郭迎嵐，岳中輝，蘇 鑫，羅 慧，趙文磊，盧 嫚

(哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黑龍江省普通高等學(xué)校植物生物學(xué)重點實驗室, 150025, 哈爾濱)

東北區(qū)黑土素來以有機質(zhì)含量高、土質(zhì)疏松、適宜耕作而聞名于世，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地[1]。然而，由于長期耕作和人類活動影響，已導(dǎo)致黑土養(yǎng)分流失，肥力下降，土地利用率呈逐年降低的趨勢[2-3]，部分耕作區(qū)表層土壤已呈酸化狀態(tài)[4]。在1958—1960年第1次土壤普查時，東北黑土中的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)還在80～120 g/kg之間，部分地區(qū)質(zhì)量分數(shù)高達160 g/kg以上；但到1979—1985年第2次土壤普查時，黑土中有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)已下降到60～100 g/kg，因此如何有效維持黑土肥力，保障糧食產(chǎn)量是東北農(nóng)田生產(chǎn)亟需解決的問題。

土壤碳(C)是構(gòu)成土壤有機物質(zhì)的主要元素，氮(N)和磷(P)是影響植物正常生長的重要限制元素[5]，分析土壤C、N、P元素的生態(tài)化學(xué)計量特征變化不僅可以探究土壤養(yǎng)分的吸收策略及土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中的限制因素[6]，還有助于確定農(nóng)田系統(tǒng)生態(tài)過程對全球變化的響應(yīng)，利用生態(tài)化學(xué)計量特征來評估土壤肥力已越來越受到學(xué)者們的青睞[7-9]；土壤酶是土壤有機物質(zhì)循環(huán)過程中重要的生物催化劑[10]，其活性可反映土壤生物化學(xué)反應(yīng)的活躍程度及養(yǎng)分循環(huán)狀況等[11]，是評價土壤質(zhì)量的潛在敏感指標和土壤肥力的重要參數(shù)之一[12]。探討土壤生態(tài)化學(xué)計量特征及土壤酶活性的變化可以更好地了解土壤養(yǎng)分分配格局及循環(huán)過程。在以往黑土農(nóng)田肥力的研究中，已對各種短期集約化、保護性耕作[13-14]、施肥[15-16]等耕作措施下的土壤養(yǎng)分及酶活性變化進行了較多研究[17-18]，但對長期耕作后黑土C、N、P養(yǎng)分，尤其是土壤生態(tài)化學(xué)計量特征及土壤生物活性的研究則較少涉及[19]；因此通過田間定位試驗，在已有2002年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對2017年土壤C、N、P含量、生態(tài)化學(xué)計量特征及相關(guān)代謝酶活性進行研究，對比15年來土壤肥力的變化，為農(nóng)田黑土的持續(xù)利用和生產(chǎn)力的提高提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于黑龍江省黑河市嫩江縣，地理位置為E 124°44′～126°49′，N 48°42′～51°00′。該縣土地肥沃，是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的黃金地帶，也是聞名全國的大豆和小麥生產(chǎn)基地及國家重點商品糧生產(chǎn)基地。該區(qū)氣候類型為中溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為300～770 mm，年均氣溫為-1 ℃左右。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與分析

2017年利用GPS對2002年已獲得數(shù)據(jù)的34個樣地[20]進行定位后，在每個田塊內(nèi)隨機選擇15個樣點，取0～20 cm土層土壤，然后將田塊內(nèi)5個樣點的土壤充分混合作為一個土壤樣品，每個田塊獲得3個土壤樣品，將樣品帶回實驗室，去除根系后一部分自然風(fēng)干過篩，用于土壤養(yǎng)分含量測定，另一部分裝入自封袋中于4 ℃冰箱中保存，用于土壤酶活性的測定。

土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量參照《土壤農(nóng)化分析》測定[21]。土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、硝酸還原酶、脲酶、磷酸酶活性參照《土壤酶及其研究法》測定[22]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2017軟件進行試驗數(shù)據(jù)收集與整理，利用SAS 9.2軟件進行試驗數(shù)據(jù)的分析，最后通過Origin 9.1進行繪圖。總體酶活性指數(shù)

土壤養(yǎng)分含量分級標準見表1[24]。

表1 土壤養(yǎng)分含量分級標準Tab.1 Ranking criteria of soil nutrient content

圖中標記代表分析時出現(xiàn)的異常值，下同。Icon represents the outliers in the data analysis， the same below. 圖1 土壤碳、氮、磷含量的變化Fig.1 Changes of soil C, N and P content

3 結(jié)果與分析

3.1 寒地黑土土壤碳、氮、磷含量的變化

由圖1可知，2017年土壤有機質(zhì)和全氮含量同2002年相比顯著降低(P<0.05)，降低率分別為30.00%和31.24%。其中，土壤有機質(zhì)含量由原來的一、二級水平下降至以二、三級水平為主；土壤全氮含量由原來的一、二級水平下降至三級水平(表1)；2017年土壤全磷含量顯著增加(P<0.05)，增加率為37.61%，由原來的四、五級水平上升至以三、四級水平為主(表1)；15年來土壤有機質(zhì)、全氮和全磷的變異系數(shù)變化不大，均<25%。

3.2 寒地黑土土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量特征的變化

圖2 土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量特征的變化Fig.2 Changes of ecological stoichiometric characteristics of soil C, N, P

由圖2可知，2017年土壤C∶N同2002年相比差異不顯著(P>0.05)，但變異系數(shù)由4.99%增加到8.48%；而2017年與比2002年相比土壤C∶P、N∶P和C∶N∶P均顯著降低(P<0.05)，降低率分別為111.8%、70.2%和111.4%。

3.3 寒地黑土土壤酶活性的變化

由圖3可知，同2002年相比，2017年土壤過氧化氫酶活性顯著增加(P<0.05)，增加率為54.02%；土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、磷酸酶和硝酸還原酶活性均顯著降低(P<0.05)，降低率分別為66.13%、209.14%、46.14%和67.49%，土壤總體酶活性指數(shù)無顯著變化(P>0.05)。

圖3 土壤酶活性的變化Fig.3 Changes of soil enzyme activities

3.4 寒地黑土土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量特征及酶活性的相關(guān)分析

由表2可知，2002年土壤酶活性與土壤碳、氮、磷含量和土壤生態(tài)化學(xué)計量特征相關(guān)性較弱，只有土壤轉(zhuǎn)化酶與土壤N∶P呈顯著的負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；但到2017年土壤過氧化氫酶與土壤C∶P，轉(zhuǎn)化酶與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量，硝酸還原酶與土壤全氮含量、N∶P、C∶N∶P，脲酶與土壤有機質(zhì)、全磷含量、C∶N、N∶P，磷酸酶與土壤全磷含量、N∶P，總體酶活性指數(shù)與土壤全氮、全磷含量、C∶N∶P都顯著相關(guān)(P<0.05，P<0.01)。

3.5 寒地黑土土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量特征及酶活性的主成分分析

將土壤碳、氮、磷含量、生態(tài)化學(xué)計量特征及5種土壤酶活性都作為土壤肥力指標進行主成分分析(表3)，結(jié)果表明土壤全磷含量是2002年、2017年土壤肥力指標中的主要因素；在2002年土壤C∶P、N∶P、C∶N∶P為主要肥力指標，而2017年土壤有機質(zhì)、轉(zhuǎn)化酶、脲酶活性為主要肥力指標。

4 討論與結(jié)論

在黑土肥力演變的研究中，耕地土壤肥力培育是保障糧食生產(chǎn)和安全的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分、生態(tài)化學(xué)計量特征及土壤酶活性的變化則是耕地土壤肥力變化的主要驅(qū)動因素。15年來，寒地黑土土壤有機質(zhì)、全氮含量均顯著降低，而土壤C∶N變化不顯著，說明2002—2017年的15年過程中，寒地黑土微生物所利用的土壤有機質(zhì)相對穩(wěn)定，土壤有機質(zhì)的有效性沒有隨年限的增加而發(fā)生改變，這與李梓瑄等[25]在1997—2012年的15年的黑土研究中發(fā)現(xiàn)的土壤C∶N略有下降的規(guī)律不同，這是本研究發(fā)現(xiàn)的一個可喜現(xiàn)象，說明寒地黑土土壤養(yǎng)分代謝相對穩(wěn)定，如果能夠用養(yǎng)結(jié)合，不斷培肥土壤，是可以繼續(xù)維持黑土生產(chǎn)力的，但需要指出的是，本研究只涉及了黑土部分區(qū)域的土壤，并不能代表所有的寒地農(nóng)田土壤，后續(xù)還需結(jié)合更多樣品進行土壤肥力變化的研究。

表2 土壤碳、氮、磷含量和生態(tài)化學(xué)計量特征及酶活性的相關(guān)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、磷含量和生態(tài)化學(xué)計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

筆者研究顯示，15年來寒地黑土全氮含量顯著降低，而土壤全磷含量顯著增加，導(dǎo)致C∶P、N∶P均顯著降低，且隨著年限的增加降低趨勢加劇，說明土壤磷素是農(nóng)田養(yǎng)分代謝的關(guān)鍵限制因素，15年來長期大量磷肥的施用使得有效磷含量大幅度上升，而土壤磷素富集會導(dǎo)致C∶P和N∶P降低，最終影響土壤C、N養(yǎng)分的代謝過程。研究還發(fā)現(xiàn)，到2017年，15年來寒地黑土轉(zhuǎn)化酶、脲酶、硝酸還原酶和磷酸酶活性均降低，且隨土壤養(yǎng)分和化學(xué)計量特征的變化而變化，說明土壤酶活性與土壤養(yǎng)分密切相關(guān)，在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中起著重要的作用；但與上述土壤酶活性不同，2017年土壤過氧化氫酶活性顯著增加，說明長期耕作使得土壤透氣性逐漸加強，從而導(dǎo)致土壤微生物活性加強，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轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C質(zhì)、脲酶、轉(zhuǎn)化酶(本研究各樣地間pH差異不顯著，在肥力因子中不考慮)，說明土壤的主要肥力因素已由生態(tài)化學(xué)計量特征變?yōu)橥寥鲤B(yǎng)分和酶活性，這可能是由于碳、氮的不合理施用使土壤生態(tài)化學(xué)計量特征發(fā)生變化，植物對土壤碳氮磷的吸收不平衡，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量分配格局發(fā)生變化，但土壤養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計量特征的變異系數(shù)均<25%，說明土壤養(yǎng)分變化仍是以內(nèi)因為主，隨機因素對土壤肥力的影響較小，土壤養(yǎng)分平衡和生物活性仍維持在較好水平，在今后的農(nóng)田生產(chǎn)中還應(yīng)進行有機碳肥和氮肥的配合施用，同時適當(dāng)減少磷肥的施用來維持土壤養(yǎng)分分配格局。

2002—2017年的15年過程中，土壤C、N含量降低，土壤P含量增加，導(dǎo)致土壤C∶P、N∶P、C∶N∶P下降，土壤酶活性也顯著降低，但土壤C∶N及總體酶活性指數(shù)無顯著變化，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分和生態(tài)化學(xué)計量特征間的相關(guān)性變強，土壤的主要肥力因素已由生態(tài)化學(xué)計量特征變?yōu)橥寥鲤B(yǎng)分和酶活性，說明長期耕作后，盡管土壤肥力降低，但土壤養(yǎng)分仍維持在較好水平。