冷海洋气候下长期种植制度对土壤有机质组分及酶活性的影响机制研究

本综述系统探讨了不同长期种植管理措施（包括免耕与常规耕作、氮肥施用方式与剂量）对冷海洋气候区土壤有机质组分（如颗粒有机质POM、矿物结合有机质MAOM、水提取有机质WEOM）及关键酶活性（如β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-d-葡萄糖胺酶、酸性磷酸单酯酶和芳基硫酸酯酶）的影响。研究揭示了免耕促进颗粒有机碳积累（增幅达38%）并提升土壤有机碳（SOC）含量，而过量氮肥（200%推荐量）则导致SOC耗竭（降幅9.5%）及反应性氮积累。成果为优化农业管理以平衡碳氮循环与可持续生产提供重要科学依据。

　　

引言

土壤有机质和酶活性是维持农业生态系统生产力的关键生物地球化学循环组分。水提取有机质（WEOM）作为易被微生物利用的基质，约占土壤有机质的1%~2%。通过粒径分离的有机质可划分为相对稳定的矿物结合有机质（MAOM，<53 μm）和相对活跃的颗粒有机质（POM，>53 μm），二者具有不同的来源、功能和环境调控机制。MAOM约占农业土壤有机质的80%，主要来源于易分解植物残体和微生物衍生的水溶性化合物；POM约占20%，主要由植物结构残体（尤其是根系）形成。在此框架下，土壤可进一步分为WEOM、POM和MAOM。POM和WEOM需经微生物作用转化为MAOM，其中POM分解依赖物理或生化破碎及酶解作用。因此，解析长期种植制度对土壤有机质组分和酶活性的影响至关重要。

材料与方法

研究位于加拿大不列颠哥伦比亚省的Agassiz地区，属冷海洋气候，年均降水量1755 mm，年均温10.2°C。土壤为淋溶富营养棕壤，质地粉壤土（砂27%、粉粒59%、黏粒14%），pH 6.1，有机碳17 g kg^?1，全氮1.3 g kg^?1（0–15 cm）。研究涵盖三个长期试验：

1. 1.

   连续青贮玉米耕作试验：为期21年，对比免耕与常规耕作（犁耕+圆盘耙），氮肥用量180 kg ha^?1（侧施20 kg尿素氮+撒施160 kg氮）。

2. 2.

   高丛蓝莓氮稳定剂试验：为期6年，对比施用硝化抑制剂（DCD+Nitrapyrin）与无抑制剂处理，氮源为尿素（115–155 kg ha^?1），辅以灌溉和锯末覆盖。

3. 3.

   高丛蓝莓氮肥方法与剂量试验：为期9年，采用2×2因子设计（撒施vs.滴灌；100%vs.200%推荐氮量），氮源为硫酸铵，设无氮对照。

土壤采样深度为0–20 cm（玉米）或0–15 cm（蓝莓）。有机质组分通过序列分离法获取：WEOM（水提）、POM（>53 μm筛分）、MAOM（<53 μm）。碳氮含量采用干燃烧法测定，酶活性通过荧光微板法分析（β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-d-葡萄糖胺酶、酸性磷酸单酯酶、芳基硫酸酯酶）。蓝莓试验额外测定pH、活性碳（POXC）及铵态氮（NH₄-N）、硝态氮（NO₃-N）。数据采用SAS软件进行方差分析。

结果

连续青贮玉米免耕与常规耕作对比

免耕处理下土壤有机碳（SOC）、颗粒有机碳（POC）、颗粒有机氮（PON）、水提取氮（WEN）和芳基硫酸酯酶活性显著高于常规耕作，增幅分别为17%、38%、50%、25%和68%。免耕促进了POC积累，但未改变MAOM碳含量。其他酶活性（如β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-d-葡萄糖胺酶、酸性磷酸单酯酶）无显著差异。

高丛蓝莓试验

试验1（硝化抑制剂）：6年内，硝化抑制剂对任何土壤有机质组分或酶活性均无显著影响。仅土壤pH和NO₃-N在施肥处理中略有变化，但差异微小。

试验2（氮肥方法与剂量）：

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  撒施氮肥的SOC比滴灌高9.5%，100%氮量比200%氮量高9.5%。

• •

  200%撒施氮量下土壤全氮显著高于其他处理（增幅14%）。

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  MAOM碳和氮在撒施处理中分别比滴灌高8.8%和5.6%。

• •

  200%撒施氮量导致WEN急剧升高（180.0 mg kg^?1，其他处理均值57.4 mg kg^?1），WEOM碳氮比降至2.0（其他处理均值6.2）。

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  土壤pH在200%氮量下降低0.3单位，NH₄-N和NO₃-N在200%撒施处理中显著积累。

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  N-乙酰-β-d-葡萄糖胺酶、酸性磷酸单酯酶和芳基硫酸酯酶活性在撒施和100%氮量下更高（增幅21%–67%）。

讨论

免耕对土壤有机质和酶活性的影响

免耕通过促进根系生物量积累（年增约400 kg ha^?1）驱动POC形成，进而提升SOC和团聚体稳定性（与湿团聚稳定性相关性r=0.64）。POC对免耕的响应比MAOC更显著（全球荟萃分析显示增幅19.7% vs. 8.5%），源于根系对POM的优先贡献及免耕条件下地表残体混合不足抑制了MAOM形成。水提取氮增加反映了POM分解产物对氮供应的增强，但酶活性未同步变化，可能与底物多样性及酶特异性有关。芳基硫酸酯酶活性升高与SOC和POC增加一致，表明其在表征土壤生物地球化学功能中的敏感性。

高丛蓝莓系统的氮管理启示

硝化抑制剂在6年内未影响碳氮循环，可能与锯末覆盖的碳输入主导作用有关。过量氮肥（200%剂量）和滴灌均导致SOC耗竭，可能通过激发效应（priming effect）加速有机质分解，且 stoichiometric 分解理论支持碳氮比降低促进微生物代谢。撒施氮肥有利于MAOM积累，暗示其更具持久固碳潜力。200%氮量下反应性氮（WEN、NH₄-N、NO₃-N）积累加剧环境污染风险，而酶活性降低反映养分循环受阻。酸性土壤中H⁺可能通过解吸作用替代酶促反应，助长激发效应。

结论

免耕通过积累POC提升SOC含量，且水提取氮增加可能支持作物生产力。芳基硫酸酯酶可作为耕作制度下土壤健康的功能指标。高丛蓝莓系统中，硝化抑制剂对碳氮循环无显著影响，但氮肥方法与剂量具有重要调控作用：撒施氮肥利于SOC保存，而过量氮肥（尤其是滴灌）导致SOC耗竭、反应性氮积累及酶活性抑制。避免过量施氮是保护环境的关键，需优化施肥策略以平衡农业生产与生态可持续性。