長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)華北潮土酶活性的影響

李芳，信秀麗，張叢志*，寧琪，趙金花，吳其聰，趙占輝，蔡太義，聶廣森，張佳寶*

1. 河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心//小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家試驗(yàn)站//土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)華北潮土酶活性的影響

李芳1, 2，信秀麗2，張叢志2*，寧琪2，趙金花1, 2，吳其聰2，趙占輝2，蔡太義2，聶廣森2，張佳寶2*

1. 河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心//小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家試驗(yàn)站//土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

摘要：酶活性作為土壤肥力監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵生物指標(biāo)，可以靈敏地指示土壤性質(zhì)的變化，我們研究了長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土酶活性的影響，以期為潮土地力培育提供理論依據(jù)。以兩個(gè)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)（鄭州、封丘）為基礎(chǔ)，測(cè)定不同施肥處理下耕層土壤（0～15 cm）過(guò)氧化氫酶、蛋白酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，探討24～25年長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤酶活性的影響，并分析了各種酶活性以及酶活性與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，（1）盡管兩個(gè)試驗(yàn)地同為潮土，土壤酶活性的差異較大。鄭州所有施肥處理對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響均不顯著（P>0.05），而封丘施氮鉀肥處理過(guò)氧化氫酶活性較對(duì)照提高了58.3%。（2）在不施磷肥的處理下，氮鉀比為1∶1時(shí)，NK肥處理的蛋白酶活性較對(duì)照提高119%，當(dāng)?shù)洷葹?∶1時(shí)，NK肥處理的蛋白酶活性較對(duì)照降低20%。（3）不同施肥處理均有助于潮土脲酶活性的提高，以有機(jī)肥處理提高幅度最大，在鄭州和封丘分別較對(duì)照提高了41.1%和106.4%。（4）長(zhǎng)期施肥處理并沒(méi)有顯著提高土壤堿性磷酸酶活性，秸稈還田配施氮磷鉀肥可顯著提高堿性磷酸酶活性，較對(duì)照提高了133.5%。（5）鄭州各施肥處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性較對(duì)照有顯著提高，以氮鉀肥處理提高幅度最小，為95.5%，秸稈還田處理提高幅度最大，為439%，封丘氮鉀處理和有機(jī)肥處理的轉(zhuǎn)化酶活性較對(duì)照有明顯提高，提高幅度分別為81.3%和180%。（6）潮土脲酶與堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶活性之間具有正相關(guān)關(guān)系，脲酶與轉(zhuǎn)化酶活性分別與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系?？傮w來(lái)說(shuō)，與單純的施用化肥相比，添加有機(jī)肥和秸稈還田能使土壤酶活性處于較高水平，有利于土壤肥力的穩(wěn)步提高；NK肥比例對(duì)土壤酶產(chǎn)生顯著影響。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)期施肥；潮土；土壤酶活性；蛋白酶；脲酶；轉(zhuǎn)化酶；堿性磷酸酶

引用格式：李芳，信秀麗，張叢志，寧琪，趙金花，吳其聰，趙占輝，蔡太義，聶廣森，張佳寶. 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)華北潮土酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(6): 984-991.

LI Fang, XIN xiuli, ZHANG Congzhi, NING qi, ZHAO jinhua, WU Qicong, ZHAO Zhanhui, CAI taiyi, NIE guangsen, ZHANG Jiabao. Soil Enzyme Levels in fluvo-auic Soil with Different Long-term Fertilization in North China Plain [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 984-991.

土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一（Marxa等，2001），參與土壤中各種化學(xué)反應(yīng)和生物過(guò)程，與有機(jī)質(zhì)的礦化分解、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移、土壤環(huán)境等密切相關(guān)（García等，2008；Yao等，2006）。它不僅可以表征土壤物質(zhì)能量代謝旺盛程度、土壤微生物活性的高低，而且可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力的重要參數(shù)（Bastida等，2008）。土壤酶活性易受施肥方式、耕作措施、土壤物理化學(xué)性質(zhì)及氣候年變化、季節(jié)變化等多種因素的影響，研究結(jié)果差異性較大，而長(zhǎng)期定位試驗(yàn)?zāi)芸朔夂蚰觌H變化的影響（李娟，2009）?？煽啃?、穩(wěn)定性使其在土壤酶活性研究中得到廣泛應(yīng)用（An等，2013；陳歡等，2014）。

有機(jī)肥養(yǎng)分豐富，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供多種營(yíng)養(yǎng)，但是有機(jī)質(zhì)多數(shù)不能被植物直接利用，需要借助土壤微生物和土壤酶的降解作用。無(wú)機(jī)肥提供的養(yǎng)分可以被作物直接吸收利用，增產(chǎn)快，但是長(zhǎng)期施用會(huì)造成土壤板結(jié)、土壤綜合肥力下降等問(wèn)題。土壤是一種類生物體，為了更好地進(jìn)行土壤培肥，土壤生物化學(xué)指標(biāo)勢(shì)必引起重視。有機(jī)肥（雞糞、牛糞）能顯著增加土壤酶（淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶、脫氫酶）活性，提高土壤肥力（Bhoi和Mishra，2012），而長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤酶活性的影響并不顯著。不同類型的有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生的影響也不同，原因在于不同有機(jī)肥刺激了不同種類的土壤微生物（Stumpe等，2012）。長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥也會(huì)導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著變化（Feng等，2015）。土壤酶與土壤微生物之間關(guān)系密切，研究表明，白漿土的脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性與微生物活動(dòng)有直接關(guān)系；放線菌能釋放降解腐殖質(zhì)和木質(zhì)素的過(guò)氧化氫酶、酯酶和氧化酶等，木霉屬和腐霉屬真菌增加了C、N、P循環(huán)有關(guān)的酸性和堿性磷酸酶、脲酶、β-葡聚糖酶、纖維素分解酶和幾丁質(zhì)酶活性（Naseby等，2000；湯樹(shù)得，1982）。

我國(guó)屬于土壤資源嚴(yán)重制約型國(guó)家，華北平原是我國(guó)糧食主要產(chǎn)區(qū)之一，其土壤肥力高低關(guān)系到小麥、玉米等糧食作物高產(chǎn)與否。潮土是華北平原主要土壤類型之一，該土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低且難以積累、砂粒含量高、土壤結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分普遍缺乏，土壤肥力提升成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系十分密切，研究者已經(jīng)對(duì)潮土C循環(huán)相關(guān)土壤酶活性作了深入系統(tǒng)的研究（Yu等，2012）。本文基于典型潮土區(qū)長(zhǎng)達(dá)24～25年的田間定位試驗(yàn)，通過(guò)探討土壤酶活的變化規(guī)律及其相關(guān)性，以期為華北潮土合理施肥、土壤培肥提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1　材料與方法

1.1國(guó)家潮土肥力和肥料效益長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)站概況

國(guó)家潮土土壤肥力和肥料效益長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱鄭州試驗(yàn)站）于1990年在鄭州建立，位于河南省農(nóng)科院（34°47′N，113°40′E），成土母質(zhì)為黃河沖積物，海拔59 m，地下水位50～80 cm（雨季）和150～200 cm（旱季）（韓玉竹等，2011）。地處暖溫帶，年平均氣溫14.4 ℃，年降水量640.9 mm。種植制為小麥-玉米輪作。施肥處理包括：秸稈還田配施氮磷鉀肥（SNPK，2004年以前70%的氮由秸稈提供，2004年后就地秸稈還田，秸稈按提供50%的氮計(jì)算，剩余的氮由尿素補(bǔ)充）、有機(jī)肥配施氮磷鉀肥（MNPK）、高氮量施肥（N3PK）、缺素施肥（NP、NK）、低氮量施肥（N1PK)、不施肥對(duì)照（CK）。小區(qū)面積400 m2，不設(shè)重復(fù)。玉米季施肥量N 188 kg·hm-2、P2O594 kg·hm-2、K2O 94 kg·hm-2；N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5，磷鉀肥一次性施入，氮肥按基追比5∶5施入，追肥時(shí)間為灌漿期；小麥季施肥量N 165 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2。N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5，磷鉀肥一次性施入，氮肥按基追比5:5施入，追肥時(shí)間為返青期。低氮量施肥處理磷鉀肥不變，氮肥按120 kg·hm-2施入，基追比為5∶5。氮肥為尿素，含氮量45%；磷肥為過(guò)磷酸鈣，P2O5為12.05%；鉀肥為氯化鉀，含60%的K2O；有機(jī)肥為牛糞，其用量按照N 82.5 kg·hm-2的量計(jì)算施入，剩余的氮素由尿素補(bǔ)充。

表1　長(zhǎng)期試驗(yàn)地建立之初土壤pH及養(yǎng)分Table 1 Soil pH and nutrient contents at start of the long-term positioning fertilization experiments

1.2中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家試驗(yàn)站概況

中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家試驗(yàn)站（以下簡(jiǎn)稱封丘試驗(yàn)站）建于1989年，位于河南封丘縣中國(guó)科學(xué)院封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站內(nèi)（35°00′N，114°24′E），土壤為典型的華北潮土（耕層砂礫72.9%，粉粒17.5%，粘粒9.6%），來(lái)源于黃河沖積物。年平均氣溫為13.9 ℃，該地區(qū)屬于半干旱半濕潤(rùn)的暖溫風(fēng)帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量為597 mm，57%集中在7─9月。農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米，種植制度24年間無(wú)改變。有6個(gè)施肥處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為9.5 m×5 m。分別為：有機(jī)肥（OM）、氮磷鉀平衡施肥（NPK）、缺素施肥（NP、NK、PK）、不施肥對(duì)照（CK）。施肥量小麥玉米季相同，N 150 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1，氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀，有機(jī)肥為由稻草、豆秸和棉籽殼（100∶40∶45）堆漚而成。其中磷鉀肥一次性基肥施入，氮肥實(shí)施底肥加追肥的施肥方式，對(duì)于玉米栽培季，氮肥按基追比2∶3施入，追肥時(shí)間為灌漿期；對(duì)于小麥栽培季，氮肥按基追比3∶2施入，返青期追肥。氮肥為尿素，含氮為45.90%；磷肥為過(guò)磷酸鈣，含P2O5為9.73%；鉀肥為硫酸鉀，含K2O為51.10%。有機(jī)肥的用量為2758 kg·hm-2，其中N 150 kg·hm-2、C 1164 kg·hm-2、P 22.3 kg·hm-2、K 53.8 kg·hm-2，磷鉀含量用化肥補(bǔ)充到P2O575 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2水平。

建立試驗(yàn)地之初對(duì)兩地土壤養(yǎng)分和酸堿性進(jìn)行了測(cè)定并記錄，如表1。

1.3樣品的采集及測(cè)定方法

土壤樣品均于2014年10月玉米收獲后采集。每個(gè)小區(qū)用土鉆在耕層（0～15 cm）分別按照“S”形取3個(gè)點(diǎn)，剔除根系和石塊，混勻后過(guò)2 mm篩4 ℃保存供酶活性測(cè)試。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定：全氮采用凱氏定氮法（魯如坤，1999）147-148，有效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-比色法（魯如坤，1999）180-181，速效鉀采用1 mol·L-1醋酸銨浸提火焰光度法（魯如坤，1999）194-196，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法（魯如坤，1999）107-109，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法（魯如坤，1999）150-152，pH采用電位法（魯如坤，1999）13-14。

土壤酶活性測(cè)定：過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定用高錳酸鉀滴定法（關(guān)松蔭，1986）328，脲酶活性測(cè)定用苯酚鈉比色法（關(guān)松蔭，1986）299-302，轉(zhuǎn)化酶活性測(cè)定用3, 5-二硝基水楊酸比色法(關(guān)松蔭，1986)280-281；蛋白酶活性測(cè)定用茚三酮比色法(關(guān)松蔭，1986)307-309；堿性磷酸酶活性測(cè)定用磷酸苯二鈉比色法（Tabatabai和Bremner，1969）。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 17.0、GraphPad Prism 5.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析評(píng)價(jià)，平均值多重比較采用最小顯著極差法（LSD）。

2　結(jié)果

2.1長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土基本性質(zhì)的影響

如表2所示，經(jīng)過(guò)24年的定位施肥，鄭州實(shí)驗(yàn)地土壤性質(zhì)變化如下，酸堿性并沒(méi)有顯著改變（P>0.05），僅有N3PK處理土壤pH顯著降低。缺素施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照無(wú)顯著提升，缺磷處理有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照出現(xiàn)小幅度降低，N1PK、N3PK、MNPK、SNPK處理有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，分別較對(duì)照提高了27.8%、31.3%、52.2%、46.9%。有機(jī)肥、秸稈還田處理和NK處理的全氮含量有明顯提高，分別較對(duì)照提高了36.4%、49.1%、10.9%，其余施肥處理對(duì)土壤全氮含量無(wú)明顯提高。所有施肥處理均未顯著提高土壤有效磷含量（P>0.05）。NK、N1PK、SNPK處理速效鉀含量得到顯著提高，分別較對(duì)照提高了40.6%、50.0%、57.3%，其余施肥處理與對(duì)照無(wú)顯著性差異。在封丘試驗(yàn)地，不同施肥處理均降低了土壤pH值，以有機(jī)肥處理降低的幅度最小。NP、NPK、OM處理顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，有機(jī)質(zhì)含量分別較對(duì)照提高了38.9%、42.6%和153.9%，全氮含量分別較對(duì)照提高了36.4%、30.3%、154.8%。除了缺磷處理外，所有的施肥處理均顯著提高了土壤有效磷含量，以PK處理提高幅度最大，較對(duì)照提高了19倍。所有施用鉀肥的處理和有機(jī)肥處理均顯著提高了土壤速效鉀含量，NK、PK處理提高幅度大，分別較對(duì)照提高了382.4%和345.3%；NPK和OM處理提高幅度小，分別較對(duì)照提高了100.3%和130.4%，NP處理顯著降低了速效鉀含量，較對(duì)照降低了25.8%。

表2　2014年試驗(yàn)地土壤pH及養(yǎng)分Table 2 Soil pH and nutrient contents in 2014

2.2長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土酶活性的影響

2.2.1長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土過(guò)氧化氫酶活性的影響

過(guò)氧化氫酶（Hydrogen peroxidase）又稱觸酶（Catalase），能催化過(guò)氧化氫分解為水和分子氧（朱銘莪，2011）。酶活力定義，用于滴定土壤濾液所消耗的0.02 mol·L-1高錳酸鉀體積（mL）為B，用于滴定25 mL原始的過(guò)氧化氫混合液所消耗的高錳酸鉀體積（mL）為A。(A-B)×T即為過(guò)氧化氫酶活性。以2 h后1 g土壤的0.1 N高錳酸鉀的體積（mL）表示，T為高錳酸鉀滴定度的校正值（關(guān)松蔭，1986）328。如圖1A所示，鄭州試驗(yàn)站結(jié)果表明長(zhǎng)期施肥對(duì)于土壤過(guò)氧化氫酶活性影響不顯著，不同施肥處理之間無(wú)顯著性差異。而在封丘試驗(yàn)站的測(cè)定結(jié)果為氮鉀肥處理可以顯著提高潮土過(guò)氧化氫酶活性，較對(duì)照提高了40.2%；而氮磷肥處理在一定程度上降低過(guò)氧化氫酶活性，該處理在鄭州試驗(yàn)站和封丘試驗(yàn)站分別比對(duì)照處理降低了3.8%和20.8%，磷鉀肥處理、氮磷鉀肥處理、有機(jī)肥處理并沒(méi)有顯著地提高土壤過(guò)氧化氫酶活性。之前的研究也表明，過(guò)氧化氫酶活性受肥料類型的影響較小（邱現(xiàn)奎等，2010）。

2.2.2長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土蛋白酶活性的影響

土壤中蛋白酶是由于微生物活動(dòng)、植物根系分泌和動(dòng)植物殘?bào)w分解而富集起來(lái)的一種胞外酶，可將復(fù)雜的蛋白類營(yíng)養(yǎng)水解為氨基酸，參與土壤生物的氮素代謝，是促進(jìn)土壤氮循環(huán)的重要組分（Kamimuray和Hayano，2000）。研究表明，氨基酸態(tài)氮可被植物吸收，并且在植物生長(zhǎng)過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色（袁偉等，2009）。酶活力定義：1 g土樣在30 ℃和pH=7.4條件下，24 h水解酪素產(chǎn)生1 mg氨基酸為一個(gè)活力單位，以U·g-1表示（關(guān)松蔭，1986）309。如圖2，鄭州試驗(yàn)站結(jié)果表明，與對(duì)照相比，磷鉀肥處理的蛋白酶活性較對(duì)照提高了29%，而氮鉀肥處理的蛋白酶活性較對(duì)照降低20%，其余施肥處理均促進(jìn)蛋白酶活性的升高。封丘試驗(yàn)站的結(jié)果表明，與對(duì)照相比，各施肥處理均不同程度地促進(jìn)蛋白酶活性提高，氮鉀肥和有機(jī)肥處理，土壤蛋白酶活性分別較對(duì)照提高了119%和125%。在不施磷肥時(shí)，氮鉀肥的比例不同，對(duì)蛋白酶的影響也存在差異，氮鉀比為1∶1時(shí)可以有效促進(jìn)潮土蛋白酶活性的提高，而氮鉀比為2∶1時(shí)則對(duì)蛋白酶活性有一定的抑制作用。

圖1　長(zhǎng)期施肥對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響Fig. 1 Effects of long-term fertilization on catalase activity

圖2　長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土蛋白酶活性的影響Fig. 2 Effects of long-term fertilization on protease activity

2.2.3長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土脲酶活性的影響

脲酶是尿素胺基水解酶類的通稱，它是作用于線型C-N鍵的水解酶，這種酶可催化尿素水解為二氧化碳和氨，在有機(jī)氮的礦化中起關(guān)鍵作用（Byrnes和Freney，1996）。在土壤酶中，脲酶是唯一對(duì)氮素肥料——尿素具有重大影響的酶（吳坤和張世敏，2004）。酶活力定義，以1 g土樣在37 ℃和pH=6.7的條件下，24 h水解尿素產(chǎn)生1 mg NH3-N為一個(gè)酶活單位，用U·g-1表示（關(guān)松蔭，1986）302。如圖3所示，與對(duì)照相比，有機(jī)肥處理脲酶活性明顯提高，在鄭州試驗(yàn)站和封丘試驗(yàn)站分別較對(duì)照提高了41.1%和106.4%；封丘試驗(yàn)站中，NPK處理的脲酶活性較對(duì)照提高了64.2%。鄭州試驗(yàn)站的研究結(jié)果證明，秸稈還田和單施化肥對(duì)土壤脲酶活性的提高不顯著（P>0.05）。

圖3　長(zhǎng)期施肥對(duì)脲酶活性的影響Fig. 3 Effects of long-term fertilization on urease activity

圖4　長(zhǎng)期施肥對(duì)堿性磷酸酶活性的影響Fig. 4 Effects of long-term fertilization on alkaline phosphatase activity

圖5　長(zhǎng)期施肥對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性的影響Fig. 5 Effects of long-term fertilization on invertase activity

2.2.4長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶是一類可催化酯酐酸水解的酶的通稱，分為酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和中性磷酸酶，目前研究最多的是酸性磷酸酶，其次為堿性磷酸酶，中性磷酸酶活性最少，研究也最少（Ekenler和Tabatabal，2003）。有機(jī)磷占土壤總磷的30%～50%，土壤有機(jī)磷在磷酸酶酶促反應(yīng)水解的作用下，可轉(zhuǎn)化為植物能利用的形態(tài)（Sakurai等，2008）。本研究中土壤呈堿性，故測(cè)定了堿性磷酸酶活性。酶活力定義，以1g土樣在37 ℃和pH=9.8的條件下，2 h后生成的1 mg P2O5為一個(gè)酶活單位，用U·g-1表示（關(guān)松蔭，1986）302。如圖4，在兩個(gè)試驗(yàn)地區(qū)，不同施肥處理對(duì)潮土堿性磷酸酶活性的影響差異不顯著（P>0.05），僅秸稈還田配合氮磷鉀施肥處理與對(duì)照存在顯著性差異，酶活較對(duì)照提高了133.5%。同時(shí)，缺乏磷肥的處理堿性磷酸酶活性最低，一方面是由于華北潮土本身就缺磷，增施氮肥鉀肥使的磷肥更加相對(duì)缺乏，導(dǎo)致堿性磷酸酶活性降低（Zhao等，2013）。

2.2.5長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土轉(zhuǎn)化酶活性的影響

轉(zhuǎn)化酶又稱蔗糖酶，是土壤中重要酶類，其活性主要與土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷含量、微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度有關(guān)（郭彥等，2014）。其活性以1 g土樣在37 ℃和pH=5.5的條件下，24 h水解產(chǎn)生1 mg葡萄糖為一個(gè)酶活單位，用U·g-1表示（關(guān)松蔭，1986）281。在鄭州試驗(yàn)站的結(jié)果表明（圖5A），各種施肥處理均可顯著提高土壤轉(zhuǎn)化酶活性，其中以秸稈還田處理轉(zhuǎn)化酶活性最高，比不施肥對(duì)照高439%，缺磷處理酶活提高幅度最低，比不施肥對(duì)照提高了95.5%；在封丘試驗(yàn)站得到不同的結(jié)果（圖5B），長(zhǎng)期缺氮處理和氮磷鉀施肥處理不能提高轉(zhuǎn)化酶活性，氮鉀肥處理和有機(jī)肥處理對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性有明顯提高，與對(duì)照相比分別提高了81.3%、180%。在不施磷肥的處理中，氮鉀肥比例對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性有顯著影響。

2.3潮土土壤酶活性相關(guān)性分析

在鄭州試驗(yàn)站和封丘試驗(yàn)站的結(jié)果均表明，潮土土壤酶活性之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系（表2）。脲酶與轉(zhuǎn)化酶、脲酶與堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶與堿性磷酸酶之間的正相關(guān)關(guān)系均達(dá)到顯著水平，這與前人研究結(jié)果一致（路怡青等，2013）。根據(jù)表2，鄭州土壤蛋白酶與脲酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶存在正相關(guān)關(guān)系（P≤0.05）；而封丘土壤蛋白酶與脲酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性均不顯著（P>0.05）。由此可見(jiàn)，催化養(yǎng)分循環(huán)的幾大酶系之間是相互緊密聯(lián)系的，共同調(diào)控土壤的物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)循環(huán)平衡。

土壤酶與土壤基本性質(zhì)相關(guān)性分析表明（表3），土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性分別與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量正相關(guān)，相關(guān)性在兩個(gè)試驗(yàn)地均達(dá)到顯著水平。土壤脲酶活性與pH值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在鄭州試驗(yàn)地相關(guān)性顯著，在封丘試驗(yàn)地相關(guān)性不顯著（P=0.072）。堿性磷酸酶活性與有效鉀含量之間存在正相關(guān)關(guān)系，在鄭州試驗(yàn)地相關(guān)性顯著，在封丘試驗(yàn)地相關(guān)性不顯著（P=0.431）。過(guò)氧化氫酶與有效鉀之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在封丘試驗(yàn)地相關(guān)性顯著（P=0.012），在鄭州試驗(yàn)地相關(guān)性不顯著（P=0.834）。土壤蛋白酶活性與土壤性質(zhì)之間相關(guān)性在兩地存在較大差異，推測(cè)是由于施肥氮鉀比例不同造成的。

表3　土壤酶活、pH與養(yǎng)分之間相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficients among soil enzyme activities、pH and nutrient contents

3　討論

鄭州試驗(yàn)站的土壤酶活性與封丘試驗(yàn)站土壤酶活性不同施肥處理之間存在較大差異，分析原因如下。首先，采樣時(shí)兩塊試驗(yàn)地玉米秸稈均已砍伐并未運(yùn)走，鄭州試驗(yàn)站普遍有雜草生長(zhǎng)，植物根系土壤酶活受到較大影響，而封丘長(zhǎng)期試驗(yàn)站基本無(wú)雜草生長(zhǎng)，土壤表面裸露在空氣中。地上作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期，土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶活性表現(xiàn)出顯著的差異性（邱現(xiàn)奎等，2010；Zhao等，2013）。其次，本實(shí)驗(yàn)采用鮮土測(cè)量酶活，河南省農(nóng)科院試驗(yàn)站各施肥處理含水量均在20%左右，各個(gè)施肥處理之間不存在顯著性差異（P>0.05）；而封丘試驗(yàn)站各施肥處理含水量在15%左右，不同施肥處理之間不存在顯著性差異（P>0.05）。含水量不同對(duì)土壤中空氣含量產(chǎn)生較大影響，而土壤水、空氣是土壤生物生存的重要環(huán)境條件，通過(guò)影響土壤生物進(jìn)一步對(duì)土壤酶活產(chǎn)生影響（曹志平，2007P26）。施用的K肥種類不同，河南省農(nóng)科院試驗(yàn)站鉀肥采用氯化鉀，氮鉀比為2∶1，封丘試驗(yàn)站鉀肥采用硫酸鉀，氮鉀比為1∶1。試驗(yàn)站初期基本養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)說(shuō)明，封丘試驗(yàn)站潮土在開(kāi)始試驗(yàn)有機(jī)質(zhì)含量很低，極度缺磷（有效磷），比較貧瘠，而鄭州試驗(yàn)地的潮土有機(jī)質(zhì)含量高，相對(duì)缺磷（有效磷）程度小，而兩地全磷含量差異不大，原因是鄭州試驗(yàn)地高的堿性磷酸酶活性促進(jìn)了有效磷的產(chǎn)生。同時(shí)，鄭州試驗(yàn)站鉀含量低，施氮水平高于封丘試驗(yàn)站，封丘試驗(yàn)站土壤全鉀含量高（表1），而且在后期施肥中施鉀肥的量大也是造成這種差異的原因之一。

不同的氮鉀肥比例可顯著影響土壤酶活性。氮鉀肥處理下，氮鉀比為2∶1時(shí)，對(duì)土壤蛋白酶活性產(chǎn)生一定的抑制作用，對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性的提高明顯低于氮磷肥、磷鉀肥處理；而當(dāng)?shù)浄时葹?∶1時(shí)，土壤蛋白酶活性比對(duì)照提高了119%，同樣，對(duì)于土壤轉(zhuǎn)化酶活性的提高作用大于其他化肥處理。在磷限制性水稻土長(zhǎng)期試驗(yàn)中通過(guò)16s rRNA分析，NK和NPK處理（氮鉀比接近1∶1）可以顯著提高與N、C、P、S循環(huán)相關(guān)的基因多樣性（Su等，2015）。研究表明，氮肥通過(guò)抑制酶活力和累積毒性化合物來(lái)減少微生物的活性，特別是腐生菌和菌根真菌（曹志平，2007）177。對(duì)于不同的土壤條件，氮鉀肥的比例對(duì)于土壤環(huán)境具有重要影響。

增施有機(jī)肥可顯著提高土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性，這兩種酶廣泛存在于土壤中，為植物和土壤微生物提供簡(jiǎn)單的氮源和碳源（Antonious，2003）。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可大幅度提高土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量，明顯提高土壤微生物活性和土壤酶活性，可以更好的培肥土壤（曹志平，2007）177。研究表明NPK肥的缺素施肥對(duì)于土壤轉(zhuǎn)化酶活性只產(chǎn)生有限的影響，有機(jī)肥處理和氮磷鉀平衡施肥處理C循環(huán)相關(guān)酶活性的提高主要是由于提高了土壤有機(jī)碳含量（Yu等，2012）。有機(jī)質(zhì)的添加通過(guò)增加磷酸鹽增溶細(xì)菌的多樣性而提高了磷酸酶活性（Lee等，2003；Mandal等，2007；Yang等，2006），然而到目前為止，沒(méi)有明確的證據(jù)證明產(chǎn)磷酸酶細(xì)菌多樣性與土壤磷酸酶活性的相關(guān)關(guān)系（Sakurai，2008）。本實(shí)驗(yàn)中，不論在鄭州試驗(yàn)站還是封丘試驗(yàn)站，有機(jī)肥的添加均未對(duì)土壤堿性磷酸酶產(chǎn)生顯著影響，兩地土壤基礎(chǔ)磷含量都很低，磷肥的施肥量也都保持較低水平，而有機(jī)肥的加入，首先提高微生物活性，作為細(xì)胞膜重要組成物質(zhì)，磷元素被大量消耗，在玉米收獲后，新施入的磷被消耗殆盡，導(dǎo)致該取樣時(shí)期磷酸酶活性的普遍較低。

秸稈還田配合氮磷鉀平衡施肥顯著提高了土壤堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶酶活性，這與前人研究結(jié)果一致（路怡青等，2013；賈偉等，2008；Mandal，2007）。長(zhǎng)期秸稈還田導(dǎo)致土壤中的纖維素、多糖含量較高，秸稈分解產(chǎn)生一定量的轉(zhuǎn)化酶，在秋季秸稈還田處理轉(zhuǎn)化酶活性明顯升高（鄒軍等，2013）。在秸稈的早期分解中，真菌起主導(dǎo)作用，真菌的菌絲快速生長(zhǎng)并且能在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，比細(xì)菌更能適應(yīng)枯枝落葉中較大的環(huán)境溫度、濕度變化，可以通過(guò)植物細(xì)胞壁來(lái)攝取植物細(xì)胞內(nèi)的碳水化合物，細(xì)菌在后期分解中起主導(dǎo)作用。微生物分泌到細(xì)胞外的酶可以和底物形成復(fù)合體或者被土壤粘粒和腐殖質(zhì)吸附，保持較長(zhǎng)時(shí)間的酶活，催化有機(jī)物的降解（曹志平，2007）143。

土壤酶作為土壤肥力的生物指標(biāo)備受研究者的關(guān)注。由于來(lái)源廣泛，土壤酶受多種因素的影響，如土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分、土壤微生物、地表植物等。不同的施肥處理通過(guò)這些復(fù)雜的中間因素來(lái)影響土壤酶活，所以在酶活性研究上往往會(huì)出現(xiàn)一些相悖或相似的結(jié)果和觀點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中，相隔不到百里的兩個(gè)試驗(yàn)地出現(xiàn)明顯不同的結(jié)果，除了施肥措施外，我們正從土壤結(jié)構(gòu)和粘土礦物差異兩方面進(jìn)行探索。

4　結(jié)論

與不施肥對(duì)照相比，長(zhǎng)期施肥可提高多種土壤酶活性，為土壤微生物提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，對(duì)于土壤培肥也有一定的作用。與單施化肥相比，添加有機(jī)肥和秸稈還田處理能使土壤酶活性處于較高水平，有利于土壤肥力的穩(wěn)步提高。NK肥比例對(duì)土壤酶活性影響顯著。氮鉀肥為2∶1時(shí)，NK肥處理土壤蛋白酶活性降低20%，對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性的提高幅度相對(duì)于其它化肥處理最低，而氮鉀肥為1∶1時(shí)，NK肥處理土壤蛋白酶活性提高119%，對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性的提高幅度相對(duì)于其他化肥處理最高。

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Soil Enzyme Levels in Fluvo-auic Soil with Different Long-term Fertilization in North China Plain

LI Fang, XIN xiuli, ZHANG Congzhi, NING qi, ZHAO jinhua, WU Qicong, ZHAO Zhanhui, CAI taiyi, NIE guangsen, ZHANG Jiabao
1. Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Agronomy College of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Fengqiu national agro-ecosystem Experimental Station, State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing Institute of Soil Science, CAS, Nanjing 210008, China

Abstract:Soil enzyme activities, as an important biological indicator of soil fertility, can quickly reflect the change of soil properties. In order to improve the fertility of fluvo-auic soil, we assessed the effects of long-term fertilization on Soil enzyme activities. Based on two long-term fertilization experiments located in Zhengzhou and Fengqiu, the activities of urease, alkaline phospahtase, catalase, protease and invertase under different fertilization treatments in plough layer soil (0～15 cm) were investigated, as well as the correlations between soil enzyme activities and soil chemical properties were analyzed. The results showed that: (1) Although both of topsoil types at two field experiments were fluvo-auic soil, the effects of different fertilization on soil enzyme activities were very different. Soil catalase activities was not significant influenced by long-term fertilization in Zhengzhou, whereas NK fertilization increased the soil catalase activities by 58.3% compared with control in Fengqiu. (2) Without the application of phosphate fertilizer, protease activity increased by 119% compared with the control when the ratio of nitrogen and potassium was 1∶1; however, protease activity descended by 20% when the ratio was 2∶1. (3) Different fertilization was helpful for the urease enzyme activity, and the highest urease enzyme activity was found in organic compost treated soil, which increased by 41.1% and 106.4% in Zhengzhou and Fengqiu, respectively. (4) Long-term fertilization did not significantly increase the soil alkaline phosphatase activity, nevertheless the straw incorporated treatment dominantly induce the activity of alkaline phosphatase by the percent of 133.5% in comparison with that in the CK plots; (5) Invertase activity of all fertilization treated soil was improved in Zhengzhou, and the increase ranged 95.5% in the NK plots to 439% in straw incorporated fertilizer plots. In Fengqiu, compared to the control, NK,OM fertilization improved the invertase activity, 81.3%, 180% respectively. And (6) there was a positive correlation among urease activity, alkaline phosphatase activity and invertase activity, and urease activity and invertase activity positively related to soil organic matter and total N, respectivly. The result suggested that compost and straw application made the soil enzyme activity remain at a high level and contributed to improvement of soil fertility compared with mineral fertilization treatment, and the ratio of N/K exerted an significant influence on soil enzyme activity

Key words:long-term fertilization; loam soil; soil enzyme activities; catalase; protease; urease; invertase; alkaline phosphatase

收稿日期：2015-01-29

*通信作者：張叢志（1980年生），男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田土壤地力提升。E-mail: czzhang@issas.ac.cn 張佳寶（1957年生），男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田生態(tài)系過(guò)程長(zhǎng)期演變規(guī)律與地力提升機(jī)理。E-mail: jbzhang@issas.ac.cn

作者簡(jiǎn)介：李芳（1990年生），女，博士研究生，主要從事土壤結(jié)構(gòu)形成的微生物響應(yīng)機(jī)制等方面的研究。E-mail: lifang7108@163.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)課題(XDB15030302，XDA0505050203)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2014CB954500，2011CB100506）；國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)面上基金項(xiàng)目(41471182)；中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（KFJ-EW-STS-055-4），中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（ISSASIP1118）

中圖分類號(hào)：S154.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）06-0984-08

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.012