酶作为土壤中植物根系和微生物协同作用产生的活性物质，参与土壤中碳、氮、磷循环^[1]，使土壤有机氮磷转化为利于作物吸收利用的无机氮磷。脲酶(soil urease, S-UE)、β-1, 4-N-乙酰葡萄糖苷酶(soil β-1, 4-N-acetylglucosidase, S-NAG)、亮氨酸氨基肽酶(soil leucine aminopeptidase, S-LAP)和酸性磷酸酶(soil acid phosphatase, S-ACP)等养分转化相关土壤酶在氮磷的物质循环、能量转移及环境质量方面发挥着重要功能^[2]。作为评价土壤肥力的指标之一，土壤酶活性的提高可增强土壤养分的供给能力。养分和酶在土壤中持续累积及相互作用有利于提高土壤质量，促进作物生长，达到增产增收目的。

由于土壤酶活性对外界环境变化高度敏感，土壤侵蚀、作物类型、耕作方式和田间管理等干扰引起的土壤生物地球化学特征变化均可能对土壤酶活性产生重要影响，而土壤侵蚀是影响土壤酶活性最主要的因素之一^[3-4]。云南省坡耕地土壤侵蚀面积421.38万hm²，侵蚀总量37 657万t/a，占全省土壤侵蚀总量的63%^[5]。侵蚀引起有机质、速效磷(available phosphorus, AP)、S-UE和碱性磷酸酶等显著降低^[6]，导致土壤生态系统及生产力严重退化。

为此，针对阻止坡耕地土壤侵蚀开展大量研究发现，工程措施(坡改梯、排水渠)、生物措施(等高植物篱)及耕作措施(免耕、少耕、深松、秸秆还田)等可有效控制坡耕地养分的流失。研究表明，10 a以上的坡改梯使土壤有机质、氮磷含量及酶活等显著上升^{[3, 7]}。省工、易实施、对生产影响低的人工干预微地形改造—等高反坡阶(contour reverse-slope terrace, CRT)措施可蓄水保墒、有效减少地表径流、截留坡耕地土壤碳和氮磷养分、显著增加玉米根际土壤酶活性(P＜0.05)，使玉米增产9.6%^[8-10]。近年来，关于土壤侵蚀研究，国内外学者大多聚焦于土壤侵蚀及修复过程中土壤物理结构改善、养分分布特征规律及作物增产增收方面，而土壤侵蚀和修复措施均可能通过调节和改善土壤水肥状况，进而驱动土壤酶活性的变化，并可能反映在作物的提质增收上。然而，对于我国坡耕地土壤侵蚀与修复过程中由养分再分配引起的土壤酶活性变化研究较少。且对各水保措施导致的土壤养分转化及其酶活性间的互溃关系关注不够，对各措施下作物增产增收的内在原因分析不足。

为此，笔者假设坡耕地水土保持措施(CRT)引起的坡耕地土壤氮磷养分等生源要素的再分配将直接或间接驱动土壤酶活性的变化，并最终影响作物的生长发育。以云南昆明松华坝水源区迤者小流域内红壤坡耕地为对象，通过设置CRT生态干预措施和对照坡面(CK)，系统探究CRT措施对坡耕地土壤养分的截留与再分配特征，揭示S-UE、S-NAG、S-LAP和S-ACP对CRT措施的响应，分析CRT措施下土壤养分和酶活性与云南典型代表性作物芸豆(Phaseolus vulgaris)产量的相关关系，揭示该措施提高土壤质量的内在机理。研究结果可为深入认识坡耕地土壤侵蚀与恢复过程中的内在因素提供理论依据。

试验区位于云南省昆明市盘龙区松华坝水源区迤者小流域内。地理位置属E 102°44′51″~102°48′37″，N 24°14′43″~25°12′48″。流域面积13.26 km²，呈不规则纺锤形，南北长约6.7 km，海拔2 010~2 590 m。流域属低纬度高原山地季风气候，年均降雨量979.2 mm，年蒸发量1 341 mm，年均气温14.2 ℃。流域内耕地面积约占25%，以坡耕地为主，主要种植芸豆、玉米(Zea mays)、烤烟(Nicotiana tabacum)、马铃薯(Solanlum tuberosum)等。

于2008年选取4块立地条件一致(坡度15°，南北坡向)、水平投影面积100 m²(20 m×5 m)的坡耕地为试验样地。其中2块样地为无措施坡耕地，作为CK，其余2块样地分别布设2组等高反坡阶，作为实验组(CRT)(图 1)。CRT样地内沿等高线自上而下、里切外垫修成一个反坡台面，反坡角5°，阶长5 m，阶宽1.2 m，2组反坡台阶间距离7.5 m。CRT设计标准为20年一遇降雨，降雨后反坡阶内如有沉淀土壤影响蓄水及时清理至阶下坡面。

图 1(Fig. 1)

图 1 试验样地平面图及CRT剖面示意图 Fig. 1 Plane graph of field plot and profile diagram of contour reverse-slope terrace

在CRT上位反坡阶阶上1 m以上和阶下1 m以下以及CK对应位置，采用五点取样法采集表层(0~5 cm)土壤样品。一部分土样经去除石块、残根等杂质，自然风干后研磨过筛(0.25 mm)至均匀粉体以备测定氮磷全量及形态。另一部分鲜土样保存于-4 ℃待测定酶活。

过筛(0.25 mm)土样以浓硫酸—过氧化氢(H₂SO₄-H₂O₂)消解、凯氏定氮仪测定全氮(total nitrogen, TN)。铵态氮(ammonium nitrogen, NH₄⁺-N)和硝态氮(nitrate nitrogen, NO₃^--N)采用1 mol/L氯化钾(KCl)提取可见分光光度计测定。全磷(total phosphorus, TP)以浓硫酸—高氯酸(H₂SO₄-HClO₄)消煮，AP采用0.5 mol/L碳酸氢钠(NaHCO₃)浸提，钼锑抗显色后可见分光光度计测定。

S-UE、S-LAP、S-ACP及S-NAG采用索莱宝和科铭生物试剂盒测定。新鲜土样自然风干后过筛(30~50目)，S-UE采用靛酚蓝比色法测定反应液在630 nm下的吸光度。S-LAP和S-NAG采用对硝基苯胺比色法测定反应液分别在405和400 nm下的吸光度。S-ACP采用磷酸苯二钠比色法测定反应液在660 nm下的吸光度。

在芸豆成熟期分阶位分别收集3个1 m×1 m样方的籽粒样品，风干后用精密电子天平称量并折算成每公顷产量。随机取1 000粒用精密电子天平称量，重复3次，取均值为千粒质量。

使用SPSS 19.0进行单因素方差分析(Duncan)，Canoco 5软件进行冗余分析，Origin 2021进行相关性(Parson)分析，Origin 2021完成柱状图和热图可视化，图中不同字母表示CK和CRT措施处理下各阶位组内数据差异显著(P＜0.05)。

CK和CRT坡耕地土壤TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、TP和AP在阶上和阶下的分布特征见图 2。CK坡耕地阶上、阶下土壤TN质量分数分别为761和896 mg/kg，其中NH₄⁺-N比例分别为0.9%和1.4%，NO₃^--N比例分别为1.7%和1.8%。布设CRT措施显著提高TN和NO₃^--N的质量分数(P＜0.05)，阶上、阶下TN的质量分数增幅分别为21.2%和7.3%，NO₃^--N增幅86.2%和77.4%，使NH₄⁺-N阶下提高2.8%，阶上降低22.5%。其次，CRT使坡耕地阶上、阶下NO₃^--N比例较CK提高53.7%和65.3%。此外，CRT措施使有机氮质量分数阶上和阶下较CK分别提高20.7%和6.1%。

图 2(Fig. 2)

图 2 TN、NH4+-N、NO3--N、TP和AP质量分数 Fig. 2 TN, NH4+-N, NO3--N, TP and AP contents

CK坡耕地阶上、阶下TP质量分数为279和288 mg/kg，其中AP比例3.5%和4.2%。布设CRT措施显著提高TP和AP质量分数(P＜0.05)，TP质量分数较CK阶上和阶下提高14.1%和21.8%，AP质量分数提高28.4%和30.1%，阶下增幅均高于阶上。此外，CRT使坡耕地阶上、阶下AP比例较CK提高12.5%和6.9%。

CK和CRT坡耕地阶上、阶上S-UE、S-LAP、S-NAG、S-ACP活性见图 3。CRT使坡耕地酶活性显著提高(P＜0.05)。相较CK，CRT使S-UE、S-NAG、S-LAP及S-ACP活性阶上分别提高13.4%、55.9%、56.8%和44.6%，阶下分别提高48.3%、72.3%、70.9%和34.6%，阶下增幅整体高于阶上。

图 3(Fig. 3)

图 3 土壤酶活 Fig. 3 Soil enzyme activities

2种措施下坡耕地芸豆产量和千粒质量如图 4所示。CRT措施使坡耕地芸豆产量和千粒质量显著提高(P＜0.05)，芸豆产量阶上和阶下提高66.7%和289%，千粒质量提高8.6%和26.6%，阶下增幅均大于阶上。

图 4(Fig. 4)

图 4 芸豆产量和千粒质量 Fig. 4 Yield and TGW (1 000 grain weight) of kidney bean

对坡耕地土壤氮磷含量、酶活与芸豆产量及千粒质量间的相关性进行冗余分析(RDA)(图 5)以揭示芸豆产量和千粒质量的环境影响因子。土壤氮磷含量及酶活对芸豆产量及千粒质量在轴1、轴2的解释量分别为81.4%和18.2%，共解释芸豆产量及千粒质量的99.6%。

图 5(Fig. 5)

图 5 芸豆产量和千粒质量与土壤氮磷及酶活的冗余分析 Fig. 5 Redundancy analysis (RDA) of yield, TGW of kidney bean and soil nitrogen, phosphorus and enzyme activities

为进一步判断影响坡耕地芸豆产量和千粒质量的主要因素，分析各因子对芸豆产量和千粒质量的单独效应和交互效应，结果见表 1。从单独效应看，S-LAP、TP、S-UE和S-ACP对坡耕地芸豆产量及千粒质量的解释量分别为48.4%、45.1%、36.2%和32.3%，对芸豆产量及千粒质量的影响均达到显著水平(P＜0.05)。从交互效应看，S-LAP、S-NAG、NH₄⁺-N对芸豆产量和千粒质量的影响显著(P＜0.01)，解释量分别为48.4%、29.2%和18%。

表 1(Tab. 1)

表 1 土壤化学性质解释量和显著性检验 Tab. 1 Explanation rate of soil chemical properties and the significance test 单独效应Simple team effect 交互效应Interaction effect 环境因子 Environmental factor 解释量 Explains rate/% Pseudo-F P 环境因子 Environmental factor 解释量 Explains rate/% Pseudo-F P S-LAP 48.4 9.4 0.006** S-LAP 48.4 9.4 0.006** TP 45.1 8.2 0.014* S-NAG 29.2 11.8 0.008** S-UE 36.2 5.7 0.02* NH4+-N 18.0 32.8 0.006** S-ACP 32.3 5.0 0.028* NO3--N 1.4 3.4 0.094 AP 28.8 4.0 0.052 S-ACP 1.0 3.9 0.072 S-NAG 21.7 2.8 0.098 S-UE 0.6 1.5 0.300 NO3--N 19.6 2.4 0.13 TN 0.5 3.5 0.102 TN 12.7 1.5 0.264 AP 0.3 1.4 0.310 NH4+-N 8.0 0.9 0.426 TP ＜0.1 0.3 0.790 Notes: S-LAP: Soil leucine aminopeptidase. TP: Total phosphorus. S-UE: Soil urease. S-ACP: Soil acid phosphatase. AP: Available phosphorus. S-NAG: Soil β-1, 4-N-acetylglucosidase. NO3--N: Nitrate nitrogen. TN: Total nitrogen. NH4+-N: Ammonium nitrogen.

表 1 土壤化学性质解释量和显著性检验 Tab. 1 Explanation rate of soil chemical properties and the significance test

坡耕地通过布设CRT显著加强芸豆产量与土壤氮素转化相关酶(S-UE)活性的正相关(P＜0.001或P＜0.01)(图 6)。与CK相比，CRT措施使坡耕地芸豆产量与S-UE由不相关变为显著正相关(P＜0.05)，相关系数(R)由0.12增至0.91。CRT还使芸豆千粒质量与土壤养分及酶活的负相关性显著减弱。相比CK，CRT措施使坡耕地芸豆千粒质量与氮、磷养分及酶(S-NAG、S-LAP、S-ACP)由显著负相关(P＜0.05)变为相关，R分别由-0.89、-0.89和-0.65升至-0.51、-0.56和-0.24。

图 6(Fig. 6)

图 6 土壤氮磷、酶活与芸豆产量和千粒质量的相关性 Fig. 6 Correlation between soil nitrogen, phosphorus and enzyme activities and yield and TGW of kidney beans

笔者发现，坡耕地布设CRT措施使芸豆产量与土壤氮磷养分的相关性减弱，而与土壤酶活的相关性增强。此外，CRT措施降低坡耕地阶下芸豆产量和千粒质量与养分的正相关性，但加强芸豆产量与S-UE及千粒质量与S-UE、S-NAG、S-LAP、S-ACP活性的正相关性。

布设CRT措施显著改善坡耕地土壤TN、NO₃^--N、TP和AP的空间分布，使阶上和阶下各养分含量均显著改善(P＜0.05)。由于土壤侵蚀过程是碳和氮磷养分等关键生源要素迁移转化的主要驱动力和载体^[11]，侵蚀引起碳、氮、磷的选择性迁移，改变陆地碳和氮磷养分的含量和空间分布。而CRT作为一种坡面生态干预措施，具有良好的蓄水减流和保土减沙效应，减流和减沙率分别达5.6%~53.5%和18.8%~83.1%^[12-13]。其次，CRT措施可提高氮磷等土壤养分的入渗和固定。研究表明该措施对氮磷的年均削减率达68.8%和82.2%^[14]，使土壤TN和TP含量较CK提高54.0%和22.2%^[15-16]。此外，CRT措施可有效改善坡耕地土壤有机碳含量，研究表明布设CRT措施，雨季前后小区土壤碳储量损失率(4.0%)低于原状坡面小区(9.9%)^[12]。因此，CRT不仅阻隔坡耕地水分和养分向下运输的趋势，减少氮磷素向下游淋失，且通过改善坡耕地土壤有机质含量，增加对氮磷的固持。

CRT整地措施对坡耕地土壤有效养分的截留保持作用突出。笔者发现CRT措施对NO₃^--N的截留效果显著高于NH₄⁺-N和TN，对AP的截留强于TP。此外，CRT使NO₃^--N在TN中的比例及AP在TP中的比例均显著提高。由于NO₃^--N是土壤氮素中的易氧化成分，极易淋溶损失。研究指出NO₃^--N流失量占径流NO₃^--N和NH₄⁺-N流失总量的70%，是径流中NH₄⁺-N流失量的2.2~2.5倍^[17]，约占TN流失量的16.5%~59.2%^[18]。AP相较于TP氧化性更强，稳定性更弱，因而也更易流失，占磷素流失量的68.6%~83.8%^[19]。整地和部分田间管理措施已被证实能够提升土壤NO₃^--N、NH₄⁺-N和AP等有效养分。比如，垄沟种植模式使0~100 cm土层的NO₃^--N累积量提高38.8%~116%，使0~40 cm土层AP含量提高28.5%~80.9%，表明垄沟种植可改善土壤氮磷素的供应能力^[20]。同样，本研究坡耕地布设CRT后有助于改善土壤有效养分(NO₃^--N和AP)含量。它们可能在氮磷的保持方面贡献突出。

通过在研究区坡耕地每隔7~8 m修筑一道等高反坡台阶，使土壤侵蚀量降低4 631.63 t/(hm²·a)^[21]，有效截留上坡淋流的表土及所携带养分和微生物等，使S-UE、S-NAG、S-LAP、S-CAP阶上和阶下均显著高于CK(P＜0.05)。由于土壤酶活性通常与养分含量正相关，养分状况变化会改变酶产量分配。因此，坡耕地土壤酶的分布特征与侵蚀—沉积作用对有机碳和养分的再分配有关，而整地措施通过人工干预土壤的剥蚀、迁移和沉积等过程，极大可能影响土壤碳和养分及其酶的分泌与再分配。研究表明水平阶整地和穴状整地可减少土壤侵蚀量39.161和34.569 t/(hm²·a)^[22]。相比摞荒地，坡改梯建设下S-UE、蛋白酶和磷酸酶等显著增加^[3]。

与此类似，坡耕地布设CRT后，通过“上位台阶截留”作用降低径流对坡耕地阶下土壤的冲刷侵蚀，加之下位台阶的截留滋养，使土壤养分持续累积，且保持土壤水分、孔隙度等理化状态^[8]，明显改善土壤质量。又由于酶的分泌需要能量和养分，因而土壤有机质、氮磷等通过直接和间接作用成为影响转化酶活性的重要因素。因此，坡耕地布设CRT通过改变土壤的剥蚀、迁移和沉积等过程，能有效改善土壤理化状态及养分的空间分布，进而改善土壤酶的分泌及积累。

笔者发现坡耕地布设CRT措施使芸豆产量和千粒质量显著提高。水平梯田也被证实可固持水土、改良土壤性状，对作物增产效果较理想^[23]。垄作梯式生态稻作作为一种微地形改造措施，不仅提高稻田蓄水能力，还提高水稻产量，使水稻有效穗数比对照高12%~20%(P＜0.05)^[24]。因而，合理的微地形改造措施有利于提升农耕地土壤环境质量，可实现作物高产增收。土壤侵蚀降低农耕地土壤养分含量和酶活，而微地形改造措施CRT有效改善坡耕地土壤酶活和养分供应状况。已有研究表明，坡林地布设CRT措施后有效增加氮磷的入渗和固定^[13]，且增加的养分加快林木生长速率并增加生物量^[25]。本研究坡耕地布设CRT一方面直接截留表土所携带的养分。另一方面，由于坡耕地连年种植芸豆、玉米、烤烟等粮食作物，水蚀+耕作侵蚀下土壤养分消耗过多但地表枯落物归还量小，造成土壤贫瘠。而布设CRT改变坡耕地坡面局部地形，降低了降雨和径流对表土的冲刷效应，为植物根系创造了稳定的生长环境。同时CRT对坡面径流泥沙的拦蓄作用使养分汇集^{[8, 21]}，利于作物、草灌等生长，使坡耕地群落结构发生巨大变化，直接增加土壤表层枯落物输入量及地下根系生物量，因而本研究坡耕地布设CRT措施后土壤有机氮含量较CK提高6.1%~20.7%。输入的有机物由微生物分解为无机养分归还至土壤，不仅增加养分含量、改善土壤质量，还驱动酶分泌、提高酶活性。

此外，CRT还显著加强坡耕地芸豆产量与土壤氮素转化相关酶的正相关，显著减弱芸豆千粒质量与土壤养分及其相关酶的负相关性，表明坡耕地通过布设CRT措施加强土壤养分及酶与作物的互馈关系。由此，CRT措施不仅通过截留坡耕地土壤养分直接驱动微生物分泌酶，还通过改善土壤理化状态，加大活性有机物输入量，进而提高土壤酶活性，酶进一步加快有机养分的转化。养分和酶在土壤中持续累积，并最终促进作物生长发育和增产增收。

1) CRT措施通过改变养分的空间分布，使土壤养分状况得以显著改善，尤其对有效养分NO₃^--N和AP的改善效果高于TN和TP；还使NO₃^--N在TN中的比例及AP在TP中的比例提高。

2) CRT措施通过截留养分促使微生物分泌更多酶，同时通过增加活性有机物的输入量加大养分及酶的分泌与积累，加快有机物分解进程，进而使坡耕地土壤有机氮质量分数提高6.1%~20.7%，养分转化酶活性提高13.4%~72.3%。

3) CRT措施通过提高土壤养分及相关酶活性，加速有机氮磷向无机氮磷转化，提升坡耕地土壤关键性肥力和整体质量，进而促进芸豆生长发育，使坡耕地阶下芸豆产量和千粒质量提高289%和26.6%。