東北黑土區(qū)坡耕地侵蝕溝淺層土壤酶特征及其影響因素

杜兆國　肖洋　張瑞豪　徐金忠　邵社剛　倪棟　張振燁

［關(guān)鍵詞］土壤酶；侵蝕溝；坡耕地；土壤理化性質(zhì)；東北黑土區(qū)

［摘要］東北黑土區(qū)作為我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，侵蝕溝發(fā)育導(dǎo)致土壤地力下降，嚴(yán)重制約了黑土區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。為了分析黑土區(qū)侵蝕溝發(fā)育對表層土壤酶活性的影響，探究酶活性對侵蝕-沉積作用的響應(yīng)機制，選取黑龍江省哈爾濱市延壽縣雙奎河雙安村河段不同發(fā)育程度的侵蝕溝作為研究對象，測定不同發(fā)育程度侵蝕溝溝頭、溝中、溝尾段0～40 cm土層的堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性和土壤理化性質(zhì)，并進行相關(guān)性分析和冗余分析，結(jié)果表明：①隨著侵蝕發(fā)育，土壤酶活性總體呈下降趨勢，隨著土層加深，土壤酶活性降低；②4類酶活性和土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著正相關(guān)、和土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)，有機質(zhì)含量是影響土壤酶活性最主要的因子；③在侵蝕-沉積作用下，土壤酶活性基本呈現(xiàn)溝頭、溝中段隨侵蝕發(fā)育而下降明顯，溝尾段因沉積作用而下降減緩的規(guī)律。

［中圖分類號］ S154；S157.1［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）08－0038－06

微生物活動釋放的酶參與了土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分的形成[1]、循環(huán)[2]、分解[3]、礦化[4]等諸多環(huán)節(jié)，其催化活動是土壤生物化學(xué)反應(yīng)的重要一環(huán)。酶的活性與土壤環(huán)境息息相關(guān)，因土壤酶對外界氣候、地形、植被等環(huán)境因素具備較強敏感性，故成為表征土壤理化性質(zhì)狀況的重要指標(biāo)[5]。測定酶的活性，可以了解特定養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化速率，掌握土壤生物化學(xué)反應(yīng)的相對強度[6]。侵蝕作為土壤退化的重要表現(xiàn)形式之一，不僅在宏觀上生成溝道改變地形，而且直接影響了土壤生態(tài)的微觀環(huán)境[7-8]。大量研究表明侵蝕溝的演變對土壤理化性質(zhì)有顯著影響，造成土壤粒徑分布和土壤內(nèi)部溫度、含水量等水熱條件的變化[9]，進而改變土壤酶活性[10-12]。

侵蝕作用會打破土壤養(yǎng)分和微生物之間的良性循環(huán)，導(dǎo)致土壤地力下降，影響糧食產(chǎn)量[13-14]。東北黑土區(qū)作為我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，每年因侵蝕造成的糧食損失多達(dá)280萬t，侵蝕溝的發(fā)育導(dǎo)致土壤地力下降，嚴(yán)重制約了黑土區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。本研究以東北黑土區(qū)不同發(fā)育程度的侵蝕溝為研究對象，通過量化分析不同侵蝕發(fā)育程度侵蝕溝溝頭、溝中、溝尾段0～40 cm表層土壤酶活性分布狀況，探討侵蝕作用對表層黑土土壤酶活性的影響，以期為黑土區(qū)侵蝕溝治理工作提供支撐。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)雙奎河雙安村河段位于黑龍江省哈爾濱市延壽縣，屬松嫩平原和小興安嶺余脈的過渡區(qū)，以低丘地形為主，海拔145～300 m。屬寒溫帶大陸性氣候區(qū)，年均氣溫2.8 ℃，年均降水量571.7 mm。土壤類型為黑土，有機質(zhì)含量1%～8%，土壤質(zhì)地為壤土和黏壤土，底層成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀亞土。經(jīng)現(xiàn)場實測，地表下垂直高度20～25 cm處存在明顯的犁底層，平均厚度約4 cm。

2試驗設(shè)計

2.1土樣采集

為保證室外環(huán)境下試驗變量的一致性，在雙奎河雙安村河段選取一條支流（流域面積0.13～1.3 km2），采集時間為2021年5月春耕前，此時無積雪、降水少，氣候、人為因素對土壤的擾動較小。此外要確保采集土樣的海拔、坡向、坡度等地形因素相近。采樣時侵蝕溝地貌中主要分布的植物種類包括蔞蒿、薹草、杞柳、紅足蒿、青蒿等。

依據(jù)黑龍江省地方標(biāo)準(zhǔn)《侵蝕溝分級與分類》（DB23/T 2412—2019），選取流域內(nèi)3條不同發(fā)育程度的侵蝕溝，分別記為淺溝A1、小型半穩(wěn)定溝A2、中型穩(wěn)定切溝A3（見圖1），侵蝕發(fā)育程度為A1＜A2＜A3。各溝道的坡面沿縱斷面線分為溝頭、溝中、溝尾3個部位，分別在每個部位的坡面位置設(shè)置2個溝坡采樣區(qū)，在溝底集水區(qū)設(shè)置1個溝底采樣區(qū)（見圖2），采樣區(qū)大小為0.5 m×0.5 m。溝坡采樣時需垂直于坡面，溝底采樣前需去除厚3 cm的上游沖刷浮土。每個采樣區(qū)在采集時以地表為基準(zhǔn)，按照機械分層法垂直向下分別采集0～20 cm、＞20～40 cm兩個土層，采集樣方尺寸為長15 cm×寬15 cm×深20 cm，重復(fù)采樣3次。在溝道溝頭間設(shè)置未發(fā)生侵蝕的空白對照組CK，同樣在0～20 cm、＞20～40 cm兩個土層采樣3次后進行混樣處理。采樣點基本情況見表1。

2.2土樣測定

采集的土樣使用塑料盒妥善保存，3份重復(fù)樣品中：1份存儲于-20 ℃的冰柜中用于測定土壤微生物量，參與酶活性計算；另外2份在避光處攤開陰干、過篩，分別用于測定土壤理化性質(zhì)和酶活性。土壤理化性質(zhì)和酶活性的測定方法見表2，測定得到的土壤理化性質(zhì)結(jié)果見表3。

2.3數(shù)據(jù)分析

完成土樣采集和測定后，采用SPSS 25、Excel 2020軟件對測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析，采用Canoco 5.0軟件進行冗余分析。

3結(jié)果

3.1不同發(fā)育程度侵蝕溝的土壤酶活性特征

3.1.1堿性磷酸酶

不同發(fā)育程度溝道間堿性磷酸酶活性變化顯著（p＜0.05）（見圖3）。表4是不同發(fā)育程度侵蝕溝溝頭、溝中、溝尾段0～40 cm土層的堿性磷酸酶活性，在0～20 cm土層，A1、A2、A3的堿性磷酸酶活性分別為0.51、0.54、0.20 μg/（g·h），各溝道堿性磷酸酶活性相較于CK分別下降17.74%、12.90%和67.74%，總體呈隨侵蝕發(fā)育波動下降趨勢；在＞20～40 cm土層，A1、A2、A3的堿性磷酸酶活性分別為0.30、0.24、0.12 μg/（g·h），各溝道堿性磷酸酶活性呈CK＞A1＞A2＞A3，隨著侵蝕發(fā)育，堿性磷酸酶活性不斷下降。各溝道0～20 cm土層堿性磷酸酶活性總體高于＞20～40 cm土層，且二者之間差異極顯著（p＜0.01），表明隨土層加深，堿性磷酸酶活性下降。從空間分布上來看，A1、A2、A3中0～20 cm土層和＞20～40 cm土層的堿性磷酸酶活性最大值均出現(xiàn)在溝尾段，且在沉積作用下，堿性磷酸酶活性在溝尾段隨侵蝕發(fā)育而降幅減緩，而在溝頭、溝中段則隨著侵蝕溝發(fā)育降幅明顯。

3.1.2脲酶

不同發(fā)育程度溝道間土壤脲酶活性變化顯著（p＜0.05）（見圖4）。表5是不同發(fā)育程度侵蝕溝溝頭、溝中、溝尾段0～40 cm土層的脲酶活性，在0～20 cm土層，A1、A2、A3的脲酶活性分別為1.59、1.08、1.02 μg/（g·h），分別較CK下降了4.22%、34.94%、38.55%，在＞20～40 cm土層，A1、A2、A3的脲酶活性分別為1.07、0.65、0.61 μg/（g·h），分別較CK下降了15.08%、48.41%、51.59%。0～20 cm和＞20～40 cm土層脲酶活性均呈現(xiàn)CK＞A1＞A2＞A3，脲酶活性隨著侵蝕發(fā)育呈遞減趨勢。各溝道0～20 cm土層脲酶活性總體高于＞20～40 cm土層，且二者之間差異極顯著（p＜0.01），表明隨土層加深，脲酶活性下降；且兩個土層間的脲酶活性變化率A3＞A2＞A1，表明侵蝕溝的發(fā)育加速了脲酶活性的下降。各溝道＞20～40 cm土層脲酶活性的變異系數(shù)高于0～20 cm土層，表明在＞20～40 cm土層脲酶活性受侵蝕發(fā)育的影響更大。從空間分布上看，A1、A2、A3溝尾段脲酶活性較CK的降幅最小，表明隨著侵蝕發(fā)育，溝尾段脲酶活性下降最少，溝頭段下降最多。

3.1.3蔗糖酶

不同發(fā)育程度溝道間土壤蔗糖酶活性變化不顯著（見圖5）。表6是不同發(fā)育程度侵蝕溝溝頭、溝中、溝尾段0～40 cm土層的蔗糖酶活性，在0～20 cm土層，A1、A2、A3的蔗糖酶活性分別為47.37、48.55、44.28 μg/（g·h），呈CK＞A2＞A1＞A3的趨勢；在＞20～40 cm土層，A1、A2、A3的蔗糖酶活性分別為26.68、24.31、31.71 μg/（g·h），分別較CK下降了18.78%、26.00%、3.44%。各溝道0～20 cm土層蔗糖酶活性總體高于＞20～40 cm土層，且二者之間差異極顯著（p＜0.01），表明隨土層加深，蔗糖酶活性下降。從空間分布上看，在0～20 cm土層，溝頭、溝中段蔗糖酶活性隨侵蝕發(fā)育呈下降趨勢，而溝尾段呈上升趨勢，且A2、A3溝尾段的蔗糖酶活性均高于CK，表明蔗糖酶活性在溝頭、溝中段受到養(yǎng)分遷移的影響，在侵蝕區(qū)活性下降，而在溝尾段養(yǎng)分沉積，蔗糖酶活性隨侵蝕發(fā)育而增加。

3.1.4過氧化氫酶

不同發(fā)育程度溝道間土壤過氧化氫酶活性變化顯著（p＜0.05）（見圖6）。表7是不同發(fā)育程度侵蝕溝溝頭、溝中、溝尾段0～40 cm土層的過氧化氫酶活性，在0～20 cm土層，A1、A2、A3的過氧化氫酶活性分別為2.85、2.28、2.32 μg/（g·h），分別較CK下降了8.65%、26.92%、25.64%，表明過氧化氫酶活性隨侵蝕發(fā)育呈波動下降趨勢；在＞20～40 cm土層，A1、A2、A3的過氧化氫酶活性分別為2.05、1.28、1.68 μg/（g·h），過氧化氫酶活性整體呈現(xiàn)CK＞A1＞A3＞A2，過氧化氫酶活性最小值出現(xiàn)在A2。各溝道0～20 cm土層過氧化氫酶活性總體高于＞20～40 cm土層，且二者之間差異顯著（p＜0.05），隨土層加深，過氧化氫酶活性下降。

3.2酶活性的影響因素分析

3.2.1酶活性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

將各項酶活性和土壤理化性質(zhì)指標(biāo)采用SPSS軟件進行探索性因子分析，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統(tǒng)計量為0.759（p＜0.001），表明變量之間相關(guān)性較強。表8是酶活性和土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果，堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶4類酶活性均與有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀、有效磷、堿解氮7項土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），表明隨著侵蝕發(fā)育，土壤養(yǎng)分逐漸減少，酶活性隨之下降。4類酶活性與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05），隨著土壤密度的增加，酶活性下降。堿性磷酸酶活性與土壤含水量呈顯著正相關(guān)（p＜0.01），其余3類酶活性與土壤含水量之間的關(guān)系不顯著。

酶活性和土壤理化性質(zhì)的冗余分析結(jié)果見圖7。在0～40 cm土層中，第一軸與第二軸分別解釋了土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)變化的51.8%和4.34%，總解釋度為56.14%。在各項理化性質(zhì)指標(biāo)中，土壤有機質(zhì)含量是影響土壤酶活性的最主要因子，其解釋度為46.0%（p=0.002），表明有機質(zhì)的分布極大影響著侵蝕溝道內(nèi)生物酶的活性；其次是全氮含量與速效鉀含量，解釋度分別為3.2%（p=0.044）和2.8%（p=0.048）。同時堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶4類酶活性指標(biāo)均與有機質(zhì)含量、全氮含量與速效鉀含量呈正相關(guān)關(guān)系，表明隨著侵蝕溝發(fā)育，有機質(zhì)、全氮、速效鉀等土壤肥力的遷移進一步影響了土壤中生物酶的活性。

3.2.2酶活性與土壤侵蝕的關(guān)系

堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶與土壤養(yǎng)分的變化均具有相對專一性，可以比較準(zhǔn)確地反映土壤中有機質(zhì)和氮、磷、鉀的含量。酶活性主要受土壤養(yǎng)分中的有機質(zhì)、全氮和速效鉀含量的影響，而侵蝕溝內(nèi)各部位的酶活性也受土壤養(yǎng)分遷移的影響。從空間分布上來看，在侵蝕-沉積作用下，溝頭、溝中段被侵蝕的土壤裹挾土壤養(yǎng)分遷移，在溝尾段沉積；受土壤養(yǎng)分遷移的影響，土壤酶活性基本呈現(xiàn)出溝頭、溝中段隨侵蝕發(fā)育而下降明顯，溝尾段因沉積作用而下降減緩的規(guī)律。

黑土區(qū)侵蝕溝的發(fā)育主要分為3個方面：一是溯源侵蝕。主要是由地表徑流驅(qū)動，當(dāng)降水強度超過土壤入滲速度時形成徑流，徑流在集水區(qū)匯集，沖蝕沿途的土壤，造成水土流失，同時土壤養(yǎng)分也隨徑流遷移，溝頭段土壤隨侵蝕發(fā)育逐漸“粗骨化”“貧瘠化”，使得微生物失去營養(yǎng)來源，造成溝頭段酶活性的下降，堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性在溝頭段隨侵蝕發(fā)育呈下降趨勢均能證明這個規(guī)律。二是溝壁崩塌。溝壁崩塌在淺溝尚不明顯，當(dāng)侵蝕溝發(fā)育為切溝時，坡面不同部位的土壤理化性質(zhì)差異逐漸明顯，坡面頂部受雨滴濺蝕，土壤機械位移較少，而坡面上、中部同時受到徑流沖刷，土壤養(yǎng)分被徑流剝離并向下沉積，造成坡面土壤養(yǎng)分的流失和坡腳處土壤養(yǎng)分的累積，使得土壤養(yǎng)分在坡面呈現(xiàn)多—少—多的分布規(guī)律，酶活性則呈現(xiàn)相同分布規(guī)律。三是溝底下切。侵蝕溝發(fā)育時，表層土壤質(zhì)地疏松，且微生物活動劇烈的肥沃土壤被沖蝕，裸露出相對貧瘠緊實的下層土層，加上黑土分層明顯，使得酶活性在不同土層間差異顯著，本研究中堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶4類酶活性在0～20 cm和＞20～40 cm土層間均差異顯著。

4結(jié)論

1）除蔗糖酶外，不同發(fā)育程度侵蝕溝間土壤堿性磷酸酶活性、脲酶活性、過氧化氫酶活性差異顯著（p<0.05），4類酶活性在0～20 cm和＞20～40 cm土層間均差異顯著（p<0.01）。隨著侵蝕發(fā)育，土壤酶活性總體呈下降趨勢；隨著土層加深，土壤酶活性降低。

2）4類酶活性均與有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀、有效磷、堿解氮7項土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），與土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）。冗余分析結(jié)果表明，有機質(zhì)含量是影響土壤酶活性最主要的因子，其解釋度為46.0%（p=0.002），其次是全氮含量和速效鉀含量，解釋度分別為3.2%（p=0.044）和2.8%（p=0.048）。

3）在侵蝕-沉積作用下，溝頭、溝中段被侵蝕的土壤裹挾土壤養(yǎng)分遷移，在溝尾段沉積；受到土壤養(yǎng)分遷移的影響，土壤酶活性基本呈現(xiàn)出溝頭、溝中段隨侵蝕發(fā)育而下降明顯，溝尾段因沉積作用而下降減緩的規(guī)律。

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收稿日期： 2023-06-30

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃項目子課題（2021YFD150080503）；黑龍江省自然科學(xué)基金項目（LH2020D018）；公路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室開放課題（2014—8801）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2017—9058）

第一作者： 杜兆國（1971—），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，學(xué)士，主要從事水土保持生態(tài)建設(shè)工作。

通信作者： 肖洋（1978—），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水土保持研究。

E-mail： xiaoyang@hlju.edu.cn

（責(zé)任編輯李佳星）