張盼盼， 雷 娜， 李 燕

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責任公司， 陜西 西安 710075； 2.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司， 陜西 西安 710075； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室， 陜西 西安 710075； 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710075； 5.自然資源部 土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心， 陜西 西安 710075)

黃土高原是我國黃河中游地區(qū)主要的地貌類型之一，黃土顆粒細，土質(zhì)松軟，礦物質(zhì)養(yǎng)分含量豐富，利于耕作[1]，但受人類不合理開發(fā)利用和區(qū)域自然因素的雙重影響，該區(qū)水土流失異常嚴重，是目前中國乃至世界水土流失最嚴重的地區(qū)。我國黃土高原總面積6.35×105km2，水土流失面積4.72×105km2[2]，水土流失是導(dǎo)致黃土高原土壤肥力低下，生態(tài)環(huán)境問題嚴峻的主要因素。治溝造地是針對黃土高原特殊地貌條件，利用現(xiàn)代化工程手段快速在溝道覆土造田，田壩渠路林綜合建設(shè)的一種溝道土地整治新模式，是土地整治工程和水土保持骨干工程的融合與創(chuàng)新[3]。治溝造地工程是一個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實施內(nèi)容包含土地平整工程、田間道路工程、灌溉與排水工程以及農(nóng)田防護與生態(tài)保護工程等[4]，勢必會對土壤理化生物性狀等產(chǎn)生影響。土壤有機碳是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的核心，反映了土壤截留碳的能力，與土壤養(yǎng)分密切相關(guān)[5]；活性有機碳雖含量小但有效性高，對作物養(yǎng)分供應(yīng)有直接關(guān)系[6]；土壤酶是土壤生物化學反應(yīng)的催化劑，可促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，能夠敏感地反應(yīng)土壤質(zhì)量的變化[7]。目前對治溝造地工程的研究多集中在效益評價分析及耕地物理性質(zhì)研究方面[8-10]，對土壤有機碳、活性有機碳含量、酶活性的影響研究較少。因此，探討同一地區(qū)治溝造地實施區(qū)與未實施區(qū)及不同整治年限的土壤有機碳和土壤酶活性的差異，揭示治溝造地對土壤有機碳和酶活性的影響特征，可為溝道高標準農(nóng)田建設(shè)及治溝造地工程的實施、推廣提供科學決策和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

治溝造地工程項目區(qū)位于陜西省延安市。延安市位于黃河中游，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，內(nèi)陸干旱半干旱氣候，四季分明、日照充足、晝夜溫差大，年均氣溫7.7～10.6℃，年均降水量500 mm左右，地貌以黃土高原、丘陵為主，地勢西北高東南低。土壤取自延安市寶塔區(qū)的羊圈溝流域、顧屯村、麻洞川，安塞區(qū)閆橋片區(qū)，子長市九玉溝、南鄭溝(各取樣區(qū)治溝造地工程完成年、土壤質(zhì)地見表1)，這些區(qū)域均種植玉米，一年一熟，化肥一次性施入。

表1 土壤取樣區(qū)概況

1.2 土壤樣品采集

治溝造地對土壤有機碳的影響是一個長期過程，一般方法是在不同時間(即整治前后)對同一區(qū)域內(nèi)的土壤重復(fù)采樣檢測，但這種方法持續(xù)時間長，且需嚴格控制各種條件。為操作方便，本研究采用相鄰?fù)寥廊拥拈g接對比方法。即在同一時間對整治后的和鄰近的未整治的坡面土壤采樣進行比較研究。具體做法：于2020年5月，在延安治溝造地各工程實施區(qū)與相鄰未實施治溝造地的溝道，分別劃1個10 m×10 m的樣地，按照5點取土混合方式，各采集0～20 cm耕層土壤樣品3個。6個地點共采集土壤樣品36個，每個土壤樣品約1 000 g，土壤去除雜物后，自然風干、磨碎過篩備用。

1.3 指標測定方法

土壤有機碳采用TOC/TN分析儀(MultiC/N3100)測定，活性有機碳采用紫外分光光度計、TOC/TN分析儀(MultiC/N3100)測定[11]，蛋白酶采用茚三酮比色法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用SPSS和Excel進行處理，用Origin軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 治溝造地對土壤有機碳的影響

由圖1可見，研究區(qū)各點土壤有機碳含量治溝造地實施區(qū)均高于未實施區(qū)，提升幅度分別為0.05～0.80 mg/g，平均提升0.35 mg/g。其中：寶塔區(qū)羊圈溝土壤有機碳提升了0.19‰，顧屯提升1.48‰，麻洞川提升1.09‰；安塞區(qū)閆橋片區(qū)土壤有機碳提升0.52‰；子長市九玉溝提升0.19‰，南鄭溝提升0.09‰?？梢娭螠显斓毓こ逃兄谔岣咄寥烙袡C碳含量。

圖1 治溝造地區(qū)與未實施區(qū)土壤有機碳的含量

對研究區(qū)各點治溝造地實施區(qū)與未實施區(qū)土壤有機碳的含量差異顯著性分析結(jié)果表明(表2)，治溝造地對土壤有機碳的含量影響顯著。

表2 治溝造地區(qū)與未實施區(qū)土壤有機碳含量的差異顯著性分析

2.2 治溝造地對土壤活性有機碳的影響

由圖2可見，研究區(qū)各點治溝造地實施區(qū)土壤活性有機碳含量均高于未實施區(qū)，提升幅度分別為0.1～0.77 mg/g，平均提升0.47 mg/g。其中：寶塔區(qū)羊圈溝土壤活性有機碳提升38%，顧屯提升61%，麻洞川提升108%；安塞區(qū)閆橋片區(qū)土壤活性有機碳提升17%；子長市九玉溝提升18%，南鄭溝提升187%。可見治溝造地工程有助于提高土壤活性有機碳含量。

圖2 治溝造地區(qū)與未實施區(qū)土壤活性有機碳的含量

對研究區(qū)各點治溝造地實施區(qū)與未實施區(qū)土壤活性有機碳的含量差異顯著性分析結(jié)果表明(表3)，治溝造地對土壤活性有機碳的含量影響極顯著。

表3 治溝造地區(qū)與未實施區(qū)土壤活性有機碳含量的差異顯著性分析

2.3 治溝造地對土壤蛋白酶活性的影響

由圖3可見，研究區(qū)各點治溝造地實施區(qū)土壤蛋白酶活性均高于未實施區(qū)，提升幅度分別為0.02～0.14 mg/g，平均提升0.078 mg/g。其中：寶塔區(qū)羊圈溝土壤蛋白酶活性提升10%，顧屯提升15%，麻洞川提升33%；安塞區(qū)閆橋片區(qū)土壤蛋白酶活性提升11%；子長市九玉溝提升13%，南鄭溝提升40%。可見治溝造地工程有助于提高土壤蛋白酶活性。

圖3 治溝造地區(qū)與未實施區(qū)土壤蛋白酶的含量

對研究區(qū)各點土壤蛋白酶活性進行差異顯著性分析結(jié)果表明(表4)，治溝造地前后土壤活性有機碳含量差異極顯著。對研究區(qū)各點治溝造地實施區(qū)與未實施區(qū)土壤蛋白酶活性的含量差異顯著性分析結(jié)果表明(表4)，治溝造地對土壤蛋白酶活性的影響顯著。

表4 治溝造地區(qū)與未實施區(qū)土壤蛋白酶活性的差異顯著性分析

2.4 不同整治年限對土壤有機碳、活性有機碳及酶活性的影響

由表5可見，2015年完工的寶塔區(qū)羊圈溝、顧屯、麻洞川治溝造地工程，土壤有機碳整治后較整治前平均增加0.500 mg/g，增幅為9.3%；土壤活性有機碳整治后較整治前平均增加0.540 mg/g，增幅為70%；蛋白酶活性整治后較整治前平均增加0.053 mg/g，增幅為20%。2018年完工的安塞區(qū)閆橋片區(qū)治溝造地工程，土壤有機碳整治后較整治前平均增加0.420 mg/g，增幅為5.1%；土壤活性有機碳整治后較整治前平均增加0.400 mg/g，增幅為17%；蛋白酶活性整治后較整治前平均增加0.050 mg/g，增幅為33%。2019年完工的子長市九玉溝、南鄭溝治溝造地工程，土壤有機碳整治后較整治前平均增加0.075 mg/g，增幅為1.3%；土壤活性有機碳整治后較整治前平均增加0.385 mg/g，增幅為69%；蛋白酶活性整治后較整治前平均增加0.049 mg/g，增幅為25%。由此可見，土壤有機碳、活性有機碳、蛋白酶活性的變化量均是5 a>2 a>1 a，而土壤有機碳增幅是5 a>2 a>1 a，活性有機碳增幅是5 a>1 a>2 a，蛋白酶活性增幅是2 a>5 a>1 a?？傮w說明治溝造地工程完成的時間越長，土壤有機碳、活性有機碳及蛋白酶活性越高。

表5 治溝造地不同年限的土壤有機碳、活性有機碳和蛋白酶活性變化量

2.5 土壤有機碳、活性有機碳與土壤蛋白酶活性的關(guān)系

土壤酶參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，土壤酶活性必然會影響土壤活性有機碳的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程[13]。經(jīng)對研究區(qū)土壤有機碳、活性有機碳與土壤蛋白酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表6)，土壤有機碳、活性有機碳與土壤蛋白酶活性呈顯著正相關(guān)，說明治溝造地前后土壤活性有機碳含量與土壤蛋白酶活性具有高度的一致性。

表6 研究區(qū)土壤有機碳、活性有機碳與蛋白酶活性的相關(guān)性

3 討論

耕層土壤的形成熟化需要一個漫長的過程，1 cm厚的土壤形成甚至需要400年的沉積打磨[14]。有研究表明，土地平整雖然剝離了表層土壤，但可以在短時間內(nèi)增加土壤有機質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀態(tài)，增加作物產(chǎn)量，如若將剝離的表層土壤回填到整治后的耕地上，則可以大大加速土壤熟化進程，迅速提升地力，但在土地整治過程中應(yīng)注重工藝流程，否則適得其反[15-16]。

土壤有機碳儲量受自然和人為因素的影響，具有明顯的空間異質(zhì)性[17]，有機碳儲量受輸入和輸出控制，輸入主要取決于植被的分解速率和歸還量[18]，分解速率低、歸還量大則有機碳儲量就高；輸出主要取決于植被根系、微生物呼吸和含碳物質(zhì)的氧化反應(yīng)[19]。延安治溝造地工程實施包含土壤表層剝離技術(shù)，勢必會對土壤養(yǎng)分有一定的影響，由于工程實施時間較短，土壤有機碳富集較慢，所以需要一定的熟化過程，隨著作物種植、培肥等措施的使用，土壤有機碳儲量勢必會提高更多。

盡管土壤活性有機碳占土壤有機碳的比例很小，但土壤活性有機碳是土壤有機碳庫中對物理、化學等各種干擾因素響應(yīng)最為敏感的組分，在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起著重要的作用[20]，能夠反應(yīng)土壤有機碳庫微小的變化，直接參與土壤化學生物反應(yīng)，是土壤碳源和養(yǎng)分流動的驅(qū)動力[21]。原荒地經(jīng)人為平整后轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田，經(jīng)過種植作物、施肥，土壤凋落物等增加，生物活性增加，土壤活性有機碳也隨之增加。

土壤酶活性與土壤的代謝、土壤養(yǎng)分形態(tài)的轉(zhuǎn)化、土壤肥力的提高息息相關(guān)[22]。而土壤蛋白酶不僅是分解土壤有機含氮化合物重要的水解酶，其活性還能反映土壤的環(huán)境質(zhì)量狀況[23]。蛋白酶主要由各種各樣的微生物活動、植物根系分泌和動物殘體的分解逐漸富集而來[20]，治溝造地工程涵蓋了灌溉與排水、田間道路、農(nóng)田防護和生態(tài)保護等配套工程，有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，增加了區(qū)域生物多樣性，土壤蛋白酶活性也會隨之增加。

治溝造地工程包含田間道路工程、灌溉與排水工程以及農(nóng)田防護與生態(tài)保護工程措施，伴隨著生產(chǎn)條件的改善，利于作物生長和生物量的積累；農(nóng)田防護與生態(tài)保護工程的實施增加了林地面積，利于形成農(nóng)田防護生態(tài)林系統(tǒng)的形成，對維護生態(tài)系統(tǒng)平衡、保持水土、保障生態(tài)安全有積極作用[24]。探討治溝造地工程措施對土壤有機碳、活性有機碳和土壤酶的影響，可揭示治溝造地模式下土壤環(huán)境質(zhì)量的變化。本研究對治溝造地工程土壤有機碳、活性有機碳與蛋白酶三者關(guān)系進行的初步分析表明，三者呈顯著正相關(guān)，這與相關(guān)研究結(jié)果基本一致[25]。本研究受一些條件的限制，僅取樣比較了治溝造地工程實施區(qū)與非實施區(qū)土壤中有機碳、活性有機碳和蛋白酶的差異，而未對治溝造地工程實施前后各指標隨時間變化的差異進行比較分析，這有待今后進行深入持續(xù)研究。

4 結(jié)論

1) 治溝造地實施區(qū)0～20 cm的土壤有機碳、活性有機碳、蛋白酶含量均較未實施區(qū)有顯著提升。其中，土壤有機碳提升幅度為0.05～0.80 mg/g，土壤活性有機碳提升幅度為0.10～0.77 mg/g，土壤蛋白酶活性提升幅度為0.02～0.14 mg/g。說明治溝造地工程有助于提高土壤有機碳、活性有機碳含量和土壤蛋白酶活性。

2) 治溝造地實施區(qū)土壤有機碳、活性有機碳含量和蛋白酶活性隨工程完工年限的增加而提高。其中，完工5年的較整治前土壤有機碳平均增加0.50 mg/g、活性有機碳平均增加0.54 mg/g、蛋白酶活性平均增加0.053 mg/g，完工2年的較整治前土壤有機碳增加0.42 mg/g、活性有機碳增加0.40 mg/g、蛋白酶活性增加0.05 mg/g，完工1年的較整治前土壤有機碳增加0.075 mg/g、活性有機碳增加0.385 mg/g、蛋白酶活性增加0.049 mg/g。

3) 研究區(qū)土壤有機碳、活性有機碳與土壤蛋白酶活性呈顯著正相關(guān)。

認為治溝造地工程有助于提高土壤有機碳、活性有機碳含量和土壤蛋白酶活性，深入研究治溝造地土地治理模式對土壤理化生物等指標的影響，對評價治溝造地工程效應(yīng)、指導(dǎo)實際生產(chǎn)等方面具有重要意義。