長期定位施肥對設(shè)施番茄土壤酶活性及土壤養(yǎng)分動態(tài)變化的影響

張 茜，張小梅，梁 斌，畢明浩，李俊良

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 青島 266109；2.山東省水肥一體化技術(shù)工程研究中心，山東 青島 266109)

設(shè)施菜地興起于20世紀80年代，其生產(chǎn)彌補了露地生產(chǎn)受季節(jié)性影響的缺點，解決了蔬菜季節(jié)供應與消費者持續(xù)需求的矛盾，在蔬菜生產(chǎn)中占相當大的比重[1]。然而，設(shè)施大棚常年處于封閉環(huán)境，具有水肥施用量大、無雨水淋洗、作物連作、溫度高等特點，在其連續(xù)使用一定年限后，會使土壤質(zhì)量下降、微生物群落減少、甚至污染地下水[2-4]。土壤質(zhì)量的下降使蔬菜作物品質(zhì)下降、產(chǎn)量降低，這已成為限制設(shè)施菜地發(fā)展的重要問題。因此，如何緩解土壤資源壓力，提升土壤質(zhì)量是現(xiàn)今土壤科學的主要研究內(nèi)容[5-6]。

土壤質(zhì)量不僅影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還對植物營養(yǎng)和人類健康有直接的影響。土壤化學、物理和生物學的指標反映著土壤質(zhì)量的變化[7]。土壤酶參與土壤的物質(zhì)代謝和能量循環(huán)過程，是土壤生物化學性質(zhì)的重要組成部分，是評價土壤生物活性和土壤肥力的重要指標[8-11]。土壤酶主要來自于動植物或微生物的活體或遺體，通過催化土壤的生物化學反應來發(fā)揮作用，反映某種生物反應過程的強弱[12]。Doran[13]認為，土壤酶對因外界環(huán)境或管理因素引起的變化較敏感；吳鳳芝、田永強等[14-15]將蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過氧化物酶等初步確定為設(shè)施蔬菜敏感的土壤酶學指標。不僅如此，研究者還發(fā)現(xiàn)，土壤酶具有“時效性”，土壤酶活性的動態(tài)變化可更好地評價土壤質(zhì)量的演變[16-17]。

目前對土壤酶活性的研究多集中于大田作物。設(shè)施蔬菜，尤其是長期定位不同施肥處理對設(shè)施菜地土壤酶活性影響的研究相對較少，且這些動態(tài)變化著的土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性也鮮有報道?；诖?，本研究以壽光市試驗年限12年的設(shè)施番茄土壤為研究對象，探討長期定位不同施肥條件下，土壤酶活性的時空變化及其與土壤養(yǎng)分的相互關(guān)系，探究不同酶在土壤肥力演變中的作用，為作物的持續(xù)高產(chǎn)及培肥土壤提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采自于山東省壽光市，長期不同施肥定位試驗開始于2004年8月。壽光市為半濕潤氣候，年平均氣溫12.4 ℃。試驗土壤是pH值7.5的潮土。試驗初期大棚0～20 cm土壤理化性質(zhì)分別為有機質(zhì)18.3 g/kg；全氮1.37 g/kg；堿解氮112 mg/kg；速效磷437 mg/kg；速效鉀299 mg/kg；EC值251 μs/cm。

供試作物為番茄(LycopersicumesculentumMill)。設(shè)施番茄1年種植2次，即冬春季(WS)和秋冬季(AW)。冬春季，番茄幼苗2月中旬移植，6月中旬收獲；秋冬季，幼苗移植在8月初，收獲在第2年的1月。每個培養(yǎng)季，溝灌次數(shù)約9～11次，灌溉時間以及灌溉體積由番茄的生長期需求決定。

試驗設(shè)置4個不同的施肥處理，每個處理3個隨機區(qū)組 (1.6 × 1.2 m2)。除空白處理CK(作物各生長期均不施用任何肥料)外，其余3個處理均以10 t/hm2風干雞糞作為基肥，然后根據(jù)作物生長期，不同處理施以不同量的肥料(表1)。冬春季在第2，3，4穗果時追施尿素，秋冬季在第3，4，5穗果時追施尿素。

表1 不同處理施肥量Tab.1 Fertilizer amount of different treatments

1.2 樣品的采集與分析

試驗樣品采集于2015年設(shè)施番茄的秋冬季，分4次取樣，分別為定植前(8月)、初果期(9月)、盛果期(11月)和拉秧期(1月)，均為0～20 cm耕層土壤。土樣采用四分法，一部分立刻過2 mm篩，用以測定土壤酶活性；另一部分風干后過1 mm篩，以測定土壤理化性質(zhì)。

土壤蔗糖酶活性、纖維素酶活性均采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[18]，酶活性以24 h后1 g干土生成葡萄糖微克數(shù)表示。脲酶活性采用靛酚藍比色法測定[18]，酶活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示。酸性磷酸酶活性以磷酸苯二鈉比色法測定[18]，酶活性以24 h后1 g土壤中釋放酚的毫克數(shù)表示。過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定[18]，酶活性以1 h后1 g土壤消耗0.1 mol/L高錳酸鉀毫升數(shù)表示[18]。

土壤基本理化性狀采用常規(guī)分析法測定[18]。

所有數(shù)據(jù)均為3個重復9個平行樣本的平均值，結(jié)果采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析。LSD法比較平均數(shù)間的差異顯著程度，相關(guān)性分析采用Pearson分析法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長期土壤酶活性和土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化

從圖1可以看出，土壤酶活性隨番茄生長期的不同呈現(xiàn)明顯不同的變化趨勢。其中，蔗糖酶和纖維素酶的動態(tài)變化趨勢基本一致，均為先升高后降低，酶活性高峰出現(xiàn)在初果期(圖1-A、B)。脲酶能酶促土壤中的尿素產(chǎn)生氨，該酶促反應是土壤中氮的主要來源之一；酸性磷酸酶能水解土壤中的有機磷化合物，生成作物可利用的無機磷。從圖1-C、D可以看出，脲酶和酸性磷酸酶活性最高峰均出現(xiàn)在番茄生長的盛果期。過氧化氫酶能分解土壤中的有害物質(zhì)-過氧化氫，對于土壤中的微生物和作物有一定的保護作用[19]。從圖1-E結(jié)果來看，過氧化氫酶活性隨番茄生長呈現(xiàn)降低趨勢。

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圖1 長期施肥對土壤酶活性的影響Fig. 1 Effects of long-term fertilization on soil enzyme activities

番茄生長期土壤養(yǎng)分變化規(guī)律呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，有機質(zhì)含量在拉秧期最高，其余土壤養(yǎng)分含量峰值在盛果期。從施肥試驗設(shè)計(表1)來看，由于初果期后會向土壤中的施入氮肥，使得土壤中的養(yǎng)分含量逐漸升高，到盛果期施肥量降低，加之植株生長需要大量吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，使得養(yǎng)分含量逐步下降，這與任祖淦等[20]的研究結(jié)果一致；而盛果期后大量落葉在土壤中被微生物分解，使得拉秧期土壤中有機質(zhì)的含量，顯著高于其余3個時期。

2.2 長期施肥對土壤酶活性的影響

從圖1可以看出，長期不同施肥處理條件下土壤酶活性存在差異。相較于傳統(tǒng)施肥M+U，增施秸稈的M+U+S處理在番茄生長的各時期酶活性除過氧化氫酶盛果期外均顯著升高，蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶酶活性增幅分別為13.95～17.93，79.35～103.56，11.50～15.73，4.30～8.00，0.45～0.89個酶活單位。

圖1-A、B的研究結(jié)果表明，長期定位施肥條件下，蔗糖酶和纖維素酶的酶活性高低順序為M+U+S >M+S >M+U >CK。M+S處理條件下，番茄生長各時期蔗糖酶和纖維素酶活性顯著高于M+U及CK處理；2種酶活性在M+U處理條件下又顯著高于CK處理。此外，王樹起等[21]的研究結(jié)果表明，有機肥的施入可引入一定的外源蔗糖酶及纖維素酶，增加土壤有機碳的輸入量，為蔗糖酶及纖維素酶提供更多的酶促基質(zhì)，大大提高2種酶活性。

從圖1-C看來，本試驗田在長期定位施肥處理條件下，土壤脲酶活性為0.49～16.54。與CK相比，M+U脲酶活性顯著降低了3.38～5.53個酶活單位，而M+S處理顯著提高了5.65～8.96個酶活單位，M+U+S處理顯著提高了6.77～9.69個酶活單位。從各施肥處理的碳氮比(C/N)分析，由于M+U、M+U+S、M+S的C/N分別為18，33 和44(以上結(jié)果基于小麥秸稈碳含量40%，尿素氮含量46%，雞糞碳氮含量分別為40%和1.63%計算得來)，M+U處理條件下脲酶活性的顯著降低，充分說明過量施入氮肥對脲酶活性有一定的抑制作用?；逝涫┯袡C肥，尤其是調(diào)配比例合適使其C/N在25～35∶1時(如M+U+S處理)，最能有效促進微生物活動，產(chǎn)生葡萄糖或其他的有機物質(zhì)，提高土壤脲酶活性，這與孫瑞蓮等[22]基本一致。

從圖1-D可以看來，相較于CK，M+U處理中的酸性磷酸酶活性提高不顯著；而M+S處理和M+U+S處理均顯著提高了酸性磷酸酶活性，提高幅度分別為185.27%～516.71%和420.00%～698.86%。M+S處理和M+U+S處理均顯著提高了土壤磷酸酶活性則進一步說明，腐解的或正在腐解的有機肥，為微生物生長提供能源和營養(yǎng)物質(zhì)，是土壤酶的優(yōu)良基質(zhì)，有利于土壤酶活性的提高[23]。

由圖1-E可以看出，長期定位施肥處理條件下試驗田土壤過氧化氫酶活性為1.24～4.07。相較于CK處理，M+U處理過氧化氫酶活性降低了0.24～0.38個酶活單位，這說明長期施肥顯著減少了土壤中好氧微生物的數(shù)量，降低了土壤氧化作用，抑制了過氧化氫的分解，這與徐福利等[24]的研究結(jié)果基本一致。

2.3 長期施肥對土壤養(yǎng)分動態(tài)變化的影響

長期不同施肥顯著影響土壤養(yǎng)分含量。與CK相比，施肥顯著提高了土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、鉀及全氮含量(表2)。與單施有機物料(M+S)相比，在有機物料的基礎(chǔ)上增施化肥顯著提高了土壤養(yǎng)分含量，有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀及全氮增幅分別為22.12%～30.90%，12.78%～19.95%，21.84%～30.52%，18.41%～47.36%，79.10%～87.54%；施用高碳氮比秸稈顯著提高土壤養(yǎng)分含量，M+U+S處理上述各含量比M+U處理顯著增加8.92%～40.71%，9.54%～18.52%，23.65%～27. 87%，13.53%～58.81%，13.20%～18.25%。

表2 長期施肥處理下土壤的主要理化性質(zhì)Tab.2 Soil physicochemical characteristics under long-term fertilization treatment

注：同一列中不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)。表3同。

Note：Different lowercases in each column mean significant differences atP<0.05 level. The same as Tab.3.

長期不同施肥處理后，土壤pH值變化明顯(表3)。與CK處理相比，單施有機物料處理pH值降低；在施用有機物料的基礎(chǔ)上增施化肥使pH值進一步降低至6.64～6.67，與CK相比降低約0.86個單位；在傳統(tǒng)處理的基礎(chǔ)上施用秸稈有利于緩解土壤pH值的下降，M+U+S處理pH值較M+U處理顯著提高0.35～0.36個單位。大量施用化肥之后進行漫灌，土壤中的鉀、鈣、鈉、鎂等堿基鹽分離子淋洗到了土壤深層，使土壤氫離子增多，pH值下降；而秸稈增施后，由于其可在土壤中腐解，提高土壤中有機質(zhì)的含量，增強土壤對酸的抵抗能力，又可減少水分淋洗，有效抑制土壤酸化的進程[25]。同時，無論何種施肥處理，土壤pH值均處于作物可正常生長的范圍，只要防止土壤的進一步酸化，仍適合蔬菜的生長。

土壤EC值反映土壤鹽分含量。在本研究中，與CK處理相比，長期不同施肥處理設(shè)施番茄土壤EC值均顯著提高。其中，與單施有機物料相比，有機物料配施化肥使EC值增加38.71～56.74 μs/cm，增幅為14.82%～25.05%；而在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施秸稈則使土壤EC值顯著降低了45.01～59.38 μs/cm，降幅為15.26%～18.60%。土壤EC值的變化說明，由于設(shè)施蔬菜每年施入的氮磷鉀肥量較大，約為作物正常生長所需肥量的6～8倍，未被吸收的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，除淋溶損失外，大部分仍留存在表層土壤中，使土壤EC值明顯升高，次生鹽漬化逐漸加重；而秸稈的施入有效降低了土壤水分的蒸發(fā)，抑制了鹽分的聚集，降低了鹽離子濃度，對緩解日光溫室土壤次生鹽漬化效果明顯[26]。

表3 長期施肥處理下土壤的pH及EC值Tab.3 Soil pH and EC under long-term fertilization treatment

2.4 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的相關(guān)分析

雖然很多研究表明酶活性之間有一定內(nèi)在聯(lián)系，但結(jié)果卻因土壤類型、氣候類型、肥料種類、用量的不同而不同。本試驗中土壤酶活性之間的相關(guān)性分析(表4)表明，除酸性磷酸酶外，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、纖維素酶之間均極顯著正相關(guān)，這說明土壤中氨的轉(zhuǎn)化、氧化還原、多糖分解等過程密切相關(guān)，即這些酶之間具有一些共性。這些相互影響、具有共性的所有酶在一定程度上反映土壤的肥力水平，因此，在探究土壤酶對土壤肥力的影響時，綜合多種酶活力是很有必要的。

表4 土壤酶活性之間的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation coefficients among soil enzyme activities

注：r0.05=0.553，r0.01=0.684，n=12；*，**.顯著和極顯著相關(guān)。表5同。

Note：r0.05=0.553，r0.01=0.684，n=12；*，**.Significant difference at 5%and 1% levels， respectively.The same as Tab.5.

土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)分析結(jié)果(表5)表明，酸性磷酸酶、纖維素酶、蔗糖酶活性與全氮、有機質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮有極顯著的正相關(guān)關(guān)系；脲酶參與氨的轉(zhuǎn)化，與全氮含量及堿解氮含量相關(guān)性極顯著。土壤pH值及EC與各土壤酶活性相關(guān)性不大。過氧化氫酶活性與土壤各養(yǎng)分離子相關(guān)性不高，這說明過氧化氫酶對應的土壤的氧化還原過程，與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系不密切，而其余過程，如氨的轉(zhuǎn)化、有機磷的轉(zhuǎn)化、多糖的分解過程，與土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化密切相關(guān)。因此具有“時效性”的土壤酶活性，對評價土壤肥力的動態(tài)變化更為有效[27]。

表5 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)分析Tab.5 The correlative coefficients between soil enzymatic activities and soil nutrient contents

3 討論與結(jié)論

土壤酶活性及土壤養(yǎng)分含量隨生長期不同呈現(xiàn)動態(tài)變化。番茄初果期營養(yǎng)生長和生殖生長同時進行，花芽分化需大量易溶性碳源供應，而蔗糖酶的作用產(chǎn)物為易溶性小分子糖類(葡萄糖和果糖)，纖維素酶促進了纖維素的分解利用，增加了碳素供應，二者在番茄生長的初果期酶活性最高，符合番茄生長需求，這與楊東等[28]的研究結(jié)果一致。番茄盛果期根系生長及果實膨大等需要大量的養(yǎng)分供應，因此根系分泌較多的脲酶及酸性磷酸酶，以促進土壤中氨及速效磷的轉(zhuǎn)化。另外氮素是葉綠素的組成部分，盛果期旺盛的光合作用需要大量氮素來滿足代謝需要；磷素參與細胞核和細胞質(zhì)的組成，番茄對磷素最敏感，生殖生長中缺磷嚴重影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)，因此，盛果期土壤中2種酶活性最高[29-30]。張玉等[31]的研究結(jié)果表明，冬春節(jié)番茄在生長過程中環(huán)境溫度逐漸降低，或者灌溉次數(shù)增加，使好氧微生物活性逐漸降低，這可能是導致過氧化氫酶活性隨生長期逐漸降低的原因。

施用秸稈對于土壤酶活性及土壤養(yǎng)分含量有提高作用。葉協(xié)鋒等[32]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)秸稈的施入有效提高了土壤酶活性，秸稈在施入過程中會帶入土壤一部分微生物，秸稈分解又為土壤提供了碳源和氮源，給微生物活動提供了能量，促進了其大量繁殖，微生物的持續(xù)活動又產(chǎn)生了大量的土壤酶。在本次研究過程中，秸稈施用顯著提高了土壤養(yǎng)分含量，增加了土壤酶活性，這與前人的研究結(jié)果一致。

在本次試驗中，施用化肥提高了土壤養(yǎng)分含量，增加了土壤蔗糖酶、纖維素酶及酸性磷酸酶活性。陳桂芬等[33]的研究結(jié)果表明，氮素促進番茄莖葉生長，葉色增綠，有利于蛋白質(zhì)的合成，施用尿素后，植物吸收氮素轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)，這一過程需要消耗大量糖類，糖代謝的旺盛刺激了蔗糖酶和纖維素酶活性的升高，使得M+U+S 處理條件下蔗糖酶和纖維素酶活性顯著高于M+S處理。張偉等[16]的研究表明，施用尿素可以增加土壤中的核酸酶活性，而核酸酶降解產(chǎn)物無機磷則會抑制磷酸酶活性，這在一定程度上解釋了M+U和CK處理條件下酸性磷酸酶活性變化不大的原因。但本試驗化肥的施用抑制了脲酶活性，這與彭小蘭等[34]的研究結(jié)果不一致，可能是氮肥施用量的差異或供試作物的不同等因素造成的。

有機肥的施用給土壤帶來了大量的外源酶類及微生物，不僅微生物的活動產(chǎn)生了能量，有機肥本身腐熟產(chǎn)生大量的能量物質(zhì)，為微生物活動提供了保障，極大地提高了土壤酶活性，因此，本試驗中施用了有機肥的處理土壤養(yǎng)分含量及土壤酶活性均高于空白處理土壤，這與邱現(xiàn)奎等[35]研究結(jié)果一致。

隨著番茄生長的進行，土壤養(yǎng)分及土壤酶活性呈現(xiàn)動態(tài)變化。纖維素酶和蔗糖酶在初果期時酶活性最高；土壤全氮、速效磷、速效鉀、堿解氮含量及土壤脲酶、酸性磷酸酶活性最高值均出現(xiàn)在盛果期；拉秧期時土壤有機質(zhì)含量最高。

增施高碳氮比作物秸稈有利于降低土壤次生鹽漬化水平，緩解土壤pH值的下降。在本試驗中，M+U+S處理對提高土壤養(yǎng)分含量及土壤脲酶、酸性磷酸酶、纖維素酶和蔗糖酶活性最為有效。

與CK處理相比，尿素的長期大量施入(M+U處理)顯著降低了土壤酸堿度，顯著提高了土壤中的鹽離子濃度，抑制了土壤脲酶和過氧化氫酶的活性，對酸性磷酸酶的提高不顯著。

除酸性磷酸酶外，蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、過氧化氫酶間均呈極顯著正相關(guān)性。除過氧化氫酶外，酸性磷酸酶、纖維素酶、蔗糖酶活性與土壤養(yǎng)分含量均有極顯著的相關(guān)關(guān)系，脲酶與全氮及堿解氮含量相關(guān)性極顯著。土壤酶活性的動態(tài)變化可以作為衡量土壤肥力變化的指標。