水淹脅迫下新型氧肥對土壤脲酶活性的影響

杜琳倩 ，何 鋼 ,b，王 靜 ，王 蕾

( 中南林業(yè)科技大學(xué) a. 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b. 生物環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所，湖南 長沙 410004)

水淹脅迫下新型氧肥對土壤脲酶活性的影響

杜琳倩a，何 鋼a,b，王 靜a，王 蕾a

( 中南林業(yè)科技大學(xué) a. 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b. 生物環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究所，湖南 長沙 410004)

通過模擬實(shí)驗(yàn)，研究了水淹脅迫下不同濃度的新型氧肥對土壤脲酶活性的影響。結(jié)果表明，新型氧肥可顯著增強(qiáng)水淹脅迫下的土壤脲酶活性，氧肥濃度和土壤脲酶活性的關(guān)系達(dá)到顯著正相關(guān)，并得到施加的最適新型氧肥濃度為5g/kg；隨著新型氧肥作用時(shí)間延長，土壤脲酶活性增加的幅度先增大后減??；隨著新型氧肥濃度的增大，新型氧肥影響脲酶的定濃抑制率絕對值增大，而脲酶的變濃變化率則差別不大。該試驗(yàn)確定了水淹脅迫下新型氧肥對土壤脲酶活性有明顯的激活作用，并確定了最適新型氧肥濃度，為今后應(yīng)用于洪澇災(zāi)害的植物提供了科學(xué)依據(jù)。

新型氧肥；土壤脲酶；土壤脲酶活性；水淹脅迫

土壤酶是土壤有機(jī)體的代謝動(dòng)力，與土壤理化性質(zhì)、土壤類型、施肥、耕作以及其它農(nóng)業(yè)措施等密切相關(guān)[1]。土壤酶參與包括土壤中生物化學(xué)過程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)，在能量代謝、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和污染土壤修復(fù)等過程中發(fā)揮著重要作用[2]，使土壤具有同生物體相似的活組織代謝能力。土壤酶不僅可以表征土壤物質(zhì)能量代謝旺盛程度，而且可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力高低、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的一個(gè)重要生物指標(biāo)[3-5]。土壤酶活性對于土壤環(huán)境狀況評(píng)價(jià)非常重要[6]。土壤酶的活性反映了土壤中進(jìn)行的各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向[7]，對土壤肥力的形成和提高以及對土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。

脲酶是土壤中的主要酶類之一，是唯一對尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化及作用有著重大影響的酶，與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)中的氮循環(huán)密切相關(guān)[8]。尿素施入土壤后，在脲酶的催化作用下，迅速分解成CO2和NH3，所以脲酶活性直接影響到尿素的利用率[9]。國內(nèi)外學(xué)者研究表明，不同環(huán)境下的不同土壤的脲酶活性有一定差異[10-13]。洪澇災(zāi)害是當(dāng)今世界最主要又經(jīng)常發(fā)生的災(zāi)害之一，防治洪澇災(zāi)害已成為世界各國普遍關(guān)注的問題。我國地處東亞大陸，地形地勢復(fù)雜，不同地區(qū)氣候差異大，東部受到季風(fēng)氣候影響，年內(nèi)降雨量分布不均勻，洪澇災(zāi)害比較突出，是世界上洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，大約2/3的國土面積有著不同類型和不同危害程度的洪澇災(zāi)害[14]。本研究選取以過氧化鈣為核心材料的新型氧肥，采用實(shí)驗(yàn)室恒溫培養(yǎng)法，測定了不同濃度新型氧肥在水淹脅迫下，對土壤脲酶活性的影響，為緩解洪澇災(zāi)害問題提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試土樣

土壤樣品來自中南林業(yè)科技大學(xué)植物園苗圃。五點(diǎn)法采取0～5 cm土層土樣，去除腐殖質(zhì)等雜質(zhì)，混勻，保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 供試土樣的培肥方案Table 1 Experimental scheme of soils tested

1.1.2 供試植物

供試植物為中南林業(yè)科技大學(xué)植物園苗圃培育的1年生短梗大參實(shí)生苗。于2012年3月1日栽植于盆中，每盆(38 cm(高)×28 cm(直徑))裝土3 kg（園土＋牛糞＋珍珠巖），6月1日開始進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.3 供試肥料

新型氧肥：一種自制氧肥，以過氧化鈣為核心材料，膨潤土為填充劑，聚乙烯醇縮甲醛為粘合劑制備而成的，與水反應(yīng)可以緩慢釋放氧氣。

1.2 試驗(yàn)方法

脲酶活性測定方法采用靛酚藍(lán)比色法[15]。該法以尿素為基質(zhì)，根據(jù)酶促的產(chǎn)物-氨在堿性基質(zhì)中，與苯酚及次氯酸鈉作用生成藍(lán)色的靛酚，靛酚藍(lán)的生成數(shù)量與氨濃度呈正比來進(jìn)行定量分析，活性以每小時(shí)每克土壤將尿素轉(zhuǎn)化成NH3-N的量表示。每處理設(shè)3次重復(fù)，同時(shí)做標(biāo)準(zhǔn)曲線，設(shè)無土壤對照和無基質(zhì)對照試驗(yàn)。酶活性為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 水淹脅迫下不同濃度的新型氧肥對脲酶活性的影響

取3只100 mL容量瓶，各加入5 g新鮮土樣，向土樣中加入1 mL甲苯并放置15 min，再分別加入10 mL 10%尿素溶液和20 mL pH值6.7檸檬酸緩沖液，搖勻，在37℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h后定容。按靛酚藍(lán)比色法測定脲酶活性，計(jì)算水淹脅迫下不同濃度的新型氧肥對脲酶活性的抑制率。酶活性為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。

在盆栽中施加新型氧肥，由于新型氧肥是一種緩控釋氧肥，釋放氧氣是一個(gè)緩慢的過程，所以每隔5 d測量一次脲酶活性，測量8次，測量方法同上。

1.3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

為了解土壤脲酶活性隨新型氧肥濃度的變化規(guī)律，計(jì)算了脲酶的定濃抑制率，它可表征某種外源物質(zhì)對脲酶活性的抑制程度，其正值和負(fù)值分別表示抑制和激活作用。本試驗(yàn)中脲酶定濃抑制率的計(jì)算公式為：

定濃抑制率=(A-B)/A×100%。 （1）

式（1）中：A為不施加新型氧肥土壤脲酶活性；B為施加新型氧肥土壤脲酶活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水淹脅迫下不同濃度的新型氧肥對脲酶活性的影響

不同濃度的新型氧肥對脲酶活性的影響見表2。

表2 不同濃度的新型氧肥對脲酶活性的影響Table 2 Effects of different concentrations of new oxygen fertilizer on soil urease activity

由表2可知，土樣1的脲酶活性隨著時(shí)間增長逐漸升高，但上升幅度較小，這可能是因?yàn)橹参锾幱谏L旺期的緣故。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，土壤酶活性與植物生長過程密切相關(guān)，在植物生長最旺盛的時(shí)期，酶的變化也最活躍[16]。

土樣2的脲酶活性隨著時(shí)間增長逐漸升高，并且第40d脲酶活性明顯比土樣1的脲酶活性要高。這是由于土壤水分狀態(tài)對土壤酶活性有一定的影響。一般情況下，土壤濕度較大時(shí)，酶活性較高，但土壤過濕時(shí)，酶活性減弱；土壤含水量減少，酶活性也減弱[17]。

土樣3的脲酶活性在1～5 d，脲酶活性升高，然而第5～40 d，脲酶活性隨著時(shí)間的增長而明顯降低，究其原因是由于水淹脅迫導(dǎo)致植物缺氧，減少了土樣脲酶的來源，導(dǎo)致土樣脲酶減少，活性降低。

土樣4、土樣5、土樣6、土樣7和土樣8，在新型氧肥濃度相同時(shí)，脲酶活性隨著時(shí)間增長逐漸升高，第15 d左右酶活達(dá)到最高，然后逐漸降低。這表明新型氧肥釋放氧氣的量在1～15 d隨著時(shí)間的增長而增加，在第15 d左右達(dá)到最大值，在15 d以后，隨著時(shí)間的增長而減少。到第40 d時(shí)，土樣4和土樣5的脲酶活性比土樣1的脲酶活性略低，土樣6、土樣7和土樣8的脲酶活性高于土樣1的脲酶活性。這表明土樣4和土樣5中的新型氧肥濃度基本能滿足水淹脅迫下植物正常生長的氧氣需要，但土樣6的新型氧肥濃度完全滿足了水淹脅迫下植物正常生長的氧氣需要，所以根據(jù)，植物正常生長需要和新型氧肥成本等綜合考慮，土樣6中的新型氧肥濃度5 g·kg-1為施加的最適新型氧肥濃度。

第40 d時(shí)不同土樣的脲酶活性見圖1，由于新型氧肥是一種緩慢釋放氧氣的肥料，釋放的時(shí)間越長對植物越有利，所以需要分析最后一次的測量結(jié)果。

圖1 第40 d時(shí)不同土樣的脲酶活性Fig.1 Urease activity of different soil samples at the 40th day

由圖1看出，第40 d時(shí)，土樣2的脲酶活性高于土樣1的脲酶活性，這表明水分飽和的情況下土壤脲酶活性比一般含水量情況下的酶活性要高。土樣4、土樣5、土樣6、土樣7和土樣8的脲酶活性依次升高，土樣4和土樣5的脲酶活性與土樣1相差不大，土樣6、土樣7和土樣8的脲酶活性明顯高于土樣1，這表明水淹脅迫下的脲酶活性隨著施加新型氧肥濃度的增加而升高。

計(jì)算得到的水淹脅迫下土壤脲酶的定濃抑制率見表3。

表3 不同濃度的新型氧肥對土壤脲酶定濃抑制率的影響Table 3 Effects of different concentration new oxygen fertilizer on soil urease inhibitive percent

由表3可知，土樣4、土樣5、土樣6、土樣7和土樣8的土壤脲酶定濃抑制率都為負(fù)值，這表明施加的新型氧肥對在水淹脅迫下的土壤脲酶都起到了激活作用。在表3中可以看出，在相同的新型氧肥濃度下，第5～30 d定濃抑制率的絕對值隨著時(shí)間的增長而增大，在第30 d達(dá)到最大值，第30 d以后隨著時(shí)間的增長而減小，但第40 d脲酶的定濃抑制率的絕對值依然維持在較高水平。這表明，在相同的新型氧肥濃度下，第5～30 d隨著時(shí)間的增長新型氧肥對水淹脅迫下脲酶的激活作用逐漸增強(qiáng)，第30 d以后隨著時(shí)間的增長新型氧肥對水淹脅迫下脲酶的激活作用逐漸減弱，第40 d新型氧肥對水淹脅迫下的脲酶依然有較強(qiáng)的激活作用。

由表3還可知，在同一時(shí)間，土樣4、土樣5、土樣6、土樣7和土樣8的脲酶的定濃抑制率的絕對值隨著施加新型氧肥濃度的增大而增大，這揭示出水淹脅迫下的土壤脲酶受到了新型氧肥持續(xù)增加的激活作用。

采用U=β1×C+β0模型對新型氧肥濃度C與脲酶活性U進(jìn)行擬合，得到的方程(表4)均達(dá)到顯著正相關(guān)。

表4 新型氧肥濃度與土壤脲酶活性的擬合方程?Table 4 Regression equations between concentration of new oxygen fertilizer and soil urease activity

由表4可知，在新型氧肥供試濃度范圍內(nèi)，新型氧肥可顯著增強(qiáng)土壤脲酶活性。對擬合式求導(dǎo)，得到土壤脲酶的變濃變化率[β1=dU/dC]，其表示單位新型氧肥濃度(1%)的增減對土壤脲酶活性的貢獻(xiàn)率。從表4還可以看出，第30 d時(shí)，土樣脲酶的變濃變化率最大，為3.677 μg/(g·h)，第5 d的變濃變化率最小，為0.703 μg/(g·h)，但其他時(shí)間測得的變濃變化率與第30 d的變濃變化率差別不大，可見第10～40 d，單位新型氧肥濃度對土壤脲酶活性的影響強(qiáng)度隨作用時(shí)間不同并未表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

3 結(jié) 論

（1）處于生長旺盛期的植物，土壤的脲酶活性隨著時(shí)間增長逐漸升高，但上升幅度較小。水分飽和時(shí)，土壤脲酶的活性高于一般含水量時(shí)的脲酶活性。在水淹脅迫下，隨著時(shí)間的增長，土壤脲酶活性明顯降低。

（2）新型氧肥對水淹脅迫下的土壤脲酶活性具有明顯的激活作用，一定濃度的新型氧肥可以使水淹脅迫下的土壤酶活性保持在正常水平，使植物正常生長，并得出在施加新型氧肥的第15 d氧肥釋放氧氣的量達(dá)到最大值，施加新型氧肥的最適濃度為5 g·kg-1。為了達(dá)到較好的促進(jìn)效果，施加新型氧肥的濃度可以適量增大。

（3）在40天的測量過程中，第30 d時(shí)，不同濃度的新型氧肥對水淹脅迫下的土壤脲酶的激活作用最強(qiáng)，隨后激活作用開始下降，但是第40 d時(shí)，激活作用依然保持在較高的水平。下一步試驗(yàn)可以延長試驗(yàn)時(shí)間，準(zhǔn)確測定新型氧肥對水淹脅迫下的土壤脲酶活性的激活作用能夠持續(xù)的時(shí)間。

（4）由新型氧肥濃度與土壤脲酶活性的擬合方程可知，新型氧肥的濃度與土壤脲酶活性之間達(dá)顯著正相關(guān)關(guān)系，即在新型氧肥供試濃度范圍內(nèi)，新型氧肥可顯著增強(qiáng)土壤脲酶活性。

（5）在試驗(yàn)的第10～40 d，單位新型氧肥濃度對土壤脲酶活性的影響強(qiáng)度隨作用時(shí)間不同并未表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

[1] 杜偉文,歐陽中萬.土壤酶研究進(jìn)展[J].湖南林業(yè)科技,2005,32(5).

[2] 楊春璐,孫鐵珩,和文祥,等.農(nóng)藥對土壤脲酶活性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào). 2006,17(7):1354-1356.

[3] Garcia-Ruiz R, Ochoa V, Hinojosa M B, et al. Suitability of enzyme activities for the monitoring of soil quality improvement in organic agricultural systems[J]. Soil Biology and Biochemistry,2008,40:2137-2145.

[4] 張?jiān)伱?周國逸,吳 寧.土壤酶學(xué)的研究進(jìn)展[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),2004,12(1):83-90.

[5] 董 艷,董 坤,鄭 毅,等.種植年限和種植模式對設(shè)施土壤微生物區(qū)系和酶活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(3):527-532.

[6] 陳彩虹,葉道碧.4種人工林土壤酶活性與養(yǎng)分的相關(guān)性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(6):64.

[7] 梁小翠,朱 凡,閆文德,等.馬褂木盆栽土壤酶活性對PAHs脅迫的響應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(5):92-95,116.

[8] 謝勇波,周清明,龔道新.不同化學(xué)農(nóng)藥對土壤脲酶活性的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010,(3)：63-65.

[9] 楊 玲,孔星云，郭 明.化學(xué)農(nóng)藥對土壤脲酶的影響[J].塔里木農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2011,13(3):13.

[10] 陳恩風(fēng),周禮愷.土壤肥力實(shí)質(zhì)研究:I.黑土[J].土壤學(xué)報(bào),1984, 21(3):229-237.

[11] Dalal R C. Distribution, Salinity, Kinetic and Thermodynamic Characteristics of Urease Activity in a Vertisol Profile[J]. Aust.Journal Soil Reserch, 1985,23:49-60.

[12] 江育璋,宋恩瀚,陳兆畦.土壤脲酶特性及其對尿素施用的影響[J].西南農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1984,(2):15-22.

[13] 和文祥,朱銘莪.溫度和底物對陜西土壤脲酶活性的影響[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,26(5):15-19.

[14] 田國珍,劉新立,王 平,等.中國洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及其成因分析[J].災(zāi)害學(xué),2006,21(2):1-6.

[15] 嚴(yán)昶升.土壤肥力研究方法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1988.

[16] 孟立君,吳風(fēng)芝.土壤酶研究進(jìn)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 35 (5):622-626.

[17] 徐 雁,向成華,李賢偉.土壤酶學(xué)的研究進(jìn)展[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),2004,12(1):83-90.

Effect of new oxygen fertilizer on soil urease activity in waterlogging stress

DU Lin-qiana, HE Ganga,b, WANG Jinga, WANG Leia

(a. School of Life Science & Technology; b. Institute of Biological Environmental Science & Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By simulation methods，in the case of waterlogging stress the effects of different concentrations of new oxygen fertilizer on soil urease activity were investigated.The results are as follows: new oxygen fertilizer could remarkably increase the urease activity so that they had significant positive correlation and the most suitable concentration of oxygen fertilizer was 5g/kg; With prolonging reaction time，the increasing degree of urease activity first increased and then decreased; With the increase of concentration of new oxygen fertilizer, the inhibitive percent’s absolute value was improved and the effect of concentration of new oxygen fertilizer on soil urease activity changed slightly. The testing results indicated that the oxygen fertilizer could remarkably increase the urease activity in the case of flood stress and the most suitable concentration of new oxygen fertilizer has been obtained, thus providing a scientific basic for the management of the flooded plants in the future.

new oxygen fertilizer; soil urease; soil urease activity; waterlogging stress

S714；Q55

A

1673-923X(2013)04-0066-04

2012-10-16

“948”引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)：新型氧肥制作與施用技術(shù)引進(jìn)（項(xiàng)目編號(hào)：2011-4-65）

杜琳倩（1987-）女，碩士研究生，主要從事應(yīng)用生物化學(xué)的研究；E-mail：342766010@qq.com

何 鋼（1965-）男，教授，主要從事生物技術(shù)教學(xué)與科研；E-mail：hegang262@163.com

[本文編校：歐陽欽]