胡尧，李懿，侯雨乐

阿坝师范学院，四川 汶川 623002

土壤作为陆地生态系统中的重要组成部分，是物质循环、能量转换和信息传递的核心区域（MazzilLietal.，2014；Xu et al.，2014；Lefevre et al.，2014），可与水、气和植物相互作用从而影响环境，又可以反映人类生产经营活动所导致的生物地球化学循环的变化过程（袁淑芬等，2015；张志霞等，2014；李林海等，2013）。土壤肥力是各种气候、地形以及人类活动等因素综合影响的结果，是植物生长不可或缺的生长因子，同时也影响土壤质量与生态系统生产力（武晓森等，2015；杨宁等，2014；杨瑞等，2016）。由土壤中的微生物分泌出来的具有高效性的活性物质——土壤酶是土壤中各种生化反应重要的生物催化剂，也是物质循环中不可或缺的一部分（Keiluweit et al.，2016；Cotrufo et al.，2015；Castellano et al.，2015）。土壤酶主要来源于土壤微生物的活动、植物根系分泌物和腐解的动植物残体，参与土壤中各种有机质的分解、合成与转化，以及无机物质的氧化与还原等过程，是土壤生态系统代谢的一类重要动力，在很大程度上反映土壤物质循环与转化的强度，常被作为反应土壤生态系统变化的预警和敏感指标（Keiluweit et al.，2016；Cotrufo et al.，2015；Castellano et al.，2015）。

土地利用是人类干预土壤肥力最重要、最直接的活动，通过改变土壤营养循环强度、总量及路径，从而改变土壤的水热条件等最终影响土壤养分的流动与转化（刘纪远等，2014；张晓平等，2014）。土地利用变化可以引起陆地生态以及生物地球化学循环过程的变化，导致土壤性质变化和土地生产力改变，影响土壤质量和土壤环境变迁（赵锐锋等，2013）。合理的土地利用方式可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力，而不合理的土地利用方式则会导致土壤质量下降，加速侵蚀和导致土壤退化（傅伯杰等，2014；罗娅等，2014）。作为一种有机物质的异质混合体，土壤有机碳（SOC）能够通过不同的形态来影响土壤肥力等（李明明等，2014；龙攀等，2015），其中具有较高活性的是生物量碳，虽然其仅占总有机碳的一小部分，但作为土壤中最活跃的因子之一，其不仅在土壤有机质分解方面起着重要的作用，而且能够有效促进腐殖质的形成，加速土壤养分的转化及循环（刘延惠等，2013；刘玲等，2013；李明明等，2014），有利于实现植被恢复。

四川岷江流域位于中国西南山地地区，该区域以紫红壤为主，地貌类型复杂多变，是中国土地利用方式多样化的重要区域，可以分为次生林、人工林、灌草丛、撂荒地和坡耕地等不同类型。随着人口增长和经济的发展，岷江流域中下游人口与土地矛盾越显突出，土地垦殖系数居高不下，合理的土地利用方式是恢复该区土壤肥力、改善土壤质量、实现植被恢复和重建的重要途径，这些措施对土壤有机碳和酶活性产生重要影响。土地利用变化可以引起陆地生态以及生物地球化学循环过程的变化，导致土壤性质变化和土地生产力改变。土壤有机碳组分和酶活性是土壤质量和环境变化的“指示器”，了解土壤有机碳组分和酶活性及其对土地利用变化的响应对预测区域土壤质量和环境变迁具有重要意义。鉴于此，本研究探讨不同土地利用方式对岷江流域土壤有机碳及土壤酶活性的影响，为该区制定有效的土地管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

岷江流域源于岷山南麓，主要支流有黑水河、杂谷脑河、大渡河、马边河，属长江支流水量最大的流域，干流全长735 km，落差3560 m，流域面积13.3×104km2，以都江堰市以上为上游，都江堰市至乐山市大渡河汇入处为中游，乐山至宜宾长江汇合处为下游段。其上游河段属峡谷型河流，地形复杂，岭谷相间，两岸耕地、人口分布少；中游和下游经丘陵平原区，地势平坦，两岸耕地、人口分布较多，交通便利工农业发达。岷江中游以亚热带气候为主（朱渊等，2014），由于上游地势较高，气温明显低于中下游地区，且气温日较差较大；下游地区气温较高，该流域年年均气温接近于9 ℃，1月气温最低，约为-4 ℃，而夏季最高气温可达38 ℃。全年超过80%的降雨集中在6—9月，以夏季降雨量最大。

1.2 试验设计

根据岷江中游流域特点，选取坡耕地、次生林、人工林、灌草丛4种土地利用方式布设4个水平投影面积为100 m×100 m的样地。坡耕地：流域内传统的种植方式，种植有豌豆（Pisum sativum）、蔬菜、烟草（Nicotiana tabacum）等，伴生有紫茎泽兰（Ageratina adenophora），覆盖度＜10%。次生林：封育多年后形成的以大戟科（Euphorbiaceae）、樟科（Lauraceae）、壳斗科（Fagaceae）和茜草科（Rubiaceae）等植物为主的森林群落，覆盖度>80%。人工林：近年来进行流域综合治理，在政策导向下农户将大部分坡耕地进行退耕还林，主要种植马尾松（Pinus massoniana）林，林间伴生有灌木、草本以及苔藓等，覆盖度 50%～80%。灌草丛：主要为热性灌草丛，与人工林相邻，以灌木（杜鹃，Rhododendron）占优势，草本植物有马蔺（Iris lactea）、三色堇（Viola tricolor）、旱金莲（Tropaeolum majus）等，覆盖度20%～40%；均为红紫壤土。

于2014—2016年每年9月中旬，对4种不同土地利用类型土壤进行取样，每种土地利用类型设置5个重复样地（样地面积为100 m×100 m左右），每个样地相距100 m左右，随机设置5个采样点，每个采样点间距10 m以上，采用五点采样法采集土壤样品，为了保证取样的一致性，样点坡度均小于 5°（合计：n=500），取样深度为 0～20 cm。充分混匀土样（除去表层的枯落物层），采用四分法留取1 kg土壤；所取样品分为两部分，一部分鲜土现场过2 mm筛后于4 ℃保温冰箱中保存，用于土壤微生物量测定；另一部分带回实验室风干后去除杂质对其养分和有效养分进行测定。同时，在取样点附近挖取剖面测定土壤容重（环刀法，g·cm-3），计算土壤总孔隙度（%）。

1.3 土壤养分测定

土壤样品经自然风干20 d后，去除植物根系等杂物后过2 mm筛。土壤容重和孔隙度采用环刀法测定；土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化外加热法测定；土壤全氮采用开氏消煮法测定；全磷采用 NaOH碱溶-钼锑抗比色法测定；全钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；有效磷采用 NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；有效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定（鲍士旦，2000）。

取部分土样研磨后过0.25 mm筛，经Anderson et al.（1981）改进后对土壤进行组分分离，然后在100 ℃恒温水浴锅中进行蒸干处理，最后将蒸干的土样在60 ℃条件下进行12 h烘干处理，烘干后进行冷却并称重。

用 TOC仪测定有机碳（DOC）含量；土壤中易氧化有机碳（EOC）成分的测定采用K2MnO4氧化法-比色法；土壤轻组分有机碳（LFOC）采取浮选法；土壤中的颗粒有机碳（POC）采用重铬酸钾容量法；水溶性有机碳（WSOC）采用碳自动分析仪；土壤可矿化碳（MNC）利用室内培养法；土壤微生物量碳（MBC）和氮（MBN）采用熏蒸提取法（杨长明等，2006）。

1.4 土壤酶活性测定

土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法（mg·g-1·d-1）测定；土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法（mg·g-1·d-1）测定；土壤酸性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠法（mg·g-1·d-1）测定；土壤脱氢酶活性采用分光光度法（mg·g-1·d-1）测定（鲍士旦，2000）。

1.5 统计分析

运用Excel 2003和SPSS 13.0软件对数据进行分析，采用One-way ANOVA进行单因素方差分析，显著性分析采用LSD法。运用Origin 9.2作图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤粒径组成

表1反映了不同土地利用方式土壤机械组成及理化性质，其中 1～0.05 mm 土壤所占比例范围为14.25%～23.69%，基本表现为坡耕地>灌草丛>次生林>人工林；0.05～0.002 mm 土壤所占比例范围为52.02%～62.79%，基本表现为人工林>灌草丛>次生林>坡耕地；＜0.002 mm 土壤所占比例范围为21.98%～26.66%，基本表现为次生林>人工林>坡耕地>灌草丛。土壤容重变化范围在0.75～1.38 g·cm-3之间，基本表现为人工林>灌草丛>次生林>坡耕地，人工林、灌草丛、次生林差异不显著（P>0.05）。土壤总孔隙度与土壤容重变化趋势相反，基本表现为坡耕地>人工林>灌草丛>次生林，坡耕地和人工林差异不显著（P>0.05），灌草丛和次生林差异不显著（P>0.05）。

2.2 不同土地利用方式土壤养分含量特征

由表2可知，在坡耕地、灌草丛、次生林和人工林4种不同土地利用方式下，土壤养分和有效养分均呈现出一致性规律，大致表现为次生林和灌草丛高于人工林和坡耕地；其中人工林和坡耕地土壤有机碳、全氮含量差异不显著（P>0.05），显著低于次生林和灌草丛（P＜0.05），次生林土壤有机碳、全氮含量最高（P＜0.05）。不同土地利用方式土壤有机碳含量变化范围为12.87～16.89 mg·kg-1，表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，人工林和坡耕地差异不显著（P>0.05），显著低于次生林和灌草丛（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤全氮含量变化范围为 0.82～1.36 mg·kg-1，表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，人工林和坡耕地差异不显著（P>0.05），但均显著低于次生林和灌草丛（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤全磷含量变化范围为0.98～1.07 mg·kg-1，表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，不同土地利用方式土壤全磷含量差异均不显著（P>0.05）；不同土地利用方式土壤全钾含量变化范围为18.34～126.98 mg·kg-1，表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，灌草丛和坡耕地差异不显著（P>0.05），显著低于次生林和人工林（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤有效磷含量变化范围为20.14～26.65 mg·kg-1，表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，其中次生林显著高于其他土地利用方式（P＜0.05），人工林、灌草丛和坡耕地土壤有效磷含量差异不显著（P>0.05）；不同土地利用方式土壤有效钾含量变化范围为81.47～89.26 mg·kg-1，表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，其中次生林显著高于其他土地利用方式（P＜0.05），灌草丛和坡耕地差异不显著（P>0.05）。

表1 不同土地利用方式土壤粒径组成Table 1 Soil grain size composition of different land utilization types

表2 不同土地利用方式土壤养分Table 2 Soil nutrients of different land utilization types

2.3 不同土地利用方式土壤有机碳组分

不同土地利用方式土壤不同活性组分有机碳含量见表3，由表可知，土壤易氧化有机碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、轻组有机碳（LFOC）和水溶性有机碳（WSOC）明显受土地利用方式的影响。土壤易氧化有机碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、轻组有机碳（LFOC）和水溶性有机碳（WSOC）均呈现出一致性规律，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地。不同土地利用方式土壤EOC变化范围为 1.24～1.65 mg·kg-1，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，其中人工林和灌草丛差异不显著（P>0.05），坡耕地最低（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤POC变化范围为1.43～1.89 mg·kg-1，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，其中人工林和灌草丛差异不显著（P>0.05），坡耕地最低（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤LFOC变化范围为 1.34～2.23 mg·kg-1，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，不同土地利用方式土壤LFOC差异均显著（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤WSOC 变化范围为 6.47～12.36 mg·kg-1，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，不同土地利用方式土壤WSOC差异均显著（P＜0.05）。

表3 不同土地利用方式土壤有机碳组分Table 3 Soil organic fractions of different land utilization types

2.4 不同土地利用方式土壤微生物碳和氮

从表4可以看出，不同土地利用方式土壤微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）均呈现出一致性规律，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地；不同土地利用方式土壤微生物量碳含量变化 范 围 为 69.82～123.91 mg·kg-1， 变 异 系 数 为24.41%，不同土地利用方式土壤微生物量碳含量差异均显著（P＜0.05）；不同土地利用方式土壤微生物量氮含量变化范围为12.31～29.69 mg·kg-1，变异系数为38.77%，灌草丛和坡耕地土壤微生物量氮含量差异不显著（P>0.05），二者显著低于次生林和人工林（P＜0.05）；不同土地利用方式ω(SMBC)/ω(SMBN)则呈现出相反的变化趋势（次生林＜人工林＜灌草丛＜坡耕地），变化范围为4.19～5.79，变异系数为14.67%，次生林和人工林差异不显著（P>0.05），灌草丛和坡耕地差异不显著（P>0.05）。

表4 不同土地利用方式土壤微生物生物量碳和氮Table 4 Soil microbial biomass carbon and nitrogen of different land utilization types

2.5 不同土地利用方式土壤活性碳与总有机碳的比例关系

由表 5可知，不同土地利用方式ω(EOC)/ω(SOC)为8.20%～10.37%，变异系数范围在12.36%～16.98%之间，基本表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，其中人工林和灌草丛差异不显著（P>0.05），说明土地利用变化对土壤ω(EOC)/ω(SOC)有显著影响，而人工林和灌草丛土壤有机碳比较稳定。土壤微生物量碳占有机碳的百分比称为微生物商。微生物商的变化反映了土壤中输入的有机质向微生物量碳的转化效率。不同土地利用方式土壤ω(SMBC)/ω(SOC)为 0.18%～0.34%，基本表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，其中次生林和人工林土壤差异不显著（P>0.05）。

表5 不同土地利用方式土壤EOC/SOC和MBC/SOCTable 5 Soil EOC/SOC and SMBC/SOC of different land utilization types

2.6 不同土地利用方式土壤酶活性

由表6可知，不同土地利用方式下土壤酶活性存在较大差异，不同土地利用方式土壤蔗糖酶活性变化范围为 81.69～123.56 mg·g-1·d-1，变异系数为21.38%，基本表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，灌草丛和坡耕地差异不显著（P>0.05），二者均显著低于次生林和人工林（P＜0.05）；脱氢酶活性变化范围为 0.51～0.76 mg·g-1·d-1，变异系数为20.37%，基本表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，次生林和人工林差异不显著（P>0.05），二者均显著高于灌草丛和坡耕地（P＜0.05）；脲酶活性变 化 范 围 为 0.31～0.75 mg·g-1·d-1， 变 异 系 数 为43.40%，基本表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，次生林和人工林差异不显著（P>0.05），二者均显著高于灌草丛和坡耕地（P＜0.05）；酸性磷酸酶活性变化范围为 124.78～236.25 mg·g-1·d-1，变异系数为28.08%，基本表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，不同土地利用方式下酸性磷酸酶活性差异均显著（P＜0.05）。

2.7 不同土地利用方式土壤活性有机碳与土壤养分和酶活性的相关关系

不同土地利用方式土壤活性有机碳组分与土壤养分间存在不同的相关关系，表7表明：在不同土地利用方式中，土壤EOC、POC、LFOC、WSOC和MBC与SOC、TN和TK均呈显著或极显著相关性（P＜0.05），与 TP相关性不显著，与土壤 BD均呈负相关；不同土地利用方式WSOC和MBC与TPO呈显著的相关性（P＜0.05）。综合来看，不同土地利用方式土壤EOC、POC、LFOC、WSOC和MBC两两之间均具有极显著相关性（P＜0.05），表明活性有机碳各组分之间相互影响，密切联系，其中SOC、TN和TK是不同土地利用方式土壤活性有机碳变化的重要影响因素。

3 讨论

本研究发现，土地利用方式不同，其土壤的构成也出现明显的差异，土壤总孔隙度与容重具有相反的变化趋势，土壤养分变化受到土地开发方式的影响，整体而言，土壤中有机碳、全氮和全钾含量的变化规律较为一致：次生林>人工林>灌草丛>坡耕地。地表枯枝落叶分解后为土壤补充养分，次生林的植被覆盖率高，落叶最多，因此有机质有大量的积累，同时因为人为干扰较少，其出现了较高的有机质（杨帆等，2015；张忠启等，2015）；人工林植被相对单一，人为干预较多，枯枝落叶多于灌丛但低于次生林，因此具有相对较高的有机质含量；坡耕地主要种植蔬菜等，深受人为干预，地表极少枯枝落叶分解且土壤养分消耗过多导致有机质含量最低。

表6 不同土地利用方式土壤酶活性Table 6 Soil soil enzyme activities of different land utilization types

表7 不同土地利用方式土壤活性有机碳与土壤养分和酶活性的相关分析Table 7 Correlation analysis between soil nutrients and soil soil enzyme activities of different land utilization types

土壤活性有机碳作为微生物生长的速效基质，对土壤微生物活性具有决定作用，同时可对土壤养分流的调节产生直接影响（杨帆等，2015；杨宁等，2014）。土地开发方式不同，将直接影响土壤表层枯枝落叶含量，同时通过供水施肥等人工干预方式来影响土壤活性有机碳，进而对土壤肥力等产生影响（张文锋等，2016；彭华等，2016）。通过研究发现，不同土地利用类型土壤活性有机碳含量出现明显的差异，次生林中的有机碳含量最高，其次是人工林、灌丛，坡耕地的含量最低，主要的影响因素是根系的发达程度、凋落物量（杨勇等，2015；张仕吉等，2016）。灌丛和坡耕地的根系不如次生林和人工林根系分布深，土壤表层腐殖质较少，土壤活性有机碳未能大量形成，一旦林地转变为耕地开发，那么以往林地开发方式下形成的活性有机碳将随着时间的推移逐渐减少直至几乎被分解殆尽（董林林等，2014；盛浩等，2015；李太魁等，2016），而耕地的活性有机碳补充仅发生在土壤表层，因此相对而言，坡耕地的有机碳含量最低。易氧化有机碳和微生物量碳含量受到土地利用方式的直接影响，土壤中易氧化有机碳含量的比例与土壤碳活性呈正相关关系，与总有机碳的稳定性呈负相关（Keiluweit et al.，2016；Cotrufo et al.，2015；Castellano et al.，2015）。本实验发现，灌草丛和坡耕地ω(EOC)/ω(SOC)比例明显高于次生林和人工林，这意味着将林地和草地开垦为可耕地极易导致土壤有机碳稳定性大大降低；而ω(EOC)/ω(SOC)比例变化不明显的是灌草丛和坡耕地，主要是耕地受到施肥、浇水等外在干预较多，导致土壤表层的活性碳组分过多地暴露，从而提高了被氧化的速度（Giardina et al.，2000；Xu et al.，2016；Lehmann et al.，2015）。土壤酶活性影响着土壤肥力，是土壤肥力的重要指标之一（李慧等，2015；赵仁竹等，2015）；不同的土地类型，其土壤酶活性不同，坡耕地的土壤碳组分和酶活性最低，这基本符合其土壤养分的变化趋势。通过相关性分析发现，土壤养分与碳组分、酶活性相关性较强，土壤养分与酶活性之间存在明显的正相关，土壤有机质在促进酶活性及微生物方面具有显著的作用。

本研究中，与土壤酶活性相比，土壤碳组分的变异系数较低，土壤碳组分作为能够被植物吸收利用的部分，一方面受到地上植物生长的影响，另一方面受到土壤中微生物的影响，其对土壤肥力具有较强的敏感性，能够作为衡量土壤肥力的一个指标（Lu et al.，2014；Wild et al.，2014）。因此，为了提高土壤肥力，一方面能够从土壤有机质含量提升着手，另一方面可从合理开发土地着手；另外，在土地利用过程中要充分利用土壤养分的不同表现特征，因地制宜地开展土地开发，在保持土壤生态平衡的基础上开展土地利用，注重土地的承载力，以确保土壤的自我恢复能力。通过变异分析发现，土壤养分因土地利用方式的不同而出现显著的空间变异性，因此要充分利用土壤养分的分布规律开展土地利用及开发，对于不同的耕地要有针对地进行施肥等，从而提高肥料利用率，保持土壤肥力。

4 结论

（1）不同土地利用方式下土壤容重基本表现为人工林>灌草丛>次生林>坡耕地，人工林、灌草丛、次生林差异不显著（P>0.05）；土壤总孔隙度与土壤容重变化趋势相反；不同土地利用方式下土壤养分（有机碳、全氮、全钾）均呈现出一致性规律，而土壤全磷含量差异均不显著（P>0.05）。不同土地利用方式下土壤养分和有效养分均呈现出一致性规律，次生林和灌草丛高于人工林和坡耕地，其中次生林土壤有机碳、全氮含量最高（P＜0.05），

说明次生林有助于土壤养分的提高。

（2）不同土地利用方式下土壤酶活性（土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶活性）、土壤易氧化有机碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、轻组有机碳（LFOC）和水溶性有机碳（WSOC）均呈一致的变化规律，大致表现为次生林>人工林>灌草丛>坡耕地，说明次生林有助于土壤酶活性和有机碳组分的提高。

（3）相关性分析表明，土壤碳组分与土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶和磷酸酶活性均呈显著或极显著的负相关（P＜0.05，P＜0.01），说明土壤微生物量碳仍是有效养分的主要来源，其中土壤容重对土壤碳组分和酶活性贡献为负，土壤养分对土壤碳组分和酶活性贡献为正，这是造成不同土地利用方式土壤有机碳组分及酶活性差异的重要原因。