全 文 ：第 26卷第2期
2006年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
黄土高原长期培／1~4-壤团聚体中养分和酶的分布
邱莉萍 ，张兴昌 ，张晋爱
(I．西北农林科技大学资源环境学院；2．中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与早地农业国家重点实验室，杨凌 712100)
摘要：土壤养分和生物酶是衡量土壤肥力的指标，土壤团聚体性质则决定了土壤物理结构的好坏，探讨不同培肥措施下土壤养
分和生物酶在团聚体中的分布，对合理培肥和改善土壤性状具有重要的实际意义。对连续 25a的长期有机培肥定位试验地进
行测定，结果表明：培肥增加了大级别土壤团聚体、特征微团聚体的数量，显著地改善了土壤结构。培肥土壤团聚体平均重量直
径、特征微团聚体 C／F 。较无肥对照土壤有显著增加。长期培肥增强了土壤化学、生物性质的“微域”变异性。相同培肥措施
下土壤主要养分含量和酶活性均随土壤团聚体直径的增大而减小。除厩肥处理土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶外 ，其它各培肥土壤
的养分含量和酶活性均在 (0．01mm级别特征微团聚体中含量高、活性大。相同级别团聚体和特征微团聚体中，养分含量和酶
活性在不同培肥土壤间基本表现出施厩肥处理 >施秸秆处理 >施化肥处理 >对照的规律性。将团聚体的含量和养分含量或酶
活性在团聚体中的丰度结合考虑，发现 >5mm级别团聚体中养分含量或酶活性对土壤的贡献率最大。结果充分地显示着土壤
性质在不同空间尺度下、不同管理措施下变异的复杂性和多样性。
关键词：长期培肥；土壤养分；土壤酶；团聚体；特征微团聚体
文章编号：1000．0933(2006)02 0364．O9 中图分类号：Q143，$153．6，$154．2 文献标识码：A
Distribution of nutrients and enzymes in Loess Plateau soil aggregates after long-
term fertilization
QIU Li—Ping ～，ZHANG Xing—Chang ，” ，ZHANG Jin—Ai (1．c0脆 脓。¨ Ⅱ 胁 nⅢ Ⅱ 。North ∞￡Sci＆ 0厂
Agriculture and Forestry，Yangling，Shaanxi 712100，China；2．Institute of soil and Water Conservation，Chinese Academy ofScience and Ministry of Water
Resources，State脚 Lab ofSoil Erosion and Dryland Farming OFt Loess Plateau，YaFtgling，Shaa~xi 712100，Chinn)Acta Ecologlca Sinica，2006，／6(2)：364
— 372．
Abstract：The plant nutrient and microbial enzyme concentrations in a soil，and the degree of soil aggregation reflect the quality of
the soil’S chemistry，biology，and physical structure respectively．Each of these throe measures responds to a soil’S long-tenon
fertility management：long-term applications of either organic or mineral fertilizers wil strongly influence both the levels of plant
nutrients and microbial activity，and the soil physical structure．Insight into the soil quality may there／ore also be gained from the
relationship between these three measures．Our aim was investigating the influence of diferent fertilization regimes on nutrient and
enzyme levels in soil aggregates，as wel as the degree of aggregation itself．
We chose four treatments from the long term fertilization experiment on the Loess P1ateau at Northwest Science and
Technology University of Agriculture and Forestry，Shaanxi，China，whieti was established in 1977．Treatments varied the
fertilizer matedal—— maize straw，manure，chemical fertilizer，and control(no fertilizer)—— with fertilizer being applied after
both plowing and planting．The experiment used a randomized complete block design with three blocks and 1 2 plots measuring
19．8 I112
．
A wheat—maize crop rotation in a year，commonly used in the region，was adopted for this experiment．The soil in the
基金项日：国家自然科学基金资助项目(40371076)；西北农林科技大学科研创新团队，研究骨干支持和研究生教育创新科研资助项目
收稿日期 ：2004．12 17；修订 日期：2005．04—19
作者简介 ：邱莉萍(1979 )，女，江西赣州人，博士生，主要从事土壤生物质量研究．E-mail：qiulp79@163．net
*通讯作者Author for corespondence．E—mail：zhangxc@ms．iswe．ae．cn
Foundation item!The project was supported by National Natural Science Foundation of China(No．40371076)
Received date：2004-12．17；Accepted date：2005-04·19
Biography：QiU Li．Ping，Ph，D．candidate，mainly engaged in s0il biol。gie quality·E-mail：qiulp79@163·net
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2期 邱莉萍 等：黄土高原长期培肥土壤团聚体中养分和酶的分布 365
study site is a heavy loam kou soil(Earth-cumuli—ortho anthrosols according to the Chinese classified system)with a average
fertility leve1．
After 25 years of consistent crop rotation and fertilization，soil samples were colected in 2002 just before planting the winter
wheat．Topsoil(0—20era)samples were collected using a five-point method in each plot．Samples were air-dried，then machine—
sieved into five aggregate size fractions：>5mm，2—5mm，1—2mm，0．25—1mm，and <0．25mm．After passed through 1mm
sieve，micro-aggregates were classifed into two parts divided by 0．O1 mm by using physical shaking and sedimentation．Aggregate
size fractions were then passed through 1 mm and 0．25mm sieves prior to nutrient and enzyme analysis．Soil organic matter，total
N，and total P were measured in duplicate using standard methods．Enzyme analysis was performed in triplicate：soil urease by the
Hoffman method，invertase by the T．A．IRepSaKoga method，and alkaline phosphatase by the(p．X．Xaznen method．All
fertilization increased the degree of aggregation and the quantity of aggregates in the soil，signifcantly improving soil structure over
the control treatment．Mean weight diameter of soil aggregates，and C／F0
．
01 of micro—aggregates increased from the control to the
fertilizer treatments． Long—term fertilization amplifed the variance of soil chemical and biological properties within soil
microenvironments．Within a given treatment，nutrient content and enzyme activity tended tO decrease with increasing aggregate
size．with the highest values generally occurring in the 0．O1 mm characteristic micro-aggregates．Nutrient and enzyme levels
folowed the patern manure> maize straw > chemical fertilizer> control across all aggregate size fractions．Despite their lower
concentrations of nutrients and enzymes，large aggregates accounted for most of the nutrients and enzymes in the topsoil．There was
a signifcant positive correlation between nutrient levels，enzyme levels，and aggregate size，showing a consistent impact of fertility
regime on soil quality．
Key words：long—term fertilization；soil nutrients；soil enzymes；macro—aggregate；micro。aggregate
在干旱半干旱地区，土壤入渗率、土壤的盐渍化和次生盐渍化程度与表层土壤有机质含量和土壤各级团
聚体、微团聚体的含量密切相关。土壤团聚体、微团聚体以土壤有机无机复合体为基础，在有机无机胶结物质
的作用下形成，是衡量土壤物理性质好坏，表征土壤肥力和“土肥相融”的一个重要指标 ¨ 。已有研究表明，
土壤团聚体稳定性与土壤微生物量呈显著相关。有机质分解菌往往是土壤酶的重要来源，土壤酶活性与土壤
结构参数问可能存在某种相关关系。Dick等n 发现森林土壤的容重与脱氢酶、磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性之
间呈显著的负相关。Marten等 发现土壤酶活性与土壤容重呈负相关，而与水分入渗率呈正相关。由此看
出，土壤酶活性与土壤结构问必然存在着稳定的相关性。
土壤酶是一个敏感的生物指标，它对土壤的扰动性具有指示作用。关于不同级别团聚体、微团聚体中土
壤主要养分的分布已有报道 ]，但对各级别土壤团聚体、微团聚体中酶活性的分布研究较少 。为了进一
步揭示长期培肥改土的作用效果，了解土壤中主要养分含量与酶活性在团聚体和微团聚体中的分布及其两者
的相关性，本试验对不同培肥措施土壤团聚体、微团聚体中主要养分含量与酶活性进行研究，探讨了土壤中主
要养分和酶在土壤团聚体、微团聚体的分布特征及培肥对其分布的影响，企图揭示土壤微域生物性状，为合理
培肥和改善土壤物理性状与生物性状提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 供试材料
试验区位于西北农林科技大学有机肥培肥土壤
长期定位试验田(部分方案见表 1) ，试验小区面积
为 19．8m 。每年在小麦播前按方案要求分别 1次施
入玉米秸秆、有机厩肥和化肥，并翻入 20cm土层内。
各处理均设置 3次重复，随机区组排列，实行小麦一玉
米一年两熟制的轮作种植制度。
培肥试验开始前该基础土壤的基本性状为：有机
衰1 长期定位培肥试验方案设计 (kg／h1,12)
Table I The design of long-term fixed experiment about improvement
of soll fertilizing
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366 生 态 学 报 26卷
质 14．0g／kg，全氮 0．89 g／kg，全磷 0．67 g／kg，碱解氮 54．45mg／kg，速效磷 7．5 mg／kg，属中等肥力水平，土壤类型
为重壤质填土(系统分类命名为土垫旱耕人为土，Earth—cumuli—orthie anthrosols)，pH 7．9。经过连续培肥 25a后
于 2002年冬小麦播种前采样 ，各处理土样的主要性状见表 2。采样时先去除表层未腐解的秸秆，每个试验小
区分别用五点法取 0—20cm耕层土样，并混匀风干，处理通过 Imm和 0．25mm筛备用。另采 0～20cm原状土
壤样品供土壤团聚体组成分析用。
1．2 测定方法
土壤团聚体分析：沙维诺夫法¨¨ 分级(于筛法)。
土壤微团聚体分析：物理振荡沉降法 ¨。
土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷分别采用丘林法、开氏法、酸溶一钼锑抗比色法、碱解扩散法和
Olsen法测定 ¨；土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性，分别用 Hofmann与 K．Teicher法、T．A．
1．Kep6aKoBa法、中．x．Xa3HeB法和 ．raJlcT打H法测定 ¨，单位分别以 NH3一N，p．gl(g·h)、 ．，tzg／(g·h)、
ph(OH)，鸺／(g·h)、紫色没食子酸，／．tg／(g‘h)表示。
衰2 土样的理化性状
Table 2 The nutrients content and yield of the bulk soils
2 结果与分析
土壤团聚体、微团聚体的形成和土壤生物酶性状改善都不同程度地依赖于土壤管理水平。长年进行有机
肥培肥能使土壤中有机质明显得到积累，因此，必然对其团聚体、微团聚体形成有一定改善作用。同时，土壤
酶活性在不同大小团聚体间的分布也有一定规律性 ¨。 。通过对连续25a长期定位试验田土壤团聚体、微团
聚体中主要养分和酶活性分布的研究得出以下结论：
2。1 不同培肥土壤团聚体、微团聚体的组成
不同培肥处理的土壤团聚体组成如图 1所示。干筛后各级别团聚体含量在培肥处理间变化规律为：>
5mm团聚体含量平均为41．14％，变化区间为 39．84％一42．85％；5—2mm团聚体含量平均为 17．50％，变化范
围为 16．89％～18．44％；2～Imm团聚体含量平均为9．53％，变化范围为8．83％～10．20％；1—0．25mm团聚体
含量平均为21．75％，变化范围为20．75％～22．41％。所有 >0．25mm团聚体含量平均为 89．9l％，变化区间为
88．54％～91．97％，其中 BM>SW>CF>CK。说明大级别团聚体在培肥土壤中占取绝对优势，体现了培肥的
作用与效果。不同级别团聚体分布也比较均匀，长期施用有机肥能显著改善土壤团聚体的结构，增加团聚体
尤其是较大团聚体的含量 。 。
为进一步了解长期培肥土壤结构的整体分布状况，
求出了土壤的平均重量直径 (MWD，mean weight dia—
meter)。平均重量直径是基于不同直径团聚体的重量和
大小拟定的，可用式(1)求得 ¨：
n
MWD ： 贾，Wi (1)
式中，鼋．是筛分出来的某一级别团聚体的平均直
径， ．是该级别团聚体的相应重量占土壤样品干重的
分数。MWD大小全方位地反映了土壤的团聚状况。经
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<0．25 0．25～1 l 2 2～5 >5
粒级Size of ma~wo—aggregates(mm)
图1 大团聚体的组成
Fig．1 The composition of ITIaCIO-aggregates
" 9 O
^一u彗 目8矗 u 蟊矗 一占8B．
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2期 邱莉萍 等：黄土高原长期培肥土壤团聚体中养分和酶的分布 367
过长期培肥后，土壤团聚体 MWD发生显著变化，无肥、施化肥、施秸秆和施厩肥处理 MWD分别为 2．926mm、
2．947mm、2．973mm和 3．047mm，施肥处理大于无肥对照，有机物质培肥处理的 MWD明显高于化肥处理，说明
有机肥培肥显著地改善了土壤团聚体的基本组成，再次体现长期土壤培肥的作用与效果。
直径小于0．01mm(F，fine)与大于0．01mm(C，coa．I$e)的特征微团聚体在持水量与释水、保蓄养分与释供
养分方面具有显著不同的作用：肥力水平较高的土壤，其大小级别的特征微团聚体比肥力水平较低的土壤具
有较好的保供性能，因此，陈恩凤等 以 0．01mm为界划分大、小级别的微团聚体，并将它们称为“特征微团聚
体”。为了能直观地看出培肥对土壤微团聚体组成的影响，将大于 0．01mm的特征微团聚体与小于0．Olmm的
特征微团聚体的比值(C／F。+。。)做了计算。
从表 3可看出，施用肥料尤为有机肥料改土，能使特征微团聚体的组成比例发生较明显的变化 ：小于
0．Olmm级别特征微团聚体减少，大于 0．Olmm级别特征微团体量增加，团聚作用明显加强，施肥处理 c／ 。
的比值较对照都有所升高。由此可判断出，长期进行培肥从基础上提高土壤的肥力水平，增加土壤大于
0．01mm级别微团聚体的数量，改良土壤的物理结构，改善土壤对水、肥的保持与供应性能。
2．2 培肥土壤团聚体中主要养分含量和酶的分布 表3供试土样的特征微团聚体组成
2．2．I 培肥土壤团聚体中主要养分含量的分布 T 。 The 。mpos n。 0f曲 憎 。 ggrega in the‘酬
三 ： — _ 有机质含量依次显著地减小
，这是因为土壤有机质很 Characl ri ti icro-agregate
少以游离态形式存在于土壤中，而是被细小的矿质颗 ‘0,01mm 5 t 466 8 907 ·’ 6 9-67
粒牢固地吸附，与之结合在一起形成有机一无机复合 c／ 。 o
，943 1．o45 l l85 1．ol3
体，因此，团聚体颗粒直径越小，比表面积越大，吸附
的有机物质就越多。另外，在初级团聚过程中，有机质也起着极为重要作用，即有机质在团聚体形成的初级团
聚阶段所显示的作用比后期团聚阶段要更加明显。因此，小直径团聚体中有机质含量高于大直径团聚体中有
机质含量。图2同时显示，在长期土壤培肥过程中，各级团聚体中有机质含量相应地提高，同一级别团聚体，
不同培肥土壤呈现出 BM>SW>CF>CK规律，且随着培肥水平提高，有机质含量随团聚体直径变化曲线斜率
也明显地增大，在小直径的团聚体中增长幅度要明显高于大直径团聚体中的增长幅度。实验证明培肥作用首
先体现在增加团聚体的数量，其次，才改善了团聚体质量即向更大团聚体的形成方向发展。
受有机质的影响，全氮含量在团聚体中的分布随团聚体直径增大而减小(图 3)，依次为：[<0．25mm]级别
团聚体 >[0．25—1mm]级别团聚体 >[1—2mm]级别团聚体 >[2～5mm]级别团聚体 >[>5mm]级别团聚体。
除有机质起主要作用外，不同级别团聚体对 NH 的吸附性能也有差异，小级别的团聚体 比表面积较大，有较
强的保存和吸附氮素养分的能力，随颗粒直径的增大，对 NH4+的吸附量也减小⋯ 。同一级别团聚体不同培
肥措施下，施肥土壤的各级别团聚体中全氮含量均比对照高，且施有机肥对全氮的增加效果明显优于施化肥
处珲
(0．25 0．25~1 1—2 2-5 >5
粒级Size ofmacro-aggregates(mm)
图2 有机质在不同粒级大团聚体中的分布
Fig，2 Distribution of O．M．in different macro-aggregate。
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图3 全氯在不同粒级大团聚体中的分布
Fig．3 Distribution of total N in different macro—aggregates
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2期 邱莉萍 等：黄土高原长期培肥土壤团聚体中养分和酶的分布 369
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图6 碱性磷酸酶在不同粒级大团聚体中的分布
Fig．6 Distribution of alk—phosphotas~activity in diferent macro·aggregates
图7 蔗糖酶在不同粒级大团聚体中的分布
Fig．7 Distribution of invertase activity in diferent ITkacro—aggregates
各级别土壤团聚体中养分和酶在土壤中的贡献率用式(2)进行计算，结果见表 4。
团聚体的贡献率 ： 该级团聚体中养分或酶含量 ×该级团聚体的含量(％) 土 ×100％ (2)
从表中看出仅就 5个级别的土壤团聚体而言，对土壤有机质、全氮、全磷、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶的贡
献率大小依次均为：[>5mm团聚体J>[0．25～1mm团聚体]>[2～5mm团聚体J>[<0．25mm团聚体]>[1
— 2ram团聚体]，其中约 35％以上的贡献率来自于土壤中>5mm团聚体，尽管 >5ram团聚体中各种养分含量
和各类酶的含量都很低，但是由于土壤中这个级别的团聚体含量占了绝对优势，所以，它的贡献率才显示了最
高值。
表4 土壤各级别团聚体对土壤养分含量和酶活性的贡献率(％)
Table 4 Contributing lilies of macro-aggregates fractiom in soil fertility and Enzymatic activities
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370 生 态 学 报 26卷
2．3 培肥土壤特征微团聚体中主要养分含量和酶活性的分布
微团聚体在旱地土壤和有机质含量贫乏的土壤中普遍存在，大多是一些初级的复合体或复粒存在，微团
聚体中养分含量和酶活性可以在更小的尺度范围内揭示土壤肥力的本质特征。
2．3．1 培肥土壤特征微团聚体中主要养分含量的分布 由图8可看出，在各种培肥情况下，<0．01ram特征
微团聚体中土壤有机质含量明显地、甚至成倍地高于>0．01lltn特征微团聚体，说明绝大部分有机质被 <
0．01ram特征微团聚体吸附。在相同级别特征微团聚体中，培肥土壤有机质含量明显高于对照，施肥处理中又
以施入有机肥对增加特征微团聚体中的有机质含量效果为最佳，说明土壤有机质与细小的无机颗粒间的密切
关系。
与有机质分布相似(图9，lo)，在相同培肥措施下，<0．01EITI特征微团聚体中全氮、全磷含量明显高于 >
0．O|mm特征微团聚体。特别是在>0．O1mm特征微团聚体中，施有机肥的全氮、全磷含量远远高于对照和施
化肥处理，充分地体现了土壤有机肥培肥的作用与机理。在相同级别微团聚体中，不同培肥处理问全磷含量
均为：BM>SW>CF>CK，尤其 <0．01mm的特征微团聚体中，施厩肥处理与其它培肥处理全磷含量相差很大。
在<0．01mm级别特征微团聚体的土壤中，施有机肥处理全氮含量高于施化肥和无肥处理，但施化肥和无肥对
照处理间的全氮量相当，揭示原因可能要从氮素的形态上进一步去探讨。
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<0．0l >0 O1 W S
粒缀Size ofmacro—aggregates(mm】
图 8 有机质在不同微团聚体中的分布
Fig．8 Distribution of 0．M．in different characteristic micro-aggregates
*WS代表过!mm筛土壤 WS stand far the sol which pased Imm sieve
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a SW 1 B。
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<0．O1 >0．0l WS
粒级 Size ofmacro—aggregates(ram)
图9 全氮在不同微团聚体中的分布
Fig．9 Di~ribufion of total N in different characteristic micro-ag~-egates
*WS代表过 Itoni筛土壤 WS stand for the soil which passed 1mm
sieve；下同 the same below
2．3．2 培肥土壤特征微团聚体中酶活性的分布 从不同培肥壤土特征微团聚体中脲酶的分布(图 11)可看
出：在相同培肥措施下，脲酶活性为<0．O1mil特征微团聚体中高于>0．Olmm特征微团聚体，而碱性磷酸酶及
蔗糖酶活性除厩肥处理有所不同外(图 12，l3)，其它各培肥土壤酶活性分布规律与脲酶相似。在同一级别特
征微团聚体中，脲酶、碱性磷酸酶及蔗糖酶活性均为 BM>SW>CF>CK，特别是在 >0．01mil级别征微团聚
体，施肥的较对照无肥处理脲酶活性得到明显增加，说明施肥特别是施用有机肥能增加大小级别特征微团聚
体中脲酶、碱性磷酸酶活性。
量
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(0．0l >o．Ol WS
粒级Size of macro—aggregates(ram)
图 1f) 全磷在不同微团聚体中的分布
Fig．10 The distribution of total P in diferent characteristic micro figgregate8
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咖．0l >0．O1 原土
粒级 Size of macro—asgregates(ram)
图 11 脲酶在不同微团聚体中的分布
Fig．1 1 Distribution of uH*lse in diferent characteristic micro-aggregates
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2期 邱莉萍 等：黄土高原长期培肥土壤团聚体中养分和酶的分布 371
‘o．01 )_o．01 原土 Soil
粒级Size ofmacro—aggregates(ⅢⅢ)
图 12 碱性磷酸酶在不同微团聚体中的分布
Fig．12 Distribution of alk-ohosphatase in different characteristic micro。
aggregates
(0．01 )_o．0l 原土 Soil
粒级Size ofmacro-aggregates(m )
图 13 蔗糖酶在不同微团聚体中的分布
Fig．13 Distribution of invertase in different characteristic micro。aggregates
2．4 土壤团聚体、微团聚体中基本肥力因子与土壤酶的相关分析
土壤酶活性与土壤中基本肥力因子间有显著相关性，国内外已有许多报道 以 。本试验在此基础上研
究了不同培肥措施下各级别土壤团聚体、特征微团聚体中主要养分含量与酶活性的相关性，结果表明(表 5，
6)，各级别土壤团聚体中脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性与其有机质、全氮、全磷的含量均呈极显著正相关；各
级别土壤特征微团聚体中，除碱性磷酸酶和有机质含量无显著正相关外，脲酶和蔗糖酶活性与其有机质呈显
著正相关；脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性与全氮、全磷的含量也均呈极显著或显著正相关，说明3种酶活性
的分布与土壤中主要养分的分布密切相关，可以表征土壤肥力水平和作为衡量土壤肥力的生物指标。
褒5 土壤团聚体中酶活性与主要养分含量的相关系数
Table 5 The coeficients between soil enzymatic activities and the nutrient
contents in macro-aggregate
总样本数 Total sample number N=20
表 6 土壤特征微团聚体中酶活性与主赛养分含量的相关系数
Table 6 The coeficients betwen soil enzymatic activities and the nutrient
contents in characteristic micro—agregate
总样本数 Total sample number N=8
3 结论
(1)长期土壤培肥效果体现在改善土壤基本性状：～方面显著加强了土壤的团聚作用，提高了土壤中较大
团聚体含量；另一方面，改善了土壤团聚体的质量，使得各级团聚体中主要养分含量都有明显的提高。
(2)土壤中生物性状确实具有极为明显的“徽域”分布差异性，土壤内部性状本身就存在着极大的变异特
征。从不同尺度研究土壤性质时空变异性，并从更加微观水平甚至分子水平揭示土壤演化机理必然成为当今
土壤科学发展的前沿领域。
(3)在微域尺度范围内，土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性与土壤基本肥力因子之间关系密切，因此，土
壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性也可表征土壤肥力水平。
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