大豆田黑土酶活性研究范文
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《大豆科學(xué)雜志》2016年第一期
摘要:
以農(nóng)業(yè)部黑龍江耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(始建于1979年)為研究平臺(tái)，選取4個(gè)典型施肥處理(不施肥處理、有機(jī)肥處理、單施化肥、有機(jī)－化肥配合處理)為供試土樣，于2011年大豆收獲后采集土壤樣品，研究長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)黑土主要酶類(葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶)活性的影響。結(jié)果表明:長(zhǎng)期不施肥處理大豆田土壤酶活性較低，施肥處理可以增加黑土酶活性，脲酶與磷酸單酯酶對(duì)施肥響應(yīng)程度大于β－葡糖苷酶;單施有機(jī)肥處理與化肥處理對(duì)土壤酶活性影響程度之間差異不顯著，而有機(jī)肥配施化肥處理則能夠顯著增強(qiáng)黑土β－葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶活性。同時(shí)，土壤β－葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶活性與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷以及速效磷含量之間具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH之間具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。長(zhǎng)期有機(jī)肥配施化肥處理可以顯著增強(qiáng)大豆田土壤酶活性，土壤酶活性與土壤主要養(yǎng)分含量之間關(guān)系密切。
關(guān)鍵詞:
黑土;長(zhǎng)期施肥;土壤酶;土壤養(yǎng)分
土壤酶活性作為表征土壤性質(zhì)的生物活性指標(biāo)，已被廣泛用于評(píng)價(jià)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化狀況，以及農(nóng)業(yè)措施和肥料施用的效果［1-3］。土壤酶活性的增強(qiáng)能夠促進(jìn)土壤的代謝，提高土壤肥力，改善土壤性質(zhì)［4-6］。長(zhǎng)期土壤肥力試驗(yàn)為土壤科學(xué)和其它相關(guān)學(xué)科提供了極為珍貴的研究平臺(tái)，可以彌補(bǔ)短期試驗(yàn)的缺憾，克服一些不穩(wěn)定的因素，使各種施肥、耕作方式有更好的可比性，尤其為研究不同措施影響土壤生物學(xué)性質(zhì)變化提供了更為可靠的場(chǎng)所，有助于進(jìn)一步揭示土壤酶活性、酶促反應(yīng)過(guò)程的實(shí)質(zhì)及其與土壤肥力之間的關(guān)系［7-10］。東北黑土區(qū)的總土地面積為1.02×106km2，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，土層厚，結(jié)構(gòu)良好。黑龍江省擁有耕地面積1.46×107hm2，糧食總產(chǎn)量全國(guó)第一(624.2億kg，2014年)。在糧食產(chǎn)量逐年增加的情況下，作物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生大量CO2，收獲時(shí)從土壤中帶走大量養(yǎng)分，直接影響土壤肥力水平，進(jìn)而影響土壤生物學(xué)過(guò)程。目前輪作是一種合理利用土壤中的養(yǎng)分，提高土壤肥力的種植方式。各種作物的根系發(fā)育狀況不同，特別是大豆，是重要肥田的作物，其有共生固氮的特性，將豆科與禾本科作物輪作，就能使土壤中全層養(yǎng)分得到合理利用。留在土壤中的根殘物被土壤微生物分解后，形成腐殖質(zhì)，可以均衡地增加土壤養(yǎng)分，全面提高土壤肥力。大豆田土壤酶活性的研究有助于揭示輪作制度下土壤生物學(xué)活性變化特征及其與土壤肥力變化關(guān)系，豐富黑土肥力變化生物學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，評(píng)價(jià)不同輪作制度及施肥方式對(duì)黑土酶活性的影響，為黑土區(qū)農(nóng)田土壤生物學(xué)研究提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1供試土壤本研究以農(nóng)業(yè)部黑龍江耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站建立的長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)(N45°50'30″，E126°51'05″)為研究基礎(chǔ)(始建于1979年)，該實(shí)驗(yàn)站共有24個(gè)試驗(yàn)處理，采取小麥－大豆－玉米的輪作方式。土壤類型為黑土。2011年種植作物為大豆，收獲后采集耕層土壤(0～20cm)，每個(gè)處理3次重復(fù)，新鮮土壤樣品去除根系等后分為2份，1份過(guò)2mm篩放置于封口袋在4℃冰箱中保存，1份風(fēng)干待用。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)選擇4個(gè)施肥處理，分別為:不施肥處理(CK)、有機(jī)肥處理(M)、無(wú)機(jī)肥料單施(NPK)、有機(jī)－無(wú)機(jī)肥料配合處理(M+NPK)。其中種植大豆施肥量為N75kg•hm－2，P2O5150kg•hm－2，K2O75kg•hm－2，有機(jī)肥為純馬糞，每輪作周期施一次，施于玉米茬，按N75kg•hm－2(約馬糞18t•hm－2)。
1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法
1.3.1土壤酶活性分別采用對(duì)硝基苯葡糖苷法、尿素殘留量法和對(duì)硝基苯磷酸鹽法對(duì)土壤β－糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性進(jìn)行測(cè)定［11-13］。
1.3.2土壤養(yǎng)分土壤有機(jī)質(zhì)、全氮采用德國(guó)Ele-menter元素分析儀測(cè)定;全磷、速效磷分別用酸溶－鉬銻抗比色法和Olsen法測(cè)定;pH采用PSH-3C型pH計(jì)測(cè)定［14］。
1.4數(shù)據(jù)處理采用Office2007的相關(guān)軟件作圖，SPSS14.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2結(jié)果與分析
2.1土壤β－葡糖苷酶活性變化β－葡糖苷酶是國(guó)內(nèi)外研究較多的一種與土壤碳循環(huán)密切相關(guān)的酶，廣泛存在于土壤中，參與土壤中碳水化合物的水解;它被認(rèn)為是纖維素降解中最重要的一種酶，其活性可以反映土壤不同管理措施的影響。本研究中黑土長(zhǎng)期不同施肥處理土壤β－葡糖苷酶活性測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。有機(jī)肥配施化肥后促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)和微生物的繁殖，微生物向土壤分泌釋放更多酶，土壤酶活性得以增強(qiáng)［7］。
2.2土壤脲酶活性變化脲酶是分類名稱為尿素氨基水解酶類的通稱，是一種將酰胺態(tài)有機(jī)氮化物水解轉(zhuǎn)化為植物可以直接吸收利用的無(wú)機(jī)態(tài)氮化物的酶，是酶促尿素水解的專性酶類［15-16］，它的活性在某些方面可以反映土壤的供氮能力與水平，與土壤中氮循環(huán)體系有著密切聯(lián)系。圖2為黑土長(zhǎng)期不同施肥處理土壤脲酶活性結(jié)果。結(jié)果表明:施肥處理有助于增加黑土脲酶活性，不同施肥處理土壤脲酶活性在71.7～164.5mg•kg－1•(5h)－1之間，施肥處理脲酶活性平均值為157.2mg•kg－1•(5h)－1。不同施肥處理?xiàng)l件下土壤脲酶活性高低表現(xiàn)為MNPK＞NPK＞M＞CK，施肥處理土壤脲酶活性顯著高于不施肥處理(P＜0.05);與不施肥處理相比，單施化肥處理、單施有機(jī)肥處理以及有機(jī)肥配施化肥處理脲酶活性分別增加了86.4，77.2以及92.7mg•kg－1•(5h)－1。施肥處理能夠促進(jìn)作物的生長(zhǎng)和微生物的繁殖，微生物向土壤分泌釋放更多酶，使得土壤酶活性增強(qiáng)［7］。
2.3土壤磷酸單酯酶活性變化土壤磷酸酶是催化含磷有機(jī)酯和酐水解的一類酶的總稱。通常土壤磷酸酶指磷酸酯酶類，主要為磷酸單酯酶(酸性、中性、堿性)、磷酸二酯酶、磷酸三酯酶［17］。土壤中的有機(jī)磷化合物是在土壤磷酸酶作用下參與磷素循環(huán)的［18-19］。通常農(nóng)用地上，酸性土壤中磷酸酶活性以酸性磷酸酶為主，堿性土壤中則以堿性磷酸酶為主。黑土長(zhǎng)期施肥各個(gè)處理土壤酸性磷酸酶活性測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明:施肥能夠顯著增強(qiáng)黑土酸性磷酸酶活性(P＜0.05)。不同施肥處理土壤酸性磷酸酶活性在127.9～394.8mg•kg－1•h－1之間，施肥處理酸性磷酸酶活性平均值為312.0mg•kg－1•h－1。土壤酸性磷酸酶活性高低表現(xiàn)為MNPK＞NPK＞M＞CK，施肥處理土壤酸性磷酸酶活性顯著高于不施肥處理(P＜0.05)，有機(jī)肥配施化肥處理土壤酸性磷酸酶活性最高，顯著高于其它各個(gè)處理(P＜0.05)。與不施肥處理相比，單施化肥處理、單施有機(jī)肥處理以及有機(jī)肥配施化肥處理酸性磷酸酶活性分別增加了147.1，138.3以及266.9mg•kg－1•h－1。
2.4黑土酶活性與土壤肥力的關(guān)系土壤酶活性是土壤生物活性的總體現(xiàn)，反映了土壤的綜合肥力特征及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程，可以作為衡量土壤肥力水平高低的指標(biāo)。土壤中可供植物利用的營(yíng)養(yǎng)元素的多少與土壤酶活性的高低直接相關(guān);在良好的有機(jī)養(yǎng)分狀況下，土壤酶活性較高，其對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的礦質(zhì)化作用強(qiáng)度越大，越有利于系統(tǒng)內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)。土壤肥力水平在很大程度上受制于土壤酶的影響，與土壤酶活性之間存在著非常密切的相關(guān)關(guān)系。表1為黑土幾種酶活性與土壤主要養(yǎng)分含量之間的相關(guān)系數(shù)。由表1可得，黑土β－葡糖苷酶、脲酶和磷酸單酯酶活性與土壤總有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷含量之間均具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與pH間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。
3討論
土壤酶是表征土壤中物質(zhì)、能量代謝程度和土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要生物學(xué)指標(biāo)［20］。在目前發(fā)現(xiàn)的土壤酶中，一些水解酶對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的形成和養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用，土壤酶活性對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)靈敏已被證實(shí)。長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)土壤酶活性影響較大。有機(jī)肥配施化肥處理土壤酶活性增強(qiáng)顯著，主要源于有機(jī)肥向土壤中帶入大量的微生物和酶，刺激了微生物活性和增殖，使新產(chǎn)生的土壤酶活性增強(qiáng)。以往研究表明，在土壤C、N、P養(yǎng)分循環(huán)起重要作用的葡糖苷酶、脲酶、磷酸酶以及其它酶活性均與土壤有機(jī)碳含量、全氮含量等養(yǎng)分具有顯著相關(guān)關(guān)系［21-23］。另外，由于pH能夠影響酶的解離形式、酶的構(gòu)象、酶活性中心的形成以及土壤中許多營(yíng)養(yǎng)元素尤其是重金屬的形態(tài)，進(jìn)而影響植物、微生物及動(dòng)物的生命活動(dòng)，通常，酶活性與土壤pH之間的關(guān)系密切［24-25］。關(guān)于土壤酶活性作為土壤肥力指標(biāo)的研究已有很多，如周禮愷等［26］用聚類分析的方法證明了土壤酶活性的總體在評(píng)價(jià)土壤肥力水平中的重要作用。
土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量之間存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，表明可以用酶活性來(lái)指示土壤中養(yǎng)分含量變化，其與土壤肥力關(guān)系密切。土壤酶活性在參與土壤養(yǎng)分循環(huán)、保持和提高土壤肥力方面具有重要的作用。本研究中有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配合處理土壤β－葡糖苷酶活性增高的原因是土壤經(jīng)高有機(jī)質(zhì)含量的有機(jī)物料處理后，有機(jī)質(zhì)與游離的酶形成復(fù)合體的可能性更高，酶更容易在土壤中積累，活性由于酶量的增加而增強(qiáng)。土壤脲酶廣泛存在于微生物、植物和動(dòng)物體內(nèi)，通常與微生物數(shù)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮等因素有關(guān)。
已有研究表明長(zhǎng)期有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥處理能夠顯著提供土壤脲酶活性［7，15］;在施用有機(jī)肥的基礎(chǔ)上配合施用化肥，脲酶活性增加可能的原因是:(1)脲酶反應(yīng)底物即尿素的濃度升高;(2)有機(jī)肥的使用使土壤有機(jī)質(zhì)增加，更多地保護(hù)土壤酶活性使之免遭變性或降解，因而脲酶活性也隨之增加［16］。施用有機(jī)肥后磷酸單酯酶活性與對(duì)照相比顯著增加，主要是由于有機(jī)肥(或配施化肥)施用后促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)和微生物的繁殖，微生物向土壤分泌釋放更多酶，土壤酶活性得以增強(qiáng)［7］，同時(shí)與有機(jī)肥本身具有較高的磷酸酶活性有關(guān)。有相關(guān)研究表明，無(wú)論是微生物合成和釋放磷酸單酯酶的速率，或者磷酸單酯酶本身的穩(wěn)定性都與土壤pH有關(guān)，pH很小的差異，都會(huì)影響土壤磷酸單酯酶的活性和土壤有機(jī)磷的礦化［12］。本研究中長(zhǎng)期不同施肥處理土壤生物學(xué)活性變化顯著，表明土壤生物學(xué)活性可以用于指示不同施肥措施的作用效果，是表征土壤肥力變化的敏感指標(biāo)。目前針對(duì)土壤生物學(xué)活性的研究較多，然而關(guān)于土壤酶活性的變化以及酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)，應(yīng)該主要針對(duì)長(zhǎng)期不同施肥措施，不同耕作措施以及應(yīng)對(duì)氣候變化條件下的酶促反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究。
作者：馬星竹 周寶庫(kù) 郝小雨 單位：黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所