土地利用類型對侵蝕黃壤腐殖質(zhì)及土壤酶的影響

王戰(zhàn)臺, 曹旻霞, 蔡文昌, 黃惠群, 曾和平

(昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院, 云南 昆明 650000)

土地利用類型對侵蝕黃壤腐殖質(zhì)及土壤酶的影響

王戰(zhàn)臺, 曹旻霞, 蔡文昌, 黃惠群, 曾和平

(昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院, 云南 昆明 650000)

[目的] 研究土壤侵蝕條件下，土地利用類型對黃壤不同土層深度的腐殖質(zhì)(胡敏酸、富里酸和胡敏素)和4種重要土壤酶的影響，為保持土壤肥力提供科學依據(jù)。[方法] 采用鋸齒形布點法，采集土壤表層至30 cm深度的3個土層土壤樣品，用3次4分法淘汰多余樣品，再測定相應指標。[結(jié)果] (1) 保持土壤肥力最好的是灌叢和園地，耕地最容易受侵蝕；土壤肥力高低與胡敏素的含量有直接關系。(2) 土壤侵蝕導致水分和氮元素流失會影響胡敏酸的含量；林地、園地和耕地土壤表層的富里酸易流失，而草地僅對于土壤表層肥力保持有作用。(3) 耕作對土壤表層的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的不利影響較大；土壤侵蝕導致的土壤pH值改變對土壤酶的影響也很明顯。(4) 相關性分析表明腐殖質(zhì)各組分含量與4種土壤酶都有著密切的聯(lián)系且互相影響。[結(jié)論] 黃壤受侵蝕下，土地利用類型對腐殖質(zhì)及土壤酶有明顯不同的影響。

土壤侵蝕; 土地利用類型; 腐殖質(zhì)組分; 土壤酶活性

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類對植物資源的利用和消耗增加了許多，造成了植被的嚴重破壞。因此，土壤侵蝕的情況越來越嚴重。有研究指出土壤侵蝕造成的經(jīng)濟損失大約占中國GDP總值的1.45%[1]。然而，在土壤侵蝕形成的一系列環(huán)境問題中，人們關注的核心點是土壤肥力和生產(chǎn)力的降低。而土地利用類型是跟土壤侵蝕有關的一個很重要的因素，土壤表面有著很高的植被覆蓋度能明顯地減少土壤侵蝕的發(fā)生[2]。所以，在土壤侵蝕情況下，不同土地利用類型對土壤肥力的影響是人們最近研究的熱點。

而作為土壤肥力的主要的營養(yǎng)物質(zhì)，土壤腐殖質(zhì)對于土壤的物理，化學，生物特征有著很重要的影響。腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要組分[3]。它的組成和特性隨著氣候和生物條件的變化而有很大的不同。此外，在腐殖質(zhì)組成的研究中，由于腐殖質(zhì)不是一個純粹的同質(zhì)的化合物，因此，現(xiàn)在的研究還沒有一個通用的分組方法。目前的研究，僅僅能把腐殖質(zhì)分成3類，即胡敏酸(humic acid)、富里酸(fulvic acid)和胡敏素(humin)。此外，胡富比，即HA(humic acid)/FA(fulvic acid)值隨著不同的土地利用類型而不同，這個比值和土壤肥力的高低也有某些關系。因此，在土壤侵蝕情況下，腐殖質(zhì)的流失會直接導致土壤肥力的下降。

在土壤肥力的相關研究中，除了腐殖質(zhì)外，土壤酶也是一個很重要的相關因素。土壤酶主要來自于植物的根系分泌物，土壤動物和微生物的遺體殘骸以及分泌物。它能催化復雜的有機物質(zhì)變成簡單的無機化合物，用于植物的生長和循環(huán)利用[4]。因此土壤酶能反映在土壤中各種各樣生物化學過程的強度和方向，并且是土壤肥力評價的一個重要指標。土壤酶的主要成分是蛋白質(zhì)，是有活性的大分子物質(zhì)。因此很容易受土壤環(huán)境因素的影響。如果土壤的理化性質(zhì)變化，例如：濕度、營養(yǎng)物質(zhì)、溫度和pH值等變化，土壤酶的催化能力也會變化。此外，土壤內(nèi)的重金屬離子、非金屬離子以及一些化合物的含量，也會明顯地影響土壤酶的活性。而土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要成分，它可以與土壤酶形成腐殖質(zhì)—酶的復合物。這種復合物能增強土壤酶的穩(wěn)定性，并且提高土壤酶在極端環(huán)境的耐受力和活性[4]。王旭東等[5]通過17 a的研究指出，有機肥料能明顯地提高土壤內(nèi)腐殖質(zhì)的含量。玉米秸稈漚制的有機肥也能明顯地提高薺菜根際的脲酶，過氧化氫酶和纖維素酶等的活性[6]。

在土壤侵蝕研究中，大量土壤顆粒物理搬運導致的土壤養(yǎng)分流失的相關報導已經(jīng)很多，但作為土壤養(yǎng)分物質(zhì)載體的腐殖質(zhì)及其主要組分在環(huán)境因素的綜合作用下發(fā)生溶解和流失的特征及原因，還有許多空白。此外，腐殖質(zhì)及其組分流失對土壤酶所造成的影響也需進一步研究。因此，本文擬研究坡地上不同土地利用類型和不同土層深度的腐殖質(zhì)及其組分的流失特征及原因，以及腐殖質(zhì)主要成分含量的變化與土壤酶活性的關系。試驗選取黃壤坡地上的5個不同土地利用類型，研究在土壤侵蝕情況下，不同土地利用類型和不同土層深度的腐殖質(zhì)主要組分(胡敏酸、富里酸和胡敏素)和4種有重要作用的土壤酶(脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶)分布差異及其關系。希望為保持土壤肥力提供一些科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點選在中國云南省楚雄州大姚縣魯村小流域治理示范區(qū)。大姚縣屬于北亞熱帶季風氣候，具有氣候溫和，干濕季明顯的特點，日照充足，雨熱同季，冬無嚴寒，夏無酷暑，年溫差小，日溫差大等氣候特點。年平均氣溫15.6 ℃，年平均降水796.3 mm，降雨時空分布不均勻，其中80%以上的降雨發(fā)生在5—10月的雨季。本研究選取了該示范區(qū)5個不同土地利用類型坡地。采樣區(qū)土壤類型為黃壤，坡地具體地貌及植被特征如表1所示。每個采樣點區(qū)域面積有100 m2。5個采樣點區(qū)域由于地處坡地，長年受降雨影響，因此受到不同程度地水力侵蝕。

表1 采樣點信息

注：主要植物拉丁文名稱：花椒(Zanthoxylumbungeanum)，白刺花(Sophoradavidii)，沙針(Osyriswightiana)，扭黃茅(Heteropogoncontortus)，圣誕樹(Acaciadecurrens)，苦蒿(Artemisiaedgeworthii)，玉米(Zeamays)，胡桃(Juglansregia)，狼尾草(Pennisetumalopecuroides)。

1.2 樣點的布設與采集

2016年6月10日采集土壤樣品。每一個采樣區(qū)域采用鋸齒形布點法，布設了10個樣點，每個樣點用原狀取土器分別采集土壤深度為0—10，10—20和20—30 cm的土壤各1 kg。然后將土壤每一層的10個樣點在原地混合均勻，用3次4分法淘汰多余樣品，獲得每一個采樣區(qū)3份不同深度的土壤樣品各1 kg左右。5個采樣區(qū)域共獲得15份土壤樣品。再剔除土壤樣品中的小石塊，樹根及其他雜物，然后用密封袋密封帶回實驗室。一部分直接測土壤自然含水量，另一部分在陰涼處自然風干，然后將土壤磨碎，過0.15 mm篩，用于測定土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性。

1.3 測定方法

表2 土壤基本理化性質(zhì)

注：表內(nèi)同一行內(nèi)不同字母表示同一土層深度內(nèi)不同土地利用類型下數(shù)值的差異顯著比較。下同。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，并采用Tukey法進行多重比較，顯著性水平p取0.05。采用Pearson相關性分析，分析相關變量的相關性。試驗作圖采用Origin 8軟件，試驗作表采用Microsoft office excel 2003。

2 結(jié)果與分析

2.1不同土地利用類型下土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)組分含量分布

在5個不同土地利用類型下，5個采樣區(qū)的3個土層有機質(zhì)含量分布相似，都是園地、林地和灌叢有機質(zhì)含量較高，耕地和草地的含量較低，并且都是隨著土層深度增加，有機質(zhì)含量逐漸降低。胡敏酸的含量在土層0—10 cm時，灌叢和耕地是最高的，草地是最低的(圖1)。土層10—20與20—30 cm時，其含量分布與土層0—10 cm相似，且均隨土層深度增加，胡敏酸含量逐漸降低。

在3個土壤層中，灌叢的胡富比均高于其他土地利用類型。0—10 cm土層中，草地和園地的胡富比要低于其他土地利用類型，且兩者無顯著性差異。10—20 cm土層與20—30 cm土層，林地的胡富比要低于其他的土地利用類型(圖2)。

注：不同小寫字母表示同一土層深度內(nèi)不同土地利用類型下數(shù)值差異性顯著。下同。

圖2 不同土地利用類型土壤胡富比分布

富里酸的含量分布與胡敏酸不同，在0—10 cm土層，含量最高的是園地，其次是林地、耕地和草地采樣區(qū)，并且3個采樣區(qū)無顯著性差異，灌叢采樣區(qū)含量最低。土層10—20和20—30 cm含量分布相似林地和園地采樣區(qū)含量最高，草地采樣區(qū)含量最低。此外，表3顯示，不同土地利用類型的富里酸在垂直深度分布上也各有特點：林地0—10 cm土層中富里酸含量小于10—20 cm土層，草地0—10 cm土層中富里酸含量大于10—20 cm土層，且有顯著性差異。灌叢、園地0—10 cm土層與10—20 cm土層富里酸含量無顯著性差異。

表3 不同土層深度富里酸含量差異性比較

胡敏素的含量分布與有機質(zhì)的含量分布相似，3個供試土層都是園地、林地和灌叢含量高于耕地和草地，且都隨土層深度增加，胡敏素含量逐漸降低。

2.2 不同土地利用類型下土壤酶活性分布

坡地上5個土地利用類型，脲酶的活性分布是，在0—10 cm活性最高的是草地和園地，活性最低的是耕地(圖3)。在10—20 cm與20—30 cm脲酶的活性分布相似，都是園地最高，而耕地與草地最低。堿性磷酸酶活性分布是，在0—10活性最高的是灌叢，其次是草地，活性最低的是林地和耕地，在10—20 cm與20—30 cm土層分布相似，堿性磷酸酶活性最高的都是灌叢，較低的是林地，耕地和草地。酸性磷酸酶活性的分布是：在0—10 cm活性最高的是林地、耕地和草地，且三者無顯著性差異，在10—20 cm與20—30 cm酸性磷酸酶的活性最高的都是林地和耕地，而最低卻是草地。在土層0—10 cm，過氧化氫酶活性最高的是草地，最低的是林地和耕地且兩者間過氧化氫酶活性無顯著性差異，在10—20 cm與20—30 cm活性最高的都是灌叢和草地且兩者無顯著性差異，活性最低的都是林地和草地。5個不同土地利用類型，值得注意的是耕地，其在表層0—10 cm，脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性都是最低的。此外，4種土壤酶的活性也基本都是隨著土壤深度的增加而逐漸減少。

圖3 不同土地利用類型土壤酶活性分布

2.3土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)組分與土壤酶活性相關性

土壤腐殖質(zhì)組分與4種土壤酶相關性分析表明(表4)，脲酶和酸性磷酸酶與有機質(zhì)和腐殖質(zhì)各組分都呈極顯著正相關性，堿性磷酸酶與有機質(zhì)、胡敏酸和胡敏素呈極顯著正相關性。過氧化氫酶只與富里酸呈極顯著負相關。說明有機質(zhì)與腐殖質(zhì)各組分與土壤酶有著密切的聯(lián)系，不可分割。此外，有機質(zhì)和腐殖質(zhì)各組分為顯著正相關。脲酶與堿性磷酸酶和酸性磷酸酶都呈極顯著正相關，過氧化氫酶只與堿性磷酸酶呈極顯著正相關。

表4 土壤有機質(zhì)和腐殖質(zhì)組分與土壤酶活性相關性分析

注：**表示在0.01水平上顯著相關； *表示在0.05水平上顯著相關。

3 討 論

3.1侵蝕環(huán)境下不同土地利用類型對有機質(zhì)和腐殖質(zhì)組分含量的影響

因地處坡地長年受降雨的侵蝕，研究區(qū)不同土地利用類型覆蓋土壤均有不同程度的水土流失，導致了土壤肥力下降。研究結(jié)果表明，研究區(qū)灌叢和園地土壤有機質(zhì)含量要高于林地、草地和耕地，尤以耕地最低。這表明保持土壤肥力效果最好的是灌叢和園地，林地和草地次之，耕地最差，這與趙護兵等[8]、李生等[9]的研究結(jié)果較為一致。

相關性分析表明，胡敏素與有機質(zhì)呈極顯著正相關，其在土層中的分布規(guī)律與有機質(zhì)基本相同，灌叢和園地覆蓋下的土壤含量要高于林地、草地和耕地(表4)。這表明水土流失程度和土壤肥力高低與胡敏素的含量有直接關系。土壤中保存的水分和氮含量高有利于有機質(zhì)積累和胡敏酸縮合[10-12]，本研究結(jié)果表明，0—10，10—20和20—30 cm這3個土壤層中，灌叢所固持的自然含水量和全氮量均明顯高于其他土地利用類型。同時，其3個土壤層中的胡敏酸的含量及胡富比均高于園地、林地、草地和耕地。這個結(jié)果進一步證明了灌叢在研究區(qū)黃壤水土保持中的重要作用。

富里酸(圖1)的分布狀況與其他腐殖質(zhì)組分都不同，富里酸的分子結(jié)構(gòu)較簡單，平均分子量小，具有較強的溶解能力和移動性。富里酸既是形成HA的一級物質(zhì)，又是HA分解的一級產(chǎn)物，在HA的積累和更新中起重要的作用。相關性分析表明，富里酸與胡敏酸也是顯著正相關。本研究中，林地在0—10 cm土層中富里酸含量小于10—20 cm土層，灌叢、耕地和園地在0—10與10—20 cm土層的富里酸含量無顯著性差異。這與丁咸慶等[13]的研究結(jié)果不同。原因可能是，研究區(qū)坡地因長年受雨水侵蝕，富里酸因其分子量小并具有較強的溶解能力，容易在土層縱向上遷移，導致林地土壤表層的富里酸低于下層。草地0—10 cm土層富里酸含量顯著高于10—20 cm土層，原因是草地地表覆蓋度高且根系集中于土壤表層，富里酸大多被吸附、固持在表層土壤中，不易流失。因此，草地對防止土壤表層富里酸流失有很明顯的作用。

3.2侵蝕環(huán)境下不同土地利用類型對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指標[14]。研究結(jié)果顯示，土壤酶活性隨土壤深度增加而降低，這與楊佳佳等[15]的研究結(jié)果相似。但本研究結(jié)果表明，0—10 cm土層中，耕地脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性都是最低的，說明人為耕作對土壤表層這3種土壤酶活性的不利影響較大。但耕地表層的酸性磷酸酶活性卻高于其他土地利用類型，原因是供試耕地黃壤pH值較低，有利于酸性磷酸酶活性的發(fā)揮。灌叢和草地堿性磷酸酶活性，原因是供試灌叢和草地黃壤pH值較高，偏堿性，有利于堿性磷酸酶活性的發(fā)揮。所以，土壤pH值對2種磷酸酶活性均有明顯地影響，這與張翠英等[16]的研究相似。此外，馮宏等[17]研究表明，水土流失對土壤pH值有明顯地影響，因此土壤侵蝕也必然影響堿性磷酸酶和酸性磷酸酶的活性。

在10—30 cm土層，草地土壤內(nèi)有機質(zhì)、胡敏酸、富里酸含量，脲酶、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性都顯著低于其他土地利用類型，原因可能是草地根系較淺，草地土壤中各種微生物和酶主要集中在0—10 cm表層土壤中，表層土壤生物量較大，新陳代謝旺盛。而在較深土層，草地根系達不到，不利于土壤腐殖質(zhì)和土壤酶的產(chǎn)生。因此，草地僅對于土壤表層肥力提高有一定作用。

3.3 有機質(zhì)和腐殖質(zhì)組分與土壤酶的關系特征

相關性分析結(jié)果表明，脲酶和酸性磷酸酶與有機質(zhì)和腐殖質(zhì)各組分都呈極顯著正相關性，堿性磷酸酶與有機質(zhì)、胡敏酸和胡敏素也都呈極顯著正相關性。這與張曉曦等[12]研究結(jié)果部分相似。有研究表明脲酶與磷酸酶的活性提高可能提供了腐殖質(zhì)形成的一些前體物質(zhì)或者提供了有機質(zhì)分解的養(yǎng)分條件(如磷酸酶為微生物提供磷)。于江等[18]研究表明，添加生物腐殖酸可明顯提高土壤中腐殖質(zhì)的含量和土壤酶的活性，腐殖質(zhì)能與土壤酶形成腐殖質(zhì)—土壤酶復合體，增強酶的穩(wěn)定性，說明有機質(zhì)與腐殖質(zhì)各組分與土壤酶有著密切的聯(lián)系。

過氧化氫酶與富里酸呈極顯著負相關性，說明在土壤中生化反應和物質(zhì)循環(huán)過程中兩者之間可能存在互相不利的影響，這可能是由于酶活性受到土壤養(yǎng)分與腐殖質(zhì)結(jié)合狀況等多種因素的影響[19]，與腐殖質(zhì)的相關性不能夠單純性地表現(xiàn)出來，這種復雜關系還有待于進一步的研究。

此外，土壤酶間也表現(xiàn)出極顯著相關性，脲酶與堿性磷酸酶和酸性磷酸酶都呈極顯著正相關，過氧化氫酶只與堿性磷酸酶呈極顯著正相關性，說明土壤中有機磷的脫磷與轉(zhuǎn)化、不同氮素的轉(zhuǎn)化利用以及其他生化反應和物質(zhì)循環(huán)關系密切并且相互影響[20]。

4 結(jié) 論

(1) 土壤侵蝕發(fā)生時，保持土壤肥力最好的是灌叢和園地，耕地最容易受土壤侵蝕導致土壤肥力下降，胡敏素與有機質(zhì)呈極顯著相關性，水土流失程度和土壤肥力高低與胡敏素的含量直接關系。

(2) 土壤中胡敏酸的含量與自然含水率及全氮含量都有密切關系，土壤水力侵蝕導致的水分和氮元素流失必然影響土壤中胡敏酸含量的多少。此外，富里酸分子量小并具有較強的溶解能力，容易在橫向和縱向上遷移，這是研究區(qū)坡地上林地、園地和耕地表層土壤中富里酸含量低的主要原因。草地對于表層富里酸流失有控制作用，但因草地根系較淺，不利于土壤腐殖質(zhì)和土壤酶的產(chǎn)生。因此，草地僅對于土壤表層肥力保持和提高有一定作用。

(3) 人為耕作對土壤表層的脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的不利影響較大。此外，土壤侵蝕導致的土壤pH值改變對土壤酶的影響也很明顯。

(4) 相關性分析表明有機質(zhì)含量與腐殖質(zhì)各組分含量與脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶都有著密切的聯(lián)系，不可分割且互相影響。

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EffectsofLandUseonHumusandSoilEnzymesofYellowSoilUnderSoilErosion

WANG Zhantai, CAO Minxia, CAI Wenchang, HUANG Huiqun, ZENG Heping

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650000,China)

[Objective] The effects of land use on humus (humic acid, fulvic acid and humin) and four kinds of important soil enzymes in different yellow soil horizon under soil erosion condition were studied in order to provide some scientific basis for maintaining soil fertility. [Methods] Soil samples were collected in different soil horizon (0—10 cm, 10—20 cm and 20—30 cm) at each sample point by zigzag method. Then, soil samples of each layer were mixed evenly in situ and removing of redundant sample was performed by quartering in three times and the corresponding indicators were determined. [Results] (1) Scrub woodland and garden plot had better effect in maintaining soil fertility. However, cultivated land was extremely susceptible to erosion. Soil fertility was directly related with the content of humin of yellow soil. (2) Soil erosion may also affect humic acid content through the loss of water and nitrogen. Fulvic acid of soil in forest land, garden plot and cultivated land lost more easily. However, the grassland had only impact on maintain soil surface fertility. (3) Tillage had significantly adverse effect for activity of urease, alkaline phosphatase and catalase. Meanwhile, soil erosion also evidently affects soil enzymes through the change of soil pH value. (4) Correlation analysis showed that the content of humus component had close contact with the activities of the four kinds of soil enzymes and influenced each other. [Conclusion] The land use types of yellow soil have significantly different effects on humus and soil enzyme activity under erosion.

soilerosion;landusetypes;humuscomponent;soilenzymeactivity

A

1000-288X(2017)05-0027-07

S151.9

文獻參數(shù)： 王戰(zhàn)臺, 曹旻霞, 蔡文昌, 等.土地利用類型對侵蝕黃壤腐殖質(zhì)及土壤酶的影響[J].水土保持通報，2017,37(5)：27-33.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.005； Wang Zhantai, Cao Minxia, Cai Wenchang, et al. Effects of land use on humus and soil enzymes of yellow soil under soil erosion[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：27-33.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.005

2017-03-02

2017-04-04

國家自然科學基金項目“腐殖酸在水土流失固液界面的遷移行為研究:以云南楚雄龍川江流域為例”(41461061)

王戰(zhàn)臺(1989—),男(漢族),河北省石家莊市人,碩士研究生,主要從事環(huán)境生態(tài)學研究。E-mail:1345137350@qq.com。

曾和平(1974—),男(土家族),湖北省恩施州人,博士,副教授,碩士生導師,從事水土保持學和景觀生態(tài)學研究。E-mail:dabatou@126.com。