大豆田黑土酶活性研究范文

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《大豆科學雜志》2016年第一期

摘要:

以農業部黑龍江耕地保育與農業環境科學觀測實驗站(始建于1979年)為研究平臺，選取4個典型施肥處理(不施肥處理、有機肥處理、單施化肥、有機－化肥配合處理)為供試土樣，于2011年大豆收獲后采集土壤樣品，研究長期不同施肥處理對黑土主要酶類(葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶)活性的影響。結果表明:長期不施肥處理大豆田土壤酶活性較低，施肥處理可以增加黑土酶活性，脲酶與磷酸單酯酶對施肥響應程度大于β－葡糖苷酶;單施有機肥處理與化肥處理對土壤酶活性影響程度之間差異不顯著，而有機肥配施化肥處理則能夠顯著增強黑土β－葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶活性。同時，土壤β－葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶活性與土壤有機碳、全氮、全磷以及速效磷含量之間具有極顯著的正相關關系，與土壤pH之間具有極顯著的負相關關系。長期有機肥配施化肥處理可以顯著增強大豆田土壤酶活性，土壤酶活性與土壤主要養分含量之間關系密切。

關鍵詞:

黑土;長期施肥;土壤酶;土壤養分

土壤酶活性作為表征土壤性質的生物活性指標，已被廣泛用于評價土壤中營養物質的循環轉化狀況，以及農業措施和肥料施用的效果［1-3］。土壤酶活性的增強能夠促進土壤的代謝，提高土壤肥力，改善土壤性質［4-6］。長期土壤肥力試驗為土壤科學和其它相關學科提供了極為珍貴的研究平臺，可以彌補短期試驗的缺憾，克服一些不穩定的因素，使各種施肥、耕作方式有更好的可比性，尤其為研究不同措施影響土壤生物學性質變化提供了更為可靠的場所，有助于進一步揭示土壤酶活性、酶促反應過程的實質及其與土壤肥力之間的關系［7-10］。東北黑土區的總土地面積為1.02×106km2，土壤有機質含量高，土層厚，結構良好。黑龍江省擁有耕地面積1.46×107hm2，糧食總產量全國第一(624.2億kg，2014年)。在糧食產量逐年增加的情況下，作物生長過程中產生大量CO2，收獲時從土壤中帶走大量養分，直接影響土壤肥力水平，進而影響土壤生物學過程。目前輪作是一種合理利用土壤中的養分，提高土壤肥力的種植方式。各種作物的根系發育狀況不同，特別是大豆，是重要肥田的作物，其有共生固氮的特性，將豆科與禾本科作物輪作，就能使土壤中全層養分得到合理利用。留在土壤中的根殘物被土壤微生物分解后，形成腐殖質，可以均衡地增加土壤養分，全面提高土壤肥力。大豆田土壤酶活性的研究有助于揭示輪作制度下土壤生物學活性變化特征及其與土壤肥力變化關系，豐富黑土肥力變化生物學過程的認識，評價不同輪作制度及施肥方式對黑土酶活性的影響，為黑土區農田土壤生物學研究提供理論依據。

1材料與方法

1.1供試土壤本研究以農業部黑龍江耕地保育與農業環境科學觀測實驗站建立的長期施肥試驗(N45°50'30″，E126°51'05″)為研究基礎(始建于1979年)，該實驗站共有24個試驗處理，采取小麥－大豆－玉米的輪作方式。土壤類型為黑土。2011年種植作物為大豆，收獲后采集耕層土壤(0～20cm)，每個處理3次重復，新鮮土壤樣品去除根系等后分為2份，1份過2mm篩放置于封口袋在4℃冰箱中保存，1份風干待用。

1.2試驗設計試驗選擇4個施肥處理，分別為:不施肥處理(CK)、有機肥處理(M)、無機肥料單施(NPK)、有機－無機肥料配合處理(M+NPK)。其中種植大豆施肥量為N75kg•hm－2，P2O5150kg•hm－2，K2O75kg•hm－2，有機肥為純馬糞，每輪作周期施一次，施于玉米茬，按N75kg•hm－2(約馬糞18t•hm－2)。

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤酶活性分別采用對硝基苯葡糖苷法、尿素殘留量法和對硝基苯磷酸鹽法對土壤β－糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性進行測定［11-13］。

1.3.2土壤養分土壤有機質、全氮采用德國Ele-menter元素分析儀測定;全磷、速效磷分別用酸溶－鉬銻抗比色法和Olsen法測定;pH采用PSH-3C型pH計測定［14］。

1.4數據處理采用Office2007的相關軟件作圖，SPSS14.0進行數據分析。

2結果與分析

2.1土壤β－葡糖苷酶活性變化β－葡糖苷酶是國內外研究較多的一種與土壤碳循環密切相關的酶，廣泛存在于土壤中，參與土壤中碳水化合物的水解;它被認為是纖維素降解中最重要的一種酶，其活性可以反映土壤不同管理措施的影響。本研究中黑土長期不同施肥處理土壤β－葡糖苷酶活性測定結果見圖1。有機肥配施化肥后促進了作物的生長和微生物的繁殖，微生物向土壤分泌釋放更多酶，土壤酶活性得以增強［7］。

2.2土壤脲酶活性變化脲酶是分類名稱為尿素氨基水解酶類的通稱，是一種將酰胺態有機氮化物水解轉化為植物可以直接吸收利用的無機態氮化物的酶，是酶促尿素水解的專性酶類［15-16］，它的活性在某些方面可以反映土壤的供氮能力與水平，與土壤中氮循環體系有著密切聯系。圖2為黑土長期不同施肥處理土壤脲酶活性結果。結果表明:施肥處理有助于增加黑土脲酶活性，不同施肥處理土壤脲酶活性在71.7～164.5mg•kg－1•(5h)－1之間，施肥處理脲酶活性平均值為157.2mg•kg－1•(5h)－1。不同施肥處理條件下土壤脲酶活性高低表現為MNPK＞NPK＞M＞CK，施肥處理土壤脲酶活性顯著高于不施肥處理(P＜0.05);與不施肥處理相比，單施化肥處理、單施有機肥處理以及有機肥配施化肥處理脲酶活性分別增加了86.4，77.2以及92.7mg•kg－1•(5h)－1。施肥處理能夠促進作物的生長和微生物的繁殖，微生物向土壤分泌釋放更多酶，使得土壤酶活性增強［7］。

2.3土壤磷酸單酯酶活性變化土壤磷酸酶是催化含磷有機酯和酐水解的一類酶的總稱。通常土壤磷酸酶指磷酸酯酶類，主要為磷酸單酯酶(酸性、中性、堿性)、磷酸二酯酶、磷酸三酯酶［17］。土壤中的有機磷化合物是在土壤磷酸酶作用下參與磷素循環的［18-19］。通常農用地上，酸性土壤中磷酸酶活性以酸性磷酸酶為主，堿性土壤中則以堿性磷酸酶為主。黑土長期施肥各個處理土壤酸性磷酸酶活性測定結果見圖3。結果表明:施肥能夠顯著增強黑土酸性磷酸酶活性(P＜0.05)。不同施肥處理土壤酸性磷酸酶活性在127.9～394.8mg•kg－1•h－1之間，施肥處理酸性磷酸酶活性平均值為312.0mg•kg－1•h－1。土壤酸性磷酸酶活性高低表現為MNPK＞NPK＞M＞CK，施肥處理土壤酸性磷酸酶活性顯著高于不施肥處理(P＜0.05)，有機肥配施化肥處理土壤酸性磷酸酶活性最高，顯著高于其它各個處理(P＜0.05)。與不施肥處理相比，單施化肥處理、單施有機肥處理以及有機肥配施化肥處理酸性磷酸酶活性分別增加了147.1，138.3以及266.9mg•kg－1•h－1。

2.4黑土酶活性與土壤肥力的關系土壤酶活性是土壤生物活性的總體現，反映了土壤的綜合肥力特征及土壤養分轉化進程，可以作為衡量土壤肥力水平高低的指標。土壤中可供植物利用的營養元素的多少與土壤酶活性的高低直接相關;在良好的有機養分狀況下，土壤酶活性較高，其對土壤中營養元素的礦質化作用強度越大，越有利于系統內的營養物質循環。土壤肥力水平在很大程度上受制于土壤酶的影響，與土壤酶活性之間存在著非常密切的相關關系。表1為黑土幾種酶活性與土壤主要養分含量之間的相關系數。由表1可得，黑土β－葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶活性與土壤總有機碳、全氮、全磷、有效磷含量之間均具有極顯著的正相關關系(P＜0.01)，與pH間呈極顯著的負相關關系(P＜0.01)。

3討論

土壤酶是表征土壤中物質、能量代謝程度和土壤質量水平的一個重要生物學指標［20］。在目前發現的土壤酶中，一些水解酶對土壤有機質的形成和養分循環具有重要作用，土壤酶活性對環境的變化反應靈敏已被證實。長期不同施肥措施對土壤酶活性影響較大。有機肥配施化肥處理土壤酶活性增強顯著，主要源于有機肥向土壤中帶入大量的微生物和酶，刺激了微生物活性和增殖，使新產生的土壤酶活性增強。以往研究表明，在土壤C、N、P養分循環起重要作用的葡糖苷酶、脲酶、磷酸酶以及其它酶活性均與土壤有機碳含量、全氮含量等養分具有顯著相關關系［21-23］。另外，由于pH能夠影響酶的解離形式、酶的構象、酶活性中心的形成以及土壤中許多營養元素尤其是重金屬的形態，進而影響植物、微生物及動物的生命活動，通常，酶活性與土壤pH之間的關系密切［24-25］。關于土壤酶活性作為土壤肥力指標的研究已有很多，如周禮愷等［26］用聚類分析的方法證明了土壤酶活性的總體在評價土壤肥力水平中的重要作用。

土壤酶活性與土壤養分含量之間存在顯著或極顯著的相關關系，表明可以用酶活性來指示土壤中養分含量變化，其與土壤肥力關系密切。土壤酶活性在參與土壤養分循環、保持和提高土壤肥力方面具有重要的作用。本研究中有機肥無機肥配合處理土壤β－葡糖苷酶活性增高的原因是土壤經高有機質含量的有機物料處理后，有機質與游離的酶形成復合體的可能性更高，酶更容易在土壤中積累，活性由于酶量的增加而增強。土壤脲酶廣泛存在于微生物、植物和動物體內，通常與微生物數量、土壤有機質、全氮和速效氮等因素有關。

已有研究表明長期有機肥配施無機肥處理能夠顯著提供土壤脲酶活性［7，15］;在施用有機肥的基礎上配合施用化肥，脲酶活性增加可能的原因是:(1)脲酶反應底物即尿素的濃度升高;(2)有機肥的使用使土壤有機質增加，更多地保護土壤酶活性使之免遭變性或降解，因而脲酶活性也隨之增加［16］。施用有機肥后磷酸單酯酶活性與對照相比顯著增加，主要是由于有機肥(或配施化肥)施用后促進了作物的生長和微生物的繁殖，微生物向土壤分泌釋放更多酶，土壤酶活性得以增強［7］，同時與有機肥本身具有較高的磷酸酶活性有關。有相關研究表明，無論是微生物合成和釋放磷酸單酯酶的速率，或者磷酸單酯酶本身的穩定性都與土壤pH有關，pH很小的差異，都會影響土壤磷酸單酯酶的活性和土壤有機磷的礦化［12］。本研究中長期不同施肥處理土壤生物學活性變化顯著，表明土壤生物學活性可以用于指示不同施肥措施的作用效果，是表征土壤肥力變化的敏感指標。目前針對土壤生物學活性的研究較多，然而關于土壤酶活性的變化以及酶促反應動力學方面的研究有待進一步加強，應該主要針對長期不同施肥措施，不同耕作措施以及應對氣候變化條件下的酶促反應過程進行研究。

作者：馬星竹 周寶庫 郝小雨 單位：黑龍江省農業科學院 土壤肥料與環境資源研究所