河北低平原夏玉米高產(chǎn)田土壤酶與肥力特征

喬繼杰++馬振朝++王瑋++張麗娟++劉會玲++郝曉然++吉艷芝

摘要：通過采集河北低平原曲周、辛集、深州、景縣、吳橋、固安6個縣（市）玉米高產(chǎn)田的土壤樣品，研究夏玉米高產(chǎn)田土壤酶活性的變化特征與土壤理化性質(zhì)、玉米產(chǎn)量的相關性。結(jié)果表明，除過氧化氫酶與產(chǎn)量呈顯著正相關，其他3種酶與產(chǎn)量均呈極顯著正相關，相關性大小依次為脲酶>蔗糖酶>磷酸酶>過氧化氫酶，相關系數(shù)分別為 0.791 3、0571 8、0.313 6、0.265 0。在酶與土壤理化性狀方面，脲酶與土壤容重呈極顯著負相關性，相關系數(shù)為 -0.727 5，與總孔隙度呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.729 8，其他3種酶與土壤物理性狀沒有明顯相關性。脲酶與有機質(zhì)、速效鉀呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.656、0.219。全氮與4種酶均有極顯著關系，相關性大小依次為蔗糖酶>磷酸酶>脲酶>過氧化氫酶，相關系數(shù)分別為0.771、0.757、0.734、0.723。磷酸酶與速效磷、速效鉀均呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.585、0.365。蔗糖酶、磷酸酶與pH值呈極顯著負相關，相關系數(shù)分別為-0.731、-0.234。在4種酶之間，脲酶與磷酸酶、過氧化氫酶均呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.344 6、0.279 5。磷酸酶與蔗糖酶呈極顯著正相關性，相關系數(shù)為 0.582 4。其他酶之間沒有相關性。表明土壤酶是高產(chǎn)種植模式下的重要指標。

關鍵詞：夏玉米；高產(chǎn)田；土壤酶；土壤肥力；河北低平原

中圖分類號： S513.06文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0484-04

收稿日期：2015-10-20

基金項目：國家科技支撐計劃糧食豐產(chǎn)科技工程河北省項目區(qū)（編號：2013BAD07B05、2012BAD04B06、2011BAD16B08）。

作者簡介：喬繼杰（1992—），女，河北懷安人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境質(zhì)量方面的研究。E-mail：qiaojijie123@sina.cn。

通信作者：吉艷芝，副教授，碩士生導師，主要從事土壤環(huán)境質(zhì)量方向研究。E-mail：jiyanzhi@hebau.edu.cn。

玉米是我國重要的糧食作物，2013年，全國夏玉米種植面積為3 618.340萬hm2，總產(chǎn)量達21 848.90萬t，2014年總產(chǎn)量為21 564.63萬t。河北省地處華北平原的北部，2013年，夏玉米播種面積為310.877萬hm2，總產(chǎn)量達到 1 730.92 萬t，低平原農(nóng)區(qū)種植夏玉米歷史悠久，面積和產(chǎn)量均居河北省首位[1]。土壤肥力高低是影響作物產(chǎn)量的一個重要因素[2]，土壤肥力對玉米產(chǎn)量的貢獻率為47.3%[3]。土壤酶作為土壤組分中最為活躍的有機組分之一，參與土壤中的各種生物轉(zhuǎn)化過程，不僅能夠反映生物活性的高低，表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的快慢，還可以作為評價土壤肥力高低的一個重要生物指標[4]，并與土壤理化特性、肥力狀況和農(nóng)業(yè)措施有顯著的相關性[5]。目前，我國正在大力提倡穩(wěn)定現(xiàn)有高產(chǎn)田、培肥中低產(chǎn)糧田，以現(xiàn)有高產(chǎn)田為研究對象，研究土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的關系，對解決高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、保障糧食安全具有重要意義。

土壤酶與土壤肥力、作物產(chǎn)量之間息息相關，武曉森等通過研究不同施肥處理下玉米產(chǎn)量及其與土壤酶活性的關系發(fā)現(xiàn)，在夏玉米拔節(jié)期和大喇叭口期土壤酶（脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶）活性與玉米產(chǎn)量具有極顯著的正相關，拔節(jié)期相關系數(shù)分別為0.824*[KG-*3]*、0.896*[KG-*3]*、0.760*[KG-*3]*；大喇叭口期相關系數(shù)分別為0.678*[KG-*3]*、0.749*[KG-*3]*、0.869*[KG-*3]*，得出這3種酶可作為土壤的生物肥力指標[6]。王燦等通過對長期不同施肥模式下土壤酶活性與肥力因素的研究，表明作物產(chǎn)量與土壤脲酶有極顯著的相關性，相關系數(shù)為0.845*[KG-*3]*，與速效磷呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.884*[KG-*3]*，與其他土壤養(yǎng)分的相關性不明顯[7]。Vance等以美國俄勒岡州山間荒地和紅杉林為研究對象，發(fā)現(xiàn)土壤酶活性能更好地反映土壤有機質(zhì)的累積，從而反映出土壤酶是土壤肥力的重要指標[8]。邱麗萍等在長期定位試驗中也發(fā)現(xiàn)，脲酶與有機質(zhì)呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.990*[KG-*3]*，與全氮、全磷也呈極顯著正相關，而蔗糖酶與土壤養(yǎng)分沒有明顯的相關性[9]。王改玲等研究表明，土壤酶參與土壤生物化學過程，是土壤的重要組分，能表征土壤中物質(zhì)、能量代謝旺盛程度[10]。趙林森等在楊槐混交林上的研究表明，脲酶活性與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關，與全氮、堿解氮、速效磷呈極顯著正相關，過氧化氫酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷含量都存在一定的相關性，但均未達顯著水平[11]。張炎華等研究發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷等指標均呈顯著或極顯著相關關系；磷酸酶與磷轉(zhuǎn)化密切相關，是指示土壤管理系統(tǒng)集中和土壤有機質(zhì)含量的重要指標[12]。劉楠等以河北省山前平原的現(xiàn)有高產(chǎn)田和常規(guī)農(nóng)田為研究對象，研究秸稈還田條件下夏玉米生長季土壤酶活性及生物特性的變化特征，結(jié)果高產(chǎn)田土壤磷酸酶活性、微生物量磷與土壤有機磷、有效磷呈顯著正相關[13-14]。侯鵬等通過在國家玉米工程技術研究中心試驗場進行夏玉米生長季農(nóng)田土壤微生物與酶活性的研究，結(jié)果超高產(chǎn)田土壤酶活性與土壤速效養(yǎng)分動態(tài)變化呈負相關[15]。王冬梅等研究認為，長期施用有機肥能提高土壤中過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶與脲酶的活性，而氮肥對這3種酶則具有抑制作用[16]。

關于土壤酶的動態(tài)變化、土壤酶與產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的研究也有相關報道，但研究均針對某個試驗地點展開，而有關大區(qū)域、多樣點的研究工作開展較少。本研究以河北省低平原農(nóng)區(qū)的曲周、辛集、深州、景縣、吳橋、固安等6個縣（市）的玉米高產(chǎn)田為對象，研究高產(chǎn)栽培模式下土壤酶的變化特征以及與玉米產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)的關系，以期明確土壤酶作為評價土壤肥力變化的可行性，為玉米高產(chǎn)田培肥提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

選取糧豐工程河北項目區(qū)低平原農(nóng)區(qū)的曲周、辛集、固安、深州、景縣、吳橋6個縣（市）高產(chǎn)攻關田為研究區(qū)。該區(qū)域年平均氣溫為11.0～13.3 ℃，年降水量為550～650 mm，≥0 ℃積溫為4 500～5 100 ℃。該區(qū)主要為冬小麥、夏玉米兩熟種植制度，高產(chǎn)田和對照田的夏玉米產(chǎn)量分別為9.09、7.43 t/hm2；研究區(qū)以施化肥為主，高產(chǎn)田平均施N、P2O5、K2O的量分別為255、105、135 kg/hm2；對照田平均施N、P2O5、K2O量分別為375、150、90 kg/hm2。

1.2試驗設計

在夏玉米種植前采集0～30 cm的土樣，每塊高產(chǎn)攻關田采集3個樣點，每個樣點取3點，混合為1個土樣，共采集90個土壤樣品，同時采集相應的農(nóng)民傳統(tǒng)田為對照。將土樣帶回實驗室，土樣風干處理后測定土壤的理化性質(zhì)和土壤酶活性。

1.3測定方法

1.3.1

土壤理化性質(zhì)的測定pH值采用酸度計法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法；全氮用硫酸過氧化氫消煮蒸餾法；速效磷采用鉬銻抗比色法；陽離子交換量采用醋酸銨浸提法。

1.3.2

土壤酶的測定脲酶采用比色法，利用酶促作用產(chǎn)物氨與苯酚鈉和次氯酸鈉反應顯色，在分光光度計上于波長578 nm處比色，以24 h后每克土NH4+-N的毫克數(shù)表示其活性；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，用高錳酸鉀滴定反應剩余的過氧化氫，以20 min后每克土消耗0.02 mol/L高錳酸鉀毫升數(shù)表示其活性；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；蔗糖酶采用比色法。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)及相關性分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤理化性質(zhì)

從表1可以看出，高產(chǎn)田土壤容重平均為1.21 g/cm3，比對照田1.26 g/cm3低；高產(chǎn)田總孔隙度為54.29%，比對照田 52.28% 高；土壤有機質(zhì)為18.50 g/kg，全氮為1.07 g/kg，按照我國第二次土壤普查的養(yǎng)分含量標準，有機質(zhì)、全氮均處于中等水平；速效磷、速效鉀分別為26.85、205.08 mg/kg，處于高水平和富水平；土壤陽離子交換量為9.03 cmol/kg，保肥能力稍低。表明夏玉米高產(chǎn)田土壤疏松，通透性較好，但應適當增施有機肥，控施磷鉀肥，提高土壤的保肥能力。

2.2土壤酶活性

從表2可以看出，高產(chǎn)田土壤中脲酶含量變化范圍在 0.73～1.50 NH4+-N mg/g，平均為1.14 NH4+-N mg/g，固安縣、深州市、辛集市的脲酶含量較其他縣高，由于脲酶是土壤中唯一水解尿素的一種酶，可以用來表征土壤中的氮素水平高低，因此這3個縣（市）的全氮含量也較其他縣高。過氧化氫酶的變化范圍在2.71～3.83 mL/g，平均值為 3.36 mL/g，其中深州市、固安縣、辛集市分別以3.83、3.77、3.60 mL/g含量最高，由于過氧化氫酶是一種還原酶，參與土壤的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，尤其是在有機質(zhì)氧化和腐殖質(zhì)形成過程中起著十分重要的作用，其活性可以表征土壤腐殖質(zhì)化強度大小和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化速度[17]，這3個縣（市）的全氮含量也較其他縣高。蔗糖酶含量為8.79～28.89 mg/g，平均值為1823 mg/g，由于蔗糖酶對增加土壤中易溶性物質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)起著重要作用，其活性常被用來表征土壤的熟化程度和肥力水平，而通常測定有機質(zhì)、土壤全氮、速效鉀、速效磷項目指標，基本上能反映土壤熟化的程度，其中深州市、景縣、固安縣蔗糖酶活性分別為28.89、27.85、24.81 mg/g，含量較高，而這3個縣（市）在這些指標方面基本上都略高于其他縣。磷酸酶變化范圍在5.80～14.04 mg/g，平均值為9.87 mg/g，磷酸酶活性直接影響土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化，6個縣域中深州市、固安縣、景縣磷酸酶活性較高，分別是14.04、10.14、10.10 mg/g，這3個縣（市）速效磷含量也比較高?？傮w來說，土壤酶以結(jié)合態(tài)或游離態(tài)存在于土壤固相或液相中，參與土壤有機質(zhì)的分解與合成及氮磷鉀等一切物質(zhì)循環(huán)[12]，因此土壤酶活性與土壤理化性狀密切相關。

2.3土壤酶活性與夏玉米產(chǎn)量的關系

從表3可以看出，脲酶與玉米產(chǎn)量的線性方程為y=3 015.5x+5 458.7（r=0.791 3*[KG-*3]*）；蔗糖酶與玉米產(chǎn)量線性方程為y=40.628x+7 516（r=0.571 8*[KG-*3]*）；過氧化氫酶與玉米產(chǎn)量線性方程為y=444.06x+6 861.5（r=0.265 0*）；磷酸酶與玉米產(chǎn)量方程為y=255.44x+5 858.2（r=0.313 6*[KG-*3]*）?？梢缘贸鐾寥烂概c玉米產(chǎn)量相關性由大到小依次為脲酶>蔗糖酶>磷酸酶>過氧化氫酶，其中脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶與玉米產(chǎn)量呈極顯著正相關性，而過氧化氫酶與玉米產(chǎn)量呈顯著正相關，表明土壤酶活性與夏玉米產(chǎn)量關系十分密切，土壤酶活性可以表征夏玉米產(chǎn)量高低。

2.4土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的關系

2.4.1土壤酶與物理性質(zhì)的關系從表4可以看出，土壤脲酶與土壤容重呈極顯著負相關，相關系數(shù)為-0.725 2*[KG-*3]*，即土壤容重越大，脲酶活性較低；土壤脲酶與總孔隙度呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.729 8*[KG-*3]*，即土壤孔隙度越大，脲酶活性越高；與田間持水量沒有相關性。其他3種酶與土壤容重、總孔隙度、田間持水量均沒有相關性，表明土壤物理性質(zhì)與脲酶關系更為密切。

2.4.2土壤酶與化學性質(zhì)的關系

從表5可以看出，土壤脲酶與有機質(zhì)、速效鉀均呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0656*、0.219*；土壤脲酶與全氮呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.734*[KG-*3]*，這歸因于脲酶是唯一可以水解尿素的酶，它可以表征氮素水平的高低，脲酶對全氮的影響是直接的，它對有機質(zhì)、速效鉀的影響可能表現(xiàn)為間接影響；與其他指標沒有明顯的相關性。蔗糖酶與全氮、速效鉀、CEC表現(xiàn)為極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.771*[KG-*3]*、0.630*[KG-*3]*、0.630*[KG-*3]*；與pH值呈極顯著負相關，相關系數(shù)為-0.731*[KG-*3]*，土壤酸堿性對蔗糖酶活性影響極為顯著，隨著土壤pH值的增大，蔗糖酶活性降低。蔗糖酶與這些指標的顯著性歸因于蔗糖酶可以反映土壤的熟化程度，這些指標均可以反映土壤的熟化程度和肥力高低水平。過氧化氫酶與全氮含量呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.723*[KG-*3]*，與其他指標無明顯的相關性。磷酸酶與全氮、速效鉀、速效磷、CEC呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為 0.757*[KG-*3]*、0.585*[KG-*3]*、0.365*[KG-*3]*、0.385*[KG-*3]*；與pH值呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.234*，表明土壤pH值越高，磷酸酶活性越低，磷酸酶活性受土壤酸堿性影響，磷酸酶直接影響土壤中有機磷的分解轉(zhuǎn)化，因此磷酸酶與速效磷關系較為密切，它直接影響速效磷，對其他指標是間接影響。

2.5土壤酶活性間的相關性

從表6可以看出，不同地區(qū)微生物酶含量中蔗糖酶、脲酶的變異系數(shù)較大，反映了不同地區(qū)微生物酶變化的差異性；脲酶與過氧化氫酶和磷酸酶均呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.279 5*[KG-*3]*、0.344 6*[KG-*3]*。磷酸酶與蔗糖酶呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.582 4*[KG-*3]*。其他酶之間沒有相關性。

3討論與結(jié)論

土壤酶與土壤肥力和作物產(chǎn)量之間息息相關，本研究4種土壤酶均與夏玉米產(chǎn)量呈顯著正相關，脲酶、蔗糖酶、磷酸酶與產(chǎn)量呈極顯著正相關，相關性大小依次為脲酶>蔗糖酶[CM（25]>磷酸酶>過氧化氫酶，相關系數(shù)為0.791 3*[KG-*3]*>[CM）]

本結(jié)果與武曉森等在不同施肥處理下夏玉米的產(chǎn)量與土壤酶活性的研究結(jié)論有相似之處：脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶與玉米產(chǎn)量呈極顯著正相關，拔節(jié)期相關系數(shù)分別為0.824*[KG-*3]*、0.896*[KG-*3]*、0.760*[KG-*3]*；大喇叭口期相關系數(shù)分別為0.678*[KG-*3]*、0.749*[KG-*3]*、0.869*[KG-*3]*[6]。本研究中土壤脲酶與土壤容重呈極顯著負相關，相關系數(shù)為 -0.725 2*[KG-*3]*；與總孔隙度呈極顯著正相關，相關系數(shù)為 0.729 8*[KG-*3]*；與田間持水量沒有相關性。其他3種酶與土壤容重、總孔隙度、田間持水量均沒有相關性。王樹起等在長期定位試驗中研究了不同土地利用和施肥方式對土壤酶活性和相關肥力因子的影響，結(jié)果表明，土壤酶活性與土壤有效養(yǎng)分含量間呈顯著或極顯著的正相關[18]。孫瑞蓮等在長期定位試驗中研究，結(jié)果表明，磷酸酶與土壤速效磷有極顯著相關性，與速效鉀含量有顯著相關性；脲酶與土壤有機質(zhì)及速效鉀呈顯著相關，過氧化氫酶與各土壤養(yǎng)分之間沒有明顯的相關性[19]。本研究結(jié)果，土壤脲酶與有機質(zhì)、全氮、速效鉀均呈顯著正相關，與其他指標沒有明顯的相關性，這是歸因于眾多微生物酶中脲酶是一種中性酶，可以分解有機質(zhì)，促其分解生成NH3和CO2，脲酶是土壤中最活躍的水解酶類之一，與土壤供氮能力密切相關，能夠表征土壤氮素的供應程度。本結(jié)果與趙林森等在楊槐混交林上的研究脲酶活性與有機質(zhì)和全氮呈顯著正相關結(jié)論[11]相一致。蔗糖酶與全氮、速效鉀、CEC表現(xiàn)為顯著正相關，與pH值呈現(xiàn)顯著負相關。單奇華等認為，pH值與過氧化氫酶呈極顯著正相關[20]，本研究與其結(jié)論相反，說明僅通過線性相關分析把酶作為評價土壤肥力指標有值得商榷之處。過氧化氫酶與全氮含量呈顯著正相關，與其他指標無明顯的相關性，過氧化氫酶的活性在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程和氧化還原能力的強弱。磷酸酶與速效磷、速效鉀等呈極顯著正相關，由于磷酸酶可以使土壤中的有機磷轉(zhuǎn)化成可以供植物吸收的有機磷。在酶活性方面，磷酸酶與脲酶、蔗糖酶之間呈極顯著正相關，脲酶與過氧化氫酶呈極顯著正相關，本研究結(jié)果與司志國等研究徐州綠地表層土壤酶活性中蔗糖酶與磷酸酶之間呈顯著正相關有相同之處[21]，表明土壤酶與土壤肥力之間具有不同程度的相關性，研究結(jié)果為夏玉米高產(chǎn)田的培肥提供了理論依據(jù)。

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