不同培肥措施对大豆不同生育时期复垦土壤氮代谢相关酶活性的影响

赵毅珺，洪坚平，孟会生

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

山西省煤炭资源丰富，过度的井工开采导致被破坏的耕地高达2 000 km2，接近山西省1/8的占地面积[1]。煤炭资源的大量开采，不仅给矿区的生态环境造成了严重的影响[2]，而且对人类的居住和生产活动也产生了不同程度的危害，使生态环境不断恶化、耕地面积逐年减少、作物产量急剧下降[3]，为缓解人口增长与粮食产量供给紧缺之间的矛盾，在山西开展采煤塌陷区土地复垦和恢复工作迫在眉睫。

大量的研究表明，复垦土壤肥力是采煤塌陷区土地复垦成功的关键[4-5]，而土壤所含营养元素的多少决定了土壤肥力恢复的状况[6]。在诸多营养元素中，氮素尤为重要，其不仅限制植物生长发育、决定作物产量高低，而且对作物产品品质提高也起着至关重要的作用。因此，氮素是限制采煤塌陷区土壤复垦的重要因素之一。但是矿区土壤养分贫瘠、氮素缺乏，远远不能满足作物生长发育的需求，需要通过施肥来补充，近年来，如何高效合理施肥已成为国内外复垦土壤研究的热点。

施肥可以提高复垦土壤微生物的数量，增加土壤酶的活性。土壤酶主要是土壤中的聚积酶（胞外酶），是指在没有微生物繁殖的情况下土壤中存在的有活性的蛋白质[7]，数量少却作用大，可催化土壤中各种生化反应[8]，在复垦土壤的恢复过程中，土壤酶不仅加快了土壤中物质循环与能量流动的速度，而且更能敏感地指示土壤生态修复过程中土壤性质的早期变化，测定简单便捷，因此，可作为评价土壤肥力高低的辅助指标[9-10]。刘宝勇等[11]就土壤酶与土壤肥力的关系进行了研究，结果表明，土壤酶活性因子与综合土壤肥力因子具有显著的相关性。

目前，国内外学者主要通过不同施肥措施对复垦土壤微生物活性、作物品质与产量、磷素形态的变化和相关酶活性的影响进行了大量研究，而对氮代谢相关酶类的影响报道甚少。

本试验采用单因素完全随机设计，通过不同培肥措施对种植大豆的复垦土壤氮代谢相关酶活性的影响进行研究，以期为复垦土壤的供氮能力提升及理化性质改善提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验田设在古交市屯兰矿复垦区内，地处北纬37°40′6″～38°8′9″，东经111°43′8″～112°2′15″，属温带半干旱大陆性季风气候，7—9月降雨较为集中，年平均气温为9.5℃，无霜期为202 d。

1.2 试验材料

1.2.1 供试土壤 供试土壤采集于0～20 cm的表层土壤，土壤类型为石灰性褐土，质地为中壤土，土壤pH值为8.31，有机质为4.86 g/kg，全氮为0.37 g/kg，全磷为0.39 g/kg，全钾为22.17 g/kg，碱解氮为18.03 mg/kg，有效磷为4.94 mg/kg，速效钾为91.77 mg/kg。

1.2.2 供试作物 供试作物为大豆（Soybean），品种为晋豆50号，其平均生育期在山西中部地区春播130 d、南部地区夏播104 d。

1.2.3 供试肥料 供试化肥为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O516%）、氯化钾（含K2O 60%）；供试有机肥为完全腐熟鸡粪，由太谷县鸿昊养殖场专业合作社提供，含有机质43.60%、N 1.74%、P2O51.16%、K2O 1.36%。

1.3 试验设计

本试验采用单因素完全随机设计，在古交市屯兰矿复垦区选取复垦多年的试验田，试验设置4个处理，即不施肥（CK）、单施化肥（CF）、单施有机肥（M）、施化肥与有机肥（MCF）。每个处理重复3次，共计12个小区，每个小区面积为100 m2（10 m×10 m），于2018年4月28日播种，2018年9月26日收获，播种密度为4.5万株/hm2。施肥量详情列于表1。

表1 田间小区复垦土壤试肥方案 kg/hm2

1.4 测定项目及方法

在大豆的幼苗期、开花结荚期、成熟期采集0～20 cm土壤样品，进行各项指标的测定。土壤硝酸还原酶测定采用酚二磺酸比色法[12]；土壤亚硝酸还原酶测定采用厌氧培养-α-萘胺比色法[12]；土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶测定采用奈氏比色法[12]；土壤蛋白酶测定采用福林试剂（Folin）比色法[12]；土壤脲酶测定采用靛酚蓝比色法[12]；土壤脱氢酶测定采用三苯基四唑氯化物（TTC）比色法[12]；土壤几丁质酶测定采用对二甲氨基苯甲醛比色法（DMAB比色法）[12]。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS2010软件进行分析，方差分析采用LSD多重比较，差异性显著水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性的影响

从表2可以看出，复垦土壤硝酸还原酶活性在大豆苗期、开花结荚期，MCF处理、M处理与CK处理间差异显著，各施肥处理（CF、M、MCF）相比对照处理硝酸还原酶活性分别提高了4.28%～39.57%、2.52%～22.69%；成熟期，施肥处理（CF、M、MCF）硝酸还原酶活性与CK相比提高了49.78%～86.81%，差异性显著；在大豆整个生育期内，MCF处理土壤硝酸还原酶酶活性最高，各施肥处理对土壤硝酸还原酶活性影响的大小顺序为MCF处理＞M处理＞CF处理。相同施肥处理不同生育时期复垦土壤硝酸还原酶活性高低顺序为成熟期＞苗期＞开花结荚期，其可能的原因是开花结荚期大豆根瘤菌的固氮作用最强，根瘤菌的共生固氮作用旺盛会抑制大豆对土壤中氮素的吸收，从土壤中吸收利用的氮素减少，因而硝酸还原酶活性下降，而且古交市降雨量集中在7—9月，期间土壤中的硝态氮随水流失也会带来一定影响。

表2 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性的影响 mg/（g·d）

土壤亚硝酸还原酶是反硝化作用的关键酶之一，参与土壤的还原反应，它的活性能够反映生物降解过程氮素的转化效率。从表2可以看出，各施肥处理（MCF、M、CF）复垦土壤中的亚硝酸还原酶活性与CK处理相比差异性均显著，大豆整个生育期各施肥处理对土壤亚硝酸还原酶活性影响的大小顺序为MCF处理＞M处理＞CF处理。苗期，MCF处理略高于M处理，M处理略高于CF处理，但差异均不显著，MCF处理土壤亚硝酸还原酶活性比CK处理提高了7.60%，且差异显著；开花结荚期，各施肥处理之间差异显著，各施肥处理（CF、M、MCF）与CK相比，酶活性分别增加了3.85%、6.54%、12.08%；成熟期，MCF处理与M、CF、CK处理间差异显著，各施肥处理（CF、M、MCF）酶活性分别比CK提高了3.71%、4.75%、8.84%。有机无机肥配施对土壤亚硝酸酶活性提高效果最好，相同处理不同生育时期土壤亚硝酸还原酶活性高低顺序为成熟期>幼苗期>开花结荚期，此研究结果与白红英等[13]的研究结果相似。

2.2 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶活性的影响

土壤天冬酰胺酶属于土壤中间代谢产物，其转化在土壤氮代谢中具有重要的作用[14]。由表3可知，在大豆的整个生育期，MCF处理的天冬酰胺酶活性最高，与CK相比，提高了69.96%～103.88%，其次是M处理，比CK提高了24.92%～73.33%，CF处理比CK提高了30.04%～52.36%。MCF处理天冬酰胺酶活性相比CF、M处理苗期显著提高了27.26%～30.71%、开花结荚期显著提高了32.87%～47.59%，其中，M处理与CF处理之间差异不显著；成熟期，各施肥处理间差异显著，各处理对土壤天冬酰胺酶活性影响的大小顺序为MCF处理＞M处理＞CF处理＞CK处理，MCF处理与M、CF处理相比，土壤天冬酰胺酶活性分别提高了17.62%、33.81%。随着大豆生育时期的推进，土壤天冬酰胺酶活性整体呈递增趋势。

表3 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶活性的影响 mg/（g·d）

谷氨酰胺是土壤氨基酸的重要组成成分，而谷氨酰胺酶能够促使谷氨酰胺中的酰胺氨水解，生成谷氨酸和氨，其酶促作用的产物也是作物氮源之一[15]。由表3可知，在大豆的整个生育期，各施肥处理（CF、M、MCF）复垦土壤谷氨酰胺酶活性与CK处理间差异均达显著水平。其中，苗期，各施肥处理与CK处理相比，谷氨酰胺酶活性提高了7.09%～16.54%；开花结荚期、成熟期，各处理对土壤谷氨酰胺酶活性影响的大小顺序为MCF处理＞M处理＞CF处理＞CK处理，M处理略高于CF处理，但二者差异不显著，各施肥处理（CF、M、MCF）与CK处理相比，土壤谷氨酰胺酶活性分别提高了9.64%～28.92%，42.42%～60.00%。相同施肥处理不同生育时期土壤谷氨酰胺酶活性顺序为苗期＜开花结荚期＜成熟期。此结论与钟珍梅等[16]的研究结果相近。

2.3 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤蛋白酶、脲酶活性的影响

由表4可知，大豆不同生育时期各施肥处理土壤蛋白酶活性均显著高于对照处理。苗期、开花结荚期、成熟期，不同施肥处理（CF、M、MCF）与CK处理相比，土壤蛋白酶活性分别提高了38.78%～65.31%、25.81%～47.58%、41.18%～75.16%，其中，MCF处理土壤蛋白酶的活性最高，且与M、CF处理差异显著，M处理略高于CF处理但二者差异不显著。随着大豆生育时期的推进，土壤蛋白酶活性整体呈递增趋势。

表4 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤蛋白酶、脲酶活性的影响 mg/（g·d）

脲酶是一种高度专性的酰胺酶，与土壤的供氮能力密切相关，能够反映土壤中氮素的供应程度。它广泛存在于大多数细菌、真菌和高等植物体中，属于胞外酶，受外界环境条件的影响较大[17]。由表4可知，各施肥处理在不同生育时期土壤脲酶活性均显著高于对照处理。苗期、开花结荚期、成熟期，不同施肥处理（CF、M、MCF）与CK处理相比，土壤脲酶活性分别提高了18.22%～43.49%、55.14%～107.80%、29.55%～88.90%。苗期，MCF处理土壤脲酶活性最高，其次是M、CF处理；开花结荚期、成熟期，MCF处理土壤脲酶活性最高，其次是CF、M处理，其中，MCF处理复垦土壤脲酶活性分别比M、CF处理提高了8.27%～45.82%、12.68%～27.39%。相同施肥处理下复垦土壤脲酶活性随着大豆生育时期的推进而逐渐增加。此结果与吕倩倩等[18]的研究结果相似。

2.4 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤几丁质酶、脱氢酶活性的影响

几丁质酶是一种能够将几丁质水解成N-乙酰葡萄糖胺的糖苷酶[19]。从表5可以看出，在大豆的整个生育期，各施肥处理土壤几丁质酶活性均显著高于CK处理，相同施肥处理不同生育时期土壤几丁质酶活性顺序为苗期＜开花结荚期＜成熟期。全生育期各处理对土壤几丁质酶活性影响的大小顺序为M处理＞MCF处理＞CF处理＞CK处理。苗期，各施肥处理（CF、M、MCF）与CK处理相比，土壤几丁质酶活性均显著提高，分别提高了11.65%、51.46%、27.18%，各施肥处理间差异显著，M处理比MCF、CF处理酶活性分别提高了19.08%、35.65%；开花结荚期、成熟期，各施肥处理（CF、M、MCF）与CK处理相比，土壤几丁质酶活性分别提高了18.85%～37.70%、21.83%～45.07%，MCF处理几丁质酶活性略低于M处理，且二者之间差异不显著。

脱氢酶是土壤生物细胞的一部分[20]，因此，测量脱氢酶活性实际是代表土壤微生物的瞬时代谢活动[21]。分析表5可知，大豆整个生育期各施肥处理与CK处理相比，土壤中脱氢酶活性均显著增加，苗期、开花结荚期、成熟期各施肥处理（CF、M、MCF）与CK相比，土壤脱氢酶活性分别提高了201.69%～322.03%、65.71%～147.12%，35.6%～52.34%，各施肥处理复垦土壤中脱氢酶活性的大小顺序为MCF处理＞M处理＞CF处理＞CK处理。苗期、开花结荚期，MCF处理比M、CF处理土壤脱氢酶活性分别提高了29.69%、49.13%，且差异显著；成熟期，M处理略高于CF处理但差异不显著。相同处理下复垦土壤中脱氢酶活性整体趋势为随着大豆的生长而递增。

表5 不同培肥处理对种植大豆的复垦土壤几丁质酶、脱氢酶活性的影响

3 结论与讨论

土壤酶是土壤中非常活跃的组分之一，在土壤养分循环转化过程中发挥着重要的作用[22]。本研究结果表明，不同时期各施肥处理与CK处理相比，酶活性均有不同程度提高，说明施肥能够有效增加土壤酶活性。主要是因为化肥中含有N、P、K等大量营养元素，提升了土壤肥力，有利于土壤微生物的生长与代谢，提高了各种土壤酶活性，而且促进了作物根系的生长，根瘤菌的固氮能力增强，根系分泌物增加，使酶活性增强；有机肥自身就含有大量的微生物，有机肥的施入有效地增加了土壤中有机质的含量，土壤的理化性质得到改善，土壤氮代谢酶活性也相应增强。

有机肥处理的土壤几丁质酶在不同生育时期活性最高，可能原因是几丁质主要存在于昆虫等甲壳类动物的外壳、软体动物器官以及大多数真菌的细胞壁中[23]，有机肥的施入直接增加了微生物的数量，促使几丁质酶的活性增强；有机肥与化肥配施处理的土壤蛋白酶、脲酶、脱氢酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶在大豆不同生育时期的活性最高，其主要是因为化肥与有机肥的配施既弥补了单施有机肥前期养分供应不足，又避免了单施化肥前期养分供应不稳定的缺点；有机肥与化肥的配施，不仅改善了土壤结构，还使土壤中N、P、K、Si等养分活化，满足了土壤中微生物对营养物质的需求，土壤微生物的代谢活动增强，各种氮代谢酶活性也随之增强；有机肥与化肥配施在一定程度上调节了土壤的pH值，使土壤微域的pH处于有利于多数养分活化的范围[24]、改善了微生物的生活环境；还能够通过协调土壤中的C/N值，改善土壤的理化性质，以提高土壤酶活性。

大多数酶活性在成熟期达到最大，其可能的原因是，化肥以及有机肥在此阶段的释放度达到最大，成熟期土壤中植物根系发育完全，对土壤理化性质的改善也进行得更加充分，微生物代谢活动最为旺盛，从而各种氮代谢酶活性也最高。

本试验通过大田种植试验研究了不同培肥措施对种植大豆的复垦土壤氮代谢酶活性的影响，认为有机无机肥配施对复垦土壤各种氮代谢相关酶活性提升效果最好，不仅可以满足大豆各生育期对氮素吸收的要求，而且可以在一定程度上改善土壤理化性质，为复垦土壤培肥地力。