不同培肥措施對大豆不同生育時期復墾土壤氮代謝相關酶活性的影響

趙毅珺，洪堅平，孟會生

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

山西省煤炭資源豐富，過度的井工開采導致被破壞的耕地高達2 000 km2，接近山西省1/8的占地面積[1]。煤炭資源的大量開采，不僅給礦區的生態環境造成了嚴重的影響[2]，而且對人類的居住和生產活動也產生了不同程度的危害，使生態環境不斷惡化、耕地面積逐年減少、作物產量急劇下降[3]，為緩解人口增長與糧食產量供給緊缺之間的矛盾，在山西開展采煤塌陷區土地復墾和恢復工作迫在眉睫。

大量的研究表明，復墾土壤肥力是采煤塌陷區土地復墾成功的關鍵[4-5]，而土壤所含營養元素的多少決定了土壤肥力恢復的狀況[6]。在諸多營養元素中，氮素尤為重要，其不僅限制植物生長發育、決定作物產量高低，而且對作物產品品質提高也起著至關重要的作用。因此，氮素是限制采煤塌陷區土壤復墾的重要因素之一。但是礦區土壤養分貧瘠、氮素缺乏，遠遠不能滿足作物生長發育的需求，需要通過施肥來補充，近年來，如何高效合理施肥已成為國內外復墾土壤研究的熱點。

施肥可以提高復墾土壤微生物的數量，增加土壤酶的活性。土壤酶主要是土壤中的聚積酶（胞外酶），是指在沒有微生物繁殖的情況下土壤中存在的有活性的蛋白質[7]，數量少卻作用大，可催化土壤中各種生化反應[8]，在復墾土壤的恢復過程中，土壤酶不僅加快了土壤中物質循環與能量流動的速度，而且更能敏感地指示土壤生態修復過程中土壤性質的早期變化，測定簡單便捷，因此，可作為評價土壤肥力高低的輔助指標[9-10]。劉寶勇等[11]就土壤酶與土壤肥力的關系進行了研究，結果表明，土壤酶活性因子與綜合土壤肥力因子具有顯著的相關性。

目前，國內外學者主要通過不同施肥措施對復墾土壤微生物活性、作物品質與產量、磷素形態的變化和相關酶活性的影響進行了大量研究，而對氮代謝相關酶類的影響報道甚少。

本試驗采用單因素完全隨機設計，通過不同培肥措施對種植大豆的復墾土壤氮代謝相關酶活性的影響進行研究，以期為復墾土壤的供氮能力提升及理化性質改善提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗田設在古交市屯蘭礦復墾區內，地處北緯37°40′6″～38°8′9″，東經111°43′8″～112°2′15″，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，7—9月降雨較為集中，年平均氣溫為9.5℃，無霜期為202 d。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試土壤 供試土壤采集于0～20 cm的表層土壤，土壤類型為石灰性褐土，質地為中壤土，土壤pH值為8.31，有機質為4.86 g/kg，全氮為0.37 g/kg，全磷為0.39 g/kg，全鉀為22.17 g/kg，堿解氮為18.03 mg/kg，有效磷為4.94 mg/kg，速效鉀為91.77 mg/kg。

1.2.2 供試作物 供試作物為大豆（Soybean），品種為晉豆50號，其平均生育期在山西中部地區春播130 d、南部地區夏播104 d。

1.2.3 供試肥料 供試化肥為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、氯化鉀（含K2O 60%）；供試有機肥為完全腐熟雞糞，由太谷縣鴻昊養殖場專業合作社提供，含有機質43.60%、N 1.74%、P2O51.16%、K2O 1.36%。

1.3 試驗設計

本試驗采用單因素完全隨機設計，在古交市屯蘭礦復墾區選取復墾多年的試驗田，試驗設置4個處理，即不施肥（CK）、單施化肥（CF）、單施有機肥（M）、施化肥與有機肥（MCF）。每個處理重復3次，共計12個小區，每個小區面積為100 m2（10 m×10 m），于2018年4月28日播種，2018年9月26日收獲，播種密度為4.5萬株/hm2。施肥量詳情列于表1。

表1 田間小區復墾土壤試肥方案 kg/hm2

1.4 測定項目及方法

在大豆的幼苗期、開花結莢期、成熟期采集0～20 cm土壤樣品，進行各項指標的測定。土壤硝酸還原酶測定采用酚二磺酸比色法[12]；土壤亞硝酸還原酶測定采用厭氧培養-α-萘胺比色法[12]；土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶測定采用奈氏比色法[12]；土壤蛋白酶測定采用福林試劑（Folin）比色法[12]；土壤脲酶測定采用靛酚藍比色法[12]；土壤脫氫酶測定采用三苯基四唑氯化物（TTC）比色法[12]；土壤幾丁質酶測定采用對二甲氨基苯甲醛比色法（DMAB比色法）[12]。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2010和SPSS2010軟件進行分析，方差分析采用LSD多重比較，差異性顯著水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性的影響

從表2可以看出，復墾土壤硝酸還原酶活性在大豆苗期、開花結莢期，MCF處理、M處理與CK處理間差異顯著，各施肥處理（CF、M、MCF）相比對照處理硝酸還原酶活性分別提高了4.28%～39.57%、2.52%～22.69%；成熟期，施肥處理（CF、M、MCF）硝酸還原酶活性與CK相比提高了49.78%～86.81%，差異性顯著；在大豆整個生育期內，MCF處理土壤硝酸還原酶酶活性最高，各施肥處理對土壤硝酸還原酶活性影響的大小順序為MCF處理＞M處理＞CF處理。相同施肥處理不同生育時期復墾土壤硝酸還原酶活性高低順序為成熟期＞苗期＞開花結莢期，其可能的原因是開花結莢期大豆根瘤菌的固氮作用最強，根瘤菌的共生固氮作用旺盛會抑制大豆對土壤中氮素的吸收，從土壤中吸收利用的氮素減少，因而硝酸還原酶活性下降，而且古交市降雨量集中在7—9月，期間土壤中的硝態氮隨水流失也會帶來一定影響。

表2 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性的影響 mg/（g·d）

土壤亞硝酸還原酶是反硝化作用的關鍵酶之一，參與土壤的還原反應，它的活性能夠反映生物降解過程氮素的轉化效率。從表2可以看出，各施肥處理（MCF、M、CF）復墾土壤中的亞硝酸還原酶活性與CK處理相比差異性均顯著，大豆整個生育期各施肥處理對土壤亞硝酸還原酶活性影響的大小順序為MCF處理＞M處理＞CF處理。苗期，MCF處理略高于M處理，M處理略高于CF處理，但差異均不顯著，MCF處理土壤亞硝酸還原酶活性比CK處理提高了7.60%，且差異顯著；開花結莢期，各施肥處理之間差異顯著，各施肥處理（CF、M、MCF）與CK相比，酶活性分別增加了3.85%、6.54%、12.08%；成熟期，MCF處理與M、CF、CK處理間差異顯著，各施肥處理（CF、M、MCF）酶活性分別比CK提高了3.71%、4.75%、8.84%。有機無機肥配施對土壤亞硝酸酶活性提高效果最好，相同處理不同生育時期土壤亞硝酸還原酶活性高低順序為成熟期>幼苗期>開花結莢期，此研究結果與白紅英等[13]的研究結果相似。

2.2 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶活性的影響

土壤天冬酰胺酶屬于土壤中間代謝產物，其轉化在土壤氮代謝中具有重要的作用[14]。由表3可知，在大豆的整個生育期，MCF處理的天冬酰胺酶活性最高，與CK相比，提高了69.96%～103.88%，其次是M處理，比CK提高了24.92%～73.33%，CF處理比CK提高了30.04%～52.36%。MCF處理天冬酰胺酶活性相比CF、M處理苗期顯著提高了27.26%～30.71%、開花結莢期顯著提高了32.87%～47.59%，其中，M處理與CF處理之間差異不顯著；成熟期，各施肥處理間差異顯著，各處理對土壤天冬酰胺酶活性影響的大小順序為MCF處理＞M處理＞CF處理＞CK處理，MCF處理與M、CF處理相比，土壤天冬酰胺酶活性分別提高了17.62%、33.81%。隨著大豆生育時期的推進，土壤天冬酰胺酶活性整體呈遞增趨勢。

表3 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶活性的影響 mg/（g·d）

谷氨酰胺是土壤氨基酸的重要組成成分，而谷氨酰胺酶能夠促使谷氨酰胺中的酰胺氨水解，生成谷氨酸和氨，其酶促作用的產物也是作物氮源之一[15]。由表3可知，在大豆的整個生育期，各施肥處理（CF、M、MCF）復墾土壤谷氨酰胺酶活性與CK處理間差異均達顯著水平。其中，苗期，各施肥處理與CK處理相比，谷氨酰胺酶活性提高了7.09%～16.54%；開花結莢期、成熟期，各處理對土壤谷氨酰胺酶活性影響的大小順序為MCF處理＞M處理＞CF處理＞CK處理，M處理略高于CF處理，但二者差異不顯著，各施肥處理（CF、M、MCF）與CK處理相比，土壤谷氨酰胺酶活性分別提高了9.64%～28.92%，42.42%～60.00%。相同施肥處理不同生育時期土壤谷氨酰胺酶活性順序為苗期＜開花結莢期＜成熟期。此結論與鐘珍梅等[16]的研究結果相近。

2.3 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤蛋白酶、脲酶活性的影響

由表4可知，大豆不同生育時期各施肥處理土壤蛋白酶活性均顯著高于對照處理。苗期、開花結莢期、成熟期，不同施肥處理（CF、M、MCF）與CK處理相比，土壤蛋白酶活性分別提高了38.78%～65.31%、25.81%～47.58%、41.18%～75.16%，其中，MCF處理土壤蛋白酶的活性最高，且與M、CF處理差異顯著，M處理略高于CF處理但二者差異不顯著。隨著大豆生育時期的推進，土壤蛋白酶活性整體呈遞增趨勢。

表4 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤蛋白酶、脲酶活性的影響 mg/（g·d）

脲酶是一種高度專性的酰胺酶，與土壤的供氮能力密切相關，能夠反映土壤中氮素的供應程度。它廣泛存在于大多數細菌、真菌和高等植物體中，屬于胞外酶，受外界環境條件的影響較大[17]。由表4可知，各施肥處理在不同生育時期土壤脲酶活性均顯著高于對照處理。苗期、開花結莢期、成熟期，不同施肥處理（CF、M、MCF）與CK處理相比，土壤脲酶活性分別提高了18.22%～43.49%、55.14%～107.80%、29.55%～88.90%。苗期，MCF處理土壤脲酶活性最高，其次是M、CF處理；開花結莢期、成熟期，MCF處理土壤脲酶活性最高，其次是CF、M處理，其中，MCF處理復墾土壤脲酶活性分別比M、CF處理提高了8.27%～45.82%、12.68%～27.39%。相同施肥處理下復墾土壤脲酶活性隨著大豆生育時期的推進而逐漸增加。此結果與呂倩倩等[18]的研究結果相似。

2.4 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤幾丁質酶、脫氫酶活性的影響

幾丁質酶是一種能夠將幾丁質水解成N-乙酰葡萄糖胺的糖苷酶[19]。從表5可以看出，在大豆的整個生育期，各施肥處理土壤幾丁質酶活性均顯著高于CK處理，相同施肥處理不同生育時期土壤幾丁質酶活性順序為苗期＜開花結莢期＜成熟期。全生育期各處理對土壤幾丁質酶活性影響的大小順序為M處理＞MCF處理＞CF處理＞CK處理。苗期，各施肥處理（CF、M、MCF）與CK處理相比，土壤幾丁質酶活性均顯著提高，分別提高了11.65%、51.46%、27.18%，各施肥處理間差異顯著，M處理比MCF、CF處理酶活性分別提高了19.08%、35.65%；開花結莢期、成熟期，各施肥處理（CF、M、MCF）與CK處理相比，土壤幾丁質酶活性分別提高了18.85%～37.70%、21.83%～45.07%，MCF處理幾丁質酶活性略低于M處理，且二者之間差異不顯著。

脫氫酶是土壤生物細胞的一部分[20]，因此，測量脫氫酶活性實際是代表土壤微生物的瞬時代謝活動[21]。分析表5可知，大豆整個生育期各施肥處理與CK處理相比，土壤中脫氫酶活性均顯著增加，苗期、開花結莢期、成熟期各施肥處理（CF、M、MCF）與CK相比，土壤脫氫酶活性分別提高了201.69%～322.03%、65.71%～147.12%，35.6%～52.34%，各施肥處理復墾土壤中脫氫酶活性的大小順序為MCF處理＞M處理＞CF處理＞CK處理。苗期、開花結莢期，MCF處理比M、CF處理土壤脫氫酶活性分別提高了29.69%、49.13%，且差異顯著；成熟期，M處理略高于CF處理但差異不顯著。相同處理下復墾土壤中脫氫酶活性整體趨勢為隨著大豆的生長而遞增。

表5 不同培肥處理對種植大豆的復墾土壤幾丁質酶、脫氫酶活性的影響

3 結論與討論

土壤酶是土壤中非常活躍的組分之一，在土壤養分循環轉化過程中發揮著重要的作用[22]。本研究結果表明，不同時期各施肥處理與CK處理相比，酶活性均有不同程度提高，說明施肥能夠有效增加土壤酶活性。主要是因為化肥中含有N、P、K等大量營養元素，提升了土壤肥力，有利于土壤微生物的生長與代謝，提高了各種土壤酶活性，而且促進了作物根系的生長，根瘤菌的固氮能力增強，根系分泌物增加，使酶活性增強；有機肥自身就含有大量的微生物，有機肥的施入有效地增加了土壤中有機質的含量，土壤的理化性質得到改善，土壤氮代謝酶活性也相應增強。

有機肥處理的土壤幾丁質酶在不同生育時期活性最高，可能原因是幾丁質主要存在于昆蟲等甲殼類動物的外殼、軟體動物器官以及大多數真菌的細胞壁中[23]，有機肥的施入直接增加了微生物的數量，促使幾丁質酶的活性增強；有機肥與化肥配施處理的土壤蛋白酶、脲酶、脫氫酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶在大豆不同生育時期的活性最高，其主要是因為化肥與有機肥的配施既彌補了單施有機肥前期養分供應不足，又避免了單施化肥前期養分供應不穩定的缺點；有機肥與化肥的配施，不僅改善了土壤結構，還使土壤中N、P、K、Si等養分活化，滿足了土壤中微生物對營養物質的需求，土壤微生物的代謝活動增強，各種氮代謝酶活性也隨之增強；有機肥與化肥配施在一定程度上調節了土壤的pH值，使土壤微域的pH處于有利于多數養分活化的范圍[24]、改善了微生物的生活環境；還能夠通過協調土壤中的C/N值，改善土壤的理化性質，以提高土壤酶活性。

大多數酶活性在成熟期達到最大，其可能的原因是，化肥以及有機肥在此階段的釋放度達到最大，成熟期土壤中植物根系發育完全，對土壤理化性質的改善也進行得更加充分，微生物代謝活動最為旺盛，從而各種氮代謝酶活性也最高。

本試驗通過大田種植試驗研究了不同培肥措施對種植大豆的復墾土壤氮代謝酶活性的影響，認為有機無機肥配施對復墾土壤各種氮代謝相關酶活性提升效果最好，不僅可以滿足大豆各生育期對氮素吸收的要求，而且可以在一定程度上改善土壤理化性質，為復墾土壤培肥地力。