長期定位施肥對設施番茄土壤酶活性及土壤養分動態變化的影響

張 茜，張小梅，梁 斌，畢明浩，李俊良

(1.青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109；2.山東省水肥一體化技術工程研究中心，山東 青島 266109)

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

土壤質量不僅影響農業的可持續發展，還對植物營養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量的變化[7]。土壤酶參與土壤的物質代謝和能量循環過程，是土壤生物化學性質的重要組成部分，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施蔬菜敏感的土壤酶學指標。不僅如此，研究者還發現，土壤酶具有“時效性”，土壤酶活性的動態變化可更好地評價土壤質量的演變[16-17]。

目前對土壤酶活性的研究多集中于大田作物。設施蔬菜，尤其是長期定位不同施肥處理對設施菜地土壤酶活性影響的研究相對較少，且這些動態變化著的土壤酶活性與土壤養分的相關性也鮮有報道。基于此，本研究以壽光市試驗年限12年的設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分的相互關系，探究不同酶在土壤肥力演變中的作用，為作物的持續高產及培肥土壤提供科學依據。

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土壤理化性質分別為有機質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。每個培養季，溝灌次數約9～11次，灌溉時間以及灌溉體積由番茄的生長期需求決定。

試驗設置4個不同的施肥處理，每個處理3個隨機區組 (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。

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高錳酸鉀毫升數表示[18]。

土壤基本理化性狀采用常規分析法測定[18]。

所有數據均為3個重復9個平行樣本的平均值，結果采用SPSS軟件進行統計分析。LSD法比較平均數間的差異顯著程度，相關性分析采用Pearson分析法。

2 結果與分析

2.1 不同生長期土壤酶活性和土壤養分的動態變化

從圖1可以看出，土壤酶活性隨番茄生長期的不同呈現明顯不同的變化趨勢。其中，蔗糖酶和纖維素酶的動態變化趨勢基本一致，均為先升高后降低，酶活性高峰出現在初果期(圖1-A、B)。脲酶能酶促土壤中的尿素產生氨，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-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結果來看，過氧化氫酶活性隨番茄生長呈現降低趨勢。

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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

番茄生長期土壤養分變化規律呈現先升高后降低的趨勢，有機質含量在拉秧期最高，其余土壤養分含量峰值在盛果期。從施肥試驗設計(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物質，使得養分含量逐步下降，這與任祖淦等[20]的研究結果一致；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，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。化肥配施有機肥，尤其是調配比例合適使其C/N在25～35∶1時(如M+U+S處理)，最能有效促進微生物活動，產生葡萄糖或其他的有機物質，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物質，是土壤酶的優良基質，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]的研究結果基本一致。

2.3 長期施肥對土壤養分動態變化的影響

長期不同施肥顯著影響土壤養分含量。與CK相比，施肥顯著提高了土壤有機質、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，在有機物料的基礎上增施化肥顯著提高了土壤養分含量，有機質、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；在傳統處理的基礎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%；而在常規施肥的基礎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，未被吸收的礦質營養元素，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，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 土壤養分和土壤酶活性的相關分析

雖然很多研究表明酶活性之間有一定內在聯系，但結果卻因土壤類型、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，這說明土壤中氨的轉化、氧化還原、多糖分解等過程密切相關，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。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分之間的相關分析結果(表5)表明，酸性磷酸酶、纖維素酶、蔗糖酶活性與全氮、有機質、速效鉀、速效磷、堿解氮有極顯著的正相關關系；脲酶參與氨的轉化，與全氮含量及堿解氮含量相關性極顯著。土壤pH值及EC與各土壤酶活性相關性不大。過氧化氫酶活性與土壤各養分離子相關性不高，這說明過氧化氫酶對應的土壤的氧化還原過程，與土壤養分含量關系不密切，而其余過程，如氨的轉化、有機磷的轉化、多糖的分解過程，與土壤養分的動態變化密切相關。因此具有“時效性”的土壤酶活性，對評價土壤肥力的動態變化更為有效[27]。

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

3 討論與結論

土壤酶活性及土壤養分含量隨生長期不同呈現動態變化。番茄初果期營養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]的研究結果一致。番茄盛果期根系生長及果實膨大等需要大量的養分供應，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量和品質，因此，盛果期土壤中2種酶活性最高[29-30]。張玉等[31]的研究結果表明，冬春節番茄在生長過程中環境溫度逐漸降低，或者灌溉次數增加，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分含量有提高作用。葉協鋒等[32]的研究結果發現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，微生物的持續活動又產生了大量的土壤酶。在本次研究過程中，秸稈施用顯著提高了土壤養分含量，增加了土壤酶活性，這與前人的研究結果一致。

在本次試驗中，施用化肥提高了土壤養分含量，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]的研究結果表明，氮素促進番茄莖葉生長，葉色增綠，有利于蛋白質的合成，施用尿素后，植物吸收氮素轉變為蛋白質，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生了能量，有機肥本身腐熟產生大量的能量物質，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分含量及土壤酶活性均高于空白處理土壤，這與邱現奎等[35]研究結果一致。

隨著番茄生長的進行，土壤養分及土壤酶活性呈現動態變化。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在盛果期；拉秧期時土壤有機質含量最高。

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分含量均有極顯著的相關關系，脲酶與全氮及堿解氮含量相關性極顯著。土壤酶活性的動態變化可以作為衡量土壤肥力變化的指標。