长期施肥对不同有机质水平黑土蛋白酶活性及氮素的影响

徐 欣，郑利远，周 珂，张锦源，侯 萌，陈一民，隋跃宇，焦晓光*

（1．黑龙江大学农业资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2．东北林业大学图书馆，黑龙江 哈尔滨 150040；3．中国科学院东北地理与农业生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081）

土壤酶（soil enzyme）是土壤中产生专一生物化学反应的生物催化剂［1］，始终参与土壤中的生物化学循环、有机质及矿物质的转化过程［2］，其活性对土壤的代谢、土壤养分形态的转化、土壤肥力的提高具有重要的意义［3］。土壤有机质含量是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标，在改善土壤质量和提高作物生产力等方面起着重要的作用［4］。近年来，关于土壤酶活性、土壤有机质的研究报道很多，大都集中在土壤脲酶、磷酸酶、转化酶活性与土壤类型［5-6］、土地利用方式［7-8］、施肥措施［9-10］、土壤温度［11］、土壤水分［12］等方面，但有关土壤蛋白酶与农田黑土氮素转化的研究鲜有报导。本研究利用空间移位的方法，将东北黑土区5种不同有机质含量的农田黑土置于相同的气候条件下——中国科学院海伦农业生态实验站，测定分析长期施肥后5种不同有机质含量农田黑土土壤蛋白酶活性的动态变化规律及其与土壤氮转化的关系，旨在明确不同有机质含量农田黑土在长期施肥后土壤蛋白酶活性动态变化特征及不同时期的差异性，为农田黑土地力提升及科学施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设在中国科学院海伦农业生态实验站（N 47.45°，E 126.93°），开始于 2004年，秋季将东北黑土带不同纬度的5种典型农田黑土1 m深原状土移到黑龙江省海伦实验站，建成黑土生产力长期定位试验。试验设无肥（CK）、施化肥（NPK）2个因子，5个不同梯度有机质含量农田黑土为5个处理，5种农田黑土为：①黑龙江省北安（N 48.15°，E 126.73 °） 黑 土 有 机 质 含 量 108.9 g/kg（ 简 写SOM11）， 全 氮 4.87 g/kg， 碱 解 氮 366.72 mg/kg；②黑龙江省嫩江（N 49.13°，E 125.61°）黑土有机质含量 58.8 g/kg（简写 SOM6），全氮 2.86 g/kg，碱解氮338.74 mg/kg；③黑龙江省海伦（N 47.45°，E 126.93°）黑土有机质含量 50.6 g/kg（简写 SOM5），全氮 2.55 g/kg，碱解氮 218.00 mg/kg；④吉林省德惠（N 44.2°，E 125.55°）黑土有机质含量 32.0 g/kg（简写 SOM3）， 全 氮 1.68 g/kg， 碱 解 氮 120.75 mg/kg；⑤吉林省梨树（N 43.33°，E 124.46°）黑土有机质含量 16.6 g/kg（简写 SOM1.7），全氮 0.79 g/kg，碱解氮97.39 mg/kg。每个处理3次重复，每个小区面积1.4 m×1.2 m，作物为玉米，施肥区氮肥为尿素，施用量 N 150 kg/hm2；磷肥为磷酸二铵，施用量 P2O575 kg/hm2；钾肥为硫酸钾，施用量 K2O 60 kg/hm2，玉米生育管理为人工管理。2016年无肥区黑土有机 碳 含 量 分 别 为 10.8 g/kg（SOM1.7）、17.5 g/kg（SOM3）、29.5 g/kg（SOM5）、32.3 g/kg（SOM6）、52.9 g/kg（SOM11）。

1.2 样品的采集与测定

试验于2016年5月20日玉米播种，分别在玉米苗期（5月30日）、拔节期（6月12日）、抽雄期（7月20日）、收获期（10月8日），用土钻均匀采集0～20 cm土壤样品，混匀后装入无菌聚乙烯袋。样品采集带回实验室后，风干磨碎过1 mm筛和0.25 mm筛备用。土壤蛋白酶活性测定采用铜盐络合比色法，活性以24 h后每克土壤中氨基氮的微克数表示［μg/（g·24 h）］，土壤有机质、全氮、铵态氮、硝态氮均采用土壤常规分析方法［13］。

1.3 数据分析

原始数据的整理采用Excel 2013完成，差异显著性测验采用SPSS 20.0软件完成，作图采用SigmaPlot 12.5 完成。

2 结果与分析

2.1 长期施化肥对不同有机质含量农田黑土蛋白酶活性的影响

如图1所示，随着土壤有机质含量的增加，两种施肥处理中土壤蛋白酶活性逐渐增强。在玉米生育期内，不同有机质含量农田黑土蛋白酶活性均呈现随玉米生育期延长先增加的趋势，在拔节期达到峰值，随后开始逐渐降低，在成熟收获期又降到最低。与无肥对照处理相比，施用化肥可以提高土壤蛋白酶的活性，增加的幅度在3.38%～11.07%之间，其中SOM11增加最为明显，提高了35.9～60.81 μg（/g·24 h）；SOM1.7增加的最小，为12.31～36.44 μg/（g·24 h），说明长期施用化肥可以促进土壤蛋白酶活性的提高。

图1 长期施肥下不同有机质含量农田黑土蛋白酶活性变化

2.2 长期施化肥对不同有机质含量农田黑土全氮、铵态氮、硝态氮含量的影响

2.2.1 长期施化肥对不同有机质含量农田黑土全氮的影响

长期施肥对不同有机质含量农田黑土土壤全氮含量的影响见图2。5种农田黑土全氮含量的变化趋势与土壤蛋白酶活性变化趋势相似，即两种施肥处理下土壤全氮含量均表现出随土壤有机质含量的增加而呈递增的趋势；5种农田黑土的全氮含量施肥处理略高于无肥处理，但均没有达到差异显著水平（P>0.05）。

2.2.2 长期施化肥对不同有机质含量农田黑土铵态氮和硝态氮的影响

图2 长期施肥下不同有机质含量农田黑土全氮的变化（收获期）

长期施肥对不同有机质含量农田黑土铵态氮、硝态氮含量的变化如图3所示。两种施肥处理下，土壤铵态氮、硝态氮含量在玉米生育期内的变化规律一致，均为随着生育期延长，铵态氮与硝态氮含量呈现增加的趋势，在拔节期达到顶峰，后逐渐降低，在玉米收获期降到最低。5种不同有机质含量农田黑土中，SOM11土壤铵态氮、硝态氮含量均最高，变化的幅度分别在21.55～68.15 mg/kg、23.87～72.58 mg/kg之间；SOM1.7土壤铵态氮、硝态氮含量最低，变化的幅度分别在10.14～45.56 mg/kg、12.03～49.25 mg/kg之间。在同一时期无肥处理的5种有机质含量的农田黑土铵态氮、硝态氮含量均低于施肥处理，长期施用化肥可显著增加土壤铵态氮、硝态氮的含量（P＜0.05），增加的幅度分别为8.82%～155.24%、13.57%～144.66%，说明化肥的施用能够不同程度地提高不同有机质含量农田黑土土壤铵态氮和硝态氮的含量。

图3 长期施肥下不同有机质含量农田黑土铵态氮、硝态氮的变化

2.3 土壤蛋白酶活性与土壤全氮、铵态氮、硝态氮养分相关性分析

土壤蛋白酶活性与土壤养分的相关性分析见表1。由表1可见，土壤蛋白酶活性与土壤全氮、铵态氮、硝态氮、有机质之间均呈现显著的正相关关系（P＜0.05），土壤有机质与全氮、铵态氮和硝态氮两两之间也呈显著正相关（P＜0.05），表明蛋白酶活性可以作为土壤有机质和氮素变化的敏感指标。

表1 土壤蛋白酶活性与土壤养分的相关性

3 讨论

土壤蛋白酶作为分解土壤有机含氮化合物重要的水解酶，不仅是土壤氮矿化过程的限速酶，而且其活性还能反映土壤的环境质量状况［14］。大量研究发现不同土壤管理措施［15-16］、施肥水平［17］等都会对酶活性有影响。本试验结果表明，长期施肥对不同有机质含量的农田黑土蛋白酶活性均有提高，这与宫敬利等［18］、李猛等［19］的研究结果相一致，这主要是由于化肥的施用增加了土壤养分，促进了作物根系的生长，为微生物的活动提供了良好的环境，进而提高了蛋白酶的活性；但目前也有报道发现长期施肥下蛋白酶活性会受到抑制或保持不变［20-21］，与本研究结果不同，这可能是由于土壤类型、培肥措施、田间管理等不同所造成的。

土壤中的氮素是作物生长发育的必需大量元素，对粮食产量的贡献率达到50%，是作物产量重要的养分限制因子［22］。土壤中80%以上的氮素以有机氮的形态存在，土壤全氮与土壤有机质含量呈显著正相关关系［23］。土壤速效氮含量与土壤全氮含量之间也有显著的正相关关系［24］，故随有机质含量升高，土壤速效氮含量也有所升高。本研究中，长期施用化肥后5种有机质含量农田黑土中全氮含量无显著变化，这与孟繁华等［25］、王娟［26］、周建斌等［27］的研究结果一致。但目前也有研究表明长期单施化肥会显著提高土壤中全氮含量［28-30］，这与本研究的结果不同，这可能是由于气候条件、土壤类型、耕作方式、有机质含量等不同所造成的［31］。本研究利用空间移位，将5种有机质含量农田黑土置于相同环境、种植模式和施肥管理条件之下，排除了气候、施肥和耕作等对农田黑土生物化学过程的影响，土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量主要受土壤有机质含量的影响，因此土壤有机质含量越高，土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量越高。施肥主要是为作物生长提供速效养分［32-33］，故施肥后各有机质含量农田黑土中铵态氮、硝态氮含量均有所提高。施肥对铵态氮、硝态氮的影响在玉米不同生育期内有所差异，苗期和收获期施肥对铵态氮、硝态氮的增加幅度较小，而在拔节期和抽雄期含量较高，这主要是由于玉米生长发育过程中对氮素的需求量不同所引起的。拔节期和抽雄期玉米需氮量大，氮素矿化与转化加快，铵态氮、硝态氮含量升高；但在苗期和收获期，氮需求量小，氮素矿化与转化速率相对较慢，土壤中铵态氮、硝态氮含量降低［34］，这与蛋白酶活性的变化趋势也一致，进一步表明蛋白酶在氮素矿化与转化过程中的重要作用。

4 结论

长期施用化肥有利于提高不同有机质含量农田黑土土壤蛋白酶活性、土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量，在相同的环境条件下，土壤蛋白酶活性、土壤全氮含量、铵态氮、硝态氮含量随有机质含量的增加而增加，且土壤有机质含量与土壤脲酶活性呈正相关，土壤有机质含量越高，土壤蛋白酶活性越强，会促进土壤全氮的转化，当季提供给作物的铵态氮、硝态氮的量就越多。用土壤蛋白酶的活性代表土壤氮素水平，可以作为评价土壤氮含量的灵敏性指标。