東北農(nóng)田黑土土壤酶活性與理化性質(zhì)的關(guān)系研究

荊瑞勇, 曹 焜, 劉俊杰, 于鎮(zhèn)華, 劉居?xùn)|,隋躍宇, 金 劍, 劉曉冰, 王光華

(1.中國科學(xué)院 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,哈爾濱 150081; 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué), 黑龍江 大慶 163319)

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東北農(nóng)田黑土土壤酶活性與理化性質(zhì)的關(guān)系研究

荊瑞勇1,2, 曹 焜1,2, 劉俊杰1, 于鎮(zhèn)華1, 劉居?xùn)|1,隋躍宇1, 金 劍1, 劉曉冰1, 王光華1

(1.中國科學(xué)院 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,哈爾濱 150081; 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué), 黑龍江 大慶 163319)

黑土是保證我國糧食安全的最重要的土壤資源之一，主要分布在我國的東北地區(qū)。為了調(diào)查我國黑土區(qū)土壤理化性狀、土壤酶活性及兩者間相互關(guān)系，我們從黑土區(qū)不同緯度農(nóng)田采集了26個土壤樣品，分析其土壤酶活性與微生物量碳(SMBC)及其它土壤理化性狀的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑龍江北安黑土土壤全碳、全氮、全磷、堿解氮、SMBC、過氧化氫酶、脲酶及轉(zhuǎn)化酶活性最大；簡單相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶及轉(zhuǎn)化酶均與土壤全氮、全碳及SMBC呈極顯著正相關(guān)；通徑分析表明，全氮是影響該土壤區(qū)土壤酶活性的主導(dǎo)因子，pH值是通過直接作用或間接作用影響過氧化氫酶活性的另一主導(dǎo)理化因子，全氮是脲酶活性的主導(dǎo)因子，堿解氮、全碳、全氮是磷酸酶活性的主導(dǎo)因子，全氮和pH值是影響轉(zhuǎn)化酶的兩大主導(dǎo)理化因子。

黑土; 土壤酶活性; 土壤理化性狀; 通經(jīng)分析

東北黑土區(qū)是世界四大片黑土之一，主要分布在我國黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古地區(qū)的部分地區(qū)。黑土區(qū)土地肥沃，雨熱同季，光照充足，具有良好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，其土壤理化性質(zhì)及其肥力對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。土壤酶與土壤理化性質(zhì)具有密切的相關(guān)性，參與許多生物化學(xué)反應(yīng)及土壤物質(zhì)循環(huán)，可反映土壤生物化學(xué)過程的方向和強度[1-3]。國內(nèi)外眾多學(xué)者已開展了不同生態(tài)環(huán)境土壤酶與理化性質(zhì)之間的研究[1,3]，如林地[4-5]、農(nóng)田[6]及草地[7]等。但關(guān)于東北黑土區(qū)土壤酶與理化性質(zhì)的關(guān)系鮮有報道。

東北黑土農(nóng)田面臨著土壤肥力下降、水土流失嚴重、土壤酸化、旱澇、鹽堿化、沙化、理化性質(zhì)惡化等問題[8]。由于該地區(qū)所處位置及黑土對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性，從土壤酶活性角度來探索其在黑土區(qū)分布及與農(nóng)田黑土理化性質(zhì)關(guān)系的研究還鮮有報道。本研究以東北黑土不同緯度的農(nóng)田土壤樣品為材料，測定其土壤理化性質(zhì)、酶活性，研究東北農(nóng)田黑土土壤酶活性及理化性質(zhì)的分布特征；運用通徑分析方法揭示土壤酶活性與理化因子間的內(nèi)存關(guān)系，旨在為當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1　材料與方法

1.1土壤樣品的采集

土壤樣品依據(jù)我國東北黑土區(qū)分布的緯度及土壤養(yǎng)分，尤其是土壤全碳含量的變化采集。本研究于2012年9月24日至9月29日共采集具有不同全碳含量農(nóng)田黑土樣品26個。所有樣品均在大豆和玉米接近成熟期采集。在每個采樣點，土樣均采集于100 m2左右大小的10個耕層(0—20 cm)土樣。每個土樣通過2 mm篩，使其均勻，并除去根系、植株殘體及石塊。土壤樣品放置于4℃冰箱保藏，待測土壤酶活性，其余土壤測定土壤理化性質(zhì)。

1.2測定內(nèi)容及方法

土壤酶活性測定：過氧化氫酶采用KMnO4滴定法；脲酶活性采用比色法；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；轉(zhuǎn)化酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法進行[9]；土壤含水量采用烘干法，pH值采用pH計測定；全碳和全氮采用元素分析儀測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度法；速效氮采用堿解擴散法[10]，微生物量碳(SMBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定，轉(zhuǎn)化系數(shù)K采用0.45[11]。

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SAS 9.1軟件進行處理。土壤理化性質(zhì)(8項指標)與酶活性(4種酶活)均采用平均值(n=3)進行相關(guān)性分析(Pearson，n=26)；在數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(采用土壤酶活性的對數(shù)值)的基礎(chǔ)上，建立土壤酶活性與理化因子的多元線性回歸方程并完成顯著性檢驗；利用通徑分析方法計算理化因子對土壤酶活性的直接、間接通徑系數(shù)和決定系數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1東北黑土區(qū)土壤分布特征及其理化性質(zhì)分析

供試26個黑土樣品主要分布在42°50′—49°07′N及124°07′—127°11′E，土壤pH值在4.56～6.57變動；土壤全碳含量在11.77～53.53 g/kg，最大值約為最小值近4倍。土壤全氮含量在0.99～4.25 g/kg，最大值也為最小值4倍多。堿解氮含量在121.7～334.6 mg/kg，土壤微生物量碳含量(SMBC)在64～595 mg/kg，相差近9倍左右。土壤總磷在0.63～1.49 g/kg，速效磷在16.0～52 P2O5mg/kg；速效鉀在7.89～16.95 mg/kg (表1)。供試土壤的部分理化性質(zhì)已在前期發(fā)表的關(guān)于我國東北黑土區(qū)細菌群落地理分布格局中進行了報道[12]。

2.2東北黑土區(qū)土壤酶活性的分布狀況

供試26個黑土樣品中土壤過氧化氫酶活性為112.3～375.83 ml 0.1 N KMnO4g/3 h，其活性相差2.3倍，最大值出現(xiàn)在北安黑土樣品中；脲酶活性為94.15～327.57 μg NH3-N g/h，相差近2.5倍，最大值出現(xiàn)在北安黑土樣品中；磷酸酶活性為0.14～2.05 mg P2O5g/h，相差近13.6倍，最大值出現(xiàn)在嫩江黑土樣品中；土壤轉(zhuǎn)化酶活性為19.63～87.82 mg glucose g/d，相差近3.5倍，最大值出現(xiàn)在北安黑土樣品中(表1)。

2.3東北黑土區(qū)土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

將東北農(nóng)田黑土4種酶土壤活性[過氧化氫酶(y1)、脲酶(y2)、磷酸酶(y3)和轉(zhuǎn)化酶(y4)]與8種土壤理化因子[(土壤全碳(x1)、全氮(x2)、總磷(x3)、pH值(x4)、堿解氮(x5)、速效鉀(x6)、SMBC(x7)和速效磷(x8)]進行相關(guān)性分析(表2)，發(fā)現(xiàn)土壤過氧化氫酶活性與土壤全碳、全氮、總磷、pH值、速效鉀、SMBC呈極顯著正相關(guān)，與堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，與土壤速效磷含量無顯著相關(guān)性；土壤脲酶活性與土壤全碳、全氮、總磷、堿解氮、速效鉀、SMBC呈極顯著正相關(guān)，而與土壤pH值和速效磷含量無相關(guān)性；土壤磷酸酶活性與土壤全碳、全氮、堿解氮、SMBC呈極顯著正相關(guān)，與土壤總磷呈顯著正相關(guān)，而與土壤pH值，速效磷無顯著相關(guān)性；土壤轉(zhuǎn)化酶活性與土壤全碳、全氮、總磷、pH值、堿解氮、SMBC呈極顯著正相關(guān)，與土壤速效鉀呈顯著正相關(guān)，而與土壤速效磷含量無相關(guān)性。供試農(nóng)田黑土壤樣品理化性質(zhì)中速效磷含量與土壤酶無顯著相關(guān)性，而其他理化指標均與4種土壤酶呈顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系(y2與x4和y3與x4除外)。因此，簡單相關(guān)分析得出該地區(qū)土壤酶與理化性質(zhì)關(guān)系為：除速效磷與土壤酶無顯著相關(guān)性外，其他土壤理化性質(zhì)均與土壤酶呈顯著或極顯著相關(guān)，為深入分析土壤理化性質(zhì)對土壤酶活性的直接影響還是間接影響，進行了通徑分析。

表2　東北農(nóng)田黑土土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

*表示土壤酶活性值與土壤理化指標的相關(guān)系數(shù)在p<0.05達到顯著水平，**表示土壤酶活性值與土壤理化指標的相關(guān)系數(shù)在p<0.01達到極顯著水平；下同。

將土壤酶活性測定結(jié)果進行正態(tài)性檢驗，數(shù)據(jù)做標準化處理，獲得的數(shù)據(jù)過氧化氫酶(U1)、脲酶(U2)、磷酸酶(U3)和轉(zhuǎn)化酶(U4)與顯著相關(guān)的7項理化因子進行多元線性回歸分析，得到標準多元回歸方程(表3)。

表3　東北農(nóng)田黑土土壤酶關(guān)于土壤理化性質(zhì)的多元線性回歸分析

標準化的過氧化氫酶(U1)、脲酶(U2)、磷酸酶(U3)和轉(zhuǎn)化酶(U4)與土壤理化性質(zhì)的多元線性回歸方程均達到極顯著水平(p<0.01)，其中，自變量x1—x7可以分別解釋71.1%，63.4%，74.5%和73.5%的y1—y4的變化，誤差分別為28.9%，36.6%，25.5%和26.5%。通徑分析通過直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)來分析相關(guān)變量對因變量的直接效應(yīng)與間接效應(yīng)。表3中回歸方程中的系數(shù)為直接通徑系數(shù)，由表可見，過氧化氫酶直接通徑系數(shù)大小順序為：土壤全氮(0.881)>pH值(0.580)>土壤全碳(0.347)>速效鉀(0.346)>總磷(0.259)>SMBC(0.243)>堿解氮(0.183)；脲酶的直接通徑系數(shù)大小順序為：土壤全氮(0.706)>速效鉀(0.320)>pH值(0.247)>土壤全碳(0.157)>堿解氮(0.141)>總磷(0.125)>SMBC(0.060)；磷酸酶的直接通徑系數(shù)大小順序為：土壤全碳(0.817)>土壤全氮(0.656)>堿解氮(0.627)>pH值(0.187)>SMBC(0.083)>總磷(0.054)>速效鉀(0.033)；轉(zhuǎn)化酶的直接通徑系數(shù)大小順序為：土壤全氮(0.845)>pH值(0.521)>總磷(0.344)>速效鉀(0.271)>SMBC(0.094)>土壤全碳(0.074)>堿解氮(0.072)。間接通徑系數(shù)為直接通徑系數(shù)與各因子間相關(guān)系數(shù)的乘積(表4)，反映某一理化因子通過作用于其他因子對土壤酶的活性。這種影響力更客觀地表征土壤酶活性的實際情況。

過氧化氫酶是參與土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一類重要的氧化還原酶，具有分解土壤中對植物有害的過氧化氫的作用，在一定程度上反映土壤生物化學(xué)過程的強度。如表4所示，pH值對過氧化氫酶的直接通徑系數(shù)較大，而通過影響土壤全氮和速效鉀的作用得到更大的間接通徑系數(shù)，具有疊加效應(yīng)。土壤全碳和SMBC對過氧化氫酶的直接影響是負效應(yīng)(-0.35和-0.24)，而土壤全碳和SMBC通過與土壤全氮作用后對過氧化氫的間接作用為正效應(yīng)(0.85，0.75)。土壤速效鉀含量對過氧化氫酶的直接影響較小(0.35)，但通過pH值和全氮的作用對過氧化氫酶的影響較大。因此，供試土壤區(qū)影響過氧化氫酶活性的主要理化因子是pH值、全氮、全碳、速效鉀。

全碳和SMBC對脲酶的直接影響是負效應(yīng)(-0.16和-0.06)，而全碳和SMBC通過與土壤全氮的作用后對過氧化氫酶的間接作用為正效應(yīng)(0.68，0.60)。土壤堿解氮、總磷、pH值及速效鉀對脲酶的直接效應(yīng)較小，而通過對全氮的作用對脲酶的間接效應(yīng)變得更大。但整體上影響土壤脲酶活性大小的主要土壤理化性質(zhì)是土壤全碳、全氮及SMBC。

堿解氮對土壤磷酸酶活性的直接通徑系數(shù)較大(0.63)，但通過對土壤全碳、全氮的作用間接地影響著磷酸酶，使其顯著影響著磷酸酶的活性；這與冉啟洋的研究結(jié)果一致[13]。土壤全氮對磷酸酶直接作用為負效應(yīng)，而通過作用于全碳、堿解氮的作用使其明顯影響著磷酸酶活性，變?yōu)檎?yīng)?？偭?、pH值、速效鉀對磷酸酶活性影響較小。因此，影響供試土壤的磷酸酶活性的主要理化指標是堿解氮、全碳和全氮。

全碳和SMBC對轉(zhuǎn)化酶的直接通徑系數(shù)均較小(-0.07和-0.09)，但通過作用于土壤全氮明顯影響著轉(zhuǎn)化酶的活性，其間接通徑系數(shù)為(0.82，0.75)。pH值對轉(zhuǎn)化酶的直接通徑系數(shù)較大(0.52)，通過作用于全氮、速效鉀，間接提高對轉(zhuǎn)化酶的影響?？偭缀蛪A解氮對轉(zhuǎn)化酶的直接和間接通徑系數(shù)均較小。因此，影響供試區(qū)土壤轉(zhuǎn)化活性主要是pH值，全氮、全碳及SMBC。

表4　東北農(nóng)田黑土土壤酶活性與理化性質(zhì)的通徑系數(shù)

注：下劃橫線的數(shù)字為直接通徑系數(shù)，其他數(shù)字為間接通徑系數(shù)。

從決定因子計算結(jié)果(見表5)可見，任意兩因子對土壤酶(磷酸酶除外)的共同作用均較小。影響土壤酶的環(huán)境因子相對較單一。土壤全氮和pH值對過氧化氫酶決定系數(shù)較大，分別為0.78，0.34，是影響過氧化氫酶活性大小的主導(dǎo)理化因子；全氮對脲酶決定因子相對較大(0.50)，是影響脲酶活性的主導(dǎo)理化因子。全碳、全氮和堿解氮對磷酸酶的決定系數(shù)分別為0.67，0.43，0.39，相對較大，是影響磷酸酶的主導(dǎo)理化因子。全氮和pH值對轉(zhuǎn)化酶的決定系數(shù)相對較大，分別為0.71，0.27，是影響轉(zhuǎn)化酶的主導(dǎo)理化因子。

3　討論與結(jié)論

近年來，采用通徑分析對不同生態(tài)環(huán)境下土壤酶活性及其理化性質(zhì)的關(guān)系相關(guān)報道已很多，主要有林地[4-5]、農(nóng)田[6,14]及草地[7]等。采用簡單相關(guān)分析結(jié)果相對單一，本研究通過簡單相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，測試的四種土壤酶活性均與土壤全碳、全氮、SMBC呈極顯著正相關(guān)。這一結(jié)果與李秀玲研究結(jié)果相一致[15]。研究若爾蓋濕地土壤酶活性時發(fā)現(xiàn)，土壤轉(zhuǎn)化酶與土壤有機質(zhì)、全氮呈極顯著正相關(guān)。表明土壤肥力是影響酶活性的重要影響因子，農(nóng)田施肥(主要指有機肥和氮肥)，有利于提高酶活性，對土壤酶來講，有機肥料既是土壤微生物的營養(yǎng)源和能源，也是土壤酶發(fā)揮性能的良好場所[5]。草原土壤酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮之間也具有顯著的相關(guān)性[2]。

采用通徑分析的方法研究東北農(nóng)田黑土土壤酶和理化性質(zhì)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤全氮是影響土壤酶活性的主導(dǎo)因子；這一結(jié)果與貢璐研究塔里木上游典型綠洲連作棉田時一致，全氮也是影響該地區(qū)土壤酶活性的直接主導(dǎo)因子[6]。不同生態(tài)環(huán)境下，影響土壤酶活性的主導(dǎo)因子不同。舒蛟靖等[4]對華山松人工林土壤酶活性與理化因子的通徑分析表明，土壤有機質(zhì)是影響土壤酶活性的主導(dǎo)因子。田幼華等[16]對艾比湖濕地自然保護區(qū)38個樣地，17種植物群落內(nèi)的21種植物進行了土壤酶、有機質(zhì)、鹽分、pH值相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)土壤有機質(zhì)作為土壤酶底物的重要補給源，與土壤酶活性呈極顯著相關(guān)。即使在相同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，不同的地區(qū)影響土壤酶活性的理化因子不同。吳雪等[6]對塔里木河上游阿拉爾墾區(qū)研究時發(fā)現(xiàn)，速效磷對脲酶和轉(zhuǎn)化酶存在顯著的直接正效應(yīng)，是影響脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性的主導(dǎo)因子；速效鉀是影響過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性的重要因素。表明不同土壤類型酶活性的主要理化因子不同，這與劉曉星的研究結(jié)果相同[17]。于天一等[1]研究不同母質(zhì)類型水稻土壤酶活性與理化性質(zhì)的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶與有機質(zhì)、全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。而酸性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶與有機質(zhì)和全氮無顯著相關(guān)性。

表5　東北黑土理化性質(zhì)通徑分析的決定系數(shù)

在東北黑土農(nóng)田中，pH值通過直接作用或間接作用影響著土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶的活性，土壤全碳和堿解氮也通過直接作用或間接作用影響著土壤磷酸酶的活性，它們也是影響土壤酶活性的重要理化因子。冉啟洋等[13]對艾比湖自然保護區(qū)土壤理化性質(zhì)和酶活性進行通徑分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)是影響該地區(qū)的主導(dǎo)因子，速效磷對過氧化氫酶活性影響較大，全氮是脲酶活性的主導(dǎo)因子，堿解氮是磷酸酶和蔗糖酶活性主要影響因子。為何不同農(nóng)田或土壤類型中影響土壤酶的主導(dǎo)理化因子不同(全碳或全氮)，筆者認為微生物是土壤酶活性主要來源，而不同類群微生物生長所需C/N比存在差異，筆者推測與該地區(qū)土壤微生物菌落有關(guān)，有待深入研究。

簡單相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)4種酶活性均與土壤全碳、全氮及SMBC呈極顯著正相關(guān)。通徑分析表明，全氮是影響該土壤區(qū)土壤酶活性的主導(dǎo)因子，pH值是通過直接作用或間接作用影響過氧化氫酶活性的另一主導(dǎo)理化因子，全氮是脲酶活性的主導(dǎo)因子，堿解氮、全碳、全氮是磷酸酶活性的主導(dǎo)因子，全氮和pH值是影響轉(zhuǎn)化酶的兩大主導(dǎo)理化因子。

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Correlation Between Soil Enzyme Activity and Physicochemical Characteristics in Agricultural Black Soils in Northeast China

JING Ruiyong1,2, CAO Kun1,2, LIU Junjie1, YU Zhenhua1, LIU Judong1,SUI Yueyu1, JIN Jian1, LIU Xiaobing1, WANG Guanghua1

(1.Key Laboratory of Mollisols Agroecology, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese academyofSciences,Harbin150081,China; 2.HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity,Daqing,Heilongjiag163319,China)

Black soil is one of most important resources in ensuring food security in China and spreads mainly in northeast China. To investigate the soil enzyme activity, physicochemical characteristic and their correlations, 26 soil samples were collected from black soil zone with different latitudes, the distribution trait of soil enzyme activity, correlation with soil microbial biomass carbon (MBC) and other physicochemical characteristics were analyzed. The results showed that the levels of soil total carbon, soil total nitrogen, total phosphate, available nitrogen, MBC, catalase, urease and invertase activity in site of Bei-An were maximum. Simple correlation analysis showed that there was a significantly positive correlation between four soil enzyme activities and soil total nitrogen, total carbon and MBC. The results of path analysis showed that soil total nitrogen was the dominant factor affecting soil enzyme activity of the tested soils, pH value was the other dominant factor affecting catalase activity in the direct or indirect ways, soil total nitrogen was dominant factor affecting urease activity, available nitrogen, soil carbon and total nitrogen were the dominant factors affecting soil phosphatase activity, soil total nitrogen and pH value were the key dominant factors affecting invertase activity in the tested zone.

black soil; soil enzyme activity; soil physicochemical characteristics; path analysis

2015-01-05

2015-01-17

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)XDB15010103;中科院百人計劃資助項目.

荊瑞勇(1978—)男,內(nèi)蒙古烏蘭察布市人,博士,講師,主要從事微生物生態(tài)方面的研究。E-mail:jry_2002@126.com

王光華(1966—)男,黑龍江海林人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事微生物生態(tài)方面研究。E-mail:wanggh@iga.ac.cn

S154.2

A

1005-3409(2015)04-0132-06