保護(hù)性耕作對寒地土壤酶活性的影響

馬春梅，莊倩倩，龔振平，宋秋來，夏 玄

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

保護(hù)性耕作是秸稈（植被）覆蓋加保墑耕作。保護(hù)性耕作變精耕細(xì)作對土壤的過度加工為少耕或免耕，盡量減少對土壤的擾動；同時采用秸桿、殘茬或其他植被覆蓋地表，以減少雨水和風(fēng)對土壤侵蝕，減少蒸發(fā)，達(dá)到保土、保水、增肥、改善土壤結(jié)構(gòu)的目的[1]。保護(hù)性耕作作為人類利用土地的方式之一，對土壤養(yǎng)分在土壤系統(tǒng)的再分配、土壤微生物的活動等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到土壤酶的活性[2]。

土壤酶是由微生物、動植物活體分泌及動植物殘骸分解釋放于土壤中的一類具有催化能力的生物活性物質(zhì)，隨著土壤酶研究的深入，土壤酶活性作為農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)功能的生物活性指標(biāo)已被廣泛關(guān)注。土壤酶活性和作物產(chǎn)量間的相關(guān)性優(yōu)于土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量間相關(guān)性[3]。處理間土壤酶活性根據(jù)不同的采樣時期差異性不同，在相同的采樣時期內(nèi)處理間的酶活性差異性較明顯，不同的耕作方式在產(chǎn)量差異性顯著[4]。因此研究土壤酶活性在保護(hù)性耕作中的變化具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2010年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地進(jìn)行。該基地位于黑龍江省哈爾濱市近郊（香坊區(qū)幸福鎮(zhèn)），所轄地域地理坐標(biāo)為東經(jīng)126°22′～126°50′，北緯45°34′～45°46′。氣候特征：基地屬于寒溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，春季多風(fēng)少雨，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季較短，冬季寒冷干燥，年降水量500～550 mm，1月降水量最少，占年降水量1%，7月最多，占年降水量26%～29%，連續(xù)最大3個月（6～8）月降水量占年降水量62%～67%，無霜期140 d，≥10℃積溫2 700℃，土壤為典型的黑土。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗自2007年開始定位實施，設(shè)置了2種輪作方式：玉米-玉米-大豆（Crop-crop-soybean，簡稱CCS）（2008年玉米-2009年玉米-2010年大豆）和大豆-玉米-玉米（Soybean-crop-crop，簡稱SCC）（2008大豆-2009年玉米-2010年玉米），各設(shè)（Traditional tillage，簡稱 TT）、覆蓋少耕（Minimum tillage with straw mulch簡稱MTS）、覆蓋免耕（No tillage with straw mulch，簡稱NTS）、免耕（No tillage，簡稱NT）。處理方式如下：

傳統(tǒng)耕作（TT）：玉米收獲后,秋季翻耕，起壟越冬，春季壟上播種；2010年6月12日中耕及深松，6月18日追肥，10月3日收獲。

免耕（NT）：玉米收獲留10～15 cm殘茬，留茬越冬，春季沿原茬免耕播種，2010年6月12日深松，6月18日追肥，10月3日收獲。

免耕秸稈覆蓋（NTS）：玉米收獲留10～15 cm殘茬,并將玉米秸稈鍘成10～20 cm段,均勻覆蓋還田越冬，春季沿原茬免耕播種，2010年6月12日深松，6月18日追肥，10月3日收獲。

少耕秸稈覆蓋（MTS）：玉米收獲留10～15 cm殘茬越冬,并將玉米秸稈鍘成10～20 cm段，春季原壟免耕播種；2010年6月12日中耕及深松，6月18日追肥，10月3日收獲。

1.3 試驗材料

供試玉米品種為龍聚1號，株距25 cm，施肥量：尿素 100 kg·hm-2、磷酸氫二銨 150 kg·hm-2、硫酸鉀100 kg·hm-2，保苗 6萬株·hm-2；大豆品種為綏農(nóng)14，施肥量：磷酸氫二銨150 kg·hm-2、硫酸鉀100 kg·hm-2、保苗25萬株·hm-2。 2010年5月2日播種玉米、大豆，使用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BM-2免耕播種機(jī)一次性完成播種、施肥、鎮(zhèn)壓。

1.4 樣品采集及測定方法

2010年分別在7月9日（作物生長旺期）和9月25日（作物收獲期）取樣，各處理采取多點混合法，分3個層次（0～10、10～20、20～30 cm），用土鉆采集土樣。樣品經(jīng)風(fēng)干后剔除石礫和植物殘體，研磨、過1 mm篩分裝，供土壤酶活性測定。

土壤脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測定，以24 h·100 g-1干土生成的NH3-N的量（mg）表示；蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h·g-1干土中葡萄糖的毫克數(shù)表示；酸性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，以12 h·g-1干土釋放的酚的毫克數(shù)表示[5]；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，以1 h·g-1干土消耗0.1 mol·L-1高錳酸鉀的毫升數(shù)表示[6]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理統(tǒng)計，采用最小顯著法（LSD）檢測試驗數(shù)據(jù)的差異顯著性水平（P＜0.05）和（P＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對耕層土壤脲酶活性的影響

脲酶是一種酰胺酶,直接參與尿素形態(tài)轉(zhuǎn)化，能酶促有機(jī)質(zhì)分子中肽鍵的水解，其活性通常與微生物數(shù)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全N和速效氮相關(guān)。人們常用土壤的脲酶活性表示土壤的氮素狀況[6-7]。

由表1可知，土壤脲酶活性為7月9日＞9月25日，CCS＞SCC，0～10＞10～20＞20～30 cm，CCS輪作田脲酶活性在0～10和10～20 cm土層均表現(xiàn)為MTS＞NTS＞NT＞TT，其中 MTS 處理與其他處理在0.05水平差異顯著，在0.01水平與傳統(tǒng)耕作相比差異極顯著；土壤水分是影響土壤酶活性變化的因素之一，保護(hù)性耕作可以增加土壤水分，以20 cm土層內(nèi)效果明顯，對增加20 cm以下土壤水分的效果不明顯[8]；SCC輪作田7月9日在0～10和10～20 cm均表現(xiàn)為MTS處理最高，9月25日在0～10 cm各處理間差異不顯著，在10～20 cm NTS、MTS與其他處理差異性顯著；7月9日的MTS在0～10、10～20和20～30 cm TT脲酶活性平均增加了29.18%、25.05%、7.46%。

表1 不同耕作措施下耕層土壤脲酶活性Table1 Soil urease enzymatic under the different tillage systems(NH3-N mg·100 g-1·d-1)

2.2 不同耕作措施對耕層土壤蔗糖酶活性的影響

土壤的蔗糖酶活性，與土壤中的腐殖質(zhì)，水溶性有機(jī)質(zhì)和粘粒的含量以及微生物的數(shù)量及其活動呈正相關(guān)。隨著土壤熟化程度提高，蔗糖酶的活性增強(qiáng)。人們常用土壤的蔗糖酶活性來表征土壤的熟化程度和肥力水平[6]。

表2結(jié)果顯示土壤蔗糖酶活性在生育期、輪作方式和耕層深度與脲酶表現(xiàn)基本一致；CCS輪作田兩個時期蔗糖酶活性在0～10和10～20 cm土層，各處理間均表現(xiàn)為MTS最高；7月9日在20～30 cm表現(xiàn)為TT處理最高，相對其他處理傳統(tǒng)耕作耕層間酶活性無顯著變化；SCC輪作田7月9日在0～10 cm表現(xiàn)為MTS處理與其他處理差異顯著，10～20和20～30 cm處理間差異不顯著，9月25日各處理在耕層間無顯著變化。

2.3 不同耕作措施對耕層土壤酸性磷酸酶活性的影響

土壤的磷酸酶活性，在很大程度上取決于土壤的腐殖質(zhì)含量，活性磷量，能礦化有機(jī)磷化合物的微生物的數(shù)量，植物類型等因素。土壤的磷酸酶活性可以表征土壤的肥力狀況（特別是磷狀況）[6]。

由于該試驗田土壤pH 6.5，偏酸性，因而酸性磷酸酶活性較堿性磷酸酶活性高，表3結(jié)果顯示土壤磷酸酶活性在輪作方式和耕層深度與脲酶、蔗糖酶表現(xiàn)基本一致，但生育期表現(xiàn)不同，收獲期土壤酸性磷酸酶較高，特別是CCS輪作田表現(xiàn)非常明顯，兩種輪作田磷酸酶活性在0～10、10～20、20～30 cm土層基本上表現(xiàn)為MTS高于其他處理，TT處理較其他處理各土層的變化不大，變化較大的是MTS處理0～10 cm顯著高于10～20和20～30 cm。

2.4 不同耕作措施對耕層土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤的過氧化氫酶活性，與土壤呼吸強(qiáng)度和土壤微生物活動相關(guān)，在一定程度上反映了土壤微生物學(xué)過程的強(qiáng)度。有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，過氧化氫酶的活性較強(qiáng)。因此，土壤過氧化氫酶的活性可以表示土壤總的生物學(xué)活性和肥力狀況[6]。

表4結(jié)果顯示土壤過氧化氫酶活性在生育期、耕層深度與脲酶、蔗糖酶表現(xiàn)基本一致；但過氧化氫酶在7月9日的0～10 cm土層基本上表現(xiàn)為SCC輪作＞CCS輪作，與其他三種酶活性表現(xiàn)不同，且MTS值最高，但差異不顯著。9月25日不同處理間變化不穩(wěn)定。

表2 不同耕作措施下耕層土壤蔗糖酶活性Table2 Soil invertase enzymatic under the different tillage systems(Glucose mg·g-1·d-1)

表3 不同耕作措施下耕層土壤酸性磷酸酶活性Table3 Soil acid phosphatase enzymatic under the different tillage systems(Phenol mg·g-1·12 h-1)

表4 不同耕作措施下耕層土壤過氧化氫酶活性Table4 Soil catalase enzymatic under the different tillage systems(0.1 mol·L-1KMnO4mL·g-1)

3 討論與結(jié)論

a.研究表明，保護(hù)性耕作對土壤的干擾較小，土壤酶活性較高，對于表層土壤效果明顯。表層土壤脲酶活性高低排列順序為：少耕秸稈覆蓋＞免耕秸稈覆蓋＞免耕＞傳統(tǒng)耕作。少耕體系對土壤微生物量碳和脲酶活性具有顯著的影響[9]，除了脲酶外其他三種酶，不同耕作方式規(guī)律性不同，這說明土壤酶活性不僅與耕作方式有關(guān)，與土壤水分、溫度，作物生育期、輪作方式等諸多因素有關(guān)。秸稈覆蓋處理增加水分的效果最好，但土壤溫度最低，對玉米種子萌發(fā)和出苗不利；留茬無覆蓋處理在耕作層（15 cm以上）溫度要高于旋耕處理，對種子萌發(fā)和出苗有利，但是其土壤水分較留茬覆蓋處理低[8,10]。綜合以上這些結(jié)果可以認(rèn)為，少耕秸稈覆蓋較適合寒地耕作方式，將從產(chǎn)量方向做進(jìn)一步研究。

b.土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸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[11]。脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、和過氧化氫酶隨土層的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，表層土壤酶活性較高，這與高明等的研究結(jié)果一致[12]。由于土壤表層水熱條件和通氣狀況好，有機(jī)質(zhì)含量高，利于微生物的生長與繁殖，隨著土層的加深，土壤環(huán)境條件變差，受秸稈影響較小，不利于土壤酶活性的增加[13]。

c.不同保護(hù)性耕作方式下，相同取樣時期三種水解酶均表現(xiàn)為：玉米-玉米-大豆＞大豆-玉米-玉米。土壤酶活性的季節(jié)性變化非常明顯，大多數(shù)的酶活性營養(yǎng)生長期要高于收獲期[7]；相同輪作方式下，脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶均表現(xiàn)為：夏季＞秋季。土壤水分狀況影響酶活性變化，一般情況下，土壤濕度較大時，酶活性較高，但土壤過濕時，酶活性減弱，當(dāng)旱季結(jié)束雨季開始時，土壤酶活性顯著增強(qiáng)。由于試驗基地的七月份降雨量較多，溫度處于一年中作物最適宜生長的階段，因而土壤酶活性較秋季的高；本文研究酸性磷酸酶活性表現(xiàn)為秋季較高，與其它酶活性結(jié)果不一致；蘭宇等研究認(rèn)為脲酶、轉(zhuǎn)化酶同土壤有機(jī)碳、pH、含水量、堿解氮、速效磷基本呈極顯著正相關(guān)[14]，酸性磷酸酶同各因子無顯著關(guān)系，由此可見，土壤酸性磷酸酶影響因素尚有待于進(jìn)一步研究。

[1]吳崇友,金誠謙,魏佩敏,等.保護(hù)性耕作的本質(zhì)與發(fā)展前景[J].中國農(nóng)機(jī)化,2003(6):8-11.

[2]張星杰,劉景輝,李立軍,等.保護(hù)性耕作方式下土壤養(yǎng)分、微生物及酶活性研究[J].土壤通報,2009,40(3):542-546.

[3]王燦,王德建,孫瑞娟,等.長期不同施肥方式下土壤酶活性與肥力因素的相關(guān)性[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(2):688-692.

[4]Jin K,Sleutel S,Buchan D,et al.Changes of soil enzyme activities under different tillage practices in the Chinese Loess Plateau[J].Soil and Tillage Research,2009,104:115-120.

[5]關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[6]周禮愷,張志明.土壤酶活性的測定方法[J].土壤通報,1980(5):37-49.

[7]侯彥林,王曙光,郭偉.尿素施肥量對土壤微生物和酶活性的影響[J].土壤通報,2004,35(3):303-306.

[8]張薇,周連仁.保護(hù)性耕作對黑鈣土水分及溫度的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,42(2):115-121.

[9]Mikanová O,Javurek M, ?imon T,et al.The effect of tillage systems on some microbial characteristics[J].Soil and Tillage Research,2009,105:72-76.

[10]張磊,王玉峰,陳雪麗.保護(hù)性耕作條件下土壤物理性狀的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,41(9):50-54.

[11]Visser S,Parkinson D.Soil biological criteria as indicators of soil quality:Soil microorganisms[J].American Journal of Alternative Agriculture,1992(7):33-37.

[12]高明,周保同,魏朝富,等.不同耕作方式對稻田土壤動物、微生物及酶活性的影響研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2004,15(7):1177-1181.

[13]楊招弟,蔡立群,張仁陟,等.不同耕作方式對旱地土壤酶活性的影響[J].土壤通報,2008,39(3):514-517.

[14]蘭宇,韓曉日,楊勁峰,等.長期不同施肥棕壤玉米地酶活性的時空變化[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2011,17(5):1197-1204.