全 文 ：中国生态农业学报 2011年 9月 第 19卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2011, 19(5): 1129−1133 农田氮循环与土壤肥力管理

* 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZXX2-YW-Q02-02)、中国科学院战略性先导科技专项(XDA0505050202)和中国科学院知识
创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-Q1-07)资助
** 通讯作者: 胡春胜(1965~), 男, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事农田生态系统碳氮循环研究。E-mail: cshu@sjziam.ac.cn
秦树平(1983~), 男, 博士, 副研究员, 主要研究方向为土壤生态学。E-mail: qinshuping06@mails.gucas.ac.cn
收稿日期: 2011-04-15 接受日期: 2011-06-03
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.01129
华北山前平原农田土壤养分循环的酶学调控*
秦树平 1,2 胡春胜 1** 张玉铭 1 王玉英 1 董文旭 1 李晓欣 1
(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022; 2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 土壤酶是推动土壤养分循环的生物催化剂, 研究华北山前平原农田养分循环的酶学调控机制将有助
于评价该地区土壤养分状况。试验用土壤取自中国科学院栾城农业生态系统试验站, 分析了土壤脲酶与碱性
磷酸酶活性在 0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和 30~40 cm 4个土层中的分布, 研究了土壤粗砂(2 000~200 µm)、
粉砂(200~63 µm)、粉粒(63~2 µm)和黏粒(2~0.1 µm) 4个颗粒组中土壤酶活性与土壤养分之间的相关性。研究
结果表明: 土壤脲酶活性与碱性磷酸酶活性均随土壤深度增加而降低, 土壤酶活性随土壤粒径减小而升高。在
土壤粗砂和粉砂组分中, 土壤酶活性与养分含量显著相关, 而在土壤粉粒和黏粒组分中, 土壤酶活性与土壤
养分含量并不总是显著相关。这些结果说明: 土壤酶活性在土壤养分循环中起到重要的调控作用, 土壤粗砂和
粉砂中的土壤酶具有较高的田间实际催化活性, 对土壤养分循环的贡献较大; 与此相反, 土壤粉粒和黏粒中
的土壤酶由于土壤无机矿物的吸附作用而失去部分田间催化能力, 降低了其对土壤养分循环的贡献。
关键词 土壤酶 脲酶 磷酸酶 土壤养分循环 速效磷 华北平原
中图分类号: S153 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)05-1129-05
Enzymological regulation of soil nutrient cycle in the
piedmont region of North China Plain
QIN Shu-Ping1,2, HU Chun-Sheng1, ZHANG Yu-Ming1, WANG Yu-Ying1, DONG Wen-Xu1, LI Xiao-Xin1
(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences,
Shijiazhuang 050022, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract Soil enzymes are the biochemical catalysts of soil nutrient cycle. Research efforts on enzymological mechanisms of soil
nutrient cycle are vital in evaluating the state of soil nutrients in the piedmont region of North China Plain (NCP). The objectives of
the study were to investigate: i) the distributions of soil enzyme activity in the soil profile and ii) the correlations between soil en-
zyme activity and nutrient content of different particle-size fractions. The soils were collected from long-term field experimental
plots at the Luancheng Agro-Ecosystem Experimental Station of Chinese Academy of Sciences. The distributions of soil urease and
alkaline phosphatase activities in the 0~10 cm, 10~20 cm, 20~30 cm and 30~40 cm soil layers were analyzed. Then the collected soil
samples were grouped into coarse sand (2 000~200 µm), fine sand (200~63 µm), silt (63~2 µm) and clay (2~0.1 µm) fractions using
low-energy sonication. Next the correlations among soil enzyme activities and soil nutrients contents were determined for the coarse
sand, fine sand, silt and clay fractions. The results showed that the activities of soil urease and alkaline phosphatase decreased with
increasing soil depth and increased with decreasing particle size. Enzyme activities were significantly correlated with soil nutrient
content in coarse and fine sand fractions, but not so much correlated in the silt and clay fractions. These results suggested that soil
enzyme activities were important driving factors of soil nutrient cycle. The enzymes in coarse and fine sand fractions promoted in
situ catalytic activities and contributed greatly to soil nutrient cycle. On the contrary, enzymes in the silt and clay fractions inhibited
in situ catalytic activities via soil mineral absorption, limiting their contribution rate to soil nutrient cycle.
Key words Soil enzyme, Urease, Phosphatase, Soil nutrient cycle, Available phosphorus, North China Plain
(Received Apr. 15, 2011; accepted Jun. 3, 2011)
1130 中国生态农业学报 2011 第 19卷


土壤酶是由土壤微生物、植物根系和土壤动物
等分泌的, 对土壤中诸多生化反应具有催化作用的
一类特殊蛋白质[1]。一般而言, 土壤微生物由于具有
繁殖速度快和微生物量大的特点而被认为是土壤酶
的主要来源[2]。植物残体等有机物质进入土壤后, 在
一系列土壤酶的催化作用下逐步降解, 释放出无机
营养物供作物及土壤微生物吸收利用。因此, 土壤
酶在土壤养分循环与养分释放方面具有重要的调控
作用[3]。一些与土壤主要养分释放密切相关的土壤
酶活性受到广大土壤生态学研究者的极大关注, 如
土壤脲酶和磷酸酶。脲酶促进土壤中有机化合物尿
素分子酰胺碳氮键的水解, 生成的铵是植物氮素营
养的主要来源[4]。磷酸酶催化有机磷化合物降解, 并
将其分解成植物能直接利用的水解磷, 其水解产物
是植物磷素的主要来源[5]。
太行山山前平原位于太行山东麓, 是河北省的
粮食主产区[6]。该地区主要种植制度为夏玉米−冬小
麦一年两熟种植模式, 这一地区的化肥施用量与作
物单产均较高[7]。在华北山前平原典型农田区研究
养分循环的土壤酶学机制与农田养分循环特征对评
价该地区土壤生态系统质量具有重要意义。本文基
于中国科学院栾城农业生态系统试验站(简称栾城
试验站)的长期定位试验, 测定了不同耕作制度下与
养分循环密切相关的脲酶和磷酸酶活性在不同土壤
深度以及不同粒径土粒中的分布, 分析了土壤酶活
性与养分含量的相关性, 探讨了华北山前平原农田
养分循环的土壤酶学调控。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
大田试验主要在栾城试验站进行。该试验站位
于东经 114°41′, 北纬 37°53′, 海拔为 50.1 m, 为半湿
润半干旱季风气候。光照资源丰富, 年辐射总量约
为 547 kJ·cm−2, 年日照时数为 2 608 h, 年平均气温
为 12.3 ℃, 降雨量偏少且主要集中在 7、8、9月份,
多年降雨量仅为 480.7 mm。栾城试验站代表太行山
山前平原高产农田的典型区域, 主要种植夏玉米和
冬小麦, 属于一年两熟种植制度。冬小麦于每年 10
月上旬播种, 6月上中旬收获。夏玉米于小麦收获前
人工套种于小麦行间或小麦收割后机播。该区域属
于高产高肥区, 一般施氮肥量为 450 kg(N)·hm−2, 有
的甚至高达 600 kg(N)·hm−2。夏玉米−冬小麦一年两
熟种植体系是该地区典型的种植制度。
1.2 土壤样品采集
于 2007 年 11 月和 2008 年 11 月玉米收获后小
麦播种前采集土样。选取保护性耕作定位试验地 ,
试验处理为旋耕秸秆还田、免耕秸秆还田和传统耕
作秸秆不还田, 每个试验处理设 3 个重复。移除土
表植物残体后, 每个试验重复采用蛇形法用土钻随
机取 5钻土组成 1个混合土样, 2007年 11月的取样
深度分别为 0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和 30~40
cm。2008年 11月的取样深度为 0~10 cm。土样采集
后立刻放入冰盒中带回实验室, 过 2 mm 筛后放 4 ℃
条件下低温保存。该试验地 0~20 cm 土壤总氮为
1.3 g·kg−1, 铵态氮为 1.1 mg·kg−1, 硝态氮为 19 mg·kg−1。
1.3 不同粒径土粒的分离
采用超声波分散−湿筛法进行不同粒径土粒分
离。相对于传统的化学分散法而言, 超声波分散法
对土壤酶活性的影响较小[8]。具体步骤如下: 准确称
取 40 g湿土放置于 200 mL塑料烧杯中(超声波操作
有可能使玻璃容器破裂, 故采用塑料烧杯), 之后向
塑料烧杯中加入 100 mL 经过低温处理的去离子水
(温度为 2 ℃), 将烧杯置于盛有碎冰的 500 mL烧杯
中, 然后用型号为 JYD-650 的探针式超声波粉碎机
在 50 W功率下超声处理 120 s, 超声处理时探针深
入水面 15 mm。超声处理后直径为 2 000~200 µm的
粗砂与直径为 200~63 µm 的粉砂组分用湿筛法分
离。湿筛处理后余下的悬浮液在 150 g 条件下离心
2 min, 得到的沉淀物用去离子水混合均匀后再在相
同条件下离心 2 min, 离心处理后的沉淀物为直径
63~2 µm的粉粒组分。直径为 2~0.1 µm的黏粒组分
通过冷冻干燥离心后的上层液体得到。
1.4 土壤化学与生物化学指标的测定
土壤有机碳含量 (mg·g−1)用重铬酸钾氧化−硫
酸亚铁滴定法测定 [9]; 土壤总氮含量 (mg·g−1)采用
semimicrokjedahl 法测定 ; 土壤速效磷 [μg(P)·g−1]
用 磷 酸 钠 提 取 法 测 定 [10]; 土 壤 脲 酶 活 性
[μg(NH4+)·h−1·g−1]用铵积累法测定 [11]; 土壤碱性磷酸
酶活性[μmol(p-nitrophenol)·h−1·g−1]采用人工合成的
化合物(对-硝基苯衍生物)作为酶促反应底物来测定
其活性大小, 测定步骤如下: 取土 1 g, 加入 5 mL含
1 mg·mL−1 对-硝基磷酸苯二钠且 pH 为 10 的溶液,
然后将混合物放入恒温培养箱中在 30 ℃条件下培
养 1 h, 培养结束后加入 5 mL 0.5 mol·L−1的 NaOH
溶液来终止酶促反应, 溶液中的对硝基酚浓度经过
滤后用分光光度法进行测定。
1.5 数据统计与分析
不同耕作处理间数据的差异显著性使用方差分
析(LSD法, P<0.05)进行检验。土壤脲酶、磷酸酶活
性与土壤有机碳、总氮和速效磷含量的相关性使用
统计软件 SPSS 13.0进行统计学分析。
第 5期 秦树平等: 华北山前平原农田土壤养分循环的酶学调控 1131


2 结果与分析
2.1 土壤脲酶和磷酸酶在不同土层中的分布
如图 1 所示, 土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活性
均随土壤深度增加而减小, 其中 0~20 cm 土层中的
脲酶和碱性磷酸酶活性显著高于 20~40 cm土层。土
壤酶活性随土壤深度减小的趋势与相关文献资料一
致。Sardans等[12]研究发现, 在西班牙加泰罗尼亚南
部的森林土壤中, 土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活性
随土壤深度增加而显著下降; Qiu等[13]研究发现, 在
黄土高原南部土壤中, 土壤碱性磷酸酶活性随土壤
深度增加而显著下降。土壤微生物被认为是土壤酶
的主要生产者, 因此土壤微生物量在土壤剖面中的
分布在很大程度上决定了土壤酶的分布。土壤有机
质是土壤微生物生长繁殖所需养分的主要来源, 土
壤有机质含量一般随土壤深度增加而减小, 导致土
壤微生物量与微生物活性均随土壤深度增加而降低,
进而导致土壤酶活性随土壤深度增加而降低。这一
结果说明, 表层土壤中较高的土壤酶活性有可能加
快土壤养分循环。
2.2 土壤脲酶与磷酸酶活性在不同粒径土粒中的
分布
植物残体进入土壤后经过土壤微生物的降解而
形成一系列不同降解程度的有机物质, 这些有机物
质与不同粒径的土壤颗粒相结合。一般而言, 低降
解程度的有机质与土壤大颗粒相结合, 那些具有较
高降解程度的有机质进入土壤粉粒和黏粒中, 并与
这些组分紧密结合。土壤砂砾中的石英颗粒对土壤
有机碳只具有较弱的吸附能力, 而土壤黏粒中的一
些成分, 如层状硅酸盐, 由于具有较大的比表面积
而对土壤有机质具有很强的吸附能力[14]。因此土壤
有机质的存在位置决定其自身的稳定性[15]。另一方
面, 土壤酶活性是土壤有机碳降解的外部因素与必
要条件[16−18]。研究土壤酶活性在不同粒径土粒中的
分布有助于理解土壤酶活性对土壤养分循环的微域
调控。如图 2 所示, 土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活
性随土粒粒径减小而显著增加, 这一结果与相关文
献资料相一致。Marx等[19]研究发现, 英国德文郡草
地土壤中土壤磷酸酶活性随土粒粒径减小而显著增
加; Saviozzi等[20]研究发现, 意大利南部的有机农场
土壤酶活性随土粒粒径减小而显著增加。另一方面,
土壤大颗粒(直径为 2 000~63 µm)中土壤脲酶活性和
碱性磷酸酶活性与土壤养分显著相关, 相反, 土壤
小粒径颗粒(直径为 63~0.2 µm)中的脲酶活性和碱性
磷酸酶活性与土壤养分并不总是显著相关(表 1), 说



图 1 土壤脲酶和碱性磷酸酶活性在土壤剖面中的分布
Fig. 1 Distributions of soil urease and alkaline phosphatase activities in soil profile
不同字母表示土壤酶活性在不同土层中差异显著 Different letters indicate significant difference between different soil layers



图 2 土壤脲酶和碱性磷酸酶活性在不同粒径土粒中的分布
Fig. 2 Distributions of soil urease and alkaline phosphatase activities in particle-size fractions
不同字母表示土壤酶活性在不同粒径土粒间有显著差异 Different letters indicate significant differences between different particle-size fractions.
1132 中国生态农业学报 2011 第 19卷


表 1 不同粒径土粒中土壤酶活性与土壤养分之间的相关系数
Table 1 Correlation coefficients between soil enzyme activities and nutrient contents in the particle-size fractions
有机碳
Organic C
总氮
Total N
速效磷
Available P
碱性磷酸酶
Alkaline phosphatase
脲酶
Urease
粗砂 Coarse sand (2 000~200 μm )
有机碳 Organic C 1 0.72* 0.81* 0.75* 0.86*
总氮 Total N 1 0.70* 0.75* 0.85*
速效磷 Available P 1 0.90* 0.87*
碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase 1 0.84*
脲酶 Urease 1
粉砂 Fine sand (200~63 μm)
有机碳 Organic C 1 0.75* 0.82* 0.77* 0.76*
总氮 Total N 1 0.79* 0.76* 0.73*
速效磷 Available P 1 0.79* 0.71*
碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase 1 0.88*
脲酶 Urease 1
粉粒 Silt (63~2 μm)
有机碳 Organic C 1 0.69* 0.76* 0.76* 0.33
总氮 Total N 1 0.76* 0.29 0.75*
速效磷 Available P 1 0.21 0.70*
碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase 1 0.87*
脲酶 Urease 1
黏粒 Clay (2~0.1 μm)
有机碳 Organic C 1 0.68* 0.75* 0.26 0.79*
总氮 Total N 1 0.76* 0.56 0.89*
速效磷 Available P 1 0.80* 0.57
碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase 1 0.76*
脲酶 Urease 1
*代表显著相关性 * indicates significant correlation.

明土壤酶在土壤养分循环中起到重要作用, 在使用
土壤酶活性作为指示土壤养分状况的指标时, 应考
虑不同存在状态的土壤酶活性及其在养分循环中的
作用。土壤小粒径颗粒中的黏粒成分对土壤酶具有
吸附作用, 这种吸附作用能在一定程度上抑制土壤
酶在田间的实际催化能力[21−22]。而与之相反, 土壤
粗砂和粉砂中的土壤酶具有较高的田间实际催化能
力, 这些土壤酶降解粗砂和粉砂中的有机物质并释
放出其中的养分, 导致土壤大粒径颗粒中的酶活性
与养分含量显著相关。
3 结论
土壤脲酶和磷酸酶在土壤养分释放方面起着非
常重要的作用。而酶在土壤中的分布是决定土壤酶
田间实际催化能力的重要因素。本试验结果说明 ,
土壤酶活性随土壤深度加深和土壤粒径增大而显著
降低。这些结果说明在表层土壤中微生物活性较旺
盛，分泌出较多的土壤酶。这些土壤酶在促进动植
物残体的降解与养分释放方面起到关键作用。明确
土壤酶的不同存在状态与土壤酶田间实际催化能力
之间的相互关系是土壤酶学研究的瓶颈，同时也是
土壤酶学进一步发展的重要方向。

致谢 栾城试验站的工作人员在大田试验中给予帮
助, 谨表谢意!
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