礫石覆蓋農(nóng)田土壤酶活性的動(dòng)態(tài)變化特征

邱 陽(yáng)， 謝忠奎， 任吉龍， 王亞軍

(中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 甘肅 蘭州 730000)

農(nóng)田礫石覆蓋是中國(guó)一種傳統(tǒng)的抗旱栽培方式，至今已有300 a余的歷史。研究證明，礫石覆蓋可減少土壤蒸發(fā)，增加土壤溫度，提高產(chǎn)量和水分利用率[1]。在黃土高原西部地區(qū)，礫石覆蓋農(nóng)田的面積逐年增加，甘肅省20世紀(jì)90年代末期，礫石覆蓋面積達(dá)到118 000 hm2，比30年代增加了將近6倍[2]。

不同土地利用方式的土壤性質(zhì)不同，合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力[3]。微生物和土壤酶是土壤的重要組成部分，在土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要作用，其不僅能反映土壤生物活性的高低，而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的快慢，在一定程度上反映了土壤的肥力狀況[4]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤酶的研究較多，但主要集中于農(nóng)業(yè)、林業(yè)不同類(lèi)型和肥力水平土壤的酶活性及施用有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤酶活性的影響等方面[5-6]，關(guān)于不同耕作方式對(duì)土壤酶活性的影響也有一些研究報(bào)道[7-8]，但對(duì)于黃土高原礫石覆蓋條件下土壤酶活性的動(dòng)態(tài)變化研究尚未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定礫石覆蓋農(nóng)田土壤多酚氧化酶，過(guò)氧化氫酶等4種酶活性在不同作物生長(zhǎng)時(shí)期的變化，探索了礫石覆蓋條件下土壤酶活性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期為進(jìn)一步研究礫石覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境影響的機(jī)理及礫石覆蓋科學(xué)管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究試驗(yàn)區(qū)選在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所皋蘭生態(tài)與農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站(36°13′N(xiāo),103°47′E)。該站位于黃土高原西北部的皋蘭縣境內(nèi)，海拔高度在1 459～2 445 m。年平均降水量為263 mm，降水的變率很大，70%的降雨分布在6—9月，最大年降水量為392.4 mm，最小年降水量154.9 mm，年降水量相對(duì)變率21.9%。 多年月平均氣溫7.1 ℃，最低氣溫-9.1 ℃(1月)，最高氣溫20.7℃ (7月)，≥0 ℃的年積溫3 324.5 ℃。年潛在蒸發(fā)量930.6 mm，年水分虧缺量681.6 mm。該區(qū)地帶性土壤類(lèi)型為灰鈣土，母質(zhì)為黃土，在中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)中為簡(jiǎn)育雛形干旱土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置及樣品采集

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理：(1)對(duì)照，未經(jīng)過(guò)礫石覆蓋的連作西瓜農(nóng)田(CK)；(2)礫石覆蓋處理下的連作西瓜農(nóng)田，選取已經(jīng)覆蓋3 a，土壤理化性質(zhì)穩(wěn)定的瓜田(G)；(3)撂荒的砂田(S)，其中本氏羽茅、阿爾泰紫菀與小黃菊為群叢中的主要種類(lèi)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為50 m2，田間隨機(jī)區(qū)組排列。西瓜品種為西農(nóng)8號(hào)，3月底播種，行距1.0 m，間距0.6 m。在整個(gè)西瓜生長(zhǎng)時(shí)期，每1 hm2施加30 000 kg的糞肥，1 500 kg的豆餅肥以及150 kg N肥，90 kg的P2O5和99 kg的K2O。2011年分別于發(fā)芽期(4月15日)，幼苗期(5月27日)，抽蔓期(7月3日)，結(jié)果期(8月29日)，收獲后(10月17日)取土樣，在各樣地選取五點(diǎn)采用S型混合采樣法，采集0—20 cm深度的土壤樣品，裝入無(wú)菌袋中。采集的土樣迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除可見(jiàn)的動(dòng)、植物殘?bào)w和石塊。土樣經(jīng)風(fēng)干處理后磨細(xì)并過(guò)1 mm篩用于分析土壤酶活性及土壤微生物。供試土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試農(nóng)田土壤基本性質(zhì)

1.3 測(cè)定方法

用常規(guī)方法測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)[9]。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂平板表面涂布法；真菌采用查彼克氏培養(yǎng)基平板表面涂布法；放線菌采用改良高氏1號(hào)合成培養(yǎng)基平板表面涂布法。過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，結(jié)果以每1 g風(fēng)干土壤滴定所需0.02 mol/L的KMnO4的ml數(shù)來(lái)表示。脫氫酶采用TTC比色法，結(jié)果以6 h后1 g土壤中產(chǎn)生的三苯基甲臢的量表示。多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法，結(jié)果以2 h后每克風(fēng)干土壤生成的紅紫棓精的毫克數(shù)表示。淀粉酶活性采用3，5—二硝基水楊酸比色法，結(jié)果以24 h后1 g土壤中麥芽糖的mg數(shù)表示[10-11]。

采用SAS V8和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。多重比較采用Duncan新復(fù)極差法測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物的數(shù)量受到土壤溫度、濕度、通氣狀況、耕作制度、有機(jī)質(zhì)含量及作物種類(lèi)等的影響。由表2可以看出，不同處理下的土壤微生物數(shù)量分布變化明顯，其中CK處理的總微生物數(shù)量最高，礫石覆蓋下的農(nóng)田土壤總微生物數(shù)量介于未覆蓋農(nóng)田和撂荒地之間，撂荒地的微生物數(shù)量較低。農(nóng)田覆蓋礫石之后真菌的數(shù)量顯著下降，G處理的真菌數(shù)量最低，但其細(xì)菌數(shù)量和放線菌數(shù)量均介于未覆蓋農(nóng)田和撂荒地之間。土壤真菌由于菌體或生物量較大，因而在改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)方面具有不可忽視的作用。但是，G處理土壤微生物總數(shù)中真菌所占的比例變小，因此，對(duì)于該地區(qū)土壤質(zhì)量改善方面的作用就相對(duì)小了很多。農(nóng)田礫石覆蓋后微生物數(shù)量的下降有很多種原因，例如由于覆蓋層的存在，隔離了土壤和外界的物質(zhì)交換。同時(shí)由表1可見(jiàn)，礫石覆蓋層對(duì)土壤有一個(gè)“壓實(shí)”效應(yīng)，增大了土壤容重，從而減少了土壤的孔隙度，這可能對(duì)土壤中微生物的呼吸產(chǎn)生影響，從而降低了微生物數(shù)量。

2.2 不同處理土壤酶活性的動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 不同處理對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶的影響 過(guò)氧化氫酶是衡量土壤中氧化過(guò)程的方向和強(qiáng)度的指標(biāo)，其活性可以反映土壤解除呼吸過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)氧化氫的能力[12]。由圖1可以看出，不同處理土壤過(guò)氧化氫酶活性變化不同。G處理過(guò)氧化氫酶活性前期升高，然后酶活性穩(wěn)定保持到抽蔓期后開(kāi)始下降。CK處理過(guò)氧化氫酶活性開(kāi)始一直保持下降趨勢(shì)，至結(jié)果期時(shí)開(kāi)始升高。S處理過(guò)氧化氫酶活性則一直保持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。幼苗期和抽蔓期G處理過(guò)氧化氫酶活性顯著高于CK處理和S處理，而在結(jié)果期CK處理顯著高于G處理和S處理。這表明礫石覆蓋下的農(nóng)田中，西瓜生育期內(nèi)土壤氧化過(guò)程強(qiáng)度較高。

表2 礫石覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤主要土壤微生物數(shù)量的影響

圖1 不同處理土壤過(guò)氧化氫酶活性的變化

2.2.2 不同處理對(duì)土壤多酚氧化酶的影響 多酚氧化酶參與土壤有機(jī)組分中芳香族化合物的轉(zhuǎn)化作用，是腐殖化的一種媒介，是土壤氧化還原酶中了解最多的一種酶。由圖2可以看出，不同處理之間土壤多酚氧化酶活性變化均呈先降后升的趨勢(shì)，其中G處理土壤多酚氧化酶活性先下降后又迅速上升，在結(jié)果期其酶活性與S處理大致接近。G處理土壤多酚氧化酶活性變化幅度最大，從幼苗期開(kāi)始先劇烈下降而后在抽蔓期后迅速升高，在整個(gè)生育期內(nèi)其多酚氧化酶活性都要顯著低于CK處理和S處理。在作物生長(zhǎng)活動(dòng)旺盛的發(fā)芽期，多酚氧化酶活性普遍較高，表明此時(shí)土壤中腐殖化進(jìn)程較強(qiáng)，以便為作物發(fā)育提供養(yǎng)料。

圖2 不同處理土壤多酚氧化酶活性的變化

2.2.3 不同處理對(duì)土壤淀粉酶的影響 淀粉是土壤中有機(jī)殘?bào)w的組成成分，淀粉酶是參與自然界碳循環(huán)的一種重要的酶。由圖3可以看出，不同處理土壤淀粉酶活性變化不同。S處理淀粉酶活性前期下降，在結(jié)果期達(dá)到最低后開(kāi)始上升。G處理的淀粉酶活性在整個(gè)生育期內(nèi)一直保持下降趨勢(shì)，并且下降幅度大于G處理和CK處理，并且S處理的淀粉酶在整個(gè)生育期內(nèi)都要顯著高于G處理和CK處理。CK處理淀粉酶活性在發(fā)芽期到幼苗期下降，并在抽蔓期緩慢上升后迅速下降，至結(jié)果期達(dá)到最低后迅速上升。在收獲后，土壤中的有機(jī)殘?bào)w數(shù)量增多，從而導(dǎo)致淀粉酶活性升高。

圖3 不同處理土壤淀粉酶活性的變化

2.2.4 不同處理對(duì)土壤脫氫酶的影響 脫氫酶能酶促碳水化合物和有機(jī)酸的脫氫反應(yīng)，它起著氫的中間傳遞體的作用。不同處理下土壤脫氫酶活性的變化由圖4可以看出，不同處理之間土壤脫氫酶活性變化均呈先升后降的趨勢(shì)。其中G處理和CK處理土壤脫氫酶活性先緩慢上升，至抽蔓期達(dá)到最高而后迅速降低，其變化趨勢(shì)十分相近。S處理土壤脫氫酶活性從幼苗期開(kāi)始先緩慢下降而后再緩慢升高，至抽蔓期后輕微降低。在抽蔓期，CK處理脫氫酶活性略微高于G處理和S處理。

圖4 不同處理土壤脫氫酶活性的變化

3 結(jié) 論

高英美等[13]的研究表明，生物覆蓋提高了根際土壤微生物的活動(dòng)，細(xì)菌與真菌數(shù)量顯著增加。但礫石覆蓋并沒(méi)有使土壤中微生物得到明顯增加，反而略微降低了農(nóng)田土壤中的微生物數(shù)量，尤其是顯著地降低了土壤中的真菌數(shù)量。從總體看來(lái)，礫石覆蓋農(nóng)田土壤的微生物數(shù)量介于未覆蓋的農(nóng)田土壤和撂荒地土壤的微生物數(shù)量之間。

通過(guò)對(duì)不同處理下的土壤中過(guò)氧化氫酶，多酚氧化酶，淀粉酶和脫氫酶的研究，結(jié)果表明，不同處理下土壤酶活性在生育期變化顯著不同，但在整個(gè)生育期內(nèi)，不同處理下土壤酶活性有時(shí)具有較相似的變化趨勢(shì)，且多在作物生長(zhǎng)旺盛的抽蔓期和結(jié)果期達(dá)到極值，這說(shuō)明作物生長(zhǎng)對(duì)于酶活性的影響作用很大。其中礫石覆蓋農(nóng)田土壤中的多酚氧化酶活性在整個(gè)生育期內(nèi)均介于未覆蓋農(nóng)田土壤和撂荒地土壤的多酚氧化酶含量之間，但其土壤中淀粉酶活性在整個(gè)生育期內(nèi)均高于未覆蓋農(nóng)田和撂荒地土壤中的淀粉酶含量，而其脫氫酶活性在生育期內(nèi)的大多數(shù)時(shí)期都要低于未覆蓋農(nóng)田和撂荒地土壤中的脫氫酶含量。礫石覆蓋農(nóng)田與未覆蓋的農(nóng)田在土壤酶活性變化上的顯著差異，可能與礫石覆蓋層對(duì)土壤環(huán)境的改變有關(guān)，同時(shí)也可能與黃土高原地區(qū)土壤酶活性受水分條件影響有關(guān)。這種顯著變化對(duì)礫石覆蓋農(nóng)田的土壤質(zhì)量影響很大，因此本試驗(yàn)的研究只是一個(gè)初步探討，需做進(jìn)一步深入的研究。

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