坡耕地不同保护性耕作措施对土壤酶活性的影响

郑秋颖，周连仁*，赵 红

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

黑土是最肥沃的土壤之一，然而连年过度开垦、耕地保护不利和不合理的利用方式已导致黑土层变薄、有机质下降等退化现象[1－2]，而坡耕地的黑土层变薄情况尤为严重。土壤酶不仅是土壤代谢的动力，也是土壤生物活性和土壤肥力的重要指标，由于土壤酶活性敏感且易于测定性质，它一直用来表征农业措施对土壤影响的早期特征[3－5]。目前国内外对土壤酶性质及利用的研究很多[6－7]，我国主要结合不同耕作方式及不同施肥方式对土壤酶活性进行了研究[8－12]，而探讨不同保护性耕作方式下土壤酶活性变化的研究甚少，尤其对漫川漫岗地呈坡向分布黑土的土壤酶活性研究更为少见。因此，本试验以长期坡耕地保护性耕作定位试验为研究基础，分析坡耕地几种典型保护性耕作方式对大豆不同生理期土壤酶活性的影响。以期通过本次研究为坡耕地黑土提供参考数据，探求一种能够增加坡耕地肥力的保护性耕作方式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与供施土壤

坡地保护性耕作试验设于黑龙江省海伦市光荣村，126°58'E，47°28'N，海拔200 m，坡耕地的坡度为15°。试验地所在区域属大陆性季风气侯，年均降雨量550 mm，88%集中在5～9月份，长年平均气温为1.5℃，无霜期为120 d，常年种植制度为大豆单种。供试土壤为中层黑土，土壤基础肥力为：有机质47.61 g·kg－1，全氮 1.29 g·kg－1，碱解氮 111 mg·kg－1，速效磷30 mg·kg－1，速效钾341 mg·kg－1，pH 6.53。

1.2 试验设计

2002年4月开始于海伦市光荣村进行坡地保护性耕作试验，共设免耕、少耕、横坡垄、垄向区田和常规翻耕五个耕作处理，如表1所示，免耕、少耕及坡耕地横坡垄、垄向区田4种耕作方式结合秸秆还田均可视为保护性耕作。每个耕作处理进行3次重复，随机区组排列，小区面积56 m2，小区之间设0.5 m宽保护行。分别于2008年苗期（6月3日）、初花期（7月15日）、鼓粒期（8月27日）和成熟期（9月25日）随机采取表层（0～20 cm）土样，每次取的土样不少于500 g。各处理施肥量相等，施N：160 kg·hm2；施 P2O5：75 kg·hm2；施K2O：60 kg·hm2，秸秆还田量均为7 500 kg·hm2。除尿素外的其他肥料均作为基肥在播种时一次性施入，基施N肥96 kg·hm2，鼓粒期追N肥64 kg·hm2，并结合化学除草剂施用。

表1 具体试验处理方案Table 1 Details of the experiment treatments

1.3 测定项目与方法

将取回的土样置于避光风干室风干，风干后的土样过20目筛子，进行过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶三种土壤酶活性的测定。过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法[13]，脲酶采用靛酚蓝比色法[14]，蔗糖酶采用3，5－二硝基水杨酸比色法[15]。

1.4 数据处理

所有图表的处理均采用Excel 2003软件；大豆不同生理期及不同保护性耕作处理下各种酶的活性差异分析采用SPSS16.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同坡耕地保护性耕作措施对土壤过氧化氢酶活性影响

过氧化氢酶广泛存在于土壤中和生物体内，能分解生物呼吸和有机物生化反应产生的过氧化氢，解除其对活细胞的毒害，土壤中过氧化氢酶的活性可以用来表征土壤有机质的氧化强度及腐殖化程度[16]，间接反映土壤有机碳的稳定程度。

不同坡耕地保护性耕作方式对土壤过氧化氢酶活性有显著影响（见图1）。其中，免耕、少耕、横坡垄和垄向区田4种耕作处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于常规翻耕处理1.70%～34.21%，免耕、少耕、横坡垄及垄向区田4种坡耕地保护性耕作方式下的过氧化氢酶活性无显著性差异。大豆全生育时期过氧化氢酶活性的变化为先升高后降低的单峰曲线，鼓粒期的过氧化氢酶活性高于初花期2.99%～13.33%，显著高于苗期及成熟期37.25%～70.00%，初花期的过氧化氢酶活性高于苗期及成熟期32.65%～58.14%。

图1 不同坡地保护性耕作措施对土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.1 Effect of different conservational tillage measurement of sloping land on soil catalase activity

2.2 不同坡耕地保护性耕作措施对土壤脲酶活性影响

脲酶是对土壤中尿素的分解和转化有直接重大作用的酶，可以用于表示土壤的氮素供应状况[17]。不同坡耕地保护性耕作方式对土壤脲酶活性有显著影响（见图2）。

图2 不同坡地保护性耕作措施对土壤脲酶活性的影响Fig.2 Effect of different conservational tillage measurement of sloping land on soil urease activity

免耕和少耕处理的脲酶活性显著高于横坡垄和垄向区田处理4.81%～51.57%，显著高于常规翻耕19.14%～67.94%，横坡垄和垄向区田处理的脲酶活性显著高于常规翻耕8.97%～36.00%，免耕和少耕处理的脲酶活性之间及横坡垄和垄向区田处理的脲酶活性之间均没有显著性差异。大豆不同生育期的土壤脲酶活性显示出先高后低的单峰趋势，脲酶活性为鼓粒期＞初花期＞苗期≈成熟期，鼓粒期与苗期和成熟期的脲酶活性在5%水平上呈现出显著性差异。

2.3 不同耕作措施对土壤蔗糖酶活性影响

蔗糖酶是参与土壤有机碳循环的酶，是衡量土壤肥力的重要指标之一，一般情况下，肥力较好有机质含量较高的土壤，蔗糖酶活性也较高。

图3 不同坡耕地保护性耕作措施对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.3 Effect of different conservational tillage measurement of sloping land on soil sucrose activity

由图3可知，不同耕作处理及不同大豆生理期的蔗糖酶活性均表现出显著差异。免耕和少耕的处理的蔗糖酶活性高于横坡垄和垄向区田处理5.56%～19.56%，显著高于常规翻耕16.25%～32.31%，横坡垄和垄向区田处理的蔗糖酶活性高于常规翻耕10.00%～18.46%。大豆不同生育期的土壤蔗糖酶活性与过氧化氢酶及脲酶一样，均显示出先高后低的单峰趋势，鼓粒期的蔗糖酶活性达到最高。

3 讨论

过氧化氢酶是由土壤中的细菌、真菌和植物根部分泌。免耕和少耕减少对土壤的扰动，促进土壤有机碳含量增加[18]，增加土壤表层（0～20 cm）植物根系含量[19]，使植物根系活动旺盛，根系分泌物增加，过氧化氢酶的活性增强。横坡垄和垄向区田可对土壤及秸秆进行拦截，防治土壤有机质及秸秆的纵向流失，有效地保存土壤中有机物含量，加大土壤微生物对有机质的分解作用，土壤过氧化氢酶的活性增强，所以免耕、少耕、横坡垄及垄向区田四种坡耕地保护性耕作处理相对于常规翻耕均可增强过氧化氢酶的活性。据张星杰等对玉米不同生育期土壤细菌及真菌数量的研究表明，植物从出苗期到成熟期的细菌及真菌的数量呈单峰曲线，这也表明土壤微生物对有机物的分解在花期至鼓粒期最为旺盛，过氧化氢酶在此阶段的活性最强。

土壤脲酶和蔗糖酶都是土壤中主要的水解酶类，脲酶活性主要受土壤温度和氮源影响，蔗糖酶主要受土壤微生物活动的影响，并与土壤中易溶性养分呈正相关关系。免耕和少耕处理的脲酶活性显著高于其他耕作处理是因为免耕和少耕相对于传统翻耕增加了土壤温度，利于土壤脲酶的活化。大豆苗期到鼓粒期的脲酶活性逐渐增高主要由于：①外界气温的升高；②鼓粒前期追施了氮肥，李华等的研究表明追施氮肥后[17]，土壤中氮素含量增加，促进了土壤微生物的繁殖，增加了土壤脲酶活性；③大豆从初花期到鼓粒期根瘤固氮能力增强，脲酶活性也呈现增加趋势。三种因子的共同影响使脲酶活性在大豆鼓粒期达到最大值。而大豆成熟后，土壤中施入的有效氮源已耗尽，大豆根瘤固氮能力已消失，脲酶活性大幅降低。免耕和少耕下土壤脲酶及蔗糖酶活性的增加说明了免耕和少耕加速了土壤碳氮的转化，使土壤营养成分表现出活跃的状态。

4 结论

a.免耕、少耕、横坡垄及垄向区田的过氧化氢酶活性高于常规翻耕1.70%～34.21%，土壤过氧化氢酶于大豆鼓粒期达到最高活性；

b.免耕和少耕处理的脲酶活性及蔗糖酶活性高于其他耕作处理4.81%～67.94%，土壤脲酶及蔗糖酶于大豆鼓粒期达到最高活性；

c.免耕和少耕处理能有效地培育坡耕地的土壤养分活度，是适于黑土坡耕地的保护性耕作方式。

[1]魏丹,杨谦,迟凤琴.东北黑土区土壤资源现状与存在问题[J].黑龙江农业科学,2006(6):69－72.

[2]鲁彩艳,陈欣,史奕,等.东北黑土资源质量变化特征研究概述[J].农业系统科学与综合研究,2005,21(3):182－189.

[3]赵萌,李敏,王淼焱,等.西瓜连作对土壤主要微生物类群土壤酶活性的影响[J].微生物学通报,2008,35(8):1251－1254.

[4]Dick R P.Soil enzymes activities as indicators of soil quality.In defining soil quality for a sustainable environment[J].SSSA Special Pulication,1994,35:107－124.

[5]张彬,何红波,白震,等.保护性耕作对土壤微生物特性和酶活性的影响[J].土壤通报,2010,41(1):230－234.

[6]Aon M A,Cabello M N,Sarena D E,et al.Spatio－temporal patterns of soil microbial and enzymatic activities in an agricultural soil[J].Applied Soil Ecology,2001,18(3):239－254.

[7]Roldan A,Salinas－garcia J R,Alguacil M M,et al.Soil enzyme activities suggest advantages of conservation tillage practices in sorghum cultivation under subtropical conditions[J].Geoderma,2005,129(3/4):178－185.

[8]孙瑞莲,赵秉强,朱鲁生,等.长期定位施肥田土壤酶活性的动态变化特征[J].生态环境,2008,17(5):2059－2063.

[9]刘瑜,梁永超,褚贵新,等.长期棉花连作对北疆棉区土壤生物活性与酶学性状的影响[J].生态环境学报,2010,19(7):1586－1592

[10]苗琳,王立,黄高宝,等.保护性耕作对旱地麦田土壤酶活性的影响[J].干旱地区农业研究,2009,27(1):6－11.

[11]杨江山,张恩和,黄高宝,等.保护性耕作对麦药轮作土壤酶活性和微生物数量的影响[J].生态学报,2010,30(3):824－829.

[12]曾玲玲,张兴梅,洪音,等,长期施肥与耕作方式对土壤酶活性的影响[J].中国土壤与肥料,2008(2):27－30.

[13]严旭升.土壤肥力研究方法[M].北京:科学出版社,1989.

[14]郑洪元,周礼恺,张德生.土壤酶活性[M].北京:科学出版社,1976.

[15]关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1986.

[16]陈华癸,樊庆笙.微生物学[M].北京:农业出版社,1980.

[17]李华,陈英旭,梁新强.土壤脲酶活性对稻田田面水氮素转化的影响[J].水土保持学报,2006,20(1):55－58.

[18]Angers D A,Eriksen－Hamel NS.Full－inversion tillage and organic carbon distribution in soil profiles:A meta－analysis[J].Soil Science Society of American Journal,2008,72:1370－1374.

[19]Cater M R.Long－term tillage effects on cool－season soybean in rotation with barley,soil properties and carbon and nitrogen storage for fine sandy loams in humid climate of Atlantic Canada[J].Soil Tillage Research,2005,81:109－120.