長期耕作對寒地黑土生態化學計量特征及酶活性的影響

郭迎嵐，岳中輝，蘇 鑫，羅 慧，趙文磊，盧 嫚

(哈爾濱師范大學生命科學與技術學院 黑龍江省普通高等學校植物生物學重點實驗室, 150025, 哈爾濱)

東北區黑土素來以有機質含量高、土質疏松、適宜耕作而聞名于世，是我國重要的商品糧生產基地[1]。然而，由于長期耕作和人類活動影響，已導致黑土養分流失，肥力下降，土地利用率呈逐年降低的趨勢[2-3]，部分耕作區表層土壤已呈酸化狀態[4]。在1958—1960年第1次土壤普查時，東北黑土中的有機質質量分數還在80～120 g/kg之間，部分地區質量分數高達160 g/kg以上；但到1979—1985年第2次土壤普查時，黑土中有機質的質量分數已下降到60～100 g/kg，因此如何有效維持黑土肥力，保障糧食產量是東北農田生產亟需解決的問題。

土壤碳(C)是構成土壤有機物質的主要元素，氮(N)和磷(P)是影響植物正常生長的重要限制元素[5]，分析土壤C、N、P元素的生態化學計量特征變化不僅可以探究土壤養分的吸收策略及土壤養分循環過程中的限制因素[6]，還有助于確定農田系統生態過程對全球變化的響應，利用生態化學計量特征來評估土壤肥力已越來越受到學者們的青睞[7-9]；土壤酶是土壤有機物質循環過程中重要的生物催化劑[10]，其活性可反映土壤生物化學反應的活躍程度及養分循環狀況等[11]，是評價土壤質量的潛在敏感指標和土壤肥力的重要參數之一[12]。探討土壤生態化學計量特征及土壤酶活性的變化可以更好地了解土壤養分分配格局及循環過程。在以往黑土農田肥力的研究中，已對各種短期集約化、保護性耕作[13-14]、施肥[15-16]等耕作措施下的土壤養分及酶活性變化進行了較多研究[17-18]，但對長期耕作后黑土C、N、P養分，尤其是土壤生態化學計量特征及土壤生物活性的研究則較少涉及[19]；因此通過田間定位試驗，在已有2002年數據的基礎上，對2017年土壤C、N、P含量、生態化學計量特征及相關代謝酶活性進行研究，對比15年來土壤肥力的變化，為農田黑土的持續利用和生產力的提高提供理論依據。

1 研究區概況

研究區域位于黑龍江省黑河市嫩江縣，地理位置為E 124°44′～126°49′，N 48°42′～51°00′。該縣土地肥沃，是農牧業生產的黃金地帶，也是聞名全國的大豆和小麥生產基地及國家重點商品糧生產基地。該區氣候類型為中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年降水量為300～770 mm，年均氣溫為-1 ℃左右。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與分析

2017年利用GPS對2002年已獲得數據的34個樣地[20]進行定位后，在每個田塊內隨機選擇15個樣點，取0～20 cm土層土壤，然后將田塊內5個樣點的土壤充分混合作為一個土壤樣品，每個田塊獲得3個土壤樣品，將樣品帶回實驗室，去除根系后一部分自然風干過篩，用于土壤養分含量測定，另一部分裝入自封袋中于4 ℃冰箱中保存，用于土壤酶活性的測定。

土壤有機質、全氮、全磷含量參照《土壤農化分析》測定[21]。土壤過氧化氫酶、轉化酶、硝酸還原酶、脲酶、磷酸酶活性參照《土壤酶及其研究法》測定[22]。

2.2 數據處理與分析

利用Excel 2017軟件進行試驗數據收集與整理，利用SAS 9.2軟件進行試驗數據的分析，最后通過Origin 9.1進行繪圖。總體酶活性指數

土壤養分含量分級標準見表1[24]。

表1 土壤養分含量分級標準Tab.1 Ranking criteria of soil nutrient content

圖中標記代表分析時出現的異常值，下同。Icon represents the outliers in the data analysis， the same below. 圖1 土壤碳、氮、磷含量的變化Fig.1 Changes of soil C, N and P content

3 結果與分析

3.1 寒地黑土土壤碳、氮、磷含量的變化

由圖1可知，2017年土壤有機質和全氮含量同2002年相比顯著降低(P<0.05)，降低率分別為30.00%和31.24%。其中，土壤有機質含量由原來的一、二級水平下降至以二、三級水平為主；土壤全氮含量由原來的一、二級水平下降至三級水平(表1)；2017年土壤全磷含量顯著增加(P<0.05)，增加率為37.61%，由原來的四、五級水平上升至以三、四級水平為主(表1)；15年來土壤有機質、全氮和全磷的變異系數變化不大，均<25%。

3.2 寒地黑土土壤碳、氮、磷生態化學計量特征的變化

圖2 土壤碳、氮、磷生態化學計量特征的變化Fig.2 Changes of ecological stoichiometric characteristics of soil C, N, P

由圖2可知，2017年土壤C∶N同2002年相比差異不顯著(P>0.05)，但變異系數由4.99%增加到8.48%；而2017年與比2002年相比土壤C∶P、N∶P和C∶N∶P均顯著降低(P<0.05)，降低率分別為111.8%、70.2%和111.4%。

3.3 寒地黑土土壤酶活性的變化

由圖3可知，同2002年相比，2017年土壤過氧化氫酶活性顯著增加(P<0.05)，增加率為54.02%；土壤轉化酶、脲酶、磷酸酶和硝酸還原酶活性均顯著降低(P<0.05)，降低率分別為66.13%、209.14%、46.14%和67.49%，土壤總體酶活性指數無顯著變化(P>0.05)。

圖3 土壤酶活性的變化Fig.3 Changes of soil enzyme activities

3.4 寒地黑土土壤碳、氮、磷生態化學計量特征及酶活性的相關分析

由表2可知，2002年土壤酶活性與土壤碳、氮、磷含量和土壤生態化學計量特征相關性較弱，只有土壤轉化酶與土壤N∶P呈顯著的負相關關系(P<0.05)；但到2017年土壤過氧化氫酶與土壤C∶P，轉化酶與土壤有機質、全氮、全磷含量，硝酸還原酶與土壤全氮含量、N∶P、C∶N∶P，脲酶與土壤有機質、全磷含量、C∶N、N∶P，磷酸酶與土壤全磷含量、N∶P，總體酶活性指數與土壤全氮、全磷含量、C∶N∶P都顯著相關(P<0.05，P<0.01)。

3.5 寒地黑土土壤碳、氮、磷生態化學計量特征及酶活性的主成分分析

將土壤碳、氮、磷含量、生態化學計量特征及5種土壤酶活性都作為土壤肥力指標進行主成分分析(表3)，結果表明土壤全磷含量是2002年、2017年土壤肥力指標中的主要因素；在2002年土壤C∶P、N∶P、C∶N∶P為主要肥力指標，而2017年土壤有機質、轉化酶、脲酶活性為主要肥力指標。

4 討論與結論

在黑土肥力演變的研究中，耕地土壤肥力培育是保障糧食生產和安全的基礎，土壤養分、生態化學計量特征及土壤酶活性的變化則是耕地土壤肥力變化的主要驅動因素。15年來，寒地黑土土壤有機質、全氮含量均顯著降低，而土壤C∶N變化不顯著，說明2002—2017年的15年過程中，寒地黑土微生物所利用的土壤有機質相對穩定，土壤有機質的有效性沒有隨年限的增加而發生改變，這與李梓瑄等[25]在1997—2012年的15年的黑土研究中發現的土壤C∶N略有下降的規律不同，這是本研究發現的一個可喜現象，說明寒地黑土土壤養分代謝相對穩定，如果能夠用養結合，不斷培肥土壤，是可以繼續維持黑土生產力的，但需要指出的是，本研究只涉及了黑土部分區域的土壤，并不能代表所有的寒地農田土壤，后續還需結合更多樣品進行土壤肥力變化的研究。

表2 土壤碳、氮、磷含量和生態化學計量特征及酶活性的相關分析Tab.2 Correlation analysis among soil C, N, and P content, their ecological stoichiometric characteristics and soil enzyme activities

表3 土壤碳、氮、磷含量和生態化學計量特征及酶活性的主成分分析Tab.3 Principal component analysis of soil C, N, P content, its ecological stoichiometric characteristics soil and enzyme activities

筆者研究顯示，15年來寒地黑土全氮含量顯著降低，而土壤全磷含量顯著增加，導致C∶P、N∶P均顯著降低，且隨著年限的增加降低趨勢加劇，說明土壤磷素是農田養分代謝的關鍵限制因素，15年來長期大量磷肥的施用使得有效磷含量大幅度上升，而土壤磷素富集會導致C∶P和N∶P降低，最終影響土壤C、N養分的代謝過程。研究還發現，到2017年，15年來寒地黑土轉化酶、脲酶、硝酸還原酶和磷酸酶活性均降低，且隨土壤養分和化學計量特征的變化而變化，說明土壤酶活性與土壤養分密切相關，在土壤養分循環過程中起著重要的作用；但與上述土壤酶活性不同，2017年土壤過氧化氫酶活性顯著增加，說明長期耕作使得土壤透氣性逐漸加強，從而導致土壤微生物活性加強，土壤呼吸速度加快。在15年的耕作后，土壤的主要肥力因素由C∶P、N∶P、C∶N∶P轉變為有機質、脲酶、轉化酶(本研究各樣地間pH差異不顯著，在肥力因子中不考慮)，說明土壤的主要肥力因素已由生態化學計量特征變為土壤養分和酶活性，這可能是由于碳、氮的不合理施用使土壤生態化學計量特征發生變化，植物對土壤碳氮磷的吸收不平衡，導致土壤養分含量分配格局發生變化，但土壤養分和生態化學計量特征的變異系數均<25%，說明土壤養分變化仍是以內因為主，隨機因素對土壤肥力的影響較小，土壤養分平衡和生物活性仍維持在較好水平，在今后的農田生產中還應進行有機碳肥和氮肥的配合施用，同時適當減少磷肥的施用來維持土壤養分分配格局。

2002—2017年的15年過程中，土壤C、N含量降低，土壤P含量增加，導致土壤C∶P、N∶P、C∶N∶P下降，土壤酶活性也顯著降低，但土壤C∶N及總體酶活性指數無顯著變化，土壤酶活性與土壤養分和生態化學計量特征間的相關性變強，土壤的主要肥力因素已由生態化學計量特征變為土壤養分和酶活性，說明長期耕作后，盡管土壤肥力降低，但土壤養分仍維持在較好水平。