長期施肥對褐土土壤酶活性的影響

呂倩倩，周懷平，，劉 平，，解文艷，楊振興，劉志平，杜艷玲，郭 晉，高佳妮

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

土壤微生物活動和酶活性通常可以被用來對土壤質量的生物學性狀進行評價[1]，是土壤養分和有機質轉化的關鍵，施肥等因素會對酶活性造成較大影響，可以迅速地根據環境因子的變化作出相應的反應。研究表明[2-4]，土壤酶活性可表征土壤養分的轉化強度和土壤中各種生物化學活性的高低；土壤肥力水平在很大程度上受土壤酶的影響[5]，其中，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶活性對評價土壤肥力水平具有重要意義[6]。近年來，我國已對酶活性的影響以及土壤理化性質與酶活性的關系等方面開展了一系列的研究[7-9]；關于褐潮土、棕壤、黑土、灰漠土等土壤微生物和酶活性及其與肥力的關系方面也進行了大量的研究[10-12]，而關于褐土在長期施肥條件下對酶活性影響的研究還相對較少。

本試驗通過對山西壽陽長期定位試驗田的褐土土壤酶活性進行研究，試圖探討長期不同施肥條件下褐土土壤酶活性的變化，旨在為作物提供良好的土壤微生物生態環境提供一定的理論依據[13]。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗位于山西省壽陽縣宗艾村國家農業環境壽陽觀測實驗站，地理坐標為113°06′E，37°58′N，海拔1 130 m。試驗區的氣候特征是：多年平均氣溫7.6 ℃，干燥度1.3，無霜期135～140 d，年均降雨量501.1 mm（年際間變率較大），屬半濕潤偏旱區，季節溫差較大、四季分明。試驗地勢基本平坦，質地為輕壤，土層深厚，地下水埋深在地表50 m 以下，為褐土性土壤，成土母質為馬蘭黃土[14]。

1.2 試驗設計

有機無機肥配施長期定位試驗從1992 年春開始到2018 年，歷時27 a[14]。試驗采用氮、磷、有機肥3 因素4 水平正交設計，共18 個處理，該試驗選擇其中的9 個處理，即不施肥對照（N0P0M0）；4 個不同氮磷化肥配施處理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）；3 個有機無機肥配施處理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）；單施高量有機肥處理（N0P0M6）。小區面積66.7 m2，隨機排列，無重復。試驗所用氮肥為尿素（N 46%），磷肥為普通過磷酸鈣（P2O514%），農家肥為腐熟廄肥（全磷1.37～1.46 g/kg、有機質90.5～127.3 g/kg、全鉀14.1～34.3 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg）。每年秋季結合耕翻一次性施入肥料。具體施肥情況列于表1。

表1 長期定位試驗不同施肥處理養分年投入量 kg/hm2

1.3 測定項目及方法

采集2018 年秋季玉米收獲后的土壤樣品，每個處理均采集0～20，20～40 cm 土層的土樣，3 個重復；風干處理后過1 mm 篩備用。

土壤酶活性測定采用苯酚鈉- 次氯酸鈉比色法[15]，以24 h 后1 g 土壤中NH3- N 的質量（mg）表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定[13]，以24 h 后1 g 土壤中酚的質量（mg）表示；蔗糖酶活性采用3，5- 二硝基水楊酸比色法測定[16]，以24 h 后1 g 土壤中葡萄糖的質量（mg）表示。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 和SPSS 軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對褐土土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶在尿素的水解過程中起著促進作用，進而形成NH4+，其是土壤氮循環過程所需要的一種重要的酶，可以提高土壤潛在養分的有效化，也是植物中氮的重要來源之一，可以促進植物對氮素的吸收和利用，對于土壤的供氮能力有很好的體現[16]。

由表2 可知，在0～20 cm 土層，不同氮磷化肥配施、有機無機肥配施和單施高量有機肥處理的褐土脲酶活性均高于不施肥對照處理，N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0、N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2和N0P0M6增幅分別為0.09%，1.46%，5.06%，11.31%，11.04%，13.82%，15.14%和10.67%；不同氮磷化肥配施處理土壤脲酶活性大小為N4P4M0＞N3P3M0＞N2P2M0＞N1P1M0，隨著施氮、磷肥量的增加土壤脲酶活性有增加趨勢；與單施化肥處理相比，有機無機肥配施處理使脲酶活性提高的幅度更高；而單施高量有機肥處理其脲酶活性低于有機無機肥配施處理。在20～40 cm 土層，各處理脲酶活性均明顯低于0～20 cm 土層；N1P1M0和N2P2M0處理與CK 相比有所降低，但下降的幅度不大，其余6 個處理與CK 相比均有所提高；N3P2M3處理脲酶活性比N2P1M1、N4P2M2處理高；其他處理脲酶活性與0～20 cm 土層相似。

表2 不同施肥處理對脲酶活性的影響 mg/（g·24 h）

2.2 長期施肥對褐土土壤堿性磷酸酶活性的影響

土壤磷酸酶能夠反映土壤磷素的肥力水平，對于土壤磷素的有效性具有促進作用，其是由土壤微生物生命活動和植物根系分泌產生的，土壤有機質的轉化與腐殖質的形成有很大關系，同時也與土壤磷酸酶活性有關[13-16]。試驗土壤呈堿性，堿性磷酸酶在土壤中占主要部分。

表3 不同施肥處理對堿性磷酸酶活性的影響mg/（g·24 h）

從表3 可以看出，在0～20 cm 土層，4 個不同氮磷化肥配施的處理褐土堿性磷酸酶均低于不施肥對照處理，N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0處理降幅分別為18.52%，16.95%，28.96%和23.34%。有機無機肥配施和高量單施有機肥的褐土堿性磷酸酶活性均高于不施肥對照處理，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6處理增幅分別為12.01%，35.35%，12.01%和82.04%。不同氮磷化肥配施處理土壤堿性磷酸酶活性大小為N1P1M0＞N2P2M0＞N3P3M0＞N4P4M0，隨著施氮、磷肥量的增加土壤堿性磷酸酶活性有減少趨勢；不同有機無機肥配施處理土壤堿性磷酸酶活性大小為N3P2M3＞N4P2M2（N2P1M1），且N4P2M2和N2P1M1之間無顯著性差異；單施高量有機肥處理的堿性磷酸酶活性顯著高于有機無機肥配施處理。在20～40 cm土層，各處理堿性磷酸酶活性均明顯低于0～20 cm 土層，尤其以不同氮磷化肥配施處理降幅較大，達到了41%～76%；其他處理的變化趨勢與0～20 cm 土層相似。

2.3 長期施肥對褐土土壤蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶可以作為評價土壤生物學活性強度的指標之一，還能夠反映土壤的熟化程度、體現土壤肥力。蔗糖酶與土壤中許多因子有關，如土壤有機質、氮、磷含量，微生物數量及土壤呼吸強度等。

從表4 可以看出，在0～20 cm 土層，4 個不同氮磷化肥配施處理的蔗糖酶活性均低于不施肥對照處理，N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0處理降幅分別為17.47%，15.03%，28.47%和26.58%；有機無機肥配施和高量單施有機肥處理的蔗糖酶活性均高于 不 施 肥 對 照 處 理，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6處理增幅分別為12.81%，21.34%，6.90%和5.88%；不同氮磷化肥配施N4P4M0和N3P3M0處理的蔗糖酶活性低于N2P2M0和N1P1M0處理；不同有機無機肥配施處理的土壤蔗糖酶活性大小為N3P2M3＞N2P1M1＞N4P2M2；單施高量有機肥處理的蔗糖酶活性顯著高于氮磷化肥配施處理。在20～40 cm 土層，N3P2M3和N4P2M2處理的蔗糖酶活性略高于0～20 cm 土層，其余6 個處理的蔗糖酶活性均低于0～20 cm 土層；氮磷化肥配施處理的蔗糖酶活性高于不施肥對照處理，與0～20 cm 土層的蔗糖酶變化趨勢有所不同。

表4 不同施肥處理對蔗糖酶活性的影響 mg/（g·24 h）

3 結論與討論

本研究結果表明，不同氮磷化肥配施提高了褐土脲酶活性，且褐土脲酶的活性隨著氮肥施入量的增加而提高。這與前人的研究結果相一致[17-23]。與氮磷化肥配施處理相比，有機無機肥配施和單施高量有機肥處理對于提高褐土土壤脲酶活性作用更為明顯，這是由于有機無機肥配施能夠有效提高氮肥利用率，進而提高褐土脲酶的活性。

氮磷化肥配施抑制了堿性磷酸酶的活性。土壤堿性磷酸酶的活性隨著磷肥施入量的增加而降低。有機無機肥配施和單施高量有機肥處理顯著提高了堿性磷酸酶的活性；與氮磷配施處理相比，有機肥處理對于提高磷酸酶活性的作用更為明顯，這可能是由于本試驗有機肥施入的主要是牛糞，而牛糞中的磷酸酶含量比較高[6]。

氮磷化肥配施抑制了褐土中蔗糖酶的活性，而氮磷化肥配施的量對土壤蔗糖酶活性的影響不大。有機無機肥配施和單施高量有機肥處理顯著提高了蔗糖酶的活性；與氮磷配施處理相比，有機肥處理對于提高蔗糖酶的作用更為明顯，這是因為有機肥自身帶有大量的微生物和酶，還為蔗糖酶提供了許多的酶促機制。這與孫瑞蓮等[6]的研究結果一致。

本研究結果表明，從土層深度來看，除蔗糖酶在20～40 cm 處的活性稍高于0～20 cm 外，其他2 種酶的活性都表現為0～20 cm 土層的活性高于20～40 cm 土層，這與白雪等[15]的研究結果一致。可能是因為供試土壤在每年翻耕時的深度只能達到20 cm 左右，所以土壤中的肥料基本集中在0～20 cm土層，20～40 cm 土層的肥料很少。

氮磷化肥和有機肥合理配合施用，可以提高褐土脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，提升褐土質量，為褐土區域可持續利用提供有利保障。