不同耕作方式對(duì)綠洲區(qū)夏玉米農(nóng)田土壤呼吸及酶活性的影響

伏星舟, 王 立, 楊彩紅, 王軍強(qiáng), 施志國(guó), 李彥榮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000；2.古藺縣林業(yè)局, 四川 瀘州 646500； 3.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院, 甘肅 武威 733006)

土壤呼吸(soil respiration, Rs)指的是未受擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝過(guò)程, 主要由土壤微生物呼吸、土壤動(dòng)物呼吸、植物根呼吸及土壤有機(jī)碳分解產(chǎn)生[1]。孟凡橋等[2]研究認(rèn)為農(nóng)田管理對(duì)農(nóng)田CO2的釋放具有明顯的影響, 相應(yīng)的土地利用方式(如耕作、排灌條件的改變等)對(duì)于土壤呼吸的影響也十分顯著[3-4]。這就意味著不同耕作方式在改變土壤透氣性、土壤有機(jī)碳含量、微生物的組成和活性的同時(shí), 土壤呼吸也發(fā)生不同程度的改變[5]。

土壤呼吸不僅表征土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)、土壤質(zhì)量和肥力、能力流動(dòng)[6]等一些生物學(xué)指標(biāo),同時(shí)還能反映土壤微生物的總體活性和土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng)度[7]。土壤酶參與了土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)[8],而土壤微生物呼吸實(shí)質(zhì)上就是土壤中的微生物分解有機(jī)碳的反應(yīng)[9-10],所以土壤酶活性與土壤呼吸之間必然存在一定聯(lián)系,故研究土壤酶對(duì)土壤微生物呼吸有重要的作用。目前,關(guān)于土壤酶活性與土壤微生物呼吸的研究，主要集中在不同化學(xué)農(nóng)藥和肥力水平等方面，但從不同耕作方式的研究，尤其是民勤荒漠綠洲區(qū)農(nóng)田土壤呼吸與土壤酶活性的變化研究相對(duì)較少。

因此, 本試驗(yàn)擬通過(guò)研究不同耕作方式對(duì)民勤綠洲區(qū)夏玉米田土壤呼吸的影響, 探究不同耕作措施下參與碳、氮循環(huán)的土壤酶活性變化, 旨在從生物化學(xué)角度反映不同耕作方式對(duì)土壤碳循環(huán)轉(zhuǎn)變過(guò)程,補(bǔ)充完善荒漠綠洲區(qū)土壤呼吸排放機(jī)理、評(píng)估區(qū)域碳收支平衡及為制定科學(xué)有效的土壤碳調(diào)控管理措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省民勤綠洲區(qū)的民勤縣蘇武鄉(xiāng)泉水村(103°07′16″E, 33°37′10″N)，屬典型的溫帶干旱荒漠氣候區(qū)，海拔在1 298～1 936 m，平均海拔1 400 m，冬季寒冷夏季炎熱, 晝夜溫差可達(dá)25.2 ℃，多年均溫7.8 ℃，年日照時(shí)間長(zhǎng)，年均無(wú)霜期162 d，光照量大而充足，日照時(shí)數(shù)達(dá)到了3 073.5 h，全年的平均日照時(shí)數(shù)為2 799.40 h。該地平均年降水量在113.2 mm左右，蒸發(fā)量高達(dá)2 644 mm，降水主要在分布在7,8,9這3個(gè)月，干燥度大于5.5，為全國(guó)最干旱，風(fēng)蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。耕作土壤為當(dāng)?shù)貐^(qū)開墾種植早、熟化程度高的灌淤土，厚度可達(dá)30～60 cm，耕層質(zhì)地輕，土性熱，保肥、保水性差。

試驗(yàn)始于2015年10月，共設(shè)4個(gè)耕作方式處理(秋翻、少耕、深松和免耕)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，各處理小區(qū)面積介于12～24.75 hm2,隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)設(shè)計(jì)共4個(gè)處理：①免耕(Tn)，對(duì)土地不做耕翻，地膜一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束才更換；②秋翻(Tf)，包括每年秋收后耕翻土地，翻動(dòng)土層深度大約為20 cm，春季旋耕7.5～10 cm整地、覆膜、播種等田間作業(yè)；③少耕(Tm)，收獲后到播種前不攪動(dòng)土壤，播種前1周左右進(jìn)行旋耕整地7.5～10 cm、覆膜、播種；④深松(Ts)，秋收后利用深松鏟對(duì)耕地進(jìn)行耕翻30 cm，春季旋耕整地、覆膜、播種。

種植作物統(tǒng)一為玉米，品種為‘甘鑫2818’，播種時(shí)間為4月20日，株距20 cm，行距30 cm，定植7.2×104株/hm2。采用統(tǒng)一的施肥措施，所施用化肥為尿素、磷酸二胺、普鈣、氯化鉀，各處理化肥用量統(tǒng)一為每年施用N 180 kg/hm2，P2O595～98 kg/hm2。磷酸二胺、普鈣、氯化鉀全部基施，尿素基施20%，拔節(jié)期至抽穗期追施20%，抽穗期至開花期追施10%，灌漿期追施50%。整個(gè)生育期灌水34.1～36.3 m3/hm2。免耕(Tn)、少耕(Tm)、深松(Ts)和秋翻(Tf)這4種不同耕作方式的玉米地的施肥、灌水、管理方式等均相同，僅在耕作方式上有差異。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 土壤呼吸測(cè)定 土壤呼吸通量采用Li-8100土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定。季節(jié)變化選擇根據(jù)夏玉米主要生育階段確定，應(yīng)避開施肥和灌溉期，以15 d左右為宜。土壤呼吸測(cè)定分別在玉米出苗期(2017年6月29日)、抽穗期(2017年8月4日)、成熟期(2017年9月27日)進(jìn)行，每次測(cè)定在8:00—20:00(每2 h測(cè)定一次)，要求在每次測(cè)定前一天,將地膜揭開呼吸室邊緣大小的裸區(qū)，以排凈膜內(nèi)累積的CO2，且在每次測(cè)定前一天, 在不擾動(dòng)土壤和PVC環(huán)的前提下，從根部齊地剪除地上綠色植物并清除圈內(nèi)枯落物。為減少在呼吸日變化中溫度對(duì)試驗(yàn)的誤差，我們采取順序依次測(cè)量的方式進(jìn)行輪回測(cè)定，通量值也會(huì)通過(guò)系統(tǒng)同步測(cè)定呼吸室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)、土壤溫度、近地表空氣溫度和空氣相對(duì)濕度等自動(dòng)計(jì)算得出。

1.2.2 土壤酶活性及理化指標(biāo)的測(cè)定 每月土壤呼吸測(cè)定后，在每個(gè)土壤呼吸觀測(cè)點(diǎn)附近用鉆土芯法采集土樣。土鉆直徑為4 cm，每個(gè)采樣點(diǎn)取0—20 cm層次土樣進(jìn)行收集，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)選4個(gè)采樣點(diǎn)，將采集到的4個(gè)重復(fù)混合作為一個(gè)樣品裝入密封袋中，回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干后過(guò)篩。過(guò)篩后的土壤(<2 mm)用作土壤酶活性測(cè)定。蔗糖酶活性(invertase)用3，5—二硝基水楊酸比色法測(cè)定(24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示)，過(guò)氧化氫酶(cata-lase)用KMnO4滴定法測(cè)定，脲酶(urease)用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測(cè)定(以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示)，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase)用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，蛋白酶(protease)用茚三酮比色法測(cè)定，β-葡萄糖苷酶(β-D-glucosidase)用硝基酚比色法測(cè)定[11-12]。

有機(jī)碳(soil organic carbon)：鉻酸氧化還原滴定稀釋法；全氮(total nitrogen)：用半微量凱氏定氮法；速效鉀(quick-acting potassium)采用浸提火焰光度法；pH值采用電位法[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)統(tǒng)一先采用Excel 2003進(jìn)行初步的整理，再通過(guò)SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差、相關(guān)性(p<0.05)、差異顯著性(p<0.05)分析，最后由Origin 8.0統(tǒng)一繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)土壤呼吸的影響

從圖1可知，民勤荒漠綠洲區(qū)土壤呼吸日變化表現(xiàn)出較為平緩的單峰曲線，4種耕作方式下，玉米田土壤呼吸速率波動(dòng)規(guī)律基本一致。出苗期和成熟期土壤呼吸的峰值主要出現(xiàn)在12:00或14:00,抽穗期土壤呼吸峰值主要出現(xiàn)在14:00或16:00。不同生育期內(nèi)的土壤呼吸的日變幅差異較大，其中在玉米苗期少耕(Tm)處理下土壤呼吸的日變幅最大〔5.55～7.49 μmol/(m2·s)〕，在玉米抽穗期深松(Ts)處理下變幅最小〔3.43～3.99 μmol/(m2·s)〕。

圖1 不同處理土壤呼吸速率日變化

該地區(qū)土壤呼吸隨生育時(shí)期的不同產(chǎn)生明顯變化(圖2)。苗期的土壤呼吸速率最高，其中不同處理間土壤呼吸速率依次為：Tf>Tm>Ts>Tn；隨著玉米的生長(zhǎng)，土壤呼吸也逐漸減小，在成熟期達(dá)到最低值。整個(gè)生育期平均土壤呼吸變幅在2.28～7.58 μmol/(m2·s)之間。處理間土壤呼吸總速率：Tf>Ts>Tm>Tn，苗期和成熟期Tf>Tn，且兩處理間差異顯著，抽穗期差異不顯著，Tm和Ts在3個(gè)時(shí)期之間差異均不顯著。

注：不同小寫字母表示同一時(shí)期不同耕作方式間差異顯著，p<0.05。下同。

圖2不同處理生育期土壤呼吸速率變化

2.2 不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳含量與土壤呼吸速率關(guān)系密切，在夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育的3個(gè)時(shí)期(圖3)，較Tf處理，Tn處理能顯著提高土壤的有機(jī)碳含量(p<0.01)，平均增幅為26.79%，這與土壤呼吸規(guī)律正好相反。Tm與Ts處理在苗期和抽穗期差異不顯著，在成熟期差異顯著。4種耕作方式下土壤有機(jī)碳含量均隨生育期的變化呈先增后減的趨勢(shì)，其中在抽穗期達(dá)到最大。

圖3 不同處理生育期土壤有機(jī)碳含量變化

2.3 不同耕作方式對(duì)土壤酶活性的影響

由表1可知，土壤過(guò)氧化氫酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性在夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)時(shí)期Tn和Tf有顯著差異，蛋白酶活性在出苗期和抽穗期各處理間差異顯著，而成熟期差異不顯著。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 在整個(gè)生育期內(nèi)，與Tf相比，Tn處理的土壤蛋白酶活性、堿性磷酸酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性和β-葡萄糖苷酶活性均有所增加，分別增加38.02%,15.37%,37.71%,101.02%和17.58%；而土壤過(guò)氧化氫酶(CAT)活性增加不明顯。

生育時(shí)期、耕作方式對(duì)土壤蛋白酶、堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性(耕作方式對(duì)過(guò)氧化氫酶活性效應(yīng)不明顯)的單獨(dú)效應(yīng)均達(dá)到1%顯著水平。但二者對(duì)6種土壤酶活性的影響效應(yīng)不同，其中生育時(shí)期對(duì)脲酶活性的影響最大，而耕作方式以及兩兩交互作用均對(duì)蔗糖酶活性的影響最大(表1)。

表1 不同耕作方式下玉米生育期耕層土壤酶活性

注：同列不同小寫字母表示同一生育時(shí)期不同處理在5%水平上差異顯著；*p<0.05, **p<0.01。下同。

2.4 土壤呼吸速率與土壤酶活性及其土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

對(duì)土壤呼吸與土壤肥力因子進(jìn)行相關(guān)分析的結(jié)果顯示(表2)，土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)程度較高，各項(xiàng)指標(biāo)之間均達(dá)到顯著或極顯著水平，可用來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力的高低。土壤各項(xiàng)酶活性之間的相關(guān)分析表明，脲酶與除蛋白酶外的其他酶之間均達(dá)到了顯著水平，其中與過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶之間達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。土壤呼吸速率與除了堿性磷酸酶、全氮、速效鉀與pH值外的其他土壤肥力指標(biāo)之間有較好的相關(guān)性，其中和過(guò)氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶之間達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。

表2 土壤呼吸速率與土壤酶活性及土壤養(yǎng)分的關(guān)系

3 結(jié)果與討論

(1) 土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)平衡直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低。本研究結(jié)果表明，免耕能顯著增加土壤有機(jī)碳含量，這是因?yàn)橐环矫婷飧韺又械臍埐绺采w物經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化進(jìn)入土壤表層，從而增加土壤總有機(jī)碳的含量[14]，另一方面免耕能夠通過(guò)增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性促進(jìn)土壤有機(jī)碳的增加與積累[15-16]。

(2) 土壤酶在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著極其重要的作用[17-18]。結(jié)果表明，脲酶、蔗糖酶與土壤有機(jī)碳的關(guān)系最為密切(p<0.01)，免耕處理下土壤酶活性(除過(guò)氧化氫酶)要顯著高于傳統(tǒng)翻耕, 說(shuō)明在免耕土壤中有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化最為強(qiáng)烈，滿足了微生物對(duì)養(yǎng)分的需求，增加了其轉(zhuǎn)化的底物，大大促進(jìn)了微生物的繁殖, 從而保護(hù)了大量的微生物使其具有較高的酶活性[19-20]；pH值也在不同程度影響著酶活性，相關(guān)分析顯示，pH值與水解類酶有顯著的相關(guān)性(p<0.01)，這與趙靜等[21]在文登酸化梨園的研究結(jié)果類似。

(3) 不同處理下農(nóng)田土壤呼吸速率的變化規(guī)律基本相同，但與傳統(tǒng)耕作(Tf)相比，免耕(Tn)能夠明顯降低土壤呼吸速率，主要表現(xiàn)在玉米在出苗期和成熟期。這與Gesch[22]，Reicosky[23]等的研究相吻合，卻與趙紅香[24]、劉合明等[25]等研究不同，主要原因可能有3個(gè)方面：一是不同耕作方式由于對(duì)土壤的擾動(dòng)不同，將影響土壤的結(jié)構(gòu)和土壤孔隙狀況，傳統(tǒng)的耕作方式(If)的土壤擾動(dòng)程度遠(yuǎn)大于免耕Tn，土壤的通透性強(qiáng)，從而使O2濃度增大，限制了CO2的釋放，降低了呼吸作用[26]；二是傳統(tǒng)耕作打破了犁底層，更能促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，根生長(zhǎng)呼吸以及根生長(zhǎng)產(chǎn)生的分泌物加快了根際土壤微生物呼吸，而土壤呼吸以根系呼吸和微生物呼吸為主，進(jìn)而表現(xiàn)為土壤呼吸速率的增加[27-28]；三是土壤呼吸在受外界環(huán)境條件影響的同時(shí)也受土壤酶活性變化的影響，本試驗(yàn)研究測(cè)定的酶有脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶、過(guò)氧化氫酶和β-葡萄糖苷酶，與土壤呼吸速率的相關(guān)性表明，土壤呼吸與酶活性(除堿性磷酸酶)之間有較好的相關(guān)性。另外，生育時(shí)期對(duì)土壤呼吸速率的影響也不容忽視，本研究發(fā)現(xiàn)，玉米在苗期的呼吸速率高于抽穗期和成熟期，這可能一方面前期耕作和播種會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的大量損失、CO2釋放量增加[29-30]，另一方面可能由于前期灌溉使土壤含水量增加，促進(jìn)了根系的呼吸、微生物群落的活動(dòng)加劇從而土壤呼吸增強(qiáng)[31]。