不同施肥措施對農田黑土剖面土壤酶活性特征的影響

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(中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

輪作是有效降低連作障礙、減少植物病害以及增加土壤肥力的方法之一[1-2]。東北黑土區(qū)土壤肥力高，土壤理化性質好，是我國重要的商品糧生產基地，占全國玉米總產量的14%和大豆總產量的40%[3]，大豆-玉米輪作結合不同的施肥方式是該區(qū)域比較盛行的種植措施。合理的施用化肥或化肥配施有機肥，可以改善土壤物理和化學性質，為植物及土壤微生物提供豐富的營養(yǎng)，提高土壤微生物活性，進而影響土壤酶活性[4-5]；同時，施肥可通過影響土壤剖面的物理、化學性質以及根系生長的空間，使酶活性在土壤剖面中發(fā)生變化。因此，酶活性在土壤中的剖面變化在一定水平上可以反映培肥效應的作用深度及空間范圍[6]。董春華[7]關于施肥及輪作條件下對紅壤稻田微生物特性的影響研究表明，長期施肥與輪作能提高紅壤性水稻土蛋白酶、脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、纖維素酶及過氧化氫酶活性；李軍等[8]關于玉米-大豆輪作條件下長期定位施肥對土壤酶活性的影響研究表明，土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和纖維素酶活性在不同施肥條件下有一定差異。開展東北農田黑土大豆-玉米輪作的不同施肥體系對土壤酶活性的相關研究，對進一步了解土壤有機質轉化速度的快慢[9]、土壤碳素營養(yǎng)狀況和有機碳累積與分解轉化的規(guī)律[10-11]、土壤有機態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉化能力和土壤無機氮的供應能力[12]具有重要意義。

本研究以我國東北農田黑土大豆-玉米輪作體系下不同施肥處理的農田土壤樣品為材料，在剖面0～80 cm范圍內按10 cm的間距測定與土壤生物學過程和碳氮循環(huán)緊密相關的過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性，以此來研究大豆-玉米輪作條件下不同施肥措施對黑土剖面土壤酶活性分布的影響，旨在更深入全面地揭示大豆和玉米輪作體系下不同施肥措施對黑土土壤質量的影響強度和作用深度，為黑土農田生產力的恢復和管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況及試驗設計

本試驗在中國科學院海倫水土保持監(jiān)測研究站進行，試驗地位于黑龍江省海倫市前進鄉(xiāng)光榮村(47°21′N，126°49′E)，土壤為典型黑土，屬于北溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年平均溫度1.5°C，年降雨量500～600 mm。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積8 m×5.36 m，8行區(qū)，大豆-玉米短期輪作，共有以下4種施肥處理：(1)無肥(NoF)；(2)化肥(CF)，種植大豆時用量為N肥55.2 kg·hm-2、P肥35.2 kg·hm-2和K肥 22.4 kg·hm-2，種植玉米時用量為N肥66.8 kg·hm-2、P肥35.0 kg·hm-2和K肥22.4 kg·hm-2；(3)化肥配施有機肥(CF+M)，用量在化肥基礎上施入牛糞15 t·hm-2，按施入牛糞干重計算，15 t牛糞所含有的肥量與施入尿素(含N46%)55.2 kg·hm-2、P2O535.2 kg·hm-2和K2O 22.4 kg·hm-2相當；(4)化肥配施加倍有機肥(CF+2M)，用量在化肥基礎上施入牛糞30 t·hm-2。每個處理3個小區(qū)重復。于2011年秋季開始施入牛糞，之后每年秋收后施入?；首鳛榛试诿磕甏杭静シN時施入。作物體系為大豆-玉米輪作，采用當?shù)刂髟云贩N和大田種植密度，人工播種，人工除草，機械中耕。2015年取樣時當年作物為大豆，土壤表層基本理化性質如表1所示。

1.2 樣品采集

2015年10月20日，大豆收獲后，先去除地表未腐解的作物秸稈，將每個處理小區(qū)平均劃分為3個區(qū)域，作為3次重復。每個重復內，再隨機選取3個點，用土鉆在0～80 cm范圍內按10 cm的間距采集土壤樣品，將來自同一土層的土壤樣品充分混勻，放于封口袋中，用冰盒將樣品帶回實驗室后手工揀去植物殘體、礫石等，測定含水量，其余土壤樣品自然風干保存用于土壤酶活性測定和其它分析。

1.3 測定內容及方法

土壤含水量采用105℃連續(xù)烘干6～8 h至恒重后計算得出。酶活性采用風干后過1 mm篩的土壤樣品進行測定[10]。過氧化氫酶采用KMnO4滴定法，酶活性以每克干土消耗0.1 mol·L-1KMnO4(25 ℃ 20 min)的毫升數(shù)表示(mL，0.1 mmol·L-1，KMnO4,20 min·g-1)；轉化酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法進行，酶活性以1 d后1 g干土中葡萄糖的質量(mg)表示(mg·(g·d)-1)；脲酶活性采用比色法，酶活性以1 d后1 g干土中NH3-N的質量(ug)表示(ug·(g·d)-1)。

表1 不同施肥處理和土壤剖面土壤基本理化性質Table 1 Basic chemical and physical properties of the studied soils

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

使用Excel 2010軟件計算平均值，采用SPSS16.0統(tǒng)計分析軟件進行雙因素方差分析(two-way ANOVA)，用SigmaPlot 12.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理土壤過氧化氫酶活性剖面分布

本研究中，4種處理各剖面層次土壤過氧化氫酶活性隨著土層深度增加而呈降低趨勢(圖1)，表層土壤過氧化氫酶活性與40 cm以下土層過氧化氫酶活性出現(xiàn)統(tǒng)計學上的差異。CF+2M處理的過氧化氫酶活性從表層到最底層的變化幅度最大，變化范圍為1.92～4.06 mL(0.1 mmol·L-1，KMnO4，20 min·g-1)，相差2倍；NoF處理從表層到底層的過氧化氫酶活性變化幅度最小，變化范圍為2.3～3.9 mL(0.1 mmol·L-1，KMnO4，20 min·g-1)，相差約1.5倍，且該處理相鄰土層間過氧化氫酶活性的變化幅度也最小。除CF處理的過氧化氫酶活性在30 cm土層處急劇下降到2.15 mL(0.1 mmol·L-1，KMnO4，20 min·g-1)外，其他3種處理過氧化氫酶活性在0～30 cm土層中活性較高，維持在3.12 mL(0.1 mmol·L-1，KMnO4，20 min·g-1)以上。而后，在40 cm及以下的土層中，除NoF處理的過氧化氫酶活性仍維持在3.42 mL(0.1 mmol·L-1，KMnO4，20 min·g-1)外，其余3種處理的過氧化氫酶活性均下降到2.41 mL(0.1 mmol·L-1，KMnO4,20 min·g-1)以下，個別處理在較深土層過氧化氫酶活性較相鄰的上一土層略有提高。比較同一土層不同施肥處理之間的酶活性，0～80 cm土層過氧化氫酶活性在CF處理中均為最低，尤其在0～30 cm和70～80 cm土層CF處理與其他3種處理的過氧化氫酶活性均達到差異顯著水平；比較NoF處理和其他兩種化肥配施有機肥處理，0～30 cm土層之間，過氧化氫酶活性總體呈現(xiàn)為NoF和其他兩種化肥配施有機肥處理酶活性差異不顯著；40～80 cm土層之間，過氧化氫酶活性總體呈現(xiàn)為NoF高于其余兩種化肥配施有機肥處理且差異顯著，而兩種有機肥處理之間的過氧化氫酶活性只在20～40 cm土層之間差異顯著，其它土層中差異均不顯著。

圖1 不同施肥處理農田黑土過氧化氫酶活性剖面分布Fig.1 Effect of different fertilization treatments on soil catalase of arable black soil profiles under soybean-maize rotation system

2.2 不同施肥處理土壤蔗糖酶活性剖面分布

蔗糖酶活性的剖面分布規(guī)律類似于過氧化氫酶，即4個處理各剖面層次的土壤蔗糖酶活性隨土層深度增加而降低，臨近土層其變化量也隨之減小，表層蔗糖酶活性與20 cm以下土層蔗糖酶活性出現(xiàn)統(tǒng)計學上的差異，其中CF+M處理的蔗糖酶活性在表層和最下層間的差異最大，其變化范圍為5.0～96.0 mg·(g·d)-1，相差19倍，NoF處理的蔗糖酶活性在表層和最下層間的差異最小，其變化范圍為8.9～56.1 mg·(g·d)-1，相差約6倍，見圖2。4種處理蔗糖酶活性均在0～30 cm土層內活性相對較高，平均值分別達到50.2 mg·(g·d)-1(NoF)、62.6 mg·(g·d)-1(CF)、80.1 mg·(g·d)-1(CF+M)和71.3 mg·(g·d)-1(CF+2M)，除NoF處理蔗糖酶活性在60 cm土層處急劇下降外，其余3種處理蔗糖酶活性均在30 cm土層處急劇下降，60 cm以下土層的蔗糖酶活性差異不明顯。比較同一土層不同施肥處理蔗糖酶活性發(fā)現(xiàn)，0～30 cm土層之間，雖然個別處理之間沒有達到統(tǒng)計學上的顯著性，但除CF處理在20～30 cm土層處蔗糖酶活性(43.0 mg·(g·d)-1)略低于NoF(45.4 mg·(g·d)-1)處理的外，其余3種處理酶活性均表現(xiàn)為CF+M最高，CF+2M次之，NoF最低，其中CF+M處理的蔗糖酶活性在0～30 cm土層之間比NoF處理的高1.2～1.8倍；40～80 cm土層之間，3種施肥處理之間酶活性高低無明顯規(guī)律，而且與NoF處理的酶活性差異不顯著。

圖2 不同施肥處理農田黑土蔗糖酶活性剖面分布Fig.2 Effect of different fertilization treatments on soil invertase of arable black soil profiles under soybean-maize rotation system

2.3 不同施肥處理土壤脲酶活性的剖面分布

本研究中土壤脲酶活性的剖面分布規(guī)律與蔗糖酶和過氧化氫酶完全不同，見圖3，即土壤脲酶活性并沒有隨著土層深度增加而降低，而是呈單峰曲線分布，4種處理的脲酶活性均在0～40 cm土層逐漸增加，在30～40 cm土層脲酶活性出現(xiàn)明顯積累峰，40～80 cm土層脲酶活性又逐漸下降。4種處理中酶活性從表層到底層的變化幅度最大的是CF+2M，變化幅度為237～1 020 ug·(g·d)-1，相差約4.3倍；變化范圍最小的是CF，變化范圍為354～861 ug·(g·d)-1，相差約2.4倍。比較同一土層不同施肥處理的脲酶活性，0～20 cm土層之間NoF處理與CF處理中的脲酶活性差異不顯著，而與CF+2M和CF+M處理的脲酶活性差異顯著(P<0.05)，30～50 cm土層CF+2M、CF+M與CF 3個處理間的脲酶活性無顯著差異，但上述3個施肥處理中的脲酶活性均與NoF處理的差異顯著，60～80 cm土層NoF處理與CF+M或CF+2M處理的脲酶活性差異不顯著。

圖3 不同施肥處理農田黑土脲酶活性剖面分布Fig.3 Effect of different fertilization treatments on soil urease of arable black soil profiles under soybean-maize rotation system

表2 施肥和土層及其交互作用對土壤酶活性的影響Table 2 Fertilizer,soil profile and their interactive effect on soil enzymes activities

3 討論

本研究結果表明，經(jīng)過2.5個大豆-玉米輪作周期后，農田黑土過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性在不同施肥處理和土壤剖面中的分布規(guī)律不完全一致，針對施肥和土層對3種酶活性的雙因素方差分析再次表明不論是施肥、土層或是兩者的交互作用對3種土壤酶活性的影響都是極顯著的，見表2。

4種處理土壤過氧化氫酶活性的剖面分布基本呈現(xiàn)隨著土層加深而降低的趨勢。李志建等[13]將土壤過氧化氫酶活性隨土壤剖面深度的變化歸結為3種變化模式，其中的無峰曲線表現(xiàn)為過氧化氫酶活性隨剖面深度遞增或遞減，與本研究結果類似。本研究過氧化氫酶活性在40 cm以下土層下降比較平緩，在個別土層出現(xiàn)略有升高的現(xiàn)象，表明農田黑土中40 cm以下土層過氧化氫酶活性相對穩(wěn)定，表層以下土壤仍具有相對平穩(wěn)的氧化還原能力。同一土層不同施肥處理過氧化氫酶活性總體表現(xiàn)為0～20 cm土層中NoF處理與CF+M、CF+2M處理的過氧化氫酶活性無顯著差異，而在40～80 cm土層NoF處理過氧化氫酶活性要高于CF+M和CF+2M處理的且差異顯著，表明在黑土區(qū)大豆-玉米輪作體系下施入有機肥能緩解化肥在耕層對過氧化氫酶活性的抑制作用，而在相對較深的土層(40～80 cm)有機肥的施入對于緩解化肥對過氧化氫酶活性的作用不明顯，單施化肥會抑制過氧化氫酶活性，施加有機肥能夠緩解黑土區(qū)大豆-玉米輪作體系下化肥對過氧化氫酶的抑制作用。

與土壤過氧化氫酶的剖面分布規(guī)律類似，土壤蔗糖酶活性總體也呈現(xiàn)從表層到底層逐漸降低的趨勢，但土壤蔗糖酶在表層土壤和底層土壤之間其酶活性差距比過氧化氫酶大，比如CF+M處理表層蔗糖酶活性約是底層蔗糖酶活性的19倍。楊麗娟等[14]指出蔗糖酶主要來源于植物根系，因此土壤蔗糖酶活性在表層土壤比下層土壤高與表層土壤根系分布比下層土壤密集程度高有一定關聯(lián)。同時，本研究中4種處理從土壤表層到底層土壤全氮含量和全磷含量均呈逐漸降低趨勢(表1)，而蔗糖酶活性與土壤全氮含量、有機質含量和全磷含量顯著正相關關系(P<0.001)，因此4種處理從土壤表層到底層均呈逐漸降低趨勢。另一方面土壤有機質保持土壤蔗糖酶活性免遭變性、免遭分解作用顯著[15]，從表層到底層土壤有機質含量逐漸降低也意味著蔗糖酶遭到變性和分解的幾率升高，致使土壤蔗糖酶活性降低。在作物根系分布比較密集的0～30 cm范圍內，CF和CF+M會提高蔗糖酶活性，這與文獻報道的大部分施肥條件均可提高土壤蔗糖酶活性，其中尤以化肥配施有機肥對于提高其酶活性效果更為顯著的研究結果具有一致性[16]。但在本研究中當有機肥加倍施入時，蔗糖酶的活性并沒有繼續(xù)升高，反而略有下降，分析原因可能是由于在本研究中雖然加倍有機肥處理增加了土壤中的C含量，可以為蔗糖酶提供更多的基質，但是另一方面土壤C/N卻是降低的，抑制了微生物的生長和酶活性。因此，我們得出并非有機肥施入量越多蔗糖酶活性越高，只有化肥和有機肥的合理配施才能夠為蔗糖酶活性提供豐富的作用底物和最優(yōu)的土壤碳氮比，進而為微生物的活動和酶活性的提高創(chuàng)造了良好的條件?；驶蛴袡C肥的施入對40 cm以下蔗糖酶活性無顯著影響。

脲酶活性在0～40 cm土層下逐漸遞增，在40 cm土層處達到最高值，之后又開始下降，在80 cm處降到最低。這與文獻報道的脲酶活性隨土層的加深而逐漸降低的趨勢不一致[17]，具體原因還有待進一步探討。比較同一土層不同施肥處理土壤脲酶活性，0～20 cm土層范圍內，CF、CF+M和CF+2M均會提高脲酶活性，且有機肥施入比例越高，脲酶活性越大，與文獻報道一致[18]，這與有機肥會帶入大量的酶和有機肥促進了該層次土壤有機物的積累，增加了酶的作用底物和土壤理化性質得到改善、作物根系生長更旺盛，從而分泌大量脲酶有關[19]。

4 結論

黑土區(qū)過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性受不同施肥處理和土壤剖面層次影響顯著，具體表現(xiàn)為：(1)施化肥處理降低了過氧化氫酶活性，在0～20 cm土層施加有機肥能夠緩解化肥對過氧化氫酶的抑制作用；(2)施入有機肥或化肥均能提高0～30 cm土層蔗糖酶活性，尤其是有機肥配施化肥對于提高蔗糖酶活性的優(yōu)勢更為明顯，但有機肥的加倍施入并沒有促進蔗糖酶活性的進一步提高，反而使其略有下降；在40～80 cm土層有機肥的施入對于提高蔗糖酶活性沒有優(yōu)勢；(3)脲酶活性在不同施肥處理中隨土層深度增加呈現(xiàn)單峰曲線分布，化肥或化肥配施有機肥均會提高0～40 cm土層中的土壤脲酶活性，其中在0～20 cm土層化肥配施有機肥對于提高土壤脲酶的作用更為明顯。

致謝

感謝“國家科技基礎條件平臺-國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享服務平臺-東北黑土科學數(shù)據(jù)中心(http://northeast.geodata.cn)”提供數(shù)據(jù)支撐。