塔里木河上游連作棉田土壤脲酶動力學特征與環(huán)境因子的相關分析

楊翠萍, 馬勇剛

(1.新疆維吾爾自治區(qū)科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院, 烏魯木齊 830011; 2.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的關鍵組分，在地球化學循環(huán)和能量轉化過程中發(fā)揮著重要作用[1]。土壤酶是土壤中最為活躍的有機組成，其活性是土壤肥力的關鍵指標，土壤酶動力學反映了土壤酶含量高低及與底物間緊密程度[2-3]。土壤脲酶是一種參與尿素分解的生物活性驅動因子，其活性大小與土壤理化環(huán)境的改變關系密切[4-5]。以往對土壤脲酶著重于開展與土壤生產(chǎn)力、肥力和健康狀況的關系的研究。目前對土壤脲酶的研究較多側重于動力學特征的研究，但針對環(huán)境因子對脲酶活性及動力學特征的綜合報道還較少[6-9]。通過對不同連作棉田土壤脲酶動力學特征及與環(huán)境因子相關性的研究，可判別人為擾動、脅迫環(huán)境下土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化，也能夠為改善土壤生態(tài)環(huán)境和提高土壤肥力提供一定理論依據(jù)，這對土壤質量的評估和預測有著重要意義。

阿拉爾墾區(qū)位于塔里木河上游地區(qū)，地處典型生態(tài)脆弱帶和環(huán)境危機帶，對外界的干擾，尤其對以人類活動為主導的區(qū)域水土資源的開發(fā)反響比較強烈[10]。該墾區(qū)20世紀50年代開發(fā)，經(jīng)過60 a的建設，已成為國家級優(yōu)質商品棉基地和新疆特色農(nóng)副產(chǎn)品轉化增值的示范基地，在區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、不合理的灌溉墾殖方式加劇了棉田土壤質量退化[11-12]。開展棉田土壤酶活性以及動力學特征研究對土壤資源可持續(xù)利用具有重要意義。本文以阿拉爾墾區(qū)為典型研究區(qū)，分析不同連作年限棉田土壤脲酶活性和動力學特征，深入揭示土壤脲酶的催化作用機理，并探討各動力學參數(shù)與多種土壤理化因子間的相關性，旨在為該區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)的保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

1　研究區(qū)概況

阿拉爾墾區(qū)地處新疆天山中段南麓，塔里木河上游、塔克拉瑪干沙漠北緣。跨40°22′—40°57′N，80°30′—81°58′E，東鄰沙雅縣，西依阿瓦提縣，南、北靠阿克蘇市，東北接新和縣。東西寬約281 km，南北長180 km，平均海拔1 100 m，地勢由西北向東南傾斜，沿河岸及沖溝兩側略有抬升。該地區(qū)氣候類型屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，雨量稀少，地表蒸發(fā)強烈，年均溫度為11.6℃，年均降水量為17.4～42.8 mm，年均蒸發(fā)量為1 125～1 600 mm。春季浮塵、沙塵暴等災害性天氣較常見。粉砂壤土為主要土壤類型，母質以棕漠土為主。該地區(qū)是全國重要的細絨棉和最大的長絨棉生產(chǎn)基地。

2　材料與方法

2.1　野外采樣

野外土樣采集于2015年7月，采樣點集中在研究區(qū)所屬農(nóng)一師十二團。為研究墾區(qū)不同連作年限棉田土壤酶學特征，在研究區(qū)選擇并采集4個類型土壤樣品：5 a，10 a，15 a和20 a棉田(土壤樣品以空間代替時間序列法采集)。樣區(qū)的耕作方式為傳統(tǒng)耕作，灌溉(滴灌)與施肥由當?shù)乇鴪F統(tǒng)籌管理。每種類型分別選取5個典型樣方，各樣方按S型布設5個樣點后采集表土層(0—20 cm)、心土層(20—50 cm)、底土層(50—80 cm)土壤樣品，去除植物根系和石塊，將土樣充分混勻并用四分法各取500 g。同時記錄各樣點的經(jīng)度、緯度、海拔等數(shù)據(jù)，并對各樣點周圍環(huán)境及土壤剖面拍照留檔。采樣前研究區(qū)20 d內無降水，農(nóng)田15 d內無灌溉。將帶回實驗室后的土壤平鋪在白紙上，經(jīng)自然風干，磨細、去雜、過80目(0.178 mm)篩，裝入樣品袋做好標記，用于實驗室分析。

2.2　試驗方法

2.2.1土壤脲酶活性的測定脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定。稱取5 g土于50 ml三角瓶中加1 ml甲苯。15 min后加入10 ml的10%的尿素和20 ml的pH值為6.7的檸檬酸鹽緩沖溶液混合均勻，在37℃恒溫箱培養(yǎng)24 h。吸取3 ml濾液加入50 ml容量瓶后加4 ml苯酚鈉和3 ml次氯酸鈉溶液搖勻。20 min顯色后定容。并在1 h內于分光光度計578 nm波長處比色。

標準曲線繪制：以氮工作液濃、吸光值度分別為橫、縱坐標繪制。土壤脲酶活性以土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示：NH3-N=(a樣品-a無土-a無基質)·V·n/m。式中：a樣品、a無土和a無基質為樣品、無土對照和無基質對照吸光值在標準曲線上所對應的NH3-N毫克數(shù)；V為顯色液的體積；n為分取倍(浸出液體積/吸取濾液體積)；m表示土重。

2.2.2土壤脲酶動力學試驗稱取5 g土于50 ml三角瓶中，隨后加入1 ml甲苯。15 min后加入10 ml不同濃度的尿素溶液(0.005，0.01，0.05，0.1 mol/L)和20 ml的pH值為6.7的檸檬酸鹽緩沖溶液，將溶液搖蕩混合均勻后在37℃恒溫箱培養(yǎng)，培養(yǎng)于6，18，21，24 h時取濾液3 ml，用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定脲酶活性。

2.2.3土壤理化因子測定土壤理化因子選擇了速效鉀、速效磷、全氮、土壤含水量、有機碳、pH值、電導率7種指標。測定均采用常規(guī)方法：速效鉀采用乙酸銨浸提—原子吸收法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；全氮采用酸消化法處理土樣，然后用流動分析儀測定含量；土壤含水量采用烘干法；有機碳含量測定采用重鉻酸鉀稀釋熱法；pH值測定采用電位法；電導率采用電導法。

2.3　數(shù)據(jù)處理與分析

2.3.1基本統(tǒng)計處理所得數(shù)據(jù)使用Excel 2007進行基本統(tǒng)計處理，計算數(shù)據(jù)平均值(n=5)、標準差(SD)等。利用SPSS 17.0軟件中的方差分析(LSD方法)檢驗不同土層、不同連作年限及種植模式的土壤酶活性、土壤理化性質差異性(α=0.05)。

土壤酶動力學參數(shù)用Michaelis-Menten方程(初速度方程)計算，見式(1)，該方程由試驗獲得并反映初速度V0隨底物濃度S的變動關系。一定底物濃度下，酶促反應速度與時間關系曲線中以零時點為起點所作與曲線的線性部分相切直線的斜率為反應初速度。

(1)

將Michaelis-Menten方程變?yōu)榈箶?shù)，線性化后獲得Lineweaver-Burk方程，見式(2)。如1/V0對1/S作圖求得米氏常數(shù)Km和最大反應速度Vmax。其中1/Vmax為直線截距，Km/Vmax為斜率。

(2)

3　結果與分析

3.1　不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征

阿拉爾墾區(qū)不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征見表1。不同連作年限棉田脲酶活性隨土層深度逐漸減弱。土壤脲酶活性在同一土層各連作年限間也有一定差異性。隨著連作年限增加，土壤脲酶活性在0—20 cm土層呈先降低后升高趨勢，其活性在各連作棉田由高到低依次為：20 a >15 a>5 a >10 a，20 a最高為0.265 g/kg，10 a最低為0.154 g/kg；土壤脲酶活性在20—50 cm土層為先升高后降低再升高的規(guī)律，其活性在各連作棉田由高到低依次為：20 a >10 a >15 a >5 a，20 a最高為0.234 g/kg，15 a最低為0.176 g/kg；土壤脲酶活性在50—80 cm土層為升高的趨勢，其活性在各連作棉田由高到低依次為：20 a >15 a >10 a >5 a，20 a最高為0.197 g/kg，5 a最低為0.038 g/kg。

變異系數(shù)反映各樣點間數(shù)據(jù)的離散程度，一般認為CV≤10%為弱變異性；10%

表1　不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征分析(n=5)

3.2　不同連作年限棉田土壤脲酶動力學特征

不同耕作方式土壤脲酶酶促反應底物濃度對反應初速度的影響見圖1，5 a棉田與打瓜/紅棗套作模式下脲酶酶促反應底物濃度對初速度的影響較小，在濃度為10 mmol/L時已趨于穩(wěn)定，其余模式的酶促反應速度受底物濃度影響相對較為顯著。表2為不同耕作方式土壤脲酶動力學參數(shù)，土壤酶動力學參數(shù)主要包括Vmax，Km，Vmax/Km值。本文中5 a，10 a，15 a，20 a 棉田Vmax，Vmax/Km值表現(xiàn)出明顯的隨年限增加而呈先升高后降低的變化趨勢，各連作年限棉田脲酶Vmax和Vmax/Km值的大小變化分別是15 a棉田>20 a棉田>10 a棉田>5 a棉田和10 a棉田>15 a棉田>20 a棉田>5 a棉田。而不同連作年限棉田土壤脲酶Km值則顯現(xiàn)出隨連作年限增大的規(guī)律，說明連作年限越長脲酶與底物結合度越低。

圖1　脲酶酶促反應初速度與底物濃度的關系曲線

3.3　不同連作年限棉田土壤脲酶動力學特征與理化因子相關性

3.3.1土壤理化因子特征分析不同連作年限棉田土壤理化因子呈現(xiàn)出一定的差異性。如表3所示，在0—20 cm土層中，速效鉀在15 a棉田(226.318±41.657)顯著高于20 a棉田(145.039±49.101)；速效磷在15 a棉田(33.493±27.210)顯著高于5 a棉田(15.954±5.558)；土壤含水量在20 a棉田(28.602±7.128)顯著高于5 a棉田(18.378±6.051)；有機碳在15 a棉田有機碳最高為(8.323±1.794)，顯著高于5 a棉田(4.953±0.713)；全氮、pH值與電導率值在各年限間不存在顯著性差異。在20—50 cm土層中，速效鉀在15 a棉田(225.243±57.143)顯著高于20 a棉田(137.001±62.315)；pH值在5 a棉田(8.316±0.171)顯著高于15 a棉田(8.052±0.064)；速效鉀、全氮、土壤含水量、有機碳和電導率在各連作棉田不存在顯著差異。在50—80 cm土層中，速效鉀在15 a棉田(238.267±67.485)顯著高于20 a棉田(127.239±63.124)；全氮在速效鉀在15 a棉田(0.687±0.189)顯著高于20 a棉田(0.399±0.361)；pH值在5 a棉田(8.392±0.301)顯著高于10 a棉田(8.152±0.089)；電導率在5 a棉田(1 589.200±951.318)顯著高于20 a棉田(613.300±526.021)；速效磷、土壤含水率和有機碳在各連作棉田不存在顯著差異。

表2　土壤脲酶動力學參數(shù)

表3　不同連作年限棉田土壤理化因子特征分析(n=5)

3.3.2土壤酶動力學特征與理化因子相關性對土壤酶動力學參數(shù)與理化因子進行相關分析可知，Vmax主要受速效磷含量和土壤含水量大小影響，與其呈正相關關系，相關系數(shù)分別為0.826，0.913；Vmax與電導率呈負相關關系，相關系數(shù)為-0.84。Km與土壤各理化因子均未表現(xiàn)出顯著的相關關系。Vmax/Km與速效磷、土壤含水量、pH值均呈正相關關系，相關系數(shù)分別為0.836，0.806，0.994。綜上所述，土壤酶動力學特征受速效磷、土壤含水量、pH值和電導率的影響較大。

表4　土壤酶動力學參數(shù)與理化因子相關性(n=5)

4　討 論

4.1　不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征

土壤脲酶是一種參與有機態(tài)氮素分解的重要酶之一，其活性高低是土壤肥力的關鍵指標[13-14]。本研究中土壤脲酶活性受土層深度和種植年限的影響顯著。同一年限下的土壤，表層土壤受人為影響較大且獲得的氮肥等養(yǎng)分比底土層要多，脲酶活性最高，其他土層由于土層深度加深，人為耕作作用減弱，所表征的脲酶活性更趨向于歷史沉淀的因素[15-18]。顧峰雪等[16]研究了塔克拉瑪干沙漠腹地土壤春季和夏季的酶活性特征，發(fā)現(xiàn)土壤表層的酶活性與下層相比增強比率較高。不同連作棉田隨著連作年限增加，表層土壤與其他土層土壤脲酶活性呈相反變化規(guī)律，而出現(xiàn)這種差異是因為在耕作初期，棉田土壤氮肥在一定程度上比較貧瘠。但是隨著種植年限的增加，綠洲農(nóng)田土壤熟化和灌淤作用的增強促使土壤環(huán)境產(chǎn)生積極的影響，此外人為活動干擾和耕作方式在很大程度上改變了土壤環(huán)境中碳輸入量和土壤水分的保持，而后期不合理的開發(fā)和長期耕作破壞了土壤環(huán)境[19-21]，因此隨不同連作年限的增加，棉田土壤的脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低不同的變化趨勢。

4.2　不同連作年限棉田土壤脲酶動力學特征

酶活性高低是土壤肥力的重要指標，而土壤脲酶動力學特征表征了土壤中脲酶含量的高低及脲酶與底物的反應程度，能夠從酶促反應機理上分析綠洲農(nóng)田土壤中的生物化學過程[22-23]。土壤酶動力學參數(shù)主要包括Vmax，Km，Vmax/Km值。Vmax值表示酶促反應中酶被底物濃度飽和時的反應速度，能夠反映酶濃度大小；Km值表征反應復合物中酶與底物的親和力；Vmax/Km值在較大范圍內也代表了酶促反應初速度的大小，同時也是衡量酶催化能力的重要指標[24-25]。

研究區(qū)不同連作年限棉田在人類活動的影響下其土壤環(huán)境發(fā)生了重要變化，土壤脲酶活性也因此受到影響[26]。土壤脲酶動力學特征受多種因素影響，因此不同年限脲酶動力學特征均差異明顯。隨年限增加，研究區(qū)土壤Vmax和Vmax/Km值表現(xiàn)出明顯的隨年限增加而表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，這主要是因為種植年限能夠對綠洲農(nóng)田土壤環(huán)境中的脲酶活性產(chǎn)生積極的影響，土壤水分和養(yǎng)分的改變?yōu)殡迕该复俜磻峁┝藯l件，使得土壤中脲酶活性升高[27-28]。但隨著連作年限增加，種植模式長期重復，土壤微生物種類單一、棉田土壤質量下降，研究區(qū)土壤酶活性顯著下降[29-30]。而Km值隨不同年限的增加而增加，這說明棉田的連作年限越長，脲酶與底物的結合度則越低。

4.3　不同連作年限棉田土壤脲酶動力學特征與理化因子相關性

酶動力學特征反映了酶在催化反應過程的影響因素[25]。研究土壤酶動力學特征與理化因子之間的關系可為綠洲農(nóng)田土壤改良及土壤資源的開發(fā)利用提供科學依據(jù)[31]。本研究中土壤脲酶Vmax與Vmax/Km均與速效磷、土壤含水量等因子表現(xiàn)出一定的相關性。磷元素是土壤肥力的物質基礎之一，是作物體內重要的有機化合物的組成部分，當其含量增加時，土壤脲酶活性增強并積極參與這些養(yǎng)分元素的轉化分解過程[31-32]。李為等[33]對桂林巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性與土壤肥力關系的研究發(fā)現(xiàn)，土壤水解酶類活性與土壤養(yǎng)分水平密切相關，一般與土壤有機質、全N、有效N、速效P之間呈顯著或極顯著正相關。水分條件會直接影響土壤酶活性的強弱，水分為土壤中的多種酶促反應提供了反應條件和場所，是土壤酶維持活性的保障[11,33]。本研究中土壤含水量與土壤脲酶動力學特征相關性較大，主要原因是農(nóng)田土壤定期灌溉保證了土壤含水量，酶促反應受土壤水分之外的因素影響更大[32-34]。

5　結 論

(1) 阿拉爾墾區(qū)連作棉田土壤脲酶活性隨土層深度和連作年限呈一定規(guī)律性變化。隨著連作年限增加，0—20 cm土層土壤脲酶活性呈先降低后升高趨勢，20—50 cm和50—80 cm與其規(guī)律相反。不同年限棉田土壤脲酶活性由高到低依次為：20 a棉田>15 a棉田>10 a棉田>5 a棉田。

(2) 各連作年限棉田脲酶酶促反應總趨勢為隨底物濃度增高反應初速度逐漸增大。5 a，10 a，15 a，20 a棉田Vmax，Vmax/Km值表現(xiàn)出明顯的隨年限增加而呈先升高后降低的變化趨勢，而土壤脲酶Km值則顯現(xiàn)出隨連作年限增大脲酶與底物結合度越低的規(guī)律。

(3) 相關性分析結果表明，Vmax與速效磷、土壤含水量正相關，與電導率負相關，Km與各土壤理化因子相關性不大，Vmax/Km與速效磷、土壤含水量、pH值均呈正相關關系。綜上所述，土壤酶動力學特征受速效磷、土壤含水量、pH值和電導率的影響較大。

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