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土壤有机质是土壤的重要组成部分，是土壤团聚体形成的胶结物质，同时也是衡量土壤肥力的重要指标，其含量和质量一定程度上影响着土壤团聚体的形成和稳定[1]。土壤酶作为直接参与土壤生态系统碳、氮、磷代谢的重要动力，主要由高等植物根系和土壤动物分泌、土壤微生物生命活动释放的一类具有高度催化作用的蛋白质组成[2]。土壤酶中的水解酶具有高效催化水解作用，参与土壤中有机物的转化，能裂解有机化合物中的糖苷键、脂键和肽键等，把高分子化合物水解成植物和微生物可利用的营养物质，在促进土壤有机物质分解和腐殖质合成、生态系统的物质循环及能量流动中起着重要作用[3-4]。土壤酶活性作为土壤质量的生物活性指标，比土壤物理、化学指标对土壤环境的变化更敏感[5]，它可以从本质上反映土壤碳、氮、磷的转化强度，对土壤生态系统中各种生物化学过程调控的功能发挥具有重要的意义[6]。团聚体作为土壤结构的基本单元，能协调土壤中的水、肥、气、热以及维持和稳定不同土壤层，是形成良好土壤结构的物质基础[7]。不同粒径团聚体不仅决定着土壤形态特征、孔隙的分布和数量等土壤理化性质，更在土壤养分供应、保持及转化等方面发挥着重要作用[7-8]。岩溶石漠化是中国西南地区主要的土地退化形式，虽然石漠化整体扩展趋势得到了有效遏制，生态状况稳定好转[9]，但局部石漠化土地仍在扩展，加之岩溶生态系统属于脆弱生态区，石漠化治理具有长期性和艰巨性特点[10]。多年来，石漠化区域进行了大规模的退耕还林还草等植被恢复活动，很多研究关注植被恢复过程对土壤肥力的影响，主要集中在土壤养分空间分布及在石漠化恢复过程中的变化规律[11]、土壤水文结构特征[12]、不同植被恢复模式的优劣[13]、土壤微生物群落结构特征[14]、人为活动等对土壤物理化学性质的影响等方面，关于土壤酶活性，尤其是水解酶的分布特征鲜有报道。此外，以往研究土壤酶活性时多以过筛后均匀混合的土壤样品作为研究对象[6, 15-18]，很少考虑到团聚体中酶活性的变化情况。事实上，不同粒径团聚体的形成环境和胶结类型不同，常导致团聚体的稳定性及内部物质组成等表现出特殊性，进而导致不同粒径团聚体之间土壤酶活性[5]和养分的差异[15]，因此，探究岩溶区土壤团聚体碳、氮、磷含量及水解酶活性特征具有重要意义。为此，本研究选择滇中高原典型岩溶石漠化区为研究区域，以4种石漠化程度(潜在、轻度、中度、重度)的土壤为研究对象，探究土壤团聚体分布特征以及碳、氮、磷和水解酶活性在团聚体中的分布情况，为岩溶石漠化区土壤改良和植被恢复提供科学依据。
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研究区位于云南省昆明市石林县(24°38′~24°58′N，103°11′~103°29′E)，海拔1 500~1 900 m，属亚热带低纬度高原山地季风气候，干湿季差异明显，年均气温约16.0 ℃，年均降水量946.0 mm，多集中在5—10月。该县石漠化土地约占国土面积的20%，以中度为主，其次为轻度、强度石漠化土地。境内为滇中岩溶高原红壤分布地带，土壤pH为4.5~6.5，主要土壤类型为红壤、紫色土和水稻土，以石灰岩红壤分布最广，约85.2%，石灰岩红壤普遍质地黏重，通透性差，有机质含量低。2016年石林县林业局调查结果显示：石林岩溶石漠生境土地面积约2.9 万hm2，包括轻度1.1 万hm2、中度1.3 万hm2和重度0.5 万hm2[19]。研究区植物类型大都以由先锋物种构成的低矮灌丛为主，多生长于裸露岩石的缝隙中，无明显的乔木层，成零星状分布，灌木与同一地区的亚热带常绿阔叶林的次生林灌木相近，植被覆盖率均较低。优势植被主要有云南松Pinus yunnanensis、桤木Alnus cremastogyne、柏木Cupressus funebris、清香木Pistacia weinmannifolia、云南含笑Michelia yunnanensis、茅叶荩草Arthraxon prionodes、沙针Osyris wightiana、地石榴Ficus tikoua、薄皮木Leptodermis oblonga、四脉金茅Eulalia quadrinervis、铁仔Myrsine africana、破坏草Ageratina adenophora等。
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2018年4月，选择发育类型基本相同，海拔、坡度、坡向等相近，成土母质相同且具有代表性的不同石漠化程度(潜在、轻度、中度和重度)土壤为研究对象。石漠化程度的划分参照王宇等[20]的方法。随机设置面积为10 m×10 m的3个样方，每个样方内按“S”型设置5个采样点。由于石漠化区基岩裸露、土层浅薄，采集0~10 cm土层土壤样品。采样时先去除凋落物及腐殖质层，再采集土样，装入自封袋，带回实验室进行后续分析处理。土样沿自然结构掰成直径约1 cm的土块，去除动植物残体后置于室内阴凉通风处风干，风干后取一部分土样用于测定全土理化性质及酶活性，剩余部分用干筛法[21]分离出粒径＜0.25 mm、粒径0.25~2.00 mm、粒径＞2.00 mm团聚体用于测定土壤团聚体理化性质及酶活性。土壤团聚体的分离方法如下：将土样放在筛上，按筛孔大小(直径0.25 mm、2.00 mm)套好，用手摇动筛子，直至筛上的土团不再下漏为止，从而将土样分成粒径＞2.00 mm、粒径0.25~2.00 mm、粒径＜0.25 mm共3个粒级，最后收集筛上的土样，分别称量，计算各粒径级土壤团聚体质量分数。样地基本概况如表1所示。
表 1 样地基本概况
Table 1. Basic information of the plot
石漠化
程度海拔/m 经度(E) 纬度(N) pH 有机碳/
(g·kg−1)全氮/
(g·kg−1)全磷/
(g·kg−1)主要植被 裸岩面
积比例/
%潜在 1 853~1 855 103°20′41.8″~
103°20′43.7″24°46′04.1″~
24°46′05.8″4.68 24.20±3.14 b 1.57±0.27 c 1.08±0.15 c 云南松、云南含笑、清
香木、铁仔、四脉金
茅、茅叶荩草、破坏草0~30 轻度 1 852~1 862 103°20′37.6″~
103°20′39.5″24°46′03.4″~
24°46′06.0″5.35 32.60± 2.38 a 2.18±0.20 b 0.94±0.15 c 云南松、云南杨梅、铁
仔、沙针、茅叶荩草、
破坏草、鬼针草30~50 中度 1 831~1 833 103°20′40.9″~
103°20′48.5″24°46′25.7″~
24°46′30.6″4.87 13.74±1.64 c 1.05±0.09 d 1.69±0.31 b 云南松、小雀花、薄皮
木、铁仔、破坏草50~70 重度 1 822~1 833 103°20′28.3″~
103°20′31.5″24°46′12.5″~
24°46′13.6″5.66 34.34±5.49 a 2.73±0.43 a 2.74±0.74 a 云南松、铁仔、茅叶荩
草、破坏草、鬼针草＞70 说明：有机碳、全氮、全磷数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示不同石漠化程度间土壤养分差异显著(P＜0.05)。云南杨 梅Myrica nana；鬼针草Bidens pilosa；小雀花Campylotropis polyantha -
土壤有机碳、全氮、全磷、pH的测定参照鲍士旦[22]的方法进行；淀粉酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法[23]测定，脲酶采用靛酚蓝比色法[24]测定，土壤β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶采用硝基苯底物比色法[23]测定，并测定了不同粒径团聚体及混合土壤的各项指标。
土壤团聚体平均质量直径(DMW，mm)的计算公式[25]：
$$ D_{\rm{MW}}={{\displaystyle\sum \limits_{i=1}^{n}({d_i}w_i)}}/{{\displaystyle\sum \limits_{i=1}^{n}w_i}}{\text{。}}$$ (1) 式(1)中：di为第i粒径团聚体直径的平均值(mm)；wi为第i粒径团聚体的质量分数(%)。团聚体贡献率计算公式[26]：
$$\normalsize { {{团聚体的贡献率}}=\frac{{{该级团聚体中酶活性}}({{养分质量分数}})\times {{该级团聚体质量分数}}(\rm{\%})}{{{土壤中酶活性}}({{养分质量分数}})} \times 100\% {{。}}}$$ (2) 土壤酶活性几何平均数(M)[27]是综合评价土壤酶活性的指标，也是指示土壤生物质量的综合指标，可以反映土壤质量的变化。计算公式为：
$$ M = \sqrt[\leftroot{-1}\uproot{5}{{4}}]{{E_{{\rm{Amy}}} \times E_{{\rm{Ure}}} \times E_{{\rm{Glu}}} \times E_{\rm{ACP}}}} {\text{。}}$$ (3) 式(3)中：EAmy为淀粉酶活性(μg·g−1·h−1)；EUre为脲酶活性(μg·g−1·h−1)；EGlu为β-葡萄糖苷酶活性(μg·g−1·h−1)；EACP为酸性磷酸酶活性(μg·g−1·h−1)。
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运用Excel 2010、SPSS 21.0对数据进行分析处理。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验相同粒径不同石漠化程度之间的差异，同时检验相同石漠化程度不同粒径之间的差异；采用双因素方差分析(two-way ANOVA)检验粒径、石漠化程度及其交互因子对土壤团聚体碳、氮、磷及其土壤酶活性的影响。显著性水平为0.05。
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同种石漠化程度不同粒径土壤团聚体组成比例随粒径的增大而增大。不同石漠化程度土壤团聚体质量分数从大到小依次为粒径＞2.00 mm、粒径0.25~2.00 mm、粒径＜0.25 mm，粒径＞2.00 mm和粒径0.25~2.00 mm的质量分数分别是粒径＜0.25 mm的4.26和3.03倍。不同石漠化程度土壤团聚体组成均以粒径＞2.00 mm为主，其中重度石漠化土壤团聚体质量分数高达58.47%，显著高于中度石漠化土壤(P＜0.05)；重度石漠化土壤粒径0.25~2.00 mm团聚体质量分数显著低于其他石漠化程度(P＜0.05)；不同石漠化程度土壤团聚体平均质量直径(DMW)从大到小依次为重度、潜在、轻度、中度，且潜在和轻度石漠化土壤的DMW差异不显著(P＞0.05)(表2)。
表 2 不同石漠化程度土壤团聚体组成特征
Table 2. Composition characteristics of soil aggregates at different levels of rocky desertification
石漠化程度 土壤团聚体质量分数/% DMW/mm 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 潜在 12.00±0.04 aC 35.60±0.06 abB 52.20±0.09 abA 2.25±0.26 ab 轻度 11.60±0.04 aC 39.20±0.08 aB 49.07±0.11 abA 2.17±0.31 ab 中度 14.50±0.07 aB 39.86±0.08 aA 45.50±0.10 bA 2.05±0.28 b 重度 10.07±0.04 aC 31.47±0.08 bB 58.47±0.11 aA 2.41±0.31 a 说明：数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体质量分数差异显著(P＜0.05)；同行不同 大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体质量分数差异显著(P＜0.05) -
土壤有机碳质量分数在粒径＜0.25 mm的团聚体中，为17.40~40.34 g·kg−1，在粒径0.25~2.00 mm的团聚体中，为15.45~35.75 g·kg−1，在粒径＞2.00 mm的团聚体中，为13.65~29.94 g·kg−1，各粒径土壤团聚体有机碳质量分数随粒径的增大而降低，且在小粒径团聚体中有机碳质量分数较高。相同粒径不同石漠化程度土壤中，潜在和中度石漠化土壤有机碳质量分数显著低于轻度、重度石漠化土壤(图1A)(P＜0.05)。表3表明：粒径和石漠化程度对土壤有机碳影响显著(P＜0.05)，但粒径和石漠化程度的交互作用对土壤有机碳影响不显著(P＞0.05)。
图 1 不同石漠化程度土壤团聚体碳、氮、磷变化
Figure 1. Change of soil aggregates C, N, P contents under different rocky desertification degrees
表 3 土壤有机碳、全氮、全磷及土壤酶活性双因素方差分析
Table 3. Two-factor variance analysis of soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and soil enzyme activity
变异来源 P 有机碳 全氮 全磷 淀粉酶 脲酶 β-葡萄糖苷酶 酸性磷酸酶 粒径 0.000* 0.000* 0.939 0.000* 0.000* 0.000* 0.002* 石漠化程度 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 粒径×石漠化程度 0.266 0.322 0.999 0.000* 0.298 0.098 0.737 说明：*表示差异显著(P＜0.05) 土壤全氮质量分数在粒径＜0.25 mm时，为1.17~3.27 g·kg−1，在粒径0.25~2.00 mm时，为1.00~2.68 g·kg−1，在粒径＞2.00 mm时，为0.90~2.39 g·kg−1，各粒径土壤团聚体全氮质量分数随粒径的增大而降低(图1B)。相同粒径团聚体不同石漠化程度土壤中，潜在和中度石漠化土壤全氮质量分数显著低于重度、轻度石漠化土壤(P＜0.05)，其中粒径＜0.25 mm和＞2.00 mm的石漠化土壤全氮质量分数从大到小依次为重度、轻度、潜在、中度。表3表明：粒径和石漠化程度对土壤全氮影响显著(P＜0.05)，但粒径和石漠化程度的交互作用对全氮影响不显著(P＞0.05)。
土壤全磷质量分数在粒径＜0.25 mm时，为0.98~2.52 g·kg−1，在粒径0.25~2.00 mm时，为0.96~2.55 g·kg−1，在粒径＞2.00 mm时，为0.97~2.67 g·kg−1，各粒径团聚体全磷质量分数差异不显著(图1C)(P＞0.05)。表3表明：石漠化程度对土壤全磷影响显著(P＜0.05)，但粒径、粒径和石漠化程度的交互作用对全磷影响不显著(P＞0.05)。
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不同粒径土壤团聚体淀粉酶活性为2.91~10.51 mg·g−1·h−1，各石漠化程度土壤酶活性从大到小依次为潜在、轻度、重度、中度(图2A)。粒径＜0.25 mm及粒径0.25~2.00 mm的团聚体土壤酶活性较高，均值分别为5.99、6.75 mg·g−1·h−1；粒径＞2.00 mm的团聚体土壤酶活性最低(4.64 mg·g−1·h−1)。粒径＜0.25 mm的团聚体中，潜在、轻度与中度、重度石漠化程度土壤淀粉酶活性差异显著(P＜0.05)；粒径0.25~2.00 mm的团聚体中，各石漠化程度土壤酶活性差异显著(P＜0.05)；粒径＞2.00 mm的团聚体中，中度石漠化土壤淀粉酶活性显著低于潜在、轻度、重度石漠化土壤。潜在、中度石漠化不同粒径土壤酶活性差异显著，轻度、重度石漠化程度各粒径土壤酶活性差异不显著。双因素方差分析表明：粒径、石漠化程度及粒径和石漠化程度的交互作用均对淀粉酶活性有显著影响(P＜0.05)(表3)。
图 2 不同石漠化程度下土壤团聚体酶活性的变化
Figure 2. Enzymatic change of soil aggregates in different degrees of rocky desertification
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不同粒径团聚体土壤脲酶活性为2.20~6.51 μg·g−1·h−1，各石漠化程度酶活性从大到小依次为重度、轻度、潜在、中度。由图2B可知：不同粒径团聚体土壤脲酶活性随粒径增大而降低。由差异性分析可知：粒径＜0.25 mm的团聚体中，潜在、轻度石漠化与中度、重度石漠化土壤酶活性差异显著(P＜0.05)，各石漠化程度粒径＜0.25 mm的团聚体土壤酶活性显著高于粒径0.25~2.00 mm、粒径＞2.00 mm的团聚体酶活性。由表3可知：粒径、石漠化程度对土壤脲酶活性影响显著(P＜0.05)。
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不同粒径团聚体土壤β-葡萄糖苷酶活性为0.81~2.12 μg·g−1·h−1，各石漠化程度土壤酶活性从大到小依次为重度、轻度、潜在、中度。由图2C可知：不同粒径团聚体酶活性随粒径增大而降低。粒径＜0.25 mm和粒径0.25~2.00 mm的团聚体中，中度石漠化土壤酶活性显著低于潜在、轻度、重度石漠化土壤酶活性(P＜0.05)。由表3可知：粒径、石漠化程度对土壤β-葡萄糖苷酶活性影响显著(P＜0.05)，粒径和石漠化程度的交互作用对β-葡萄糖苷酶活性影响不显著(P＞0.05)。
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不同粒径团聚体土壤酸性磷酸酶活性为1.39~1.45 μg·g−1·h−1，均值为1.42 μg·g−1·h−1 (图2D)。不同石漠化程度及不同粒径团聚体土壤酸性磷酸酶活性差异均较小。粒径和石漠化程度均对酸性磷酸酶活性影响显著(P＜0.05)，但粒径和石漠化程度的交互作用对其无显著影响(P＞0.05)(表3)。
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从表4可知：潜在、轻度、中度和重度石漠化土壤团聚体酶活性几何平均数分别为：12.33~17.67、13.40~17.68、9.25~11.91、13.68~18.17 μg·g−1·h−1。中度石漠化土壤团聚体各粒径酶活性几何平均数均显著低于潜在、轻度、重度石漠化(P＜0.05)，而潜在、轻度、重度石漠化土壤各粒径团聚体酶活性几何平均数差异不显著(P＞0.05)。从土壤团聚体来看，土壤酶活性几何平均数随团聚体粒径的增大而减小，说明小团聚体更利于土壤酶活性的积累。
表 4 土壤酶活性几何平均数
Table 4. Ceometric averages of soil enzymes activities
石漠化程度 几何平均数/(μg·g−1·h−1) 全土 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 潜在 17.67±1.09 aA 16.86±0.58 aAB 12.33±1.06 aC 15.18±0.04 aB 轻度 17.68±0.73 aA 16.27±1.35 aB 13.40±0.81 aC 15.37±0.78 aB 中度 11.91±1.21 bA 10.40±1.12 bB 9.25±0.95 bB 11.78±1.05 bA 重度 18.17±1.23 aA 16.75±3.39 aA 13.68±1.96 aB 16.53±1.21 aA 说明：数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体酶几何平均数差异显著(P＜0.05)；同行 不同大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体土壤酶活性几何平均数差异显著(P＜0.05) -
不同石漠化程度下，土壤淀粉酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶活性及土壤有机碳、全氮、全磷贡献率均为粒径0.25~2.00 mm、粒径＞2.00 mm的团聚体显著高于粒径＜0.25 mm(表5，表6)(P＜0.05)。酸性磷酸酶活性在粒径＞2.00 mm的团聚体中贡献率显著高于粒径＜0.25 mm、粒径0.25~2.00 mm的团聚体；全氮和全磷在相同石漠化程度不同粒径团聚体中各粒级贡献率差异显著(P＜0.05)。重度石漠化土壤淀粉酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶活性、有机碳、全氮、全磷各粒级贡献率差异显著(P＜0.05)。本研究表明：粒径＞2.00 mm的团聚体在土壤养分含量中不是最高，但在各石漠化程度中都占了优势，因此它的贡献率最高。
表 5 不同石漠化程度土壤团聚体养分贡献率
Table 5. Nutrient contribution rates of soil aggregates at different rocky desertification degrees
土壤养分 石漠化程度 养分贡献率/% 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 有机碳 潜在 15.80±0.01 aC 39.69±0.02 aB 55.49±0.01 aA 轻度 14.52±0.02 abB 43.02±0.04 aA 49.38±0.06 aA 中度 18.54±0.03 aB 45.03±0.05 aA 45.21±0.05 aA 重度 11.15±0.03 bC 29.64±0.06 bB 48.82±0.09 aA 全氮 潜在 15.27±0.01 abC 37.30±0.02 abB 48.48±0.00 aA 轻度 13.47±0.02 abC 40.41±0.02 aB 44.68±0.05 abA 中度 16.12±0.02 aB 38.09±0.04 abA 38.70±0.02 bA 重度 12.02±0.03 bC 30.91±0.07 bB 51.05±0.089 aA 全磷 潜在 13.45±0.01 abC 35.18±0.00 bcB 60.79±0.01 aA 轻度 12.11±0.01 bcC 40.01±0.04 abB 50.67±0.06 bA 中度 15.63±0.02 aC 43.79±0.03 aB 47.97±0.02 bA 重度 9.25±0.03 cC 29.02±0.07 cB 56.68±0.09 abA 说明：数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体养分贡献率差异显著(P＜0.05)；同行不 同大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体土壤养分贡献率差异显著(P＜0.05) 表 6 不同石漠化程度土壤团聚体酶活性贡献率
Table 6. Contribution rates of soil aggregates enzyme activities in different degrees of rocky desertification
土壤酶 石漠化程度 酶活性贡献率/% 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 淀粉酶 潜在 15.53±0.01 aC 55.00±0.03 aA 41.62±0.00 aB 轻度 12.77±0.01 bB 46.53±0.07 abA 48.22±0.11 aA 中度 17.13±0.01 aB 41.48±0.05 bcA 36.91±0.05 aA 重度 9.02±0.02 cC 33.58±0.10 cB 48.95±0.09 aA 脲酶 潜在 14.68±0.01 aB 29.66±0.01 aA 39.36±0.06 aA 轻度 13.74±0.01 aB 37.73±0.05 aA 38.82±0.03 aA 中度 18.20±0.02 aB 37.41±0.03 aA 41.59±0.06 aA 重度 13.78±0.05 aC 32.90±0.14 aB 45.02±0.07 aA β-葡萄糖苷酶 潜在 15.08±0.00 aB 39.44±0.07 abA 38.73±0.03 aA 轻度 16.04±0.04 aB 44.98±0.17 aA 37.31±0.06 aA 中度 10.04±0.02 bB 25.01±0.04 bA 23.13±0.02 bA 重度 11.82±0.03 abB 32.19±0.12 abA 41.23±0.06 aA 酸性磷酸酶 潜在 12.56±0.01 abB 12.52±0.01 abB 52.99±0.01 abA 轻度 12.00±0.01 abB 11.89±0.01 abB 49.59±0.04 bA 中度 14.86±0.02 aB 14.82±0.02 aB 45.73±0.02 bA 重度 10.22±0.03 bB 10.06±0.03 bB 58.75±0.09 aA 说明：数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体酶活性贡献率差异显著(P＜0.05)；同行 不同大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体土壤酶活性贡献率差异显著(P＜0.05) -
土壤团聚体的组成比例及稳定性是评价土壤结构的重要指标，稳定的团聚体可以减少土壤可侵蚀性及提升土壤肥力[28]。土壤颗粒在持久性胶结物质的作用下形成粒径＜0.25 mm的微团聚体，具有抵抗机械破坏和调节土壤水、肥、气、热以及各种生物活动等功能[29]，之后在瞬时性及暂时性的胶结物质作用下逐级形成粒径＞0.25 mm的大团聚体[30]。团聚体的比例能反映不同石漠化程度土壤结构的稳定性。研究区不同石漠化程度土壤粒径团聚体组成比例随粒径的增大而增大，且粒径＞0.25 mm团聚体质量分数均值高达87.84%，说明该研究区土壤团聚性较强，分散性较弱，这与黄永珍等[31]、廖洪凯等[32]的研究结果基本一致。该研究认为：表征土壤团聚体结构稳定性的土壤团聚体平均质量直径从大到小依次为重度、潜在、轻度、中度，重度石漠化土壤团聚体平均质量直径较高，可能是由于该区虽然岩石裸露率高，植被覆盖率低，但岩石空隙草本植物较多。有研究认为：天然草地土壤团聚体稳定性高于灌木林地[33]，潜在石漠化和轻度石漠化由于植被覆盖率及种类较多，导致植被凋落物量大且凋落物分解速率显著高于其他石漠化程度植被凋落物，使得土壤活性有机质的积累促进了较大粒径团聚体的形成[34]。中度石漠化由于植被覆盖率较低，受到的人为干扰更多，增强了对表层土壤大团聚体的破坏。
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土壤团聚体粒径对酶活性的分布有重要影响，研究区土壤团聚体酶几何平均数、脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性均随粒径的增大而减小，淀粉酶活性在粒径＜0.25 mm和粒径0.25~2.00 mm的团聚体中较高，在粒径＞2.00 mm的团聚体中最低，这与姬秀云等[35]的研究结果一致。朱家琪等[36]研究也显示：蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性随着团聚体粒径的减小而增大，其中粒径0.25 mm团聚体的酶活性最高。NIE等[37]研究表明：大团聚体不利于土壤酶活性的累积。此外，在植被恢复过程中，小粒径团聚体先形成[17]，因此导致包裹在大团聚体内部的小粒径团聚体具有稳定的有机物质、酶及其底物。
本研究显示：不同石漠化程度土壤团聚体有机碳及全氮质量分数均为重度和轻度石漠化显著高于潜在和中度石漠化，粒径＜0.25 mm团聚体的有机碳、全氮质量分数均显著高于粒径0.25~2.00 mm和粒径＞2.00 mm的团聚体。这是因为土壤团聚体对养分的吸附能力与比表面积呈正比，在质量相同的情况下，粒径越小的土壤团聚体，比表面积越大[31]，其次，有机质在团聚体形成的最开始阶段起到的作用更突出，所以较小粒级团聚体中的有机碳高于较大的粒径团聚体[38]。马瑞萍等[39]研究显示：粒径＜0.25 mm的团聚体总有机碳含量较高，可能是由于微团聚体中有机碳主要以稳定的腐殖质碳为主，而大团聚体中有机碳则主要以易分解、矿化的活性有机碳为主。因此，小团聚体中有机碳不断积累，而大团聚体中由于活性有机碳的分解、矿化，导致总有机碳含量不断降低。粒径＜0.25 mm的团聚体全氮高，主要受到有机碳含量以及小粒级团聚体对铵根离子(NH4 +)吸附力较高的影响[40]。不同石漠化程度土壤全磷含量在各粒级团聚体中分布较均匀，这与卢怡等[26]的研究结果一致。可能是因为全磷含量在土壤中不易迁移，从而使它在土壤中比较稳定。
本研究区重度石漠化土壤团聚体养分、酶活性均较高，这与大多数的研究结果有所不同，可能是由于该区虽然岩石裸露率高，但雨水冲击等作用导致局部土壤肥沃，岩石空隙间生长了大量的草本植物，其发达的根系，使石漠化程度严重，石灰岩的溶解程度加大，分解出的有机质增多[41]。另外，有研究显示：岩石裸露率较高的地方养分元素并非一定减少，而是呈一定的正相关性，因为基岩裸露的过程其实也是石面土壤被侵蚀、养分物质在岩隙和石槽中沉积的过程[42]，这与杨丹等[17]、张伟等[42]的研究结果一致。中度石漠化区土壤团聚体有机碳、全氮含量显著低于潜在、轻度、重度石漠化，淀粉酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶活性均最低，酸性磷酸酶活性最高。卢怡等[26]研究表明：土壤养分与酶活性之间有显著相关性。吴丽芳等[43]研究显示：不同石漠化程度土壤有机碳、全氮与淀粉酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶活性呈显著正相关，与酸性磷酸酶活性呈负相关，表明酶活性对土壤中各形态有机碳及全氮之间的相互转化起到重要作用。还有研究表明：有机质含量高的土壤团聚体中酶活性较高[44]。研究区中度石漠化土壤酶活性较低，是由于该区属于植被恢复初期，植被覆盖率较低，凋落物量较少，因此土壤养分含量较低。而潜在石漠化与轻度石漠化区植被覆盖率相对较高，有一定的凋落物及腐殖质覆盖在土壤表层，导致底物增加，进而诱导酶活性增强[19]。酸性磷酸酶活性在不同石漠化程度土壤团聚体中差异不明显，是因为酸性磷酸酶活性是影响土壤磷素有效性的重要因子，而土壤中的磷素大部分是以迟效性状态存在[45]，在土壤中移动性较小。土壤碳、氮已被广泛证实是影响土壤酶活性的主要因素[17]。因此要提高岩溶石漠化区土壤酶活性，应优先提高土壤有机质含量，而进行植被修复又是提高岩溶区土壤养分含量的有效措施。
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将不同粒径团聚体的组成比例与团聚体中土壤养分进行综合考虑，可以全面反映各粒径团聚体对土壤养分的贡献率。本研究发现：不同石漠化程度土壤中，粒径＞2.00 mm和粒径0.25~2.00 mm的团聚体是土壤养分的主要来源，粒径＜0.25 mm的团聚体对土壤碳、氮、磷及土壤酶活性贡献率最低。虽然土壤有机碳、全氮、全磷及脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶活性在粒径＞2.00 mm的团聚体中均较低，但由于土壤中粒径＞2.00 mm团聚体的组成比例最高，所以粒径＞2.00 mm的团聚体对土壤养分的贡献率才显示出较高值。这也进一步说明不同粒径团聚体对土壤养分及酶活性的贡献率与团聚体含量的高低有关。邱莉萍等[38]研究也发现：团聚体含量是引起团聚体养分贡献率变化的主要因素。
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在岩溶区不同石漠化程度土壤粒径团聚体中，较大粒径的土壤团聚体在土壤组成上占优势，对土壤养分和酶活性的贡献率也相对较高，而较小粒径的土壤团聚体更有利于土壤营养元素和酶活性的积累，其相应的含量也更高。土壤养分及酶活性在土壤团聚体中的分布情况，可作为评价石漠化地区土壤地力的指标之一，为该地区土壤改良和植被恢复提供数据支撑和理论依据。在不同石漠化程度土壤中，淀粉酶活性变化趋势从大到小依次为潜在、轻度、重度、中度的石漠化土壤，有机碳、全氮、脲酶和β-葡萄糖苷酶活性变化趋势从大到小依次为重度、轻度、潜在、中度的石漠化土壤。研究区重度石漠化土壤养分及酶活性较高，可对重度石漠化区进行一定的植被恢复。
Characteristics of nutrient and enzyme activity in soil aggregates of different rocky desertification levels in central Yunnan Plateau
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摘要:
目的 探究岩溶石漠化区土壤团聚体养分及酶活性特征，可为该地区土壤改良和植被恢复提供理论依据。 方法 以滇中高原4种不同石漠化程度(潜在、轻度、中度和重度石漠化)土壤为研究对象，对其表层土壤3种团聚体(粒径＜0.25 mm、粒径0.25~2.00 mm、粒径＞2.00 mm)分布特征，团聚体4种水解酶(淀粉酶、脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶)活性和3种养分(有机碳、全氮、全磷)质量分数特征进行分析。 结果 ①不同石漠化程度土壤团聚体组成比例随粒径的增大而增大，由高到低依次为粒径＞2.00 mm(51.31%)、粒径0.25~2.00 mm(36.53%)、粒径＜0.25 mm(12.04%)的团聚体。②不同团聚体土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、土壤酶活性几何平均数及有机碳、全氮质量分数均随粒径的增大而减小，对有机碳、全氮、全磷及酶活性的贡献率均为粒径＞2.00 mm的团聚体最高，其次为粒径0.25~2.00 mm，粒径＜0.25 mm的团聚体最低。③不同石漠化程度土壤团聚体淀粉酶活性均值为5.70 mg·g−1·h−1，石漠化土壤的石漠化程度从大到小依次为潜在、轻度、重度、中度，石漠化土壤有机碳、全氮、脲酶和β-葡萄糖苷酶活性从大到小依次为重度、轻度、潜在、中度。团聚体粒径及石漠化程度均对土壤有机碳、全氮和酶活性有显著影响(P＜0.05)，但粒径和石漠化程度的交互作用对土壤养分及酶活性没有显著影响(P＞0.05)。 结论 在岩溶石漠化地区，较大粒径的土壤团聚体在土壤组成上占优势，对土壤养分和酶活性的贡献率也相对较高，而较小粒径的土壤团聚体更有利于土壤养分和酶活性的积累，其相应的含量也更高。图2表6参45 Abstract:Objective With the features of the nutrient and enzyme activity of the soil aggregates in the rocky desertification area carefully investigated, this study is aimed to provide a theoretical basis for the soil improvement and vegetation recovery. Method With four kinds of soils with different degrees of rocky desertification (potential, mild, moderate and severe rocky desertification) in the Central Yunnan Plateau as the research objects, an analysis was conducted of the distribution characteristics of 3 aggregates (the particle sizes were ＜0.25, 0.25−2.00, ＞2.00 mm respectively), the activity of 4 hydrolytic enzymes (amylase, urease, β-glucoside, acid phosphatase) and the content characteristics of 3 nutrients (organic carbon, total nitrogen, total phosphorus) in the aggregates. Result (1) The proportion of aggregates in soil with different degrees of rocky desertification increased with the increase of particle size, from high to low: particle size was ＞2.00 mm (51.31%), particle size 0.25−2.00 mm (36.53%), particle size ＜0.25 mm (12.04%). (2) The geometric mean of soil urease, β-glucoside enzyme, acid phosphatase, soil enzyme activity and organic carbon and total nitrogen content of aggregates with different particle sizes all decreased with the increase of aggregate size. The contribution rate of different particle size aggregates to organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and enzyme activity is the highest when particle size was ＞2.00 mm, which was followed by the particle size of 0.25−2.00 mm and the particle size of ＜0.25 mm in a successive pattern. (3) The mean amylase activity of aggregates with different degrees of stony desertification was 5.70 mg·g−1·h−1, and the change trend for stony desertification soil was potential ＞ mild ＞ severe ＞ moderate whereas the change trend of organic carbon, total nitrogen, urease and β-glucosidase activity for stony desertification soil was severe ＞ mild ＞ potential ＞moderate. The particle size of aggregates and the degree of rocky desertification had significant effects on soil organic carbon, total nitrogen and enzyme activity (P＜0.05), but the interaction of particle size and degree of rocky desertification had no significant effect on soil nutrient and enzyme activity (P＞0.05). Conclusion In karst rocky desertification areas, soil aggregates with larger particle sizes are dominant in soil composition and have a relatively higher contribution rate to soil nutrient and enzyme activity, while soil aggregates with smaller particle sizes are more conducive to the accumulation of soil nutrients and enzyme activity, with higher corresponding contents as well. [Ch, 2 fig. 6 tab. 45 ref.] -
Key words:
- rock desertification /
- soil nutrients /
- soil enzyme activity /
- soil aggregate
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过量施用无机肥导致地表水体富营养化和土壤退化，从而使土壤生产力下降[1−4]。因此，优化养分管理措施，减少土壤氮磷的流失和提高肥料利用效率迫在眉睫。有机肥和炭基肥替代化肥是减少环境污染和维持作物产量的有效选择[5-7]，两者均是通过调整土壤养分供应与作物养分需求，以达到增加肥料利用效率和减少氮磷流失的目的。有机肥养分供应速率取决于有机物质的矿化[8]，炭基肥则取决于生物质炭和包覆材料的溶解与扩散[6]。有机肥替代化肥能减少稻田氮素淋溶和径流损失8.7%~25.6%[9-10] 并提高水稻Oryza sativa产量21%~24%[11]，水稻氮素利用效率随有机肥比例的增高而增高，但有机肥比例超过 75%则氮素利用效率降低[10]。炭基肥能减少烟草Nicotiana tabacum地氮素淋溶损失的6.45%~8.36%，但减少氮素淋溶效应量随炭基肥添加量的增加而降低[12]。有机肥及炭基肥替代化肥对氮素利用效率和产量的影响效应量大小受肥料类型、施用量、替代率、栽培类型和作物种类影响。如相比尿素，炭基肥能分别提高茶Camellia sinensis 、肉桂Cinnamomum cassia和甜瓜Cucumis mel 产量43%、166%和 176%[13]。坡耕地土壤有着更高侵蚀风险，且即使同为坡耕地，种植甘薯Ipomoea batatas比荒草和谷子的侵蚀风险更高[14]。由于氮磷流失方式的间歇性、流失时间的随机性、流失机制的复杂性、流失途径和流失量的不确定性[15]，坡地强化径流的条件下，甘薯坡耕地采用有机肥和炭基肥替代化肥的措施对氮磷养分径流损失的影响难以预测。本研究旨在探讨有机肥和炭基肥替代化肥对甘薯坡耕地土壤径流氮磷流失质量浓度、径流氮磷流失量及其形态的影响，同时分析了径流养分流失量和土壤化学性质之间的关系，以期为甘薯坡耕地径流流失情况和施肥管理措施提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于浙江省杭州市临安区板桥镇葱坑村( 30°05′27.64″N，119°44′03.44″E)。该区属亚热带湿润季风气候，四季分明，年日照时数为1 946 h，无霜期为239 d，年平均气温为15.8 ℃，年平均降水量为1 629 mm。海拔为150 m，土壤为红壤土类黄红壤亚类。
1.2 试验设计
按照随机区组设计4个施肥处理(表1)：不施肥(对照)、常规化肥、50%质量分数有机肥+50%质量分数化肥(有机肥50%替代)、炭基肥，每个处理重复3次，小区面积为30 m2。为防止发生侧渗和串灌，各小区之间均用水泥浇灌了宽20 cm，深30 cm的水泥墙。每个小区均配有1个单独的排水口和坡地径流池用于采集地表径流水。甘薯 ‘清香’I. batatas ‘Qingxiang’等高起垄栽插薯苗，行距50 cm，株距30 cm，密度为6.8 万株·hm−2。2020年6月8日施基肥，6月9日移栽插秧，7月20日施追肥，肥料均匀撒施后翻耕，肥料施于土层0~5 cm处。于2020年10月24日收获。
表 1 施肥方案Table 1 Fertilizer types and rates处理 施用量/(kg·hm−2) m(氮)︰m(五氧化二磷)︰
m(氧化钾)基肥 追肥 不施肥(对照) 0 0 0︰0︰0 常规化肥 尿素 195.66；钙镁磷肥 500.00；
硫酸钾 577.00尿素 195.66；钙镁磷肥500.00；
硫酸钾 577.0090︰60︰300 50%质量分数有机肥+50%质量
分数化肥 (有机肥50%替代)菜籽饼900.00；尿素 97.67；
钙镁磷肥312.67；硫酸钾 559.67菜籽饼900.00；尿素 97.67；钙
镁磷肥312.67；硫酸钾 559.6790︰60︰300 炭基肥 炭基肥500.00；钙镁磷肥291.67；硫
酸钾480.67炭基肥500.00；钙镁磷肥291.67；
硫酸钾480.6790︰60︰300 说明：尿素中氮质量分数为46%；钙镁磷肥中五氧化二磷质量分数为12%；硫酸钾中氧化钾质量分数为52%；菜籽饼中m(氮)∶m(五氧化二磷)∶m(氧化钾)∶m(碳)=5.0∶2.5∶1.0∶46.0，有机质质量分数为85%；炭基肥由遂昌绿金有机肥有限公司研制，m(氮)∶m(五氧化二磷)∶m(氧化钾)∶m(碳)=18∶5∶10∶25，直径为2~4 mm。其中，生物质炭质量分数为12%，由稻草通过在400~500 ℃缓慢热解，在无氧条件下热解1 h。生物炭质比表面积和孔体积分别为224.2 m2·g−1和0.11 cm3·g−1。 1.3 径流和土壤样品采集及处理
分别在2020年的6月22日、7月1日、7月7日、7月12日、7月17日、7月30日及9月21日收集地表径流，先测量径流池水位高度以计算径流水量，再将池内径流水充分搅匀，最后在池中不同部位、不同深度用采水器进行多点混合采集。水样置于4 ℃保存，并带回实验室即刻处理。
收获甘薯后，每个小区随机选择 5 个位置采集 0~20 cm 土层土样，充分混合后组成一个土样。在土壤样品采集过程中，使用不锈钢容重环刀(直径5.05 cm，高5.00 cm)采集土壤容重样品。将样品分为2份，1份湿土除去可见的根，过 2 mm 筛，用于测定土壤铵态氮和硝态氮。另1份风干，除去可见的根和有机物，然后木盘研磨并过2 mm筛，用于测定土壤pH、速效钾、有效磷。再从过2 mm 筛土壤样品中挑选部分土样用玛瑙研钵研磨并过0.15 mm 筛，用于测定土壤有机碳、总氮、总磷和总钾。
1.4 样品分析
径流水样总氮、可溶性氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)测定。径流水样总磷和可溶性磷采用过硫酸钾消解钼蓝比色法(GB 11893—1989)。径流水样铵态氮和硝态氮采用间断分析仪测定。采用 pH 计法测定径流水样 pH。
土壤样品中的有机碳和总氮采用元素分析仪测定；土壤全磷采用高氯酸-硫酸消煮、钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融、火焰光度法测定；土壤有效磷采用0.030 mol·L−1氟化铵-0.025 mol·L−1盐酸浸提、钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提、火焰光度法测定；土壤硝态氮、氨态氮采用氯化钾浸提—间断分析仪测定。
1.5 计算和统计分析
氮磷流失量(R, kg·hm−2)：
$ R = \displaystyle \sum\limits_{n = 1}^n {{C_i}} {V_i} $ ；氮磷流失系数(Cr)：$ {C}_{\text{r}}=({R}_{\text{m}}-{R}_{0})/{R}_{\text{f}} $ ；颗粒态氮(PN)质量浓度(NP，mg·L−1)：$ {N_{\rm{P}}} = {N_{\rm{T}}} - {N_{\rm{D}}} $ ；颗粒态磷(PP)质量浓度(PP，mg·L−1)：$ {P_{\rm{P}}} = {P_{\rm{T}}} - {P_{\rm{D}}} $ ；可溶性有机氮(DON)质量浓度(NDO，mg·L−1)：$ {N_{{\rm{DO}}}} = {N_{\rm{D}}} - {N_{\rm{N}}} - {N_{\rm{A}}} $ 。其中：Ci为第 i 次径流水中氮、磷的质量浓度(mg·L−1)；Vi为第 i 次径流水的体积(m3)；n为总径流次数；Rm为不同施肥类型氮磷流失量；R0为不施肥氮磷流失量；Rf 为不同施肥类型肥料施用量；NT为总氮(TN)质量浓度(mg·L−1)；ND为可溶性总氮(DN)质量浓度(mg·L−1)；PT为总磷(TP)质量浓度(mg·L−1)；PD为可溶性总磷(DP)质量浓度(mg·L−1)；NN为硝态氮(NN)质量浓度(mg·L−1)；NA为铵态氮(AN)质量浓度(mg·L−1)。利用SPSS 26.0进行数据统计分析，采用单因素方差分析和邓肯法多重比较检验不同处理间的差异显著性(P＜0.05)。利用主成分分析(PCA)确定径流氮磷及其形态之间相互依存的结构。利用冗余分析(RDA)检查土壤特性与土壤径流氮磷及其形态之间的关系。
2. 结果与分析
2.1 不同处理下径流产流时间对不同形态氮磷质量浓度和 pH 的影响
重复测量模型(图1)表明：不同处理、径流产流时间及其相互作用对径流总氮、颗粒氮、硝态氮和铵态氮质量浓度均存在显著影响(P＜0.05)，地表径流总氮、颗粒氮、硝态氮和铵态氮质量浓度存在峰值效应，并且不同径流产流过程中不同处理的影响也不同。施肥初期，与常规化肥相比，有机肥50%替代和炭基肥处理的径流总氮质量浓度分别减少了58.4%和49.0%；颗粒氮质量浓度分别减少了84.5%和78.3%；硝态氮质量浓度分别减少了32.1%和26.4%；铵态氮质量浓度分别减少了66.1%和80.0%。施肥中后期，常规化肥、有机肥50%替代和炭基肥对径流中总氮、颗粒氮、硝态氮和铵态氮质量浓度的影响较小。
图 1 不同处理不同时间径流中不同形态氮磷质量浓度和 pHFigure 1 Effects of fertilizer types and runoff dates on nitrogen, phosphorus contents and pH value in the runoff不同处理和径流产流时间显著影响径流可溶性氮和总磷质量浓度(P＜0.05)，且不同肥料类型的影响趋向一致。无论径流产流时间如何变化，有机肥50%替代处理的径流中可溶性氮和总磷质量浓度分别为5.23 、1.03 mg·L−1，炭基肥处理的径流中分别为2.85、0.91 mg·L−1，均显著低于常规化肥处理(分别为8.59 和1.33 mg·L−1)。
径流产流时间显著影响径流可溶性有机氮和可溶性磷质量浓度(P＜0.05)，但两者并不受不同处理的影响(P＞0.05)。另外，pH并不随径流产流时间变化而变化(P＞0.05)，常规化肥处理中pH值(7.45)低于有机肥50%替代(7.62)和炭基肥(7.79)处理。
2.2 不同处理下径流产流时间对不同形态氮磷流失量的影响
由图2A可见：在7次径流产流中，不同处理的径流流失量均无显著差异(P＞0.05)。对于常规化肥处理，第1次降雨的径流氮素流失量占全年径流流失总量的46.2%，在这个时期，有机肥50%替代和炭基肥处理可分别减少总氮流失量1.78和1.25 kg·hm−2、硝态氮流失量0.29和0.21 kg·hm−2、铵态氮流失量0.27和0.32 kg·hm−2、可溶性有机氮0.64和0.30 kg·hm−2。由图2B可见：第1次降雨时径流中的磷素流失量占全年径流流失总量的53.9%。有机肥50%替代和炭基肥处理可分别减少总磷流失量的35.3%和32.1%、可溶性磷流失量的54.3%和13.5%、颗粒磷流失量的24.9%和42.3%。
图 2 不同处理不同时间径流中不同形态氮磷素流失量Figure 2 Effects of fertilizer types on different fractions of nitrogen and phosphorus loss rate in runoff in different runoff dates2.3 不同处理对径流总氮和总磷流失量及其流失系数的影响
由图3A和图3B可见：不施肥处理每年径流中的总氮和总磷流失量分别为2.27和0.40 kg·hm−2。常规化肥处理每年径流总氮流失量是7.75 kg·hm−2，分别是有机肥50%替代处理(4.02 kg·hm−2)和炭基肥处理(4.68 kg·hm−2)的1.93和1.66倍。有机肥50%替代和炭基肥处理每年径流总磷流失量分别为1.22、1.11 kg·hm−2，是常规化肥处理(1.65 kg·hm−2)的73.9%和67.4%。
图 3 不同处理的径流中总氮(A)和总磷(B)的流失量及径流系数(C)Figure 3 Effects of fertilizer types on total nitrogen (A) and total phosphorus (B) loss rate and runoff coefficients (C) in the runoff由图3C可见：常规化肥、有机肥50%替代和炭基肥处理总氮流失系数分别为6.09%、1.94%和2.67%， 而总磷流失系数分别为6.91%、4.53%和3.94%。相比常规化肥，有机肥50%替代和炭基肥处理的总氮流失系数分别降低了68.09%和56.11%，而总磷流失系数分别降低了34.54%和43.00%。
2.4 不同处理对土壤化学性质的影响
从表2可见：与常规化肥处理相比，有机肥50%替代和炭基肥处理的土壤有机碳、全磷、全钾、有机氮、铵态氮和有效钾质量分数都有所提高，但除了炭基肥处理显著提高了土壤有机碳质量分数(P＜0.05)外，其余处理均未达显著水平。且与常规化肥处理相比，有机肥50%替代和炭基肥处理的硝态氮和有效磷质量分数分别显著降低了18.1%~26.2%和45.0%~65.0% (P＜0.05)。
表 2 不同处理土壤化学性质Table 2 Effects of fertilizer types on soil properties处理 pH 有机碳/
(g·kg−1)全磷/
(g·kg−1)全钾/
(g·kg−1)有机氮/
(g·kg−1)硝态氮/
(mg·g−1)铵态氮/
(mg·kg−1)有效磷/
(mg·kg−1)有效钾/
(mg·kg−1)不施肥 5.62 bc 11.39 b 0.36 a 31.15 a 1.93 a 36.30 b 5.08 a 9.30 b 179.60 b 常规化肥 5.51 c 11.08 b 0.33 a 27.56 a 1.93 a 49.10 a 6.28 a 26.00 a 241.60 ab 有机肥50%替代 5.66 b 13.63 ab 0.41 a 27.73 a 2.10 a 40.28 b 7.72 a 9.10 b 212.10 ab 炭基肥 5.91 a 14.54 a 0.30 a 29.22 a 2.17 a 36.20 b 5.57 a 14.30 b 269.40 a 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)。 2.5 不同处理对径流不同形态氮磷组分的影响
与常规化肥处理相比，有机肥50%替代处理使硝态氮和可溶性有机氮的占比分别提高了28%和46%，但使铵态氮和颗粒态氮的占比分别减少了9%和18%；炭基肥处理则使硝态氮和可溶性有机氮的占比分别提高了26%和46%，但使铵态氮和颗粒态氮的占比分别减少了8%和20%(图4A)。常规化肥处理的可溶性磷占比(30%)高于有机肥50%替代处理(25%)，而低于炭基肥处理(40%) (图4B)。
图 4 不同处理径流中不同形态氮磷组分Figure 4 Effects of fertilizer types on proportions of nitrogen and phosphorus fractions in the runoff2.6 径流氮磷组分和土壤化学性质之间的关系
主成分分析(图5A)发现：2 个轴解释了径流氮磷形态组成中总变异的 90.1%，其中主成分1 对氮磷径流流失形态的贡献率为78.97%，这意味着横坐标是主要的变异因素。本研究中，径流氮磷组分分为 3 个主要组分，并且在主成分1的因素上，有机肥50%替代和炭基肥处理与不施肥、常规化肥处理均显著分开，这表明甘薯坡耕地土壤在经过不同施肥处理后，其径流中氮磷的组分与对照、常规处理相比发生了显著的变化，而有机肥50%替代和炭基肥处理之间的径流氮磷组分趋于一致。冗余分析中两坐标轴能够解释75.86%的关系信息, 说明该结果可较好地反映土壤的化学性质和径流氮磷及其形态之间的关系。冗余分析(图5B)显示：土壤有效磷质量分数与径流氮磷形态组成呈正相关(F=7.0，P=0.007)，尤其是常规化肥处理土壤中硝态氮、铵态氮、可溶性有机氮、可溶性总氮、总氮、颗粒态磷、可溶性总磷和总磷径流流失量。
图 5 不同处理径流中氮磷组分的主成分分析(A)和冗余分析(B)Figure 5 Principal component analysis (A) and redundancy analysis (B) of nitrogen and phosphorus fractions in different fertilizer types总氮与硝态氮、铵态氮、可溶性有机氮、颗粒态氮和可溶性氮的相关系数分别为0.88、0.71、0.94、0.90和0.98。意味着氮素之间转化是相互依赖和相互转化的。总磷与可溶性磷和颗粒态磷之间的相关系数分别为0.87和0.98，表明各个形态的磷组分间存在显著正相关(P＜0.05)。甚至总氮与总磷的相关系数为0.82，即两者之间也呈显著正相关(图6)，意味着氮和磷流失量之间为协变关系。径流氮磷流失与土壤化学性质息息相关，如土壤硝态氮能解释径流总氮和总磷的 49%和48%的变化。径流总氮(R2=0.60)和总磷(R2=0.41)流失量随土壤有效磷质量分数增大而增大(图7)。
图 7 径流养分流失量和土壤氮磷钾不同形态质量分数及pH之间的相关关系Figure 7 Relationships between runoff nutrient loss and soil nitrogen，phosphorus, potassium contents and pH3. 讨论
本研究表明：有机肥50%替代和炭基肥处理可减少甘薯坡耕地径流总氮质量浓度。在施肥初期，随着施肥时间延长，它们的效应大小甚至方向趋向一致，这可能与作物生长和施肥有关，在施肥初期植株的保水保肥能力较弱，刚施入的肥料未完全与土壤相结合，易于流失。而氮作为植株生长过程中需求量较大的元素，被植株吸收较多，因此土壤径流中各处理氮的质量浓度大幅降低。而孔文杰 [16]研究发现：有机肥和炭基肥对甘薯坡耕地径流总磷质量浓度的影响不随施肥时间推移而变化。然而，有机肥和炭基肥对稻田和蔬菜径流总磷和总氮的质量浓度影响则相反[17]，表明在不同种植模式下有机肥和炭基肥影响径流养分质量浓度的效应是不同的。
不同肥料会影响径流中不同形态氮磷组成，如有机肥50%替代和炭基肥处理均较常规化肥处理可分别提升硝态氮、可溶性有机氮的占比，同时降低铵态氮、颗粒态氮的占比。这是由于有机肥的氮素矿化释放速率慢，以硝态氮和铵态氮形态存在于土壤和径流中相对少，不易发生损失[18]。王静等[19]研究发现：炭基肥对径流中氮磷产生影响的原因可能是增强了土壤持水能力，进而提高可溶性磷和硝态氮含量。肥料类型是影响甘薯氮磷径流流失量的一个重要因素。本研究有机肥50%替代处理较常规化肥处理减少了径流总氮和总磷的流失量，降低了总氮和总磷流失系数，与已有研究结果相同[20-22]。这表明有机肥无论是对菜田、稻田还是坡耕地都能起到减少径流总氮流失量，并能减少坡耕地和菜田径流总磷流失量。然而，有机肥对减少菜地、稻田和坡耕地径流氮磷流失量存在差异[23]。炭基肥处理较常规化肥处理可减少径流氮、磷总量，降低总氮和总磷流失系数，与已有研究结果[24-25]相同。
脱云飞等[26]、陈晓鹏等[27]研究证明：土壤有效磷、硝态氮的质量分数是影响径流氮磷流失量主要因素。本研究表明：径流总磷的流失量与土壤有效磷质量分数呈正相关，磷的移动性很小，径流中有效磷的累积流失量主要取决于径流对地表的冲刷和浸提，有效磷质量分数高的土壤能够有效指示径流携带的含磷量[28]，同时王莺等[29]、刘晓玲等[30]在山核桃Carya cathayensis林和稻田上研究发现：土壤有效磷的质量分数与径流总磷流失量的关系与甘薯田基本一致。而地表径流氮素主要来源于土壤表层氮素的冲刷、溶出和淋溶，土壤硝态氮质量分数与径流总氮的流失量呈正比，王琼等[31]对土壤中硝态氮会直接影响径流中氮的流失进行过研究，而徐爱国等[32]在稻田和菜田中证明土壤硝态氮质量分数与径流液总氮流失量并没有显著相关性，表明土壤硝态氮质量分数预测总氮径流流失量因土地利用方式而异[33]。
4. 结论
本研究结果表明：①有机肥50%替代和炭基肥处理显著影响径流氮磷流失；相比较常规化肥处理，分别降低径流总氮质量浓度的58.4%和49.0%，降低径流总磷质量浓度的22.6%和31.6%；降低总氮流失量的48.1%和39.6%，降低总磷流失量的26.1%和32.7%。②有机肥50%替代和炭基肥处理改变了径流氮磷形态的组成，相比常规化肥处理显著降低了径流氮磷养分流失系数；有机肥50%替代和炭基肥处理的总氮流失系数分别降低了68.09%和56.11%，总磷流失系数分别降低了34.54%和43.00%。③有机肥和炭基肥施用主要是减少施肥前期氮磷养分的流失。随着施肥时间的延长，有机肥和炭基肥在减少氮磷径流流失与常规化肥施肥并无区别，意味着肥效逐渐递减效应和作物吸收的平衡。④土壤化学性质是影响径流氮磷流失量的主要因素。其中土壤硝态氮的质量分数仅可预测甘薯坡耕地土壤养分的流失，土壤有效磷的质量分数可以指示土壤的养分流失。因此，施用有机肥和炭基肥显著影响了径流氮磷流失，但不同肥料之间影响效果存在差别，比较而言，有机肥50%替代化肥处理更适合用于减少甘薯坡耕地径流氮流失，而炭基肥更适用于减少径流磷流失。合理的施肥措施可以有效减少土壤径流氮磷的流失。
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图 1 不同石漠化程度土壤团聚体碳、氮、磷变化
Figure 1 Change of soil aggregates C, N, P contents under different rocky desertification degrees
图 2 不同石漠化程度下土壤团聚体酶活性的变化
Figure 2 Enzymatic change of soil aggregates in different degrees of rocky desertification
表 1 样地基本概况
Table 1. Basic information of the plot
石漠化
程度海拔/m 经度(E) 纬度(N) pH 有机碳/
(g·kg−1)全氮/
(g·kg−1)全磷/
(g·kg−1)主要植被 裸岩面
积比例/
%潜在 1 853~1 855 103°20′41.8″~
103°20′43.7″24°46′04.1″~
24°46′05.8″4.68 24.20±3.14 b 1.57±0.27 c 1.08±0.15 c 云南松、云南含笑、清
香木、铁仔、四脉金
茅、茅叶荩草、破坏草0~30 轻度 1 852~1 862 103°20′37.6″~
103°20′39.5″24°46′03.4″~
24°46′06.0″5.35 32.60± 2.38 a 2.18±0.20 b 0.94±0.15 c 云南松、云南杨梅、铁
仔、沙针、茅叶荩草、
破坏草、鬼针草30~50 中度 1 831~1 833 103°20′40.9″~
103°20′48.5″24°46′25.7″~
24°46′30.6″4.87 13.74±1.64 c 1.05±0.09 d 1.69±0.31 b 云南松、小雀花、薄皮
木、铁仔、破坏草50~70 重度 1 822~1 833 103°20′28.3″~
103°20′31.5″24°46′12.5″~
24°46′13.6″5.66 34.34±5.49 a 2.73±0.43 a 2.74±0.74 a 云南松、铁仔、茅叶荩
草、破坏草、鬼针草＞70 说明：有机碳、全氮、全磷数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示不同石漠化程度间土壤养分差异显著(P＜0.05)。云南杨 梅Myrica nana；鬼针草Bidens pilosa；小雀花Campylotropis polyantha 
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表 2 不同石漠化程度土壤团聚体组成特征
Table 2. Composition characteristics of soil aggregates at different levels of rocky desertification
石漠化程度 土壤团聚体质量分数/% DMW/mm 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 潜在 12.00±0.04 aC 35.60±0.06 abB 52.20±0.09 abA 2.25±0.26 ab 轻度 11.60±0.04 aC 39.20±0.08 aB 49.07±0.11 abA 2.17±0.31 ab 中度 14.50±0.07 aB 39.86±0.08 aA 45.50±0.10 bA 2.05±0.28 b 重度 10.07±0.04 aC 31.47±0.08 bB 58.47±0.11 aA 2.41±0.31 a 说明：数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体质量分数差异显著(P＜0.05)；同行不同 大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体质量分数差异显著(P＜0.05)
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表 3 土壤有机碳、全氮、全磷及土壤酶活性双因素方差分析
Table 3. Two-factor variance analysis of soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and soil enzyme activity
变异来源 P 有机碳 全氮 全磷 淀粉酶 脲酶 β-葡萄糖苷酶 酸性磷酸酶 粒径 0.000* 0.000* 0.939 0.000* 0.000* 0.000* 0.002* 石漠化程度 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 0.000* 粒径×石漠化程度 0.266 0.322 0.999 0.000* 0.298 0.098 0.737 说明：*表示差异显著(P＜0.05)
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表 4 土壤酶活性几何平均数
Table 4. Ceometric averages of soil enzymes activities
石漠化程度 几何平均数/(μg·g−1·h−1) 全土 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 潜在 17.67±1.09 aA 16.86±0.58 aAB 12.33±1.06 aC 15.18±0.04 aB 轻度 17.68±0.73 aA 16.27±1.35 aB 13.40±0.81 aC 15.37±0.78 aB 中度 11.91±1.21 bA 10.40±1.12 bB 9.25±0.95 bB 11.78±1.05 bA 重度 18.17±1.23 aA 16.75±3.39 aA 13.68±1.96 aB 16.53±1.21 aA 说明：数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体酶几何平均数差异显著(P＜0.05)；同行 不同大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体土壤酶活性几何平均数差异显著(P＜0.05)
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表 5 不同石漠化程度土壤团聚体养分贡献率
Table 5. Nutrient contribution rates of soil aggregates at different rocky desertification degrees
土壤养分 石漠化程度 养分贡献率/% 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 有机碳 潜在 15.80±0.01 aC 39.69±0.02 aB 55.49±0.01 aA 轻度 14.52±0.02 abB 43.02±0.04 aA 49.38±0.06 aA 中度 18.54±0.03 aB 45.03±0.05 aA 45.21±0.05 aA 重度 11.15±0.03 bC 29.64±0.06 bB 48.82±0.09 aA 全氮 潜在 15.27±0.01 abC 37.30±0.02 abB 48.48±0.00 aA 轻度 13.47±0.02 abC 40.41±0.02 aB 44.68±0.05 abA 中度 16.12±0.02 aB 38.09±0.04 abA 38.70±0.02 bA 重度 12.02±0.03 bC 30.91±0.07 bB 51.05±0.089 aA 全磷 潜在 13.45±0.01 abC 35.18±0.00 bcB 60.79±0.01 aA 轻度 12.11±0.01 bcC 40.01±0.04 abB 50.67±0.06 bA 中度 15.63±0.02 aC 43.79±0.03 aB 47.97±0.02 bA 重度 9.25±0.03 cC 29.02±0.07 cB 56.68±0.09 abA 说明：数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体养分贡献率差异显著(P＜0.05)；同行不 同大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体土壤养分贡献率差异显著(P＜0.05)
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表 6 不同石漠化程度土壤团聚体酶活性贡献率
Table 6. Contribution rates of soil aggregates enzyme activities in different degrees of rocky desertification
土壤酶 石漠化程度 酶活性贡献率/% 粒径＜0.25 mm 粒径0.25~2.00 mm 粒径＞2.00 mm 淀粉酶 潜在 15.53±0.01 aC 55.00±0.03 aA 41.62±0.00 aB 轻度 12.77±0.01 bB 46.53±0.07 abA 48.22±0.11 aA 中度 17.13±0.01 aB 41.48±0.05 bcA 36.91±0.05 aA 重度 9.02±0.02 cC 33.58±0.10 cB 48.95±0.09 aA 脲酶 潜在 14.68±0.01 aB 29.66±0.01 aA 39.36±0.06 aA 轻度 13.74±0.01 aB 37.73±0.05 aA 38.82±0.03 aA 中度 18.20±0.02 aB 37.41±0.03 aA 41.59±0.06 aA 重度 13.78±0.05 aC 32.90±0.14 aB 45.02±0.07 aA β-葡萄糖苷酶 潜在 15.08±0.00 aB 39.44±0.07 abA 38.73±0.03 aA 轻度 16.04±0.04 aB 44.98±0.17 aA 37.31±0.06 aA 中度 10.04±0.02 bB 25.01±0.04 bA 23.13±0.02 bA 重度 11.82±0.03 abB 32.19±0.12 abA 41.23±0.06 aA 酸性磷酸酶 潜在 12.56±0.01 abB 12.52±0.01 abB 52.99±0.01 abA 轻度 12.00±0.01 abB 11.89±0.01 abB 49.59±0.04 bA 中度 14.86±0.02 aB 14.82±0.02 aB 45.73±0.02 bA 重度 10.22±0.03 bB 10.06±0.03 bB 58.75±0.09 aA 说明：数值为平均值±标准差；同列不同小写字母表示相同粒径不同石漠化程度土壤团聚体酶活性贡献率差异显著(P＜0.05)；同行 不同大写字母表示相同石漠化程度不同粒径团聚体土壤酶活性贡献率差异显著(P＜0.05)
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