鹿糞對栽參黑土團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 ，高紀超 ，許永華 ，關 松 *

（1.吉林農業大學資源與環境學院；2.吉林農業大學生命科學學院；3.吉林農業大學中藥材學院，吉林長春130118）

中國是傳統名貴藥材——人參（Panax ginseng C.A.Mey）主產國，其栽培面積和產量均居世界首位[1]。林地土壤因其有機質含量高，結構疏松、肥沃，養分充足而優質高產[2]，因此，“伐林栽參”是我國傳統的人參栽培模式。但是，人參連作障礙問題導致我國可用林地資源正逐年減少，對森林資源和生態環境造成嚴重破壞，栽參與養林矛盾突出，發掘新參地資源勢在必行。農田栽參可實現傳統作物與人參輪作，從而解決參林爭地矛盾，是我國參業發展的必然趨勢[3]。但與林地土壤相比，農田因開墾導致養分庫容減少，有機質含量下降，土壤結構變壞[4-5]，為了創造利于農田栽參優質高產的良好土壤環境，施用有機肥料是改土培肥實現農田栽參的重要手段之一。農田栽參土壤施用畜禽糞肥后養分增加[6-7]，施用有機肥能顯著促進土壤大團聚體的形成[8-10]，而土壤團聚體通過物理化學保護機制對于土壤養分的蓄持具有重要作用[11]。有機肥中的氮素多以有機氮形式存在，在土壤中，需要在酶的分解作用下轉變為植物可利用的形式，蛋白酶能夠分解蛋白質、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，是促進土壤氮循環的重要組分[12]，蛋白酶活性可以評價土壤氮素的轉化、循環及保肥供肥能力。研究表明，人參連作后，土壤中酶活性顯著降低，對土壤養分的轉化及人參對土壤養分的有效吸收產生重大影響[13]。近年來，隨著北方地區鹿業養殖規模的擴大，鹿糞資源增多，參地施用鹿糞，可調節參土養分含量，降低人參銹腐病發生[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元素，是優質的有機肥源。因此，研究施用鹿糞對栽參黑土團聚體結構及其堿解氮與蛋白酶活性的影響，對于農田栽參改良土壤的養分供給與蓄持具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與試驗設計

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

2015年4月，從農田施用畜禽糞肥1年的定位小區，選取不施肥對照（CK）和施鹿糞（DeM）2個處理的土壤，采用盆栽試驗方式，試驗用盆高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，每個處理6次重復，補水至土壤質量含水量為23%，稱重，每三天定期補水。盆栽土壤采集時間分別為，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。盆栽試驗開始前不施肥對照土壤有機碳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%，土壤質地為壤黏土（砂粒20.0%，粉粒46.4%，黏粒33.6%）。

1.2 團聚體分級

團聚體分級采用濕篩法[15]，稱取風干土樣50 g，置于孔徑分別為2mm、0.25mm和0.053mm組成的機械自動振蕩套篩的最上層，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，將篩上的團聚體沖洗到燒杯中，獲得>2mm和 2～0.25mm大團聚體，0.25～0.053mm微團聚體，<0.053mm粉+黏粒粒級需在桶內沉降72h，虹吸棄去上清液后，將團聚體轉移至燒杯中。所獲各級團聚體，于50℃條件下烘干，稱重。

1.3 化學分析

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

1.4 數據處理

采用 Excel 2003和SPSS 17.0軟件進行數據分析處理，差異顯著性分析采用單因素方差分析LSD方法，進行5%水平的差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體組成

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

圖1 土壤水穩性團聚體組成

2.2 土壤及其團聚體中堿解氮含量

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果期至枯萎越冬期。但在不同粒徑團聚體中，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微團聚體中堿解氮含量是穩定的；在<0.053mm粉+黏粒粒級中，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）。不同粒徑團聚體之間相比，>0.25mm大團聚體中堿解氮分布最多，分別比0.25～0.053mm微團聚體和<0.053mm粉+黏粒粒級堿解氮含量高20.01%～43.69%和32.21%～70.11%，且隨著團聚體粒徑的減小，堿解氮含量減少（0 d CK處理除外）（見表1），表明大團聚體是養分的重要貯存場所。不同處理之間相比，施用鹿糞顯著增加了土壤及其各級團聚體中堿解氮含量（見表1），至枯萎越冬期，鹿糞處理土壤及其各級團聚體中堿解氮含量仍較CK提高25.26%～78.78%（p<0.05）。

3 討論

黑土團聚體組成是以2～0.25 mm水穩性大團聚體為優勢粒級（見圖 1），表明黑土具有良好的土壤結構。施用鹿糞促進了2～0.25mm大團聚體的形成，而0.25～0.053 mm微團聚體和<0.053mm粉+黏粒粒級顯著減少，表明鹿糞作為有機膠結物質促進了土壤的聚合作用，較多研究已經表明施用有機糞肥能顯著增加土壤大團聚體的數量[8-9]，大團聚體結構內部大小孔隙兼備，協調水、氣、蓄肥和供肥。研究表明：在>0.25 mm大團聚體中堿解氮分布最多（見表1），且隨著團聚體粒徑的減小，堿解氮分布也隨之減少，反映了大團聚體是土壤養分的重要貯藏庫，與Wang等[18]研究一致。這與大團聚體的形成機制密切相關，按照Tisdall等[19-20]的土壤團聚體多級形成理論，微團聚體和粉/黏粒在不同來源有機膠結物質作用下膠結形成大團聚體，因此，在各級團聚體中的有機質等養分分布必然隨著團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），歸因于糞肥中有機態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、磷等養分的有效性[9-10,21-22]，這與酶的活性提高有關，土壤酶直接參與土壤中養分的轉化、釋放和固定過程，與土壤供肥能力密切相關[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關系[12]，土壤蛋白酶來源于土壤微生物、植物、動物以及根系分泌物[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[9,24]。有研究表明，施用有機肥可提高土壤蛋白酶活性，且施用比例越大，即有機物料中蛋白質含量越高，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為：隨人參結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]運用聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）技術的定性研究也驗證了蛋白酶活性隨著溫度的升高而增加，但達到最適溫度后再升溫，酶的活性反而逐漸降低。另外，在不同粒徑團聚體中蛋白酶活性不同，>0.25mm大團聚體中蛋白酶活性顯著高于0.25～0.053mm微團聚體與<0.053mm粉+黏粒粒級（見圖2），這歸因于不同粒徑團聚體具有不同大小的孔隙及數量等微觀結構的復雜性，導致微生物可利用的基質、胞外酶和氧氣的不同[28]，>0.25mm大團聚體大小孔隙兼備，是土壤有機質等養分的重要貯藏庫，有利于微生物和蛋白酶活性的提高，促進有機氮的礦化，因而富含有機物料來源的大團聚體中有機質等養分是不穩定的[29-30]，隨著團聚體粒徑的減小，超微細孔隙增加，0.25～0.053mm微團聚體和<0.053mm粉+黏粒粒級中蛋白酶活性下降（見圖2）。有研究認為，微團聚體對其中的有機質等養分提供物理保護免于微生物攻擊[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微團聚體中堿解氮含量穩定（見表1）。另一方面，Tietjen等[32]研究認為土壤蛋白酶能夠與粘粒礦物等無機物通過吸附結合而受到保護，從而降低蛋白酶的活性，或許也是<0.053mm粉+黏粒粒級的蛋白酶活性較低的原因之一（見圖2）。

表1 土壤及其團聚體中堿解氮含量

圖2 土壤及其團聚體中蛋白酶活性

4 結論

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

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