不同栽植年限、土层深度苹果梨园土壤中磷酸酶与磷素变化研究

张 迪， 邓 旭， 张 青， 李思泽， 梁运江

(延边大学农学院，吉林 延吉 133002)

延边苹果梨园因独特的气候条件和特有的梨品种而有别于国内其它地方的果园生态系统。因为山地环绕以及东临日本海的原因，延边具有海洋性湿润气候特点，冬暖夏凉。由于独特的气候条件，形成了典型暗棕壤，具有明显的冷凉淋溶特性。

磷是细胞膜和核酸的重要组成元素，对细胞分裂和植物组织分化起关键作用，与植物其它必需矿质元素相比，土壤中磷的有效性低、迁移性差，导致部分土壤有效磷供应不足。有研究表明土壤磷素缺乏会导致作物减产，而过量的累积又会增加土壤磷素流失的风险[1-4]，大量施用磷肥不仅直接造成磷矿资源的逐渐耗竭，而且导致土壤中磷素过剩，进而引发一系列环境问题如磷素流失，水体富营养化[5-8]。

植物体需要的磷主要是从土壤磷库中获得，土壤有机磷是土壤磷库的重要组成部分，一般占土壤全磷的20%～80%，高的可达95%[9]。土壤有机磷的形态和转化对土壤供磷能力和保障植物磷素营养举足轻重，研究表明，土壤酶活性可以有效的反映出土壤的综合肥力，也可以反映出土壤养分转换能力的强弱，土壤磷酸酶是土壤磷素形态转化的重要驱动因子[10]，是土壤中能催化有机磷水解反应的酶，能将磷从有机养分转化为无机养分，实现对土壤中磷的活化，为植物提供速效养分。土壤磷酸酶包括酸性、碱性和中性磷酸酶，是土壤中植物、动物和微生物活动的产物，在有机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态为 H2PO4-和 HPO42-,土壤中的磷酸酶能将有机磷分解为无机态磷酸根离子进而被植物吸收利用。植物根系对有机肥和土壤中有机磷的利用依赖土壤中磷酸酶的活性[12]。土壤中的磷酸酶能指示磷的丰缺和介导磷的循环。研究土壤中磷酸酶，对深入了解磷素循环具有重要意义[13]。在磷酸酶缺乏的情况下, 土壤有机磷的释放需要几百年的时间[14]，有研究表明，土壤中的酸性磷酸酶来自于微生物和植物，而碱性磷酸酶大部分来自于微生物[15]。目前，有关农田、湿地等方面的土壤磷酸酶研究很多，对于荒漠草原等的土壤磷酸酶活性研究也逐渐增加，各种土地利用类型的磷酸酶研究逐渐增多，然而关于北方经济果园苹果梨园的磷酸酶研究依然鲜有。苹果梨园作为一种北方寒地特有的土地利用方式，在全国农业生态系统研究中占有重要地位。因为延边地区苹果梨园气候条件的特异性和梨品种的独特性，使得土壤有机磷的分布、矿化和转化过程具有研究意义。因此，该试验研究了苹果梨园土壤中磷酸酶时空分异下的变化规律，及土壤磷酸酶与有机磷组分及速效磷的相互关系为北方果园磷循环研究提供理论支持，对指导北方果园合理施用磷肥也具有重要的理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验材料采集及处理

龙井市延边华龙果树农场苹果梨园位于吉林省东部，地理坐标为东经128°54′～129°48′、北纬42°21′～43°24′，果园行间清耕休闲，无灌水设施，管理条件较好。选择龙井市延边华龙果树农场采集地，于当年秋季10月采集土壤样品。分别选栽植年限为10、25、40、60年的苹果梨园，按5点取样法选取健康且长势良好的5株果树(苹果梨树干周、冠幅信息见表1)，避开施肥点，在距离树干1 m处设置采样点，分别采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层的原状土，混匀后分别放入塑料盒内，带回放置风干后研磨过1 mm筛。

表1 采样果园果树的干周和冠幅

1.2 土壤基本化学性质

土壤基本化学性质见表2。

1.3 测定方法及分析方法

采用磷酸苯二钠法[11]对土壤中的磷酸酶活性进行测定，得出酸性磷酸酶，中性磷酸酶和碱性磷酸酶的活力酚含量，通过SPSS、Excel等软件采用单因素方差分析、堆积图示等方法研究果园土壤时空分异下速效磷含量和土壤磷酸酶活性的变化趋势。用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷，同时采用熊-范改进Bowman-Cole法[16]，对土壤进行有机磷分级，经连续浸提得出活性有机磷、中活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷含量，并结合果园土壤时空分异下的土壤磷酸酶活性，通过相关性分析等方法究果园土壤中磷酸酶活性与土壤中有机磷组分和速效磷的相互关系。

表2 土壤基本化学性质

2 结果与分析

2.1 时空分异下苹果梨园土壤速效磷的变化规律

2.1.1 在0～20 cm土壤层次中速效磷随栽植年限的变化

荒地土壤与不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在0～20 cm土壤层次速效磷含量变化情况见图1。在0～20 cm土壤层次中，栽植年限25年和40年的果园土壤速效磷含量极显著高于荒地土壤(P<0.01)。随栽植年限的增加，果园土壤中的速效磷含量先增后降，其中栽植年限为10年的果园土壤速效磷含量极显著小于栽植年限25和40年(P<0.01)，10年速效磷含量18.49 mg/kg，而25年达到54.34 mg/kg。

图1 0～20 cm土壤层次中速效磷随栽植年限的变化

2.1.2 在20～40 cm土壤层次中速效磷随栽植年限的变化

荒地土壤与不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在20～40 cm土壤层次速效磷含量变化情况见图2。在20～40 cm土壤层次中，栽植年限40年和60年的果园土壤速效磷含量显著高于荒地土壤(P<0.05)。果园土壤中的速效磷含量随栽植年限的增加逐渐增加(P<0.05)，栽植年限为10年的果园土壤中速效磷含量最低，仅有5.13 mg/kg，在40和60年的时候达到峰值,含有29.59 mg/kg。

图2 20～40 cm土壤层次中速效磷随栽植年限的变化

2.1.3 在40～60 cm土壤层次中速效磷随栽植年限的变化

荒地土壤与不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在40～60 cm土壤层次速效磷含量变化情况见图3。

图3 40～60 cm土壤层次中速效磷随栽植年限的变化

在40～60 cm土壤层次中，速效磷含量都较小。栽植年限为10和25年的果园土壤中，速效磷含量均低于荒地土壤,差异性不显著(P>0.05)。随栽植年限的增加，果园土壤中的速效磷含量先升后降，但差异不显著(P>0.05)，栽植年限为40年的果园土壤中速效磷含量最高，但是仅为15.58 mg/kg。

2.2 时空分异下苹果梨园土壤磷酸酶的变化规律

2.2.1 酸性磷酸酶的变化

荒地土壤与不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在不同土壤层次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的酸性磷酸酶变化情况见图4。在0～20 cm土壤层次中，随着栽植年限的增加，酸性磷酸酶活性先升后降，其中，10和25年差异不显著，40和60年差异不显著，10和25年显著小于40年和60年(P<0.005)。在20～40 cm土壤层次中，随着栽植年限的增加酸性磷酸酶活性先升后降，但差异不显著(P>0.05)。在40～60 cm土壤层次中，随着栽植年限的增加，酸性磷酸酶活性逐渐增加，但是差异性不显著(P>0.05)。栽植年限为10年的土壤中，各层次酸性磷酸酶活性低于荒地，栽植年限为40年的土壤中，各层次酸性磷酸酶活性皆高于荒地。

图4 不同栽植年限果园土壤酸性磷酸酶活性随土壤层次的变化

2.2.2 中性磷酸酶的变化

荒地土壤与不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在不同土壤层次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的中性磷酸酶变化情况见图5。在0～20 cm土壤层次中，土壤中的中性磷酸酶活性为40年>60年>10年>25年>荒地，栽植年限为40年的土壤中，中性磷酸酶活性显著高于25年(P<0.05)。在20～40 cm和40～60 cm土壤层次中，土壤中的中性磷酸酶活性差异性不显著(P>0.05)，其中，40～60 cm土壤层次中，不同栽植年限土壤的中性磷酸酶活性皆低于荒地。

图5 不同栽植年限果园土壤中性磷酸酶活性随土壤层次的变化

2.2.3 碱性磷酸酶的变化

荒地土壤与不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在不同土壤层次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的碱性磷酸酶变化情况见图6。在0～20 cm土壤层次中，碱性磷酸酶活性随栽植年限的增加呈上升趋势，但差异不显著(P>0.05)，荒地土壤碱性磷酸酶活性高于10和25年，低于40和60年。在20～40 cm土壤层次中，碱性磷酸酶随栽植年限的增加呈先升高后下降趋势(P>0.05)，除60年，其他园龄土壤碱性磷酸酶活性皆高于荒地。在40～60 cm土壤层次中，碱性磷酸酶活性趋于稳定且活性较低(P=0.154)。

图6 不同栽植年限果园土壤碱性磷酸酶活性随土壤层次的变化

2.3 苹果梨园土壤磷酸酶与有机磷组分及速效磷的相互关系

不同园龄(10、25、40、60年)的果园土壤在不同土壤层次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm)中的有机磷组分含量及速效磷含量变化情况见表3。

表3 供试土壤有机磷组分含量

Table 3 Contents of organic phosphorus components in tested soil

果园/年土层/cm有机磷含量/(mg·kg-1)活性有机磷中活性有机磷中稳性有机磷高稳性有机磷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

经过相关性分析可知(表4)，土壤中的酸性、中性和碱性磷酸酶活性两两之间均呈极显著正相关(P<0.01)。土壤中的酸性、中性和碱性磷酸酶活性同速效磷含量均呈极显著正相关(P<0.01)。土壤中的酸性、中性和碱性磷酸酶活性同全磷含量均呈极显著正相关(P<0.01)。酸性、中性磷酸酶活性同活性有机磷含量均呈显著正相关(P<0.05)。碱性磷酸酶活性与活性有机磷含量和中活性有机磷活性均呈极显著正相关(P<0.01)，碱性磷酸酶活性同中稳定性有机磷含量显著正相关(P<0.05)。

表4 土壤磷酸酶与土壤有机磷组分等的相关性

注：**在 0.01 水平(双侧)上显著相关，*在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

3 讨论

随土壤层次的加深，土壤中速效磷含量逐渐降低。在0～20 cm和20～40 cm土壤层次中，栽植年限对速效磷影响显著，在栽植年限25和40年果园土壤中，速效磷含量较多,10和60年相对较少。

土壤中的磷酸酶活性变化规律为：酸性>中性>碱性，差异性极显著(P<0.01)。供试土壤为典型暗棕壤pH值为4.1～6.32，酸性磷酸酶培养液pH值为5,中性磷酸酶培养液pH值为7，碱性磷酸酶培养液pH值为10,相较而言，酸性磷酸酶培养液更接近于土壤酸碱度。王涵等[17]研究表明，pH值对土壤酶活性有影响。酸性磷酸酶显著高于碱性磷酸酶的原因, 可能与土壤的酸碱性大小有关, 在酸性土壤中的酸性磷酸酶占优势。

随着土壤层次的加深，酸性、中性和碱性磷酸酶活性都逐渐降低，其中，酸性和中性磷酸酶表现较明显，这与苍真名[18]研究结果相似。秋季枯枝落叶的堆积腐烂产生了腐殖质，从而提高了表层土壤磷素含量[19]，进而促进了磷酸酶的产生。该研究供试土壤为10、25、40、60年园龄的苹果梨园土壤，对于苹果梨树来说分别属于幼龄、初果、盛果和老龄4个时期。在0-20 cm土壤层次中磷酸酶活性显著大于20-40 cm和40-60 cm土壤层次。栽植年限40年和60年的果园土壤酸性磷酸酶活性显著大于10年和20年。0-20 cm土壤层次中，栽植年限40年的果园土壤中性磷酸酶活性显著大于20年。碱性磷酸酶活性随栽植年限的增加变化不显著。由此可见，盛果期需要磷素更多，所以根系会分泌更多磷酸酶[20]，进而矿化分解得到需要的速效磷，而0～20 cm主要为腐殖质沉积物，有机质含量高，磷素和微生物含量也高，所以对应磷酸酶含量也高，且根系主要集中在0～40 cm的土壤层次中，所以0～40 cm土壤层次中磷酸酶活性更高。40～60 cm土壤层次中，根系较少，氧气也较0～40 cm的少，所以磷酸酶含量也相对较低。

该研究与李乔等[21]把酸性、碱性磷酸酶和速效磷含量进行相关性分析后，所得相关性结果不显著不同，该研究土壤中的酸性、中性和碱性磷酸酶活性同速效磷含量呈极显著正相关(P<0.01)，证实了磷酸酶能够参与土壤中的磷素分解和矿化，为植物提供速效养分。酸性、中性磷酸酶活性与中活性和中稳定性有机磷含量呈极显著正相关(P<0.01)，酸性、中性磷酸酶活性同活性有机磷含量呈显著正相关(P<0.05)。碱性磷酸酶活性与活性有机磷含量和中活性有机磷活性均呈极显著正相关(P<0.01)，碱性磷酸酶活性同中稳定性有机磷含量显著正相关(P<0.05)。磷酸酶活性与活性、中活性以及中稳性有机磷组分的含量存在着显著的相关性，这与耿玉清等[22]研究结果相近,这表明磷酸酶在有机磷各组分转化过程中具有重要作用，磷酸酶参与有机磷组分间的转化，加快有机磷向速效养分的矿化过程。从目前来看, 由于土壤酶来源广泛、研究方法复杂, 目前生态系统中的养分有效性和土壤磷酸酶活性的相关关系依然值得研究。

4 结论

土壤中磷酸酶活性的变化规律为：酸性>中性>碱性。磷酸酶活性随着土壤层次的加深逐渐下降。在0～20 cm土壤层次中磷酸酶活性显著大于20～40 cm和40～60 cm土壤层次。栽植年限40年和60年的果园土壤酸性磷酸酶活性均显著大于10年和20年。0～20 cm土壤层次中，栽植年限40年的果园土壤中性磷酸酶活性显著大于20年。碱性磷酸酶活性随栽植年限的增加变化不显著。土壤中的酸性、中性和碱性磷酸酶活性极显著影响速效磷含量。酸性、中性磷酸酶活性与活性有机磷含量和中活性和中稳定性有机磷含量呈极显著正相关，酸性、中性磷酸酶活性同活性有机磷含量呈显著正相关。碱性磷酸酶活性与活性有机磷含量和中活性有机磷活性均呈极显著正相关，且同中稳定性有活性有机磷含量和机磷含量显著正相关。