河南南陽(yáng)煙區(qū)土壤酶活性的生態(tài)作用分析

沈笑天，劉金莉，馬長(zhǎng)恩，李金榜，馬 駿，呂 杰5，劉 宏*

(1.河南省南陽(yáng)市煙葉生產(chǎn)辦公室，河南南陽(yáng) 473000；2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310000；3.河南省煙草公司南陽(yáng)市公司，河南南陽(yáng) 473000；4.河南省南陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，河南南陽(yáng) 473000；5.南陽(yáng)農(nóng)業(yè)干部學(xué)校，河南南陽(yáng) 473000)

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河南南陽(yáng)煙區(qū)土壤酶活性的生態(tài)作用分析

沈笑天1，劉金莉2，馬長(zhǎng)恩3，李金榜4，馬 駿3，呂 杰5，劉 宏3*

(1.河南省南陽(yáng)市煙葉生產(chǎn)辦公室，河南南陽(yáng) 473000；2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310000；3.河南省煙草公司南陽(yáng)市公司，河南南陽(yáng) 473000；4.河南省南陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，河南南陽(yáng) 473000；5.南陽(yáng)農(nóng)業(yè)干部學(xué)校，河南南陽(yáng) 473000)

為了解土壤酶在土壤生態(tài)中的作用，并從土壤酶活性的層面為研究煙區(qū)土壤生態(tài)質(zhì)量、改良煙區(qū)土壤提供依據(jù)，采用方差分析、主成分分析、相關(guān)分析的方法，對(duì)南陽(yáng)煙區(qū)有代表性的13個(gè)取樣點(diǎn)的4類土壤酶活性及與其他土壤生態(tài)因子的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土壤酶活性的綜合指標(biāo)是土壤生態(tài)因子中僅次于有機(jī)質(zhì)方面綜合指標(biāo)的重要指標(biāo)，其作為第2主成分方差占所有主成分方差的17.860%；土壤酶活性與土壤物理性狀、土壤化學(xué)性狀、土壤 C素、根際和非根際土壤微生物之間存在廣泛的相關(guān)性，對(duì)土壤生態(tài)因子有表征作用。

煙區(qū)土壤；土壤酶；土壤生態(tài)

酶作為土壤中活的有機(jī)體，是土壤的重要組成部分，是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝和污染物降解等過(guò)程的主要參與者[1]。土壤酶的活性與土壤的顆粒含量、水分特征、有機(jī)質(zhì)和微生物含量等密切相關(guān)，其活性高低可反映土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝、污染物降解等過(guò)程能力的強(qiáng)弱[2]，因而可作為土壤質(zhì)量的肥力指標(biāo)[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤酶與土壤類型、質(zhì)量等的關(guān)系進(jìn)行了一些研究[4-6]。Dick 等[7-8]提出土壤酶活性可作為反映管理措施和環(huán)境因子引起的土壤生物學(xué)和生物化學(xué)變化的指標(biāo)?？梢?jiàn)土壤酶的種類與活性是煙區(qū)土壤生態(tài)的重要生物學(xué)指標(biāo)。以往對(duì)土壤酶的研究主要集中在土壤酶與單因素的土壤理化性狀和生物學(xué)性狀的關(guān)系上，系統(tǒng)研究土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的作用及其相互關(guān)系的報(bào)道較少。為此，筆者對(duì)南陽(yáng)煙區(qū)有代表性的13個(gè)取樣點(diǎn)的4類土壤酶活性及其他土壤生態(tài)因子，應(yīng)用方差分析、主成分分析、相關(guān)分析的方法，揭示土壤酶在土壤生態(tài)因子中的重要性、與其他生態(tài)因子的關(guān)系，最終為從土壤酶活性的層面研究煙區(qū)土壤生態(tài)質(zhì)量、改良煙區(qū)土壤提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試土樣在對(duì)1984年以來(lái)南陽(yáng)煙區(qū)539個(gè)土樣、214個(gè)煙樣及485個(gè)水樣檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析(SPSS層次聚類分析法)的基礎(chǔ)上，選取土壤、煙葉與水質(zhì)理化指標(biāo)有顯著差異且代表南陽(yáng)大部分煙區(qū)的不同生態(tài)類型的樣點(diǎn)13個(gè)，各樣點(diǎn)按基本一致的配方施肥。各生態(tài)類型的樣點(diǎn)選1 hm2以上煙葉種植田塊，于2006年7月10～13號(hào)(在南陽(yáng)煙區(qū)，這個(gè)時(shí)期煙田已不再進(jìn)行施肥或中耕等農(nóng)事操作，土壤為非攪動(dòng)土，具有可比性，同時(shí)是煙葉產(chǎn)質(zhì)量形成的關(guān)鍵時(shí)期)分別在各樣點(diǎn)取9點(diǎn)根際與非根際混合土樣1 kg。樣點(diǎn)情況如表1所示。

1.2測(cè)定方法土壤酶活性測(cè)定方法：過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法[9]；脲酶采用苯酚鈉比色法[10]；淀粉酶采用二硝基水楊酸比色法[11]；蛋白酶采用茚三酮比色法[10]。土壤主要功能微生物群數(shù)采用最大或然法計(jì)數(shù)[12]：硝化細(xì)菌采用Stephenson培養(yǎng)液；氨化細(xì)菌采用蛋白胨氨化培養(yǎng)液；纖維素分解菌采用Hutchinson培養(yǎng)液。土壤微生物平板培養(yǎng)計(jì)數(shù)采用稀釋平板計(jì)數(shù)法：細(xì)菌及芽孢菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基[12]；放線菌培養(yǎng)采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基[12]；真菌培養(yǎng)采用馬丁氏培養(yǎng)基[13]；熒光假單胞菌培養(yǎng)參照文獻(xiàn)[13]；解磷菌培養(yǎng)參照文獻(xiàn)[14]。土壤全C、全N測(cè)定采用燃燒法：稱樣300～350 mg，用Vario MAX CN 元素分析儀(德國(guó)產(chǎn))，在氧氣和高溫條件下，催化管內(nèi)燃燒，燃燒氣體通過(guò)吸附柱分離，熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)測(cè)定，數(shù)據(jù)由南京土壤研究所提供。土壤其他理化指標(biāo)測(cè)定采用常規(guī)方法。

1.3數(shù)據(jù)處理應(yīng)用SPSS 10.0、DPS進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1南陽(yáng)煙區(qū)土壤酶活性測(cè)定結(jié)果由表2可知，無(wú)論根際還是非根際土壤，4種酶的活性差異都很大，但除灌溉方式(井水與河水)對(duì)根際土壤淀粉酶的活性產(chǎn)生顯著影響外，耕作制度、土壤類型、地貌對(duì)4種酶活性均無(wú)顯著影響，在施肥基本一致的情況下，說(shuō)明土壤酶活性可能受綜合因素的影響。也正因?yàn)槿绱?，土壤酶活性?duì)土壤質(zhì)量的表征意義更大。

表1　不同生態(tài)類型樣點(diǎn)的自然農(nóng)業(yè)概況

表2　土壤酶活性測(cè)定結(jié)果

注：同一列中平均值后不同字母表示二者在0.05水平差異顯著。

Note：Different letters in the same column mean the difference was significant at 0.05 level.

2.2南陽(yáng)煙區(qū)土壤生態(tài)指標(biāo)主成分分析通過(guò)SPSS分析，提取出南陽(yáng)煙區(qū)有代表性的13個(gè)取樣點(diǎn)的土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀指標(biāo)(25個(gè))中特征根大于1.000的前8個(gè)主成分，這8個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)92.656%(表3)，其中前4個(gè)主成分的特征根大于3.105，方差貢獻(xiàn)率為67.931%，因此這4個(gè)主成分應(yīng)該是反映南陽(yáng)煙區(qū)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀的主要成分。

表3　土壤生態(tài)指標(biāo)公因子方差及其主成分的特征值、累計(jì)貢獻(xiàn)率與系數(shù)矩陣

通過(guò)計(jì)算主成分在各個(gè)變量上的載荷，得到F1～F8主成分變量因子列表。由表3可以看出：

F1=0.646ZX1+0.844ZX2+0.193ZX3+0.903ZX4+0.706ZX5-0.099ZX6+0.840ZX7+0.626ZX8+0.095ZX9-0.357ZX10-0.263ZX11+0.230ZX12+0.122ZX13+0.558ZX14+0.368ZX15-0.396ZX16+0.048ZX17-0.422ZX18-0.470ZX19-0.093ZX20+0.363ZX21+0.135ZX22+0.549ZX23+0.244ZX24+0.017ZX25

(其他3個(gè)主成分的表達(dá)式類似，略)

第1主成分表達(dá)式中，X2(全C)、X4(有機(jī)質(zhì))、X7(活C)的系數(shù)較大，所以F1是指示土壤C素特性的主要指標(biāo)；第2主成分表達(dá)式中，X12(脲酶)、X15(過(guò)氧化氫酶)的系數(shù)較大，可以作為反映脲酶、過(guò)氧化氫酶變化的主要指標(biāo)；第3主成分表達(dá)式中，X3、X9、X10、X22的系數(shù)較大，F(xiàn)3可以作為反映pH、容重、土粒密度和熒光假單胞菌數(shù)的主要指標(biāo)；第4主成分表達(dá)式中，X13、X18、X24的系數(shù)較大，F(xiàn)4可以看成是反映蛋白酶、放線菌數(shù)、氨化菌數(shù)的主要指標(biāo)。其中，第1主成分方差占所有主成分方差的21.541%；第2主成分方差占所有主成分方差的17.860%。這說(shuō)明反映酶活性的綜合指標(biāo)是土壤生態(tài)因子中僅次于有機(jī)質(zhì)方面綜合指標(biāo)的重要指標(biāo)，土壤酶在土壤生態(tài)因子中的重要性顯而易見(jiàn)。

2.3土壤酶活性與其他生態(tài)因子作用分析

2.3.1根際、非根際土壤酶活性與土壤物理性狀相關(guān)分析。由表4可知，土壤容重、土粒密度與煙株根際和非根際土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶、過(guò)氧化氫酶的活性均不顯著相關(guān)；土壤孔隙度與煙株根際土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶、過(guò)氧化氫酶及非根際土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶活性均不顯著相關(guān)，與非根際土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著相關(guān)，這可能是因?yàn)橥寥揽紫抖扰c土壤中空氣含量特別是氧氣含量有關(guān)，而過(guò)氧化氫酶的活性與氧氣含量有關(guān)。也有少數(shù)研究確定了土壤酶活性與土壤容重、土粒密度的相關(guān)性[15]?？捎幂^為簡(jiǎn)單的非根際土壤過(guò)氧化氫酶活性來(lái)表征相對(duì)較難測(cè)定的土壤物理性狀中的孔隙度。建立回歸方程如下：

(F=8.032，P<0.05)

2.3.2根際、非根際土壤酶活性與土壤化學(xué)性狀相關(guān)分析。由表5可知，根際土壤脲酶活性與pH顯著正相關(guān)，非根際土壤脲酶活性與pH極顯著正相關(guān)，說(shuō)明在南陽(yáng)煙區(qū)當(dāng)前的pH水平下，隨著pH的升高有提高土壤脲酶活性的作用。全N與非根際土壤淀粉酶活性顯著正相關(guān)，說(shuō)明較高的N含量會(huì)提高土壤淀粉酶活性。Cu、Fe、Mn與非根際土壤脲酶活性顯著負(fù)相關(guān)，可以推測(cè)南陽(yáng)煙區(qū)土壤中Cu、Fe、Mn的含量較為

表4　根際、非根際土壤酶活性與土壤物理性狀相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平顯著相關(guān)。下同。

Note：“*” stands for significant correlation at 0.05 level.The same below.

豐富，施用這類肥料會(huì)降低土壤脲酶活性。建立回歸方程如下：

(F=15.898，P<0.01)

(F=15.897，P<0.01)(F=8.577，P<0.01)

(F=5.285，P<0.05)

楊遠(yuǎn)平[16]對(duì)貴州畢節(jié)地區(qū)煙地土壤酶活性研究結(jié)果表明，土壤脲酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全N、速效N達(dá)到了顯著或極顯著相關(guān)水平。與該研究結(jié)果并不一致，這可能是土壤環(huán)境不同導(dǎo)致土壤酶活性與土壤化學(xué)生態(tài)因子關(guān)系的不同。南陽(yáng)煙區(qū)長(zhǎng)期大量施用化肥，土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，而且有機(jī)質(zhì)、全N、速效N差異不大，可能是主要原因。因此，煙田應(yīng)重視有機(jī)肥的施用。美國(guó)水土保持學(xué)會(huì)甚至把土壤有機(jī)質(zhì)作為衡量土壤質(zhì)量的唯一重要的指標(biāo)[17]。有試驗(yàn)證明在保護(hù)性耕作方式下配合施用有機(jī)肥，提高地力的效果比較顯著[18-19]。譚周進(jìn)等[20]認(rèn)為不同耕作制度與有機(jī)肥施用量對(duì)土壤酶活性激活作用不同，有機(jī)與無(wú)機(jī)肥合理配施可提高某些土壤酶活性，加速土壤元素循環(huán)。增加土壤有機(jī)質(zhì)投入，可提高土壤生物活性和土壤肥力。

表5　根際、非根際土壤酶活性與土壤化學(xué)性狀相關(guān)分析

2.3.3土壤 C素與根際、非根際土壤酶活性相關(guān)分析。由表6可知，土壤全C、活性C、活性C/全C、C庫(kù)活度與煙株根際、非根際土壤4種酶活性均不顯著相關(guān)；土壤C/N與煙株根際土壤淀粉酶、過(guò)氧化氫酶活性及非根際土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶、過(guò)氧化氫酶活性不顯著相關(guān)，與煙株根際土壤脲酶活性極顯著正相關(guān)，與煙株根際土壤蛋白酶活性顯著正相關(guān)；非活性C與煙株根際、非根際土壤蛋白酶、淀粉酶、過(guò)氧化氫酶活性不顯著相關(guān)，與煙株根際土壤脲酶活性極顯著正相關(guān)，與非根際土壤脲酶活性顯著正相關(guān)。建立回歸方程如下：

表6　根際、非根際土壤酶活性與C素相關(guān)分析

(F=15.695，P<0.01)

(F=5.832，P<0.05)

(F=9.174，P<0.01)

(F=8.460，P<0.01)

以上結(jié)果說(shuō)明南陽(yáng)煙區(qū)土壤C/N與非活性C是相對(duì)敏感的指標(biāo)，提高土壤C含量，特別是非活性C含量，對(duì)根際、非根際土壤脲酶及根際土壤蛋白酶活性有顯著促進(jìn)作用。近年來(lái)煙區(qū)C/N下降的問(wèn)題應(yīng)引起我們的重視。

2.3.4根際、非根際土壤酶活性與土壤微生物的相關(guān)分析。由表7可知，根際土壤微生物中，細(xì)菌總數(shù)與根際土壤蛋白酶活性極顯著負(fù)相關(guān)，與非根際土壤蛋白酶活性顯著負(fù)相關(guān)；芽孢菌數(shù)與非根際土壤蛋白酶活性極顯著負(fù)相關(guān)，放線菌數(shù)與非根際土壤蛋白酶活性顯著相關(guān)；解磷菌數(shù)與根際土壤脲酶極顯著正相關(guān)。建立回歸方程如下：

(F=12.906，P<0.01)

(F=11.059，P<0.01)

(F=13.187，P<0.01)

說(shuō)明根際與非根際土壤蛋白酶活性對(duì)根際細(xì)菌、芽孢菌、放線菌有顯著抑制作用；非根際土壤蛋白酶活性比根際土壤蛋白酶活性對(duì)根際細(xì)菌、芽孢菌、放線菌更有顯著抑制作用；根際土壤脲酶活性可促進(jìn)根際解磷菌繁殖，可能與酶活性對(duì)部分微生物有顯著的抑制或促進(jìn)作用，并與酶的功能專一性有關(guān)。

表7　根際、非根際土壤酶活性與根際土壤微生物相關(guān)分析

由表8可知，非根際土壤微生物中，細(xì)菌總數(shù)、芽孢菌數(shù)與根際土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著相關(guān)，細(xì)菌總數(shù)與非根際土壤過(guò)氧化氫酶顯著相關(guān)；真菌數(shù)與根際、非根際土壤脲酶活性極顯著相關(guān)；解鉀菌數(shù)與非根際土壤蛋白酶活性顯著相關(guān)；纖維分解菌數(shù)與非根際土壤脲酶活性極顯著相關(guān)；放線菌數(shù)、熒光假單胞菌數(shù)、解磷菌數(shù)、氨化菌數(shù)、硝化菌數(shù)則與根際、非根際土壤4種酶活性不顯著相關(guān)。建立回歸方程如下：

(F=21.538，P<0.01)

-0.036X2非根際芽孢菌數(shù)

(F=6.736，P<0.05)

+436.120X2非根際纖維分解菌數(shù)

(F=27.932，P<0.01)

(F=7.112，P<0.05)

(F=9.511，P<0.05)

根際與非根際土壤脲酶活性均與非根際土壤真菌數(shù)極顯著相關(guān)，可能是根際與非根際土壤脲酶活性本身就顯著相關(guān)的原因。根際土壤過(guò)氧化氫酶、非根際土壤過(guò)氧化氫酶與細(xì)菌總數(shù)的相關(guān)可能是相同的原因。纖維分解菌繁殖與非根際土壤脲酶活性表達(dá)可能有相同的環(huán)境要求。非根際芽孢菌與根際土壤過(guò)氧化氫酶活性關(guān)系，可能是它們要求的環(huán)境差異形成的。大約從20世紀(jì)60年代開始，人們?cè)噲D在酶活性和微生物活性之間建立某種相關(guān)性，但這些研究結(jié)果往往很不一致[16]。也有很多學(xué)者從施用生態(tài)有機(jī)肥的角度，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)及微生物區(qū)系來(lái)研究連作障礙[21]。在特定條件下建立的南陽(yáng)煙區(qū)土壤酶活性與微生物的關(guān)系有一定的局限性。煙區(qū)土壤酶活性與土壤生態(tài)因子的密切關(guān)系為我們通過(guò)農(nóng)業(yè)措施改良土壤酶活性，以及其他土壤生態(tài)因子提供了參考依據(jù)。

表8根際、非根際土壤酶活性與非根際土壤微生物相關(guān)分析

Table 8Correlation coefficients of soil enzyme activity and carbon in rhizosphere and non-rhizosphere and soil microorganisms in non-rhizosphere

根際土壤微生物Soilmicroorganismsinrhizosphere根際土壤Rhizospheresoil脲酶Urease蛋白酶Protease淀粉酶Amylase過(guò)氧化氫酶Catalase非根際土壤Non-rhizospheresoil脲酶Urease蛋白酶Protease淀粉酶Amylase過(guò)氧化氫酶Catalase細(xì)菌總數(shù)Totalnumberofbacteria-0.449-0.4180.391-0.562*-0.5400.0590.08-0.681**芽孢菌數(shù)Quantityofsporebacteria-0.020-0.214-0.453-0.642*-0.0950.135-0.093-0.459放線菌數(shù)Quantityofactinomycetes-0.127-0.1140.2140.138-0.050-0.213-0.1950.231真菌數(shù)Quantityoffungi0.814**0.330-0.1960.0710.688**0.049-0.5050.287解鉀菌數(shù)Quantityofpotassiumbacteria-0.164-0.2730.030-0.1380.095-0.627*-0.067-0.018解磷菌數(shù)Quantityofphosphatesolubiliz-ingbacteria0.041-0.0480.3660.067-0.0050.1190.049-0.110熒光假單胞菌數(shù)Quantityofpseudomonasfluorescens-0.050-0.268-0.491-0.507-0.0790.096-0.036-0.343纖維分解菌數(shù)Quantityofcellulose-de-composingbacteria0.402-0.299-0.4780.0340.738**-0.1530.2470.416氨化菌數(shù)Quantityofammonifyingbacte-ria0.103-0.150-0.056-0.2740.0150.486-0.132-0.155硝化菌數(shù)Quantityofnitrifyingbacteria-0.165-0.170-0.4190.1760.100-0.4210.2220.213

3　結(jié)論與討論

南陽(yáng)煙區(qū)土壤酶活性是反映管理措施和環(huán)境因子綜合因素的生態(tài)指標(biāo)。土壤酶活性的綜合指標(biāo)是土壤生態(tài)因子中僅次于有機(jī)質(zhì)方面綜合指標(biāo)的重要指標(biāo)。

煙株根際和非根際土壤酶活性與土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀具有廣泛的相關(guān)性。土壤孔隙度、pH、 Cu、Fe、Mn、C/N、非活性C、細(xì)菌、芽孢菌、放線菌是相對(duì)敏感的指標(biāo)，與土壤酶活性可以相互表征。

顯然，以上對(duì)南陽(yáng)煙區(qū)土壤酶活性在土壤生態(tài)因子中的作用、對(duì)土壤生態(tài)因子的表征作用的研究，可以為我們認(rèn)識(shí)土壤酶活性的意義，從土壤酶的角度改良土壤提供依據(jù)。

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Analysis of Ecological Effect of Soil Enzyme Activity in Tabacco Growing Areas of Nanyang in Henan Province

SHEN Xiao-tian1, LIU Jin-li2, MA Chang-en3, LIU Hong3*et al

(1. Nanyang Tobacco Production Office of Henan Province, Nanyang, Henan 473000; 2. China Tobacco Zhejiang Industrial Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310000; 3. Nanyang Tobacco Company of Henan Province, Nanyang, Henan 473000)

To understand the functions of soil enzymes in soil ecology and provide basis for researching and improving soil ecological quality, the activities of 4 soil enzymes from 13 typical soil samples in tobacco growing areas of Nanyang and their relations with other soil ecological factors were studied by analysis of variance, principal component analysis, and correlation analysis. The results showed that the integrated indicator of the activities of urease and catalase was the only principle component second to the integrated indicator of organic matter, and the estimated communality was 17.860%. Correlative analysis showed there were obvious correlations between the activities of soil enzymes and soil physical and chemical properties, soil C, or soil microorganisms, which can indicate characterization of soil ecological factors.

Soil in tobacco growing areas; Soil enzymes; Soil ecology

河南省煙草專賣局科技項(xiàng)目(HYKJ)；國(guó)家煙草專賣局南陽(yáng)優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)科技示范基地建設(shè)項(xiàng)目(110200401004)；煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目。

沈笑天(1969- )，男，江蘇濱海人，經(jīng)濟(jì)師，博士，從事煙草栽培研究。*通訊作者，碩士，從事煙草栽培生產(chǎn)管理研究。

2016-05-23

S 154.2

A

0517-6611(2016)19-257-06