玉米秸稈還田對土壤酶活性的影響

閆慧榮，曹永昌，謝 偉，和文祥,2，田霄鴻,2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 資源環(huán)境學(xué)院，b 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

玉米秸稈還田對土壤酶活性的影響

閆慧榮1a,1b，曹永昌1a，謝 偉1a，和文祥1a,2，田霄鴻1a,2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a 資源環(huán)境學(xué)院，b 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究不同玉米秸稈還田量對土壤酶活性的影響，為秸稈還田提供一定的理論依據(jù)。【方法】 以采自陜西楊凌農(nóng)田的土婁土為供試土樣，采用室內(nèi)模擬恒溫培養(yǎng)方法，研究玉米秸稈不同還田量(0，6，12，18，24 g/kg)處理下，影響碳、氮循環(huán)及微生物活性的主要土壤酶類(蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、脫氫酶和熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶)活性在不同培養(yǎng)時間(1，4，7，15，30，60 d)的變化規(guī)律，并引入“倍增劑量”的概念評價酶活性的變化幅度?！窘Y(jié)果】 玉米秸稈還田后5種土壤酶活性均增強(qiáng)，隨著培養(yǎng)時間延長，土壤蔗糖酶和纖維素酶活性總體呈減少趨勢；脲酶和FDA水解酶酶活性總體呈先增后減的趨勢；土壤脫氫酶活性培養(yǎng)初期較低，隨著培養(yǎng)時間延長維持在一個較高水平，至培養(yǎng)60 d時明顯降低。擬合結(jié)果顯示，5種土壤酶活性與玉米秸稈還田量間均呈極顯著正相關(guān)，不同酶活性的倍增劑量在不同培養(yǎng)時間下的變化有所差異。5種土壤酶中，以土壤FDA水解酶活性對玉米秸稈腐解過程最為敏感；當(dāng)玉米秸稈還田量為10 g/kg時土壤總體酶活性較高。同時，玉米秸稈還田后，5種土壤酶活性間呈極顯著正相關(guān)，表明其變化是密切相關(guān)的。【結(jié)論】 玉米秸稈還田對5種土壤酶活性均具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，從土壤總體酶活性角度得到當(dāng)?shù)赜衩捉斩掃€田的最佳用量是10 g/kg。

秸稈還田；土壤酶；FDA水解酶；玉米；倍增劑量

秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要的生物資源，據(jù)估算我國2006年生產(chǎn)7.6億t秸稈[1]，且秸稈總量隨著農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)水平的提高不斷增長。目前，生產(chǎn)中近35%的秸稈都被廢棄焚燒，造成了嚴(yán)重的大氣污染和資源浪費(fèi)[1]。秸稈作為物質(zhì)、能量和養(yǎng)分的載體，含有豐富的氮、磷、鉀及微量營養(yǎng)元素[2]，2006年作物秸稈氮、磷(P2O5)、鉀(K2O)養(yǎng)分還田量分別達(dá)到 304.6×104t，175.6×104t，966.7×104t[1]。秸稈還田作為一種廣泛推薦的耕作模式，在改善土壤質(zhì)量、減少化肥和有機(jī)肥施用量以及維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用[3-5]。

土壤酶是土壤三大組成部分之一，參與了土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)，在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量代謝、污染物清除等方面發(fā)揮重要作用[6-10]。秸稈進(jìn)入土壤后，必然與土壤酶發(fā)生關(guān)系[7-14]。楊招弟等[11]研究表明，秸稈還田提高了土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性。李倩等[12]發(fā)現(xiàn)，除脲酶外，秸稈還田后土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性變化均較小?？梢娗叭岁P(guān)于秸稈還田后土壤酶活性變化的研究結(jié)果不盡相同。為此，本研究擬通過室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)，較為系統(tǒng)地研究玉米秸稈還田對土壤酶活性的影響，探討秸稈腐解過程中酶活性的變化規(guī)律，以期為秸稈高效利用模式的建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土樣采自陜西楊凌(N 34°17′27″， E 108°03′54″，海拔522 m) 農(nóng)田土婁土。采樣時先去除0～5 cm表層土，然后采集5～20 cm土層土樣，混勻風(fēng)干，過孔徑1 mm尼龍篩備用。采用常規(guī)方法[15]分析土壤理化性質(zhì)。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.75 g/kg，全氮含量為1.33 g/kg，全磷含量為 1.48 g/kg，全鉀含量為26.09 g/kg，堿解氮含量為87.5 mg/kg，pH 7.73。

供試秸稈為玉米秸稈，系玉米成熟收獲后采集的地上部分，將其于70 ℃下烘干、粉碎(粉狀)后備用，其碳、氮含量分別為487.43，8.79 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

利用室內(nèi)模擬恒溫培養(yǎng)方法，每個培養(yǎng)缽(直徑11 cm、高14 cm 的帶密封蓋塑料圓缽)裝入風(fēng)干土樣300 g，試驗(yàn)過程中保持土壤含水量為田間最大持水量(WHC)的70%。試驗(yàn)設(shè)置0，6，12，18，24 g/kg 5個水平的秸稈添加量。將秸稈與土樣混勻后于28 ℃暗光密封培養(yǎng)，每處理重復(fù)3次，共培養(yǎng)60 d。于培養(yǎng)第1，4，7，15，30，60天從培養(yǎng)缽中取土樣50 g，用比色法[16-17]測定土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、脫氫酶、熒光素二乙酸酯(Fluorescein diacetate,FDA)水解酶活性，活性分別以葡萄糖、葡萄糖、NH3-N、TPF(三苯甲臢)和熒光素的量表示，測定酶活性時設(shè)無秸稈處理(即秸稈添加量為0)作為對照。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Office Excel 2007和SPSS 18.0 進(jìn)行方差和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈還田后土壤蔗糖酶活性的變化

蔗糖酶可將蔗糖催化為葡萄糖和果糖，增加土壤中的易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，是影響土壤碳素循環(huán)的酶類[16]。表1顯示，玉米秸稈還田后導(dǎo)致土壤蔗糖酶活性顯著增加，且隨著玉米秸稈還田量的增加，蔗糖酶活性均呈現(xiàn)增大趨勢。采用線性模型對土壤蔗糖酶活性(U)與玉米秸稈還田量(C)關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果(表2)顯示二者均達(dá)極顯著正相關(guān)。由擬合方程計算出酶活性增加1倍時需要的秸稈還田量，簡稱為倍增劑量(Dose of double enzyme activity,DDEA)。表2顯示，培養(yǎng)第1天倍增劑量最低，為10.28 g/kg；第7天最高，達(dá)24.72 g/kg；之后隨著培養(yǎng)時間延長，倍增劑量呈降低趨勢。表明在秸稈進(jìn)入土壤的初期，由于秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，土壤酶活性增幅較大，因而倍增劑量較低；隨著時間的延長，土壤中秸稈腐解程度加深，導(dǎo)致秸稈中養(yǎng)分含量減少，土壤酶活性趨于穩(wěn)定，秸稈效應(yīng)降低。在同一玉米秸稈還田量水平下，隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤蔗糖酶活性總體呈現(xiàn)減少趨勢，土壤蔗糖酶活性在培養(yǎng)第1天時達(dá)最大(表1)。這表明在秸稈加入的初期，由于營養(yǎng)物質(zhì)成分含量較高，微生物活性增強(qiáng)，導(dǎo)致最初蔗糖酶活性增幅較大；隨秸稈腐解程度的加深，可利用碳源含量降低，微生物活性降低，導(dǎo)致酶活性有所降低。

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母者表示差異達(dá)到5%顯著水平。表3，5，7，9同。

Note:Different small letters in each column indicate significant difference at 5% level.The same for table 3,5,7,9.

注：自由度n-2=13，r0.01=0.641，**表示P<0.01。表4，6，8，10，12同。

Note:Freedomn-2=13,r0.01=0.641,** meansP<0.01.The same for tables 4，6，8，10，and 12.

2.2 玉米秸稈還田后土壤纖維素酶活性的變化

纖維素酶是一類能將纖維素水解為葡萄糖的酶的統(tǒng)稱，包括內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶、外切β-1,4-葡聚糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶，是參與碳素循環(huán)的重要酶類[16]。玉米秸稈還田后土壤纖維素酶活性的變化見表3。

由表3可知，秸稈還田增強(qiáng)了土壤纖維素酶活性，增幅為208%～603%，遠(yuǎn)大于蔗糖酶活性增幅。在相同培養(yǎng)時間下，土壤纖維素酶活性隨著玉米秸稈還田量的增加持續(xù)增大，線性擬合結(jié)果顯示，二者關(guān)系均達(dá)極顯著正相關(guān)(表4)。由表4可見，隨著培養(yǎng)時間的延長，纖維素酶活性的倍增劑量變化不大，為9.08～11.32 g/kg，表明在玉米秸稈腐解過程中，纖維素酶活性增加需要的秸稈量基本相同，這可能是由于秸稈腐解中纖維素、木質(zhì)素等難降解物質(zhì)在土壤中腐解需要較長時間所致。在同一秸稈還田量水平下，隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤纖維素酶活性總體呈降低趨勢，這可能是營養(yǎng)條件持續(xù)惡化的緣故。

2.3 玉米秸稈還田后土壤脲酶活性的變化

土壤脲酶可催化尿素水解成氨，其活性在一定程度上反映土壤的供氮能力，與土壤氮素循環(huán)相關(guān)[16]。由表5可見，秸稈還田激活了土壤脲酶活性，其增幅為10%～272%。當(dāng)培養(yǎng)時間相同時，隨著玉米秸稈還田量的增加，土壤脲酶活性持續(xù)增強(qiáng)，擬合結(jié)果(表6)顯示，二者呈極顯著正相關(guān)。不同培養(yǎng)時間下，土壤脲酶倍增劑量為9.51～29.37 g/kg。培養(yǎng)第4天時，土壤脲酶活性增幅較大，倍增劑量較低。相同秸稈還田量水平下，隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤脲酶活性呈先增后降趨勢，其活性在第7天時達(dá)到最大值，與土壤蔗糖酶和纖維素酶活性相比，土壤脲酶活性最大值出現(xiàn)的時間有所滯后；第7天后土壤脲酶活性降低，這可能是由于第7天時秸稈中易分解成分已基本腐解完成的緣故。

2.4 玉米秸稈還田后土壤脫氫酶活性的變化

脫氫酶能自基質(zhì)中析出氫而進(jìn)行氧化作用，其活性大小直接反映了土壤微生物的數(shù)量和活性[16]。玉米秸稈還田后土壤脫氫酶活性的變化見表7。表7顯示，玉米秸稈還田后提高了土壤脫氫酶活性，其活性增加76%～362%。除第1天外，其余培養(yǎng)時間下土壤脫氫酶活性均隨玉米秸稈還田量的增加而增大，擬合結(jié)果(表8)顯示，二者呈極顯著正相關(guān)。培養(yǎng)1～30 d，土壤脫氫酶活性倍增劑量變化較小，培養(yǎng)60 d時土壤脫氫酶活性倍增劑量明顯降低，揭示培養(yǎng)后期土壤脫氫酶活性倍增需要添加的秸稈量明顯低于前期。培養(yǎng)第1天時，土壤脫氫酶活性較低，之后隨著時間的延長，土壤脫氫酶活性保持在較高水平，但60 d時土壤脫氫酶活性明顯降低。

2.5 玉米秸稈還田后土壤FDA水解酶活性的變化

FDA水解酶能有效地反映土壤微生物活性的變化，可作為土壤生物學(xué)指標(biāo)之一[19]。由表9可見，與對照相比，加入玉米秸稈后土壤FDA水解酶活性顯著增強(qiáng)，增幅為90%～3 668%；當(dāng)培養(yǎng)時間相同時，隨著玉米秸稈還田量的增加，F(xiàn)DA水解酶活性持續(xù)增大，不同處理間FDA水解酶活性差異達(dá)顯著水平，采用一元二次模型對二者關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果(表10)顯示二者間呈極顯著正相關(guān)。土壤FDA水解酶活性倍增劑量為1.75～8.58 g/kg，明顯低于其他土壤酶，揭示秸稈還田后FDA水解酶活性的變化最為靈敏。當(dāng)玉米秸稈還田量相同時，隨著時間的延長，土壤FDA水解酶活性呈先增后降趨勢。

2.6 玉米秸稈還田后土壤總體酶活性的變化

玉米秸稈還田后不同酶的反應(yīng)及增幅等不盡一致，故本研究利用不同處理下土壤5種酶活性，計算了土壤總體酶活性參數(shù)(TEI)。結(jié)果(表11)表明，玉米秸稈還田后土壤總體酶活性升高，隨著玉米秸稈還田量的增加，土壤總體酶活性持續(xù)增大，二者呈線性正相關(guān)(表12)。當(dāng)培養(yǎng)時間為1,4,7,15,30,60 d時，總體酶活性的倍增劑量分別為10.85，7.61，9.55，10.95，10.12，9.47 g/kg，由此推測秸稈還田量約為10 g/kg時，能有效提高土壤總體酶活性，并最終提升土壤肥力水平。

2.7 玉米秸稈還田后土壤酶活性之間的關(guān)系

土壤酶活性間相關(guān)性分析結(jié)果(表13)表明，玉米秸稈還田后，土壤5種酶活性間呈極顯著正相關(guān)。揭示出玉米秸稈還田過程中土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、脫氫酶與FDA水解酶關(guān)系密切。

注：自由度n-2=28，r0.01=0.463。**.P<0.01。

Note:Freedomn-2=28，r0.01=0.463.**.P<0.01.

3 討 論

本研究中，玉米秸稈還田對5種土壤酶活性均表現(xiàn)為促進(jìn)作用，且土壤酶活性整體上隨著玉米秸稈還田量的增加而增強(qiáng)；添加玉米秸稈后，土壤FDA水解酶活性增幅最大，不同玉米秸稈還田量處理之間土壤FDA水解酶活性均達(dá)到顯著差異，土壤FDA水解酶對添加外源能源物質(zhì)反應(yīng)最為敏感。馬星竹[20]研究表明，不同施肥處理下土壤FDA 水解酶響應(yīng)較大，其活性與土壤微生物量碳間呈顯著正相關(guān)，揭示FDA水解酶活性與土壤微生物活性之間有緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)玉米秸稈還田量為18，24 g/kg時，土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、脫氫酶活性在個別時間段差異不顯著。這可能是由于玉米秸稈C/N(55∶1)較高，增加還田量會導(dǎo)致土壤C/N進(jìn)一步提高，微生物可利用的碳源增加，但土壤中沒有足夠的氮源供微生物利用，微生物的數(shù)量和活性增幅較小，故對相應(yīng)酶活性的提高有限。解媛媛等[10]研究表明，秸稈還田增施氮肥后，土壤脲酶、蔗糖酶活性均高于常規(guī)施肥、不施肥處理。這說明調(diào)節(jié)土壤碳氮比，使微生物可利用氮源增加，有利于提高土壤微生物活性，進(jìn)而提高包括土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量[21]，增強(qiáng)土壤酶活性。

本試驗(yàn)中，隨著秸稈腐解時間的延長，不同土壤酶活性的變化規(guī)律不一致，但整體表現(xiàn)為前期酶活性較高，60 d后降低。說明添加秸稈后，土壤中可利用的能源物質(zhì)增加，誘導(dǎo)土壤微生物分泌的酶增加，酶活性增強(qiáng)；隨著秸稈的進(jìn)一步腐解，可利用的能源物質(zhì)逐漸減少，微生物生長逐漸衰退，酶活性降低[22]。培養(yǎng)30 d時個別處理酶活性升高，但是差異并不顯著，原因可能是由于土壤中酶可利用的底物減少，為了自身的生存，土壤微生物會分泌更多的酶來增加與底物結(jié)合的概率[23]。FDA水解酶、脲酶在培養(yǎng) 4～7 d時酶活性最高，蔗糖酶、纖維素酶活性在培養(yǎng)1 d時均較高，這可能是由于秸稈還田后分泌不同酶的微生物反應(yīng)靈敏度不同，揭示與碳素循環(huán)相關(guān)微生物活性在秸稈剛開始腐解時就表現(xiàn)出強(qiáng)烈的作用，土壤中氮素含量不足，與氮素循環(huán)相關(guān)微生物吸收氮素，逐漸發(fā)揮作用。

本研究中，玉米秸稈腐解過程中，隨著玉米秸稈添加量增加，土壤總體酶活性變化有明顯差異，利用其計算秸稈倍增劑量，結(jié)果表明，在試驗(yàn)地區(qū)當(dāng)玉米秸稈還田量為10 g/kg時能有效提升土壤酶活性和土壤肥力。同時玉米秸稈還田后，5種土壤酶活性間相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，可見秸稈還田是一種較優(yōu)的栽培措施。

4 結(jié) 論

玉米秸稈還田可明顯提高土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、脫氫酶及FDA 水解酶的活性，且土壤酶活性與玉米秸稈還田量間均呈極顯著正相關(guān)。隨著培養(yǎng)時間的延長，以上5種土壤酶活性變化有明顯差異。從土壤酶角度得到本地區(qū)秸稈還田的最佳用量是10 g/kg，土壤FDA水解酶對秸稈腐解反應(yīng)較為敏感。5種土壤酶活性在秸稈腐解過程中關(guān)系密切，達(dá)到極顯著正相關(guān)，秸稈還田后總體酶活性增強(qiáng)?？梢姀耐寥烂附嵌葋碇v，秸稈還田是一種提升土壤酶活性和土壤肥力的較優(yōu)措施。

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Effects of maize straw returning on soil enzyme activity

YAN Hui-rong1a,1b,CAO Yong-chang1a,XIE Wei1a,HE Wen-xiang1a,2,TIAN Xiao-hong1a,2

(1 aCollegeofNaturalResourcesandEnvironment,bCollegeofLifeSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgriculturalEnvironmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 Influences of maize straw decomposition on soil enzymes were studied to provide reference for maize straw returning.【Method】 Using laboratory simulation method,effects of maize straw returning at different amounts (0,6,12,18,and 24 g/kg) on soil enzymes,including soil invertase,cellulose,urease,dehydrogenase and fluorescein diacetate hydrolase influencing soil cycling carbon,nitrogen cycling and microbial activities after cultivating 1,4,7,15,30,60 day were studied,Also,dose of double enzyme activity(DDEA) were calculated to evaluate the increase of enzyme activity.【Result】 Activities of five soil enzymes increased with maize straw returning.Soil invertase and soil cellulose activities decreased as the straw decomposition process prolonged.Soil urease and FDA hydrolase activities increased at the beginning of straw decomposition and then decreased during cultivation.Soil dehydrogenase activities were low in the initial cultivation,then reached a high level during the cultivation,and significantly reduced in the 60th day.There were significant positive correlations between soil enzyme activities and the amount of straw returning.Meanwhile,DDEA of different soil enzyme changed during the cultivation.During straw decomposition process,FDA hydrolase was the most sensitive enzyme.10 g/kg was the suggested straw returning amount with the highest total enzyme index.Activities of the five soil enzymes showed significant positive correlation,indicating that their responses were closely related.【Conclusion】 Maize straw returning increased soil enzyme activities,and 10 g/kg was the optimized amount in the area.

straw returning;soil enzyme;FDA hydrolase;maize;dose of double enzyme activity

2014-01-09

國家科技支撐計劃項(xiàng)目(2012BAD14B11)；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2013012)

閆慧榮(1989-)，女，山西代縣人，碩士，主要從事土壤生物化學(xué)研究。E-mail：yanxiaobai963@163.com

和文祥(1968-)，男，陜西黃龍人，教授，博士，主要從事土壤生態(tài)毒理及土壤生物化學(xué)研究。 E-mail:wxhe1968@163.com

時間:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.017

S154.2；S513.01

A

1671-9387(2015)07-0177-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.017.html