微生物菌劑酶制劑化肥不同配比對秸稈還田后土壤酶活性的影響*

解媛媛,谷 潔,高 華,張社奇,夏 雪,劉 磊,郭星亮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院,陜西 楊陵 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊陵 712100)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展和農(nóng)村能源問題的解決,秸稈不再作為燃料,在收割季節(jié)秸稈被露天焚燒的現(xiàn)象日益突出,不僅污染環(huán)境,危害人們的身體健康,而且煙霧彌漫,影響交通安全。秸稈還田是秸稈利用的一種重要方式,可以增加土壤有機質(zhì)含量,為土壤微生物提供養(yǎng)分。

土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤動物、植物根系和植物殘體,它是土壤有機體的代謝動力,在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用[1]。由于土壤酶活性與土壤的理化性質(zhì)、土壤類型等密切相關(guān),并參與了土壤體系中一切生物化學(xué)反應(yīng)過程,因此土壤酶學(xué)特征可以作為一種潛在的指標體系指示有關(guān)土壤質(zhì)量及其相關(guān)指標[2]。近年來,我國在化肥對土壤酶活性的影響、土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性的關(guān)系等方面進行了一系列的研究[3-5],但利用微生物菌劑、酶制劑、化肥不同配比并結(jié)合作物生育期對秸稈還田后土壤酶活性影響的研究較少。

研究不同施肥條件下土壤酶活性的變化可以從本質(zhì)上揭示秸稈腐解、土壤性質(zhì)變化的生物過程。采用田間試驗方法在陜西眉縣小麥-玉米一年二熟制度下,以秸稈與微生物菌劑、酶制劑、化肥不同配比為試驗處理,不同土壤酶活性為測定指標,以期為合理利用秸稈資源以及培肥地力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 試驗區(qū)概況 試驗于2008年在陜西省眉縣橫渠農(nóng)場實驗站進行。試驗所在地屬于大陸性季風(fēng)半濕潤溫暖氣候帶,2008年年平均降水量為609.5 mm,主要集中于 7-9月。該地年平均氣溫為12.9℃,年平均日照為2 015.2 h,光照熱量充足,種植制度為夏玉米/冬小麥。

1.1.2 試驗材料 試驗用玉米品種為中單2號,于2008年6月18日播種,2008年10月5日收獲。供試土壤為土,試驗前耕層土壤(0-20 cm)主要理化性狀為:有機質(zhì)含量14.06 g/kg、有機碳8.16 g/kg、全氮 0.63 g/kg、全磷0.34 g/kg、全鉀16.53 g/kg、速效氮25.91 mg/kg、速效磷 12.84 mg/kg、速效鉀82.50 mg/kg、土壤pH為7.65。還田的秸稈為該農(nóng)田上季產(chǎn)生的小麥秸稈,其養(yǎng)分含量為:全氮3.21 g/kg、全磷0.45 g/kg、全鉀 22.3 g/kg。所用微生物菌劑為腐解菌劑,由課題組研制。酶制劑由陜西省酶工程研究所研制。

1.1.3 試驗方案 試驗共設(shè)6個處理,3次重復(fù),隨機排列,每個小區(qū)面積為9 m×30 m。秸稈和肥料均在播種前一次性施入。小麥秸稈切碎成3～5 cm小段后全量還田,播種前均勻散施于土壤表面,肥料按各處理量撒在地表,之后翻耕。條播機播種。試驗處理方案見表1。為了避免農(nóng)藥對土壤酶活性的影響,玉米生長期內(nèi)采用人工除草,未使用任何除草劑和殺蟲劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品的采集和預(yù)處理 試驗土樣采集時間從2008年6月到2008年10月,采用隨機采樣法,每個小區(qū)隨機取6點0-20 cm耕層土壤,剔除石礫和植物殘根等雜物,混合制樣,過2 mm篩后撿去可見有機物,一部分放入4℃冰箱內(nèi)保存,并立即對其進行土壤酶活性的測定。其余土樣風(fēng)干后分別過2 mm、1 mm和0.25 mm篩,用于測定土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷等理化性質(zhì)。

表1 試驗處理方案 kg/hm2

1.2.2 測試項目與方法 土壤蔗糖酶用3,5二硝基水揚酸比色法測定[6],即在樣品中加入8%的蔗糖溶液后于37℃培養(yǎng)24 h,蔗糖在酶促作用下水解為葡萄糖,測定葡萄糖生成量以表征蔗糖酶的活性,活性單位用mg glucose/(g?24 h)表示。土壤脲酶用靛酚比色法測定[6],即在樣品中加入10%的尿素溶液后于37℃培24 h,使尿素在脲酶的作用下水解為氨,測定氨量以表示其活性,單位用mg NH3-N/(g?24 h)表示。土壤堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定[6],即在樣品中加入0.5%磷酸苯二鈉溶液和適當(dāng)?shù)木彌_液,搖勻后于37℃培養(yǎng)24 h,磷酸苯二鈉在磷酸酶作用下水解為酚,利用2,6-二溴苯醌綠酰亞胺比色法測定酚的生成量以表征堿性磷酸酶活性,活性單位用mg phenol/(g?24 h)表示。土壤多酚氧化酶活性用沒食子素比色法測定[6],即在樣品中加入鄰苯三酚后,于30℃培養(yǎng)2 h,使鄰苯三酚在多酚氧化酶作用下氧化成紫色沒食子素,測定沒食子素含量以表征多酚氧化酶活性,單位為mg gallicin/(g?2 h)。

土壤基本化學(xué)性狀采用常規(guī)分析法測定[7]。其中,土壤pH值用pH計測定;有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定;全氮用半微量凱氏法;全磷用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法;全鉀用火焰光度計法;速效氮、速效磷分別采用堿解擴散法和Olsen法測定[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel(V2003)及SPSS(V12.0)進行數(shù)據(jù)處理,并利用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果和討論

2.1 土壤酶活性的變化

土壤中進行的生物化學(xué)反應(yīng)屬于酶促反應(yīng),它是在土壤微環(huán)境中發(fā)生的[8],環(huán)境中的因子可以影響土壤酶活性的大小。Zantua[9]等人研究表明,在一定范圍內(nèi),底物濃度增加,酶促反應(yīng)增強。秸稈還田使土壤中的有機物質(zhì)含量增加,作為酶促反應(yīng)底物的有機質(zhì)量的增加會影響土壤酶活性的大小。

2.1.1 土壤蔗糖酶活性的變化 蔗糖酶是廣泛存在于土壤中的一種重要的酶,它對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要作用[9]。土壤中的蔗糖酶活性可以反映土壤中碳元素的轉(zhuǎn)化,是表征土壤生物活性的一種重要的水解酶。它可以將土壤中的蔗糖分解為有利于微生物吸收利用的單糖。Hoffman等人曾提出用蔗糖酶活性作為評價土壤肥力的指標[10]。土壤蔗糖酶活性的動態(tài)變化情況從表2可以看出,整個玉米生育期內(nèi),不同處理蔗糖酶活性變化趨勢不同。秸稈還田(CK)處理的蔗糖酶活性最大值34.15 mg出現(xiàn)在成熟期,秸稈還田+常規(guī)施肥(SF)、秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥(SFN)及秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理蔗糖酶活性最大值出現(xiàn)在灌漿期,秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑(SFN+E)處理蔗糖酶活性最大值出現(xiàn)在抽雄期,秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+腐解菌劑(SFN+D)處理蔗糖酶活性最大值出現(xiàn)在拔節(jié)期,除了秸稈還田(CK)及秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理外,其余處理在各生育期其蔗糖酶活性均高于播種前。

除成熟期外,其余各施肥處理的蔗糖酶活性均高于CK處理,高約11.55%～472.13%,其中尤以灌漿期的SFN+E+D處理對蔗糖酶活性增加效果最顯著,值為58.30 mg為CK處理拔節(jié)期10.19 mg的4.7倍,原因是灌漿期酶制劑和腐解菌劑使得秸稈腐解,為蔗糖酶提供了酶促底物。秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+腐解菌劑(SFN+D)及秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑(SFN+E)處理對于蔗糖酶活性也有著很好的提高作用,這些處理的蔗糖酶活性顯著高于其他的處理1.05%～358.78%,表明施用酶制劑和腐解菌劑有助于增強土壤蔗糖酶活性。

表2 不同施肥處理蔗糖酶活性的動態(tài)變化mg glucose/(g?24 h)

在玉米生育期內(nèi),各施肥處理的蔗糖酶活性在抽雄期及灌漿期升高,成熟期降低,這是因為抽雄期及灌漿期玉米生長活動旺盛,玉米植株根系分泌土壤中的酶量增加,使得蔗糖酶活性上升[11]。隨著玉米的成熟,根系活動減弱,蔗糖酶酶活性也有所下降。各生育期蔗糖酶活性大小順序為SFN+E+D＞SFN+D＞SFN+E＞SFN＞SF＞CK處理,表明土壤養(yǎng)分水平越高,土壤蔗糖酶活性越高。

2.1.2 土壤脲酶活性的變化 脲酶在土壤酶系研究中是比較深入的,其酶促反應(yīng)產(chǎn)物氨是植物氮源之一,其活性反映土壤有機態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無機氮的供應(yīng)能力[12]。還有研究表明,脲酶活性隨底物濃度的增高而增強[13]。

表3 不同施肥處理脲酶活性的動態(tài)變化mg NH3-N/(g?24 h)

從表3可以看出,整個玉米生育期各處理脲酶活性呈現(xiàn)極強的規(guī)律性,即自抽雄期后脲酶活性逐漸升高,至灌漿期后脲酶活性持續(xù)上升,成熟期呈現(xiàn)最大值,這與孫瑞蓮等[5]研究結(jié)果相一致。各處理成熟期土壤脲酶活性均顯著高于播種前,約提高168.75%～308.69%,尤其是秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理其脲酶活性為4.85 mg是秸稈還田(CK)處理播種前1.22 mg的3倍,是秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥(SFN)處理播種前的3.2倍。

玉米各生育期中以處理SF播種前的脲酶活性最低,值為1.13 mg。各施肥處理均能明顯提高土壤脲酶活性,其中以秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑(SFN+E)處理效果尤為顯著,其次為秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理。這是由于酶制劑本身不僅帶有豐富的微生物和酶,而且化肥中的無機氮調(diào)節(jié)了土壤中的碳氮比,為微生物的活動和酶活性的提高創(chuàng)造了良好的條件,同時合理增施N也可增強脲酶活性,這與前人的研究結(jié)果相一致[14-15]。

整體上,玉米各生育期中以CK處理的脲酶活性最低,這是因為CK處理單是秸稈,造成土壤C/N比升高,有效氮下降,以至于脲酶活性降低,說明單施秸稈處理不利于秸稈腐解。基本上各生育期脲酶活性大小順序為SFN+E+D、SFN+D、SFN+E、SFN＞SF、CK處理。

2.1.3 土壤堿性磷酸酶活性的變化 磷酸酶參與土壤磷素循環(huán),加速有機磷的水解,使固定的磷得到釋放,提高土壤有效磷的含量。通常按磷酸酶的最適土壤酸堿度將其分為酸性磷酸酶(pH 4-5)、中性磷酸酶(pH 6-7)和堿性磷酸酶(pH 8-10)。由于供試土壤為中性偏堿(pH=7.65),故選擇堿性磷酸酶作為本試驗土壤磷循環(huán)的主要指標[16]。

表4 不同施肥處理堿性磷酸酶活性的動態(tài)變化mg phenol/(g?24h)

從表4可以看出,堿性磷酸酶性質(zhì)穩(wěn)定,整個玉米生育期內(nèi)各處理堿性磷酸酶活性變化幅度較小,且變化趨勢基本相同。整個玉米生育期內(nèi)各處理堿性磷酸酶活性變化趨勢均是在拔節(jié)期出現(xiàn)一個活性高峰,隨后抽雄期有所下降,繼而灌漿期出現(xiàn)第二個活性高峰,成熟期又明顯下降。玉米各生育期中以CK處理的堿性磷酸酶活性最低,各施肥處理均能明顯提高土壤堿性磷酸酶活性,提高了4.78%～153.29%,尤其是秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理灌漿期其堿性磷酸酶活性為3.85 mg是秸稈還田(CK)處理播種前1.52 mg的1.5倍。這是由于秸稈經(jīng)堆腐后,各種物質(zhì)被分解成小分子化合物及腐殖質(zhì)和生長素類物質(zhì)等,極大地促進了微生物的生長,增加了分泌到土壤中的酶含量,同時微生物菌劑以及酶制劑的加入也改善了土壤的理化性質(zhì),最終表現(xiàn)為土壤堿性磷酸酶活性的明顯升高。

秸稈還田(CK)、秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥(SFN)、秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑(SFN+E)及秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+腐解菌劑(SFN+D)處理的堿性磷酸酶活性最大值均出現(xiàn)在拔節(jié)期,秸稈還田+常規(guī)施肥(SF)及秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理的堿性磷酸酶活性最大值出現(xiàn)在灌漿期,這是因為秸稈還田提供了大量底物以及玉米的根系活動的增強,土壤微生物活性逐漸增強,在拔節(jié)期酶活性升高。隨后抽雄期迅速下降可能與堿性磷酸酶活性與土壤微生物量磷的再礦化、秸稈中含磷有機物的分解有關(guān)[17]。灌漿期玉米根系活動的增強以及小麥秸稈的腐解,各個處理的酶活性又迅速上升,隨著玉米的成熟,根系活動減弱,堿性磷酸酶活性在成熟期也有所下降。

基本上各生育期堿性磷酸酶活性大小順序為SFN+E+D＞SFN+D＞SFN+E、SFN 、SF＞CK處理,這表明了微生物菌劑、酶制劑與化肥配施可明顯的提高土壤堿性磷酸酶的活性,同時在有機物質(zhì)分解過程中產(chǎn)生分子量不同的有機酸,具有改善土壤磷素營養(yǎng)狀況功能。

2.1.4 土壤多酚氧化酶活性的變化 多酚氧化酶能使土壤中酚類物質(zhì)氧化生成醌,促進土壤腐殖質(zhì)的合成,可見土壤多酚氧化酶可促進土壤有機碳的累積,改善土壤結(jié)構(gòu)狀況和其它物理性狀[18]。

表5 不同施肥處理多酚氧化酶活性的動態(tài)變化mg gallicin/(g?2h)

從表5可以看出,整個玉米生育期內(nèi)各處理多酚氧化酶變化幅度較大,但變化趨勢基本相同。整個玉米生育期內(nèi)各處理多酚氧化酶活性變化趨勢均是自拔節(jié)期出現(xiàn)一個活性高峰,隨后抽雄期有所下降,至灌漿期各處理多酚氧化酶活性有所升高,成熟期呈現(xiàn)最大值。這是因為玉米根系歸還土壤的有機物質(zhì)增加,為土壤微生物添加了新的碳源,最終引起土壤多酚氧化酶的增強,這表明了微生物菌劑、酶制劑與化肥配施可以不同程度地提高土壤多酚氧化酶活性。

在整個玉米生育期內(nèi),成熟期的秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理多酚氧化酶活性達到最大值1.46 mg,是播種前秸稈還田(CK)處理0.16 mg的8.1倍,是播種前秸稈還田+常規(guī)施肥(SF)處理0.18 mg的7.1倍,是播種前秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥(SFN)處理0.36 mg的3倍。在玉米抽雄期,施加微生物菌劑、酶制劑的處理(SFN+E、SFN+D、SFN+E+D)比其他處理的多酚氧化酶活性提高了31.43%～62.5%。這是因為微生物菌劑與酶制劑的施加加速了秸稈的腐解并且提供了反應(yīng)底物,極大地促進了微生物的生長,因此這些處理的多酚氧化酶活性顯著高于其他處理。

成熟期的SFN+E、SFN+D＜SFN處理,這可能因為碳氮比例不夠協(xié)調(diào)和有機物質(zhì)的分解,影響了土壤空氣的氧分壓和氧化還原電位,從而造成了土壤多酚氧化酶活性的差異?；旧细魃诙喾友趸富钚源笮№樞驗镾FN+E+D、SFN+D、SFN+E＞SFN＞CK＞SF處理。

2.2 土壤酶與土壤主要養(yǎng)分因子的相關(guān)性分析

土壤酶是一個非常復(fù)雜的體系,不僅與土壤環(huán)境的各種因子有著密不可分的關(guān)系,不同種類的酶系之間也存在著復(fù)雜的關(guān)系。

從表6可看出,脲酶和堿性磷酸酶之間以及蔗糖酶和堿性磷酸酶之間存在極顯著正相關(guān),而多酚氧化酶與其它所有酶類都達不到顯著相關(guān),這與邱莉萍[19]、耿玉清[20]等人的研究是相同的。土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶在進行酶促反應(yīng)時,不僅具有自身的專一特性,同時三者之間存在著一些共性。而這些有共性關(guān)系的土壤酶類,其總體活性在某種程度上反映著土壤肥力水平的高低[21]。由此可得出,脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的總體活性可以用來衡量土壤的肥力水平。

表6 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性

Hopkins研究[22]表明,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非常密切的相關(guān)關(guān)系。為此,對土壤酶與土壤主要養(yǎng)分因子之間作了相關(guān)分析。分析結(jié)果表明(表6),有機質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷與脲酶、堿性磷酸酶活性呈顯著或極顯著相關(guān),蔗糖酶與速效鉀呈顯著負相關(guān),而多酚氧化酶與這些養(yǎng)分因子相關(guān)性均不顯著。這一結(jié)果進一步確定了可以用土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性來作為評價土壤肥力的指標。

3 結(jié)論

(1)微生物菌劑、酶制劑與化肥配施可以明顯的提高土壤中蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和多酚氧化酶的活性,其中秸稈還田+常規(guī)施肥+增施氮肥+酶制劑+腐解菌劑(SFN+E+D)處理效果尤為顯著,針對塿土而言,這種施肥方式可以為作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造良好的土壤生物化學(xué)環(huán)境。

(2)在玉米整個生育期內(nèi),土壤酶活性隨著玉米生長的動態(tài)變化存在差異。土壤蔗糖酶活性在抽雄期及灌漿期升高,成熟期降低;土壤脲酶活性呈現(xiàn)極強的規(guī)律性,即自抽雄期后脲酶活性逐漸升高,至灌漿期后脲酶活性持續(xù)上升,成熟期呈現(xiàn)最大值;土壤堿性磷酸酶在玉米拔節(jié)期及灌漿期出現(xiàn)兩個活性高峰;而土壤多酚氧化酶是自拔節(jié)期出現(xiàn)一個活性高峰,隨后抽雄期有所下降,但灌漿期后活性有所升高,成熟期呈現(xiàn)最大值。

(3)土壤酶活性之間呈現(xiàn)規(guī)律性變化:土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶的峰值均出現(xiàn)在玉米灌漿期;而土壤脲酶和多酚氧化酶的峰值均出現(xiàn)在玉米成熟期;大多情況下,土壤酶活性高于播種前。這表明了作物的生長發(fā)育與土壤酶活性關(guān)系密切。

(4)土壤酶與土壤養(yǎng)分因子之間具有明顯相關(guān)性,土壤酶活性的高低可以反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強弱,揭示出了土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性可以用來作為評價土壤肥力水平的綜合指標。

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