黑土酶活性對不同施肥條件的響應(yīng)

張志丹，李春麗，王鴻斌，趙蘭坡，楊學(xué)明

(1吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林省生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理省部共建國家重點實驗室培育基地，吉林長春130118;2加拿大農(nóng)業(yè)部溫室及加工作物研究中心，安大略哈羅N0R 1G0)

土壤酶作為土壤的重要組成部分，主要來自于 土壤微生物代謝過程，在維持土壤正常生態(tài)功能方面發(fā)揮著十分重要的作用.土壤中一切生化反應(yīng)都是在土壤酶的參與下完成的，土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反應(yīng)強度，對土壤肥力的演化具有重要影響，土壤微生態(tài)環(huán)境中土壤酶和微生物的活性常被作為土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)來研究.其中土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、脲酶之間關(guān)系及總體活性對評價土壤肥力水平有重要意義，土壤轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶、脲酶等水解酶活性能夠表征土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分的循環(huán)狀況［1-4］.為進一步揭示黑土酶活性對于不同施肥條件的響應(yīng)規(guī)律，本文利用黑龍江海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站黑土對酶活性變化情況進行分析，研究更為有效地反映土壤質(zhì)量與肥力水平的土壤酶指標(biāo)，為探索適合東北黑土特點的合理施肥提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站，位于黑龍江省海倫市(47°26'N，126°38'E)，平均海拔234 m，試驗地土壤為典型的中厚層黑土.該站屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，全年降水量500～600 mm，80%以上集中在5—9月.年均氣溫1.5℃，無霜期120～130 d，≥10℃的有效積溫為2 400～2 500℃，全年日照時數(shù)2 600～2 800 h，自然植被為草原化草甸雜草.

1.2 土壤樣品采集及處理

試驗小區(qū)面積5.0 m×4.2 m，隨機排列.供試作物為小麥、大豆、玉米，2004年5月初播種，2004年5月30日采集土壤樣品.每年收獲后的秸稈等剩余物用于專門喂豬，循環(huán)利用率可視為80%，于春播前撒施地表.氮肥(N)品種為尿素;磷肥(P)品種為三料磷肥;鉀肥(K)品種為硫酸鉀;M為循環(huán)利用的有機肥料，是過圏還田的豬糞肥(含 N 22.1 g/kg、P2O52.6 g/kg、K2O 2.4 g/kg).共設(shè)8個施肥處理(對照、M、N、N+M、NP、NP+M、NPK、NPK+M)，施肥量(kg/hm2)為N(小麥120.0、玉米150.0、大豆32.3)，P2O5(小麥24.00、玉米32.75、大豆36.00)，有機肥(小麥15 000、玉米15 000、大豆30 000).對照(CK)為不施肥處理.每種作物的各種施肥處理均設(shè)3個重復(fù)小區(qū)(3次重復(fù)取平均值按1個土樣號計)，每個小區(qū)采樣1次，采樣深度0～20 cm，共72個供試土樣.同時又選取了荒地、荒地連年鋤、小麥連作、大豆連作、玉米連作5個有代表性的土樣進行研究.供試土樣均為耕層土壤，采樣深度為20 cm左右.樣品經(jīng)風(fēng)干后，供室內(nèi)分析使用，土壤的基本理化指標(biāo)見表1.

表1 海倫試驗站黑土基本理化性質(zhì)Tab.1 Black soil basal physical and chemical characters in Hailun experimental station

1.3 分析項目及方法

過氧化氫酶分析采用文獻［5］方法，酶活性以1 g土壤消耗0.1 mol·L-1KMnO4的體積(mL)表示;脲酶分析參考文獻［6］，酶活性以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中NH3-N的質(zhì)量(mg)表示;轉(zhuǎn)化酶分析參考文獻［6］，酶活性以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中Na2S2O3的質(zhì)量(mg)表示;蛋白酶分析參考文獻［5］，酶活性以30℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中NH2-N的質(zhì)量(mg)表示;磷酸酶分析采用趙蘭坡等［7］改進法，酶活性以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中酚的質(zhì)量(mg)表示.土壤采用常規(guī)分析方法測定［8］，其中土壤pH測定采用電位法，陽離子交換量測定采用乙酸銨法，土壤有機質(zhì)測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，土壤全氮的測定采用開氏消煮法，土壤全磷的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法，水解氮測定采用堿解擴散法，速效磷測定采用Olsen法，速效鉀測定采用乙酸銨提取法.采用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，SAS 9.1軟件進行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下的酶活性變化

2.1.1 過氧化氫酶 從表2可看出，不同作物種類及施肥處理下過氧化氫酶活性不同，種植小麥條件下酶活性為CK＞N+M＞NPK＞NP+M＞NPK+M＞M＞N＞NP，種植大豆為N+M=NP+M＞NPK＞NP＞M＞N=NPK+M＞CK，玉米則為CK＞N+M＞NP＞NPK+M＞NPK＞N＞NP+M＞M.方差分析的結(jié)果顯示，施肥處理對于過氧化氫酶的活性有顯著性影響(F=2.37＞F0.05=2.21)，而作物品種對過氧化氫酶的活性有顯著影響(F=15.57＞F0.05=3.19).LSD多重檢驗的結(jié)果顯示，對于種植小麥和玉米的土壤而言，CK的過氧化氫酶活性最高，而小麥的CK與NP之間，玉米的CK與M之間過氧化氫酶活性均存在顯著性差異.

對大豆而言，各施肥處理間差異不顯著(表2)，這與孫瑞蓮等［9］認(rèn)為過氧化氫酶活性在施肥處理間差異較小相似.也與文獻［10］報道的過氧化氫酶不能表征肥料對于土壤肥力的影響，可能是由于過氧化氫酶的輔基遭到了肥料中陰離子的封阻有關(guān).但與文獻［12-13］報道施用無機肥顯著可以提高土壤過氧化氫酶活性不同.這可能是所研究的土壤類型、施肥模式、栽培的作物種類及肥料用量不同的緣故.

表2 不同作物種類及施肥處理下過氧化氫酶的活性變化Tab.2 The soil catalase activities for different kinds of crop and fertilizer treatment

2.1.2 轉(zhuǎn)化酶 從表3可看出，不同作物種類及施肥處理下土壤轉(zhuǎn)化酶活性的大小不同，小麥為NPK＞NP＞N+M＞NPK+M＞M＞NP+M＞CK＞N，大豆為NP+M＞NPK+M＞N＞NP＞NPK＞M＞CK＞N+M，玉米為N+M＞NP+M＞NPK+M＞CK＞NPK＞M＞NP＞N.方差分析的結(jié)果顯示，施肥處理(F=55.71＞F0.05=2.21)與作物品種(F=18.77＞F0.05=3.19)對轉(zhuǎn)化酶的活性均有顯著影響.LSD多重檢驗的結(jié)果顯示，3種作物CK與M間的轉(zhuǎn)化酶活性均無顯著差異，對于小麥和大豆而言，NPK+M的轉(zhuǎn)化酶活性又顯著高于CK.對小麥和玉米而言，表現(xiàn)為施P處理土壤的轉(zhuǎn)化酶活性高于缺P處理(NPK＞NP＞N)，說明缺N、P的施肥處理不利于增強土壤轉(zhuǎn)化酶活性，其中又以缺P最為嚴(yán)重.外源養(yǎng)分，如有機肥的施入大大增加了土壤有機碳含量，這為轉(zhuǎn)化酶提供了更多的酶促基質(zhì)，最大程度地提高了轉(zhuǎn)化酶活性，加快了有機質(zhì)的分解［13］.

表3 不同作物種類及施肥處理下轉(zhuǎn)化酶的活性變化Tab.3 The soil invertase activities for different kinds of crop and fertilizer treatment

2.1.3 蛋白酶 從表4可看出，不同作物種類及施肥處理下蛋白酶活性的大小不同，小麥為NP+M＞NPK+M＞N+M＞NP＞CK＞M＞NPK＞N，大豆為NP+M＞NPK＞NPK+M＞CK＞N＞N+M＞M＞NP，玉米為NP+M＞NPK+M＞NPK＞N+M＞N＞NP＞M＞CK.方差分析的結(jié)果顯示，施肥處理(F=90.0＞F0.05=2.21)與作物品種(F=232.4＞F0.05=3.19)對于蛋白酶的活性均有顯著影響.LSD多重檢驗的結(jié)果顯示，3種作物各施肥處理間的蛋白酶活性均有顯著性差異.在種植小麥的條件下，含P施肥的蛋白酶活性顯著高于缺P施肥(NP＞N)，張小磊等［14］研究也表明，P肥明顯增強了蛋白酶的活性，N肥和K肥則對其活性起到抑制作用.

表4 不同作物種類及施肥處理下蛋白酶的活性變化Tab.4 The soil protease activities for different kinds of crop and fertilizer treatment

2.1.4 酸性磷酸酶 從表5可看出，不同作物種類及施肥處理下酸性磷酸酶活性的大小不同，小麥為NPK+M＞NP＞NPK＞N+M＞N＞NP+M＞M＞CK，大豆為M＞NPK+M＞N＞N+M＞NPK＞NP＞CK＞NP+M，玉米為N＞NPK＞N+M ＞M＞NPK+M＞NP＞NP+M＞CK.方差分析的結(jié)果顯示，施肥處理(F=1 531.2＞F0.05=2.21)與作物品種(F=505.2＞F0.05=3.19)對酸性磷酸酶的活性均有顯著影響.LSD多重檢驗的結(jié)果顯示，3種作物多數(shù)施肥處理間酸性磷酸酶活性具有顯著性差異(表5).

從大豆和小麥的各施肥處理的總體來看，NPK+M＞NPK＞未平衡施肥處理(N、NP)＞CK，表明NPK與豬廄肥配施可明顯提高磷酸酶活性，與NPK相比，豬廄肥對于提高磷酸酶活性的作用更為明顯，這與其他研究發(fā)現(xiàn)的施用有機肥有利于激活黑土磷酸酶活性的結(jié)論相同［15］.通常施有機肥可使土壤pH上升，因此施用有機肥后，堿性磷酸酶的活力增強［16］.NPK＞CK表明合理施用NPK可以提高磷酸酶的活性，磷酸酶活性的增大還是減小，不是固定的，而是根據(jù)土壤性質(zhì)、施用肥料的多少以及這些肥料的特性來決定的［17］.種植玉米時單獨施用N的酸性磷酸酶的活性反而最高，這與其他研究發(fā)現(xiàn)的玉米根系分泌的酸性磷酸酶活性并不隨P濃度的降低而提高的現(xiàn)象一致，這表明酸性磷酸酶可能不是玉米P高效的生理機制之一［18］.

表5 不同作物種類及施肥處理下酸性磷酸酶的活性變化Tab.5 The soil acid phosphatase activities for different kinds of crop and fertilizer treatment

2.1.5 脲酶 從表6可看出，不同作物種類及施肥處理下脲酶活性的大小不同，小麥為NPK+M=NPK＞NP+M=NP＞N+M＞N＞M＞CK，大豆為NPK+M＞N+M＞N＞NP＞NPK=M=NP+M ＞CK，玉米為NPK+M＞N+M＞NPK＞NP+M＞N＞M＞NP＞CK.方差分析的結(jié)果顯示，施肥處理對于脲酶的活性有顯著影響(F=8.19＞F0.05=2.21)，而作物品種對脲酶活性的影響則不顯著(F=0.66＜F0.05=3.19).LSD多重檢驗的結(jié)果顯示，種植玉米時各施肥處理間的脲酶活性差異性大于種植小麥與大豆的情況(表6).

3種作物CK脲酶活性均較低，隨施肥量增加土壤中脲酶活性均相應(yīng)地增加.長期施用NPK配施有機肥能明顯提高種植大豆的土壤脲酶活性，特別是增施富含新鮮養(yǎng)分的豬糞肥，這與邱莉萍等［19］的研究結(jié)果相一致.從配施比例來看，有機肥比例越大，種植小麥土壤脲酶活性越高，土壤脲酶活性的增長主要是由于土壤中有機肥的施加增加了土壤中有機質(zhì)的含量［17］.3種作物配施N后脲酶活性均高于M，表明合理施用N可增強脲酶活性(表6).有研究表明，在施用有機肥作基肥的基礎(chǔ)上，適量追施化學(xué)N肥可提高脲酶活性［20］.

表6 不同作物種類及施肥處理下脲酶的活性變化Tab.6 The soil urease activities for differents kind of crop and fertilizer treatment

2.2 不同作物連作下酶活性的變化分析

通過上述的研究與分析，已基本明確了在現(xiàn)行耕作、施肥條件下，黑土酶活性可作為評價肥力的可行性指標(biāo).為能更深入細(xì)致的探明酶活性對土壤肥力的響應(yīng)提供可靠的科學(xué)依據(jù)，從而更深層次的明確酶在黑土質(zhì)量退化中的反應(yīng)，從土壤生物化學(xué)的角度揭示黑土質(zhì)量退化的機制，為黑土新型保護性耕作制度及環(huán)保效益型施肥制度的建立提供理論依據(jù).

2.2.1 過氧化氫酶 從圖1可以看出，過氧化氫酶活性為荒地＞荒地連年鋤＞小麥連作＞大豆連作＞玉米連作，即3種作物對過氧化氫酶活性大小的影響為小麥＞大豆＞玉米.有研究表明，隨著退耕年限的增加過氧化氫酶活性逐漸增強［21］，說明土地耕作程度越高，過氧化氫酶的活性就越低.

圖1 不同作物連作下過氧化氫酶活性的變化Fig.1 The variation of soil catalase activities under different continuous croppings

2.2.2 轉(zhuǎn)化酶 從圖2的分析得知，轉(zhuǎn)化酶活性為荒地連年鋤＞荒地＞小麥連作＞大豆連作＞玉米連作，即3種作物對轉(zhuǎn)化酶活性大小的影響為小麥＞大豆＞玉米.王平等［22］研究也發(fā)現(xiàn)，播前土壤轉(zhuǎn)化酶活性最低，與耕種后差異明顯，表明在沒有植物根系干擾及土壤溫度較低等土壤微環(huán)境下，土壤轉(zhuǎn)化酶活性較低.分析其原因:一方面可能是因為累積在土壤中的轉(zhuǎn)化酶主要以完整的死細(xì)胞和非增殖的活細(xì)胞結(jié)合的形式存在，而不是從細(xì)胞釋出，然后以吸附的形式存在，受土壤有機無機復(fù)合膠體的影響不顯著;另一方面是因為轉(zhuǎn)化酶活性不僅與土壤有機C含量有關(guān)，而且與有機C存在狀態(tài)有關(guān).土壤有機質(zhì)保持土壤蔗糖酶活性免遭變性、免遭分解作用顯著［23］.

圖2 不同作物連作下轉(zhuǎn)化酶活性的變化Fig.2 The variation of soil invertase activities under different continuous croppings

2.2.3 蛋白酶 種植作物及施肥能不同程度地提高蛋白酶的活性，從圖3的分析得知，蛋白酶活性為荒地連年鋤＞荒地＞大豆連作＞玉米連作＞小麥連作，即3種作物對蛋白酶活性大小的影響為大豆＞玉米＞小麥.荒地連年鋤＞荒地說明蛋白酶對翻耕的作用敏感，是比過氧化氫酶更優(yōu)的反映土壤肥力水平的指標(biāo).小麥、大豆、玉米各施肥處理間的差異性顯著，各品種間差異性顯著，這說明不同的作物種類及施肥處理通過蛋白酶活性大小的變化能很好地表征土壤的肥力水平.

圖3 不同作物連作下蛋白酶活性的變化Fig.3 The variation of soil protease activities under different continuous croppings

2.2.4 酸性磷酸酶 種植作物及施肥對土壤磷酸酶活性均有不同程度提高，從圖4的分析得知，磷酸酶活性為荒地連年鋤＞荒地＞小麥連作＞大豆連作＞玉米連作，即3種作物對酸性磷酸酶活性大小的影響為小麥＞大豆＞玉米.同時，小麥、大豆、玉米各施肥處理間的差異性顯著，各品種間差異性顯著，這說明不同的作物種類及施肥處理通過酸性磷酸酶活性大小的變化能表征土壤的肥力水平.磷肥的大量施用和累積，造成了黑土區(qū)含磷量過高，從而導(dǎo)致了磷酸酶活性不能表征黑土區(qū)的土壤肥力水平，而以上的分析研究表明，在海倫試驗站合理的施肥條件下，酸性磷酸酶活性大小的變化能表征土壤的肥力水平，這一結(jié)論的得出，對于指導(dǎo)我們?yōu)楹谕羺^(qū)提出更合理的施肥制度能夠產(chǎn)生積極的作用.

圖4 不同作物連作下酸性磷酸酶活性的變化Fig.4 The variation of soil acid phosphatase activities under different continuous croppings

2.2.5 脲酶 從圖5的分析得知，脲酶活性為荒地連年鋤＞荒地＞玉米連作＞小麥連作＞大豆連作，即3種作物對脲酶活性大小的影響為玉米＞小麥＞大豆.荒地連年鋤＞荒地，說明脲酶對翻耕的作用敏感，且敏感度高于蛋白酶，故其是比過氧化氫酶、蛋白酶更優(yōu)的反映土壤肥力水平的指標(biāo).也有研究表明，小麥不同的生育期脲酶活性是先增加后逐漸減小的趨勢，原因是小麥根系從土壤中吸收大量的可溶性氮素及磷素，吸收氮的強度最大，脲酶活性增強［24］.

圖5 不同作物連作下脲酶活性的變化Fig.5 The variation of soil urease activities under different continuous croppings

小麥、大豆、玉米各施肥處理間的差異顯著，各品種間差異顯著，且為玉米＞小麥＞大豆，這說明不同的作物種類及施肥處理通過脲酶活性大小的變化能很好的表征土壤的肥力水平.

3 結(jié)論

田間試驗結(jié)果表明，有機無機肥料的不同施用方法及作物種類會對土壤酶活性產(chǎn)生顯著影響.施肥措施對于過氧化氫酶的活性影響不大;轉(zhuǎn)化酶活性不隨施肥品種及數(shù)量增加而明顯變化，含P施肥下轉(zhuǎn)化酶與蛋白酶活性顯著高于缺P施肥，P肥能夠明顯增強轉(zhuǎn)化酶與蛋白酶的活性;施用有機肥增加了土壤中有機質(zhì)的含量，可以顯著提高酸性磷酸酶和脲酶的活性.有機肥比例越大，酸性磷酸酶和脲酶的活性越高.脲酶活性在各施肥處理間、各作物種類間有顯著差異，這說明不同的作物種類及施肥處理通過脲酶活性大小的變化能很好地表征土壤的肥力水平.

通過研究酶活性變化對不同作物長期連作響應(yīng)的結(jié)果得知，轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、酸性磷酸酶與脲酶的活性均表現(xiàn)為荒地連年鋤＞荒地，表明其對翻耕作用的反應(yīng)更加敏感，反映土壤肥力的能力優(yōu)于過氧化氫酶.

［1］蘇立濤，沈向，郝云紅，等.有機物料對連作平邑甜茶幼苗生長及微生態(tài)環(huán)境的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26(20):187-192.

［2］徐華勤，章家恩，馮麗芳，等.廣東省典型土壤類型和土地利用方式對土壤酶活性的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16(6):1464-1471.

［3］隋躍宇，焦曉光，劉曉冰，等.長期施肥對農(nóng)田黑土酶活性及作物產(chǎn)量的影響［J］.土壤通報，2010，41(3):608-610.

［4］劉恩科，趙秉強，李秀英，等.長期施肥對土壤微生物量及土壤酶活性的影響［J］.植物生態(tài)學(xué)報，2008，32(1):176-182.

［5］哈茲耶夫.土壤酶活性［M］.鄭洪元，等譯.北京:科學(xué)出版社，1980:86-87.

［6］嚴(yán)昶生.土壤肥力研究方法［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1988:274-276.

［7］趙蘭坡，姜巖.土壤磷酸酶活性測定方法的探討［J］.土壤通報，1986，17(3):138-141.

［8］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000:30-169.

［9］孫瑞蓮，趙秉強，朱魯生，等.長期定位施肥對土壤酶活性的影響及其調(diào)控土壤肥力的作用［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2003，9(4):406-410.

［10］周禮凱.土壤酶學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1982:164-165.

［11］王光華，齊曉寧，金劍，等.施肥對黑土農(nóng)田土壤全碳、微生物量碳及土壤酶活性的影響［J］.土壤通報，2007，38(4):661-666.

［12］焦曉光，隋躍宇，魏丹，等.長期施肥對農(nóng)田黑土酶活性及土壤肥力的影響［J］.農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2010，26(4):443-447.

［13］王俊華，林先貴，尹睿，等.長期定位施肥對潮土腐植酸含量及其相關(guān)因素的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2009，15(2):352-357.

［14］張小磊，安春華，馬建華，等.長期施肥對城市邊緣區(qū)不同作物土壤酶活性的影響［J］.土壤通報，2007，38(4):667-671.

［15］李東坡，武志杰，陳利軍，等.長期不同培肥黑土磷酸酶活性動態(tài)變化及其影響因素［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10(5):550-553.

［16］BOHME L，BOHME F.Soil microbiological and biochemical properties affected by plant growth and different longterm fertilization［J］.European Journal of Soil Biology，2006，42:1-12

［17］沈菊培，陳利軍.土壤磷酸酶活性對施肥-種植-耕作制度的響應(yīng)［J］. 土壤通報，2005，36(4):622-627.

［18］樊明壽，徐冰，王艷.缺磷條件下玉米根系酸性磷酸酶活性的變化［J］.中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2001，3(3):33-35.

［19］邱莉萍，王益權(quán)，劉軍，等.旱地長期培肥土壤脲酶和堿性磷酸酶動力學(xué)及熱力學(xué)特征研究［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2007，13(6):1028-1034.

［20］尤彩霞，陳清，任華中，等.不同有機肥及有機無機配施對日光溫室黃瓜土壤酶活性的影響［J］.土壤學(xué)報，2006，43(3):521-523.

［21］張笑培，楊改河，任廣鑫，等.黃土高原南部植被恢復(fù)對土壤理化性狀與土壤酶活性的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(6):64-68.

［22］王平，馬忠明，包興國，等.長期不同施肥方式對小麥/玉米間作土壤蔗糖酶活性的影響［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2009，30(5):611-614.

［23］李東坡，武志杰，陳利軍，等.長期定位培肥黑土土壤蔗糖酶活性動態(tài)變化及其影響因素［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2005，13(2):102-105.

［24］劉淑英.不同施肥對西北半干旱區(qū)土壤脲酶和土壤氮素的影響及其相關(guān)性［J］.水土保持學(xué)報，2010，24(1):219-223.