長(zhǎng)期施肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)水平黑土蛋白酶活性及氮素的影響

徐 欣，鄭利遠(yuǎn)，周 珂，張錦源，侯 萌，陳一民，隋躍宇，焦曉光*

（1．黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2．東北林業(yè)大學(xué)圖書館，黑龍江 哈爾濱 150040；3．中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

土壤酶（soil enzyme）是土壤中產(chǎn)生專一生物化學(xué)反應(yīng)的生物催化劑［1］，始終參與土壤中的生物化學(xué)循環(huán)、有機(jī)質(zhì)及礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程［2］，其活性對(duì)土壤的代謝、土壤養(yǎng)分形態(tài)的轉(zhuǎn)化、土壤肥力的提高具有重要的意義［3］。土壤有機(jī)質(zhì)含量是反映土壤質(zhì)量或土壤健康的一個(gè)重要指標(biāo)，在改善土壤質(zhì)量和提高作物生產(chǎn)力等方面起著重要的作用［4］。近年來，關(guān)于土壤酶活性、土壤有機(jī)質(zhì)的研究報(bào)道很多，大都集中在土壤脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶活性與土壤類型［5-6］、土地利用方式［7-8］、施肥措施［9-10］、土壤溫度［11］、土壤水分［12］等方面，但有關(guān)土壤蛋白酶與農(nóng)田黑土氮素轉(zhuǎn)化的研究鮮有報(bào)導(dǎo)。本研究利用空間移位的方法，將東北黑土區(qū)5種不同有機(jī)質(zhì)含量的農(nóng)田黑土置于相同的氣候條件下——中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站，測(cè)定分析長(zhǎng)期施肥后5種不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土土壤蛋白酶活性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其與土壤氮轉(zhuǎn)化的關(guān)系，旨在明確不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土在長(zhǎng)期施肥后土壤蛋白酶活性動(dòng)態(tài)變化特征及不同時(shí)期的差異性，為農(nóng)田黑土地力提升及科學(xué)施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（N 47.45°，E 126.93°），開始于 2004年，秋季將東北黑土帶不同緯度的5種典型農(nóng)田黑土1 m深原狀土移到黑龍江省海倫實(shí)驗(yàn)站，建成黑土生產(chǎn)力長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)無肥（CK）、施化肥（NPK）2個(gè)因子，5個(gè)不同梯度有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土為5個(gè)處理，5種農(nóng)田黑土為：①黑龍江省北安（N 48.15°，E 126.73 °） 黑 土 有 機(jī) 質(zhì) 含 量 108.9 g/kg（ 簡(jiǎn) 寫SOM11）， 全 氮 4.87 g/kg， 堿 解 氮 366.72 mg/kg；②黑龍江省嫩江（N 49.13°，E 125.61°）黑土有機(jī)質(zhì)含量 58.8 g/kg（簡(jiǎn)寫 SOM6），全氮 2.86 g/kg，堿解氮338.74 mg/kg；③黑龍江省海倫（N 47.45°，E 126.93°）黑土有機(jī)質(zhì)含量 50.6 g/kg（簡(jiǎn)寫 SOM5），全氮 2.55 g/kg，堿解氮 218.00 mg/kg；④吉林省德惠（N 44.2°，E 125.55°）黑土有機(jī)質(zhì)含量 32.0 g/kg（簡(jiǎn)寫 SOM3）， 全 氮 1.68 g/kg， 堿 解 氮 120.75 mg/kg；⑤吉林省梨樹（N 43.33°，E 124.46°）黑土有機(jī)質(zhì)含量 16.6 g/kg（簡(jiǎn)寫 SOM1.7），全氮 0.79 g/kg，堿解氮97.39 mg/kg。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積1.4 m×1.2 m，作物為玉米，施肥區(qū)氮肥為尿素，施用量 N 150 kg/hm2；磷肥為磷酸二銨，施用量 P2O575 kg/hm2；鉀肥為硫酸鉀，施用量 K2O 60 kg/hm2，玉米生育管理為人工管理。2016年無肥區(qū)黑土有機(jī) 碳 含 量 分 別 為 10.8 g/kg（SOM1.7）、17.5 g/kg（SOM3）、29.5 g/kg（SOM5）、32.3 g/kg（SOM6）、52.9 g/kg（SOM11）。

1.2 樣品的采集與測(cè)定

試驗(yàn)于2016年5月20日玉米播種，分別在玉米苗期（5月30日）、拔節(jié)期（6月12日）、抽雄期（7月20日）、收獲期（10月8日），用土鉆均勻采集0～20 cm土壤樣品，混勻后裝入無菌聚乙烯袋。樣品采集帶回實(shí)驗(yàn)室后，風(fēng)干磨碎過1 mm篩和0.25 mm篩備用。土壤蛋白酶活性測(cè)定采用銅鹽絡(luò)合比色法，活性以24 h后每克土壤中氨基氮的微克數(shù)表示［μg/（g·24 h）］，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均采用土壤常規(guī)分析方法［13］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)的整理采用Excel 2013完成，差異顯著性測(cè)驗(yàn)采用SPSS 20.0軟件完成，作圖采用SigmaPlot 12.5 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施化肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土蛋白酶活性的影響

如圖1所示，隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，兩種施肥處理中土壤蛋白酶活性逐漸增強(qiáng)。在玉米生育期內(nèi)，不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土蛋白酶活性均呈現(xiàn)隨玉米生育期延長(zhǎng)先增加的趨勢(shì)，在拔節(jié)期達(dá)到峰值，隨后開始逐漸降低，在成熟收獲期又降到最低。與無肥對(duì)照處理相比，施用化肥可以提高土壤蛋白酶的活性，增加的幅度在3.38%～11.07%之間，其中SOM11增加最為明顯，提高了35.9～60.81 μg（/g·24 h）；SOM1.7增加的最小，為12.31～36.44 μg/（g·24 h），說明長(zhǎng)期施用化肥可以促進(jìn)土壤蛋白酶活性的提高。

圖1 長(zhǎng)期施肥下不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土蛋白酶活性變化

2.2 長(zhǎng)期施化肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的影響

2.2.1 長(zhǎng)期施化肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土全氮的影響

長(zhǎng)期施肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土土壤全氮含量的影響見圖2。5種農(nóng)田黑土全氮含量的變化趨勢(shì)與土壤蛋白酶活性變化趨勢(shì)相似，即兩種施肥處理下土壤全氮含量均表現(xiàn)出隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而呈遞增的趨勢(shì)；5種農(nóng)田黑土的全氮含量施肥處理略高于無肥處理，但均沒有達(dá)到差異顯著水平（P>0.05）。

2.2.2 長(zhǎng)期施化肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

圖2 長(zhǎng)期施肥下不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土全氮的變化（收獲期）

長(zhǎng)期施肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的變化如圖3所示。兩種施肥處理下，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在玉米生育期內(nèi)的變化規(guī)律一致，均為隨著生育期延長(zhǎng)，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在拔節(jié)期達(dá)到頂峰，后逐漸降低，在玉米收獲期降到最低。5種不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土中，SOM11土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均最高，變化的幅度分別在21.55～68.15 mg/kg、23.87～72.58 mg/kg之間；SOM1.7土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量最低，變化的幅度分別在10.14～45.56 mg/kg、12.03～49.25 mg/kg之間。在同一時(shí)期無肥處理的5種有機(jī)質(zhì)含量的農(nóng)田黑土銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均低于施肥處理，長(zhǎng)期施用化肥可顯著增加土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量（P＜0.05），增加的幅度分別為8.82%～155.24%、13.57%～144.66%，說明化肥的施用能夠不同程度地提高不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。

圖3 長(zhǎng)期施肥下不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的變化

2.3 土壤蛋白酶活性與土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮養(yǎng)分相關(guān)性分析

土壤蛋白酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析見表1。由表1可見，土壤蛋白酶活性與土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)之間均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮兩兩之間也呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明蛋白酶活性可以作為土壤有機(jī)質(zhì)和氮素變化的敏感指標(biāo)。

表1 土壤蛋白酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

3 討論

土壤蛋白酶作為分解土壤有機(jī)含氮化合物重要的水解酶，不僅是土壤氮礦化過程的限速酶，而且其活性還能反映土壤的環(huán)境質(zhì)量狀況［14］。大量研究發(fā)現(xiàn)不同土壤管理措施［15-16］、施肥水平［17］等都會(huì)對(duì)酶活性有影響。本試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期施肥對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量的農(nóng)田黑土蛋白酶活性均有提高，這與宮敬利等［18］、李猛等［19］的研究結(jié)果相一致，這主要是由于化肥的施用增加了土壤養(yǎng)分，促進(jìn)了作物根系的生長(zhǎng)，為微生物的活動(dòng)提供了良好的環(huán)境，進(jìn)而提高了蛋白酶的活性；但目前也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施肥下蛋白酶活性會(huì)受到抑制或保持不變［20-21］，與本研究結(jié)果不同，這可能是由于土壤類型、培肥措施、田間管理等不同所造成的。

土壤中的氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必需大量元素，對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%，是作物產(chǎn)量重要的養(yǎng)分限制因子［22］。土壤中80%以上的氮素以有機(jī)氮的形態(tài)存在，土壤全氮與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系［23］。土壤速效氮含量與土壤全氮含量之間也有顯著的正相關(guān)關(guān)系［24］，故隨有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤速效氮含量也有所升高。本研究中，長(zhǎng)期施用化肥后5種有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土中全氮含量無顯著變化，這與孟繁華等［25］、王娟［26］、周建斌等［27］的研究結(jié)果一致。但目前也有研究表明長(zhǎng)期單施化肥會(huì)顯著提高土壤中全氮含量［28-30］，這與本研究的結(jié)果不同，這可能是由于氣候條件、土壤類型、耕作方式、有機(jī)質(zhì)含量等不同所造成的［31］。本研究利用空間移位，將5種有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土置于相同環(huán)境、種植模式和施肥管理?xiàng)l件之下，排除了氣候、施肥和耕作等對(duì)農(nóng)田黑土生物化學(xué)過程的影響，土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量越高。施肥主要是為作物生長(zhǎng)提供速效養(yǎng)分［32-33］，故施肥后各有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均有所提高。施肥對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響在玉米不同生育期內(nèi)有所差異，苗期和收獲期施肥對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的增加幅度較小，而在拔節(jié)期和抽雄期含量較高，這主要是由于玉米生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)氮素的需求量不同所引起的。拔節(jié)期和抽雄期玉米需氮量大，氮素礦化與轉(zhuǎn)化加快，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量升高；但在苗期和收獲期，氮需求量小，氮素礦化與轉(zhuǎn)化速率相對(duì)較慢，土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量降低［34］，這與蛋白酶活性的變化趨勢(shì)也一致，進(jìn)一步表明蛋白酶在氮素礦化與轉(zhuǎn)化過程中的重要作用。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期施用化肥有利于提高不同有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田黑土土壤蛋白酶活性、土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，在相同的環(huán)境條件下，土壤蛋白酶活性、土壤全氮含量、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，且土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤脲酶活性呈正相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤蛋白酶活性越強(qiáng)，會(huì)促進(jìn)土壤全氮的轉(zhuǎn)化，當(dāng)季提供給作物的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的量就越多。用土壤蛋白酶的活性代表土壤氮素水平，可以作為評(píng)價(jià)土壤氮含量的靈敏性指標(biāo)。