礫石覆蓋農田土壤酶活性的動態變化特征

邱 陽， 謝忠奎， 任吉龍， 王亞軍

(中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所, 甘肅 蘭州 730000)

農田礫石覆蓋是中國一種傳統的抗旱栽培方式，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，增加土壤溫度，提高產量和水分利用率[1]。在黃土高原西部地區，礫石覆蓋農田的面積逐年增加，甘肅省20世紀90年代末期，礫石覆蓋面積達到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不同，合理的土地利用方式可以改善土壤結構，增強土壤對外界環境變化的抵抗力[3]。微生物和土壤酶是土壤的重要組成部分，在土壤物質和能量轉化過程中起著重要作用，其不僅能反映土壤生物活性的高低，而且能表征土壤養分轉化的快慢，在一定程度上反映了土壤的肥力狀況[4]。國內外關于土壤酶的研究較多，但主要集中于農業、林業不同類型和肥力水平土壤的酶活性及施用有機肥和無機肥對土壤酶活性的影響等方面[5-6]，關于不同耕作方式對土壤酶活性的影響也有一些研究報道[7-8]，但對于黃土高原礫石覆蓋條件下土壤酶活性的動態變化研究尚未見詳細報道。為此，本試驗通過測定礫石覆蓋農田土壤多酚氧化酶，過氧化氫酶等4種酶活性在不同作物生長時期的變化，探索了礫石覆蓋條件下土壤酶活性的動態變化規律，以期為進一步研究礫石覆蓋對農田土壤環境影響的機理及礫石覆蓋科學管理提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究試驗區選在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所皋蘭生態與農業綜合試驗站(36°13′N,103°47′E)。該站位于黃土高原西北部的皋蘭縣境內，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 ℃。年潛在蒸發量930.6 mm，年水分虧缺量681.6 mm。該區地帶性土壤類型為灰鈣土，母質為黃土，在中國土壤系統分類中為簡育雛形干旱土。

1.2 試驗設置及樣品采集

試驗設置3個處理：(1)對照，未經過礫石覆蓋的連作西瓜農田(CK)；(2)礫石覆蓋處理下的連作西瓜農田，選取已經覆蓋3 a，土壤理化性質穩定的瓜田(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。每個處理重復3次，共9個小區，每個小區面積為50 m2，田間隨機區組排列。西瓜品種為西農8號，3月底播種，行距1.0 m，間距0.6 m。在整個西瓜生長時期，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年分別于發芽期(4月15日)，幼苗期(5月27日)，抽蔓期(7月3日)，結果期(8月29日)，收獲后(10月17日)取土樣，在各樣地選取五點采用S型混合采樣法，采集0—20 cm深度的土壤樣品，裝入無菌袋中。采集的土樣迅速帶回實驗室，剔除可見的動、植物殘體和石塊。土樣經風干處理后磨細并過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見表1。

表1 供試農田土壤基本性質

1.3 測定方法

用常規方法測定土壤的基本理化性質[9]。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法。細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基平板表面涂布法；放線菌采用改良高氏1號合成培養基平板表面涂布法。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，結果以每1 g風干土壤滴定所需0.02 mol/L的KMnO4的ml數來表示。脫氫酶采用TTC比色法，結果以6 h后1 g土壤中產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，結果以2 h后每克風干土壤生成的紅紫棓精的毫克數表示。淀粉酶活性采用3，5—二硝基水楊酸比色法，結果以24 h后1 g土壤中麥芽糖的mg數表示[10-11]。

采用SAS V8和Origin 8.0進行數據處理。多重比較采用Duncan新復極差法測驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤微生物的影響

土壤微生物的數量受到土壤溫度、濕度、通氣狀況、耕作制度、有機質含量及作物種類等的影響。由表2可以看出，不同處理下的土壤微生物數量分布變化明顯，其中CK處理的總微生物數量最高，礫石覆蓋下的農田土壤總微生物數量介于未覆蓋農田和撂荒地之間，撂荒地的微生物數量較低。農田覆蓋礫石之后真菌的數量顯著下降，G處理的真菌數量最低，但其細菌數量和放線菌數量均介于未覆蓋農田和撂荒地之間。土壤真菌由于菌體或生物量較大，因而在改善土壤質量，促進植物生長方面具有不可忽視的作用。但是，G處理土壤微生物總數中真菌所占的比例變小，因此，對于該地區土壤質量改善方面的作用就相對小了很多。農田礫石覆蓋后微生物數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交換。同時由表1可見，礫石覆蓋層對土壤有一個“壓實”效應，增大了土壤容重，從而減少了土壤的孔隙度，這可能對土壤中微生物的呼吸產生影響，從而降低了微生物數量。

2.2 不同處理土壤酶活性的動態變化

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

表2 礫石覆蓋對農田土壤主要土壤微生物數量的影響

圖1 不同處理土壤過氧化氫酶活性的變化

2.2.2 不同處理對土壤多酚氧化酶的影響 多酚氧化酶參與土壤有機組分中芳香族化合物的轉化作用，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，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，從幼苗期開始先劇烈下降而后在抽蔓期后迅速升高，在整個生育期內其多酚氧化酶活性都要顯著低于CK處理和S處理。在作物生長活動旺盛的發芽期，多酚氧化酶活性普遍較高，表明此時土壤中腐殖化進程較強，以便為作物發育提供養料。

圖2 不同處理土壤多酚氧化酶活性的變化

2.2.3 不同處理對土壤淀粉酶的影響 淀粉是土壤中有機殘體的組成成分，淀粉酶是參與自然界碳循環的一種重要的酶。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，在結果期達到最低后開始上升。G處理的淀粉酶活性在整個生育期內一直保持下降趨勢，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生育期內都要顯著高于G處理和CK處理。CK處理淀粉酶活性在發芽期到幼苗期下降，并在抽蔓期緩慢上升后迅速下降，至結果期達到最低后迅速上升。在收獲后，土壤中的有機殘體數量增多，從而導致淀粉酶活性升高。

圖3 不同處理土壤淀粉酶活性的變化

2.2.4 不同處理對土壤脫氫酶的影響 脫氫酶能酶促碳水化合物和有機酸的脫氫反應，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。其中G處理和CK處理土壤脫氫酶活性先緩慢上升，至抽蔓期達到最高而后迅速降低，其變化趨勢十分相近。S處理土壤脫氫酶活性從幼苗期開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 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，細菌與真菌數量顯著增加。但礫石覆蓋并沒有使土壤中微生物得到明顯增加，反而略微降低了農田土壤中的微生物數量，尤其是顯著地降低了土壤中的真菌數量。從總體看來，礫石覆蓋農田土壤的微生物數量介于未覆蓋的農田土壤和撂荒地土壤的微生物數量之間。

通過對不同處理下的土壤中過氧化氫酶，多酚氧化酶，淀粉酶和脫氫酶的研究，結果表明，不同處理下土壤酶活性在生育期變化顯著不同，但在整個生育期內，不同處理下土壤酶活性有時具有較相似的變化趨勢，且多在作物生長旺盛的抽蔓期和結果期達到極值，這說明作物生長對于酶活性的影響作用很大。其中礫石覆蓋農田土壤中的多酚氧化酶活性在整個生育期內均介于未覆蓋農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生育期內均高于未覆蓋農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的大多數時期都要低于未覆蓋農田和撂荒地土壤中的脫氫酶含量。礫石覆蓋農田與未覆蓋的農田在土壤酶活性變化上的顯著差異，可能與礫石覆蓋層對土壤環境的改變有關，同時也可能與黃土高原地區土壤酶活性受水分條件影響有關。這種顯著變化對礫石覆蓋農田的土壤質量影響很大，因此本試驗的研究只是一個初步探討，需做進一步深入的研究。

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