覆膜玉米不同生育期土壤酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

周 婭，馮 倩，王 玉，張曉媛，王麗梅，2*，李世清，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

自工業(yè)革命以來(lái)，由于人口的急劇增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展等原因，地球大氣中“溫室氣體”急速增加。政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第四次評(píng)估報(bào)告中指出，到21世紀(jì)中期大氣CO2濃度將達(dá)500 μmol·mol-1以上，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，大氣中的CO2濃度將超過(guò) 700 μmol·mol-1[1]。大氣 CO2濃度的升高，勢(shì)必會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量及其地上部C、N含量等，地上部物質(zhì)通過(guò)根系分泌物、凋落物或向地下輸送等方式改變其生長(zhǎng)的土壤環(huán)境[2-3]，從而影響土壤酶的活性和穩(wěn)定性[4]。

土壤酶是以穩(wěn)定蛋白質(zhì)存在于土壤之中的“生物催化劑”[5]，其活性可反映土壤生物化學(xué)過(guò)程的方向和強(qiáng)度，可作為評(píng)價(jià)土壤肥力、土壤質(zhì)量等的重要指標(biāo)[6]。脲酶是土壤中氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，與土壤供氮能力密切相關(guān)；蔗糖酶參與土壤中有機(jī)C循環(huán)，是表征土壤生物學(xué)活性的重要水解酶之一；磷酸酶能促進(jìn)有機(jī)P化合物水解，對(duì)作物土壤中的P循環(huán)起到重要作用；過(guò)氧化氫酶參與土壤的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，它能分解由生物呼吸和有機(jī)物氧化產(chǎn)生的過(guò)氧化氫[7]，研究這4種土壤酶活性對(duì)于深入了解土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝等能力的強(qiáng)弱具有重要意義。前期大多數(shù)研究表明，升高CO2濃度能夠顯著提高各類土壤酶活性，但也有研究指出，升高CO2濃度對(duì)土壤酶活性沒(méi)有明顯的影響，或是降低了某些土壤酶的活性[8-10]。如Das等[8]對(duì)水稻土的研究表明，大氣CO2濃度升高條件下熒光素二乙酸水解酶、脫氫酶、β-葡萄糖苷酶，脲酶及磷酸酶活性顯著升高；任欣偉等[9]的研究指出大氣CO2濃度升高對(duì)土壤纖維素酶、蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶有促進(jìn)作用，對(duì)中性磷酸酶有抑制作用，對(duì)淀粉酶及過(guò)氧化氫酶的作用與植物種類有關(guān)。由于試驗(yàn)所用土壤類別、種植的作物、地區(qū)氣候條件、水肥管理差異以及CO2濃度升高方式等的不同，關(guān)于大氣CO2濃度升高對(duì)土壤酶活性的影響還需進(jìn)一步深入研究。

玉米是我國(guó)主要糧食作物之一，目前關(guān)于大氣CO2濃度升高對(duì)玉米的研究多是室內(nèi)或盆栽試驗(yàn)，田間試驗(yàn)鮮有報(bào)道，尤其是對(duì)旱地覆膜高產(chǎn)玉米地土壤酶活性的研究相對(duì)匱乏，且前期關(guān)于氣候變化對(duì)作物影響的研究多是針對(duì)某個(gè)時(shí)間進(jìn)行探討，較少考慮土壤酶活性隨作物生育期在時(shí)間梯度上的變化[11-12]。開(kāi)頂式氣室（OTC）被廣泛用于研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[13]，但一些研究并未考慮OTC對(duì)土壤環(huán)境的影響[11-12]。因此，本研究通過(guò)改進(jìn)的OTC系統(tǒng)[14]控制CO2濃度，研究覆膜栽培玉米不同生育期土壤酶活性對(duì)OTC及大氣CO2濃度升高的響應(yīng)特征。旨在為后期利用此OTC系統(tǒng)開(kāi)展大田試驗(yàn)提供參考；為揭示未來(lái)氣候條件下農(nóng)田土壤酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)規(guī)律等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

本試驗(yàn)于2017年在長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（35°12′N，107°40′E）進(jìn)行，該區(qū)位于黃土高原中南部陜甘交界處陜西省長(zhǎng)武縣洪家鎮(zhèn)王東村，海拔1200 m。該地區(qū)年均降水量為584 mm，年均氣溫9.1℃，5—9月平均氣溫為19.0℃，無(wú)霜期171 d，地下水位50～80 m，年蒸發(fā)量高達(dá)1565 mm，屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。地帶性土壤為黑壚土，質(zhì)地均勻疏松。播前耕層土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 8.0，容重1.28 g·cm-3，有機(jī)質(zhì) 12.46 g·kg-1，全氮 0.98 g·kg-1，速效磷（Olsen-P）22.2 mg·kg-1，速效鉀（NH4OAc-K）181.9 mg·kg-1，礦質(zhì)氮16.9 mg·kg-1。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)OTC系統(tǒng)建于2015年，采用田間定位試驗(yàn)，共設(shè)置3種處理：大田自然大氣CO2濃度處理（CK）、OTC對(duì)照處理（OTC）及OTC系統(tǒng)自動(dòng)控制CO2濃度（700 μmol·mol-1）處理（OTC+CO2），其中設(shè)置OTC對(duì)照處理是指氣室直接立于田間土壤之上，無(wú)額外加熱系統(tǒng)，不通入CO2氣體，為剝離OTC所帶來(lái)的被動(dòng)增溫效應(yīng)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為：自然大氣條件下6 m×6.5 m=39 m2，氣室內(nèi)2 m×2 m=4 m2。各小區(qū)均施尿素[w（N）≥46%]225 kg N·hm-2，分三次施入，其中基肥占40%，喇叭口期（V10）追肥30%；抽雄期（VT）追肥30%；均施過(guò)磷酸鈣［w（P2O5）≥12%］40 kg P·hm-2和氧化鉀［w（K2O）≥45%］80 kg K·hm-2作底肥一次性全部施入，施氮、磷、鉀量均為純氮、磷、鉀量。小區(qū)內(nèi)均全地膜覆蓋。

供試玉米品種為：“鄭單958”，種植密度為70 000株·hm-2，播種方式為寬窄行（60 cm和40 cm）低高壟（5 cm和15 cm）溝播。于2017年4月23日播種，9月15日收獲。玉米全生育期間不進(jìn)行灌溉，天然降雨是其唯一的水分來(lái)源；不噴施任何農(nóng)藥，雜草均由人工及時(shí)去除。

1.3 試驗(yàn)方法

分別在春玉米播前、六葉期（V6）、十二葉期（V12）、吐絲期（R1）、乳熟期（R3）及完熟期（R6）時(shí)，于田間試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)采用梅花布點(diǎn)法選取5個(gè)點(diǎn)，采樣深度為0～20 cm土層，現(xiàn)場(chǎng)混勻，去除土壤中植物殘?bào)w和根系后置于塑封袋中，帶回試驗(yàn)室。土樣經(jīng)風(fēng)干過(guò)1 mm篩后進(jìn)行土壤酶活性的測(cè)定。脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[15]。土壤含水率采用烘干法測(cè)得，利用溫度傳感器（YX-TRWD）對(duì)5 cm土層進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和圖表分析采用Microsoft Office Excel 2016和Origin 8.5。采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差（One-way ANOVA）檢驗(yàn)和重復(fù)測(cè)量方差分析（Repeated-analysis ANOVA），采用Duncan法在P＜0.05水平作各生育期處理間多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 春玉米各生育期不同處理下土壤水分和溫度變化

與CK相比，OTC和OTC+CO2處理下各生育期土壤水分含量均有所降低。CK、OTC、OTC+CO2處理下土壤水分含量范圍分別為：12.37%～23.02%、8.91%～20.12%、8.38%～21.15%。不同處理土壤水分含量隨生育期的變化規(guī)律相似，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，在R3期最低。與CK相比，開(kāi)頂式氣室（OTC及OTC+CO2處理）能夠提高表層土壤溫度。CK、OTC、OTC+CO2處理下玉米全生育期土壤溫度變化范圍分別為：19.29～24.15、20.23～25.77、20.31～26.00 ℃。

2.2 春玉米各生育期土壤酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

2.2.1 土壤脲酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

由圖2可知，脲酶活性最大值出現(xiàn)在V6期。與CK相比，OTC處理使春玉米農(nóng)田播前土壤脲酶活性顯著增加17.32%（P＜0.05），對(duì)其余各生育期影響不顯著；與OTC相比，CO2濃度升高（OTC+CO2處理）對(duì)春玉米各生育期土壤脲酶活性均無(wú)顯著影響。OTC與CO2濃度升高的交互作用使春玉米土壤脲酶活性較CK呈升高趨勢(shì)且在R3、R6期顯著升高7.52%和13.85%（P＜0.05）。

圖1 春玉米各生育期土壤水分和溫度變化Figure 1 Soil water content and temperature at different growth stages of maize

圖2 CO2濃度升高對(duì)玉米各生育期土壤脲酶活性的影響Figure 2 Effects of elevated CO2on soil urease activities at different growth stages of maize

2.2.2 土壤堿性磷酸酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

由圖3可知，堿性磷酸酶活性最大值出現(xiàn)在R3期。與CK相比，OTC處理使V12期土壤堿性磷酸酶活性顯著降低8.80%（P＜0.05），R6期堿性磷酸酶活性顯著升高8.95%（P＜0.05）；與OTC相比，CO2濃度升高（OTC+CO2處理）使R1、R6期堿性磷酸酶活性顯著降低8.74%和6.39%（P＜0.05），對(duì)其余各生育期影響不顯著。在OTC與CO2濃度升高的交互作用下，春玉米堿性磷酸酶活性在播前、V6、V12、R1期較CK呈降低趨勢(shì)，R3、R6期呈升高趨勢(shì)，其中V12、R1期均變化顯著（P＜0.05）。

2.2.3 土壤蔗糖酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

由圖4可知，整個(gè)生育進(jìn)程中，蔗糖酶活性表現(xiàn)為升-降-升-降的趨勢(shì)，其中V6期土壤蔗糖酶最高，R6期土壤蔗糖酶活性最低。與CK相比，OTC處理使播前、V6、R1期春玉米土壤蔗糖酶活性顯著降低12.65%～21.43%（P＜0.05），R3期顯著升高17.50%（P＜0.05）；與OTC相比，CO2濃度升高（OTC+CO2處理）使春玉米V6、R3期土壤蔗糖酶活性分別提高30.18%和18.37%（P＜0.05），對(duì)其余生育期有升高趨勢(shì)但影響不顯著。OTC與CO2濃度升高的交互作用使V6、R3期蔗糖酶活性較CK顯著升高13.72%和39.09%（P＜0.05），R1期顯著降低10.75%（P＜0.05）。

圖4 CO2濃度升高對(duì)玉米各生育期蔗糖酶活性的影響Figure 4 Effects of elevated CO2on sucrase activities at different growth stages of maize

2.2.4 土壤過(guò)氧化氫酶活性對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

圖3 CO2濃度升高對(duì)玉米各生育期堿性磷酸酶活性的影響Figure 3 Effects of elevated CO2on alkaline phosphatase activities at different growth stages of maize

圖5 CO2濃度升高對(duì)玉米各生育期過(guò)氧化氫酶活性的影響Figure 5 Effects of elevated CO2on catalase activities at different growth stages of maize

由圖5可知，在春玉米各生育期中，R3期過(guò)氧化氫酶活性最低。與CK相比，OTC處理使春玉米V12、R1、R6期土壤過(guò)氧化氫酶活性分別顯著降低9.05%、8.07%和7.30%（P＜0.05），其余生育期（除R3）有降低趨勢(shì)但差異不顯著；與OTC相比，CO2濃度升高（OTC+CO2處理）使V6、V12、R1、R6期過(guò)氧化氫酶活性呈升高趨勢(shì)且在V12期顯著升高8.64%（P＜0.05），R3期顯著降低11.01%（P＜0.05）。在OTC與CO2濃度升高的交互作用下，春玉米R(shí)3、R6期過(guò)氧化氫酶活性較CK顯著降低（P＜0.05），其余生育期無(wú)顯著影響。

2.3 OTC、CO2和生育期對(duì)土壤酶活性的影響

從表1的重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果可看出，OTC及其與生育期的交互作用對(duì)春玉米土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性均具有顯著影響（P＜0.05）；與OTC相比，CO2濃度升高僅對(duì)蔗糖酶活性影響顯著（P＜0.05），對(duì)其他三種酶活性無(wú)顯著影響（P＞0.05）；OTC與CO2的交互作用（OTC+CO2處理）、生育期（GP）、生育期與CO2的交互作用對(duì)四種酶活性均具有顯著影響（P＜0.05）；OTC、CO2及生育期的交互作用僅對(duì)土壤蔗糖酶活性具有顯著影響（P＜0.05）。說(shuō)明OTC和大氣CO2濃度對(duì)春玉米農(nóng)田土壤各類酶活性的影響程度不同，其中OTC的影響更為顯著；生育期也是影響土壤酶活性的一個(gè)重要因素。

3 討論

土壤酶活性與土壤特性及土壤環(huán)境條件密切相關(guān)，被廣泛用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤生物化學(xué)活性[16]。土壤脲酶、磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶對(duì)土壤環(huán)境變化較為敏感，對(duì)土壤C、N、P等元素的轉(zhuǎn)化及循環(huán)起著重要作用[17]。已有研究發(fā)現(xiàn)溫度和大氣CO2濃度升高能夠通過(guò)影響土壤微生物群落組成、微生物呼吸作用、土壤有機(jī)物質(zhì)的分解和礦化、植物生長(zhǎng)代謝水平等因素間接影響土壤酶活性[18-19]。

3.1 OTC對(duì)春玉米土壤酶活性的影響

溫度對(duì)植物的物質(zhì)代謝和土壤中微生物活動(dòng)等具有重要影響，而OTC本身不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的增溫效應(yīng)。徐振鋒等[20]指出，增溫通過(guò)酶動(dòng)力學(xué)、土壤微生物、動(dòng)物和植物的活動(dòng)以及土壤養(yǎng)分礦化速率等因素直接或間接影響土壤酶活性。王學(xué)娟等[21]采用OTC增溫對(duì)長(zhǎng)白山苔原生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，增溫使土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性有所提高，但也有研究發(fā)現(xiàn)，增溫降低了土壤酶活性或?qū)γ富钚詿o(wú)顯著影響。如韓瑋等[22]對(duì)水稻土的研究指出，增溫降低土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性；而Steinweg等[23]的研究表明增溫沒(méi)有對(duì)酶活性產(chǎn)生顯著影響。本試驗(yàn)中OTC處理使多個(gè)生育期土壤蔗糖酶及過(guò)氧化氫酶活性降低，可能是因?yàn)橛衩咨L(zhǎng)期間該地區(qū)降水較少，土壤水分含量處于較低水平，而OTC處理的土壤水分含量相對(duì)更低（圖1），土壤中生物化學(xué)過(guò)程受到水分限制，從而抵消了增溫對(duì)土壤酶活性的正效應(yīng)[24]，馬志良等[25]也表明OTC增溫導(dǎo)致土壤含水量降低會(huì)限制土壤酶活性，這與陳曉麗等[26]的研究結(jié)果一致。此外，OTC處理能一定程度降低土壤中有機(jī)碳含量[27]，減少了酶作用的底物，使酶活性降低。前期對(duì)玉米進(jìn)行的田間定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明，改進(jìn)的OTC系統(tǒng)大氣日平均增溫僅為0.4℃[14]，與他人研究相比，空氣溫度升高幅度較小，酶活性對(duì)小幅度的增溫響應(yīng)并不敏感[28]，土壤微生物也可能對(duì)增溫條件產(chǎn)生適應(yīng)性[21]，且OTC處理下玉米葉莖干質(zhì)量、株高、莖粗、光合作用等均無(wú)顯著變化[29]，作物對(duì)土壤酶活性的間接影響較小，因而使得OTC對(duì)脲酶和磷酸酶整體來(lái)說(shuō)沒(méi)有影響。

3.2 CO2濃度升高對(duì)春玉米土壤酶活性的影響

有研究報(bào)道，大氣CO2濃度升高能夠促進(jìn)植物的光合作用，提高根系生物量及分泌物，并改變根系輸入到土壤中的物質(zhì)組分[12]，引起土壤化學(xué)和微生物學(xué)的明顯變化[30]。植物代謝功能及土壤微生物對(duì)大氣CO2濃度升高的響應(yīng)，均可能對(duì)在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用的土壤酶活性產(chǎn)生影響。有關(guān)大氣CO2濃度升高對(duì)土壤酶活性的影響，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者做了相關(guān)研究。Wang等[31]研究表明，CO2濃度升高通過(guò)刺激植物根系分泌引起轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性的增加，Manna等[10]指出，CO2濃度升高不會(huì)影響水稻土脫氫酶、雙乙酸熒光素和酸性磷酸酶活性。本試驗(yàn)中，大氣CO2濃度升高總體上對(duì)土壤脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性沒(méi)有影響，可能的原因有：（1）玉米生長(zhǎng)季節(jié)土壤溫度較高，土壤酶反應(yīng)處于較適宜的溫度范圍，微生物活性較大，掩蓋了CO2濃度造成的酶活性的差異。（2）馮瑞芳等[32]以原狀土柱作為研究對(duì)象（未栽種植物）的研究結(jié)果表明，CO2濃度升高對(duì)土壤酶作用不明顯，可見(jiàn)CO2濃度對(duì)土壤酶活性的影響主要通過(guò)植物代謝和根分泌等間接作用。而大氣CO2濃度升高對(duì)玉米的光合作用及生長(zhǎng)沒(méi)有很大促進(jìn)作用[29]，因而對(duì)其物質(zhì)代謝、根系分泌及土壤微生物群落影響較小。有研究表明，CO2濃度升高增加外源C輸入，為根系微生物提供更多底物，從而提高微生物活性，刺激微生物生長(zhǎng)代謝，也加速了養(yǎng)分的礦化過(guò)程，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤轉(zhuǎn)化酶活性增加[33]，本試驗(yàn)也證明CO2濃度升高可一定程度提高土壤蔗糖酶活性。

表1 OTC、CO2和生育期對(duì)土壤酶活性的重復(fù)測(cè)量方差分析Table 1 Repeated measures ANOVA for the effects of OTC，CO2，growth stage and their interaction on soil enzyme activities

3.3 OTC與CO2濃度升高的交互效應(yīng)及生育期對(duì)春玉米土壤酶活性的影響

大氣CO2濃度和溫度均是影響作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子，二者互作可能通過(guò)植物-土壤這一系統(tǒng)影響土壤理化性質(zhì)、微生物群落組成及活性、呼吸作用以及土壤基質(zhì)利用率等，進(jìn)而影響土壤酶活性。本試驗(yàn)中CO2濃度升高僅對(duì)蔗糖酶活性有顯著影響，但是OTC+CO2處理對(duì)土壤4種酶活性均具有顯著影響（表1），說(shuō)明溫度升高和干旱可能會(huì)加劇未來(lái)氣候條件下大氣CO2濃度升高對(duì)玉米農(nóng)田土壤酶活性的影響。劉遠(yuǎn)等[34]通過(guò)田間開(kāi)放式平臺(tái)的研究表明，麥田土壤酶活性對(duì)溫度的反應(yīng)較CO2更為敏感，與本試驗(yàn)中OTC對(duì)土壤酶活性的影響大于CO2濃度升高一致。究其原因主要有：溫度對(duì)土壤酶活性具有直接作用，CO2濃度升高主要通過(guò)作物的間接影響；OTC引起土壤水分含量降低，而土壤酶活性高低與土壤水分密切相關(guān)。因此后期利用此OTC系統(tǒng)進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)土壤環(huán)境可能造成的影響。

由于土壤酶活性對(duì)環(huán)境變化較為敏感，因而不同生育期能夠顯著影響土壤酶活性并與處理因素存在交互效應(yīng)，且因酶種類不同而存在差異。張玉蘭等[35-36]早期對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)的研究也表明土壤酶活性對(duì)CO2濃度升高的響應(yīng)與生育期有關(guān)。此外，大量研究表明土壤酶活性對(duì)小幅度增溫的響應(yīng)明顯小于季節(jié)性溫度變化引起的響應(yīng)[28，37-38]；李亦霏等[39]的研究也指出土壤微生物和酶活性與作物生物量沒(méi)有顯著相關(guān)性卻受作物生育期的顯著影響。可見(jiàn)作物在不同生育期的生理活性和土壤環(huán)境的變化是影響土壤酶活性的重要因子。

4 結(jié)論

（1）生育期對(duì)覆膜玉米農(nóng)田土壤酶活性具有顯著影響，不同種類酶活性隨生育期的變化趨勢(shì)不同。

（2）當(dāng)前旱作覆膜高產(chǎn)栽培模式下，玉米農(nóng)田土壤酶活性對(duì)OTC的響應(yīng)較大氣CO2濃度升高更為顯著。

（3）升溫和干旱可能會(huì)加劇未來(lái)氣候條件下大氣CO2濃度升高對(duì)玉米農(nóng)田土壤酶活性的影響。