松遼平原玉米帶黑土酶活性變化特征研究

張志丹， 姜海超， 羅香麗， 劉 鑫， 董 蕊， 李 橋， 徐麗穎， 劉淑霞， 趙蘭坡， 王繼紅， 楊 達

(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，吉林 長春 130118； 2 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118)

松遼平原玉米帶黑土酶活性變化特征研究

張志丹1?， 姜海超1?， 羅香麗1， 劉 鑫1， 董 蕊1， 李 橋1， 徐麗穎1， 劉淑霞1， 趙蘭坡1， 王繼紅1， 楊 達2

(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，吉林 長春 130118； 2 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118)

【目的】揭示松遼平原玉米帶黑土酶活性變化規(guī)律，為建立有效的施肥制度提供參考.【方法】以松遼平原玉米帶長期連作玉米的黑土為供試土壤，在田間調(diào)查、采樣的基礎(chǔ)上，測定不同區(qū)域、不同剖面構(gòu)型(“波浪型”和“平面型”)下各類別土壤酶的活性，并對酶活性與土壤養(yǎng)分質(zhì)量濃度進行相關(guān)性分析.【結(jié)果和結(jié)論】土壤酶在土壤循環(huán)中起到了生物學(xué)催化劑的作用，酶活性與土壤養(yǎng)分具有較強相關(guān)性，可以作為表征土壤肥力的指示性指標(biāo)，其中脲酶活性表征不同條件下土壤肥力水平的效果較好.

松遼平原； 玉米帶； 黑土； 土壤酶活性； 土壤肥力

松遼平原玉米帶是國家重要的糧食生產(chǎn)基地，其土壤主要是黑土.近年來，黑土的肥力退化問題日益突出[1-2]，使得投入和產(chǎn)出比不斷增加，玉米單產(chǎn)徘徊不前，糧食生產(chǎn)效益不高.以往的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的以小型拖拉機為動力的耕作制和以化學(xué)氮肥為主的施肥制是導(dǎo)致玉米帶黑土肥力退化的主要原因[3].

大量研究表明，酶在土壤碳、氮、磷等元素的循環(huán)中發(fā)揮著重要的生物催化作用，其活性的變化可以反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強弱，與土壤肥力因素密切相關(guān)[4-6].為深入探討松遼平原玉米帶黑土肥力退化機理，本研究在分析黑土酶活性的總體特征和區(qū)域性特點的基礎(chǔ)上，對“波浪型”和“平面型”2類剖面耕層土壤的酶活性進行了測定，并對土壤酶活性與其他肥力指標(biāo)的關(guān)系進行了分析，為建立新型保護性耕作制和環(huán)保效益型施肥制度提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為松遼平原玉米帶玉米連作黑土，秋季采自吉林省梨樹(東經(jīng)124.33°，北緯43.32°)、公主嶺(東經(jīng)124.49°，北緯43.35°)、九臺(東經(jīng)126.83°，北緯44.15°)、德惠(東經(jīng)125.68°，北緯44.52°)、榆樹(東經(jīng)126.55°，北緯44.83°)、扶余(東經(jīng)124.18°，北緯45.50°)等市縣，沿102國道兩側(cè)每隔5～10 km選取1個調(diào)查采樣點，共選取了46個調(diào)查采樣地點，其中“波浪型”35個，“平面型”11個(圖1).土壤樣品均為耕層(0～20 cm)樣品，風(fēng)干后過篩備用.

圖1 采樣地點圖Fig.1 The map of the locality

1.2 分析項目及方法

過氧化氫酶分析采用Johnson等[7]的方法，酶活性以1 g土壤消耗的0.1 mol·L-1KMnO4體積表示；脲酶分析參考文獻[8]，酶活性以37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后以1 g土壤中消耗NH3-N的質(zhì)量表示；轉(zhuǎn)化酶分析參考文獻[8]，酶活性以37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后以1 g土壤中消耗0.1 mol·L-1Na2S2O3的體積表示；蛋白酶分析參考文獻[7]，酶活性以30 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后以1 g土壤中消耗NH2- N的質(zhì)量表示；磷酸酶分析采用趙蘭坡等[9]改進法，酶活性以37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h后以1 g土壤中消耗酚的質(zhì)量表示.土壤分析采用常規(guī)分析方法[10]測定，其中土壤pH值測定采用電位法，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、SAS 9.1軟件進行數(shù)據(jù)處理和方差分析，最小顯著差數(shù)法(LSD)檢測差異顯著性水平.

2 結(jié)果與分析

2.1 松遼平原玉米帶黑土酶活性總體特征

松遼平原玉米帶黑土過氧化氫酶活性為(1.19±0.06)mL·g-1，脲酶活性為(0.59±0.02)mg·g-1,轉(zhuǎn)化酶活性為(4.83±0.15)mL·g-1，蛋白酶活性為(38.24±1.52)μg·g-1,堿性磷酸酶活性為(0.96±0.04)mg·g-1,酸性磷酸酶活性為(2.07±0.10)mg·g-1.有機質(zhì)、全N、全P分別為(25.32±0.87)、(2.00±0.05)、(1.25±0.03) g·kg-1，而速效N、速效P分別為(130.3±2.14)、(21.4±1.42) mg·kg-1.本文對與土壤碳、氮、磷循環(huán)關(guān)系較為密切的6種酶及其活性的總體特征進行了分析.過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶與碳循環(huán)的關(guān)系較為密切，過氧化氫酶活性與土壤呼吸強度及土壤微生物活動相關(guān)，在有機質(zhì)含量高的土壤中活性較強[11]，轉(zhuǎn)化酶反映了土壤熟化程度和肥力水平.土壤脲酶和蛋白酶均為水解酶，是氮循環(huán)的重要酶類，可以直接參與土壤中含氮有機化合物的轉(zhuǎn)化，其活性通常與氮素相關(guān).而土壤磷酸酶活性主要取決于土壤的腐殖質(zhì)含量、活性磷合量以及能礦化有機磷化合物的微生物的數(shù)量等因素，且與磷素相關(guān)性較強.

2.2 松遼平原玉米帶黑土酶活性的區(qū)域變化特征

圖2為各地區(qū)黑土酶活性的平均強度，可以看出不同地區(qū)中酶活性存在較大差異，土壤的理化性質(zhì)不同，對酶的保護作用和對外源物質(zhì)的吸附緩沖能力也有區(qū)別.總體而言，土壤酶活性脲酶、轉(zhuǎn)化酶、酸性及堿性磷酸酶活性的最高值均出現(xiàn)在榆樹地區(qū)；而梨樹地區(qū)的酶活性相對較弱，脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)最低值.出現(xiàn)這種趨勢可能是由榆樹地區(qū)的有機質(zhì)平均含量較高(29.7 g·kg-1)，而梨樹地區(qū)有機質(zhì)含量較低(20.7 g·kg-1)造成.通過測定各地區(qū)有機質(zhì)含量還可以看出，脲酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶活性的變化與有機質(zhì)含量的變化趨勢較為一致，表明土壤酶對有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化和分解有重要影響，在土壤循環(huán)中起到了生物學(xué)催化劑的作用.

圖2 松遼平原玉米帶黑土酶活性的區(qū)域變化Fig.2 The regional variation of black soil enzyme activities of corn belt of Songliao Plain

2.3 松遼平原玉米帶黑土2種剖面構(gòu)型下的酶活性變化特征分析

在采樣中，筆者發(fā)現(xiàn)以小四輪拖拉機為主要動力的耕作制度下，玉米帶土壤的耕層與犁底層的交界面均為波浪型，而在少數(shù)堅持利用大馬力拖拉機進行連年秋翻的玉米田中，耕層與犁底層的交界面均為平面.為區(qū)別2種剖面，將耕層與犁底層的交界面為波浪型的剖面，稱為“波浪型”剖面，將耕層與犁底層的交界面為平面的剖面，稱為“平面型”剖面(圖3).

圖3 松遼平原玉米帶土壤剖面的構(gòu)造特征Fig.3 The structural feature of black soil profile in the corn belt of Songliao Plain

為了能進一步揭示黑土酶活性變化規(guī)律及其與土壤肥力變化的關(guān)系，闡明土壤酶活性對現(xiàn)行耕作、施肥條件的響應(yīng)情況，對2種不同剖面構(gòu)型下的酶活性進行了分析，表1為“平面型”和“波浪型”剖面構(gòu)型表層土壤酶活性的基本狀況.

對比表1中的酶活性可以發(fā)現(xiàn)，“平面型”剖面結(jié)構(gòu)下的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶的活性平均值比“波浪型”剖面結(jié)構(gòu)下分別提高28.82%、6.93%、10.06%；而脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶的活性平均值則分別降低28.70%、8.81%、11.31%.差異顯著性分析結(jié)果進一步表明，2種剖面類型下土壤酶活性呈現(xiàn)出不同的變化特征.

表2是2種不同剖面構(gòu)型下的土壤養(yǎng)分的分析資料，可見“平面型”的有機質(zhì)含量高于“波浪型”13.6%；速效N含量高于“波浪型”5.3%；速效P含量低于“波浪型”64.8%；速效K含量高于“波浪型”2.3%.

表1 “平面型”與“波浪型”剖面土壤酶活性特征1)Tab.1 Black soil enzyme activity characters in the profile with a “flat interface” and an “undulated interface ”

1) 表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后凡具有一個相同小寫字母者表示在P=0.05水平差異不顯著(LSD法).

表2 “波浪型”和“平面型”剖面土壤養(yǎng)分狀況1)Tab.2 Soil nutrient status in profiles with a “flat interface” and an “undulated interface ”

1) 表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后凡具有一個相同小寫字母者表示在P=0.05水平差異不顯著(LSD法).

2.4 松遼平原玉米帶土壤酶活性與土壤養(yǎng)分質(zhì)量濃度的相關(guān)分析

為了進一步研究松遼平原玉米帶土壤肥力的狀況，對土壤酶活性與土壤養(yǎng)分質(zhì)量濃度進行相關(guān)分析.以土壤中有機質(zhì)質(zhì)量濃度、全N質(zhì)量濃度、全P質(zhì)量濃度、速效N質(zhì)量濃度、速效P質(zhì)量濃度為自變量，以土壤中過氧化氫酶活性、脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性、蛋白酶活性、堿性磷酸酶活性、酸性磷酸酶活性為因變量進行逐步回歸分析，結(jié)果如表3所示.

表3土壤酶活性與土壤養(yǎng)分質(zhì)量濃度之間的相關(guān)系數(shù)1)

Tab.3Thecorrelationcoefficientbetweensoilenzymeactivitiesandsoilnutrientcontents

土壤酶有機質(zhì)全N全P速效N速效P過氧化氫酶0.472*0.447*0.3590.489*0.352脲酶0.576**0.575**0.460*0.576**0.552*轉(zhuǎn)化酶0.576**0.488*0.544*0.542*0.542*蛋白酶0.478*0.485*0.4170.629**0.402堿性磷酸酶0.3200.4330.598**0.4400.653**酸性磷酸酶0.4120.4420.575**0.446*0.590**

1)n=20，“*”、“**”分別表示顯著和極顯著相關(guān).

從表3可知，過氧化氫酶活性與有機質(zhì)、全N、速效N質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，說明過氧化氫酶活性的強弱可作為評價黑土肥力的指示性指標(biāo).作為主要的氧化還原酶類，其對于有機質(zhì)氧化和腐殖質(zhì)形成具有重要作用，能夠通過促進水解過氧化氫來降低其對植物的毒害，從而表征土壤的生化活性[12].

脲酶活性與全P、速效P質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，與有機質(zhì)、全N、速效N質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān).脲酶與土壤中氮轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，且與蛋白物質(zhì)一起參與土壤氮素循環(huán)[13]，同時還影響著土壤中有效P和速效N的質(zhì)量濃度，在土壤C、N、P轉(zhuǎn)化過程中作用極大，其活性的強弱可以作為評價黑土肥力變化的敏感指標(biāo).

轉(zhuǎn)化酶活性與全N、全P、速效N、速效P質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，與有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，說明轉(zhuǎn)化酶是土壤中參與碳循環(huán)的一種重要的酶，其活性的強弱可以表征土壤生物化學(xué)的動向和強度，可以作為評價黑土肥力的指示性指標(biāo).

蛋白酶活性與有機質(zhì)、全N質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)，與速效N質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)，與土壤養(yǎng)分的形成和轉(zhuǎn)化有著密切的關(guān)系，也可以作為評價黑土肥力的指標(biāo).

堿性磷酸酶活性、酸性磷酸酶活性與全P、速效P質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)，酸性磷酸酶活性與速效N質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān).

3 討論與結(jié)論

土壤酶活性的分布趨勢與有機質(zhì)變化較為一致，土壤酶在土壤循環(huán)中起到了生物學(xué)催化劑的作用，其活性與土壤養(yǎng)分具有高度相關(guān)性，可以作為表征土壤肥力的指示性指標(biāo).其中，過氧化氫酶活性與有機質(zhì)、全N、速效N質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)；脲酶活性與全P、速效P質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)，與有機質(zhì)、全N、速效N質(zhì)量濃度呈極顯著相關(guān)；轉(zhuǎn)化酶活性與全N、全P、速效N、速效P質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)，與有機質(zhì)質(zhì)量濃度呈極顯著相關(guān)；蛋白酶活性與有機質(zhì)、全N質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)，與速效N質(zhì)量濃度呈極顯著相關(guān)；堿性磷酸酶活性、酸性磷酸酶活性與全P、速效P質(zhì)量濃度呈極顯著相關(guān)，酸性磷酸酶活性與速效N質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān).總體而言脲酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)程度更強，對于土壤肥力的表征效果較好.

在2種剖面構(gòu)型下，過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶活性與有機質(zhì)和速效氮、速效鉀的變化方向相一致，而脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶活性與有機質(zhì)和速效N、速效K的變化方向相反，與速效P的變化方向相一致.磷酸酶活性趨勢的原因可能源于黑土區(qū)近30年間大量施用氮肥和磷肥的不合理施肥制度，養(yǎng)分的大量累積使得速效磷質(zhì)量濃度表現(xiàn)為“平面型”低于“波浪型”，土壤中無機磷的增加導(dǎo)致磷酸酶活性減弱，不合理的施肥制度可能是引起磷酸酶活性變化的最主要原因.

而脲酶的主要來源是微生物細胞的增加和裂解以及植物根系本身向土壤提供的酶[14]，對于土壤翻耕的反應(yīng)較為敏感，且受到有機物施用的影響較大.值得注意的是，“波浪型”剖面耕層有效土壤量較“平面型”減少近一半[3]，當(dāng)?shù)攘坑衩赘邕€田或施入等量肥料時，對“波浪型”剖面的耕層土壤來說，單位質(zhì)量的土壤中歸還的根茬數(shù)量就比“平面型”的要多出近一倍.因此，脲酶活性變化的強弱可以作為區(qū)分“平面型”和“波浪型” 2種剖面的敏感指標(biāo).這對于揭示現(xiàn)行耕作制度的缺陷、提出適合黑土區(qū)的保護性耕作制度具有積極作用.

從2種不同剖面構(gòu)型入手，研究其與碳、氮、磷循環(huán)有關(guān)的酶活性的狀況與差異，發(fā)現(xiàn)脲酶活性變化對土壤翻耕的響應(yīng)較為靈敏，其活性強弱可以作為2剖面結(jié)構(gòu)劃分中表征土壤肥力變化的敏感性指標(biāo)，對探索適合黑土區(qū)的保護性耕作制度和環(huán)保效益型施肥制度具有積極的意義.

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【責(zé)任編輯霍 歡】

AstudyondynamicvariationcharacteristicsofblacksoilenzymeactivitiesinthecornbeltofSongliaoPlain

ZHANG Zhidan1?, JIANG Haichao1?, LUO Xiangli1, LIU Xin1, DONG Rui1, LI Qiao1, XU Liying1, LIU Shuxia1, ZHAO Lanpo1, WANG Jihong1, YANG Da2

(1 College of Resources and Environmental Science, Jilin Agicultural University/ National Key Laboratory of Jilin Province Ecological Restoration and Ecosystem Management, Changchun 130118, China；2 College of Information Technology, Jilin Agricultural University, Changchun 130118,China)

【Objective】 To reveal the variation law of black soil enzyme of Songliao Plain and provide reference to establish an effective fertilization system.【Method】 Black soil under continuous maize cultivation was taken in the corn belt of Songliao Plain as materials.Enzyme activities in different areas and sections(“plant type ” and “wave type”) were determined based on field surveys and sampling correlation analyses between enzyme activities and soil nutrient contents were obtained.【Result and conclusion】 Soil enzyme acted as the biological catalyst in a soil cycle.The activities of different kinds of enzymes were significantly correlated with the soil nutrient, so enzyme activities could be used to indicate the soil fertility.Furthermore, urease could indicate the soil fertility well.

Songliao Plain; corn belt； black soil； soil enzyme activity； soil fertility

2013- 10- 09優(yōu)先出版時間2014- 09- 30

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20141003.1224.013.html

張志丹(1979—)，女，副教授，博士,E-mail: zhidanzhang79@163.com；姜海超(1989—)，女，碩士研究生， E-mail: Jianghc@163.com; ?對本文貢獻相同；通信作者：王繼紅(1966—)，女，教授，博士，E-mail:wjh489@126.com

國家自然科學(xué)基金(41071160)；“十二五”吉林省教育廳規(guī)劃項目(20130062)；吉林省科技廳項目(20130522078JH，20110749，20110202，201205057，20100424)

張志丹， 姜海超， 羅香麗，等.松遼平原玉米帶黑土酶活性變化特征研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014,35(6):74- 78.

S153.6

A

1001- 411X(2014)06- 0074- 05