不同耕地土壤微生物的呼吸及酶活性——以遵義市為例

李德輝，楊第芹，李應祿，張寶成*

(1.遵義師范學院，貴州 遵義 563006; 2.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025; 3.遵義市第三十三中學，貴州 遵義 563118)

【研究意義】遵義地處喀斯特地區(qū)，土地資源有限，土壤瘠薄且生態(tài)環(huán)境脆弱，對外界環(huán)境干擾的抵抗能力差，穩(wěn)定性弱，很容易受到干擾[1]。土壤酶在土壤有機物的分解、轉化與合成，養(yǎng)分循環(huán)及植物生長養(yǎng)分供給中具有重要作用，其活性高低不僅反映土壤養(yǎng)分狀況，而且在一定程度上說明土壤生物的活動狀況[2]。除土壤酶外，土壤中微生物呼吸也能反映土壤生物的活動狀況及土壤的物理性質，是農業(yè)土壤性質十分重要的指標之一[3]。因此，其常作為土壤系統(tǒng)的預警和敏感指標。【前人研究進展】自然生態(tài)系統(tǒng)中宮杰芳等[4]研究了喀斯特地區(qū)草地、竹林和灌叢等不同植被類型土壤蔗糖酶、蛋白酶、堿性磷酸酶、脲酶及多酚氧化酶的酶活性。楊倫等[5]研究了沼液肥單施或與其他肥料配施對土壤酶活性的影響。胡凱等[6]研究發(fā)現(xiàn)，隨桉樹種植年限的增加，桉樹人工林根際土壤磷酸酶、多酚氧化酶、β-葡糖糖苷酶和過氧化氫酶酶活力均呈顯著下降趨勢；土壤中細菌和真菌數量亦隨種植年限增加呈明顯下降趨勢，且種植年限對根際土壤真菌數量的影響更大。【本研究切入點】隨著人民生活水平的提高，對瓜果蔬菜需求量急劇增加，為滿足人們的需求，一些經濟作物采取連作的種植模式，導致連作障礙和土傳病害日益加重，嚴重影響作物的產量與品質。如，西瓜種植1年沒明顯病害，種植3年后猝倒病、枯萎病和立枯病等病害發(fā)生開始加重，且產量較1年西瓜地(對照)減產20 %[7]。目前，關于喀斯特地區(qū)農田系統(tǒng)中不同耕地類型土壤酶活性和微生物呼吸的研究比較缺乏。【擬解決的關鍵問題】因此，采用土壤酶分析法和微生物呼吸法對遵義市4種不同耕作(1年西瓜地、3年西瓜地、青貯玉米地和菜地)土壤微生物的呼吸及酶活性進行研究探討，旨在為該地區(qū)及類似區(qū)域農田系統(tǒng)土壤健康和土地的可持續(xù)利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤 4種類型耕地土壤采自遵義市金鼎山鎮(zhèn)金莊村4組，分別為大棚內種植的1年西瓜地、種植3年西瓜地和露天菜地、露天青貯玉米地(以下簡稱1年西瓜地、3年西瓜地、菜地和青貯玉米地)的土壤，均為黃壤土。

1.1.2 試劑 磷酸鹽緩沖液、氫氧化鈉、甲苯、尿素、丙酮、葡萄糖和3,5-二硝基水楊酸等，市購。

1.1.3 儀器設備 烘箱、錐形瓶、恒溫培養(yǎng)箱、真空干燥器及分光光度計等。

1.2 試驗方法

1.2.1 土樣采集與預處理 采用5點取樣法，于2018年7月從貴州省遵義市海龍屯(E106°12′22″～107°26′25″，N27°13′15″～28°4′9″，海拔800～1300 m)采集4種類型土樣。分別采集耕作層0～20 cm土壤樣品，5點采樣，每個樣點約500 g，混勻后采用5分法保留土壤1 kg用冰桶帶回實驗室。留取部分鮮樣測定微生物呼吸，另外土樣在室內風干、磨碎并混合均勻后備用。

1.2.2 指標測定 參照文獻[2]的方法測定土樣在室內風干混合均勻磨碎后用于測定土壤酶活性土壤脲酶、纖維素酶、蔗糖酶、過氧化氫酶及淀粉酶活性，脫氫酶活性采用TTC分光光度計法[8]測定脫氫酶活性；土壤微生物呼吸采用NaOH溶液吸收法[9]測定。

1.3 數據統(tǒng)計與分析

采用SPSS 17.0對數據進行統(tǒng)計與分析，用Sigmaplot 10軟件繪圖制。

2 結果與分析

2.1 不同耕作土壤各類酶的酶活性

從表1可知不同耕作土壤氧化還原酶類和水解酶類的酶活性。

2.1.1 氧化還原酶類 (1)過氧化氫酶。4種耕作土壤過氧化氫酶活性依次為1年西瓜地>菜地>青貯玉米地>3年西瓜地，其中，1年西瓜地的土壤過氧化氫酶活性最大，為1.03 Ua，其次是菜地(0.90 Ua)，二者間差異不顯著，但均顯著高于青貯玉米地(0.77 Ua)和3年西瓜地(0.69 Ua)的土壤過氧化氫酶活性。

(2)脫氫酶。4種耕作土壤脫氫酶活性依次為菜地>青貯玉米地>1年西瓜地>3年西瓜地，其中，菜地的土壤脫氫酶活性最高，為3.90 Ua，是1年西瓜地和3年西瓜地的1.43和1.88倍；3年西瓜地最小，青貯玉米地和1年西瓜地的酶活性接近。表明，西瓜連作對土壤脫氫酶活性有影響。

2.1.2 水解酶類 (1)纖維素酶。4種耕作土壤纖維素酶活性為0.26～0.33 Ua，其中，菜地的土壤纖維素酶活性最高，其次是1年西瓜地，3年西瓜地與青貯玉米地相當，4種耕作土壤纖維素酶活性差異不顯著。

(2)蔗糖酶。4種耕作土壤蔗糖酶活性為1.80～4.11 Ua，其中，1年西瓜地的活性最大，其次是3年西瓜地，菜地的最小，4種耕作土壤蔗糖酶活性差異不顯著。

(3)淀粉酶。4種耕作土壤淀粉酶活性依次為菜地>1年西瓜地>青貯玉米地>3年西瓜地，其中，菜地與1年西瓜地間無顯著差異，但二者均顯著高于青貯玉米地和3年西瓜地(P<0.05)；青貯玉米地與3年西瓜地間無顯著差異。

(4)脲酶。4種耕作土壤脲酶活性依次為青貯玉米地>菜地>1年西瓜地>3年西瓜地，其中，青貯玉米地與其他土壤間差異顯著(P<0.05)，菜地與1年西瓜地差異不顯著，但二者均顯著高于3年西瓜地。

表1 不同土壤氧化還原酶類和水解酶類的酶活性

注：同列不同小寫字母表示0.05水平上的差異顯著。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level.

2.2 土壤微生物呼吸與酶活性相關性

2.2.1 土壤微生物呼吸 由圖1可知，4種耕作土壤的微生物呼吸CO2釋放量隨時間的延長而增加，且各時間段均表現(xiàn)為菜地>青貯玉米地>1年西瓜地>3年西瓜地。第1天時4種耕作土壤的微生物呼吸CO2釋放量(基礎呼吸)接近，無顯著差異；從第3天開始，不同土壤微生物呼吸CO2釋放量差異逐漸增加但仍不顯著；第6和11天時菜地和青貯玉米地土壤微生物呼吸CO2釋放量顯著高于同時期1年西瓜地和3年西瓜地(P<0.05)，但二者間差異不顯著。說明，種植西瓜影響土壤微生物呼吸。

2.2.2 土壤微生物呼吸與各類酶酶活性的相關性 顯著性檢驗結果表明，不同耕作土壤間微生物呼吸(CO2釋放量)、纖維素酶及蔗糖酶活性的P值分別為0.54、0.85和0.25(P>0.05)，說明差異不顯著；淀粉酶和過氧化氫酶酶活性的P值分別為0.03和0.02(P<0.05)，說明，不同土壤間差異顯著；脲酶和脫氫酶酶活性的P值分別為0.007和0.005(P<0.01)，說明，不同土壤間差異極顯著。由表2可知，微生物呼吸(CO2釋放量)與蔗糖酶酶活性呈顯著負相關，相關系數為-0.56；與脲酶活性呈顯著正相關，相關系數為0.51；與脫氫酶酶活性呈極顯著正相關，相關系數為0.73。淀粉酶與過氧化氫酶酶活性呈極顯著正相關，相關系數為0.72，與脫氫酶酶活性呈顯著正相關，相關系數為0.66。

圖1 不同耕作土壤微生物呼吸CO2的累計釋放量Fig.1 Cumulative released quantity of CO2from soil microbial respiration of different farmland types

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作類型對土壤脫氫酶、蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和淀粉酶活性的影響程度不同。妙佳源等[10]研究發(fā)現(xiàn)，連作后土壤中氮、磷和鉀含量降低，脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性呈逐年降低趨勢，最終造成作物減產。姚華開等[11]研究結果表明，連作后植物根系土壤中細菌容易形成優(yōu)勢群落，有利于病蟲害的發(fā)生。西瓜的根、莖和葉等營養(yǎng)器官均可產生化感物質影響西瓜根生長[12]，其土壤中的殘體亦可影響土壤微生物群落結構和數量；這些化感物質極易導致西瓜栽種時產生連作障礙[13]。西瓜地土壤脫氫酶活性比青貯玉米地和菜地低的主要原因可能是：①西瓜產生化感物質對自身產生自毒作用[8]，并對土壤微生物產生影響，進而改變了土壤脫氫酶活性。②西瓜初期種植分泌的化感物質不斷累積，造成過氧化氫酶活性高于青貯玉米地和菜地，隨著種植年限的增加，化感及其他物質的毒副作用凸顯，使得連續(xù)種植3年西瓜地的過氧化氫酶含量低于菜地和青貯玉米地；同時，這些物質也可能對土壤蔗糖酶、纖維素酶、淀粉酶和脲酶活性產生同樣的影響。

土壤微生物呼吸反映微生物的活動強度[14]，影響土壤微生物活性的因子有土壤含水量、有機質含量和植物種類等[15-17]。貴州省土地資源有限，主要以山區(qū)耕地為主，地貌、氣候環(huán)境條件及耕作模式等對農作物的產量有影響。研究表明，通過測定土壤微生物呼吸可揭示作物連作對土壤的影響。

表2 土壤微生物呼吸與酶活性的相關性

4 結 論

3年西瓜地脫氫酶活性較玉米地和菜地的低，連作影響土壤脫氫酶的活性。4種耕作土壤淀粉酶活性依次為菜地>1年西瓜地>青貯玉米地>3年西瓜地，菜地的酶活性與1年西瓜地間無顯著差異，但二者均與3年西瓜地、青貯玉米地差異顯著。土壤脲酶活性以青貯玉米地最高，與其他土壤間差異顯著；3年西瓜地的最低。蔗糖酶活性從大到依次為1年西瓜地>3年西瓜地>青貯玉米地>菜地。脫氫酶活性為菜地>青貯玉米地>1年西瓜地>3年西瓜地。過氧化氫酶活性為1年西瓜地>菜地>青貯玉米地>3年西瓜地。纖維素酶活性以菜地最大，其次是1年西瓜地，3年西瓜地和青貯玉米地的纖維素酶活性相等。

蔗糖酶酶活性與土壤微生物呼吸CO2釋放量呈顯著負相關，淀粉酶與過氧化氫酶酶活性呈極顯著正相關，與脫氫酶酶活性呈顯著正相關。

西瓜連作地土壤微生物呼吸(CO2釋放量)在第6和11天時與青貯玉米地和菜地間差異顯著。微生物呼吸與蔗糖酶酶活性呈顯著負相關，與脲酶和脫氫酶酶活性呈顯著正相關。說明，種植西瓜可影響土壤微生物呼吸。

土壤微生物呼吸指標可揭示易產生連作土壤的變化，為當地土地高效利用和耕地可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。