基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量评价初探-禹朴家.pdf

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3、46).Corresponding author: YU Pu-jia, E-mail: .Received 18 July, 2017; Accepted 1 September, 2017基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量评价初探禹朴家1，范高华1，韩可欣2，周道玮1（1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102 ； 2. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830011）摘 要：土壤质量评价是分析土壤管理措施对土壤质量影响的最重要的手段。以松嫩平原草地为对象，分析玉米地、苜蓿地、自然恢复草地、羊草地和羊草割草地5种利用方式短期（4年）内土壤

4、微生物生物量碳含量以及过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性的变化，采用土壤质量指数法对不同土地利用方式下的土壤肥力质量进行定量评价，探讨基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量变化的原因。结果表明，土地利用方式对土壤微生物生物量碳含量、脲酶活性和蔗糖酶活性具有极显著（P 10 的有效积温 2 9003 000 。研究地点的土壤类型属于草甸碱土。此外，研究区内还分布着草甸土和风沙土等土壤类型， pH值约为 7.510.5。主要植被类型为羊草（ Leymus chinensis）草甸，主要优势植物包括羊草（ Leymus chinensis）、虎 尾 草（ Chloris virgat

5、a）、盐 地 碱 蓬（ Suacda salsa）和星星草（ Puccinellia tenuiflora）等16。半个世纪以来，由于人口增长对粮食需求的增加，在草地的边缘部分草甸被开垦成农田，用于种植玉米、葵花、高粱等经济作物。1.2 试验设计选择初始演替的弃耕地约 2 hm2, 去除地表所有植被和枯落物后，划定小区 ；试验样地布置于 2010万方数据禹朴家等：基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量评价初探第1期 165年，试验处理从 2011 年 5 月初开始。由于多年的土壤耕作，使得土壤比较均质，试验开始前样地010 cm 土层的有机碳含量为 7.82 g/kg, 土壤容重为1

6、.47 g/cm3。试验采用区组实验设计，分为 4 个重复区组，在每个区组内设置了自然恢复草地、羊草地、羊草割草地、苜蓿地和玉米地 5 种土地利用方式的处理，总计 20 个小区。每个试验区组的面积约为60 m 50 m，其中草地小区面积为 6 m 50 m, 苜蓿小区及作物种植小区面积为 12 m 50 m，各小区间间隔 1 m，重复区组间间隔 2 m。耕地的耕作方式为传统耕作，作物为一年一熟制，每年于 4 月底或5 月初进行翻耕，施肥量为 N 肥 74 kg/hm2、 P 肥 22 kg/hm2、 K 肥 41 kg/hm2。苜蓿草地建立于 2014 年，之前这些试验小区为免耕种植玉米，样地

7、管理情况（包括作物种植情况和化肥使用情况等）与前面的传统耕作种植玉米样地完全相同。 2011 年 5 月按照试验设计在羊草草地小区内进行了补播处理，补播羊草种子的密度约为 2 000 粒 /m2。补播处理促进了羊草草地的恢复，到 2011 年 9 月，样地内的地上生物量就达到了 100120 g/m2左右。在每个区组的两个羊草草地小区内，一个小区进行割草处理，将地上生物量移除到小区外，而另一个小区不做任何处理，让地上生物量以枯落物的形式回归到土壤中。自然恢复草地自 2011 年 5 月开始不进行任何处理，让其自然恢复。苜蓿地、羊草地、羊草割草地和自然恢复草地不施用肥料14。1.3 土壤采样与分

8、析2015 年生长季末（ 8 月下旬至 9 月初），在每个小区内随机选择 5 个 0.5 m 0.5 m 的样方，在每个样方内，首先去除地上生物量和枯落物，然后用4 cm直径的土钻采集 010 cm土层深度的土壤样品，将同一小区 5 个样方采集到的土壤样品混合为一个样品。土壤样品取完后分为两部分，一部分立即存放到 4 的冰箱内，用于测定土壤微生物生物量碳含量，另一部分土壤样品在自然状态下阴干，去除砾石和残留的植物残体后，过 2 mm 的土壤筛用于测定土壤酶活性。土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸法测定，称取 11.00 g 新鲜土样（相当于干土 10.00 g）均匀的平铺在玻璃培养皿上并放入干

9、燥器中，干燥器底部放置一瓶装有 50 ml 无水氯仿的小烧杯并加入少量防爆沸的物质，密闭熏蒸 24 h 后，除去氯仿并将土样装入塑料瓶中，按照 1:5 的比例加入 0.50 M 的硫酸钾溶液 50 ml，在往返式振荡器上震荡 30 min 后过滤。与此同时，另外一组土样直接加入 0.50 M 的硫酸钾溶液 50 ml，震荡过滤。滤液用 TOC 仪进行测定，熏蒸与未熏蒸土样中有机碳含量差值乘以转换系数即为土壤微生物生物量碳含量。土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定 ；土壤蔗糖酶活性采用 3,5- 二硝基水杨酸比色法测定 ；土壤脲酶活性采用苯酚钠 - 次氯酸钠比色法测定 ；土壤碱性磷酸酶活性采

10、用磷酸苯二钠比色法测定17-18。1.4 敏感性指数计算土壤微生物学指标的敏感性指数以给定的一种土地利用方式为基准，通过计算其它土地利用方式与给定土地利用方式间该指标的差异来反映土地利用变化对该土壤指标的影响程度。本研究以玉米地为参考基准（玉米地敏感性指数为 1）来计算其它4 种草地利用方式中土壤微生物学指标的敏感性指数，其计算公式为 ：SIi=Si/SRi （ 1）式中 ： SIi是土壤 i 指标的敏感性指数 ； Si是测定土地利用方式下土壤 i 指标的含量； SRi是参考土地利用方式下土壤 i 指标的含量。当土壤指标的敏感性指数大于 1.50（增加 50%）或是低于 0.50（降低50%）

11、的时候，认为该土壤指标对土地利用变化响应敏感19。1.5 土壤质量指数计算依据 Andrews 等9提出的土壤质量评价模型（ SMAF），本文将测定的 5 种土壤微生物学指标作为土壤质量指数计算的数据集，通过 2 个步骤计算土壤质量指数，以土壤生产力和可持续利用作为土壤管理的最终目标。第一步，利用线性和非线性的赋分函数法对数据中的土壤指标进行赋分。根据土地管理的目标以及土壤指标在土壤生态系统中的功能，将数据集中的土壤指标分为两类。一类是在土壤中含量越多越好的土壤指标，一类是在土壤中含量越少越好的指标。这两类土壤指标的赋分的最大值均为 1。其中，线性赋分函数的公式为 ：maxLS XX= （ 2

12、）minLSXX= （ 3）式中： SL是线性赋分函数得出的分值，其范围为 01； X 是数据集中的土壤指标含量值， Xmax和 Xmin分别是每个土壤指标含量的最大值和最小值 ；其中公式（ 2）应用于土壤中含量越多越好的土壤指标，而公式（3 ）应用于土壤中含量越少越好的土壤指标19。万方数据农业现代化研究 第 39 卷166非线性赋分函数的公式为 ：( )NLm1baSXX=+（ 4）式中 ： SNL是非线性赋分函数得出的分值，其范围为 01 ； a 是土壤指标所能得到的最大值，本研究中将 a 定义为 1 ； X 是数据集中的土壤指标含量值，Xm是这个土壤指标含量的平均值 ； b 是这个公式

13、中的斜率，本研究中将含量越多越好的土壤指标的 b值设定为 -2.5，而含量越少越好的土壤指标的 b 值设定为 +2.519-20。第二步，在数据集中的土壤指标赋分完毕后，计算土壤质量指数20，公式为 ：Ai11SQIniSn=（ 5）式中 ： SQIA是计算得出的土壤质量指数 ； Si为土壤i 指标的得分值 ； n 为数据集中土壤指标的个数。1.6 数据统计与分析本研究中所有的数据分析均在 SPSS 16.0（ SPSS 16.0 for Windows, Inc., Chicago, IL, USA）软件中完成。单因素方差分析被用来分析土地利用方式对土壤微生物学指标和土壤质量指数的影响 ；不

14、同土地利用方式下土壤指标和土壤质量指数的均值比较通过 LSD 法进行分析。 Pearson 相关系数被用来分析2 个土壤质量指数之间的相关性。所有数据统计分析的显著性水平设定为 P = 0.05。2 结果与分析2.1 土壤微生物生物量碳含量与土壤酶活性5 种土壤微生物学指标均对土地利用方式响应敏感，但在不同的土地利用方式下，不同指标的响应程度有所不同。土地利用方式对土壤微生物生物量碳含量、脲酶活性和蔗糖酶活性均具有极显著（ P 0.01）的影响（表 1）。其中，土壤蔗糖酶活性在 4 种草地利用方式间没有显著差异，但其值均显著高于玉米地 ；土壤微生物生物量碳含量和脲酶活性均在苜蓿地中达到最高，分

15、别为 533.3 mg C/kg 和 1.17 mg NH3-N/g soil/24h，其值显著高于自然恢复草地和玉米地，而与羊草地没有显著差异。羊草割草地中土壤微生物生物量碳含量为 427.6 mg C/kg， 其显著高于玉米地，而土壤脲酶活性为 0.78 mg NH3-N/g soil/24h，其与玉米地没有显著差异。虽然土地利用方式对土壤过氧化氢酶活性和碱性磷酸酶活性没有显著影响，但草地利用方式与玉米地间仍存在一定程度的差异。土壤过氧化氢酶活性在自然恢复草地和羊草割草地中的值分别为 0.95 和 0.93 ml KMnO4/g soil，其显著高于玉米地，与羊草地和苜蓿地没有显著差异，而

16、土壤碱性磷酸酶活性在苜蓿地、羊草地和自然恢复草地中的值分别为 1.21、 1.09 和 1.08 mg phenol/g soil/12h，其显著高于玉米地，而与羊草割草地没有显著差异。表 1 不同土地利用方式下土壤微生物学指标的变化及 ANOVA 分析结果Table 1 Changes of soil microbial indicators and ANOVA results for the changes under five land use types土地利用方式 微生物生物量碳（mg C/kg）过氧化氢酶（ml KMnO4/g soil）脲酶（mg NH3-N/g soil/24h

17、）蔗糖酶（mg glucose/g soil/24h）碱性磷酸酶（mg phenol/g soil/12h）玉米地 295.8 7.2 c 0.840.03 b 0.530.04 c 8.170.88 b 0.720.05 b苜蓿地 533.311.7 a 0.900.02 ab 1.170.10 a 15.350.11 a 1.210.05 a羊草割草地 427.641.4 b 0.930.02 a 0.780.08 bc 15.840.65 a 1.000.15 ab羊草地 391.151.8 bc 0.910.02 ab 0.630.09 bc 17.040.76 a 1.090.12

18、a自然恢复草地 395.221.6 b 0.950.03 a 0.830.15 b 16.810.91 a 1.080.17 aF 7.21 2.96 6.14 25.86 2.52P 0.01 0.06 0.01 0.01 0.09注 ：表中数据为平均值 标准差。2.2 土壤微生物学指标的敏感性指数耕地转变为草地后， 5 种土壤微生物学指标的敏感性指数均大于 1.0（图 1），表明它们均呈现出一定程度的增加趋势。其中，土壤蔗糖酶活性的增加幅度最大，其敏感性指数值均大于 1.94，对土地利用变化的响应最为敏感 ；而土壤过氧化氢酶活性的增加幅度最小，其敏感性指数均小于 1.13，对土地利用变化的

19、响应也最小。不同土地利用方式下，苜蓿地中土壤微生物学指标响应最为敏感，其中有微生物生物量碳含量、脲酶活性、蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活性 4 个指标的敏感性指数值大于 1.50 ；羊草割草地中土壤微生物指标响应最小，其中仅有蔗糖酶活性 1 个指标的敏感性指数值大于 1.50 ；而自然恢复草地和羊草地中土壤指标的响应程度居中，分别有脲酶活性、蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活性 3 个和蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活性 2 个土壤指万方数据禹朴家等：基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量评价初探第1期 1670123微生物生物量量碳过氧化氢酶脲酶 蔗糖酶 碱性磷酸酶敏感性指数苜蓿地 羊草割草地 羊草地 自

20、然恢复草地图 1 不同土地利用方式下土壤微生物生物量碳和 土壤酶活性的敏感性指数Fig. 1 Sensitivity indices of soil microbial biomass carbon and soil enzyme activities under five land use types注 ：敏感性指数计算以玉米地为参考进行计算，其值均为 1，因此图 1 中不包含玉米地。（The sensitivity index was calculated based on cropland and all their values were 1, therefore, the sensi

21、tivity index of Corn was not included in Fig.1）标的敏感性指数值大于 1.50。2.3 土壤质量指数单因素方差分析结果表明，线性土壤质量指数（ F=8.55， P0.01）和非线性土壤质量指数（ F=9.59，P0.01）在不同土地利用方式间均存在极显著差异。虽然线性土壤质量指数在数值上显著高于非线性土壤质量指数，但 2 种土壤质量指数指示的不同土地利用方式间土壤质量的变化趋势完全一致（图 2）。5 种土地利用方式中，玉米地的土壤质量指数均显著低于草地利用方式，其线性和非线性土壤质量指数分别为 0.55 和 0.30 ；而 在 4 种草地利用方式中

22、，苜蓿地的线性土壤质量指数和非线性土壤质量指数均最高，分别为 0.89 和 0.60，其显著高于羊草地，而与自然恢复草地和羊草割草地没有显著差异。ccaaababbbabab0.00.20.40.60.81.0非线性土壤质量指数 线性土壤质量指数土壤质量指数玉米地 苜蓿地羊草割草地 羊草地自然恢复草地图 2 不同土地利用方式下的土壤质量指数Fig. 2 Soil quality indices under five land use types以线性土壤质量指数值为横坐标，以非线性土壤质量指数值为纵坐标对 2 种土壤质量指数间的线性相关性进行了分析，结果表明线性与非线性土壤质量指数的 Pear

23、son 相关系数为 0.93，显著性水平P0.001（图 3），表明两者间存在极显著的线性正相关关系。y = 0.81x - 0.12R = 0.93 P 0.0010.00.20.40.60.80.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0非线性土壤质量指数线性土壤质量指数图 3 线性与非线性土壤质量指数的相关性Fig. 3 Pearson s correlation between linear and nonlinear soil quality indices3 讨论3.1 土地利用方式对土壤微生物学指标的影响土壤微生物生物量碳含量和土壤酶活性对外界环境因素和土壤质量的变化响应

24、快速且准确，常被用来作为土壤生态系统变化的早期指示指标21。与玉米地相比，苜蓿地、羊草割草地、羊草地和自然恢复草地中土壤微生物生物量碳含量分别提高了79.5%、 44.1%、 31.9% 和 33.3%，表明草地恢复显著提高了研究区内土壤微生物生物量碳的含量（表1）。这主要是由于草地恢复以后向土壤中输入的枯落物和根系的量增加，从而为土壤微生物的生长提供了充足的基质和能量，进而促进了微生物种群数量的增加和活性的提高22-23。与土壤微生物生物量碳含量的变化趋势相同，草地利用方式中 4 种土壤酶的活性也均显著高于玉米地，表明草地恢复对土壤酶活性的提高具有积极的作用。草地恢复后土壤微生物数量和活性增

25、加是导致土壤酶活性提高的主要原因。此外，草地恢复后土壤中有机碳含量的增加（苜蓿地、羊草割草地、羊草地和自然恢复草地土壤有机碳含量比样地处理前增加了 2.4、 1.8、 2.5 和 3.0 g C/kg），促进了土壤有机碳与土壤酶的结合，减少了土壤酶的水解24，也在一定程度上提高了土壤酶的活性。 4 种草地利用方式中，苜蓿地、自然恢复草地、羊草地和羊草割草地中分别有 4 个、3 个、2 个和 1 个土壤微生物学指标的敏感性指数高于 1.50，表明苜蓿地和自然恢复草地对土壤微生物学指标的影响明显高于羊草地和羊草割草地。从土壤微生物学指标的绝对含量上来看，自然万方数据农业现代化研究 第 39 卷16

26、8恢复草地中仅有土壤过氧化氢酶活性达到最高，而苜蓿地中则有土壤微生物生物量碳含量、土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活性 3 个指标达到最高，表明苜蓿地对土壤微生物学指标的影响显著高于自然恢复草地。土地利用和管理方式的差异是导致土壤微生物学指标出现差异的主要原因。苜蓿作为一种豆科植物，具有生物固氮作用，它不仅能够增加土壤中有机物的输入，还能增加土壤中氮素的输入25，从而为微生物群落的生长提供了更好的生存环境，因此比其它 3 种草地利用方式更有利于土壤微生物量和土壤酶活性的增加。在自然恢复草地中，由于群落的物种多样性显著高于单一物种的羊草地和羊草割草地，所以向土壤中输入的有机质的种类也会明显高于羊草地和羊

27、草割草地，从而为土壤中多种微生物种群的生存提供适宜的环境，进而导致自然恢复草地对土壤微生物指标的影响高于羊草地和羊草割草地。3.2 土地利用方式对土壤肥力质量的影响本研究中，通过线性和非线性赋分函数获得的2 个土壤质量指数间具有极显著的线性正相关关系（图 3），表明它们均能准确的反映出土地利用方式变化对土壤质量的影响。虽然线性土壤质量指数值显著高于非线性土壤质量指数值，但在不同土地利用方式下 2 种土壤质量指数指示的土壤质量的差异是一致的（图 2），表明应用 2 种方法中的任何一种方法对土壤质量进行评价均是可行的。这与 Raiesi 19在伊朗的研究得出的结论一致，他们也发现这 2 种土壤质量

28、指数间具有较好的相关性，且均能反映出不同管理方式下土壤质量的变化。与玉米地相比，苜蓿地、羊草割草地、羊草地和自然恢复草地中的线性土壤质量指数分别提高了61.8%、 40.0%、 36.4% 和 43.6% ；而非线性土壤质量指数分别提高了 100.0%、 70.0%、 63.3% 和 73.3%（图 2）。 2 种土壤质量指数的分析结果均表明，草地恢复显著提高了研究区内 010 cm 土层的土壤肥力质量，即草地利用方式要比耕地更适合于研究区内土壤生产力的提高和土地的可持续利用。4 种草地利用方式中，苜蓿地的 2 种土壤质量指数值均明显高于其它 3 种草地利用方式（图 2），表明种植苜蓿对于土壤

29、肥力质量的改善要优于自然恢复草地和羊草地。此外，作为一种优良的饲草，苜蓿种植还能带来一定的经济效益。在当今研究区所处的北方农牧交错带出现玉米卖粮难，库存压力大，种植效益大幅降低15，国家大力鼓励粮改饲的大背景下，在作物产量较低且土壤条件较差的区域将耕地转变为苜蓿饲草地可能是一种“双赢”的土地利用方式，既能增加当地农户的收入，促进农业结构的调整，又能提高土壤质量，促进土地的可持续利用。4 结论研究表明，土地利用方式对土壤微生物生物量碳含量、脲酶活性和蔗糖酶活性具有极显著影响。虽然土地利用方式对土壤过氧化氢酶活性和碱性磷酸酶活性没有显著影响，但 4 种草地利用方式中的过氧化氢酶活性和碱性磷酸酶活性

30、均明显高于玉米地，表明土地利用方式变化对这 2 种土壤酶活性也具有一定的影响。因此，土壤微生物生物量碳含量、脲酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性和碱性磷酸酶活性均对土地利用方式变化具有一定的敏感性，均可以作为不同土地利用方式下土壤肥力质量评价的敏感性指标。线性与非线性土壤质量指数间存在极显著的线性正相关关系，表明两者均能准确的反映出土地利用变化对土壤质量的影响。耕地转变为草地显著提高了土壤微生物生物量碳的含量和 4 种土壤酶的活性，进而提高了土壤的肥力质量，即草地利用方式要比耕地更适合于研究区内土壤的可持续利用和生产力的提高。 5 种土地利用类型中苜蓿地的土壤质量指数最高，自然恢复草地、羊草地

31、和羊草割草地次之，而玉米地的土壤肥力质量最低，表明种植苜蓿对于研究区内土壤肥力质量的改善要明显优于其它土地利用方式。参考文献 ：1 Doran J W, Parkin T B. Defining and Assessing Soil QualityM/Doran J W, Coleman D C, Bezdicek D F, et al. Defining Soil Quality for a Sustainable Environment. Soil Science Society of America Special Publication 35. SSSA and ASA, Madiso

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47、 community structure induced by the conversion from double riceJ. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2015, 21(5): 960-966.24 杨瑞 , 刘帅 , 王紫泉 , 等 . 秦岭山脉典型林分土壤酶活性与土壤养分关系的探讨 J. 土壤学报 , 2016, 53(4): 1037-1046.Yang R, Liu S, Wang Z Q, et al. Relationships between the soil enzyme activity

48、and soil nutrients in forest soils typical of the Qinling MountainJ. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(4): 1037-1046.25 Li Q, Yu P J, Li G D, et al. Gras-legume ratio can change soil carbon and nitrogen storage in a temperate steppe grasslandJ. Soil and Tillage Research, 2016, 157: 23-31.（责任编辑 ：童成立）万方数据