不同耕作方式下春小麥生育期土壤酶時空變化研究

羅珠珠，黃高寶，蔡立群，張仁陟，李玲玲，謝軍紅

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省干旱生境作物學省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州730070）

＊土壤酶主要來源于植物根系分泌物和土壤微生物的增殖及其死亡殘體的胞溶［1］，在生態系統有機質的分解及養分循環過程中起著重要的作用［2－4］，其活性反映了土壤中各種生物化學過程的強度和方向，并在響應作物輪作［5，6］、殘留物管理［7－9］和土壤壓實［7］、耕翻［9－11］等不同土壤管理措施的效果時比較敏感，對土壤質量狀況具有指示作用［12］。Caravaca等［13］研究指出，對于土壤質量的變化，土壤酶活性比土壤有機質的變化更為敏感，能夠在短期內發生變化，而土壤有機質的變化要緩慢得多，且土壤酶活性與土壤有機質、微生物量、土壤呼吸和碳截留量等指標顯著相關［14－17］。也有研究［18］發現，免耕可以提高表層土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶和α－2葡萄糖苷酶等土壤酶活性，但對深層土壤酶活性的研究結果卻差異很大，這可能與作物種類、土壤類型和氣候條件的差異有關［19］。此外，作物不同生育時期土壤酶活性存在一定的差異［20］。

土壤酶作為評價土壤質量的敏感性生物指標，一直以來在土壤理化性質與酶活性的關系、有機肥與化肥的施用對酶活性的影響等方面進行的研究較多［21，22］。而關于耕作方式對作物不同生育期土壤酶活性動態變化影響的報道較少。因此，本研究以黃土高原旱地為對象，探討了不同耕作方式下參與土壤碳、氮、磷循環轉化的4種土壤酶在春小麥生育期的時空變化，以期為評價耕作方式對土壤質量的影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗設在黃土高原半干旱丘陵溝壑區的定西市安定區李家堡鎮麻子川村，屬中溫帶半干旱區，平均海拔2 000 m，年均太陽輻射592.9 kJ／cm2，年均降水390.9 mm，年蒸發量1 531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養農業區。土壤為典型的黃綿土，土質疏松，土層深厚，質地均勻，貯水性能良好，其理化性狀如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理（表2），4次重復，共16個小區，小區面積4 m×20 m，隨機區組排列。供試作物為春小麥（定西35）（Triticum aestivum），播種量187.5 kg／hm2。T、NT、TS、NTS用中國農業大學研制的免耕播種機播種，行距20 cm，播深為7 cm。各處理均施N 105 kg／hm2，P2O5105 kg／hm2（尿素＋二銨）；所有肥料都作為基肥在播種時同時施入。春小麥前茬作物為豌豆（Pisum sativum），秸稈還田處理豌豆收獲脫粒后所有秸稈均歸還原小區。

表1 研究區土壤理化性質Table 1 Soil chemical and physical properties

表2 試驗處理描述Table 2 Treatments description

1.3 試驗方法

2007年春小麥苗期（4月5日）、拔節期（5月10日）、灌漿期（7月1日）和成熟期（7月29日）采樣，每小區用“S”形取樣法隨機選取5點，用土鉆取0～30 cm土層土樣，將所得土樣裝入塑料袋，寫明采樣地點、采樣日期和采樣深度。樣品帶回實驗室，經混勻風干處理過1 mm篩后，進行室內分析。

土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法［23］，以20 min后1 g土壤所需的0.1 mol／L高錳酸鉀的毫升數表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法［24］，以24 h后1 g土壤中釋放的酚的毫克數表示；蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水楊酸比色法［25］，以24 h后1 g土壤中含葡萄糖的毫克數表示；脲酶活性采用靛酚藍比色法［23］，以24 h后1 g土壤中釋放氨態氮的毫克數表示。

1.4 統計方法

所有分析均在SPSS 18.0軟件下進行。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下春小麥生育期土壤酶活性動態

不同生育期4種土壤酶活性在耕層0～30 cm土壤表現不一（表3）。土壤過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性在春小麥整個生育期變化趨勢基本一致，苗期2種酶活性均較低，平均為4.73 m L／（g·h）和16.92 mg／（g·d），拔節期2種酶活性均上升，到灌漿期出現峰值之后逐漸降低。但從方差分析結果來看，二者的變化卻不盡相同，過氧化氫酶活性不同生育期存在一定差異，特別是灌漿期與其他生育期差異顯著，而蔗糖酶活性各生育期均無顯著差異。土壤耕層0～30 cm脲酶活性苗期到拔節期平均提高27.68%，拔節期達到整個生育期的峰值，之后持續下降一直延續到灌漿期，灌漿之后又有所回升。統計分析表明，脲酶活性拔節期顯著高于成熟期，成熟期顯著高于苗期和灌漿期，苗期與灌漿期無差異。土壤堿性磷酸酶活性與脲酶活性變化相似，表現為隨著春小麥生育期的推進，拔節期上升，之后持續下降一直延續到灌漿期，灌漿之后又開始回升。但與土壤脲酶有所不同的是，堿性磷酸酶活性峰值出現在成熟期而非拔節期。因此，土壤堿性磷酸酶活性總體表現為各處理成熟期均顯著高于其他生育期，TS和NTS灌漿期顯著低于苗期和拔節期。

表3 不同耕作方式下小麥生育期耕層土壤酶活性（0～30 cm）Table 3 Soil enzyme activities under different tillage measures during spring wheat growing season

不同耕作方式間比較（表3），土壤過氧化氫酶活性苗期表現為NT＞T＞NTS＞TS，隨著小麥生長發育，拔節期和成熟期表現為NTS＞TS＞NT＞T，灌漿期表現為TS＞NT＞NTS＞T。進一步統計分析發現，苗期NT與其余處理間差異顯著，拔節期和成熟期NTS與其余處理差異顯著，灌漿期前3種處理均與T差異顯著。與傳統耕作T相比，整個生育期NTS、NT、TS過氧化氫酶活性分別比T增加4.02%，3.76%和1.80%。土壤脲酶活性生育前期（苗期和拔節期）表現為NTS＞TS＞NT＞T，生育后期（灌漿期和成熟期）表現為NTS＞NT＞TS＞T；苗期和灌漿期NTS與其余處理間差異顯著，拔節期NTS僅與T差異顯著，成熟期各處理間無差異。與傳統耕作T相比較，整個生育期NTS、NT、TS脲酶活性分別比T增加8.74%，5.54%和8.06%。土壤堿性磷酸酶活性苗期、拔節期和成熟期表現為NTS＞TS＞NT＞T，灌漿期為NT＞NTS＞T＞TS；苗期和成熟期NTS與其余處理間差異顯著，拔節期NTS僅與T差異顯著，灌漿期各處理間無差異。與傳統耕作T相比，整個生育期NTS、NT、TS堿性磷酸酶活性分別比T增加20.51%，9.40%和9.40%。土壤蔗糖酶活性整個生育期（包括苗期、拔節期、灌漿期和成熟期）均以NTS最高，T最低，且NTS與其余處理間差異顯著。與傳統耕作T相比較，整個生育期NTS、NT、TS蔗糖酶活性分別比T增加31.45%，13.23%和14.33%。

2.2 不同耕作方式下春小麥生育期土壤酶活性垂直變化

4種不同耕作方式下土壤過氧化氫酶活性在耕層0～30 cm剖面變化不一，隨著土層的加深，T呈先增后減趨勢，表現為5～10 cm＞10～30 cm＞0～5 cm；NTS、NT、TS呈遞減趨勢，表現為0～5 cm＞5～10 cm＞10～30 cm（圖1）。不同處理間比較，表層0～5 cm土壤，免耕處理土壤過氧化氫酶活性顯著高于翻耕，NTS和NT分別比T提高了9.35%和6.14%；5～10和10～30 cm土層雖然表現為免耕高于傳統翻耕，但各處理間無顯著差異。

4種不同耕作方式下，3種水解酶活性剖面分布與過氧化氫酶活性有所不同。免耕處理3種水解酶活性其剖面分布呈一定的規律性，NT和NTS 3種水解酶活性在0～30 cm剖面均呈遞減趨勢，表現為0～5 cm＞5～10 cm＞10～30 cm（圖1）。翻耕處理除TS蔗糖酶活性在耕層呈遞減趨勢外，其余均呈先增后減趨勢，表現為5～10 cm＞0～5 cm＞10～30 cm。不同處理間比較，表層0～5 cm土壤脲酶活性NTS和NT顯著高于T，分別提高了13.65%和6.38%；5～10 cm表現為NTS顯著高于T，提高了7.46%；10～30 cm土層NT和TS顯著高于T，分別提高了6.18%和5.85%。堿性磷酸酶活性表層0～5 cm表現為NTS和NT顯著高于T，分別提高了42.99%和16.58%；5～10和10～30 cm各處理間無顯著差異。蔗糖酶活性表層0～5 cm土層NTS、NT和TS顯著高于T，分別提高了52.70%，23.15%和21.14%；5～10 cm土層NTS和TS顯著高于T，分別提高了21.00%和12.46%；10～30 cm土層NTS和NT顯著高于T，分別提高了19.15%和10.91%。

圖1 不同耕作方式下土壤酶活性垂直變化Fig.1 Soil enzyme activities at the profile of 0－30 cm under different tillage measures

2.3 耕作方式和生育時期對土壤酶活性的效應

方差分析表明（表4），生育時期、耕作方式和覆蓋與否對土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶（生育時期對蔗糖效應不明顯）的單獨效應均達到5%或1%顯著水平。但三者對4種土壤酶活性的影響效應不同，其中生育時期對脲酶的影響最大，耕作方式和覆蓋對蔗糖酶的影響最大，兩兩交互作用和三者交互作用均對過氧化氫酶的影響最大。表明耕作方式和生育時期對土壤酶活性有重要影響，通過合理耕作措施增強土壤酶活性，進而改善土壤肥力狀況，可達到提高春小麥產量的目的。

表4 耕作方式和生育時期對土壤酶活性的影響（F值）Table 4 Effects of growth stage，tillage and cover on soil enzyme activities（F value）

3 討論

3.1 耕作方式對不同生育期土壤酶活性的影響

土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶在土壤碳、氮、磷循環中起重要作用［1，26］。土壤過氧化氫酶是由土壤中的細菌、真菌和植物的根部分泌的、是直接參與土壤中物質和能量轉化的一種酶。本研究發現不同耕作方式下土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性隨小麥生育期的推進一直上升，在灌漿期出現峰值之后開始下降，這與前人的研究結果基本一致［27］。其原因主要是隨著生育期的遞進，在拔節至灌漿期春小麥處于生長最旺盛的階段，根系發達，且根系分泌物增多，微生物和酶代謝活動增強，在灌漿期活性達到最大值；灌漿之后，根系對養分吸收速度減慢，根系分泌物減少，土壤中蔗糖酶和過氧化氫酶活性也隨之下降［27］。土壤脲酶活性從苗期開始到拔節期迅速上升并且達到整個生育期的峰值，這與當時的氣溫及作物生長的繁茂程度有關，因為脲酶活性主要受土壤溫度和氮源影響。苗期根小，氣溫低，土壤脲酶活性低，隨著生育期的后延，春小麥進入營養生長階段，氣溫升高且作物根系生物量增加，根系分泌物增加，土壤脲酶活性亦隨之明顯增加。土壤脲酶活性在拔節期出現峰值之后開始下降，是由于拔節期到灌漿期作物生長旺盛，對土壤養分吸收迅速，出現作物與微生物爭奪氮素營養的局面，從而抑制了土壤微生物的生長和繁殖，造成土壤脲酶活性降低。在灌漿之后土壤酶活性上升，其原因有待于進一步研究。土壤堿性磷酸酶活性從苗期到拔節期變化趨勢平緩，到灌漿期活性降低，成熟期活性最高，總體表現出春小麥生長后期活性高于生長前期的趨勢。García－Gil等［28］研究表明，當土壤中無機磷含量較高時，土壤磷酸酶活性受到抑制，而低磷條件下磷酸酶活性可被誘導。小麥的生育前期對養分的吸收以N素為主，到了生長后期，隨著核蛋白物質增加，對磷素的吸收劇增，加之磷素易被固定而釋放緩慢，則速效磷被作物吸收而迅速減少，從而誘導磷酸酶活性迅速增強。因此，小麥成熟期磷酸酶活性顯著高于其他時期。

本研究同時發現，除苗期過氧化氫酶、灌漿期堿性磷酸酶和成熟期脲酶之外，免耕秸稈覆蓋（NTS）4種土壤酶活性在春小麥其余生育階段均顯著高于傳統耕作，這一方面與土壤表層的秸稈覆蓋有關，因為作物殘體是土壤生物活動的主要和有效能源，通過秸稈還田可給土壤酶提供大量作用底物，因而能激發并提高土壤酶活性［29］。特別是春小麥拔節后隨著作物生育期的推進，地表溫度升高、濕度增大，土壤微生物對地表秸稈的分解速度加快，從而提高了土壤酶活性［30］。另一方面與多年免耕造成的特殊土壤環境有關［31］，免耕減少了土壤的擾動次數，有較好的團粒結構，維持了土壤良好的通透性，從而更有利于土壤酶活性的增加。單獨的免耕（NT）或秸稈還田（TS）對土壤酶活性的效應表現為階段性，二者對過氧化氫酶和蔗糖活性的提高作用主要體現在春小麥生育后期，而對脲酶和堿性磷酸酶活性的增強作用主要表現在春小麥生育前期，其原因尚有待于進一步研究探討。

3.2 耕作方式對不同土層深度土壤酶活性的影響

Roldán等［32］的研究指出，免耕措施有利于提高表層土壤酶活性，但對深層土壤酶活性的影響不顯著。這與本研究中土壤過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性在剖面分布趨勢一致，即表現為表層0～5 cm免耕處理（NT和NTS）顯著高于傳統翻耕 （T），而深層無差異。這主要是因為與免耕相比，常規耕作土壤有機質在各個土層的分布更為均勻，而免耕土壤有機質主要集中在土壤表層［33］。另外，植物根系和微生物對土壤酶的活性也有一定的影響，Holland［34］研究指出，土壤中分布的微生物群落和植物根密度在表層土壤免耕高于常規耕作，而在土壤深層常規耕作高于免耕。本研究中土壤脲酶和蔗糖酶活性在整個耕層0～30 cm均表現為NTS顯著高于T，這與以往的研究有所不同，可能是土壤水熱環境不同造成的。

免耕處理（NT和NTS）土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性隨著土層加深均呈下降趨勢，這主要是因為耕作方式引起的土壤有機質的分層分布對土壤微生物的生長和繁殖產生影響，進而影響到土壤酶的活性［35］。翻耕處理中T土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性以及TS土壤脲酶和堿性磷酸酶活性隨土層加深，呈先增后減趨勢，這與土壤中功能菌群的活性變化以及植物根系的分布有關［31］；TS土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性隨土層加深呈遞減趨勢，這與秸稈在土壤剖面的分布有關。

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