长期施肥对褐土土壤酶活性的影响

吕倩倩，周怀平，，刘 平，，解文艳，杨振兴，刘志平，杜艳玲，郭 晋，高佳妮

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

土壤微生物活动和酶活性通常可以被用来对土壤质量的生物学性状进行评价[1]，是土壤养分和有机质转化的关键，施肥等因素会对酶活性造成较大影响，可以迅速地根据环境因子的变化作出相应的反应。研究表明[2-4]，土壤酶活性可表征土壤养分的转化强度和土壤中各种生物化学活性的高低；土壤肥力水平在很大程度上受土壤酶的影响[5]，其中，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶活性对评价土壤肥力水平具有重要意义[6]。近年来，我国已对酶活性的影响以及土壤理化性质与酶活性的关系等方面开展了一系列的研究[7-9]；关于褐潮土、棕壤、黑土、灰漠土等土壤微生物和酶活性及其与肥力的关系方面也进行了大量的研究[10-12]，而关于褐土在长期施肥条件下对酶活性影响的研究还相对较少。

本试验通过对山西寿阳长期定位试验田的褐土土壤酶活性进行研究，试图探讨长期不同施肥条件下褐土土壤酶活性的变化，旨在为作物提供良好的土壤微生物生态环境提供一定的理论依据[13]。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验位于山西省寿阳县宗艾村国家农业环境寿阳观测实验站，地理坐标为113°06′E，37°58′N，海拔1 130 m。试验区的气候特征是：多年平均气温7.6 ℃，干燥度1.3，无霜期135～140 d，年均降雨量501.1 mm（年际间变率较大），属半湿润偏旱区，季节温差较大、四季分明。试验地势基本平坦，质地为轻壤，土层深厚，地下水埋深在地表50 m 以下，为褐土性土壤，成土母质为马兰黄土[14]。

1.2 试验设计

有机无机肥配施长期定位试验从1992 年春开始到2018 年，历时27 a[14]。试验采用氮、磷、有机肥3 因素4 水平正交设计，共18 个处理，该试验选择其中的9 个处理，即不施肥对照（N0P0M0）；4 个不同氮磷化肥配施处理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）；3 个有机无机肥配施处理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）；单施高量有机肥处理（N0P0M6）。小区面积66.7 m2，随机排列，无重复。试验所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为普通过磷酸钙（P2O514%），农家肥为腐熟厩肥（全磷1.37～1.46 g/kg、有机质90.5～127.3 g/kg、全钾14.1～34.3 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg）。每年秋季结合耕翻一次性施入肥料。具体施肥情况列于表1。

表1 长期定位试验不同施肥处理养分年投入量 kg/hm2

1.3 测定项目及方法

采集2018 年秋季玉米收获后的土壤样品，每个处理均采集0～20，20～40 cm 土层的土样，3 个重复；风干处理后过1 mm 筛备用。

土壤酶活性测定采用苯酚钠- 次氯酸钠比色法[15]，以24 h 后1 g 土壤中NH3- N 的质量（mg）表示；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定[13]，以24 h 后1 g 土壤中酚的质量（mg）表示；蔗糖酶活性采用3，5- 二硝基水杨酸比色法测定[16]，以24 h 后1 g 土壤中葡萄糖的质量（mg）表示。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 和SPSS 软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对褐土土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶在尿素的水解过程中起着促进作用，进而形成NH4+，其是土壤氮循环过程所需要的一种重要的酶，可以提高土壤潜在养分的有效化，也是植物中氮的重要来源之一，可以促进植物对氮素的吸收和利用，对于土壤的供氮能力有很好的体现[16]。

由表2 可知，在0～20 cm 土层，不同氮磷化肥配施、有机无机肥配施和单施高量有机肥处理的褐土脲酶活性均高于不施肥对照处理，N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0、N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2和N0P0M6增幅分别为0.09%，1.46%，5.06%，11.31%，11.04%，13.82%，15.14%和10.67%；不同氮磷化肥配施处理土壤脲酶活性大小为N4P4M0＞N3P3M0＞N2P2M0＞N1P1M0，随着施氮、磷肥量的增加土壤脲酶活性有增加趋势；与单施化肥处理相比，有机无机肥配施处理使脲酶活性提高的幅度更高；而单施高量有机肥处理其脲酶活性低于有机无机肥配施处理。在20～40 cm 土层，各处理脲酶活性均明显低于0～20 cm 土层；N1P1M0和N2P2M0处理与CK 相比有所降低，但下降的幅度不大，其余6 个处理与CK 相比均有所提高；N3P2M3处理脲酶活性比N2P1M1、N4P2M2处理高；其他处理脲酶活性与0～20 cm 土层相似。

表2 不同施肥处理对脲酶活性的影响 mg/（g·24 h）

2.2 长期施肥对褐土土壤碱性磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶能够反映土壤磷素的肥力水平，对于土壤磷素的有效性具有促进作用，其是由土壤微生物生命活动和植物根系分泌产生的，土壤有机质的转化与腐殖质的形成有很大关系，同时也与土壤磷酸酶活性有关[13-16]。试验土壤呈碱性，碱性磷酸酶在土壤中占主要部分。

表3 不同施肥处理对碱性磷酸酶活性的影响mg/（g·24 h）

从表3 可以看出，在0～20 cm 土层，4 个不同氮磷化肥配施的处理褐土碱性磷酸酶均低于不施肥对照处理，N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0处理降幅分别为18.52%，16.95%，28.96%和23.34%。有机无机肥配施和高量单施有机肥的褐土碱性磷酸酶活性均高于不施肥对照处理，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6处理增幅分别为12.01%，35.35%，12.01%和82.04%。不同氮磷化肥配施处理土壤碱性磷酸酶活性大小为N1P1M0＞N2P2M0＞N3P3M0＞N4P4M0，随着施氮、磷肥量的增加土壤碱性磷酸酶活性有减少趋势；不同有机无机肥配施处理土壤碱性磷酸酶活性大小为N3P2M3＞N4P2M2（N2P1M1），且N4P2M2和N2P1M1之间无显著性差异；单施高量有机肥处理的碱性磷酸酶活性显著高于有机无机肥配施处理。在20～40 cm土层，各处理碱性磷酸酶活性均明显低于0～20 cm 土层，尤其以不同氮磷化肥配施处理降幅较大，达到了41%～76%；其他处理的变化趋势与0～20 cm 土层相似。

2.3 长期施肥对褐土土壤蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶可以作为评价土壤生物学活性强度的指标之一，还能够反映土壤的熟化程度、体现土壤肥力。蔗糖酶与土壤中许多因子有关，如土壤有机质、氮、磷含量，微生物数量及土壤呼吸强度等。

从表4 可以看出，在0～20 cm 土层，4 个不同氮磷化肥配施处理的蔗糖酶活性均低于不施肥对照处理，N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0处理降幅分别为17.47%，15.03%，28.47%和26.58%；有机无机肥配施和高量单施有机肥处理的蔗糖酶活性均高于 不 施 肥 对 照 处 理，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6处理增幅分别为12.81%，21.34%，6.90%和5.88%；不同氮磷化肥配施N4P4M0和N3P3M0处理的蔗糖酶活性低于N2P2M0和N1P1M0处理；不同有机无机肥配施处理的土壤蔗糖酶活性大小为N3P2M3＞N2P1M1＞N4P2M2；单施高量有机肥处理的蔗糖酶活性显著高于氮磷化肥配施处理。在20～40 cm 土层，N3P2M3和N4P2M2处理的蔗糖酶活性略高于0～20 cm 土层，其余6 个处理的蔗糖酶活性均低于0～20 cm 土层；氮磷化肥配施处理的蔗糖酶活性高于不施肥对照处理，与0～20 cm 土层的蔗糖酶变化趋势有所不同。

表4 不同施肥处理对蔗糖酶活性的影响 mg/（g·24 h）

3 结论与讨论

本研究结果表明，不同氮磷化肥配施提高了褐土脲酶活性，且褐土脲酶的活性随着氮肥施入量的增加而提高。这与前人的研究结果相一致[17-23]。与氮磷化肥配施处理相比，有机无机肥配施和单施高量有机肥处理对于提高褐土土壤脲酶活性作用更为明显，这是由于有机无机肥配施能够有效提高氮肥利用率，进而提高褐土脲酶的活性。

氮磷化肥配施抑制了碱性磷酸酶的活性。土壤碱性磷酸酶的活性随着磷肥施入量的增加而降低。有机无机肥配施和单施高量有机肥处理显著提高了碱性磷酸酶的活性；与氮磷配施处理相比，有机肥处理对于提高磷酸酶活性的作用更为明显，这可能是由于本试验有机肥施入的主要是牛粪，而牛粪中的磷酸酶含量比较高[6]。

氮磷化肥配施抑制了褐土中蔗糖酶的活性，而氮磷化肥配施的量对土壤蔗糖酶活性的影响不大。有机无机肥配施和单施高量有机肥处理显著提高了蔗糖酶的活性；与氮磷配施处理相比，有机肥处理对于提高蔗糖酶的作用更为明显，这是因为有机肥自身带有大量的微生物和酶，还为蔗糖酶提供了许多的酶促机制。这与孙瑞莲等[6]的研究结果一致。

本研究结果表明，从土层深度来看，除蔗糖酶在20～40 cm 处的活性稍高于0～20 cm 外，其他2 种酶的活性都表现为0～20 cm 土层的活性高于20～40 cm 土层，这与白雪等[15]的研究结果一致。可能是因为供试土壤在每年翻耕时的深度只能达到20 cm 左右，所以土壤中的肥料基本集中在0～20 cm土层，20～40 cm 土层的肥料很少。

氮磷化肥和有机肥合理配合施用，可以提高褐土脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，提升褐土质量，为褐土区域可持续利用提供有利保障。