玉米秸秆还田对土壤酶活性的影响

闫慧荣，曹永昌，谢 伟，和文祥,2，田霄鸿,2

(1 西北农林科技大学 a 资源环境学院，b 生命科学学院，陕西 杨凌 712100；2 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

玉米秸秆还田对土壤酶活性的影响

闫慧荣1a,1b，曹永昌1a，谢 伟1a，和文祥1a,2，田霄鸿1a,2

(1 西北农林科技大学 a 资源环境学院，b 生命科学学院，陕西 杨凌 712100；2 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究不同玉米秸秆还田量对土壤酶活性的影响，为秸秆还田提供一定的理论依据。【方法】 以采自陕西杨凌农田的土娄土为供试土样，采用室内模拟恒温培养方法，研究玉米秸秆不同还田量(0，6，12，18，24 g/kg)处理下，影响碳、氮循环及微生物活性的主要土壤酶类(蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、脱氢酶和荧光素二乙酸酯(FDA)水解酶)活性在不同培养时间(1，4，7，15，30，60 d)的变化规律，并引入“倍增剂量”的概念评价酶活性的变化幅度。【结果】 玉米秸秆还田后5种土壤酶活性均增强，随着培养时间延长，土壤蔗糖酶和纤维素酶活性总体呈减少趋势；脲酶和FDA水解酶酶活性总体呈先增后减的趋势；土壤脱氢酶活性培养初期较低，随着培养时间延长维持在一个较高水平，至培养60 d时明显降低。拟合结果显示，5种土壤酶活性与玉米秸秆还田量间均呈极显著正相关，不同酶活性的倍增剂量在不同培养时间下的变化有所差异。5种土壤酶中，以土壤FDA水解酶活性对玉米秸秆腐解过程最为敏感；当玉米秸秆还田量为10 g/kg时土壤总体酶活性较高。同时，玉米秸秆还田后，5种土壤酶活性间呈极显著正相关，表明其变化是密切相关的。【结论】 玉米秸秆还田对5种土壤酶活性均具有较强的促进作用，从土壤总体酶活性角度得到当地玉米秸秆还田的最佳用量是10 g/kg。

秸秆还田；土壤酶；FDA水解酶；玉米；倍增剂量

秸秆是农业生产系统中的一项重要的生物资源，据估算我国2006年生产7.6亿t秸秆[1]，且秸秆总量随着农业综合生产水平的提高不断增长。目前，生产中近35%的秸秆都被废弃焚烧，造成了严重的大气污染和资源浪费[1]。秸秆作为物质、能量和养分的载体，含有丰富的氮、磷、钾及微量营养元素[2]，2006年作物秸秆氮、磷(P2O5)、钾(K2O)养分还田量分别达到 304.6×104t，175.6×104t，966.7×104t[1]。秸秆还田作为一种广泛推荐的耕作模式，在改善土壤质量、减少化肥和有机肥施用量以及维持农业可持续发展等方面发挥了重要作用[3-5]。

土壤酶是土壤三大组成部分之一，参与了土壤中各种生物化学反应，在营养物质循环和能量代谢、污染物清除等方面发挥重要作用[6-10]。秸秆进入土壤后，必然与土壤酶发生关系[7-14]。杨招弟等[11]研究表明，秸秆还田提高了土壤脲酶、转化酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性。李倩等[12]发现，除脲酶外，秸秆还田后土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性变化均较小。可见前人关于秸秆还田后土壤酶活性变化的研究结果不尽相同。为此，本研究拟通过室内模拟培养试验，较为系统地研究玉米秸秆还田对土壤酶活性的影响，探讨秸秆腐解过程中酶活性的变化规律，以期为秸秆高效利用模式的建立提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土样采自陕西杨凌(N 34°17′27″， E 108°03′54″，海拔522 m) 农田土娄土。采样时先去除0～5 cm表层土，然后采集5～20 cm土层土样，混匀风干，过孔径1 mm尼龙筛备用。采用常规方法[15]分析土壤理化性质。供试土壤有机质含量为20.75 g/kg，全氮含量为1.33 g/kg，全磷含量为 1.48 g/kg，全钾含量为26.09 g/kg，碱解氮含量为87.5 mg/kg，pH 7.73。

供试秸秆为玉米秸秆，系玉米成熟收获后采集的地上部分，将其于70 ℃下烘干、粉碎(粉状)后备用，其碳、氮含量分别为487.43，8.79 g/kg。

1.2 试验设计

利用室内模拟恒温培养方法，每个培养钵(直径11 cm、高14 cm 的带密封盖塑料圆钵)装入风干土样300 g，试验过程中保持土壤含水量为田间最大持水量(WHC)的70%。试验设置0，6，12，18，24 g/kg 5个水平的秸秆添加量。将秸秆与土样混匀后于28 ℃暗光密封培养，每处理重复3次，共培养60 d。于培养第1，4，7，15，30，60天从培养钵中取土样50 g，用比色法[16-17]测定土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、脱氢酶、荧光素二乙酸酯(Fluorescein diacetate,FDA)水解酶活性，活性分别以葡萄糖、葡萄糖、NH3-N、TPF(三苯甲臢)和荧光素的量表示，测定酶活性时设无秸秆处理(即秸秆添加量为0)作为对照。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Office Excel 2007和SPSS 18.0 进行方差和回归分析。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆还田后土壤蔗糖酶活性的变化

蔗糖酶可将蔗糖催化为葡萄糖和果糖，增加土壤中的易溶性营养物质，是影响土壤碳素循环的酶类[16]。表1显示，玉米秸秆还田后导致土壤蔗糖酶活性显著增加，且随着玉米秸秆还田量的增加，蔗糖酶活性均呈现增大趋势。采用线性模型对土壤蔗糖酶活性(U)与玉米秸秆还田量(C)关系进行拟合，结果(表2)显示二者均达极显著正相关。由拟合方程计算出酶活性增加1倍时需要的秸秆还田量，简称为倍增剂量(Dose of double enzyme activity,DDEA)。表2显示，培养第1天倍增剂量最低，为10.28 g/kg；第7天最高，达24.72 g/kg；之后随着培养时间延长，倍增剂量呈降低趋势。表明在秸秆进入土壤的初期，由于秸秆中的营养物质较为丰富，土壤酶活性增幅较大，因而倍增剂量较低；随着时间的延长，土壤中秸秆腐解程度加深，导致秸秆中养分含量减少，土壤酶活性趋于稳定，秸秆效应降低。在同一玉米秸秆还田量水平下，随着培养时间的延长，土壤蔗糖酶活性总体呈现减少趋势，土壤蔗糖酶活性在培养第1天时达最大(表1)。这表明在秸秆加入的初期，由于营养物质成分含量较高，微生物活性增强，导致最初蔗糖酶活性增幅较大；随秸秆腐解程度的加深，可利用碳源含量降低，微生物活性降低，导致酶活性有所降低。

注：同列数据后标不同小写字母者表示差异达到5%显著水平。表3，5，7，9同。

Note:Different small letters in each column indicate significant difference at 5% level.The same for table 3,5,7,9.

注：自由度n-2=13，r0.01=0.641，**表示P<0.01。表4，6，8，10，12同。

Note:Freedomn-2=13,r0.01=0.641,** meansP<0.01.The same for tables 4，6，8，10，and 12.

2.2 玉米秸秆还田后土壤纤维素酶活性的变化

纤维素酶是一类能将纤维素水解为葡萄糖的酶的统称，包括内切β-1,4-葡聚糖酶、外切β-1,4-葡聚糖苷酶和β-D-葡萄糖苷酶，是参与碳素循环的重要酶类[16]。玉米秸秆还田后土壤纤维素酶活性的变化见表3。

由表3可知，秸秆还田增强了土壤纤维素酶活性，增幅为208%～603%，远大于蔗糖酶活性增幅。在相同培养时间下，土壤纤维素酶活性随着玉米秸秆还田量的增加持续增大，线性拟合结果显示，二者关系均达极显著正相关(表4)。由表4可见，随着培养时间的延长，纤维素酶活性的倍增剂量变化不大，为9.08～11.32 g/kg，表明在玉米秸秆腐解过程中，纤维素酶活性增加需要的秸秆量基本相同，这可能是由于秸秆腐解中纤维素、木质素等难降解物质在土壤中腐解需要较长时间所致。在同一秸秆还田量水平下，随着培养时间的延长，土壤纤维素酶活性总体呈降低趋势，这可能是营养条件持续恶化的缘故。

2.3 玉米秸秆还田后土壤脲酶活性的变化

土壤脲酶可催化尿素水解成氨，其活性在一定程度上反映土壤的供氮能力，与土壤氮素循环相关[16]。由表5可见，秸秆还田激活了土壤脲酶活性，其增幅为10%～272%。当培养时间相同时，随着玉米秸秆还田量的增加，土壤脲酶活性持续增强，拟合结果(表6)显示，二者呈极显著正相关。不同培养时间下，土壤脲酶倍增剂量为9.51～29.37 g/kg。培养第4天时，土壤脲酶活性增幅较大，倍增剂量较低。相同秸秆还田量水平下，随着培养时间的延长，土壤脲酶活性呈先增后降趋势，其活性在第7天时达到最大值，与土壤蔗糖酶和纤维素酶活性相比，土壤脲酶活性最大值出现的时间有所滞后；第7天后土壤脲酶活性降低，这可能是由于第7天时秸秆中易分解成分已基本腐解完成的缘故。

2.4 玉米秸秆还田后土壤脱氢酶活性的变化

脱氢酶能自基质中析出氢而进行氧化作用，其活性大小直接反映了土壤微生物的数量和活性[16]。玉米秸秆还田后土壤脱氢酶活性的变化见表7。表7显示，玉米秸秆还田后提高了土壤脱氢酶活性，其活性增加76%～362%。除第1天外，其余培养时间下土壤脱氢酶活性均随玉米秸秆还田量的增加而增大，拟合结果(表8)显示，二者呈极显著正相关。培养1～30 d，土壤脱氢酶活性倍增剂量变化较小，培养60 d时土壤脱氢酶活性倍增剂量明显降低，揭示培养后期土壤脱氢酶活性倍增需要添加的秸秆量明显低于前期。培养第1天时，土壤脱氢酶活性较低，之后随着时间的延长，土壤脱氢酶活性保持在较高水平，但60 d时土壤脱氢酶活性明显降低。

2.5 玉米秸秆还田后土壤FDA水解酶活性的变化

FDA水解酶能有效地反映土壤微生物活性的变化，可作为土壤生物学指标之一[19]。由表9可见，与对照相比，加入玉米秸秆后土壤FDA水解酶活性显著增强，增幅为90%～3 668%；当培养时间相同时，随着玉米秸秆还田量的增加，FDA水解酶活性持续增大，不同处理间FDA水解酶活性差异达显著水平，采用一元二次模型对二者关系进行拟合，结果(表10)显示二者间呈极显著正相关。土壤FDA水解酶活性倍增剂量为1.75～8.58 g/kg，明显低于其他土壤酶，揭示秸秆还田后FDA水解酶活性的变化最为灵敏。当玉米秸秆还田量相同时，随着时间的延长，土壤FDA水解酶活性呈先增后降趋势。

2.6 玉米秸秆还田后土壤总体酶活性的变化

玉米秸秆还田后不同酶的反应及增幅等不尽一致，故本研究利用不同处理下土壤5种酶活性，计算了土壤总体酶活性参数(TEI)。结果(表11)表明，玉米秸秆还田后土壤总体酶活性升高，随着玉米秸秆还田量的增加，土壤总体酶活性持续增大，二者呈线性正相关(表12)。当培养时间为1,4,7,15,30,60 d时，总体酶活性的倍增剂量分别为10.85，7.61，9.55，10.95，10.12，9.47 g/kg，由此推测秸秆还田量约为10 g/kg时，能有效提高土壤总体酶活性，并最终提升土壤肥力水平。

2.7 玉米秸秆还田后土壤酶活性之间的关系

土壤酶活性间相关性分析结果(表13)表明，玉米秸秆还田后，土壤5种酶活性间呈极显著正相关。揭示出玉米秸秆还田过程中土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、脱氢酶与FDA水解酶关系密切。

注：自由度n-2=28，r0.01=0.463。**.P<0.01。

Note:Freedomn-2=28，r0.01=0.463.**.P<0.01.

3 讨 论

本研究中，玉米秸秆还田对5种土壤酶活性均表现为促进作用，且土壤酶活性整体上随着玉米秸秆还田量的增加而增强；添加玉米秸秆后，土壤FDA水解酶活性增幅最大，不同玉米秸秆还田量处理之间土壤FDA水解酶活性均达到显著差异，土壤FDA水解酶对添加外源能源物质反应最为敏感。马星竹[20]研究表明，不同施肥处理下土壤FDA 水解酶响应较大，其活性与土壤微生物量碳间呈显著正相关，揭示FDA水解酶活性与土壤微生物活性之间有紧密关联。当玉米秸秆还田量为18，24 g/kg时，土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、脱氢酶活性在个别时间段差异不显著。这可能是由于玉米秸秆C/N(55∶1)较高，增加还田量会导致土壤C/N进一步提高，微生物可利用的碳源增加，但土壤中没有足够的氮源供微生物利用，微生物的数量和活性增幅较小，故对相应酶活性的提高有限。解媛媛等[10]研究表明，秸秆还田增施氮肥后，土壤脲酶、蔗糖酶活性均高于常规施肥、不施肥处理。这说明调节土壤碳氮比，使微生物可利用氮源增加，有利于提高土壤微生物活性，进而提高包括土壤酶在内的分泌物数量[21]，增强土壤酶活性。

本试验中，随着秸秆腐解时间的延长，不同土壤酶活性的变化规律不一致，但整体表现为前期酶活性较高，60 d后降低。说明添加秸秆后，土壤中可利用的能源物质增加，诱导土壤微生物分泌的酶增加，酶活性增强；随着秸秆的进一步腐解，可利用的能源物质逐渐减少，微生物生长逐渐衰退，酶活性降低[22]。培养30 d时个别处理酶活性升高，但是差异并不显著，原因可能是由于土壤中酶可利用的底物减少，为了自身的生存，土壤微生物会分泌更多的酶来增加与底物结合的概率[23]。FDA水解酶、脲酶在培养 4～7 d时酶活性最高，蔗糖酶、纤维素酶活性在培养1 d时均较高，这可能是由于秸秆还田后分泌不同酶的微生物反应灵敏度不同，揭示与碳素循环相关微生物活性在秸秆刚开始腐解时就表现出强烈的作用，土壤中氮素含量不足，与氮素循环相关微生物吸收氮素，逐渐发挥作用。

本研究中，玉米秸秆腐解过程中，随着玉米秸秆添加量增加，土壤总体酶活性变化有明显差异，利用其计算秸秆倍增剂量，结果表明，在试验地区当玉米秸秆还田量为10 g/kg时能有效提升土壤酶活性和土壤肥力。同时玉米秸秆还田后，5种土壤酶活性间相关性均达到极显著水平，可见秸秆还田是一种较优的栽培措施。

4 结 论

玉米秸秆还田可明显提高土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、脱氢酶及FDA 水解酶的活性，且土壤酶活性与玉米秸秆还田量间均呈极显著正相关。随着培养时间的延长，以上5种土壤酶活性变化有明显差异。从土壤酶角度得到本地区秸秆还田的最佳用量是10 g/kg，土壤FDA水解酶对秸秆腐解反应较为敏感。5种土壤酶活性在秸秆腐解过程中关系密切，达到极显著正相关，秸秆还田后总体酶活性增强。可见从土壤酶角度来讲，秸秆还田是一种提升土壤酶活性和土壤肥力的较优措施。

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Effects of maize straw returning on soil enzyme activity

YAN Hui-rong1a,1b,CAO Yong-chang1a,XIE Wei1a,HE Wen-xiang1a,2,TIAN Xiao-hong1a,2

(1 aCollegeofNaturalResourcesandEnvironment,bCollegeofLifeSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgriculturalEnvironmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 Influences of maize straw decomposition on soil enzymes were studied to provide reference for maize straw returning.【Method】 Using laboratory simulation method,effects of maize straw returning at different amounts (0,6,12,18,and 24 g/kg) on soil enzymes,including soil invertase,cellulose,urease,dehydrogenase and fluorescein diacetate hydrolase influencing soil cycling carbon,nitrogen cycling and microbial activities after cultivating 1,4,7,15,30,60 day were studied,Also,dose of double enzyme activity(DDEA) were calculated to evaluate the increase of enzyme activity.【Result】 Activities of five soil enzymes increased with maize straw returning.Soil invertase and soil cellulose activities decreased as the straw decomposition process prolonged.Soil urease and FDA hydrolase activities increased at the beginning of straw decomposition and then decreased during cultivation.Soil dehydrogenase activities were low in the initial cultivation,then reached a high level during the cultivation,and significantly reduced in the 60th day.There were significant positive correlations between soil enzyme activities and the amount of straw returning.Meanwhile,DDEA of different soil enzyme changed during the cultivation.During straw decomposition process,FDA hydrolase was the most sensitive enzyme.10 g/kg was the suggested straw returning amount with the highest total enzyme index.Activities of the five soil enzymes showed significant positive correlation,indicating that their responses were closely related.【Conclusion】 Maize straw returning increased soil enzyme activities,and 10 g/kg was the optimized amount in the area.

straw returning;soil enzyme;FDA hydrolase;maize;dose of double enzyme activity

2014-01-09

国家科技支撑计划项目(2012BAD14B11)；西北农林科技大学基本科研业务费科研创新重点项目(ZD2013012)

闫慧荣(1989-)，女，山西代县人，硕士，主要从事土壤生物化学研究。E-mail：yanxiaobai963@163.com

和文祥(1968-)，男，陕西黄龙人，教授，博士，主要从事土壤生态毒理及土壤生物化学研究。 E-mail:wxhe1968@163.com

时间:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.017

S154.2；S513.01

A

1671-9387(2015)07-0177-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.017.html