蘭州新區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分及酶活性的影響

殷陶剛，竇向麗，劉晶婧，李玉澤

（國(guó)土資源部蘭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，甘肅 蘭州 730050）

城市化進(jìn)程中［1］，隨著土地利用類型的改變，與城市化相關(guān)的土壤生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出［2-3］。土壤酶是土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一［4］，其活性不僅可以反映土壤物質(zhì)能量代謝旺盛程度，而且可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)［5-6］。蘭州新區(qū)位于秦王川盆地，歷史上是古老的旱耕農(nóng)業(yè)區(qū)，20 世紀(jì)80 年代“引大入秦”工程竣工后，絕大部分耕地變?yōu)樗疂驳?，成為糧食主產(chǎn)區(qū)。2012 年8 月，蘭州新區(qū)成為全國(guó)第5 個(gè)，西北地區(qū)第1 個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，并將生態(tài)建設(shè)作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作，由于區(qū)域氣候、地形地貌、成土母質(zhì)及人為等因素影響，新區(qū)土壤鹽漬化情況嚴(yán)重［7］，改善土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量成為蘭州新區(qū)的一項(xiàng)重要任務(wù)。新區(qū)生態(tài)建設(shè)頭兩年，由于經(jīng)驗(yàn)不足，盲目引進(jìn)的一些綠化樹種沒(méi)能在寒冬中成活下來(lái)，近年來(lái)新區(qū)通過(guò)試驗(yàn)改良土壤，培育出一些適合的樹種、草種，累計(jì)完成生態(tài)綠化面積1.3 萬(wàn)hm2，城市核心區(qū)綠化率達(dá)到31%［7］。本文研究了蘭州新區(qū)3 種不同土地利用類型（農(nóng)耕地、城市綠地、未利用地）的土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶等活性和土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量，旨在探討不同土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和酶活性的影響，以期為蘭州新區(qū)培肥土壤和土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

蘭州新區(qū)距離蘭州市38.5km，面積約為1700km2，地處東經(jīng)103°29′22″～103°49′56″，北緯36°17′15″～36°43′29″。屬典型的溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，陽(yáng)光充足，年平均降水量300～350mm，年蒸發(fā)量1880mm，降水少而蒸發(fā)大，年均氣溫6.9℃，年日照量1744～2659h，日照率60%，全年平均無(wú)霜期139d［8-9］。

1.2 土壤樣品采集

樣品采集時(shí)間為2018 年8 月，選擇蘭州新區(qū)轄區(qū)內(nèi)農(nóng)耕地、城市綠地、未利用地3 種類型的土地，采集表層土壤（0～20cm）樣品50 個(gè)，其中，農(nóng)耕地樣品27 個(gè)，城市綠地樣品12 個(gè)，未利用地樣品11 個(gè)。垂直取樣深度60cm，每隔20cm 為1層，共采集3 層，9 個(gè)剖面27 個(gè)樣品，其中農(nóng)耕地、城市綠地、未利用地各3 個(gè)剖面9 個(gè)樣品。沿S 形樣點(diǎn)采集，5 個(gè)鉆點(diǎn)的土樣混合均勻成一個(gè)樣品，除去雜草、根系物、石塊等，裝入滅菌后的棕色玻璃瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室。所得新鮮土樣采用四分法分為兩份，一份風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)0.074mm 篩，用作土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定，另一份新鮮樣品過(guò)1.68mm 篩保存于4℃冰箱中，用作測(cè)定土壤酶活性，在兩周內(nèi)完成土壤酶活性的測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

土壤中有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；水解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用Olsen 法測(cè)定；速效鉀采用NH4OAc浸提，ICP-AES 法測(cè)定［10-11］。

采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定脲酶活性，以1d后1g 土 壤 中NH3-N 的 毫 克 數(shù) 表 示，為NH3-N mg·g-1（37℃，d）；采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶活性，以20min 內(nèi)每克土壤分解的過(guò)氧化氫的毫升數(shù)表示，為0.1mol/L KMnO4mL·g-1（25 ℃，20min）；采 用3，5-二 硝 基 水楊酸比色法 測(cè)定蔗糖酶活性，以1d后1g 土 壤中生成的葡萄糖毫克數(shù)表示，為葡萄糖mg·g-1（37℃，d）［12-13］。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel2007 和SPSS17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)系數(shù)計(jì)算和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)及主要養(yǎng)分含量的影響

表層土壤的有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、最低值、最高值見(jiàn)表1。

表1 不同土地利用類型下表層土壤有機(jī)質(zhì)及主要養(yǎng)分含量

表1 的結(jié)果表明，不同土地利用類型的表層土壤中，農(nóng)耕地有機(jī)質(zhì)平均含量最高，與其相比城市綠地低14.7%，未利用地低57.7%。這是由于蘭州新區(qū)耕地耕作年限長(zhǎng)，多年施用有機(jī)肥及作物凋落物還田，為耕地提供了充足的有機(jī)質(zhì)；新區(qū)的城市綠地以前基本是戈壁荒地［7］，綠地形成的年數(shù)還不長(zhǎng)，枯枝落葉較少且較難分解，根系當(dāng)年死亡量較少，有機(jī)質(zhì)低于農(nóng)耕地；未利用地是一片戈壁荒地，枯落物少，沒(méi)有施肥，有機(jī)質(zhì)含量顯著低。農(nóng)耕地全氮和水解氮平均含量最高，與其相比城市綠地分別低12.2%和13.0%，未利用地分別低46.3%和26.2%。有機(jī)質(zhì)、全氮及水解氮平均含量皆呈農(nóng)耕地＞城市綠地＞未利用地的趨勢(shì)。土壤全氮、水解氮含量與有機(jī)質(zhì)含量變化特征一致，全氮與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)（r=0.465），水解氮與有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)（r=0.501），說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量可作為評(píng)價(jià)土壤肥力狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)［14］。城市綠地有效磷和速效鉀平均含量最高，與其相比農(nóng)耕地分別低14.2%和18.4%，未利用地分別低84.7%和30.7%，有效磷和速效鉀含量皆表現(xiàn)出城市綠地＞農(nóng)耕地＞未利用地的趨勢(shì)。這可能是由于不同植被對(duì)這兩種速效養(yǎng)分的吸收效果不同，并且還可能跟微生物降解程度的不同有關(guān)系［15］。

由上述可知，蘭州新區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分有顯著影響。其核心城區(qū)建立在一片戈壁灘上，而城市綠地也是通過(guò)改良戈壁荒地土壤，再進(jìn)行綠化而形成，未利用地則是戈壁荒地，耕地沒(méi)有被占用，耕地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分得到保持。其城市綠地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量顯著高于未利用地，說(shuō)明戈壁荒地土壤經(jīng)過(guò)改良，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量得到提高，土壤生態(tài)環(huán)境得到改善，由此可見(jiàn)，在蘭州新區(qū)城市化進(jìn)程中，土地利用類型的改變對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的影響基本上是有利的。

2.2 不同土地利用類型對(duì)表層土壤酶活性的影響

2.2.1 對(duì)脲酶活性的影響

脲酶是廣泛存在于土壤中的一種水解酶，與尿素氮肥水解密切相關(guān)，酶促產(chǎn)物氨是植物氮源之一，脲酶活性可用來(lái)指示土壤氮素水平［16］。不同土地利用類型表層土壤脲酶活性的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同土地利用類型下表層土壤脲酶活性

表2 的結(jié)果表明，土壤脲酶活性平均值為農(nóng)耕地（1.15mg·g-1）＞城市綠地（0.82mg·g-1）＞未利用地（0.35mg·g-1）。農(nóng)耕地脲酶活性高于城市綠地，二者差異不顯著（P＞0.05），城市綠地脲酶活性顯著高于未利用地（P＜0.05）。這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)和積累在其中的氮決定了脲酶活性［17］。蘭州新區(qū)農(nóng)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量高，加之長(zhǎng)期人為施肥，提高了土壤氮素養(yǎng)分，脲酶活性高；城市綠地土壤有機(jī)質(zhì)含量不如農(nóng)耕地，但人為施肥提高了城市綠地氮素養(yǎng)分，脲酶活性較高；而未利用地沒(méi)有管理，土壤肥力低，脲酶活性明顯低。這表明，土地利用類型的改變對(duì)土壤脲酶活性有顯著影響。

2.2.2 對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響

過(guò)氧化氫酶能催化過(guò)氧化氫分解成水和氧，是一種重要的氧化還原酶，因此過(guò)氧化氫酶具有解毒功能，能夠?yàn)橥寥牢⑸锘顒?dòng)和作物根系生長(zhǎng)提供良好的土壤生存環(huán)境［18］，是土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的重要角色［19］。不同土地利用類型表層土壤過(guò)氧化氫酶活性的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 的結(jié)果表明，土壤過(guò)氧化氫酶活性平均值為農(nóng)耕地（1.90mL·g-1）＞城市綠地（1.62mL·g-1）＞未利用地（0.79mL·g-1）。農(nóng)耕地過(guò)氧化氫酶活性高于城市綠地，二者差異不顯著（P＞0.05），城市綠地過(guò)氧化氫酶活性顯著高于未利用地（P＜0.05）。這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)是土壤中酶促反應(yīng)底物的主要供給源，過(guò)氧化氫酶與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性極好［4］。農(nóng)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量高，耕作提高了土壤的通氣性，為耕地提供了適宜的根際生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)了過(guò)氧化氫酶活性；蘭州新區(qū)通過(guò)施用有機(jī)肥來(lái)改良城市綠地土壤，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，過(guò)氧化氫酶活性較高；未利用地土壤有機(jī)質(zhì)含量低，通氣性差，過(guò)氧化氫酶活性顯著低。這表明，土地利用類型的改變對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性有顯著影響。

表3 不同土地利用類型下表層土壤過(guò)氧化氫酶活性

2.2.3 對(duì)蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶參與土壤有機(jī)碳循環(huán)，其活性強(qiáng)弱能夠反映出土壤熟化程度和肥力高低，對(duì)提高土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量起著重要作用［4］。不同土地利用類型表層土壤蔗糖酶活性的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同土地利用類型下表層土壤蔗糖酶活性

表4 的結(jié)果表明，土壤蔗糖酶活性平均值為農(nóng)耕地（13.02mg·g-1）＞城市綠地（11.64mg·g-1）＞ 未利用地（8.61mg·g-1）。農(nóng)耕地和城市綠地土壤蔗糖酶活性顯著高于未利用地（P＜0.05），農(nóng)耕地蔗糖酶活性略高于城市綠地，二者差異不顯著（P＞0.05）。這可能是因?yàn)橥寥朗旎潭群头柿Ω叩退經(jīng)Q定了土壤蔗糖酶的活性［4］。蘭州新區(qū)農(nóng)耕地和城市綠地土壤有耕作和管理，熟化程度高，施肥使土壤肥力水平提高，蔗糖酶活性顯著高；未利用地土壤沒(méi)有管理和施肥，熟化程度低，肥力水平低，蔗糖酶活性顯著低。

由上述可知，蘭州新區(qū)不同土地利用類型對(duì)土壤酶活性有顯著影響，表層土壤中3 種酶活性皆呈農(nóng)耕地＞城市綠地＞未利用地的趨勢(shì)，新區(qū)的農(nóng)耕地土壤水、氣、熱及養(yǎng)分狀況好，土壤酶活性高，且其利用類型未改變，酶活性得到保持；城市綠地土壤酶活性顯著高于未利用地，說(shuō)明戈壁荒地土壤經(jīng)過(guò)改良，酶活性得到提高，土壤生態(tài)環(huán)境得到改善，由此可見(jiàn)，在蘭州新區(qū)城市化進(jìn)程中，土地利用類型的改變對(duì)土壤酶活性的影響基本上是有利的。

2.3 不同土地利用類型下土壤酶活性剖面分布特征

隨著土壤垂直剖面的變化，酶活性分布存在一定規(guī)律，不同土地利用類型下土壤酶活性剖面分布特征見(jiàn)表5

表5 不同土地利用類型下土壤酶活性剖面分布

表5 的結(jié)果表明，不同土地利用類型下，上述3 種酶活性皆呈隨土壤垂直剖面加深而降低的趨勢(shì)，且0～20cm 層顯著高于40～60cm 層；同一土壤深度垂直剖面下3 種酶活性皆呈農(nóng)耕地＞城市綠地＞未利用地的趨勢(shì)。3 種土地利用類型下，3種酶活性皆表現(xiàn)為0～40cm ＞40～60cm，是由于0～40cm 層土壤水、氣、熱狀況好，養(yǎng)分含量高，微生物活力增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤酶活性高；而隨著垂直剖面的加深，土壤水、氣、熱狀況變差，養(yǎng)分含量下降，微生物活力減弱，導(dǎo)致土壤酶活性降低，呈現(xiàn)土壤酶活性隨土壤垂直剖面加深而降低的趨勢(shì)。

2.4 相關(guān)性分析

2.4.1 土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分之間的相關(guān)性

為探究土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分因子之間的關(guān)系，將上述3 種酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分因子做相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 的結(jié)果表明，酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分之間的關(guān)系密切，而土壤酶與不同土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性也不同［14］。

表6 土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量間的相關(guān)系數(shù)（r）

農(nóng)耕地、城市綠地的脲酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮含量呈極顯著正相關(guān)。未利用地脲酶活性與水解氮呈顯著正相關(guān)，與其它養(yǎng)分均無(wú)顯著相關(guān)性。說(shuō)明脲酶能反映耕作和改良土壤的營(yíng)養(yǎng)水平，可作為評(píng)價(jià)農(nóng)耕地和城市綠地土壤肥力狀況的指標(biāo)。

農(nóng)耕地過(guò)氧化氫酶活性與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與其他養(yǎng)分均無(wú)顯著相關(guān)性；城市綠地過(guò)氧化氫酶活性與全氮呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分皆無(wú)顯著相關(guān)性；未利用地過(guò)氧化氫酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效鉀含量呈顯著、極顯著正相關(guān)，與有效磷無(wú)明顯相關(guān)性。表明過(guò)氧化氫酶活性可指示未利用地土壤的肥力狀況，不能指示耕作和人為改良土壤的肥力狀況。

農(nóng)耕地蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮呈極顯著的正相關(guān)，城市綠地蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮呈顯著、極顯著正相關(guān)，未利用地蔗糖酶活性與有機(jī)質(zhì)、水解氮呈極顯著正相關(guān)，因此蔗糖酶活性可作為評(píng)價(jià)上述3 種類型土壤肥力狀況的指標(biāo)。

2.4.2 土壤酶活性之間的相關(guān)性

不同土地利用類型下土壤酶活性之間的相關(guān)性見(jiàn)表7。

表7 土壤酶活性間的相關(guān)系數(shù)（r）

表7 的結(jié)果表明，不同土壤酶活性彼此之間也存在相關(guān)性，說(shuō)明在土壤物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，土壤酶的作用不僅具有專一性，同時(shí)也表現(xiàn)出一定的共同特征。酶的專一性可反映土壤中某類物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，而具有共同特征的酶，其總體活性可反映土壤的肥力狀況［20］。

3 結(jié)論與討論

本研究的主要結(jié)論有：（1）在蘭州新區(qū)的城市化進(jìn)程中，土地利用類型的改變對(duì)土壤養(yǎng)分有顯著影響，并且影響基本上是有利的，表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及水解氮含量皆表現(xiàn)出農(nóng)耕地＞城市綠 地＞未利用地的趨勢(shì)，而表層土壤有效磷和速效鉀含量則表現(xiàn)出城市綠地＞農(nóng)耕地＞未利用地的趨勢(shì)。（2）在蘭州新區(qū)的城市化進(jìn)程中，土地利用類型的改變對(duì)土壤酶活性有顯著影響，并且影響基本上是有利的，同一土壤深度垂直剖面下脲酶、過(guò)氧化氫酶及蔗糖酶活性皆呈農(nóng)耕地＞城市綠地＞未利用地的趨勢(shì)；不同土地利用類型下，3 種酶活性皆呈隨土壤垂直剖面加深而降低的趨勢(shì)，且0～20cm 層顯著高于40～60cm 層。（3）農(nóng)耕地和城市綠地的脲酶與蔗糖酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分相關(guān)性大，呈顯著或極顯著正相關(guān)，并且這兩種酶的活性也呈極顯著正相關(guān)。未利用地過(guò)氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，但農(nóng)耕地和城市綠地的過(guò)氧化氫酶活性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性小。

在蘭州新區(qū)的城市化進(jìn)程中，耕地土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量和酶活性得到保持，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)健康發(fā)展，蘭州新區(qū)的農(nóng)耕地應(yīng)盡量保持精細(xì)耕作、物種豐富的耕作方式，并且可采用如間作、輪作等多樣性的耕作方式。

蘭州新區(qū)城市綠地土壤養(yǎng)分含量和酶活性相對(duì)于未利用地有顯著提高，說(shuō)明土壤改良取得了一定效果，但由于新區(qū)基礎(chǔ)土壤鹽漬化情況嚴(yán)重，蘭州新區(qū)在綠化過(guò)程中應(yīng)實(shí)施適合當(dāng)?shù)赝寥赖母牧即胧绱罅渴┯糜袡C(jī)肥、施用牛羊糞、改善土壤的通氣性等來(lái)提高土壤肥力，為蘭州新區(qū)生態(tài)建設(shè)提供良好的土壤生態(tài)環(huán)境。