长期耕作对寒地黑土生态化学计量特征及酶活性的影响

郭迎岚，岳中辉，苏 鑫，罗 慧，赵文磊，卢 嫚

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室, 150025, 哈尔滨)

东北区黑土素来以有机质含量高、土质疏松、适宜耕作而闻名于世，是我国重要的商品粮生产基地[1]。然而，由于长期耕作和人类活动影响，已导致黑土养分流失，肥力下降，土地利用率呈逐年降低的趋势[2-3]，部分耕作区表层土壤已呈酸化状态[4]。在1958—1960年第1次土壤普查时，东北黑土中的有机质质量分数还在80～120 g/kg之间，部分地区质量分数高达160 g/kg以上；但到1979—1985年第2次土壤普查时，黑土中有机质的质量分数已下降到60～100 g/kg，因此如何有效维持黑土肥力，保障粮食产量是东北农田生产亟需解决的问题。

土壤碳(C)是构成土壤有机物质的主要元素，氮(N)和磷(P)是影响植物正常生长的重要限制元素[5]，分析土壤C、N、P元素的生态化学计量特征变化不仅可以探究土壤养分的吸收策略及土壤养分循环过程中的限制因素[6]，还有助于确定农田系统生态过程对全球变化的响应，利用生态化学计量特征来评估土壤肥力已越来越受到学者们的青睐[7-9]；土壤酶是土壤有机物质循环过程中重要的生物催化剂[10]，其活性可反映土壤生物化学反应的活跃程度及养分循环状况等[11]，是评价土壤质量的潜在敏感指标和土壤肥力的重要参数之一[12]。探讨土壤生态化学计量特征及土壤酶活性的变化可以更好地了解土壤养分分配格局及循环过程。在以往黑土农田肥力的研究中，已对各种短期集约化、保护性耕作[13-14]、施肥[15-16]等耕作措施下的土壤养分及酶活性变化进行了较多研究[17-18]，但对长期耕作后黑土C、N、P养分，尤其是土壤生态化学计量特征及土壤生物活性的研究则较少涉及[19]；因此通过田间定位试验，在已有2002年数据的基础上，对2017年土壤C、N、P含量、生态化学计量特征及相关代谢酶活性进行研究，对比15年来土壤肥力的变化，为农田黑土的持续利用和生产力的提高提供理论依据。

1 研究区概况

研究区域位于黑龙江省黑河市嫩江县，地理位置为E 124°44′～126°49′，N 48°42′～51°00′。该县土地肥沃，是农牧业生产的黄金地带，也是闻名全国的大豆和小麦生产基地及国家重点商品粮生产基地。该区气候类型为中温带半湿润大陆性季风气候，年降水量为300～770 mm，年均气温为-1 ℃左右。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与分析

2017年利用GPS对2002年已获得数据的34个样地[20]进行定位后，在每个田块内随机选择15个样点，取0～20 cm土层土壤，然后将田块内5个样点的土壤充分混合作为一个土壤样品，每个田块获得3个土壤样品，将样品带回实验室，去除根系后一部分自然风干过筛，用于土壤养分含量测定，另一部分装入自封袋中于4 ℃冰箱中保存，用于土壤酶活性的测定。

土壤有机质、全氮、全磷含量参照《土壤农化分析》测定[21]。土壤过氧化氢酶、转化酶、硝酸还原酶、脲酶、磷酸酶活性参照《土壤酶及其研究法》测定[22]。

2.2 数据处理与分析

利用Excel 2017软件进行试验数据收集与整理，利用SAS 9.2软件进行试验数据的分析，最后通过Origin 9.1进行绘图。总体酶活性指数

土壤养分含量分级标准见表1[24]。

表1 土壤养分含量分级标准Tab.1 Ranking criteria of soil nutrient content

图中标记代表分析时出现的异常值，下同。Icon represents the outliers in the data analysis， the same below. 图1 土壤碳、氮、磷含量的变化Fig.1 Changes of soil C, N and P content

3 结果与分析

3.1 寒地黑土土壤碳、氮、磷含量的变化

由图1可知，2017年土壤有机质和全氮含量同2002年相比显著降低(P<0.05)，降低率分别为30.00%和31.24%。其中，土壤有机质含量由原来的一、二级水平下降至以二、三级水平为主；土壤全氮含量由原来的一、二级水平下降至三级水平(表1)；2017年土壤全磷含量显著增加(P<0.05)，增加率为37.61%，由原来的四、五级水平上升至以三、四级水平为主(表1)；15年来土壤有机质、全氮和全磷的变异系数变化不大，均<25%。

3.2 寒地黑土土壤碳、氮、磷生态化学计量特征的变化

图2 土壤碳、氮、磷生态化学计量特征的变化Fig.2 Changes of ecological stoichiometric characteristics of soil C, N, P

由图2可知，2017年土壤C∶N同2002年相比差异不显著(P>0.05)，但变异系数由4.99%增加到8.48%；而2017年与比2002年相比土壤C∶P、N∶P和C∶N∶P均显著降低(P<0.05)，降低率分别为111.8%、70.2%和111.4%。

3.3 寒地黑土土壤酶活性的变化

由图3可知，同2002年相比，2017年土壤过氧化氢酶活性显著增加(P<0.05)，增加率为54.02%；土壤转化酶、脲酶、磷酸酶和硝酸还原酶活性均显著降低(P<0.05)，降低率分别为66.13%、209.14%、46.14%和67.49%，土壤总体酶活性指数无显著变化(P>0.05)。

图3 土壤酶活性的变化Fig.3 Changes of soil enzyme activities

3.4 寒地黑土土壤碳、氮、磷生态化学计量特征及酶活性的相关分析

由表2可知，2002年土壤酶活性与土壤碳、氮、磷含量和土壤生态化学计量特征相关性较弱，只有土壤转化酶与土壤N∶P呈显著的负相关关系(P<0.05)；但到2017年土壤过氧化氢酶与土壤C∶P，转化酶与土壤有机质、全氮、全磷含量，硝酸还原酶与土壤全氮含量、N∶P、C∶N∶P，脲酶与土壤有机质、全磷含量、C∶N、N∶P，磷酸酶与土壤全磷含量、N∶P，总体酶活性指数与土壤全氮、全磷含量、C∶N∶P都显著相关(P<0.05，P<0.01)。

3.5 寒地黑土土壤碳、氮、磷生态化学计量特征及酶活性的主成分分析

将土壤碳、氮、磷含量、生态化学计量特征及5种土壤酶活性都作为土壤肥力指标进行主成分分析(表3)，结果表明土壤全磷含量是2002年、2017年土壤肥力指标中的主要因素；在2002年土壤C∶P、N∶P、C∶N∶P为主要肥力指标，而2017年土壤有机质、转化酶、脲酶活性为主要肥力指标。

4 讨论与结论

在黑土肥力演变的研究中，耕地土壤肥力培育是保障粮食生产和安全的基础，土壤养分、生态化学计量特征及土壤酶活性的变化则是耕地土壤肥力变化的主要驱动因素。15年来，寒地黑土土壤有机质、全氮含量均显著降低，而土壤C∶N变化不显著，说明2002—2017年的15年过程中，寒地黑土微生物所利用的土壤有机质相对稳定，土壤有机质的有效性没有随年限的增加而发生改变，这与李梓瑄等[25]在1997—2012年的15年的黑土研究中发现的土壤C∶N略有下降的规律不同，这是本研究发现的一个可喜现象，说明寒地黑土土壤养分代谢相对稳定，如果能够用养结合，不断培肥土壤，是可以继续维持黑土生产力的，但需要指出的是，本研究只涉及了黑土部分区域的土壤，并不能代表所有的寒地农田土壤，后续还需结合更多样品进行土壤肥力变化的研究。

表2 土壤碳、氮、磷含量和生态化学计量特征及酶活性的相关分析Tab.2 Correlation analysis among soil C, N, and P content, their ecological stoichiometric characteristics and soil enzyme activities

表3 土壤碳、氮、磷含量和生态化学计量特征及酶活性的主成分分析Tab.3 Principal component analysis of soil C, N, P content, its ecological stoichiometric characteristics soil and enzyme activities

笔者研究显示，15年来寒地黑土全氮含量显著降低，而土壤全磷含量显著增加，导致C∶P、N∶P均显著降低，且随着年限的增加降低趋势加剧，说明土壤磷素是农田养分代谢的关键限制因素，15年来长期大量磷肥的施用使得有效磷含量大幅度上升，而土壤磷素富集会导致C∶P和N∶P降低，最终影响土壤C、N养分的代谢过程。研究还发现，到2017年，15年来寒地黑土转化酶、脲酶、硝酸还原酶和磷酸酶活性均降低，且随土壤养分和化学计量特征的变化而变化，说明土壤酶活性与土壤养分密切相关，在土壤养分循环过程中起着重要的作用；但与上述土壤酶活性不同，2017年土壤过氧化氢酶活性显著增加，说明长期耕作使得土壤透气性逐渐加强，从而导致土壤微生物活性加强，土壤呼吸速度加快。在15年的耕作后，土壤的主要肥力因素由C∶P、N∶P、C∶N∶P转变为有机质、脲酶、转化酶(本研究各样地间pH差异不显著，在肥力因子中不考虑)，说明土壤的主要肥力因素已由生态化学计量特征变为土壤养分和酶活性，这可能是由于碳、氮的不合理施用使土壤生态化学计量特征发生变化，植物对土壤碳氮磷的吸收不平衡，导致土壤养分含量分配格局发生变化，但土壤养分和生态化学计量特征的变异系数均<25%，说明土壤养分变化仍是以内因为主，随机因素对土壤肥力的影响较小，土壤养分平衡和生物活性仍维持在较好水平，在今后的农田生产中还应进行有机碳肥和氮肥的配合施用，同时适当减少磷肥的施用来维持土壤养分分配格局。

2002—2017年的15年过程中，土壤C、N含量降低，土壤P含量增加，导致土壤C∶P、N∶P、C∶N∶P下降，土壤酶活性也显著降低，但土壤C∶N及总体酶活性指数无显著变化，土壤酶活性与土壤养分和生态化学计量特征间的相关性变强，土壤的主要肥力因素已由生态化学计量特征变为土壤养分和酶活性，说明长期耕作后，尽管土壤肥力降低，但土壤养分仍维持在较好水平。