鹿糞對栽參黑土團(tuán)聚體中堿解氮與蛋白酶活性的影響

郭綺雯 ，韓雅棋 ，徐雅婧 ，宋欣蔚 ，高紀(jì)超 ，許永華 ，關(guān) 松 *

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院，吉林長春130118）

中國是傳統(tǒng)名貴藥材——人參（Panax ginseng C.A.Mey）主產(chǎn)國，其栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。林地土壤因其有機(jī)質(zhì)含量高，結(jié)構(gòu)疏松、肥沃，養(yǎng)分充足而優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[2]，因此，“伐林栽參”是我國傳統(tǒng)的人參栽培模式。但是，人參連作障礙問題導(dǎo)致我國可用林地資源正逐年減少，對森林資源和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，栽參與養(yǎng)林矛盾突出，發(fā)掘新參地資源勢在必行。農(nóng)田栽參可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)作物與人參輪作，從而解決參林爭地矛盾，是我國參業(yè)發(fā)展的必然趨勢[3]。但與林地土壤相比，農(nóng)田因開墾導(dǎo)致養(yǎng)分庫容減少，有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤結(jié)構(gòu)變壞[4-5]，為了創(chuàng)造利于農(nóng)田栽參優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的良好土壤環(huán)境，施用有機(jī)肥料是改土培肥實(shí)現(xiàn)農(nóng)田栽參的重要手段之一。農(nóng)田栽參土壤施用畜禽糞肥后養(yǎng)分增加[6-7]，施用有機(jī)肥能顯著促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成[8-10]，而土壤團(tuán)聚體通過物理化學(xué)保護(hù)機(jī)制對于土壤養(yǎng)分的蓄持具有重要作用[11]。有機(jī)肥中的氮素多以有機(jī)氮形式存在，在土壤中，需要在酶的分解作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟衫玫男问剑鞍酌改軌蚍纸獾鞍踪|(zhì)、肽類為氨基酸，是土壤氮礦化過程的限速酶和氮礦化的一種指示劑，是促進(jìn)土壤氮循環(huán)的重要組分[12]，蛋白酶活性可以評(píng)價(jià)土壤氮素的轉(zhuǎn)化、循環(huán)及保肥供肥能力。研究表明，人參連作后，土壤中酶活性顯著降低，對土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及人參對土壤養(yǎng)分的有效吸收產(chǎn)生重大影響[13]。近年來，隨著北方地區(qū)鹿業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，鹿糞資源增多，參地施用鹿糞，可調(diào)節(jié)參土養(yǎng)分含量，降低人參銹腐病發(fā)生[14]。從資源再利用角度考慮，鹿糞中含有植物生長必需的氮磷鉀等營養(yǎng)元素，是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源。因此，研究施用鹿糞對栽參黑土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其堿解氮與蛋白酶活性的影響，對于農(nóng)田栽參改良土壤的養(yǎng)分供給與蓄持具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)藥用植物試驗(yàn)基地（N43°48′11″，E125°24′28″）。試驗(yàn)地所處氣候條件為溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量500～600mm，有效積溫2800℃～3000℃，無霜期130～140d。土壤類型為發(fā)育于黃土母質(zhì)上的中層黑土，相當(dāng)于美國土壤系統(tǒng)分類的粘化黑軟土（Argaltoll）。

2015年4月，從農(nóng)田施用畜禽糞肥1年的定位小區(qū)，選取不施肥對照（CK）和施鹿糞（DeM）2個(gè)處理的土壤，采用盆栽試驗(yàn)方式，試驗(yàn)用盆高30 cm，寬40 cm，長50 cm，栽培植物為人參（品種為大馬牙），每盆種植9顆人參，每個(gè)處理6次重復(fù)，補(bǔ)水至土壤質(zhì)量含水量為23%，稱重，每三天定期補(bǔ)水。盆栽土壤采集時(shí)間分別為，人參初始栽培0 d（2015年4月25日）、出苗期（2015年 5月20日）、結(jié)果期（2015年 7月 28日），枯萎越冬期（2015年10月15日）。離根系10 cm處采集土樣，采樣深度0～10 cm。盆栽試驗(yàn)開始前不施肥對照土壤有機(jī)碳11.3 g/kg，全氮 0.69 g/kg，全鉀 0.72 g/kg，堿解氮 67.7 mg/kg，有效磷 62.1 mg/kg，速效鉀 299.5 mg/kg，pH 6.85，容重 1.07 g/cm3，孔隙度60%，土壤質(zhì)地為壤黏土（砂粒20.0%，粉粒46.4%，黏粒33.6%）。

1.2 團(tuán)聚體分級(jí)

團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法[15]，稱取風(fēng)干土樣50 g，置于孔徑分別為2mm、0.25mm和0.053mm組成的機(jī)械自動(dòng)振蕩套篩的最上層，于室溫下蒸餾水浸潤5min，以30/min速度在蒸餾水中振蕩2min，上下振幅為3cm，將篩上的團(tuán)聚體沖洗到燒杯中，獲得>2mm和 2～0.25mm大團(tuán)聚體，0.25～0.053mm微團(tuán)聚體，<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)需在桶內(nèi)沉降72h，虹吸棄去上清液后，將團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至燒杯中。所獲各級(jí)團(tuán)聚體，于50℃條件下烘干，稱重。

1.3 化學(xué)分析

堿解氮采用NaOH堿解擴(kuò)散法[16]，蛋白酶活性測定采用茚三酮比色法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，差異顯著性分析采用單因素方差分析LSD方法，進(jìn)行5%水平的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成

根據(jù)圖1，研究地黑土團(tuán)聚體組成以2～0.25mm大團(tuán)聚體為主（質(zhì)量比例為39.48%～71.06%），其次為微團(tuán)聚體（0.25～0.053 mm），>2mm大團(tuán)聚體所占比例極低（1.52%～5.82%）。施用鹿糞對>2mm大團(tuán)聚體比例無顯著影響，但隨著施肥時(shí)間增加，人參由苗期生長至枯萎越冬期，施用鹿糞處理2～0.25mm大團(tuán)聚體較CK顯著增加7.94%～56.57%（p<0.05），微團(tuán)聚體比例較CK顯著減少 32.45%～43.50%，<0.053mm粉 +黏粒粒級(jí)比 CK減少31.43%～55.40%（p<0.05），表明施用鹿糞顯著促進(jìn)了2～0.25mm大團(tuán)聚體的形成。

圖1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成

2.2 土壤及其團(tuán)聚體中堿解氮含量

從表1可以看出，在人參生長過程中，全土土壤堿解氮含量顯著下降，至枯萎越冬期減少了43.11%～44.34%，在結(jié)果期和枯萎越冬期堿解氮含量降低幅度最大，表明人參對氮的吸收主要集中在結(jié)果期至枯萎越冬期。但在不同粒徑團(tuán)聚體中，隨著人參生長，堿解氮含量下降幅度不同：在>0.25mm大團(tuán)聚體中，隨人參生長至枯萎越冬期，與初始栽培期（0 d）相比，CK與鹿糞處理中堿解氮含量分別減少了15.39%和25.53%；在0.25～0.053mm微團(tuán)聚體中堿解氮含量是穩(wěn)定的；在<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)中，CK與鹿糞處理中堿解氮含量分別減少了21.64%和15.13%（見表1）。不同粒徑團(tuán)聚體之間相比，>0.25mm大團(tuán)聚體中堿解氮分布最多，分別比0.25～0.053mm微團(tuán)聚體和<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)堿解氮含量高20.01%～43.69%和32.21%～70.11%，且隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，堿解氮含量減少（0 d CK處理除外）（見表1），表明大團(tuán)聚體是養(yǎng)分的重要貯存場所。不同處理之間相比，施用鹿糞顯著增加了土壤及其各級(jí)團(tuán)聚體中堿解氮含量（見表1），至枯萎越冬期，鹿糞處理土壤及其各級(jí)團(tuán)聚體中堿解氮含量仍較CK提高25.26%～78.78%（p<0.05）。

3 討論

黑土團(tuán)聚體組成是以2～0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為優(yōu)勢粒級(jí)（見圖 1），表明黑土具有良好的土壤結(jié)構(gòu)。施用鹿糞促進(jìn)了2～0.25mm大團(tuán)聚體的形成，而0.25～0.053 mm微團(tuán)聚體和<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)顯著減少，表明鹿糞作為有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)了土壤的聚合作用，較多研究已經(jīng)表明施用有機(jī)糞肥能顯著增加土壤大團(tuán)聚體的數(shù)量[8-9]，大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)內(nèi)部大小孔隙兼?zhèn)?，協(xié)調(diào)水、氣、蓄肥和供肥。研究表明：在>0.25 mm大團(tuán)聚體中堿解氮分布最多（見表1），且隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，堿解氮分布也隨之減少，反映了大團(tuán)聚體是土壤養(yǎng)分的重要貯藏庫，與Wang等[18]研究一致。這與大團(tuán)聚體的形成機(jī)制密切相關(guān)，按照Tisdall等[19-20]的土壤團(tuán)聚體多級(jí)形成理論，微團(tuán)聚體和粉/黏粒在不同來源有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)作用下膠結(jié)形成大團(tuán)聚體，因此，在各級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分分布必然隨著團(tuán)聚體粒徑的增加而增多。施用鹿糞顯著增加了土壤堿解氮含量（見表1），歸因于糞肥中有機(jī)態(tài)氮在土壤中的礦化分解，較多研究表明施用糞肥提高了土壤氮、磷等養(yǎng)分的有效性[9-10,21-22]，這與酶的活性提高有關(guān)，土壤酶直接參與土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放和固定過程，與土壤供肥能力密切相關(guān)[7]。而土壤蛋白酶可用來作為氮礦化的指示劑，且與全氮礦化速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系[12]，土壤蛋白酶來源于土壤微生物、植物、動(dòng)物以及根系分泌物[12,23]，施用糞肥可為土壤微生物提供碳、氮源，刺激土壤微生物的活性，顯著增加土壤蛋白酶的活性（見圖2），從而加快了土壤氮循環(huán)[9,24]。有研究表明，施用有機(jī)肥可提高土壤蛋白酶活性，且施用比例越大，即有機(jī)物料中蛋白質(zhì)含量越高，其土壤蛋白酶活性增加幅度越大[12]。在研究中，蛋白酶活性隨著人參生長表現(xiàn)為：隨人參結(jié)果期增加而在人參生長末期下降（見圖2），表明蛋白酶活性是隨著季節(jié)的變化而變化[23]，王素娟等[25-26]研究表明在夏季由于溫度較高，土壤微生物活躍，土壤蛋白酶活性較高，與研究一致。和淵等[27]運(yùn)用聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）技術(shù)的定性研究也驗(yàn)證了蛋白酶活性隨著溫度的升高而增加，但達(dá)到最適溫度后再升溫，酶的活性反而逐漸降低。另外，在不同粒徑團(tuán)聚體中蛋白酶活性不同，>0.25mm大團(tuán)聚體中蛋白酶活性顯著高于0.25～0.053mm微團(tuán)聚體與<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)（見圖2），這歸因于不同粒徑團(tuán)聚體具有不同大小的孔隙及數(shù)量等微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致微生物可利用的基質(zhì)、胞外酶和氧氣的不同[28]，>0.25mm大團(tuán)聚體大小孔隙兼?zhèn)?，是土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的重要貯藏庫，有利于微生物和蛋白酶活性的提高，促進(jìn)有機(jī)氮的礦化，因而富含有機(jī)物料來源的大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分是不穩(wěn)定的[29-30]，隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，超微細(xì)孔隙增加，0.25～0.053mm微團(tuán)聚體和<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)中蛋白酶活性下降（見圖2）。有研究認(rèn)為，微團(tuán)聚體對其中的有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分提供物理保護(hù)免于微生物攻擊[19,31]，而利于保肥。因此，本研究中，在>0.25mm大團(tuán)聚體中堿解氮隨著人參生長下降幅度較大，而0.25～0.053mm微團(tuán)聚體中堿解氮含量穩(wěn)定（見表1）。另一方面，Tietjen等[32]研究認(rèn)為土壤蛋白酶能夠與粘粒礦物等無機(jī)物通過吸附結(jié)合而受到保護(hù)，從而降低蛋白酶的活性，或許也是<0.053mm粉+黏粒粒級(jí)的蛋白酶活性較低的原因之一（見圖2）。

表1 土壤及其團(tuán)聚體中堿解氮含量

圖2 土壤及其團(tuán)聚體中蛋白酶活性

4 結(jié)論

施用鹿糞促進(jìn)了土壤2～0.25mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成，提高了土壤及其各級(jí)團(tuán)聚體中堿解氮含量和蛋白酶活性，在>0.25mm大團(tuán)聚體中堿解氮含量和蛋白酶活性最高，且隨著團(tuán)聚體粒徑的減小堿解氮減少。相比較而言，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體既是重要的土壤養(yǎng)分儲(chǔ)備庫，也是植物所需養(yǎng)分的供給室，微團(tuán)聚體則更有利于土壤養(yǎng)分的蓄持。

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