加速生土熟化研究[J]水土保持學報，2001，15（6）：132-135

[18]李鴻恩“生土”的農業生產特性及培肥措施[J].土壤肥料，1990（4）：5-8.

[19]周晉丕.機修梯出生土熟化的研究[J]中國水土保持，1988（9）：42-45

[20]謝英荷，洪堅平，周淑琴，等.黃土丘陵區新造田培肥熟化高產技術措施的探討[J].水土保持學報，2001，15（4）：126-128

[21]葉協鋒，楊超，李正，等綠肥對植煙土壤酶活性及土壤肥力的影響[J].植物營養與肥料學報，2013，19（2）：445-454