不同土地利用類型對(duì)土壤纖維素酶活性及肥力因子的影響

曾婷 侯萌 王耀 彭博 湯博宇 趙曉蕊 隋躍宇 焦曉光

摘要：為揭示不同土地利用類型對(duì)土壤纖維素酶活性（soil cellulase activity，SCA）和土壤肥力因子的影響，闡明土壤肥力因子與SCA之間的關(guān)系及影響，在黑龍江省海倫市，選擇土地利用類型為旱地和有林地的土壤為研究對(duì)象，運(yùn)用通徑分析方法，闡明土壤肥力因子對(duì)SCA的正負(fù)效應(yīng)。結(jié)果表明，有林地土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷、含水率、SCA極顯著高于旱地；旱地土壤的pH極顯著高于有林地。相關(guān)性分析表明，旱地土壤SCA與有機(jī)碳、全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；有林地土壤SCA與有機(jī)碳含量和土壤含水率呈極顯著正相關(guān)性，與全氮含量呈顯著正相關(guān)。通徑分析表明，土壤pH、全氮和含水率是直接顯著影響旱地土壤SCA的重要因子， 有機(jī)碳和全氮對(duì)SCA產(chǎn)生間接負(fù)效應(yīng)；有機(jī)碳、全氮是決定有林地土壤SCA的主控因子。土壤肥力因子與SCA在旱地與有林地間存在極顯著差異，旱地土壤肥力水平與SCA劣于有林地，說(shuō)明該區(qū)域旱地存在長(zhǎng)期高強(qiáng)度人為利用，導(dǎo)致旱地的養(yǎng)分狀況發(fā)生退化，水分減少。

關(guān)鍵詞：土壤纖維素酶活性；旱地；有林地；土壤肥力因子

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.1046

中圖分類號(hào)：S153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2024）01019308

土壤纖維素酶（soil cellulase， SCL）是土壤中的一種復(fù)合酶，在分解含纖維素凋落物的過(guò)程中充當(dāng)生物催化劑[1]，其活性對(duì)表征土壤熟化程度具有重要的科學(xué)意義[2]。植物纖維如根系、葉片和莖稈等殘留在土壤中，在土壤纖維素酶的作用下轉(zhuǎn)化為可被土壤微生物利用的含碳營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在土壤碳代謝中占據(jù)重要地位[34]，因此土壤纖維素酶活性（soil cellulase activity，SCA）的變化亦指示著土壤碳庫(kù)活度與含量的變更狀態(tài)[5]。不同土地利用類型的土壤中，土壤酶活性會(huì)存在著顯著的空間差異性[6]。土地利用類型改變會(huì)引起土壤質(zhì)量發(fā)生變化，使土壤微生物多樣性、土壤酶活性和土壤有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生改變[78]。土地利用類型的改變以及農(nóng)業(yè)利用等人為干擾過(guò)程對(duì)土壤質(zhì)量造成許多不良影響，如土壤退化、破壞土壤結(jié)構(gòu)和影響土壤微生物生存環(huán)境等，從而使得土壤酶活性下降[910]。

黑土是我國(guó)珍惜的土壤資源，黑土的可持續(xù)利用與黑土的健康保護(hù)關(guān)乎我國(guó)糧食安全與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[11]。海倫市位于我國(guó)東北松嫩平原厚層黑土區(qū)域的腹地，作為黑龍江省的農(nóng)業(yè)強(qiáng)縣，海倫市全域約95% 以上為旱地和有林地。海倫地區(qū)的旱地農(nóng)田土壤常種植玉米、大豆等作物，由于持續(xù)多年的高強(qiáng)度利用，旱地土壤水氣熱狀況與土壤理化性質(zhì)均發(fā)生了顯著變化，土壤微生物的生存環(huán)境受到干擾，土壤酶活性也可能受到土壤理化性質(zhì)變化的影響[12]。研究表明，由于土地利用類型變化導(dǎo)致的氮沉降在短時(shí)間內(nèi)能促進(jìn)土壤纖維素酶活性的提高，但隨著時(shí)間的推移，酶活性對(duì)氮源增加的響應(yīng)力度降低[13]。旱地土壤水分供應(yīng)條件相對(duì)較差，合理的耕作方式和土壤管理方法是提高水分利用效率的主要途徑，而由于土壤含水率與酶活性呈正相關(guān)，因此，土壤水分狀況的改善也有利于土壤酶活性的提升[1415]。天然林地的土壤酶活性通常會(huì)隨著枯枝落葉的更新速度形成規(guī)律，且隨著土層深入，不同土壤酶的活性變化情況存在差異[16]。土地利用類型的不同會(huì)顯著影響土壤微生物生存環(huán)境和多樣性、植物根際環(huán)境以及土壤養(yǎng)分等產(chǎn)生差異，并最終導(dǎo)致土壤酶活性隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化[17-19]。

闡明土地利用類型與土壤纖維素酶活性、肥力因子間的潛在關(guān)系，是理解自然與人為作用下土壤質(zhì)量演變過(guò)程的前提，也是合理利用土壤資源的基礎(chǔ)。就目前來(lái)看，針對(duì)在不同土地利用類型下土壤纖維素酶活性與土壤肥力因子之間分析的研究仍較缺乏?；诖?，本研究擬以黑龍江省海倫市為研究區(qū)域，以不同土地利用類型土壤為研究對(duì)象，探索海倫市不同利用土地類型下土壤纖維素酶活性、肥力因子的差異以及土壤纖維素酶活性與肥力因子間的關(guān)系，為優(yōu)化區(qū)域土壤資源管理、提升海倫地區(qū)土壤肥力提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省海倫市（N 46°58′—47°52′，E 126°14′—127°45′），區(qū)域總面積為4 667 km2。海倫地處松嫩平原東北端，區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)西南低東北高，最高海拔471 m，最低海拔147 m；氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤?，年均降水量?00～600 mm，年均氣溫2 ℃，有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及土壤樣品采集

根據(jù)海倫市典型土壤類型及分布特征，本研究采集的土壤主要為黑土、暗棕壤和草甸土，土地利用類型為旱地（dry land，DL）和有林地（forestland，F(xiàn)L）?；诰W(wǎng)格采樣法，在黑龍江省海倫市共布置35個(gè)采樣點(diǎn)，其中旱地25個(gè)樣點(diǎn)，有林地10 個(gè)樣點(diǎn)，如圖1 所示。采樣時(shí)間為2021 年10月。采樣方式為梅花式五點(diǎn)取樣法，同一土層5個(gè)樣點(diǎn)的土樣混合均勻?yàn)?個(gè)樣品，每個(gè)樣點(diǎn)表層覆蓋物的覆蓋程度不一，使用土鉆采集表層（0—20 cm）土壤樣品，將土壤樣品中的枯枝落葉等去除，將樣品分裝為2份，及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室。一份于4 ℃冰箱保存，用于土壤酶活性分析；另一份風(fēng)干后研磨過(guò)篩，用于土壤養(yǎng)分含量測(cè)定。海倫市土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺(tái)（http：//www.resdc.cn）。

1.3 樣品測(cè)定與分析

采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定土壤纖維素酶活性（SCA）。取5.00 g土樣于離心管中，加入甲苯、緩沖液和1％羧甲基纖維素溶液后，密封好存放在37～38 ℃的恒溫箱中培養(yǎng)72 h，完成培養(yǎng)后，測(cè)定土壤生成的葡萄糖（mg）。

采用常規(guī)方法[20]測(cè)定土壤理化因子。其中采用元素分析儀進(jìn)行測(cè)定土壤有機(jī)碳（soil organiccarbon， SOC）、全氮（total nitrogen， TN）含量；采用酸溶- 鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷（totalphosphorus， TP）含量；以2.5：1的水土比采用酸度計(jì)測(cè)定土壤pH；采用稱重法測(cè)定土壤含水率（soilmoisture content， SMC）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；利用SPSS軟件進(jìn)行顯著性分析、描述性統(tǒng)計(jì)、線性回歸分析。采用GraphPad Prism 繪制箱線圖，Rstudio 繪制相關(guān)性圖，通過(guò)SPSS、Excel 和Visio計(jì)算并繪制出通徑分析圖，在ArcGis與Photoshop中繪制采樣區(qū)域以及樣點(diǎn)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 海倫市不同土地利用類型纖維素酶活性及肥力因子的差異分析

由圖2和表1可知，旱地土壤pH為6.30，是有林地的1.08倍，存在極顯著差異；旱地土壤有機(jī)碳（SOC）含量極其顯著低于有林地，旱地為27.83 g·kg?1，有林地是旱地的1.63倍；有林地土壤全氮（TN）含量高達(dá)4.04 g·kg?1，極其顯著高于旱地；土壤全磷（TP）含量在不同土地利用類型表現(xiàn)為有林地>旱地，有林地較旱地極顯著增加35.62％；有林地土壤含水率（SMC）高達(dá)51.48％，較旱地極其顯著增加19.31％ ；旱地和林地的土壤纖維素酶活性（SCA）活性分別為9.56 和18.01 mg·g?1·d?1，兩者間差異極其顯著。

在旱地和有林地，SOC、TN、TP、SMC、SCA的變異系數(shù)為10％～100％，呈中等變異水平，但旱地和有林地土壤pH的變異系數(shù)均低于10％，呈弱變異水平。有林地土壤pH、SOM、TN、TP、SMC、SCA的變異系數(shù)均高于旱地。由此表明，人為施加肥料、農(nóng)田措施和耕作措施等外界因素使海倫地區(qū)的土壤纖維素酶活性變異水平在空間分布受到影響。

2.2 海倫市土壤纖維素酶活性與肥力因子的相關(guān)性分析

2種土地利用類型下土壤纖維素酶活性與土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性如圖3所示。當(dāng)土地利用類型為旱地時(shí)， SCA與SOC、TN呈顯著負(fù)相關(guān)；TN與pH、SOC 呈顯著或極顯著正相關(guān)；TP 與SOC、TN呈極顯著正相關(guān)。當(dāng)土地利用類型為有林地時(shí)，SCA與SOC、SMC呈極顯著正相關(guān)，與TN呈顯著正相關(guān)；SOC與TN、SMC呈極顯著正相關(guān)性；TN與SMC呈極顯著正相關(guān)。這與陳琳[21]對(duì)沈北新區(qū)不同土地類型土壤酶活性及其影響因素研究結(jié)果相似，由此說(shuō)明，在海倫區(qū)域不同土地利用類型下，土壤纖維素酶活性與TN、SOC、SMC存在著緊密的關(guān)系。

2.3 海倫市旱地與有林地土壤肥力因子對(duì)土壤纖維素酶活性的影響

由圖4可知，在旱地，養(yǎng)分因子對(duì)SCA的直接影響程度表現(xiàn)為pH>TN>SMC>TP>SOC，對(duì)SCA的間接影響程度表現(xiàn)為SOC>TN>TP>pH>SMC；在有林地，養(yǎng)分因子對(duì)SCA的直接影響程度表現(xiàn)為SOC>TN>TP>SMC>pH，對(duì)SCA 的間接影響程度表現(xiàn)為TN>SOC>pH>TP>SMC。由此表明，SCA受SOC 的直接影響作用最大，且SOC 通過(guò)影響pH、TN、TP、SMC對(duì)SCA產(chǎn)生間接負(fù)效應(yīng)，故SCA與SOC存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；TN對(duì)SCA產(chǎn)生較強(qiáng)的直接負(fù)效應(yīng)，但其通過(guò)影響pH、SOC、TP、SMC對(duì)SCA產(chǎn)生較強(qiáng)的間接正效應(yīng)，故TN與SCA呈顯著正相關(guān)關(guān)系； pH對(duì)SCA的直接影響作用較弱，因此pH與SCA相關(guān)不顯著。

由表2可知，在旱地，TP、SMC與SCA存在著較弱的線性關(guān)系，R?分別為0.07、0.02；pH、SOC、TN 與SCA 間存在較好的線性關(guān)系，R?分別為0.13、0.16、0.18，即SCA 隨著pH、SOC、TN 的增高而降低。在有林地，SCA 與pH 的線性關(guān)系較差（R?=0.09），且SCA 隨著pH 的下降而增高；SOC、TN、TP、SMC 與SCA 有著較好的線性關(guān)系，R?分別為0.59、0.42、0.25、0.67，由此表明，SCA在不同土地利用類型的土壤中參與有機(jī)物質(zhì)代謝過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自不同養(yǎng)分因子的作用效應(yīng)，SCA與土壤養(yǎng)分含量存在著密切關(guān)系，不同土地利用類型SCA 對(duì)土壤養(yǎng)分庫(kù)的貢獻(xiàn)率存在一定的差異。

3 討論

在不同土地利用類型下，SCA表現(xiàn)為有林地>旱地，且有林地SCA的變異系數(shù)高于旱地，均呈中等變異水平，其中有林地SCA具有強(qiáng)空間相關(guān)性，旱地SCA存在弱空間相關(guān)性，兩者的變異系數(shù)只對(duì)海倫地區(qū)不同土地利用類型SCA 的總體變化進(jìn)行了表征。有林地種植喬木、灌木居多，地表常覆蓋凋落物，凋落物中的纖維素可被酶和微生物有效降解為可被利用的碳素、氮素等回歸土壤，從而提高SCA[2223]。旱地多被作為農(nóng)田，土壤含水率相對(duì)于有林地較低，且人們?cè)诟鬟^(guò)程中由于施肥不當(dāng)、耕作粗放、風(fēng)蝕等人為與自然因素，易使土壤養(yǎng)分流失、水氣熱狀況變差等[2425]，從而導(dǎo)致SCA降低[2627]。

在本研究中，旱地SCA與SOC、TN呈顯著負(fù)相關(guān)；有林地SCA與SOC、SMC呈極顯著正相關(guān)，與TN呈顯著正相關(guān)，與薛萐等[28]研究結(jié)果較為一致。土地利用類型的不同引起土壤微生物生存環(huán)境、土壤養(yǎng)分等方面發(fā)生了不同程度的變化[1819]，土壤纖維素酶在適宜的水、氣、熱、pH等條件下，參與碳、氮等養(yǎng)分的合成和分解過(guò)程，起正向響應(yīng)作用，酶活性變化與土壤環(huán)境因子變化相互影響[2930]，因此可將SCA 作為評(píng)估土壤肥力的指標(biāo)之一。

通過(guò)相關(guān)性和通徑分析可知，SOC、TN、SMC是影響海倫市有林地SCA的主要指標(biāo)，SOC通過(guò)TN等4個(gè)因子對(duì)SCA產(chǎn)生較大的間接負(fù)效應(yīng)，TN通過(guò)影響SOC等4個(gè)因子對(duì)SCA產(chǎn)生較強(qiáng)的間接正效應(yīng)。這些因子通過(guò)自身及與其它因子的交互效應(yīng)對(duì)SCA產(chǎn)生作用。相比于有林地，旱地土壤養(yǎng)分因子對(duì)SCA的影響較弱，可能是旱地作為耕地的一種，土壤養(yǎng)分在耕作時(shí)期受到人為干擾，導(dǎo)致其變化較大。為此，海倫市在今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，應(yīng)對(duì)其土壤肥力質(zhì)量給予高度的重視。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：張冬玲）