不同栽植年限、土層深度蘋(píng)果梨園土壤中磷酸酶與磷素變化研究

張 迪， 鄧 旭， 張 青， 李思澤， 梁運(yùn)江

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002)

延邊蘋(píng)果梨園因獨(dú)特的氣候條件和特有的梨品種而有別于國(guó)內(nèi)其它地方的果園生態(tài)系統(tǒng)。因?yàn)樯降丨h(huán)繞以及東臨日本海的原因，延邊具有海洋性濕潤(rùn)氣候特點(diǎn)，冬暖夏涼。由于獨(dú)特的氣候條件，形成了典型暗棕壤，具有明顯的冷涼淋溶特性。

磷是細(xì)胞膜和核酸的重要組成元素，對(duì)細(xì)胞分裂和植物組織分化起關(guān)鍵作用，與植物其它必需礦質(zhì)元素相比，土壤中磷的有效性低、遷移性差，導(dǎo)致部分土壤有效磷供應(yīng)不足。有研究表明土壤磷素缺乏會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，而過(guò)量的累積又會(huì)增加土壤磷素流失的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]，大量施用磷肥不僅直接造成磷礦資源的逐漸耗竭，而且導(dǎo)致土壤中磷素過(guò)剩，進(jìn)而引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題如磷素流失，水體富營(yíng)養(yǎng)化[5-8]。

植物體需要的磷主要是從土壤磷庫(kù)中獲得，土壤有機(jī)磷是土壤磷庫(kù)的重要組成部分，一般占土壤全磷的20%～80%，高的可達(dá)95%[9]。土壤有機(jī)磷的形態(tài)和轉(zhuǎn)化對(duì)土壤供磷能力和保障植物磷素營(yíng)養(yǎng)舉足輕重，研究表明，土壤酶活性可以有效的反映出土壤的綜合肥力，也可以反映出土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)換能力的強(qiáng)弱，土壤磷酸酶是土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動(dòng)因子[10]，是土壤中能催化有機(jī)磷水解反應(yīng)的酶，能將磷從有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中磷的活化，為植物提供速效養(yǎng)分。土壤磷酸酶包括酸性、堿性和中性磷酸酶，是土壤中植物、動(dòng)物和微生物活動(dòng)的產(chǎn)物，在有機(jī)磷分解和再利用方面起重要的作用[11]，植物根系吸收的磷形態(tài)為 H2PO4-和 HPO42-,土壤中的磷酸酶能將有機(jī)磷分解為無(wú)機(jī)態(tài)磷酸根離子進(jìn)而被植物吸收利用。植物根系對(duì)有機(jī)肥和土壤中有機(jī)磷的利用依賴(lài)土壤中磷酸酶的活性[12]。土壤中的磷酸酶能指示磷的豐缺和介導(dǎo)磷的循環(huán)。研究土壤中磷酸酶，對(duì)深入了解磷素循環(huán)具有重要意義[13]。在磷酸酶缺乏的情況下, 土壤有機(jī)磷的釋放需要幾百年的時(shí)間[14]，有研究表明，土壤中的酸性磷酸酶來(lái)自于微生物和植物，而堿性磷酸酶大部分來(lái)自于微生物[15]。目前，有關(guān)農(nóng)田、濕地等方面的土壤磷酸酶研究很多，對(duì)于荒漠草原等的土壤磷酸酶活性研究也逐漸增加，各種土地利用類(lèi)型的磷酸酶研究逐漸增多，然而關(guān)于北方經(jīng)濟(jì)果園蘋(píng)果梨園的磷酸酶研究依然鮮有。蘋(píng)果梨園作為一種北方寒地特有的土地利用方式，在全國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究中占有重要地位。因?yàn)檠舆叺貐^(qū)蘋(píng)果梨園氣候條件的特異性和梨品種的獨(dú)特性，使得土壤有機(jī)磷的分布、礦化和轉(zhuǎn)化過(guò)程具有研究意義。因此，該試驗(yàn)研究了蘋(píng)果梨園土壤中磷酸酶時(shí)空分異下的變化規(guī)律，及土壤磷酸酶與有機(jī)磷組分及速效磷的相互關(guān)系為北方果園磷循環(huán)研究提供理論支持，對(duì)指導(dǎo)北方果園合理施用磷肥也具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)材料采集及處理

龍井市延邊華龍果樹(shù)農(nóng)場(chǎng)蘋(píng)果梨園位于吉林省東部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°54′～129°48′、北緯42°21′～43°24′，果園行間清耕休閑，無(wú)灌水設(shè)施，管理?xiàng)l件較好。選擇龍井市延邊華龍果樹(shù)農(nóng)場(chǎng)采集地，于當(dāng)年秋季10月采集土壤樣品。分別選栽植年限為10、25、40、60年的蘋(píng)果梨園，按5點(diǎn)取樣法選取健康且長(zhǎng)勢(shì)良好的5株果樹(shù)(蘋(píng)果梨樹(shù)干周、冠幅信息見(jiàn)表1)，避開(kāi)施肥點(diǎn)，在距離樹(shù)干1 m處設(shè)置采樣點(diǎn)，分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的原狀土，混勻后分別放入塑料盒內(nèi)，帶回放置風(fēng)干后研磨過(guò)1 mm篩。

表1 采樣果園果樹(shù)的干周和冠幅

1.2 土壤基本化學(xué)性質(zhì)

土壤基本化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

1.3 測(cè)定方法及分析方法

采用磷酸苯二鈉法[11]對(duì)土壤中的磷酸酶活性進(jìn)行測(cè)定，得出酸性磷酸酶，中性磷酸酶和堿性磷酸酶的活力酚含量，通過(guò)SPSS、Excel等軟件采用單因素方差分析、堆積圖示等方法研究果園土壤時(shí)空分異下速效磷含量和土壤磷酸酶活性的變化趨勢(shì)。用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷，同時(shí)采用熊-范改進(jìn)Bowman-Cole法[16]，對(duì)土壤進(jìn)行有機(jī)磷分級(jí)，經(jīng)連續(xù)浸提得出活性有機(jī)磷、中活性有機(jī)磷、中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷含量，并結(jié)合果園土壤時(shí)空分異下的土壤磷酸酶活性，通過(guò)相關(guān)性分析等方法究果園土壤中磷酸酶活性與土壤中有機(jī)磷組分和速效磷的相互關(guān)系。

表2 土壤基本化學(xué)性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)空分異下蘋(píng)果梨園土壤速效磷的變化規(guī)律

2.1.1 在0～20 cm土壤層次中速效磷隨栽植年限的變化

荒地土壤與不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在0～20 cm土壤層次速效磷含量變化情況見(jiàn)圖1。在0～20 cm土壤層次中，栽植年限25年和40年的果園土壤速效磷含量極顯著高于荒地土壤(P<0.01)。隨栽植年限的增加，果園土壤中的速效磷含量先增后降，其中栽植年限為10年的果園土壤速效磷含量極顯著小于栽植年限25和40年(P<0.01)，10年速效磷含量18.49 mg/kg，而25年達(dá)到54.34 mg/kg。

圖1 0～20 cm土壤層次中速效磷隨栽植年限的變化

2.1.2 在20～40 cm土壤層次中速效磷隨栽植年限的變化

荒地土壤與不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在20～40 cm土壤層次速效磷含量變化情況見(jiàn)圖2。在20～40 cm土壤層次中，栽植年限40年和60年的果園土壤速效磷含量顯著高于荒地土壤(P<0.05)。果園土壤中的速效磷含量隨栽植年限的增加逐漸增加(P<0.05)，栽植年限為10年的果園土壤中速效磷含量最低，僅有5.13 mg/kg，在40和60年的時(shí)候達(dá)到峰值,含有29.59 mg/kg。

圖2 20～40 cm土壤層次中速效磷隨栽植年限的變化

2.1.3 在40～60 cm土壤層次中速效磷隨栽植年限的變化

荒地土壤與不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在40～60 cm土壤層次速效磷含量變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 40～60 cm土壤層次中速效磷隨栽植年限的變化

在40～60 cm土壤層次中，速效磷含量都較小。栽植年限為10和25年的果園土壤中，速效磷含量均低于荒地土壤,差異性不顯著(P>0.05)。隨栽植年限的增加，果園土壤中的速效磷含量先升后降，但差異不顯著(P>0.05)，栽植年限為40年的果園土壤中速效磷含量最高，但是僅為15.58 mg/kg。

2.2 時(shí)空分異下蘋(píng)果梨園土壤磷酸酶的變化規(guī)律

2.2.1 酸性磷酸酶的變化

荒地土壤與不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在不同土壤層次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的酸性磷酸酶變化情況見(jiàn)圖4。在0～20 cm土壤層次中，隨著栽植年限的增加，酸性磷酸酶活性先升后降，其中，10和25年差異不顯著，40和60年差異不顯著，10和25年顯著小于40年和60年(P<0.005)。在20～40 cm土壤層次中，隨著栽植年限的增加酸性磷酸酶活性先升后降，但差異不顯著(P>0.05)。在40～60 cm土壤層次中，隨著栽植年限的增加，酸性磷酸酶活性逐漸增加，但是差異性不顯著(P>0.05)。栽植年限為10年的土壤中，各層次酸性磷酸酶活性低于荒地，栽植年限為40年的土壤中，各層次酸性磷酸酶活性皆高于荒地。

圖4 不同栽植年限果園土壤酸性磷酸酶活性隨土壤層次的變化

2.2.2 中性磷酸酶的變化

荒地土壤與不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在不同土壤層次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的中性磷酸酶變化情況見(jiàn)圖5。在0～20 cm土壤層次中，土壤中的中性磷酸酶活性為40年>60年>10年>25年>荒地，栽植年限為40年的土壤中，中性磷酸酶活性顯著高于25年(P<0.05)。在20～40 cm和40～60 cm土壤層次中，土壤中的中性磷酸酶活性差異性不顯著(P>0.05)，其中，40～60 cm土壤層次中，不同栽植年限土壤的中性磷酸酶活性皆低于荒地。

圖5 不同栽植年限果園土壤中性磷酸酶活性隨土壤層次的變化

2.2.3 堿性磷酸酶的變化

荒地土壤與不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在不同土壤層次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的堿性磷酸酶變化情況見(jiàn)圖6。在0～20 cm土壤層次中，堿性磷酸酶活性隨栽植年限的增加呈上升趨勢(shì)，但差異不顯著(P>0.05)，荒地土壤堿性磷酸酶活性高于10和25年，低于40和60年。在20～40 cm土壤層次中，堿性磷酸酶隨栽植年限的增加呈先升高后下降趨勢(shì)(P>0.05)，除60年，其他園齡土壤堿性磷酸酶活性皆高于荒地。在40～60 cm土壤層次中，堿性磷酸酶活性趨于穩(wěn)定且活性較低(P=0.154)。

圖6 不同栽植年限果園土壤堿性磷酸酶活性隨土壤層次的變化

2.3 蘋(píng)果梨園土壤磷酸酶與有機(jī)磷組分及速效磷的相互關(guān)系

不同園齡(10、25、40、60年)的果園土壤在不同土壤層次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的有機(jī)磷組分含量及速效磷含量變化情況見(jiàn)表3。

表3 供試土壤有機(jī)磷組分含量

Table 3 Contents of organic phosphorus components in tested soil

果園/年土層/cm有機(jī)磷含量/(mg·kg-1)活性有機(jī)磷中活性有機(jī)磷中穩(wěn)性有機(jī)磷高穩(wěn)性有機(jī)磷100～2013.95±0.6475.23±0.3916.18±0.3721.1±0.4020～407.14±0.1535.21±0.558.00±0.3414.64±0.1040～605.03±0.3024.95±0.666.96±0.449.80±0.63250～2016.87±0.31268.08±0.7613.49±0.0327.91±0.6020～409.12±0.2859.78±2.267.07±0.708.88±0.4140～605.95±0.3840.16±0.228.11±0.413.58±0.61400～2013.07±0.15127.12±1.0112.61±0.9021.34±0.9420～408.23±0.85379.52±9.916.57±0.0111.53±1.1440～604.38±0.2034.52±1.215.80±0.361.85±0.42600～209.81±1.0890.11±1.6516.42±0.6618.10±0.6720～4011.37±0.5162.20±0.819.61±0.3819.26±1.1240～6011.35±1.0681.49±3.794.49±1.435.77±1.23

經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析可知(表4)，土壤中的酸性、中性和堿性磷酸酶活性?xún)蓛芍g均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤中的酸性、中性和堿性磷酸酶活性同速效磷含量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤中的酸性、中性和堿性磷酸酶活性同全磷含量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。酸性、中性磷酸酶活性同活性有機(jī)磷含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。堿性磷酸酶活性與活性有機(jī)磷含量和中活性有機(jī)磷活性均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，堿性磷酸酶活性同中穩(wěn)定性有機(jī)磷含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表4 土壤磷酸酶與土壤有機(jī)磷組分等的相關(guān)性

注：**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 討論

隨土壤層次的加深，土壤中速效磷含量逐漸降低。在0～20 cm和20～40 cm土壤層次中，栽植年限對(duì)速效磷影響顯著，在栽植年限25和40年果園土壤中，速效磷含量較多,10和60年相對(duì)較少。

土壤中的磷酸酶活性變化規(guī)律為：酸性>中性>堿性，差異性極顯著(P<0.01)。供試土壤為典型暗棕壤pH值為4.1～6.32，酸性磷酸酶培養(yǎng)液pH值為5,中性磷酸酶培養(yǎng)液pH值為7，堿性磷酸酶培養(yǎng)液pH值為10,相較而言，酸性磷酸酶培養(yǎng)液更接近于土壤酸堿度。王涵等[17]研究表明，pH值對(duì)土壤酶活性有影響。酸性磷酸酶顯著高于堿性磷酸酶的原因, 可能與土壤的酸堿性大小有關(guān), 在酸性土壤中的酸性磷酸酶占優(yōu)勢(shì)。

隨著土壤層次的加深，酸性、中性和堿性磷酸酶活性都逐漸降低，其中，酸性和中性磷酸酶表現(xiàn)較明顯，這與蒼真名[18]研究結(jié)果相似。秋季枯枝落葉的堆積腐爛產(chǎn)生了腐殖質(zhì)，從而提高了表層土壤磷素含量[19]，進(jìn)而促進(jìn)了磷酸酶的產(chǎn)生。該研究供試土壤為10、25、40、60年園齡的蘋(píng)果梨園土壤，對(duì)于蘋(píng)果梨樹(shù)來(lái)說(shuō)分別屬于幼齡、初果、盛果和老齡4個(gè)時(shí)期。在0-20 cm土壤層次中磷酸酶活性顯著大于20-40 cm和40-60 cm土壤層次。栽植年限40年和60年的果園土壤酸性磷酸酶活性顯著大于10年和20年。0-20 cm土壤層次中，栽植年限40年的果園土壤中性磷酸酶活性顯著大于20年。堿性磷酸酶活性隨栽植年限的增加變化不顯著。由此可見(jiàn)，盛果期需要磷素更多，所以根系會(huì)分泌更多磷酸酶[20]，進(jìn)而礦化分解得到需要的速效磷，而0～20 cm主要為腐殖質(zhì)沉積物，有機(jī)質(zhì)含量高，磷素和微生物含量也高，所以對(duì)應(yīng)磷酸酶含量也高，且根系主要集中在0～40 cm的土壤層次中，所以0～40 cm土壤層次中磷酸酶活性更高。40～60 cm土壤層次中，根系較少，氧氣也較0～40 cm的少，所以磷酸酶含量也相對(duì)較低。

該研究與李喬等[21]把酸性、堿性磷酸酶和速效磷含量進(jìn)行相關(guān)性分析后，所得相關(guān)性結(jié)果不顯著不同，該研究土壤中的酸性、中性和堿性磷酸酶活性同速效磷含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，證實(shí)了磷酸酶能夠參與土壤中的磷素分解和礦化，為植物提供速效養(yǎng)分。酸性、中性磷酸酶活性與中活性和中穩(wěn)定性有機(jī)磷含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，酸性、中性磷酸酶活性同活性有機(jī)磷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。堿性磷酸酶活性與活性有機(jī)磷含量和中活性有機(jī)磷活性均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，堿性磷酸酶活性同中穩(wěn)定性有機(jī)磷含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。磷酸酶活性與活性、中活性以及中穩(wěn)性有機(jī)磷組分的含量存在著顯著的相關(guān)性，這與耿玉清等[22]研究結(jié)果相近,這表明磷酸酶在有機(jī)磷各組分轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有重要作用，磷酸酶參與有機(jī)磷組分間的轉(zhuǎn)化，加快有機(jī)磷向速效養(yǎng)分的礦化過(guò)程。從目前來(lái)看, 由于土壤酶來(lái)源廣泛、研究方法復(fù)雜, 目前生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分有效性和土壤磷酸酶活性的相關(guān)關(guān)系依然值得研究。

4 結(jié)論

土壤中磷酸酶活性的變化規(guī)律為：酸性>中性>堿性。磷酸酶活性隨著土壤層次的加深逐漸下降。在0～20 cm土壤層次中磷酸酶活性顯著大于20～40 cm和40～60 cm土壤層次。栽植年限40年和60年的果園土壤酸性磷酸酶活性均顯著大于10年和20年。0～20 cm土壤層次中，栽植年限40年的果園土壤中性磷酸酶活性顯著大于20年。堿性磷酸酶活性隨栽植年限的增加變化不顯著。土壤中的酸性、中性和堿性磷酸酶活性極顯著影響速效磷含量。酸性、中性磷酸酶活性與活性有機(jī)磷含量和中活性和中穩(wěn)定性有機(jī)磷含量呈極顯著正相關(guān)，酸性、中性磷酸酶活性同活性有機(jī)磷含量呈顯著正相關(guān)。堿性磷酸酶活性與活性有機(jī)磷含量和中活性有機(jī)磷活性均呈極顯著正相關(guān)，且同中穩(wěn)定性有活性有機(jī)磷含量和機(jī)磷含量顯著正相關(guān)。