东北黑土区坡耕地侵蚀沟浅层土壤酶特征及其影响因素

2023-08-17杜兆国肖洋张瑞豪徐金忠邵社刚倪栋张振烨

中国水土保持 2023年8期

杜兆国　肖洋　张瑞豪　徐金忠　邵社刚　倪栋　张振烨

［关键词］土壤酶；侵蚀沟；坡耕地；土壤理化性质；东北黑土区

［摘要］东北黑土区作为我国重要的粮食产区，侵蚀沟发育导致土壤地力下降，严重制约了黑土区农业发展。为了分析黑土区侵蚀沟发育对表层土壤酶活性的影响，探究酶活性对侵蚀-沉积作用的响应机制，选取黑龙江省哈尔滨市延寿县双奎河双安村河段不同发育程度的侵蚀沟作为研究对象，测定不同发育程度侵蚀沟沟头、沟中、沟尾段0～40 cm土层的碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性和土壤理化性质，并进行相关性分析和冗余分析，结果表明：①随着侵蚀发育，土壤酶活性总体呈下降趋势，随着土层加深，土壤酶活性降低；②4类酶活性和土壤养分指标呈显著正相关、和土壤密度呈显著负相关，有机质含量是影响土壤酶活性最主要的因子；③在侵蚀-沉积作用下，土壤酶活性基本呈现沟头、沟中段随侵蚀发育而下降明显，沟尾段因沉积作用而下降减缓的规律。

［中图分类号］ S154；S157.1［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）08－0038－06

微生物活动释放的酶参与了土壤有机质和养分的形成[1]、循环[2]、分解[3]、矿化[4]等诸多环节，其催化活动是土壤生物化学反应的重要一环。酶的活性与土壤环境息息相关，因土壤酶对外界气候、地形、植被等环境因素具备较强敏感性，故成为表征土壤理化性质状况的重要指标[5]。测定酶的活性，可以了解特定养分在土壤中的转化速率，掌握土壤生物化学反应的相对强度[6]。侵蚀作为土壤退化的重要表现形式之一，不仅在宏观上生成沟道改变地形，而且直接影响了土壤生态的微观环境[7-8]。大量研究表明侵蚀沟的演变对土壤理化性质有显著影响，造成土壤粒径分布和土壤内部温度、含水量等水热条件的变化[9]，进而改变土壤酶活性[10-12]。

侵蚀作用会打破土壤养分和微生物之间的良性循环，导致土壤地力下降，影响粮食产量[13-14]。东北黑土区作为我国重要的粮食产区，每年因侵蚀造成的粮食损失多达280万t，侵蚀沟的发育导致土壤地力下降，严重制约了黑土区农业发展。本研究以东北黑土区不同发育程度的侵蚀沟为研究对象，通过量化分析不同侵蚀发育程度侵蚀沟沟头、沟中、沟尾段0～40 cm表层土壤酶活性分布状况，探讨侵蚀作用对表层黑土土壤酶活性的影响，以期为黑土区侵蚀沟治理工作提供支撑。

1研究区概况

研究区双奎河双安村河段位于黑龙江省哈尔滨市延寿县，属松嫩平原和小兴安岭余脉的过渡区，以低丘地形为主，海拔145～300 m。属寒温带大陆性气候区，年均气温2.8 ℃，年均降水量571.7 mm。土壤类型为黑土，有机质含量1%～8%，土壤质地为壤土和黏壤土，底层成土母质为第四纪黄土状亚土。经现场实测，地表下垂直高度20～25 cm处存在明显的犁底层，平均厚度约4 cm。

2试验设计

2.1土样采集

为保证室外环境下试验变量的一致性，在双奎河双安村河段选取一条支流（流域面积0.13～1.3 km2），采集时间为2021年5月春耕前，此时无积雪、降水少，气候、人为因素对土壤的扰动较小。此外要确保采集土样的海拔、坡向、坡度等地形因素相近。采样时侵蚀沟地貌中主要分布的植物种类包括蒌蒿、薹草、杞柳、红足蒿、青蒿等。

依据黑龙江省地方标准《侵蚀沟分级与分类》（DB23/T 2412—2019），选取流域内3条不同发育程度的侵蚀沟，分别记为浅沟A1、小型半稳定沟A2、中型稳定切沟A3（见图1），侵蚀发育程度为A1＜A2＜A3。各沟道的坡面沿纵断面线分为沟头、沟中、沟尾3个部位，分别在每个部位的坡面位置设置2个沟坡采样区，在沟底集水区设置1个沟底采样区（见图2），采样区大小为0.5 m×0.5 m。沟坡采样时需垂直于坡面，沟底采样前需去除厚3 cm的上游冲刷浮土。每个采样区在采集时以地表为基准，按照机械分层法垂直向下分别采集0～20 cm、＞20～40 cm两个土层，采集样方尺寸为长15 cm×宽15 cm×深20 cm，重复采样3次。在沟道沟头间设置未发生侵蚀的空白对照组CK，同样在0～20 cm、＞20～40 cm两个土层采样3次后进行混样处理。采样点基本情况见表1。

2.2土样测定

采集的土样使用塑料盒妥善保存，3份重复样品中：1份存储于-20 ℃的冰柜中用于测定土壤微生物量，参与酶活性计算；另外2份在避光处摊开阴干、过筛，分别用于测定土壤理化性质和酶活性。土壤理化性质和酶活性的测定方法见表2，测定得到的土壤理化性质结果见表3。

2.3数据分析

完成土样采集和测定后，采用SPSS 25、Excel 2020软件对测定数据进行统计分析和相关性分析，采用Canoco 5.0软件进行冗余分析。

3结果

3.1不同发育程度侵蚀沟的土壤酶活性特征

3.1.1碱性磷酸酶

不同发育程度沟道间碱性磷酸酶活性变化显著（p＜0.05）（见图3）。表4是不同发育程度侵蚀沟沟头、沟中、沟尾段0～40 cm土层的碱性磷酸酶活性，在0～20 cm土层，A1、A2、A3的碱性磷酸酶活性分别为0.51、0.54、0.20 μg/（g·h），各沟道碱性磷酸酶活性相较于CK分别下降17.74%、12.90%和67.74%，总体呈随侵蚀发育波动下降趋势；在＞20～40 cm土层，A1、A2、A3的碱性磷酸酶活性分别为0.30、0.24、0.12 μg/（g·h），各沟道碱性磷酸酶活性呈CK＞A1＞A2＞A3，随着侵蚀发育，碱性磷酸酶活性不断下降。各沟道0～20 cm土層碱性磷酸酶活性总体高于＞20～40 cm土层，且二者之间差异极显著（p＜0.01），表明随土层加深，碱性磷酸酶活性下降。从空间分布上来看，A1、A2、A3中0～20 cm土层和＞20～40 cm土层的碱性磷酸酶活性最大值均出现在沟尾段，且在沉积作用下，碱性磷酸酶活性在沟尾段随侵蚀发育而降幅减缓，而在沟头、沟中段则随着侵蚀沟发育降幅明显。

3.1.2脲酶

不同发育程度沟道间土壤脲酶活性变化显著（p＜0.05）（见图4）。表5是不同发育程度侵蚀沟沟头、沟中、沟尾段0～40 cm土层的脲酶活性，在0～20 cm土层，A1、A2、A3的脲酶活性分别为1.59、1.08、1.02 μg/（g·h），分别较CK下降了4.22%、34.94%、38.55%，在＞20～40 cm土层，A1、A2、A3的脲酶活性分别为1.07、0.65、0.61 μg/（g·h），分别较CK下降了15.08%、48.41%、51.59%。0～20 cm和＞20～40 cm土层脲酶活性均呈现CK＞A1＞A2＞A3，脲酶活性随着侵蚀发育呈递减趋势。各沟道0～20 cm土层脲酶活性总体高于＞20～40 cm土层，且二者之间差异极显著（p＜0.01），表明随土层加深，脲酶活性下降；且两个土层间的脲酶活性变化率A3＞A2＞A1，表明侵蚀沟的发育加速了脲酶活性的下降。各沟道＞20～40 cm土层脲酶活性的变异系数高于0～20 cm土层，表明在＞20～40 cm土层脲酶活性受侵蚀发育的影响更大。从空间分布上看，A1、A2、A3沟尾段脲酶活性较CK的降幅最小，表明随着侵蚀发育，沟尾段脲酶活性下降最少，沟头段下降最多。

3.1.3蔗糖酶

不同发育程度沟道间土壤蔗糖酶活性变化不显著（见图5）。表6是不同发育程度侵蚀沟沟头、沟中、沟尾段0～40 cm土层的蔗糖酶活性，在0～20 cm土层，A1、A2、A3的蔗糖酶活性分别为47.37、48.55、44.28 μg/（g·h），呈CK＞A2＞A1＞A3的趋势；在＞20～40 cm土层，A1、A2、A3的蔗糖酶活性分别为26.68、24.31、31.71 μg/（g·h），分别较CK下降了18.78%、26.00%、3.44%。各沟道0～20 cm土层蔗糖酶活性总体高于＞20～40 cm土层，且二者之间差异极显著（p＜0.01），表明随土层加深，蔗糖酶活性下降。从空间分布上看，在0～20 cm土层，沟头、沟中段蔗糖酶活性随侵蚀发育呈下降趋势，而沟尾段呈上升趋势，且A2、A3沟尾段的蔗糖酶活性均高于CK，表明蔗糖酶活性在沟头、沟中段受到养分迁移的影响，在侵蚀区活性下降，而在沟尾段养分沉积，蔗糖酶活性随侵蚀发育而增加。

3.1.4过氧化氢酶

不同发育程度沟道间土壤过氧化氢酶活性变化显著（p＜0.05）（见图6）。表7是不同发育程度侵蚀沟沟头、沟中、沟尾段0～40 cm土层的过氧化氢酶活性，在0～20 cm土层，A1、A2、A3的过氧化氢酶活性分别为2.85、2.28、2.32 μg/（g·h），分别较CK下降了8.65%、26.92%、25.64%，表明过氧化氢酶活性随侵蚀发育呈波动下降趋势；在＞20～40 cm土层，A1、A2、A3的过氧化氢酶活性分别为2.05、1.28、1.68 μg/（g·h），过氧化氢酶活性整体呈现CK＞A1＞A3＞A2，过氧化氢酶活性最小值出现在A2。各沟道0～20 cm土层过氧化氢酶活性总体高于＞20～40 cm土层，且二者之间差异显著（p＜0.05），随土层加深，过氧化氢酶活性下降。

3.2酶活性的影响因素分析

3.2.1酶活性与土壤理化性质的关系

将各项酶活性和土壤理化性质指标采用SPSS软件进行探索性因子分析，KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）检验统计量为0.759（p＜0.001），表明变量之间相关性较强。表8是酶活性和土壤理化性质指标的相关性分析结果，碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶4类酶活性均与有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾、有效磷、碱解氮7项土壤养分指标呈显著正相关（p＜0.05），表明随着侵蚀发育，土壤养分逐渐减少，酶活性随之下降。4类酶活性与土壤密度呈显著负相关（p＜0.05），随着土壤密度的增加，酶活性下降。碱性磷酸酶活性与土壤含水量呈显著正相关（p＜0.01），其余3类酶活性与土壤含水量之间的关系不显著。

酶活性和土壤理化性质的冗余分析结果见图7。在0～40 cm土层中，第一轴与第二轴分别解释了土壤酶活性和土壤理化性质变化的51.8%和4.34%，总解释度为56.14%。在各项理化性质指标中，土壤有机质含量是影响土壤酶活性的最主要因子，其解释度为46.0%（p=0.002），表明有机质的分布极大影响着侵蚀沟道内生物酶的活性；其次是全氮含量与速效钾含量，解释度分别为3.2%（p=0.044）和2.8%（p=0.048）。同时碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶4类酶活性指标均与有机质含量、全氮含量与速效钾含量呈正相关关系，表明随着侵蚀沟发育，有机质、全氮、速效钾等土壤肥力的迁移进一步影响了土壤中生物酶的活性。

3.2.2酶活性与土壤侵蚀的关系

碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶与土壤养分的变化均具有相对专一性，可以比较准确地反映土壤中有机質和氮、磷、钾的含量。酶活性主要受土壤养分中的有机质、全氮和速效钾含量的影响，而侵蚀沟内各部位的酶活性也受土壤养分迁移的影响。从空间分布上来看，在侵蚀-沉积作用下，沟头、沟中段被侵蚀的土壤裹挟土壤养分迁移，在沟尾段沉积；受土壤养分迁移的影响，土壤酶活性基本呈现出沟头、沟中段随侵蚀发育而下降明显，沟尾段因沉积作用而下降减缓的规律。

黑土区侵蚀沟的发育主要分为3个方面：一是溯源侵蚀。主要是由地表径流驱动，当降水强度超过土壤入渗速度时形成径流，径流在集水区汇集，冲蚀沿途的土壤，造成水土流失，同时土壤养分也随径流迁移，沟头段土壤随侵蚀发育逐渐“粗骨化”“贫瘠化”，使得微生物失去营养来源，造成沟头段酶活性的下降，碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性在沟头段随侵蚀发育呈下降趋势均能证明这个规律。二是沟壁崩塌。沟壁崩塌在浅沟尚不明显，当侵蚀沟发育为切沟时，坡面不同部位的土壤理化性质差异逐渐明显，坡面顶部受雨滴溅蚀，土壤机械位移较少，而坡面上、中部同时受到径流冲刷，土壤养分被径流剥离并向下沉积，造成坡面土壤养分的流失和坡脚处土壤养分的累积，使得土壤养分在坡面呈现多—少—多的分布规律，酶活性则呈现相同分布规律。三是沟底下切。侵蚀沟发育时，表层土壤质地疏松，且微生物活动剧烈的肥沃土壤被冲蚀，裸露出相对贫瘠紧实的下层土层，加上黑土分层明显，使得酶活性在不同土层间差异显著，本研究中碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶4类酶活性在0～20 cm和＞20～40 cm土层间均差异显著。

4结论

1）除蔗糖酶外，不同发育程度侵蚀沟间土壤碱性磷酸酶活性、脲酶活性、过氧化氢酶活性差异显著（p<0.05），4类酶活性在0～20 cm和＞20～40 cm土层间均差异显著（p<0.01）。随着侵蚀发育，土壤酶活性总体呈下降趋势；随着土层加深，土壤酶活性降低。

2）4类酶活性均与有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾、有效磷、碱解氮7项土壤养分指标呈显著正相关（p＜0.05），与土壤密度呈显著负相关（p＜0.05）。冗余分析结果表明，有机质含量是影响土壤酶活性最主要的因子，其解释度为46.0%（p=0.002），其次是全氮含量和速效钾含量，解释度分别为3.2%（p=0.044）和2.8%（p=0.048）。

3）在侵蚀-沉积作用下，沟头、沟中段被侵蚀的土壤裹挟土壤养分迁移，在沟尾段沉积；受到土壤养分迁移的影响，土壤酶活性基本呈现出沟头、沟中段随侵蚀发育而下降明显，沟尾段因沉积作用而下降减缓的规律。

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