河南南阳烟区土壤酶活性的生态作用分析

沈笑天，刘金莉，马长恩，李金榜，马 骏，吕 杰5，刘 宏*

(1.河南省南阳市烟叶生产办公室，河南南阳 473000；2.浙江中烟工业有限责任公司，浙江杭州 310000；3.河南省烟草公司南阳市公司，河南南阳 473000；4.河南省南阳市农业科学研究所，河南南阳 473000；5.南阳农业干部学校，河南南阳 473000)



河南南阳烟区土壤酶活性的生态作用分析

沈笑天1，刘金莉2，马长恩3，李金榜4，马 骏3，吕 杰5，刘 宏3*

(1.河南省南阳市烟叶生产办公室，河南南阳 473000；2.浙江中烟工业有限责任公司，浙江杭州 310000；3.河南省烟草公司南阳市公司，河南南阳 473000；4.河南省南阳市农业科学研究所，河南南阳 473000；5.南阳农业干部学校，河南南阳 473000)

为了解土壤酶在土壤生态中的作用，并从土壤酶活性的层面为研究烟区土壤生态质量、改良烟区土壤提供依据，采用方差分析、主成分分析、相关分析的方法，对南阳烟区有代表性的13个取样点的4类土壤酶活性及与其他土壤生态因子的关系进行研究。结果表明：土壤酶活性的综合指标是土壤生态因子中仅次于有机质方面综合指标的重要指标，其作为第2主成分方差占所有主成分方差的17.860%；土壤酶活性与土壤物理性状、土壤化学性状、土壤 C素、根际和非根际土壤微生物之间存在广泛的相关性，对土壤生态因子有表征作用。

烟区土壤；土壤酶；土壤生态

酶作为土壤中活的有机体，是土壤的重要组成部分，是营养物质转化、能量代谢和污染物降解等过程的主要参与者[1]。土壤酶的活性与土壤的颗粒含量、水分特征、有机质和微生物含量等密切相关，其活性高低可反映土壤营养物质转化、能量代谢、污染物降解等过程能力的强弱[2]，因而可作为土壤质量的肥力指标[3]。国内外学者对土壤酶与土壤类型、质量等的关系进行了一些研究[4-6]。Dick 等[7-8]提出土壤酶活性可作为反映管理措施和环境因子引起的土壤生物学和生物化学变化的指标。可见土壤酶的种类与活性是烟区土壤生态的重要生物学指标。以往对土壤酶的研究主要集中在土壤酶与单因素的土壤理化性状和生物学性状的关系上，系统研究土壤酶在土壤生态系统中的作用及其相互关系的报道较少。为此，笔者对南阳烟区有代表性的13个取样点的4类土壤酶活性及其他土壤生态因子，应用方差分析、主成分分析、相关分析的方法，揭示土壤酶在土壤生态因子中的重要性、与其他生态因子的关系，最终为从土壤酶活性的层面研究烟区土壤生态质量、改良烟区土壤提供依据。

1　材料与方法

1.1供试土样在对1984年以来南阳烟区539个土样、214个烟样及485个水样检测结果统计分析(SPSS层次聚类分析法)的基础上，选取土壤、烟叶与水质理化指标有显著差异且代表南阳大部分烟区的不同生态类型的样点13个，各样点按基本一致的配方施肥。各生态类型的样点选1 hm2以上烟叶种植田块，于2006年7月10～13号(在南阳烟区，这个时期烟田已不再进行施肥或中耕等农事操作，土壤为非搅动土，具有可比性，同时是烟叶产质量形成的关键时期)分别在各样点取9点根际与非根际混合土样1 kg。样点情况如表1所示。

1.2测定方法土壤酶活性测定方法：过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法[9]；脲酶采用苯酚钠比色法[10]；淀粉酶采用二硝基水杨酸比色法[11]；蛋白酶采用茚三酮比色法[10]。土壤主要功能微生物群数采用最大或然法计数[12]：硝化细菌采用Stephenson培养液；氨化细菌采用蛋白胨氨化培养液；纤维素分解菌采用Hutchinson培养液。土壤微生物平板培养计数采用稀释平板计数法：细菌及芽孢菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基[12]；放线菌培养采用改良高氏一号培养基[12]；真菌培养采用马丁氏培养基[13]；荧光假单胞菌培养参照文献[13]；解磷菌培养参照文献[14]。土壤全C、全N测定采用燃烧法：称样300～350 mg，用Vario MAX CN 元素分析仪(德国产)，在氧气和高温条件下，催化管内燃烧，燃烧气体通过吸附柱分离，热导检测器(TCD)测定，数据由南京土壤研究所提供。土壤其他理化指标测定采用常规方法。

1.3数据处理应用SPSS 10.0、DPS进行分析。

2　结果与分析

2.1南阳烟区土壤酶活性测定结果由表2可知，无论根际还是非根际土壤，4种酶的活性差异都很大，但除灌溉方式(井水与河水)对根际土壤淀粉酶的活性产生显著影响外，耕作制度、土壤类型、地貌对4种酶活性均无显著影响，在施肥基本一致的情况下，说明土壤酶活性可能受综合因素的影响。也正因为如此，土壤酶活性对土壤质量的表征意义更大。

表1　不同生态类型样点的自然农业概况

表2　土壤酶活性测定结果

注：同一列中平均值后不同字母表示二者在0.05水平差异显著。

Note：Different letters in the same column mean the difference was significant at 0.05 level.

2.2南阳烟区土壤生态指标主成分分析通过SPSS分析，提取出南阳烟区有代表性的13个取样点的土壤物理、化学和生物学性状指标(25个)中特征根大于1.000的前8个主成分，这8个主成分的方差贡献率达92.656%(表3)，其中前4个主成分的特征根大于3.105，方差贡献率为67.931%，因此这4个主成分应该是反映南阳烟区土壤物理、化学和生物学性状的主要成分。

表3　土壤生态指标公因子方差及其主成分的特征值、累计贡献率与系数矩阵

通过计算主成分在各个变量上的载荷，得到F1～F8主成分变量因子列表。由表3可以看出：

F1=0.646ZX1+0.844ZX2+0.193ZX3+0.903ZX4+0.706ZX5-0.099ZX6+0.840ZX7+0.626ZX8+0.095ZX9-0.357ZX10-0.263ZX11+0.230ZX12+0.122ZX13+0.558ZX14+0.368ZX15-0.396ZX16+0.048ZX17-0.422ZX18-0.470ZX19-0.093ZX20+0.363ZX21+0.135ZX22+0.549ZX23+0.244ZX24+0.017ZX25

(其他3个主成分的表达式类似，略)

第1主成分表达式中，X2(全C)、X4(有机质)、X7(活C)的系数较大，所以F1是指示土壤C素特性的主要指标；第2主成分表达式中，X12(脲酶)、X15(过氧化氢酶)的系数较大，可以作为反映脲酶、过氧化氢酶变化的主要指标；第3主成分表达式中，X3、X9、X10、X22的系数较大，F3可以作为反映pH、容重、土粒密度和荧光假单胞菌数的主要指标；第4主成分表达式中，X13、X18、X24的系数较大，F4可以看成是反映蛋白酶、放线菌数、氨化菌数的主要指标。其中，第1主成分方差占所有主成分方差的21.541%；第2主成分方差占所有主成分方差的17.860%。这说明反映酶活性的综合指标是土壤生态因子中仅次于有机质方面综合指标的重要指标，土壤酶在土壤生态因子中的重要性显而易见。

2.3土壤酶活性与其他生态因子作用分析

2.3.1根际、非根际土壤酶活性与土壤物理性状相关分析。由表4可知，土壤容重、土粒密度与烟株根际和非根际土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶、过氧化氢酶的活性均不显著相关；土壤孔隙度与烟株根际土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶、过氧化氢酶及非根际土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶活性均不显著相关，与非根际土壤过氧化氢酶活性显著相关，这可能是因为土壤孔隙度与土壤中空气含量特别是氧气含量有关，而过氧化氢酶的活性与氧气含量有关。也有少数研究确定了土壤酶活性与土壤容重、土粒密度的相关性[15]。可用较为简单的非根际土壤过氧化氢酶活性来表征相对较难测定的土壤物理性状中的孔隙度。建立回归方程如下：

(F=8.032，P<0.05)

2.3.2根际、非根际土壤酶活性与土壤化学性状相关分析。由表5可知，根际土壤脲酶活性与pH显著正相关，非根际土壤脲酶活性与pH极显著正相关，说明在南阳烟区当前的pH水平下，随着pH的升高有提高土壤脲酶活性的作用。全N与非根际土壤淀粉酶活性显著正相关，说明较高的N含量会提高土壤淀粉酶活性。Cu、Fe、Mn与非根际土壤脲酶活性显著负相关，可以推测南阳烟区土壤中Cu、Fe、Mn的含量较为

表4　根际、非根际土壤酶活性与土壤物理性状相关分析

注：*表示在0.05水平显著相关。下同。

Note：“*” stands for significant correlation at 0.05 level.The same below.

丰富，施用这类肥料会降低土壤脲酶活性。建立回归方程如下：

(F=15.898，P<0.01)

(F=15.897，P<0.01)(F=8.577，P<0.01)

(F=5.285，P<0.05)

杨远平[16]对贵州毕节地区烟地土壤酶活性研究结果表明，土壤脲酶活性与土壤有机质、全N、速效N达到了显著或极显著相关水平。与该研究结果并不一致，这可能是土壤环境不同导致土壤酶活性与土壤化学生态因子关系的不同。南阳烟区长期大量施用化肥，土壤有机质含量偏低，而且有机质、全N、速效N差异不大，可能是主要原因。因此，烟田应重视有机肥的施用。美国水土保持学会甚至把土壤有机质作为衡量土壤质量的唯一重要的指标[17]。有试验证明在保护性耕作方式下配合施用有机肥，提高地力的效果比较显著[18-19]。谭周进等[20]认为不同耕作制度与有机肥施用量对土壤酶活性激活作用不同，有机与无机肥合理配施可提高某些土壤酶活性，加速土壤元素循环。增加土壤有机质投入，可提高土壤生物活性和土壤肥力。

表5　根际、非根际土壤酶活性与土壤化学性状相关分析

2.3.3土壤 C素与根际、非根际土壤酶活性相关分析。由表6可知，土壤全C、活性C、活性C/全C、C库活度与烟株根际、非根际土壤4种酶活性均不显著相关；土壤C/N与烟株根际土壤淀粉酶、过氧化氢酶活性及非根际土壤脲酶、蛋白酶、淀粉酶、过氧化氢酶活性不显著相关，与烟株根际土壤脲酶活性极显著正相关，与烟株根际土壤蛋白酶活性显著正相关；非活性C与烟株根际、非根际土壤蛋白酶、淀粉酶、过氧化氢酶活性不显著相关，与烟株根际土壤脲酶活性极显著正相关，与非根际土壤脲酶活性显著正相关。建立回归方程如下：

表6　根际、非根际土壤酶活性与C素相关分析

(F=15.695，P<0.01)

(F=5.832，P<0.05)

(F=9.174，P<0.01)

(F=8.460，P<0.01)

以上结果说明南阳烟区土壤C/N与非活性C是相对敏感的指标，提高土壤C含量，特别是非活性C含量，对根际、非根际土壤脲酶及根际土壤蛋白酶活性有显著促进作用。近年来烟区C/N下降的问题应引起我们的重视。

2.3.4根际、非根际土壤酶活性与土壤微生物的相关分析。由表7可知，根际土壤微生物中，细菌总数与根际土壤蛋白酶活性极显著负相关，与非根际土壤蛋白酶活性显著负相关；芽孢菌数与非根际土壤蛋白酶活性极显著负相关，放线菌数与非根际土壤蛋白酶活性显著相关；解磷菌数与根际土壤脲酶极显著正相关。建立回归方程如下：

(F=12.906，P<0.01)

(F=11.059，P<0.01)

(F=13.187，P<0.01)

说明根际与非根际土壤蛋白酶活性对根际细菌、芽孢菌、放线菌有显著抑制作用；非根际土壤蛋白酶活性比根际土壤蛋白酶活性对根际细菌、芽孢菌、放线菌更有显著抑制作用；根际土壤脲酶活性可促进根际解磷菌繁殖，可能与酶活性对部分微生物有显著的抑制或促进作用，并与酶的功能专一性有关。

表7　根际、非根际土壤酶活性与根际土壤微生物相关分析

由表8可知，非根际土壤微生物中，细菌总数、芽孢菌数与根际土壤过氧化氢酶活性显著相关，细菌总数与非根际土壤过氧化氢酶显著相关；真菌数与根际、非根际土壤脲酶活性极显著相关；解钾菌数与非根际土壤蛋白酶活性显著相关；纤维分解菌数与非根际土壤脲酶活性极显著相关；放线菌数、荧光假单胞菌数、解磷菌数、氨化菌数、硝化菌数则与根际、非根际土壤4种酶活性不显著相关。建立回归方程如下：

(F=21.538，P<0.01)

-0.036X2非根际芽孢菌数

(F=6.736，P<0.05)

+436.120X2非根际纤维分解菌数

(F=27.932，P<0.01)

(F=7.112，P<0.05)

(F=9.511，P<0.05)

根际与非根际土壤脲酶活性均与非根际土壤真菌数极显著相关，可能是根际与非根际土壤脲酶活性本身就显著相关的原因。根际土壤过氧化氢酶、非根际土壤过氧化氢酶与细菌总数的相关可能是相同的原因。纤维分解菌繁殖与非根际土壤脲酶活性表达可能有相同的环境要求。非根际芽孢菌与根际土壤过氧化氢酶活性关系，可能是它们要求的环境差异形成的。大约从20世纪60年代开始，人们试图在酶活性和微生物活性之间建立某种相关性，但这些研究结果往往很不一致[16]。也有很多学者从施用生态有机肥的角度，通过调节土壤微生态结构及微生物区系来研究连作障碍[21]。在特定条件下建立的南阳烟区土壤酶活性与微生物的关系有一定的局限性。烟区土壤酶活性与土壤生态因子的密切关系为我们通过农业措施改良土壤酶活性，以及其他土壤生态因子提供了参考依据。

表8根际、非根际土壤酶活性与非根际土壤微生物相关分析

Table 8Correlation coefficients of soil enzyme activity and carbon in rhizosphere and non-rhizosphere and soil microorganisms in non-rhizosphere

根际土壤微生物Soilmicroorganismsinrhizosphere根际土壤Rhizospheresoil脲酶Urease蛋白酶Protease淀粉酶Amylase过氧化氢酶Catalase非根际土壤Non-rhizospheresoil脲酶Urease蛋白酶Protease淀粉酶Amylase过氧化氢酶Catalase细菌总数Totalnumberofbacteria-0.449-0.4180.391-0.562*-0.5400.0590.08-0.681**芽孢菌数Quantityofsporebacteria-0.020-0.214-0.453-0.642*-0.0950.135-0.093-0.459放线菌数Quantityofactinomycetes-0.127-0.1140.2140.138-0.050-0.213-0.1950.231真菌数Quantityoffungi0.814**0.330-0.1960.0710.688**0.049-0.5050.287解钾菌数Quantityofpotassiumbacteria-0.164-0.2730.030-0.1380.095-0.627*-0.067-0.018解磷菌数Quantityofphosphatesolubiliz-ingbacteria0.041-0.0480.3660.067-0.0050.1190.049-0.110荧光假单胞菌数Quantityofpseudomonasfluorescens-0.050-0.268-0.491-0.507-0.0790.096-0.036-0.343纤维分解菌数Quantityofcellulose-de-composingbacteria0.402-0.299-0.4780.0340.738**-0.1530.2470.416氨化菌数Quantityofammonifyingbacte-ria0.103-0.150-0.056-0.2740.0150.486-0.132-0.155硝化菌数Quantityofnitrifyingbacteria-0.165-0.170-0.4190.1760.100-0.4210.2220.213

3　结论与讨论

南阳烟区土壤酶活性是反映管理措施和环境因子综合因素的生态指标。土壤酶活性的综合指标是土壤生态因子中仅次于有机质方面综合指标的重要指标。

烟株根际和非根际土壤酶活性与土壤的物理、化学及生物学性状具有广泛的相关性。土壤孔隙度、pH、 Cu、Fe、Mn、C/N、非活性C、细菌、芽孢菌、放线菌是相对敏感的指标，与土壤酶活性可以相互表征。

显然，以上对南阳烟区土壤酶活性在土壤生态因子中的作用、对土壤生态因子的表征作用的研究，可以为我们认识土壤酶活性的意义，从土壤酶的角度改良土壤提供依据。

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Analysis of Ecological Effect of Soil Enzyme Activity in Tabacco Growing Areas of Nanyang in Henan Province

SHEN Xiao-tian1, LIU Jin-li2, MA Chang-en3, LIU Hong3*et al

(1. Nanyang Tobacco Production Office of Henan Province, Nanyang, Henan 473000; 2. China Tobacco Zhejiang Industrial Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310000; 3. Nanyang Tobacco Company of Henan Province, Nanyang, Henan 473000)

To understand the functions of soil enzymes in soil ecology and provide basis for researching and improving soil ecological quality, the activities of 4 soil enzymes from 13 typical soil samples in tobacco growing areas of Nanyang and their relations with other soil ecological factors were studied by analysis of variance, principal component analysis, and correlation analysis. The results showed that the integrated indicator of the activities of urease and catalase was the only principle component second to the integrated indicator of organic matter, and the estimated communality was 17.860%. Correlative analysis showed there were obvious correlations between the activities of soil enzymes and soil physical and chemical properties, soil C, or soil microorganisms, which can indicate characterization of soil ecological factors.

Soil in tobacco growing areas; Soil enzymes; Soil ecology

河南省烟草专卖局科技项目(HYKJ)；国家烟草专卖局南阳优质烟生产科技示范基地建设项目(110200401004)；烟草栽培重点实验室资助项目。

沈笑天(1969- )，男，江苏滨海人，经济师，博士，从事烟草栽培研究。*通讯作者，硕士，从事烟草栽培生产管理研究。

2016-05-23

S 154.2

A

0517-6611(2016)19-257-06