施肥对印楝幼林土壤酶活性的影响及其调控土壤肥力的作用

施肥对印楝幼林土壤酶活性的影响及其调控土壤肥力的作用_干热河谷植被恢复

施肥对印楝幼林土壤酶活性的影响及其调控土壤肥力的作用

张昌顺^1,2，李昆^1*，马姜明^1,3，郑志新¹

（1.中国林科院资源昆虫研究所,昆明 650224； 2.国际竹藤网络中心,北京 100102； 3.中国林科院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091）

摘　要：为探讨施肥条件下土壤酶活性及其与土壤肥力的关系，对国家林业局云南元谋荒漠生态生态系统定位研究站3年生印楝林的土壤酶、土壤化学性质和微生物因子进行了测定和分析。结果表明：（1）NPK与有机肥混施（处理9）对增强3年生印楝林土壤酶活性效果最佳；处理6对改善林地化学性质和提高林地微生物数量效果最好；处理8对改善土壤酸碱性最佳。（2）土壤酶活性与土壤肥力之间具有很好的相关性，其中酸性磷酸酶活性与水解氮、交换性钙和交换性镁含量呈显著正相关，与有效铁含量呈显著负相关；蔗糖酶与有机质呈显著正相关，与水解氮呈极显著正相关；脲酶与pH值和细菌含量呈显著负相关；过氧化氢酶与有效磷呈极显著正相关，蛋白酶和多酚氧化酶与土壤肥力各指标间无显著相关。此外，除蛋白酶外，其余酶与其他一些肥力指标的相关系数在0.5以上，说明可用土壤酶活性对该地区印楝林土壤肥力进行评价。

关键词：施肥；印楝；土壤酶活性；土壤肥力

土壤酶来自微生物、植物和动物的活体或残体，通过催化作用参与土壤中一切复杂的生化反应，包括枯落物的分解，腐殖质及各种有机化合物的分解与合成，土壤养分的固定与释放，以及各种氧化还原反应，直接参与了土壤营养元素的有效化过程，是土壤生物活性和土壤肥力一个重要指标^[1]，在一定程度上反映了土壤养分转化的动态情况。上世纪5O年代初，Hofmann提出用土壤酶活性作为衡量土壤的生物学活性与生产力的指标，其后有些学者建议将这种相关用于农业生产实际^[2]。在以往的研究中，人们一直强调以土壤的理化特性作为持续性指标，因此，国内外学者一直把施肥对土壤理化性质和林木生长的影响作为研究中的主要方向，而关于土壤生物学特性方面的研究成果相对要少一些。近年来，我国学者也积极开展了对红壤、黑土、黑垆土、棕色石灰土、冲积土等土壤酶活性与土壤肥力的关系研究，肯定了酶的活性可以作为衡量土壤肥力的指标。本研究以国家林业局云南省元谋荒漠生态系统定位研究站内3年生印楝为研究对象，探讨施肥条件下土壤酶活性的变化及其在土壤肥力演变中的作用，寻求印楝高生产力的土壤生物化学环境，为更好的培肥土壤提供科学依据。

1　试验地概况

试验地设立在中国林科院资源昆虫研究所元谋县甘塘试验林中。元谋县位于云南省滇中高原北部，金沙江中游一级支流龙川江下游。地理坐标为北纬25°25′-26°07′， 东经101°35′-102°15′，全县总面积为2021.46km²，平均海拔1100m，属典型的干热河谷气候^[3]。本区年平均气温21.8℃，最冷月（12月）均温为14.5℃，最热月（5月）均温27.1℃，≥10℃年积温为8003℃，无霜期350～365d，年降雨量约630.7㎜，年蒸发量约3847.8㎜，年均相对湿度55.8%，年均日照时数2630.4h。本区地带性土壤为燥红土和褐红土，此类土壤有机质含量低，土壤粘重、板结，粘粒含量高，渗透性差，土壤膨胀收缩强烈，干旱时土壤易开裂。

该地区的植被为“河谷型半萨王纳植被”^[4]，群落外貌以禾草的低草丛为背景，疏散生长不高的乔木和灌木，呈现稀疏灌草丛型的萨王纳景观。主要植被有山合欢（Albizia kalkora）、车桑子（Dodonaea viscosa）、余甘子（Phyllanthus emblica）、扭黄毛（Heteropogon contortus）、红颖草（Bothriochloa pertusa）、三芒草（Aristida adscensionis）、黄背草（Aristida triandra Var Japonica）等。

2　试验材料与方法

2.1　试验材料

本试验材料为3年生印楝（Azadirachta indica A. Juss.）人工林，2001年造林，苗龄1a，株行距200㎝×200㎝，林下植被稀少，密度为2500株/hm²。

2.2　试验设计

因试验地地势起伏较大，本试验采用完全随机区组设计。在同一区组内随机地把各施肥处理安排进去，6个区组，同时在各区组周围设保护行。

供试肥料为目前农林生产上常用的商业性肥料，尿素（N质量分数为46.3%）、硫酸钾（K²SO⁴质量分数为50%）、钙镁磷肥（P²O⁵质量分数为16%）和有机肥（N质量分数为5.76%、 P²O⁵质量分数为1%和K质量分数为1%）。

处理1：尿素130㎏/hm²；处理2：尿素260㎏/hm²；处理3：尿素520㎏/hm²；处理4：钙镁磷肥375㎏/hm²；处理5：钙镁磷肥750㎏/hm²；处理6：钙镁磷肥1500㎏/hm²；处理7：尿素432㎏/hm²，钙镁磷肥750㎏/hm²；处理8：尿素432㎏/hm²+钙镁磷肥750㎏/hm²+硫酸钾160㎏/hm²；处理9：尿素432㎏/hm²+钙镁磷肥750㎏/hm²+硫酸钾160㎏/hm²+有机复合肥3000㎏/hm²；处理10：无肥对照。

2.3　供试土壤的采集

2004年5月份雨季来临前采用挖环状沟施肥，2004年十月份在雨季未结束时采集土壤样品。先对所有试验林木进行每木检尺，土壤采自各处理3株较接近平均木下离施肥沟20厘米处0-20 cm深土层，将各处理3土样混合成一个待测样品。

2.4　测定方法

室内养分及pH分析主要参照《土壤农业化学常规分析方法》^[5]进行；微生物类群的数量测定主要参照《土壤微生物分析方法手册》^[6]进行，其中细菌、真菌、放线菌均采用平板法测定；土壤酶活性分析主要参照《土壤酶及其研究法》^[7]。

2.5　统计分析方法

采用SPSS统计软件对各项数据进行逐步回归和相关分析^[8]。

3　结果与分析

3.1　施肥对3年生印楝林土壤酶活性的影响

表1　施肥对土壤酶活性的影响

土壤中的一切反应，实际上都是在酶的参与下进行的。土壤酶的活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的程度和方向，它是土壤的本质属性之一。大量研究表明，土壤酶活性与土壤理化性质、水热状况、碳水化合物含量、吸收性复合体特征以及营林抚育措施等密切相关，是土壤生物活性和土壤肥力的一个重要指标^[9]。

从表1可得，合理施肥可提高3年生印楝人工林土壤酶活性。单施氮肥时，蔗糖酶、蛋白酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性均高于对照处理，而脲酶的活性却低于其对照。除过氧化氢酶活性随施肥量增加而增强和多酚氧化酶活性随施肥量增加而降低外，其他酶的活性在一定程度上随是非量的增加而增强，但过量的氮肥反而使他们的活性降低。脲酶活性降低虽然可降低土壤氨的挥发，但会降低氮的利用率；而土壤中多酚氧化酶的活性是土壤有机质腐殖化的一个指标，其活性越强，形成腐殖质量越多，酚类物质在土壤中积累越少^[10]。从结果看，处理1的蛋白酶和多酚氧化酶活性最高，而酸性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶的活性均以处理2最高。综合看，单施氮肥以处理2增强土壤酶活性效果最佳。

单施磷肥时，蛋白酶的活性随着施肥量的增加增强，而脲酶的活性与之相反；酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性变化与单施氮肥时相似，施大量磷肥时，蔗糖酶与多酚氧化酶的活性最强。土壤中无机磷的增加是酸性磷酸酶活性减弱的一个原因。过氧化氢酶以处理5活性最高，蔗糖酶、蛋白酶和多酚氧化酶以处理6活性最高，因此，对3年生印楝林施大量的P肥对提高林地土壤酶活性有利。

混合施入时，处理9的酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性最高，但其脲酶和多酚氧化酶活性较低且低于对照，处理8的蛋白酶和多酚氧化酶的活性最高，但其多酚氧化酶的活性仍小于对照，脲酶的活性虽以处理7最高却也低于对照。所以，整体来看，有机肥与化肥混合施用效果优于单施适量氮肥，单施适量的氮肥又优于单施大量的磷肥。可提高土壤生物的氧化能力，比效果好。

3.2　施肥对土壤化学性质的影响

（1）施肥对土壤pH值的影响　土壤pH值是影响土壤肥力的重要因素之一，土壤微生物的活动、有机质的分解、营养元素的释放与转化、土壤酶活性等都与土壤pH值有关。有些酶促反应对pH值变化很敏感，甚至只能在较窄的pH值范围内进行^[11、^12]。从表2可以看出，施肥后，土壤pH值均较对照升高，使土壤酸性减弱。这说明施肥可一定程度上缓解干热河谷印楝人工林土壤酸化。从施肥后土壤pH值变化来看，氮磷钾混合施用后土壤pH变化最大，其次是单施大量的氮肥，单施磷肥以适量较佳。

（2）施肥对土壤养分的影响　 土壤养分是地质大循环和生物小循环共同作用的结果，在母质的成土过程中，生物因素起主导作用。在水土流失相当严重的干热河谷地区，其土壤养分含量处于极低水平（从对照处理来看）。从表2得，合理施肥施肥可增加土壤养分含量。施肥后,各施肥处理土壤全氮、全磷、有效磷、交换性钙和交换性镁的含量均较对照增加，其他养分指标有的增加，有的降低。从施肥后土壤化学性质综合指数^[13]来看，各施肥处理土壤化学性质综合指数均高于对照，其中施大量的磷肥(处理6）对改善元谋干热河谷3年生印楝林土壤化学性质效果最好, 无机肥与有机肥混施效果次之，单施氮肥效果最差。这说明处理6（P²⁴⁰）能加快土壤腐殖质的分解，增加土壤有机质、全N含量，同时促进了大叶相思对有效P、有效铁和有效锰的吸收，因而土壤中有效P、有效铁和有效锰的含量降低，而氮、磷、钾肥混施效果不佳，其原因可能是氮、磷、钾混施更能促进林木对土壤养分的吸收，因而使土壤养分含量不高。

表2　土壤化学性质及土壤微生物变化

3.3　施肥对土壤微生物的影响

土壤是微生物活动最适宜的环境，是自然界微生物聚集最多的地方。它们参与土壤有机质的分解、腐殖质的合成、养分转化和加速土壤的发育与形成。林地微生物组成及其数量的变化，一般反映了林地土壤肥力的变化^[14]。

单施氮肥时，在一定范围内，随着施肥量的增加，微生物总数和细菌的含量也增加，但施过量的N肥时，微生物总数、细菌和放线菌的含量反而降低。故以处理2效果较佳。

单施磷肥时，微生物总数、细菌和放线菌数含量随施肥量的增加而增加，而处理4真菌数含量最高，过量的磷肥土壤微生物总量、细菌数和放线菌数量最多，此时真菌数数含量也较对照高。这说明大量的P肥可促进微生物增长，提高土壤微生物数量，促进腐殖质的分解。

混合施肥时，处理8的微生物总数和细菌数的含量均高于另外两个处理且高于对照，其放线菌和真菌数量也较对照高，而处理7真菌数含量最高，综合看，混合施肥以处理8效果较佳。

整体来看，单施效果优于混和施用，尤以单施大量的大量的磷肥效果最好。

3.4　土壤酶活性与影响因素的相关分析

为探讨不同施肥条件下土壤化学性质和土壤微生物与土壤酶活性之间的关系，现以pH值（x¹）、全氮含量（x²）、全磷含量（x³） 、全钾含量（x⁴）、有机质含量（x⁵）、水解氮含量（x⁶）、有效磷含量（x⁷）、有效钾含量（x⁸）、交换性钙含量（x⁹）、交换性镁含量（x¹⁰）、有效铁含量（x¹¹）、有效猛含量（x¹²）、有效铜含量（x¹³）、细菌含量（x¹⁴）、放线菌含量（x¹⁵）、真菌含量（x¹⁶）为自变量，以土壤中酸性磷酸酶活性（y¹）、蔗糖酶活性（y²）、脲酶活性（y³）、蛋白酶活性（y⁴）、过氧化氢酶活性（y⁵）、多酚氧化酶活性（y⁶）为因变量进行逐步回归。结果表明，不同施肥处理中，交换性镁含量对酸性磷酸酶活性影响最大，水解氮含量对蔗糖酶活性影响最大，pH值和有效铜含量对脲酶活性影响最大，而有效磷含量对过氧化氢酶活性影响最大。其最优回归方程分别为：

表3　土壤酶活性与土壤化学性质和土壤微生物含量之间的关系

许多研究^[15]表明，土壤肥力水平在很大程度上受土壤酶的影响，与土壤酶活性之间存在着非常密切的相关关系。为此，我们对土壤酶与主要肥力因子之间作了相关分析，结果表明（表3）：酸性磷酸酶的活性与水解氮、交换性钙和交换性镁的含量呈显著正相关，与有效铁的含量呈显著负相关；蔗糖酶活性与水解氮的含量呈极显著正相关，与土壤有机质含量呈显著正相关；脲酶活性与土壤pH值呈显著正相关，与细菌含量呈显著负相关；过氧化氢美的活性与有效磷的含量呈极显著正相关；而蛋白酶和多酚氧化酶的活性与土壤化学性质和土壤微生物指标无显著相关。虽然过酸性磷酸酶活性与土壤有机质和有效钾的含量、蔗糖酶活性与土壤全氮全磷全钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、放线菌和真菌的含量、氧化氢酶活性与土壤pH值和多酚氧化酶的活性与水解氮、交换性钙、交换性镁的含量未达到显著相关，注：r^0.05（8）＝0.6319, r^0.01（8）＝0.7646； *显著相关, **极显著相关　 但其相关系数均在0.5以上，说明元谋干热河谷地区土壤酶的活性与土壤化学性质及生物因素关系密切，因此，可以用土壤酶的活性作为评价该区林地土壤肥力的指标^[16]。

4　结论与讨论

（1）研究表明，合理施肥可改善3年生印楝幼林土壤酸碱性，增强土壤微生物活性，提高微生物数量，从而加快枯枝落叶的分解、转化，提高土壤养分含量。在增强土壤酶活性方面，无机肥与有机肥混施（处理9）效果最佳，单施磷肥又优于单施氮肥，其分别以处理6和处理2最佳，单施大量氮肥（处理3）效果最差；而处理8对提高土壤pH值效果最佳，处理3次之，单施磷肥时以处理4最佳；从土壤化学性质综合指数来看，处理6对提高土壤化学性质综合指数效果最佳，处理9次之，处理2效果最差；从提高土壤微生物数量来看，单施效果优于混合施用，其中处理6效果最佳，处理2次之，处理7效果最差。（2）土壤酶活性与土壤化学性质和土壤微生物含量逐步回归研究表明：交换性镁、水解氮、细菌和有效磷的含量分别对酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶的活性影响最大。土壤酶活性与土壤肥力之间具有很好的相关性，其中酸性磷酸酶与水解氮、交换性钙和交换性镁含量显著正相关，与有效铁含量显著负相关；蔗糖酶活性与有机质含量显著正相关，与水解氮的含量极显著正相关；脲酶活性与土壤pH值和细菌含量显著负相关；过氧化氢酶活性与有效磷含量呈极显著正相关，而蛋白酶和多酚氧化酶活性与土壤化学性质和微生物含量无明显相关。此外，除蛋白酶外，其他几种酶的活性与另外一些土壤肥力指标的都在0.5以上。这说明土壤酶活性的高低可以反映土壤养分转化和土壤微生物活性的强弱，又因土壤酶对环境或管理因素引起的变化较敏感^[17]，故可用土壤酶的活性来评价元谋干热河谷地区林地土壤肥力。

（3）各处理三大指标（土壤酶活性、化学性质、土壤微生物含量）的优劣次序并不一致，其原因主要

有一下几方面：a 从表2对照可看出，该地区土壤有效磷的含量很低，有效磷含量可能是该地区土壤肥力的限制因子，大多研究也表明，施大量磷肥可促进土壤有机质分解，提高土壤养分含量、土壤酶活性和微生物数量，因此，施大量磷肥后，土壤养分含量、和土壤酶活性和微生物含量有较大的提高。b土壤微生物和土壤酶的活性除了土壤养分含量和土壤pH值有关外，还与林木生理活性有关，混合施肥更能促进林木对土壤养分的吸收和提高林木生理活性，从而增强林地土壤酶活性，而印楝被成为生物农药，其果实，根系，枝叶都含有印楝素，因此，印楝生理活性的增强对其土壤微生物繁殖不利。而大多数研究表明，无机肥与有机肥混施（处理9）对提高林木生理活性效果最佳，因此产生了此三大指标优劣次序不一。

（4）为何无机肥与有机肥混施对提高土壤养分含量效果并非最佳？

无机肥与有机肥混施对提高土壤养分含量效果并非最佳的原因除了与该地区缺磷少氮有关外，还与有机肥的肥效（长效肥）、试验时间短以及混施更能促进林木对土壤养分的吸收利用有关。

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Effects of fertilization on soil enzyme activities and its role in adjusting-controlling soil fertility of young Azadirachta indica A. Juss. Plantations

ZHANG Chang-shun^1,2，LI Kun^1*，MA Jiang-ming^1,3，ZHENG Zhi-xin¹

(Research Institute of Resources Insects , CAF, Kunming 650224, china； 2.International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102,china； 3.Research Institute of Forest Ecology Environment and Protection, CAF, Beijing　100091,china)

Abstract：To search for the correlation between soil enzyme activities and soil fertility under the fertilization conditions, the indexes of soil enzyme, soil chemical property and soil microbes in 3-years Azadirachta indica A. Juss. Plantation were detected and analyzed in Yunnan Yuanmou desert ecosystem located research station of State Forestry Administration, P. R. China. The results were as follows：(1) The application of NPK fertilizers combined with organic manure (treatment 9) is the best way to strengthen young Plantation soil enzyme activities, while, for increase soil chemical property and soil microbes quantities, treatment 6 is the best one, and the effect of treatment 8 to improve soil pH is the number one. (2) The correlation between soil enzyme activity and soil fertility indexes was significant. The activity of sucrase and catalase were respectively significantly correlated with hydrolytic nitrogen and available phosphorus at the 0.01 level. The

positive correlation of acid phosphatase activity with the contents of hydrolytic nitrogen, exchangeable calcium and exchangeable magnesium, and sucrase activity with the content of organic matter, were significant. the negative correlation of urease activity with soil pH and bacteria number, and acid phosphatase activity with the content of available iron were also found prominently. While the correlation between the activities of protease and polyphenol oxidase and soil fertility indexes were not obvious. In addition, except protease, many correlation coefficients of soil enzyme activities and others soil fertility indexes are more than 0.5, and indicated that we can use soil enzyme activities in evaluating soil fertility of Azadirachta indica plantations in this area.

Key words: fertilization, Azadirachta indica A. Juss., soil enzyme activity, soil fertility