砾石覆盖农田土壤酶活性的动态变化特征

邱 阳， 谢忠奎， 任吉龙， 王亚军

(中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃 兰州 730000)

农田砾石覆盖是中国一种传统的抗旱栽培方式，至今已有300 a余的历史。研究证明，砾石覆盖可减少土壤蒸发，增加土壤温度，提高产量和水分利用率[1]。在黄土高原西部地区，砾石覆盖农田的面积逐年增加，甘肃省20世纪90年代末期，砾石覆盖面积达到118 000 hm2，比30年代增加了将近6倍[2]。

不同土地利用方式的土壤性质不同，合理的土地利用方式可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力[3]。微生物和土壤酶是土壤的重要组成部分，在土壤物质和能量转化过程中起着重要作用，其不仅能反映土壤生物活性的高低，而且能表征土壤养分转化的快慢，在一定程度上反映了土壤的肥力状况[4]。国内外关于土壤酶的研究较多，但主要集中于农业、林业不同类型和肥力水平土壤的酶活性及施用有机肥和无机肥对土壤酶活性的影响等方面[5-6]，关于不同耕作方式对土壤酶活性的影响也有一些研究报道[7-8]，但对于黄土高原砾石覆盖条件下土壤酶活性的动态变化研究尚未见详细报道。为此，本试验通过测定砾石覆盖农田土壤多酚氧化酶，过氧化氢酶等4种酶活性在不同作物生长时期的变化，探索了砾石覆盖条件下土壤酶活性的动态变化规律，以期为进一步研究砾石覆盖对农田土壤环境影响的机理及砾石覆盖科学管理提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究试验区选在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所皋兰生态与农业综合试验站(36°13′N,103°47′E)。该站位于黄土高原西北部的皋兰县境内，海拔高度在1 459～2 445 m。年平均降水量为263 mm，降水的变率很大，70%的降雨分布在6—9月，最大年降水量为392.4 mm，最小年降水量154.9 mm，年降水量相对变率21.9%。 多年月平均气温7.1 ℃，最低气温-9.1 ℃(1月)，最高气温20.7℃ (7月)，≥0 ℃的年积温3 324.5 ℃。年潜在蒸发量930.6 mm，年水分亏缺量681.6 mm。该区地带性土壤类型为灰钙土，母质为黄土，在中国土壤系统分类中为简育雏形干旱土。

1.2 试验设置及样品采集

试验设置3个处理：(1)对照，未经过砾石覆盖的连作西瓜农田(CK)；(2)砾石覆盖处理下的连作西瓜农田，选取已经覆盖3 a，土壤理化性质稳定的瓜田(G)；(3)撂荒的砂田(S)，其中本氏羽茅、阿尔泰紫菀与小黄菊为群丛中的主要种类。每个处理重复3次，共9个小区，每个小区面积为50 m2，田间随机区组排列。西瓜品种为西农8号，3月底播种，行距1.0 m，间距0.6 m。在整个西瓜生长时期，每1 hm2施加30 000 kg的粪肥，1 500 kg的豆饼肥以及150 kg N肥，90 kg的P2O5和99 kg的K2O。2011年分别于发芽期(4月15日)，幼苗期(5月27日)，抽蔓期(7月3日)，结果期(8月29日)，收获后(10月17日)取土样，在各样地选取五点采用S型混合采样法，采集0—20 cm深度的土壤样品，装入无菌袋中。采集的土样迅速带回实验室，剔除可见的动、植物残体和石块。土样经风干处理后磨细并过1 mm筛用于分析土壤酶活性及土壤微生物。供试土壤基本理化性质见表1。

表1 供试农田土壤基本性质

1.3 测定方法

用常规方法测定土壤的基本理化性质[9]。土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法——外加热法。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂平板表面涂布法；真菌采用查彼克氏培养基平板表面涂布法；放线菌采用改良高氏1号合成培养基平板表面涂布法。过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，结果以每1 g风干土壤滴定所需0.02 mol/L的KMnO4的ml数来表示。脱氢酶采用TTC比色法，结果以6 h后1 g土壤中产生的三苯基甲臢的量表示。多酚氧化酶活性采用邻苯三酚比色法，结果以2 h后每克风干土壤生成的红紫棓精的毫克数表示。淀粉酶活性采用3，5—二硝基水杨酸比色法，结果以24 h后1 g土壤中麦芽糖的mg数表示[10-11]。

采用SAS V8和Origin 8.0进行数据处理。多重比较采用Duncan新复极差法测验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤微生物的影响

土壤微生物的数量受到土壤温度、湿度、通气状况、耕作制度、有机质含量及作物种类等的影响。由表2可以看出，不同处理下的土壤微生物数量分布变化明显，其中CK处理的总微生物数量最高，砾石覆盖下的农田土壤总微生物数量介于未覆盖农田和撂荒地之间，撂荒地的微生物数量较低。农田覆盖砾石之后真菌的数量显著下降，G处理的真菌数量最低，但其细菌数量和放线菌数量均介于未覆盖农田和撂荒地之间。土壤真菌由于菌体或生物量较大，因而在改善土壤质量，促进植物生长方面具有不可忽视的作用。但是，G处理土壤微生物总数中真菌所占的比例变小，因此，对于该地区土壤质量改善方面的作用就相对小了很多。农田砾石覆盖后微生物数量的下降有很多种原因，例如由于覆盖层的存在，隔离了土壤和外界的物质交换。同时由表1可见，砾石覆盖层对土壤有一个“压实”效应，增大了土壤容重，从而减少了土壤的孔隙度，这可能对土壤中微生物的呼吸产生影响，从而降低了微生物数量。

2.2 不同处理土壤酶活性的动态变化

2.2.1 不同处理对土壤过氧化氢酶的影响 过氧化氢酶是衡量土壤中氧化过程的方向和强度的指标，其活性可以反映土壤解除呼吸过程中产生过氧化氢的能力[12]。由图1可以看出，不同处理土壤过氧化氢酶活性变化不同。G处理过氧化氢酶活性前期升高，然后酶活性稳定保持到抽蔓期后开始下降。CK处理过氧化氢酶活性开始一直保持下降趋势，至结果期时开始升高。S处理过氧化氢酶活性则一直保持在一个较稳定的状态。幼苗期和抽蔓期G处理过氧化氢酶活性显著高于CK处理和S处理，而在结果期CK处理显著高于G处理和S处理。这表明砾石覆盖下的农田中，西瓜生育期内土壤氧化过程强度较高。

表2 砾石覆盖对农田土壤主要土壤微生物数量的影响

图1 不同处理土壤过氧化氢酶活性的变化

2.2.2 不同处理对土壤多酚氧化酶的影响 多酚氧化酶参与土壤有机组分中芳香族化合物的转化作用，是腐殖化的一种媒介，是土壤氧化还原酶中了解最多的一种酶。由图2可以看出，不同处理之间土壤多酚氧化酶活性变化均呈先降后升的趋势，其中G处理土壤多酚氧化酶活性先下降后又迅速上升，在结果期其酶活性与S处理大致接近。G处理土壤多酚氧化酶活性变化幅度最大，从幼苗期开始先剧烈下降而后在抽蔓期后迅速升高，在整个生育期内其多酚氧化酶活性都要显著低于CK处理和S处理。在作物生长活动旺盛的发芽期，多酚氧化酶活性普遍较高，表明此时土壤中腐殖化进程较强，以便为作物发育提供养料。

图2 不同处理土壤多酚氧化酶活性的变化

2.2.3 不同处理对土壤淀粉酶的影响 淀粉是土壤中有机残体的组成成分，淀粉酶是参与自然界碳循环的一种重要的酶。由图3可以看出，不同处理土壤淀粉酶活性变化不同。S处理淀粉酶活性前期下降，在结果期达到最低后开始上升。G处理的淀粉酶活性在整个生育期内一直保持下降趋势，并且下降幅度大于G处理和CK处理，并且S处理的淀粉酶在整个生育期内都要显著高于G处理和CK处理。CK处理淀粉酶活性在发芽期到幼苗期下降，并在抽蔓期缓慢上升后迅速下降，至结果期达到最低后迅速上升。在收获后，土壤中的有机残体数量增多，从而导致淀粉酶活性升高。

图3 不同处理土壤淀粉酶活性的变化

2.2.4 不同处理对土壤脱氢酶的影响 脱氢酶能酶促碳水化合物和有机酸的脱氢反应，它起着氢的中间传递体的作用。不同处理下土壤脱氢酶活性的变化由图4可以看出，不同处理之间土壤脱氢酶活性变化均呈先升后降的趋势。其中G处理和CK处理土壤脱氢酶活性先缓慢上升，至抽蔓期达到最高而后迅速降低，其变化趋势十分相近。S处理土壤脱氢酶活性从幼苗期开始先缓慢下降而后再缓慢升高，至抽蔓期后轻微降低。在抽蔓期，CK处理脱氢酶活性略微高于G处理和S处理。

图4 不同处理土壤脱氢酶活性的变化

3 结 论

高英美等[13]的研究表明，生物覆盖提高了根际土壤微生物的活动，细菌与真菌数量显著增加。但砾石覆盖并没有使土壤中微生物得到明显增加，反而略微降低了农田土壤中的微生物数量，尤其是显著地降低了土壤中的真菌数量。从总体看来，砾石覆盖农田土壤的微生物数量介于未覆盖的农田土壤和撂荒地土壤的微生物数量之间。

通过对不同处理下的土壤中过氧化氢酶，多酚氧化酶，淀粉酶和脱氢酶的研究，结果表明，不同处理下土壤酶活性在生育期变化显著不同，但在整个生育期内，不同处理下土壤酶活性有时具有较相似的变化趋势，且多在作物生长旺盛的抽蔓期和结果期达到极值，这说明作物生长对于酶活性的影响作用很大。其中砾石覆盖农田土壤中的多酚氧化酶活性在整个生育期内均介于未覆盖农田土壤和撂荒地土壤的多酚氧化酶含量之间，但其土壤中淀粉酶活性在整个生育期内均高于未覆盖农田和撂荒地土壤中的淀粉酶含量，而其脱氢酶活性在生育期内的大多数时期都要低于未覆盖农田和撂荒地土壤中的脱氢酶含量。砾石覆盖农田与未覆盖的农田在土壤酶活性变化上的显著差异，可能与砾石覆盖层对土壤环境的改变有关，同时也可能与黄土高原地区土壤酶活性受水分条件影响有关。这种显著变化对砾石覆盖农田的土壤质量影响很大，因此本试验的研究只是一个初步探讨，需做进一步深入的研究。

[参考文献]

[1]Li Xiaoyan. Gravel-sand mulch for soil and water conservation in the semiarid loess region of northwest China[J]. Catena, 2003,52(2):105-127.

[2]陈士辉,谢忠奎,王亚军,等.不同粒径砂石覆盖的西瓜田水分效应研究[J].中国沙漠，2005,25(5)：433-436.

[3]田慧,谭周进,屠乃美,等.少免耕土壤生态学效应研究进展[J].耕作与栽培，2006(5)：10-12.

[4]曹慧,孙辉,杨浩,等.土壤酶活性及其对土壤质量的指示研究进展[J].应用与环境生物学报,2003,9(1)：105-109.

[5]米国全,袁丽萍,龚元石,等.不同水氮供应对日光温室番茄土壤酶活性及生物环境影响的研究[J].农业工程学报,2005,21(7)：124-127.

[6]张焱华,吴敏,何鹏,等.土壤酶活性与土壤肥力关系的研究进展[J].安徽农业科学,2007,35(34):11139-11142.

[7]Burns R G. Enzyme activity in soil：Imcation and a possible role in microbial ecology[J]. Soil Biol.& Biochem. 1982,12(5):423-427.

[8]Powlson D S, Prookes P C, Christensen B T. Measurement of soil microbial biomass provides an early indication of changes in total soil organic matter due to straw in corporation[J]. Soil Biol. Biochem.,1987,19(2):159-164.

[9]鲍士旦.土壤农化分析[M].中国农业出版社,2000：1-495.

[10]周礼恺.土壤酶学[M].北京：科学出版社,1987:180-201.

[11]关松荫.土壤酶及其研究方法[M].北京：农业出版社,1986:1-304.

[12]高秀君,张仁陟,杨招弟.不同耕作方式对旱地土壤酶活性动态的影响[J].土壤通报,2008，39(5)：1012-1016.

[13]高美英,宣所川,冀常军,等.覆盖对果园土壤细菌数量年变化的影响[J].山西农业学报，2000，20(1)：26-29.