土壤酶是土壤的重要组分^[1]，主要来自微生物、植物和动物的活体或残体，参与包括土壤生物化学过程在内的自然界物质循环，是土壤生态系统中最活跃的组分之一^{[2, 3, 4]}，在土壤肥力的形成过程中起重要作用。土壤酶活性作为表征土壤性质的生物活性指标，已被广泛应用于评价土壤营养物质的循环转化状况以及评价各种农业措施和肥料施用的效果^{[5, 6]}。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等水解酶活性能够表征土壤碳、氮、磷等养分的循环状况，而过氧化氢酶则能分解土壤中产生的过氧化氢，以防对土壤产生毒害作用^[7]。传统土壤酶活性一般以每克土中反应的媒介物质量表示，国外有学者尝试用单位有机碳酶活性这一概念来解释酶活性^{[8, 9]}（即每克土壤有机碳中酶活性的大小），以土壤中活性有机质部分作为酶反应的基质或底物，从生物活性的角度分析土壤酶。本文也尝试引进这一概念，以不同施肥处理的农田土壤为研究对象，探讨其和土壤酶及有机碳的联系。

施肥可以改善土壤营养缺乏、酶活性低、土壤肥力下降等一系列问题，长期施肥会对土壤性质产生深远的影响^{[10, 11, 12]}。施肥能直接或间接地调控土壤有机质的输入，在不同程度上影响土壤有机碳的积累和矿化，从而引起土壤有机碳特别是水溶性有机碳等活性有机碳含量的变化。尽管关于施肥对土壤酶活性、水溶性有机物影响的研究报道较多，但结果却常因肥料种类、用量、气候条件和土壤类型的不同而不同^{[13, 14, 15]}。川地农田在黄土丘陵区农业生产中占有很大的比重，而关于土壤酶、水溶性有机物的研究在这一地区较少，尤其是长期施肥后土壤酶活性的变化等报道更是缺乏。因此，本试验以黄土丘陵区安塞野外试验站川地长期肥料试验样地的土壤为研究对象，分析了土壤酶活性和单位有机碳酶活性、水溶性有机物的变异特征，评价施肥方式对土壤性质的影响，以期为该区域农田系统土壤质量评价和建立合理施肥制度、提高土地生产力提供数据支持和科学依据。

试验于2011年在中国科学院安塞水土保持综合试验站进行。该站位于黄土高原中部（109°19′E，36°51′N），海拔1068～1309 m，属暖温带半干旱气候，年均降雨量535 mm，60％的降水集中在7—9月，且多暴雨，干燥度1.48,年均温8.8 ℃，有效积温（>10 ℃）3114 ℃，无霜期160 d左右。地貌类型为典型的梁峁状丘陵沟壑区，沟壑密度8.06 km·km^-2；土壤类型处于黄绵土与沙黄土交错区，地带性土壤为黑垆土，绝大部分已流失，地表黄土母质广泛出露，主要为黄绵土，养分比较贫瘠，氮、磷缺乏，钾富足。受自然条件和人类活动共同影响，水土流失严重。因无灌溉条件，靠天然降水，属雨养农业地区，农作制一年一熟，以秋作物为主，且一般都是牲畜耕地。

所选样地位于墩滩川地养分长期定位试验场，从1997年开始设置，旱地，轮作方式为玉米-玉米-大豆，2011年种植玉米。样地面积378 m²，每块小区14 m²，共有9个处理，分别为N（氮肥）、P（磷肥）、M（有机肥，羊粪）、N+P、N+M、P+M及N+P+M，另加空白对照CK（不施肥）和裸地BL（无作物，不施肥），随机区组排列，每个处理布设了3块样地重复。施肥量分别为N：97.5 kg·hm^-2；P：75 kg·hm^-2；M：有机肥（羊粪）7500 kg·hm^-2。施肥方法为将有机肥和磷肥做种肥一次施入，尿素做种肥施总量的20%，余下的80%在玉米大喇叭口期与抽雄期之间追施。

作物收获后，于2011年10月19日，采用S型取样法采集0~20 cm和20~40 cm两层土样，装在布袋中立即送回实验室保存。剔除杂物后，土壤鲜样过2 mm筛后立即用于水溶性有机碳、氮分析测定，其他土样风干后磨碎过1 mm和0.25 mm筛用于分析常规理化性质及酶活性指标。

土壤理化性质（表 1）采用常规测定方法^[16]。有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，全氮采用半微量开氏法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，全磷采用HClO₄-H₂SO₄-钼锑抗法测定，速效磷采用0.5 mol·L^-1 NaHCO₃-钼锑抗法测定，pH值用pH测定仪（水土比2.5∶1）测定。

表 1 土壤常规理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of soils

表选项

土壤酶活性的测定主要依据于关松荫^[17]的方法。脲酶活性用靛酚比色法测定，以mg NH₃-N·g^-1土（37 ℃、24 h）表示；蔗糖酶活性用3-5-二硝基水杨酸比色法滴定法测定，以mg 葡萄糖·g^-1土（37 ℃、24 h）表示；磷酸酶活性用苯磷酸二钠法测定，以mg酚·g^-1土（37 ℃、24 h）表示；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定，以mL 0.1 mol·L^-1 KMnO4·g^-1土（25 ℃、20 min）表示。

水溶性有机碳、氮的提取及测定^[18]：称取30 g土样于大塑料瓶中，加90 mL蒸馏水（水土比3∶1），在振荡机上振荡1 h后静置、过滤，收集过滤液过0.45 μm滤膜，最后分析过滤样。水溶性有机碳（WSOC）用TOC分析仪直接测定，水溶性氮（水溶性总氮，WSTN）采用氢氧化钠-过硫酸钾法提取、UV分光光度计测定。

所有数据采用SPSS 13.0统计软件进行单因素方差分析、多重比较（LSD法）和相关性分析（Pearson 法）。聚类分析以所有分析指标为变量，采用分层聚类得到最终结果。

除了过氧化氢酶，不同施肥处理的表层酶活性明显高于下层酶活性（图 1），但影响程度并不一致，如N处理碱性磷酸酶表层与CK相比并无显著性变化，下层则要显著高于CK。裸地BL与不施肥CK相比，脲酶和蔗糖酶并无显著性差异，碱性磷酸酶和过氧化氢酶则都显著低于CK。单独施N和P肥并未显著影响酶活性，而NP处理则可显著提高脲酶和蔗糖酶酶活性，对碱性磷酸酶和过氧化氢酶则无显著性影响。有机肥参与的处理能显著提高脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性，除了M处理土壤过氧化氢酶活性显著低于CK外，其他有机肥参与的处理对过氧化氢酶无显著性影响。总体上，过氧化氢酶呈现与其他酶类不同的响应特征，有机肥对酶活性的提高优于化肥。

不同字母表示不同施肥处理差异显著，小写字母和大写字母分别指示表层和下层（P < 0.05），下同 图 1 不同施肥处理土壤酶活性 Figure 1 Enzyme activities under different fertilization treatments

图选项

单位有机碳酶活性是每克土壤有机碳中的酶活性大小，其对不同施肥处理的响应规律与传统酶活性并不一样（图 2）。总体上，除了蔗糖酶，其他三种酶都是表层单位有机碳酶活性低于下层土壤，化肥处理下单位有机碳酶活性高于有机肥参与的处理。单位有机碳脲酶活性表层以单施N肥和NP肥配施处理最高，下层以单施P肥最高，有机肥参与的处理并无显著性差异；单位有机碳蔗糖酶活性表层只有NP处理显著高于CK，碱性磷酸酶活性表层只有N处理显著高于CK，二者下层都以N处理酶活性最高，显著高于其他处理，其他施肥处理之间无显著性差异。单位有机碳过氧化氢酶活性上下层规律基本一致，化肥之间的处理并无显著性差异，表层M和MN处理要显著低于其他施肥处理，下层则只有MP处理和其他化肥处理无差异。裸地与对照相比，只有单位有机碳碱性磷酸酶显著低于对照，其他酶并无显著性差异。

图 2 不同施肥处理下单位有机碳酶活性 Figure 2 Enzyme activities per unit carbon under different fertilization treatments

图选项

水溶性有机碳含量除了在单施N肥处理和NP肥配施处理变化不显著外，其他处理均有所提高（图 3）。其中表层土壤以MN处理的水溶性有机碳含量最高，达40.43 mg·kg^-1；下层土壤中水溶性有机碳含量较表层明显降低，CK处理依然是含量最低的处理，仅为25.71 mg·kg^-1。无论是表层还是下层土壤，裸地BL水溶性有机碳含量都显著高于对照。

图 3 不同施肥处理下土壤水溶性有机碳、氮含量 Figure 3 Soil water-soluble organic carbon and nitrogen content under different fertilization treatments

图选项

各处理表层水溶性氮含量显著高于下层含量，有机肥参与的处理上下两层显著高于化肥处理，都以MNP处理含量最高。与对照CK相比，表层土壤中化肥各处理并无显著性差异，下层除了单施P肥与CK无显著性差异外，其他各处理均显著高于CK。

碳氮比（C/N）是表征土壤质量的重要指标，和土壤有机质输入以及土壤氮素的矿化、硝化等过程有关。从本文结果来看（图 4），施肥差异并不能显著影响C/N比值，其均值表层为10，变异系数为3.4%；下层为9，变异系数为3.3%。相对于C/N，不同处理的WSOC/WSTN变化更为明显（图 4），其值变化幅度为15.7~28.6，其中：表层均值为18.6，下层为24.7，变异系数分别为15.5%和11%。说明WSOC/WSTN更容易受到施肥措施的影响。

图 4 不同施肥处理下土壤碳氮比、水溶性碳氮比 Figure 4 C/N and WSOC/WSTN under different fertilization treatments

图选项

土壤酶活性与土壤理化性质之间有着密切的关系，土壤理化性质的好坏在很大程度上制约着土壤酶的活性，同时土壤酶活性又反过来影响着土壤理化性质的改变，使其朝良好的方向发展，因此分析它们之间的关系非常重要。相关分析结果表明，水溶性有机碳、水溶性氮和有机质、全氮、碱解氮与脲酶、蔗糖酶、磷酸酶三种酶都达到极显著相关关系，而与过氧化氢酶未达到显著相关（表 2），说明这些指标都是影响土壤酶活性的重要因素。同时，这三种酶之间也彼此显著相关，与它们同属水解酶类有关。过氧化氢酶只与全磷和速效磷达到极显著相关关系，与pH为正相关关系。单位有机碳脲酶、单位有机碳过氧化氢酶与有机质、全氮、碱解氮、水溶性有机碳、水溶性氮则达到极显著负相关关系。

表 2 土壤各指标相关性分析 Table 2 Correlation between different variables

表选项

以各种酶活性及水溶性碳氮指标为变量作聚类分析^[19]，结果表明施化肥处理和CK、BL同属一类，有机肥参与的处理为另一类（图 5）。施有机肥各处理之间差异较小，施化肥处理与CK、BL之间差异较小，聚类分析结果清晰表明了施肥方式的差异性，与土壤实际情况相吻合。

图 5 不同施肥处理聚类分析 Figure 5 Clustering dendrogram for different fertilization treatments

图选项

水溶性有机物是土壤有机物转化和微生物代谢活动的中间产物，虽然含量很少，但却是微生物直接可以利用的碳源^[20]。施肥能直接或间接地调控土壤有机质的输入，在不同程度上影响土壤有机碳的积累和矿化，从而引起水溶性有机碳等活性有机碳含量的变化。在本研究中可以明显看出，施用有机肥后，水溶性有机碳、氮较CK显著增加，与其他学者的研究结论基本一致^{[21, 22]}。表层水热条件和通气状况较好，微生物生长代谢旺盛、活跃，再加上作物的枯落物聚集在表层，碳源丰富，使之表层的水溶性有机碳、氮明显多于下层^[23]。一般认为，有机肥的施用直接增加了土壤有机碳源，在微生物分解作用下释放出更多的水溶性有机碳；至于单施化肥，本研究中的效果不是很明显，可能是因为化肥虽然促进了作物生长，但根系分泌物、凋落物和施用有机肥的直接输入碳源相比毕竟有限，所以水溶性有机碳增加不多。此外，本文中WSOC/WSTN要比C/N变异性高，说明土壤中水溶性有机物可以更为敏感地对土壤变化作出响应^[24]，也更为有力的验证了水溶性有机物作为评价土壤肥力指标的重要性。

土壤中各种生化过程和物质循环均是在土壤酶的参与下完成，土壤酶活性反映了土壤中进行各种生物化学过程的动力和强度，因此研究土壤酶活性对于土壤肥力的形成、提高以及土壤生态系统的物质循环过程都具有重要意义^[1]。在本研究中，单施化肥后脲酶和蔗糖酶较CK并无明显增加，过氧化氢酶也几乎无变化，但N处理下层土壤碱性磷酸酶活性显著高于其他处理，是因为黄土区土壤本来就缺磷，在缺磷土壤中施入氮肥会引起土壤N/P的改变，诱导土壤微生物和植物根系磷酸酶的生成。这和樊军等在旱地黑垆土中的研究基本一致^[5]。而有机肥参与的处理，除了过氧化氢酶外，其他土壤酶较CK都有显著变化。这个结果也说明，就土壤微生物活性而言，有机肥能显著改善其土壤环境，而化肥效果不很显著。这是因为有机肥本身含有大量的酶类，而且有机肥可以为产酶微生物提供丰富的营养源，促进了土壤的生化过程；另外随营养元素的施入，促进了作物生长，从而增加了根系分泌物，提高了土壤酶类活性。这个结果与袁玲等在紫色土、关松荫在潮土，以及王树起等在黑土上的研究结果基本一致^{[25, 26, 27]}。此外，表层土壤酶活性比下层土壤要高，是因为施肥后肥料主要停留在表层，表层有机质含量高，利于微生物生长，加之表层水热条件和通气状况良好，微生物代谢活跃，呼吸强度加大，从而使表层土壤的酶活性较高。过氧化氢酶呈现出与其他酶类不同的响应特征，是因为过氧化氢酶属氧化还原酶类，土壤环境是影响其分布的重要因素^[20]。本研究中，只有M处理过氧化氢酶显著低于CK，其他处理对过氧化氢酶无显著性影响。这是因为只施有机肥后，土壤缺乏无机肥调节土壤中碳、氮比例，直接影响土壤氧化还原环境，进而影响到过氧化氢酶活性。

从本研究结果来看，有机质含量越高，其单位有机碳酶活性越低。这是因为单位有机碳酶活性是一个相对值，施肥后土壤中有机质含量迅速增加，而相应的酶并不能及时变化调整，故导致其值较低^[28]。此外，土壤酶反应的底物不一样，也会造成单位有机碳酶活性的差异，它和有机质的组分、活性部分有关^{[8, 9]}。除了蔗糖酶，其他三种酶都是表层单位有机碳酶活性低于下层。主要是因为蔗糖酶是表征碳素转化的重要酶类，当土壤中有机质含量大，蔗糖酶的活性也相对较高（图 1），且表层蔗糖酶活性要比下层大很多，故单位有机碳蔗糖酶活性也是表层大于下层。施P肥后，下层土壤单位有机碳脲酶活性显著高于CK；施N肥后，下层土壤单位有机碳磷酸酶活性显著高于其他处理。这个结果可能和土壤酶具有高度的专一性有关，具体原因还有待进一步研究。有研究认为单位有机碳酶活性可以反应土壤中微生物群落活性物质的多少，侧面印证土壤酶活性的高低可能不仅仅与土壤有机质含量多少有关，而主要是看活性有机质的比例^[29]，这一推测还需更深入的研究来论证。单位有机碳酶活性和传统酶活性相比，其差异主要来自于不同酶对有机碳的活性部分需求不同，故其对不同施肥处理的响应规律也与传统酶不一样。

从本文研究结果来看，水溶性有机碳、氮和土壤酶活性有着显著的相关关系，说明其和土壤有机质、全氮一样影响着土壤酶活性。综上，结合前人的研究^{[27, 30]}，本文建议在施用肥料的过程中，化肥应该结合有机肥配施，这样可以更好地改善土壤条件，促进作物生长，增加产量，保持农田可持续生产发展。

（1）除了过氧化氢酶，脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶酶活性都是表层高于下层；施化肥并不能显著影响土壤酶活性，但有机肥参与的处理土壤酶活性要显著高于化肥处理，施肥方式的差异影响着土壤酶活性。

（2）单位有机碳酶活性的响应规律和传统酶活性的规律并不一致，大致上为有机质含量越高，其单位有机碳酶活性越低，主要与有机质的活性物质构成有关，影响机理还需进一步研究。

（3）在黄土丘陵区川地农田中，长期施肥处理的表层土壤（0~20 cm）C/N值在10左右，下层（20~40 cm）为9，不同处理之间无显著差异，变异较小；而WSOC/WSTN则有显著变化，变化幅度在15.7~28.6之间，变幅较大，变异系数超过10%。

（4）有机肥比化肥处理更能提高土壤中WSOC、WSTN含量，水溶性有机碳和总氮极显著地影响脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的酶活性。