徐 莉，闫俊杰，陈 晨，崔 东

(1.伊犁师范学院生物与地理科学学院，新疆伊宁 835000;2.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046;3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830011;4.中国科学院大学，北京 100049)

【研究意义】土壤酶是土壤有机体的代谢动力，在生态系统中起着重要的作用［1］。自20世纪80年代以来，土壤酶逐渐发展成为土壤生态系统变化的预警指标［2］，其活性大小成为判断和衡量土壤肥力水平的重要标志。土壤养分是评价土壤自然肥力的重要因素［3］。土壤酶与土壤养分关系密切，土壤中有机质的存在状况和含量及土壤氮、磷、钾等营养元素的形态和含量等都与土壤酶活性变化有关［4－6］。农田土壤肥力水平取决于土壤酶活性和养分含量的高低，而且直接决定着农作物的生长状况，因此，研究农田土壤酶活性和土壤养分的关系对提高农作物的产量与品质、了解土壤肥力状况以及保护耕地等具有重要意义。【前人研究进展】前人研究表明土壤类型［7－9］、不同土地利用方式［10］、施肥［11－12］、耕作方式［13］、种植方式［14］及灌溉方式［15］等影响农田土壤酶活性和土壤养分含量的大小以及两者之间的关系，而且不同区域土壤酶活性还会受气候条件、母质类型和地形等因素影响，表明土壤酶活性和养分含量的变化特征是多种因素综合作用的结果。因此，为精确评价土壤肥力状况，使用综合土壤酶活性较单一酶活性更能有效揭示土壤肥力状况［16－17］。新疆察布查尔县是全国唯一的锡伯族自治县，是干旱区绿洲典型以农业生产为主的县，是新疆最大的有机水稻种植县，素有“粮仓”之美称。灰钙土是新疆伊犁河流域重要的土壤资源［18］，是伊犁河谷典型地带性土壤。灌耕灰钙土是灰钙土的一种类型［19］，土层厚，质地轻松，结构性较好，宜耕期长，适宜种植多种农作物，是新疆察布查尔县境内主要的灌溉农业土壤［20］。该县主要种植水稻、玉米、小麦等农作物，一年一熟制，小麦和玉米实行冬小麦收割后复播青贮玉米。由于耕地长期冬麦连作，缺少养地作物，加之施肥不足，肥力下降，土壤结构逐渐变差，在一定程度上影响了农业耕地的可持续利用。【本研究切入点】本文以新疆伊犁察布查尔县灌耕灰钙土农田土壤为研究对象，运用典型相关分析，分析了不同农田的土壤酶活性与土壤养分之间的关系，了解该土壤类型土壤酶活性对土壤养分的影响程度。【拟解决的关键问题】以期为土壤酶活性强弱来鉴别土壤类型的方法提供数据支持，同时为农田灌耕灰钙土的可持续利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

察布查尔锡伯自治县位于新疆维吾尔自治区西部，伊犁河谷盆地伊犁河南岸和中天山西端。地理坐标介于43o17'N～43o57'N和80o31'E～81o43'E之间，全县总面积约为4485 km2。该区属于大陆性北温带温和干旱气候，年平均气温在5.0～8.4℃之间，全年有效光照时数达2846 h，平均无霜期为177 d，年平均降水量约为222 mm，总体热量丰富，光照充足，四季分明;地势自南向北形成多级阶梯，东窄西宽，南高北低;地形分为南部山区、山麓、丘陵、中部倾斜平原、北部河流阶地和河漫滩等五个地貌类型;有伊犁河、察布查尔河等水系;主要发育的土壤类型是灰钙土、草甸土、栗钙土、潮土和沼泽土等，其中灰钙土是伊犁河谷地地带性土壤，发育面积较广。

察布查尔县锡伯自治县总人口达到19.67万人，县辖3镇、10乡、2个国营农牧场(良种繁育场、种羊场)，65个行政村。该县粮食作物以玉米、小麦和水稻等作物为主;经济作物以油葵、棉花、甜菜、蔬菜为主，且主要农作物产品粮食总产量从2008年1.91 ×105t提高到2014 年的4.89 ×105t，提高了2.98×105t，其中，玉米、水稻、小麦总产量分别增长了约1.54 ×105、5.51 ×104、8.78 ×104t(数据来源于2008－2015伊犁州统计年鉴)。

1.2 样品采集

2016年10月，对伊犁察布查尔县南部分布在冲积平原二级阶地上的灌耕灰钙土农耕区进行了野外调查，本研究选取了玉米(YM)、小麦(XM)、食葵(SK)、水稻(SD)以及空地(KD)等作为研究对象，在每个样地设置5个采样点，每个样点以3个重复分别取深度为0～10，10～20，20～40，40～60 cm 层的土样，采好后放入密封袋中，在密封袋内外都附上标签，包括样品名称、土层深度、经纬度等。将野外采集的土壤样品带回实验室，在实验室内去除细根和石块等杂质，自然风干，过2 mm孔筛，并分成2份，1份鲜土置4℃下保存用于酶活性测定。另1份置于阴凉干燥通风处风干，用于土壤 pH，土壤有机质(SOM)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、全氮(TN)等指标的测定。

1.3 样品测定

1.3.1 土壤酶活性的测定 土壤酶活性测定参照《土壤酶及其研究方法》［17］。过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，以20 min后每克土壤消耗0.1 mol·L－1高锰酸钾亳升数表示;土壤脲酶采用靛酚比色法，脲酶活性以24 h后每克土壤中NH3-N的质量(mg)表示;蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸法，以24 h后每克土壤中葡萄糖的质量(mg)表示。

1.3.2 土壤养分含量的测定 土壤养分测定参照《土壤农化分析(第三版)》［21］。土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法(外加热法);土壤速效磷采用0.5 mol·L－1碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法，上机仪器是UV-2550型紫外分光光度计;土壤速效钾采用乙酸铵浸提－火焰光度计法测定;土壤全氮采用凯氏定氮法测定;土壤pH采用水土比为2.5︰1的酸度计测定。

1.4 数据分析方法

典型相关分析是研究两组变量间相关关系的多元统计分析方法，设两组变量用 X1，X2，…，XP及Y1，Y2，…，Yq表示，研究两组变量的相关关系，同时找出第1组P个变量和第2组Q个变量的线性组合，使其具有最大的相关，然后再在每组变量中找出第2对线性组合，使它们具有次大的相关，将此进行下去，直到每组变量间相关系数被提取完为止，每对变量的表达式为:

式中，a1，a2，…，ap是典型变量 X 的待定系数，b1，b2，…，bq是典型变量Y的待定系数，W和V之间具有最大相关系数，这个相关系数就是“典型相关系数”，用来表征2个线性函数间的联系强度，以提示“两组”指标间的内部联系，每组指标的内容可以不同。本研究以土壤养分指标和土壤酶指标作为研究对象，运用SAS 6.0进行典型相关分析。

所有实验数据使用Excel 2010整理后，利用SPSS 19.0统计软件对土壤养分和土壤酶活进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD)，用Pearson相关系数检验土壤养分和土壤酶活性之间的相关性，并用Origin 8.0软件对数据进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分特征

不同样地土壤养分含量存在明显的差异(表1)。土壤pH值在7.34～8.22之间，表现为碱性，且各样地间差异显著(P＜0.05)，不同土层间差异不显著(P ＞0.05)。

土壤有机质是土壤肥力的重要物质基础，在维持土壤结构、保持土壤水分和供应养分等方面具有重要作用［22］。土壤 SOM 含量在 0.03% ～2.01%之间，总体含量较低。各样地土壤有机质均值为XM＞YM＞SD＞SK＞KD。各样地间差异不显著(P＞0.05)。不同土层SOM存在显著差异，其中，SK在0～10和20～40 cm处SOM含量与其他样地差异显著(P＜0.05)，与SK相比较，XM 在0～10和20～40 cm处SOM含量分别是其2.58和1.91倍。随着土层深度增加，土壤SOM含量呈现出降低趋势，其中KD降幅较大，XM降幅较小。

磷是土壤重要的营养元素之一，土壤速效磷可以表征直接被作物吸收利用的含量，其含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的储量和供应能力［23］。土壤 AP 含量变化在 1.62 ～56.92 mg·kg－1之间，各样地土壤AP均值为XM＞SD＞SK＞YM＞KD。XM与其他样地间差异显著(P＜0.05)，与XM(56.92 mg·kg－1)相比较，SD、SK、YM 和 KD 分别降低了 20.36%、71.15%、85.82% 和 86.68%。不同土层AP均存在显著差异，且随着土层深度增加而呈现出降低趋势，其中SK降幅较大，且SK在0～10 cm处AP含量较底层40～60 cm降低了87.09%。

钾是植物必须的大量元素之一，速效钾能够表征可供作物利用的钾素的含量［23］。土壤AK含量在20.36 ～115.31 mg·kg－1之间，各样地土壤 AK均值为YM＞XM＞KD＞SK＞SD。SD与YM、XM间差异显著(P ＜0.05)，与 SD(42.66 mg·kg－1)相比较，YM和XM分别是其的2.06和2.40倍。不同土层AK存在显著差异，其中YM、SD和SK在0～10 cm处AK含量较40～60 cm差异显著(P＜0.05)，分别下降了28.79%、28.11%和80.79%。随着土层深度的增加，AK含量呈现出下降趋势，其中SK降幅较大。

氮是作物生长的主要营养元素之一，全氮是土壤氮素总量和供应植物有效氮素的源和库［23］。土壤 TN 含量在0.58 ～2.78 g·kg－1之间，各样地土壤TN均值为XM＞YM＞SK＞SD＞KD。XM与SK差异显著(P ＜0.05)，与 XM(2.78 g·kg－1)相比较，SK降低了38.13%。各样地不同土层TN含量均存在显著差异(P＜0.05)，且随着土层深度的增加，TN含量有降低的趋势，其中YM变降幅最大。土壤C/N含量在0.18～10.38之间，各样地土壤C/N均值为XM＞YM＞SD＞KD＞SK。各样地间差异不显著(P＞0.05)。不同土层 C/N无明显差异(P＞0.05)，随着土层深度的增加而呈现出下降趋势，其中SD降幅最大。

2.2 土壤酶活性特征

土壤酶是土壤生态系统的重要组成成分，在土壤营养物质循环和能量转化过程中具有重要作用，是反映土壤质量的重要生物指标［24］。而且不同的耕作管理方式和不同作物根系分泌物等都会影响土壤酶的活性［25］。不同样地土壤酶活性含量存在一定的差异(图1)。

过氧化氢酶广泛存在于土壤中，且与土壤有机质含量显著有关［26］。过氧化氢酶活性的范围在1.01～2.31 mL/(g·20 min)之间，各样地过氧化氢酶活性均值为SK＞XM＞KD＞YM＞SD。SK与YM、SD和XM间差异显著(P＜0.05)，且SK过氧化氢酶活性显著高于YM、SD和XM。不同土层过氧化氢酶活性存在显著差异(P＜0.05)，且随着土层深度的增加，过氧化氢酶活性降低趋势。

表1 不同样地土壤养分的含量Table 1 Content of soil nutrient in different sample

脲酶广泛存在于土壤中，是研究得比较深入的一种酶，脲酶与尿素氮肥水解密切相关，能够在一定程度上反映土壤的供氮能力，并且与土壤其他因子(有机质含量、微生物数量)等有关［27－28］。脲酶的活性范围在0.31～1.18 mg/(g·24h)之间，各样地脲酶活性均值为YM＞XM＞SK＞SD＞KD。各样地间差异显著(P＜0.05)，且YM脲酶活性显著高于其他各样地。不同土层脲酶活性存在一定差异，表层0～10 cm与底层40～60 cm显著差异(P＜0.05)，且随着土层深度的增加，脲酶活性呈波动降低趋势。

蔗糖酶也叫转化酶，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用，且与土壤有机质、氯、磷含量，微生物数量及土壤呼吸强度等有密切关系［29］。蔗糖酶活性的范围在0.10～2.61 mg/(g·24h)之间，各样地蔗糖酶活性均值为YM＞XM＞SK＞SD＞KD。XM与SD、KD间差异显著(P＜0.05)，且XM蔗糖酶活性显著高于SD和KD。不同土层蔗糖酶活性在40～60 cm显著差异(P＜0.05)，其他各层均无明显差异，且随着土层深度的增加，蔗糖酶活性逐渐降低。

2.3 土壤酶活性与土壤养分的相关关系

图1 不同样地土壤酶活性的含量特征Fig.1 Contents of soil enzymes in different samples

土壤肥力水平在很大程度上受到土壤酶的影响，其活性大小能够表征土壤养分转化和运移能力的强弱，是表征土壤质量的一种潜在指标［30］。不同农田样地土壤酶活性与土壤养分含量间具有一定的相关性。由表2所知，YM样地中，土壤过氧化氢酶与土壤pH、AP及C/N呈负相关，与土壤SOM、AK及TN呈正相关;除pH外，脲酶和蔗糖酶与其他各养分指标间均表现为正相关，且均与土壤AK均显著正相关(P ＜0.05)，相关系数分别为 0.986和0.977。SD样地中，除pH外，土壤酶活性均与其他各养分指标间呈正相关，脲酶与土壤TN表现为显著正相关(P＜0.05)，相关系数为0.973。SK样地中，除pH外，土壤酶活性均与其他各养分指标间呈为正相关，蔗糖酶与土壤TN表现为显著正相关(P＜0.05)，相关系数为0.959。XM 样地中，土壤过氧化氢酶与土壤TN呈负相关，与其他各养分指标呈正相关;脲酶与土壤pH、SOM及C/N呈负相关，与土壤AP、AK及TN呈正相关;蔗糖酶与土壤pH、SOM、AK及C/N呈负相关，与土壤AP和TN呈正相关。KD样地中，土壤过氧化氢酶和蔗糖酶与土壤pH和AK呈负相关，与其他各养分指标间均呈正相关;除pH外，脲酶与其他各养分指标间均呈正相关关系，且与土壤TN表现为显著正相关(P＜0.05)，相关系数为0.970。综合说明，不同样地中土壤酶活性与土壤养分存在一定的相关性。

2.4 土壤酶活性与土壤养分的典型相关分析

为了进一步得出土壤酶活性与土壤养分的相关关系，通过典型相关性分析得到“综合土壤养分因子”(W)和“综合土壤酶”(V)的3对典型变量。由表3可以看出，第1和2对变量间表现为极显著相关(P ＜0.01)，典型相关系数为0.7921 和0.5455，2对典型变量的累积贡献率达到了95.51%，完全能够反映土壤酶活性和土壤养分间的相关关系，将土壤养分特征向量代入公式(1)，将土壤酶的特征向量代入公式(2)，得到2对典型变量的表达式:

第1对:

W1=0.3753X1+0.4036X2－0.0455X3+0.4800X4+0.5138X5－0.2105X6

V1=0.5222Y1+0.8140Y2+0.0264Y3

第2对:

W2=0.4713X1+0.3326X2+1.0429X3－0.6388X4++0.0751X5－0.0030X6

V2= －0.0141Y1－1.1951Y2+1.3339Y3

从2对表达式可以看出，在第一综合土壤养分中起到主要作用的是 X5、X4和 X2，即 TN、AK和SOM，第一综合土壤酶中起到主要作用的是Y2和Y1，即脲酶和过氧化氢酶，说明 TN、AK、SOM和脲酶、过氧化氢酶显著相关;在第二综合土壤养分中起主要作用的是X3和X4，即AP和AK，在第二综合土壤酶中起主要作用的是Y3和Y2，即蔗糖酶和脲酶，说明AP、AK和蔗糖酶、脲酶关系密切。

表2 土壤酶活性与土壤养分相关关系Table 2 Correlation between soil nutrient and activities of soil enzymes

表3 土壤酶活性与土壤养分的典型变量Table 3 Canonical variables of soil nutrient elements and activities of soil enzymes

如图2所示，将各样点的原始数据代入2对变量中，得到它们在第1和2对典型变量上的排序坐标。2对典型变量上的排序存在明显差异，第1对变量排序呈现出V1随着W1的减少逐渐降低，呈现出有规律的下降趋势，且从左上方向右下方集聚，略呈直线排开，表明随着土壤养分含量的减少土壤酶活性含量也会相应的减少。第2对变量排序V2随着W2的增加而升高，说明不同土壤养分条件和不同土壤酶活性之间的关系不同。在2对典型变量中，不同样地之间W值和V值得变化规律存在一定差异，其中第一对典型变量的相关性最大。各样地间W、V值没有明显的区域分布特征，说明不同样地间土壤养分和酶活性之间有较大的重叠关系，但W值从左向右表现为YM、XM、SK、KD、QD顺序集结，V值从上到下YM、XM、SK、KD、QD 顺序集结，说明YM和XM土壤养分和酶活性值较高，QD和KD土壤养分和酶活性值较低，即玉米和小麦综合土壤养分和酶活性值显著高于水稻和空地。

3 讨论

本文以察布查尔县灌耕灰钙土为研究对象，对不同农田土壤养分和土壤酶的特征进行了研究，结果表明，不同农田土壤养分特征与土壤酶的阈值不同，说明不同农田土壤肥力状况存在显著差异，其中，小麦(XM)和玉米(YM)的土壤养分和酶活性较高，且耕层0～20 cm均明显高于底层40～60 cm。这主要是与玉米秸秆还田和小麦的轮作耕作方式有关，同时与灰钙土在开垦耕作之后重视肥料的投入对其也有一定的影响。为进一步确定土壤酶活性与土壤养分之间的关系，对不同样地土壤酶活性与土壤养分进行了相关关系的分析，发现单一酶和单一养分之间的相关关系不同，其中，脲酶在水稻(SD)和空地(KD)中与土壤TN表现为显著正相关(P＜0.05)，相关系数分别为0.973 和0.970，在玉米(YM)中与土壤AK表现为显著正相关(P＜0.05)，相关系数为0.986;蔗糖酶在玉米(YM)中与土壤AK表现为显著正相关(P ＜0.05)，相关系数为0.986，在食葵(SK)中与土壤TN表现为显著正相关(P＜0.05)，相关系数为0.959。这主要是与土壤中酶各自的底物和催化特征的不同有关［9］。此外，每种酶和特定养分之间相关，如曾宪军等人研究表明过氧化氢酶活性可以表征土壤腐殖质化强度大小和有机质转化速度［26］;王兵等人研究表明脲酶与尿素氮肥水解密切相关［27］;张逸飞等认为施用钾肥能够增强土壤蔗糖酶活性［31］。由此可见，使用单一酶活性来反映有机质更新过程中养分的释放存在一些不足，使用土壤酶的综合活性来预测土壤肥力，比单一酶活性更加有效［17］。

图2 3对典型变量排序Fig.2 Sequence of three canonical variables

近些年，不少学者研究了灰钙土耕作的土壤肥力特征［20，32－33］，结果表明在培肥和配比施肥等措施下灰钙土的土壤肥力水平有所提高，说明目前灰钙土肥力状况已经发生了改变，本研究结果也表明灌耕灰钙土农田土壤有机质、氮素、磷素和钾素含量等较空地(KD)均有所提高。因此，为进一步了解土壤酶活性和土壤养分之间的密切关系，运用典型相关分析，得到了2对典型变量，第1对典型变量相关系数达到了0.7921，相关性较高，且在综合酶活性中起主导作用的是脲酶，在综合土壤养分中起主导作用的是土壤TN，说明脲酶在灌耕灰钙土农田土壤养分循环中起重要作用，但其内在的作用机制还需在以后的研究中进一步探讨。