耕作制度對胡麻土壤酶活性的影響

陳 軍，王立光，葉春雷，李進京，歐巧明，羅俊杰

(甘肅省農業科學院生物技術研究所，甘肅 蘭州 730070)

耕作制度是根據作物的生態適應性與生產條件采用的種植方式，是農業土壤用養地結合的一種有效手段，包括單種、復種、休閑、間種、套種、混種、輪作、連作等[1]。甘肅省耕地資源稀缺，因地制宜采用科學的耕作制度，可有效地利用土地資源，保持良好的農業生態環境，并獲得較高的經濟效益。

土壤養分和土壤酶作為研究土壤環境特征的重要評價指標逐漸成為熱點議題[2-3]。近年來，有關土壤酶活性方面的研究主要集中在農田、森林以及沙漠化生態系統，酶活性、土壤養分及碳氮磷循環、土壤微生物區系、環境因子方面的基礎研究[4-5]。大量研究表明，土壤酶活性在作物生長發育及產量方面均產生重要的影響[6]。張英英等[7]研究了不同耕作措施下的旱作農田土壤參與碳循環的酶類與有機碳組分間關系，指出蔗糖酶活性增加對有機碳積累作用最顯著，過氧化物酶有利于總有機碳的積累。黃召存等[8]從保護性耕作方式角度對蠶豆土壤酶活性做了一定的研究。但涉及到胡麻栽培及耕作制度輪轉帶來的微生態方面的效應特征、作用機制方面的報道較少。因此，探究不同耕作制度條件下土壤的生物化學過程將有助于對土壤養分循環進行科學調控[8]。

陳軍等[2]前期研究發現不同耕作制度下土壤水浸提液對胡麻種子萌發有不同程度的抑制作用，且抑制效應由大到小依次是胡麻連作>小麥‖胡麻>撂荒休閑>小麥連作。土地“輪作、連作、間作、休閑”制度后發生了哪些變化值得人們去思考。本文設“輪作、休閑、連作、間作、休閑1年-種植”5種耕作模式，探究不同耕作制度對胡麻土壤酶活性變化特征的影響，結合多元線性回歸，分析不同耕作制度對土壤的應答機制，尋找制約土壤酶及養分的相關影響因子，并結合當下農業發展的實際情況，為國家提出的休耕制度試點應用提供一些參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省榆中縣陳家莊良種農場(35°50′36.06″N， 104°06′35.27″E)，屬黃土高原丘陵溝壑半干旱高寒區，土壤為黃綿土，海拔1 600 m，年均降雨量450 mm，蒸發量1 400～1 450 mm，年平均氣溫6.6℃，≥10℃有效積溫2 625℃，無霜期138 d。

1.2 試驗材料及來源

供試胡麻品種為隴亞10號，由甘肅省農科院作物所提供。

1.3 試驗設計

本試驗建立在2014年胡麻殘茬地的基礎上，于2015-2016年進行試驗。設置5種耕作模式，分別為T1：小麥-胡麻輪作；T2：胡麻連作；T3：小麥‖胡麻；T4：休閑；T5：休閑1年-胡麻。試驗采用隨機區組排列，3次重復。小區長6 m，寬4.5 m，每個小區面積為27 m2，各小區間以寬60 cm、高50 cm的土埂分隔，防止小區間土壤干擾。試驗地基礎土壤狀況見表1，其他管理與當地大田一致。

1.4 測定方法

胡麻播種時間為2016年4月1日，于胡麻樅形期(5月20日)、盛花期(7月12日)、碩果期(8月10日)分別采樣，分表土層(0～20 cm)和亞土層(20～40 cm)2個土層梯度，參考“S”取樣法，采集植株垂直下方根際土壤，每個小區取5個采樣點，土樣混合均勻后收集1 000 g，過 0.2 mm篩后保存于 4℃冰箱，用于土壤酶活性的測定。

土壤理化性質由甘肅省農科院質量與標準研究所測定；試驗所用酶標儀為DNM-9602G型酶標分析儀。

1.5 統計方法

數據統計分析和作圖分別采用SPSS 20.0和Excel 2010軟件。

2 結果與分析

2.1 胡麻關鍵生育期土壤酶活性變化特征

2.1.1 胡麻樅形期各處理的土壤酶活性 從圖1可以看出，胡麻樅形期表土層不同處理4種土壤酶活性均在處理間無顯著差異，說明不同耕作制度在胡麻生長前期對土壤的影響不明顯。土壤蔗糖酶活性介于23.63～31.93 mg·g-1·d-1之間，脲酶活性介于4.02～6.19 mg·g-1·d-1之間，過氧化氫酶活性介于1.30～1.92 mL·g-1·h-1之間，堿性磷酸酶活性介于6.22～10.29 mg·g-1·d-1之間。從圖2可以看出，亞土層土壤過氧化氫酶活性T5為2.52 mL·g-1·h-1，顯著高于T3；堿性磷酸酶活性T3為7.96 mg·g-1·d-1，顯著高于T5，2種酶之間的差異可能與間作小麥有關，其他處理間無顯著差異。蔗糖酶活性介于20.20～30.67 mg·g-1·d-1之間，脲酶活性介于2.28～3.07 mg·g-1·d-1之間。

表1 試驗地土壤基本理化性質

注: “-”表示無數據，原因是2015年T5為休閑處理，與T4是相同處理，為休閑(第1年)。

Note: “-” means no data, because the T5 was a fallow treatment in 2015, and the same treatment as T4 was fallow (the first year).

注：T1：小麥-胡麻輪作；T2：胡麻連作；T3：小麥‖胡麻；T4：休閑；T5：休閑1年-胡麻。不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note: T1:Wheat-flax rotation; T2: Flax continuous cropping; T3: Wheat-flax intercropping; T4: Fallow; T5: Fallow-flax rotation. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at P<0.05 level, the same below．圖1 胡麻樅形期各處理的土壤酶活性(0～20 cm土層)Fig.1 Soil enzyme activities of different treatments in flax shapping period (0～20 cm soil layer)

2.1.2 胡麻盛花期各處理的土壤酶活性 從圖3可以看出，胡麻盛花期表土層不同處理間土壤過氧化氫酶活性無顯著差異，介于0.26～0.49 mL·g-1·h-1之間；蔗糖酶活性T5為29.83 mg·g-1·d-1，顯著低于其他處理，T1、T2、T3和T4分別較T5提高44.6%、53.3%、61.9%和34.9%；脲酶活性T4為0.86 mg·g-1·d-1，T5、T1和T2分別較T4提高266.0%、157.0%和140.0%，說明脲酶活性與作物自身的生殖生長關系密切；堿性磷酸酶活性T3為11.35 mg·g-1·d-1，顯著高于T2。從圖4可以看出，亞土層土壤不同處理間蔗糖酶活性無顯著差異，介于13.43～40.83 mg·g-1·d-1之間；脲酶活性T2為1.74 mg·g-1·d-1，T5為1.69 mg·g-1·d-1，顯著高于T1、T3和T4；過氧化氫酶活性T1為1.56 mL·g-1·h-1，較T5提高212.0%；堿性磷酸酶活性T5為8.56 mg·g-1·d-1，較T4提高了21.6%。

圖2 胡麻樅形期各處理的土壤酶活性(20～40 cm土層)Fig.2 Soil enzyme activities of different treatments in flax shapping period (20～40 cm soil layer)

圖3 胡麻盛花期各處理的土壤酶活性(0～20 cm土層)Fig.3 Soil enzyme activities of different treatments at the flowering stage of flax (0～20 cm soil layer)

2.1.3 胡麻碩果期各處理的土壤酶活性 從圖5可以看出，胡麻碩果期，表土層不同處理間土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均無明顯差異，蔗糖酶活性介于62.42～76.93 mg·g-1·d-1之間，脲酶活性介于4.81～6.03 mg·g-1·d-1之間，堿性磷酸酶活性介于5.67～9.39 mg·g-1·d-1之間；過氧化氫酶活性T2和T3分別為1.41 mL·g-1·h-1和1.51 mL·g-1·h-1，顯著高于T1、T4和T5，后者分別為0.75、0.67 mL·g-1·h-1和0.59 mL·g-1·h-1。從圖6可以看出，亞土層不同處理間土壤蔗糖酶、脲酶活性無顯著差異，蔗糖酶活性介于34.73～55.45 mg·g-1·d-1之間，脲酶活性介于1.95～3.82 mg·g-1·d-1之間；過氧化氫酶活性T5為0.82 mL·g-1·h-1，顯著低于T2，后者為1.69 mL·g-1·h-1；堿性磷酸酶活性T3為3.78 mg·g-1·d-1，顯著低于T5，較T5降低2.26倍。

2.2 土壤酶活性間相關性分析

由表2可以看出，蔗糖酶與堿性磷酸酶間顯著負相關，與脲酶和過氧化氫酶間正相關，其余酶間為負相關，說明4種酶活性的表達是相互影響的，這與楊寧等[12]研究的結果相吻合。

圖4 胡麻盛花期各處理的土壤酶活性(20～40 cm土層)Fig.4 Soil enzyme activities of different treatments at the flowering stage of flax (20～40 cm soil layer)

圖5 胡麻碩果期各處理的土壤酶活性(0～20 cm土層)Fig.5 Soil enzyme activities of different treatments at the fruit stage of flax (0～20 cm soil layer)

圖6 胡麻碩果期各處理的土壤酶活性(20～40 cm土層)Fig.6 Soil enzyme activities of different treatments at the fruit stage of flax (20～40 cm soil layer)

表2 土壤酶活性間相關系數

注：相關分析所用數據為表土層與亞土層數值的平均值，“*”表示P<0.05水平下顯著相關。

Note: The data used in the correlation analysis is the average of the values of the topsoil and the subsoil, “*” indicates a significant correlation atP<0.05 level．

2.3 土壤養分與土壤酶活性的直接和間接作用

通徑分析是進行相關系數分解的一種統計方法，其意義為在多個自變量X1，X2，…，Xm，Y的相關分析中，得到Xi對Y的直接影響力和間接影響力，而且還可以在X1，X2，…，Xm，Y間的復雜相關關系中，從某個自變量與其他自變量的“協調”關系中得到對Y的最佳影響路徑信息，即從復雜的自變量相關網中，得到某個自變量決定Y的最佳路徑，具有決策意義[13]。與典型相關分析相比，通徑分析提供更多信息，可揭示土壤酶活性與各理化性質的密切程度，且能指出這種關系中哪種作用處于主導地位[14-15]。將土壤理化性質和土壤酶活性進行逐步回歸分析，設土壤養分因子為自變量Xi={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8}={有機質，pH，有效磷，速效鉀，堿解氮，全氮，全磷，全鉀}，土壤酶活性為因變量Yi={Y1，Y2，Y3，Y4}={脲酶，蔗糖酶，堿性磷酸酶，過氧化氫酶}。

通過通徑系數、間接通徑系數及其與Y的相關系數總效應(表3)可以看出，表土層中Y1受土壤中X1、X6、X7影響較大，Y2受土壤中X1、X2、X3、X7、X8影響較大，Y3受土壤中X1、X2、X6、X7影響較大，Y4受土壤中X1、X2、X3、X6、X7、X8影響較大，其他因子因彼此間接作用導致對土壤酶活性的影響變小。

決策系數是通徑分析中的決策指標，用它可把自變量對響應變量的綜合作用進行排序，確定主要決策變量和限制變量。其計算公式：R2(i)=2Pi×riy-Pi2，式中：R2(i)為自變量i的決策系數；Pi為自變量的直接通徑系數；riy為自變量i與響應變量Y的相關系數。R2(i)>0，表明自變量對響應變量起增進作用，R2(i)<0，表明自變量對響應變量起抑制作用。

進一步通過決策系數總效應(表5)可以看出，表土層中X5、X8為Y1主要抑制因子，X3、X4、X8為Y2主要抑制因子，X2、X7為Y2主要促進因子，X5、X6、X8為Y3主要抑制因子，X1、X2為Y3主要促進因子，X3、X4、X5、X6、X8為Y4主要抑制因子，X2、X7為Y4主要促進因子。

通過通徑系數、間接通徑系數及其與Y的相關系數總效應(表4)可以看出，亞土層中Y1受土壤中X1、X3、X4、X8影響較大，Y2受土壤中X1、X2、X3、X6、X7、X8影響較大，Y3受土壤中X1、X3、X6、X7、X8影響較大，Y4受土壤中X1、X2、X7影響較大，其他因子作用不明顯。

表3 表土層土壤有機質、pH及土壤養分與土壤酶活性間的通徑分析

注：自變量Xi={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8}={有機質，pH,有效磷，速效鉀，堿解氮，全氮，全磷，全鉀}，下同。

Note: The independent variablesXi={X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8}={organic matter, pH, available phophorus, available potassium, alkali nitrogen, total nitrogen, total phosphorus, total potassium}, the same below.

表4 亞土層土壤有機質、pH及土壤養分與土壤酶活性間的通徑分析

通過決策系數總效應(表6)可以看出，亞土層中，X8為Y1主要促進因子，X1、X7、X6、X4、X2、X5為Y1主要抑制因子，X3、X8、X5、X4、X6、X1、X7為Y2主要抑制因子，X7為Y3主要促進因子，X3、X8、X5、X6、X2、X4為Y3主要抑制因子，X2為Y4主要促進因子，X1、X7、X3、X5、X6、X2、X8為Y4主要抑制因子，且抑制作用依次減弱。

表5表土層土壤有機質、pH值及土壤養分與
土壤酶活性(Y)的決策系數總效應

Table5Totaleffectofdecisioncoefficientsofsoilenzyme
activity(Y)withsoilorganicmatter,
pHvalue,andsoilnutrientintopsoil

變量VariableX1X2X3X4X5X6X7X8Y10.7400.024-0.005-0.443-12.383-0.7240.165-4.005Y20.1831.106-3.103-1.556-0.001-0.5813.830-8.295Y31.5871.161-0.276-0.843-3.629-2.8070.388-3.451Y40.1811.527-2.724-1.027-2.023-1.5811.374-10.039

表6 亞土層土壤有機質、pH值及土壤養分與土壤酶活性(Y)的決策系數總效應

3 討論及結論

有關土壤酶活性的相關報道很多，王燦等[16]、李秀玲等[17]分別從不同施肥情況研究了土壤酶及養分變化規律；王文鋒等[18]提到“較低-較適-較高”溫度變化能夠引起土壤酶活性的動態變化。剡斌[19]認為胡麻與小麥輪作能提高 0～10 cm 土層土壤脲酶和過氧化氫酶活性，與輪作前、休閑和胡麻連作相比，胡麻輪作 0～10 cm 土層土壤脲酶活性分別提高 437.65%、682.86%和 34.27%。Gurpreet等[20]認為脲酶和磷酸酶是土壤有機質降解和氮磷等養分轉化相關的重要酶類。伏星舟[21]認為不同耕作方式可以通過改變土壤理化性質、激發酶活性從而使玉米田CO2的釋放發生不同程度的改變。

土壤蔗糖酶參與植物糖分的運輸貯藏、碳水化合物的代謝過程，是植物生長和發育所需碳源、能源相關的關鍵酶。研究表明，隨著胡麻生育期變化，不同土層不同處理蔗糖酶活性變化穩定，只在盛花期T5處理顯著低于其他處理，其他處理間無顯著差異，說明耕作制度的更替對蔗糖酶活性的影響不明顯。土壤脲酶活性常用于表征土壤的氮素情況，并能間接反映出土壤的生產力。不同土層不同處理間脲酶活性在胡麻樅形期、碩果期均無顯著差異，在盛花期存在差異，可能與胡麻進行生殖生長與土壤微環境爭奪氮素營養相關。

土壤堿性磷酸酶主要參與土壤含磷化合物的合成及土壤磷素循環，其活性的高低會直接影響土壤中有機磷的分解轉化和生物有效性。表土層不同處理間堿性磷酸酶活性在胡麻樅形期、碩果期均無顯著差異，在盛花期2個土層梯度均存在差異，主要表現在胡麻連作與小麥‖胡麻間的顯著差異，以及亞土層區休閑處理與休閑1年-胡麻間的顯著差異，原因可能是胡麻連作降低了堿性磷酸酶活性，也可能是耕作制度更替打破了單一作物生長的微環境，促進物質與能量相互交流，進而影響酶活性。土壤過氧化氫酶在生物氧化過程中起分解過氧化氫的作用，其酶活性用于表征土壤生物氧化過程的強弱。胡麻碩果期，表土層過氧化氫酶活性小麥-胡麻輪作、休閑、休閑1年-胡麻3種處理顯著低于小麥‖胡麻和胡麻連作處理；亞土層過氧化氫酶活性在胡麻生長不同時期均有差異，原因可能是胡麻根系小，對亞土層的影響要遠小于土壤微生物的活動，微生物活動改變菌群數量與種類，影響微生物區系環境的同時影響酶活性。

由于輪休制度下土壤環境對胡麻生長的影響各不相同，且各種生態因子間相互作用，因而應采用多元線性逐步回歸分析法尋找影響土壤酶活性的主要土壤因子[22-23]。冉啟洋等[24]認為土壤養分是影響土壤酶活性的主要因子，王文鋒等[18]也提出了氮磷鉀配施可有效提高土壤酶活性的論據。本研究表明：耕層不同土壤酶活性受土壤養分因子影響的多重效應不同，pH、全磷含量能夠促進蔗糖酶、過氧化氫酶活性；有機質、pH含量促進堿性磷酸酶活性；亞土層不同土壤酶活性受土壤因子影響的多重效應增加，且主要為限制因子。