不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性及相关肥力因子的影响

1、植物营养与肥料学报2009,15(6:1311-1316Plant Nutrition and Fertilizer Science不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性及相关肥力因子的影响王树起1,2,韩晓增13,乔云发1,王守宇1,李晓慧1 (1中国科学院东北地理与农业生态研究所,黑龙江哈尔滨150081;2中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁沈阳110016摘要:以中国科学院海伦农业生态实验站长期定位试验为平台,研究了不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性和相关肥力因子的影响,结果表明,种植苜蓿和土地休闲两种方式与裸地相比脲酶、转化酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性、土壤全碳、全氮含量和碱解氮、速效磷、速

2、效钾含量均显著增加。其中,脲酶活性增加了2415%和2510%,转化酶活性增加了1814%和1819%,磷酸酶活性增加了5416%和5014%,过氧化氢酶活性增加了8152%和5913%,土壤全碳、全氮含量分别增加了1318%、1310%和3618%、3317%,但苜蓿和休闲两种方式间无显著差异。不同施肥方式间相比,土壤酶活性、土壤全碳、全氮及土壤有效养分含量相差显著,其高低顺序为:NPK OM(氮、磷、钾肥+有机肥>NPK ST(氮、磷、钾肥+秸秆>NPK(氮、磷、钾肥>CK(无肥处理;施肥特别是施有机肥,显著提高了土壤酶活性,使土壤全碳、全氮、有效养分含量显著增加。这表明

3、黑土经自然恢复和人工恢复及施肥后土壤肥力提高,土壤质量得到改善。关键词:黑土;施肥方式;土地利用方式;土壤酶活性;有效养分中图分类号:S151194文献标识码:A文章编号:1008-505X(200906-1311-06E ffects of land uses and fertilization systems on soil enzyme activities and nutrientsW ANG Shu2qi1,2,H AN X iao2zeng13,QI AO Y un2fa1,W ANG Shou2yu1,LI X iao2hui1(1Northeast Institute o f

4、G eography and Agriculture Ecology,C AS,Harbin150081,China;2Institute o f Applied Ecology,C AS,Shenyang110016,ChinaAbstract:S oil enzymes play an essential role in catalyzing reactions necessary for the decom position of organic matter and nutrient cycling in ecosystems,inv olving a range of plants,

5、microorganisms,animals and their debris.In this paper, black s oil sam ples at the depth of020cm were collected from the Hailun Agricultural Ecology Station of Chinese A2 cademy of Sciences to study the effects of different land uses and fertilization systems on urease,invertase,phosphatase, and cat

6、alase activities,total carbon(T C,nitrogen(T N,alkaline hydrolytic nitrogen,available P and available K. The results showed that s oil enzymes activity,T C,T N and alkaline hydrolytic nitrogen,available P and available K in both clover land and fallow land significantly increased com pared with bald

7、 land,in which urease activity increased by 2415%and2510%,invertase activity1814%and1819%,phosphatase activity5416%and5014%and catalase activ2 ity8152%and5913%,T C and T N increased by1318%,1310%and3618%,3317%,respectively.H owever,there was no significant difference between clover land and fallow l

8、and.There was a significant difference of s oil enzymes activ2 ities,T C,T N and available nutrients contents am ong the treatments under different fertilization systems,which followed same order:nitrogen,phosphorus and potassium fertilizers plus organic manure(NPK OM>nitrogen,phosphorus and pota

9、ssium fertilizers plus straw(NPK ST>nitrogen,phosphorus and potassium fertilizers combination(NPK>con2 trol(CK.Fertilization,especially organic manure application,could significantly increased s oil enzymes activities,T C,收稿日期:2008-11-28接受日期:2009-04-07基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(K SCX1-Y W-09-09,K

10、SCX2-Y W-N-002,K Z CX2-Y W-407;国家科技支撑计划项目(2006BAD21B01资助。作者简介:王树起(1968,男,山东莱阳人,博士后,副研究员,主要从事植物营养和土壤生态方面的研究。E2mail:wsq2200131s 3通讯作者T el:0451-*,E2mail:hanxzT N and available nutrients contents.These results suggested that black s oil fertility and quality could be im proved either by natural or artif

11、icial reclamation or by fertilization.K ey w ords:black s oil;fertilization system;land uses;enzyme activity;available nutrients土壤酶在生态系统的有机质分解和养分循环所必需的催化反应中起重要作用1,涉及一系列的植物、微生物、动物及其分泌物,土壤酶活性的变化能够改变作物吸收养分的有效性、而这些变化是土壤质量的潜在敏感指标2。土壤酶活性受土壤理化性状和管理方式的影响很大,常用来作为微生物活性和土壤肥力的指标3-4。研究表明,有机质能增加土壤酶活性、改善土壤结构、提高作物产

12、量,而增加的土壤酶活性在土壤生态系统中能促进养分循环5。长期施用化肥会因耕作措施、植物残体和土壤腐殖质状况的不同而产生不同的效果6-7。一般来说,有机肥比化肥对微生物的影响大8-11,因为有机质是土壤微生物的碳源和能源。东北黑土是世界上三大片黑土之一,具有较高的自然肥力,理化性状较好,垦殖指数在80%以上,是我国重要的商品粮生产基地,对我国的粮食安全起着举足轻重的作用,但由于长期的过度垦殖和不良的经营管理措施致使黑土质量退化问题日益严重。因此,研究黑土生物活性的变化能为改善养分循环、提高土壤质量和肥力提供理论依据,对指导生产有重要意义。目前,黑土质量退化研究已成为国内研究的热点课题之一,许多学

13、者从不同角度开展了相关的研究工作。李东坡等12通过吉林省农业科学院黑土肥力长期定位研究表明,不同的肥料管理方式对黑土微生物量和几种土壤酶活性影响较大。王光华等13研究了不同管理方式对黑土土壤微生物量碳和酶活性的影响,结果表明,020cm 土层土壤微生物量碳和土壤酶活性均表现为自然恢复>种植作物>休闲裸地;相关分析表明,土壤全碳和全氮、土壤全碳和微生物量碳、土壤微生物量碳和4种土壤酶活性之间都存在极显著的正相关关系,土壤酶活性和土壤微生物量碳两项指标表明在自然恢复条件下黑土土壤质量较好。东北黑土经过多年的垦殖,地上植被已从草原草甸植被覆盖转变为作物覆盖,即已从自然生态系统转变为农田生

14、态系统。但从生态学的角度出发,比较不同生态系统的生物和生物化学过程,以揭示黑土质量退化的生物和生物化学过程的研究报道较少。由于长期的人类活动,在同一块黑土地上很难找到原始的黑土与农田黑土进行对比研究。为此,在中国科学院海伦农业生态实验站同一块农田黑土上设置了不同土地利用方式和施肥方式,希望通过长期的黑土恢复重建过程,了解黑土质量退化机制。本试验在此长期定位试验区研究了不同土地利用和施肥方式下的土壤酶活性和有效养分变化,为进一步认识黑土质量退化机制和黑土质量重建提供科学依据。1材料与方法111试验区概况中国科学院海伦农业生态实验站位于黑龙江省海伦市(47°26N,126°38

15、E,平均海拔234m,试验地土壤为典型的中厚层黑土。该站属温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,雨热同季,全年降水量500600mm,80%以上集中在59月。年均气温115,无霜期120130d,10的有效积温为24002500,自然植被为草原化草甸杂草。农田黑土主要种植大豆、玉米、小麦等作物。试验前(2004年020cm土层土壤有机质含量为3113 g/kg,全氮310g/kg,全磷017g/kg,全钾1916g/kg,碱解氮23411mg/kg,速效磷25178mg/kg,速效钾19018mg/kg,pH6180。112试验设计试验设裸地(Bald land,BL、休闲(F ol

16、low land, F L、苜蓿(Clover land,C L3种土地利用方式和在种植作物区设无肥(CK、氮磷钾肥(NPK、氮磷钾肥+秸秆(NPK ST、氮磷钾肥+有机肥(NPK OM4种施肥方式,共7个处理,4次重复,试验小区面积510 m×412m,随机排列。试验始于2004年,休闲为自然撂荒地,不进行人工管理,让杂草自然生长演替;裸地为正常的耕作管理,但不施用任何肥料,当试验区有杂草长出后,立即进行人工除草,使地表保持无植被状态;种植作物区为大豆、小麦和玉米3种作物轮作,一年一季,2007年种植玉米。肥料及秸秆用量分别为N2015kg/hm2、P2O545kg/hm2、K2O

17、30 kg/hm2,氮肥为尿素,磷肥为磷酸二铵,钾肥为硫酸钾;秸秆为当季作物收获后粉碎全部还田(玉米约6000kg/hm2,大豆约4000kg/hm2,小麦约4000 kg/hm2,有机肥为腐熟猪粪(含N2211g/kg,P2168 g/kg,K2148g/kg,用量为22500kg/hm2。各肥料均作基肥在播前一次施入。2131植物营养与肥料学报15卷113测定项目与方法2007年7月19日在作物生长季节进行采样。在各小区采取020cm 土壤作为供试土样。各小区随机采3个样点混合,作为1次重复,样品采回后,立即放入4冰箱中保存备用。试验前剔除土样中的石块和植物残根等杂物后风干,磨细,过1mm

18、 和0125mm 筛备用。土壤全碳和全氮采用VarioE L 型元素分析仪测定。土壤脲酶采用奈氏比色法测定(37培养24h ;磷酸酶采用苯磷酸二钠法测定37培养24h ,以Phen ol mg/(g h 表示;过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法(011m ol/L K MnO 4,30min 测定;转化酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定(37培养24h 14。碱解氮、速效磷和速效钾含量采用常规方法测定15。试验数据采用E xcel 2003和SPSS 1410软件进行处理和统计分析,用Duncun (SSR 方法分析处理间平均数在P <0105和P <0101水平的差异显著性。2结果与

19、分析211不同土地利用和施肥方式对土壤全碳、全氮和C/N 的影响不同土地利用方式和不同施肥方式下,土壤全碳、全氮和C/N 有较大的变化(图1。裸地方式下,土壤全碳、全氮含量分别为2514和1190g/kg ;而种植苜蓿和土壤休闲后,全碳和全氮含量显著增加。其中,种植苜蓿后,土壤全碳和全氮含量分别为2819和2160g/kg ;而土地休闲土壤全碳和全氮含量分别为2817和2154g/kg ,均显著高于裸地,但苜蓿和休闲两种方式间无显著差异。表明土壤经过休闲和种植苜蓿后,有利于维持土壤碳库的稳定和全氮含量的增加,全碳和全氮含量已恢复到接近试验前(2004年的水平(3113和2170g/kg 。土壤

20、经过施肥和添加秸秆后,土壤全碳和全氮含量与无肥对照相比均提高。其中,NPK OM 处理土壤全碳和全氮含量最高,分别达3010和2171g/kg ,CK 处理土壤全碳和全氮含量显著低于其它处理,只有2514和1185g/kg ,表现为:NPK OM >NPK ST >NPK >CK 处理。表明施用化肥、有机肥和秸秆对土壤全碳、全氮含量的提高起着重要作用,且以有机肥的作用效果最为显著,对维持土壤碳库稳定和提高土壤全氮含量发挥了重要作用。图1还看出,种植苜蓿和土地休闲与施用有机肥对土壤全碳、全氮作用效果相当,说明施用有机肥可以维持土壤地力,而土壤经过休闲后可以使地力得到恢复。 种植

21、苜蓿和土地休闲后土壤图1不同土地利用和施肥方式对土壤碳、氮和碳氮比的影响Fig.1E ffects of different land uses and fertilization systems on soil C 、N and C/N ratios31316期王树起,等:不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性及相关肥力因子的影响C/N降低,裸地下土壤C/N最高;施用氮、磷、钾、有机肥和秸秆后土壤C/N也降低,无肥下土壤C/N均高于其他施肥处理。212不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性的影响不同土地利用和施肥方式下土壤酶活性有显著的差异(图2。种植苜蓿和休闲与裸地相比,各种土壤酶活性均显著增加,

22、脲酶活性增加了2415%和2510%,转化酶活性增加了1814%和1819%,磷酸酶活性增加了5416%和5014%,过氧化氢酶活性增加了8152%和5913%。而种植苜蓿与土地休闲相比,脲酶、转化酶和磷酸酶活性相差不大,但过氧化氢酶活性休闲地显著高于苜蓿地。表明经过种植苜蓿和土地休闲后土壤的生物活性显著提高,从而促进了土壤的生物学过程,这对于维持土壤较高的生物活性起着重要作用,有助于地力的恢复。不同施肥方式比较,施用氮、磷、钾、有机肥和秸秆后,各种土壤酶的活性均显著高于无肥处理,总体表现为NPK OM >NPK ST>NPK>CK,表明施肥特别是施用有机肥后,提高了土壤酶活

23、性,促进了土壤微生物活性,提高了土壤的生产力,为作物产量的增加提供了保证 。图2不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性的影响Fig.2E ffect of different land uses and fertilization systems on the soil enzyme activities213不同土地利用和施肥方式对土壤有效养分含量的影响不同土地利用和施肥方式下,土壤有效养分含量发生了较大变化(表1。苜蓿地和休闲地与裸地相比,碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著增加,而休闲地与苜蓿地相比,上述有效养分含量略有增加,表明土壤有效养分含量经过不同的土地利用后含量发生了明显变化,经种植苜蓿

24、和土地休闲后,有效养分含量增加,土壤肥力有所恢复。施肥使土壤各有效养分含量均增加,特别是速效磷含量显著增加;施用有机肥后,各养分含量增加幅度最大。表明土壤经休闲和施肥,特别是施有机肥后,生产力有较大幅度的提高,土壤质量得到改善。214土壤酶活性与土壤养分含量间的相关性不同土地利用方式和不同施肥方式下,各种土壤酶活性与土壤有效养分间均呈显著或极显著的正相关(表2。其中,除过氧化氢酶与速效磷(不同土地利用方式下、过氧化氢酶与碱解氮(不同施肥方4131植物营养与肥料学报15卷式下呈显著正相关外,其他酶活性与各有效养分含量间均呈极显著的正相关。表明土壤酶活性可以很好地表征土壤肥力,指示土壤质量。表1不

25、同土地利用和施肥方式对土壤有效养分的影响(mg/kgT able1E ffect of different land uses and fertilization systems on soil available nutrients 处理T reatments碱解氮Alkali2hydrolyzed N速效磷Available P速效钾Available KBL9213±4116c2417±1144b16617±1115cC L11019±1129b3219±2146a19617±3211bF L12317±4127a33

26、14±4100a25313±2819aCK9918±5117c1711±5169c16010±2010cNPK12713±2106b8013±2019b18313±1513bNPK ST13019±6128ab8619±1311b18617±5177bNPK OM13515±5123a10814±1212a20617±2018a注(N ote:同列中不同字母表示处理间差异达显著水平(P<0105Different letters in the sam

27、e column mean significant am ong treatments at0105level.表2不同土地利用和施肥方式土壤酶活性与土壤养分含量的相关性(rT able2Correlation betw een soil enzyme activities and nutrient contents under different land uses andfertilization systems项目碱解氮Alkali2hydrolyzed N速效磷Available P速效钾Available KI tems LU FS LU FS LU FS脲酶Urease019229

28、330188943301999433019233330178043301978733转化酶Invertase019229330189313301999433018969330178043301887833磷酸酶Phosphatase018835330199343301991433019736330171973301901133过氧化氢酶Catalase0188133301704430165683017807330197763301915533注(N ote:3和33分别表示差异达5%和1%显著水平,3and33mean significant at5%and1%levels,respectiv

29、eliy.n=10,r0101= 017089,r0105=01576013讨论新开垦的黑土有机质含量一般为5080g/kg,开垦20年内,有机质含量下降较快,然后趋于缓慢16。海伦农业生态实验站正常施用化肥处理的020cm土层黑土全碳含量(19912006年比较稳定,基本保持在(28190±0190g/kg(种植玉米和(28130±1120g/kg(种植大豆17。本研究中,无施肥处理的土壤全碳含量低于正常施肥处理,可能是由于没有外源有机质的加入,土壤有机质分解加快以补充作物所需养分,导致土壤全碳含量降低。而NPK OM处理的土壤全碳含量为3010g/kg,高于正常施用化肥

30、处理,表明施用有机肥能促进土壤全碳含量的提高。土壤酶是土壤中活跃的有机成分之一,在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起着重要作用。李东坡等12对吉林省公主岭市国家黑土肥力监测区025cm土层土壤脲酶和磷酸酶活性动态进行研究表明,脲酶和磷酸酶活性大小顺序为高量有机肥>低量有机肥>化肥>不施肥处理,且这两种酶活性与土壤微生物量碳、氮和磷、活性有机质、速效氮、磷和钾呈极显著正相关。本研究分析了不同土地利用和施肥方式下4种土壤酶活性,结果看出,土壤酶活性均表现为苜蓿地、休闲地>裸地;NPK OM>NPK ST>NPK>CK处理。而且,上述各种酶活性与

31、土壤有效养分(碱解氮、速效磷和速效钾含量间均呈显著或极显著正相关。说明土壤经过休闲和种植苜蓿以及施肥,特别是施有机肥后,土壤酶活性提高,黑土的养分状况得到改善,预示着经过自然恢复和施肥有助于提高土壤肥力,使黑土质量向健康方向发展。黑土经多年开垦种植后,土壤生化性质发生了明显变化18。自然恢复和施肥有利于土壤有机碳含量的增加和土壤生物活性的增强,为作物稳产高产创造了良好的土壤生化环境。此外,有机肥本身带有外源酶,可为土壤生物创造良好的生活环境而有利于土壤酶活性的提高,因此施有机肥在黑土上有很好的培肥增产效果。黑土区土壤质量的不断退化,使得土壤质量问题日益受到人们的关注,寻找一个敏感的、普适的综合

32、51316期王树起,等:不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性及相关肥力因子的影响1316 植物营养与肥料学报 15 卷 指标 ,来指示黑土质量的变化具有重要的科学意义。 4 结论 不同土地利用方式对土壤酶活性有显著影响 , 种植苜蓿和休闲地与裸地相比 , 土壤酶活性显著增 加 ,其中脲酶活性增加了 2415 %和 2510 % 、 转化酶 活性增加了 1814 % 和 1819 % 、 磷酸酶活性增加了 和秸秆后 ,各种土壤酶的活性均显著高于无肥处理 , 总体表现为 : NPK > NPKST > NPK > CK 处理 。 OM 不同土地利用方式下土壤全碳和全氮含量发生 了明

33、显变化 ,种植苜蓿和休闲地与裸地相比 ,土壤全 分的含量 ,土地休闲和种植苜蓿后 , 碱解氮 、 速效磷 参 考 文 献: 1 Allison V , Condron L , Peltzer D A et al . Changes in enzyme activities and soil microbial community composition along carbon and nutrient gradients at the Franz Josef chronosequence , New Zealand J . Soil 2 Ajwa H A , Dell C J , Rice

34、C W. Changes in enzyme activities and mi2 3 樊军 ,郝明德 . 黄土高原旱地轮作与施肥长期定位试验研究 I. 4 樊军 ,郝明德 . 黄土高原旱地轮作与施肥长期定位试验研究 ous planting on soil enzyme activities J . Plant Nutr. Fert . Sci . , 2003 , 9 (1 : 9 - 131 crobial biomass of tallgrass prairie soil as related to burning and nitro2 gen fertilization J . So

35、il Biol . Biochem. , 1999 , 31 : 769 - 7771 persistence of soil enzymes with repeated addition of organic residues 理土壤全碳和全氮含量分别只有 2514 和 1185 g/ kg , 显著低于其他处理 , 总体各处理表现为 NPK OM > NPKST > NPK > CK 处理 。 不同土地利用和施肥方式显著影响土壤有效养 Biol . Biochem. , 2007 , 39 : 1770 - 17811 和速效钾含量与裸地相比显著增加 , 不同施肥方式 对

36、土壤有效养分的影响表现为 NPK OM > NPKST > NPK > CK。 土壤酶活性与土壤有效养分含量间呈显著或极 显著的正相关关系 。 5416 %和 5014 % ,过氧化氢酶活性增加了 8152 %和 5913 % ; 不同施肥方式比较 , 施用氮 、 、 、 磷 钾 有机肥 . 土壤酶活性与土壤肥力 J . 植物营养与肥料学报 ,2003 ,9 (2 : 146 - 1501 Fan J , Hao M D. Study on long2term experiment of crop rotation and fertilization in the Loess

37、 Plateau . Relationship between soil enzymes J . Plant Nutr. Fert . Sci . , 2003 , 9 (2 : 146 - 1501 5 Martens D A , Johanson J B , Frankenberger J W T. Production and 碳、 全氮含量分别增加了 1318 % 、 10 %和 3618 % 、 13 3317 % ; 不同施肥方式比较 ,NPK OM 处理土壤全碳 和全氮含量最高 ,分别达 3010 和 2171 g/ kg , 无肥处 长期轮作与施肥对土壤酶活性的影响 J . 植

38、物营养与肥料学 报 ,2003 ,9 (1 : 9 - 131 Fan J , Hao M D. Study on long2term experiment of crop rotation and fertilization in the Loess Plateau I. Effect of crop rotation and continu2 J . Soil Sci . , 1992 , 153 : 53 - 611 6 Chantigny M H , Angers D A , Beauchamp C J . Active carbon pools 7 Masto R E , Chhon

39、kar P K, Singh D et al . Changes in soil biological and biochemical characteristics in a long2term field trial on a sub2tropi2 11 Mandal A , Patra A K, Singh D et al . Effect of long2term application of manure and fertilizer on biological and biochemical activities in soil 3585 - 35921 during crop d

40、evelopment stages J . Bioresour. Techn. , 2007 , 98 : 12 李东坡 ,武志杰 , 陈利军 , 等 . 长期不同培肥黑土磷酸酶活性 14 关松荫 . 土壤酶及其研究法 M . 北京 : 农业出版社 ,19861 18 王树起 ,韩晓增 , 乔云发 , 王守宇 . 长期施肥对黑土酶活性的 影响 J . 应用生态学报 ,2008 ,19 (3 : 551 - 5561 fertilization on enzyme activities in black soil of Northeast China J . Chin. J . Appl . E

41、col . , 2008 , 19 (3 : 551 - 5561 ment practices on black soil microbial biomass C and enzyme activities J . Chin. J . Appl . Ecol . , 2007 , 18 (6 : 1275 - 12801 21 - 251 KJ , Zhang S F , Jia W Z et al . Effect of long2term fertilization on Li crop yield and soil fertility in semi arid area J . Pla

42、nt Nutr. Fert . Sci . , 1999 , 5 (1 : 21 - 251 soil enzyme activities and soil fertility J . Plant Nutr. Fert . Sci . , 2004 , 10 (3 : 277 - 2801 and enzyme activities in soils amended with deinking paper sluage J . Can. J . Soil Sci . , 2000 , 80 : 99 - 1051 Qiu L P , Liu J , Wang Y Q et al . Resea

43、rch on relationship between cal inceptisol J . Soil Biol . Biochem. , 2006 , 38 : 1577 - 15821 8 邱莉萍 ,刘军 ,王益权 ,等 . 土壤酶活性和土壤肥力的关系研究 J . 植物营养与肥料学报 ,2004 ,10 (3 : 277 - 280. 9 袁玲 ,杨邦俊 ,郑兰君 ,刘学成 . 长期施肥对土壤酶活性和氮磷 转化的影响 J . 植物营养与肥料学报 ,1997 ,3 (4 : 300 - 3061 10 李科江 ,张素芳 , 贾文竹 , 等 . 半干旱地区长期施肥对作物产 量和土壤肥力的影响 J . 植物营养与肥料学报 ,1999 ,5 (