不同耕作方式下春小麥生育期土壤酶時(shí)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(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070）

＊土壤酶主要來(lái)源于植物根系分泌物和土壤微生物的增殖及其死亡殘?bào)w的胞溶［1］，在生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)的分解及養(yǎng)分循環(huán)過(guò)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(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向，并在響應(yīng)作物輪作［5，6］、殘留物管理［7－9］和土壤壓實(shí)［7］、耕翻［9－11］等不同土壤管理措施的效果時(shí)比較敏感，對(duì)土壤質(zhì)量狀況具有指示作用［12］。Caravaca等［13］研究指出，對(duì)于土壤質(zhì)量的變化，土壤酶活性比土壤有機(jī)質(zhì)的變化更為敏感，能夠在短期內(nèi)發(fā)生變化，而土壤有機(jī)質(zhì)的變化要緩慢得多，且土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、微生物量、土壤呼吸和碳截留量等指標(biāo)顯著相關(guān)［14－17］。也有研究［18］發(fā)現(xiàn)，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(duì)深層土壤酶活性的研究結(jié)果卻差異很大，這可能與作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型和氣候條件的差異有關(guān)［19］。此外，作物不同生育時(shí)期土壤酶活性存在一定的差異［20］。

土壤酶作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的敏感性生物指標(biāo)，一直以來(lái)在土壤理化性質(zhì)與酶活性的關(guān)系、有機(jī)肥與化肥的施用對(duì)酶活性的影響等方面進(jìn)行的研究較多［21，22］。而關(guān)于耕作方式對(duì)作物不同生育期土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化影響的報(bào)道較少。因此，本研究以黃土高原旱地為對(duì)象，探討了不同耕作方式下參與土壤碳、氮、磷循環(huán)轉(zhuǎn)化的4種土壤酶在春小麥生育期的時(shí)空變化，以期為評(píng)價(jià)耕作方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村，屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2 000 m，年均太陽(yáng)輻射592.9 kJ／cm2，年均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好，其理化性狀如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理（表2），4次重復(fù)，共16個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積4 m×20 m，隨機(jī)區(qū)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的免耕播種機(jī)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(shí)同時(shí)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(qū)。

表1 研究區(qū)土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil chemical and physical properties

表2 試驗(yàn)處理描述Table 2 Treatments description

1.3 試驗(yàn)方法

2007年春小麥苗期（4月5日）、拔節(jié)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(qū)用“S”形取樣法隨機(jī)選取5點(diǎn)，用土鉆取0～30 cm土層土樣，將所得土樣裝入塑料袋，寫(xiě)明采樣地點(diǎn)、采樣日期和采樣深度。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)混勻風(fēng)干處理過(guò)1 mm篩后，進(jìn)行室內(nèi)分析。

土壤過(guò)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(shù)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(shù)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(shù)表示；脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法［23］，以24 h后1 g土壤中釋放氨態(tài)氮的毫克數(shù)表示。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

所有分析均在SPSS 18.0軟件下進(jìn)行。

2 結(jié)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(dòng)態(tài)

不同生育期4種土壤酶活性在耕層0～30 cm土壤表現(xiàn)不一（表3）。土壤過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性在春小麥整個(gè)生育期變化趨勢(shì)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(jié)期2種酶活性均上升，到灌漿期出現(xiàn)峰值之后逐漸降低。但從方差分析結(jié)果來(lái)看，二者的變化卻不盡相同，過(guò)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(wú)顯著差異。土壤耕層0～30 cm脲酶活性苗期到拔節(jié)期平均提高27.68%，拔節(jié)期達(dá)到整個(gè)生育期的峰值，之后持續(xù)下降一直延續(xù)到灌漿期，灌漿之后又有所回升。統(tǒng)計(jì)分析表明，脲酶活性拔節(jié)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(wú)差異。土壤堿性磷酸酶活性與脲酶活性變化相似，表現(xiàn)為隨著春小麥生育期的推進(jìn)，拔節(jié)期上升，之后持續(xù)下降一直延續(xù)到灌漿期，灌漿之后又開(kāi)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(xiàn)在成熟期而非拔節(jié)期。因此，土壤堿性磷酸酶活性總體表現(xiàn)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(jié)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(guò)氧化氫酶活性苗期表現(xiàn)為NT＞T＞NTS＞TS，隨著小麥生長(zhǎng)發(fā)育，拔節(jié)期和成熟期表現(xiàn)為NTS＞TS＞NT＞T，灌漿期表現(xiàn)為T(mén)S＞NT＞NTS＞T。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，苗期NT與其余處理間差異顯著，拔節(jié)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(tǒng)耕作T相比，整個(gè)生育期NTS、NT、TS過(guò)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(jié)期）表現(xiàn)為NTS＞TS＞NT＞T，生育后期（灌漿期和成熟期）表現(xiàn)為NTS＞NT＞TS＞T；苗期和灌漿期NTS與其余處理間差異顯著，拔節(jié)期NTS僅與T差異顯著，成熟期各處理間無(wú)差異。與傳統(tǒng)耕作T相比較，整個(gè)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(jié)期和成熟期表現(xiàn)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(jié)期NTS僅與T差異顯著，灌漿期各處理間無(wú)差異。與傳統(tǒng)耕作T相比，整個(gè)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(gè)生育期（包括苗期、拔節(jié)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(tǒng)耕作T相比較，整個(gè)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(guò)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(shì)，表現(xiàn)為5～10 cm＞10～30 cm＞0～5 cm；NTS、NT、TS呈遞減趨勢(shì)，表現(xiàn)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(guò)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(xiàn)為免耕高于傳統(tǒng)翻耕，但各處理間無(wú)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(guò)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(guī)律性，NT和NTS 3種水解酶活性在0～30 cm剖面均呈遞減趨勢(shì)，表現(xiàn)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(shì)外，其余均呈先增后減趨勢(shì)，表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wú)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(shí)期對(duì)土壤酶活性的效應(yīng)

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

表4 耕作方式和生育時(shí)期對(duì)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(duì)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(huán)中起重要作用［1，26］。土壤過(guò)氧化氫酶是由土壤中的細(xì)菌、真菌和植物的根部分泌的、是直接參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種酶。本研究發(fā)現(xiàn)不同耕作方式下土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性隨小麥生育期的推進(jìn)一直上升，在灌漿期出現(xiàn)峰值之后開(kāi)始下降，這與前人的研究結(jié)果基本一致［27］。其原因主要是隨著生育期的遞進(jìn)，在拔節(jié)至灌漿期春小麥處于生長(zhǎng)最旺盛的階段，根系發(fā)達(dá)，且根系分泌物增多，微生物和酶代謝活動(dòng)增強(qiáng)，在灌漿期活性達(dá)到最大值；灌漿之后，根系對(duì)養(yǎng)分吸收速度減慢，根系分泌物減少，土壤中蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性也隨之下降［27］。土壤脲酶活性從苗期開(kāi)始到拔節(jié)期迅速上升并且達(dá)到整個(gè)生育期的峰值，這與當(dāng)時(shí)的氣溫及作物生長(zhǎng)的繁茂程度有關(guān)，因?yàn)殡迕富钚灾饕芡寥罍囟群偷从绊憽Ｃ缙诟?，氣溫低，土壤脲酶活性低，隨著生育期的后延，春小麥進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(jié)期出現(xiàn)峰值之后開(kāi)始下降，是由于拔節(jié)期到灌漿期作物生長(zhǎng)旺盛，對(duì)土壤養(yǎng)分吸收迅速，出現(xiàn)作物與微生物爭(zhēng)奪氮素營(yíng)養(yǎng)的局面，從而抑制了土壤微生物的生長(zhǎng)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(jìn)一步研究。土壤堿性磷酸酶活性從苗期到拔節(jié)期變化趨勢(shì)平緩，到灌漿期活性降低，成熟期活性最高，總體表現(xiàn)出春小麥生長(zhǎng)后期活性高于生長(zhǎng)前期的趨勢(shì)。García－Gil等［28］研究表明，當(dāng)土壤中無(wú)機(jī)磷含量較高時(shí)，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(dǎo)。小麥的生育前期對(duì)養(yǎng)分的吸收以N素為主，到了生長(zhǎng)后期，隨著核蛋白物質(zhì)增加，對(duì)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(dǎo)磷酸酶活性迅速增強(qiáng)。因此，小麥成熟期磷酸酶活性顯著高于其他時(shí)期。

本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，除苗期過(guò)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(tǒng)耕作，這一方面與土壤表層的秸稈覆蓋有關(guān)，因?yàn)樽魑餁報(bào)w是土壤生物活動(dòng)的主要和有效能源，通過(guò)秸稈還田可給土壤酶提供大量作用底物，因而能激發(fā)并提高土壤酶活性［29］。特別是春小麥拔節(jié)后隨著作物生育期的推進(jìn)，地表溫度升高、濕度增大，土壤微生物對(duì)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(huán)境有關(guān)［31］，免耕減少了土壤的擾動(dòng)次數(shù)，有較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，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(dú)的免耕（NT）或秸稈還田（TS）對(duì)土壤酶活性的效應(yīng)表現(xiàn)為階段性，二者對(duì)過(guò)氧化氫酶和蔗糖活性的提高作用主要體現(xiàn)在春小麥生育后期，而對(duì)脲酶和堿性磷酸酶活性的增強(qiáng)作用主要表現(xiàn)在春小麥生育前期，其原因尚有待于進(jìn)一步研究探討。

3.2 耕作方式對(duì)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(duì)深層土壤酶活性的影響不顯著。這與本研究中土壤過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶活性在剖面分布趨勢(shì)一致，即表現(xiàn)為表層0～5 cm免耕處理（NT和NTS）顯著高于傳統(tǒng)翻耕 （T），而深層無(wú)差異。這主要是因?yàn)榕c免耕相比，常規(guī)耕作土壤有機(jī)質(zhì)在各個(gè)土層的分布更為均勻，而免耕土壤有機(jī)質(zhì)主要集中在土壤表層［33］。另外，植物根系和微生物對(duì)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(guī)耕作，而在土壤深層常規(guī)耕作高于免耕。本研究中土壤脲酶和蔗糖酶活性在整個(gè)耕層0～30 cm均表現(xiàn)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(huán)境不同造成的。

免耕處理（NT和NTS）土壤過(guò)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(shì)，這主要是因?yàn)楦鞣绞揭鸬耐寥烙袡C(jī)質(zhì)的分層分布對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到土壤酶的活性［35］。翻耕處理中T土壤過(guò)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(shì)，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(guān)［31］；TS土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性隨土層加深呈遞減趨勢(shì)，這與秸稈在土壤剖面的分布有關(guān)。

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