不同耕作方式对绿洲区夏玉米农田土壤呼吸及酶活性的影响

伏星舟, 王 立, 杨彩红, 王军强, 施志国, 李彦荣

(1.甘肃农业大学 林学院， 甘肃 兰州 730000；2.古蔺县林业局, 四川 泸州 646500； 3.甘肃省农业工程技术研究院, 甘肃 武威 733006)

土壤呼吸(soil respiration, Rs)指的是未受扰动的土壤中产生CO2的所有代谢过程, 主要由土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸、植物根呼吸及土壤有机碳分解产生[1]。孟凡桥等[2]研究认为农田管理对农田CO2的释放具有明显的影响, 相应的土地利用方式(如耕作、排灌条件的改变等)对于土壤呼吸的影响也十分显著[3-4]。这就意味着不同耕作方式在改变土壤透气性、土壤有机碳含量、微生物的组成和活性的同时, 土壤呼吸也发生不同程度的改变[5]。

土壤呼吸不仅表征土壤有机碳周转、土壤质量和肥力、能力流动[6]等一些生物学指标,同时还能反映土壤微生物的总体活性和土壤物质代谢的强度[7]。土壤酶参与了土壤中的一切生物化学反应[8],而土壤微生物呼吸实质上就是土壤中的微生物分解有机碳的反应[9-10],所以土壤酶活性与土壤呼吸之间必然存在一定联系,故研究土壤酶对土壤微生物呼吸有重要的作用。目前,关于土壤酶活性与土壤微生物呼吸的研究，主要集中在不同化学农药和肥力水平等方面，但从不同耕作方式的研究，尤其是民勤荒漠绿洲区农田土壤呼吸与土壤酶活性的变化研究相对较少。

因此, 本试验拟通过研究不同耕作方式对民勤绿洲区夏玉米田土壤呼吸的影响, 探究不同耕作措施下参与碳、氮循环的土壤酶活性变化, 旨在从生物化学角度反映不同耕作方式对土壤碳循环转变过程,补充完善荒漠绿洲区土壤呼吸排放机理、评估区域碳收支平衡及为制定科学有效的土壤碳调控管理措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验设计

试验区位于甘肃省民勤绿洲区的民勤县苏武乡泉水村(103°07′16″E, 33°37′10″N)，属典型的温带干旱荒漠气候区，海拔在1 298～1 936 m，平均海拔1 400 m，冬季寒冷夏季炎热, 昼夜温差可达25.2 ℃，多年均温7.8 ℃，年日照时间长，年均无霜期162 d，光照量大而充足，日照时数达到了3 073.5 h，全年的平均日照时数为2 799.40 h。该地平均年降水量在113.2 mm左右，蒸发量高达2 644 mm，降水主要在分布在7,8,9这3个月，干燥度大于5.5，为全国最干旱，风蚀最为严重的地区之一。耕作土壤为当地区开垦种植早、熟化程度高的灌淤土，厚度可达30～60 cm，耕层质地轻，土性热，保肥、保水性差。

试验始于2015年10月，共设4个耕作方式处理(秋翻、少耕、深松和免耕)，每个处理设置3个重复，各处理小区面积介于12～24.75 hm2,随机区组排列。试验设计共4个处理：①免耕(Tn)，对土地不做耕翻，地膜一直到实验结束才更换；②秋翻(Tf)，包括每年秋收后耕翻土地，翻动土层深度大约为20 cm，春季旋耕7.5～10 cm整地、覆膜、播种等田间作业；③少耕(Tm)，收获后到播种前不搅动土壤，播种前1周左右进行旋耕整地7.5～10 cm、覆膜、播种；④深松(Ts)，秋收后利用深松铲对耕地进行耕翻30 cm，春季旋耕整地、覆膜、播种。

种植作物统一为玉米，品种为‘甘鑫2818’，播种时间为4月20日，株距20 cm，行距30 cm，定植7.2×104株/hm2。采用统一的施肥措施，所施用化肥为尿素、磷酸二胺、普钙、氯化钾，各处理化肥用量统一为每年施用N 180 kg/hm2，P2O595～98 kg/hm2。磷酸二胺、普钙、氯化钾全部基施，尿素基施20%，拔节期至抽穗期追施20%，抽穗期至开花期追施10%，灌浆期追施50%。整个生育期灌水34.1～36.3 m3/hm2。免耕(Tn)、少耕(Tm)、深松(Ts)和秋翻(Tf)这4种不同耕作方式的玉米地的施肥、灌水、管理方式等均相同，仅在耕作方式上有差异。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤呼吸测定 土壤呼吸通量采用Li-8100土壤碳通量自动测量系统测定。季节变化选择根据夏玉米主要生育阶段确定，应避开施肥和灌溉期，以15 d左右为宜。土壤呼吸测定分别在玉米出苗期(2017年6月29日)、抽穗期(2017年8月4日)、成熟期(2017年9月27日)进行，每次测定在8:00—20:00(每2 h测定一次)，要求在每次测定前一天,将地膜揭开呼吸室边缘大小的裸区，以排净膜内累积的CO2，且在每次测定前一天, 在不扰动土壤和PVC环的前提下，从根部齐地剪除地上绿色植物并清除圈内枯落物。为减少在呼吸日变化中温度对试验的误差，我们采取顺序依次测量的方式进行轮回测定，通量值也会通过系统同步测定呼吸室内CO2体积分数、土壤温度、近地表空气温度和空气相对湿度等自动计算得出。

1.2.2 土壤酶活性及理化指标的测定 每月土壤呼吸测定后，在每个土壤呼吸观测点附近用钻土芯法采集土样。土钻直径为4 cm，每个采样点取0—20 cm层次土样进行收集，每个观测点选4个采样点，将采集到的4个重复混合作为一个样品装入密封袋中，回实验室后自然风干后过筛。过筛后的土壤(<2 mm)用作土壤酶活性测定。蔗糖酶活性(invertase)用3，5—二硝基水杨酸比色法测定(24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克数表示)，过氧化氢酶(cata-lase)用KMnO4滴定法测定，脲酶(urease)用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定(以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示)，碱性磷酸酶(alkaline phosphatase)用磷酸苯二钠比色法测定，蛋白酶(protease)用茚三酮比色法测定，β-葡萄糖苷酶(β-D-glucosidase)用硝基酚比色法测定[11-12]。

有机碳(soil organic carbon)：铬酸氧化还原滴定稀释法；全氮(total nitrogen)：用半微量凯氏定氮法；速效钾(quick-acting potassium)采用浸提火焰光度法；pH值采用电位法[13]。

1.3 数据处理

实验所得数据统一先采用Excel 2003进行初步的整理，再通过SPSS 22.0统计分析软件对实验所得数据进行方差、相关性(p<0.05)、差异显著性(p<0.05)分析，最后由Origin 8.0统一绘图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤呼吸的影响

从图1可知，民勤荒漠绿洲区土壤呼吸日变化表现出较为平缓的单峰曲线，4种耕作方式下，玉米田土壤呼吸速率波动规律基本一致。出苗期和成熟期土壤呼吸的峰值主要出现在12:00或14:00,抽穗期土壤呼吸峰值主要出现在14:00或16:00。不同生育期内的土壤呼吸的日变幅差异较大，其中在玉米苗期少耕(Tm)处理下土壤呼吸的日变幅最大〔5.55～7.49 μmol/(m2·s)〕，在玉米抽穗期深松(Ts)处理下变幅最小〔3.43～3.99 μmol/(m2·s)〕。

图1 不同处理土壤呼吸速率日变化

该地区土壤呼吸随生育时期的不同产生明显变化(图2)。苗期的土壤呼吸速率最高，其中不同处理间土壤呼吸速率依次为：Tf>Tm>Ts>Tn；随着玉米的生长，土壤呼吸也逐渐减小，在成熟期达到最低值。整个生育期平均土壤呼吸变幅在2.28～7.58 μmol/(m2·s)之间。处理间土壤呼吸总速率：Tf>Ts>Tm>Tn，苗期和成熟期Tf>Tn，且两处理间差异显著，抽穗期差异不显著，Tm和Ts在3个时期之间差异均不显著。

注：不同小写字母表示同一时期不同耕作方式间差异显著，p<0.05。下同。

图2不同处理生育期土壤呼吸速率变化

2.2 不同耕作方式对土壤有机碳的影响

土壤有机碳含量与土壤呼吸速率关系密切，在夏玉米生长发育的3个时期(图3)，较Tf处理，Tn处理能显著提高土壤的有机碳含量(p<0.01)，平均增幅为26.79%，这与土壤呼吸规律正好相反。Tm与Ts处理在苗期和抽穗期差异不显著，在成熟期差异显著。4种耕作方式下土壤有机碳含量均随生育期的变化呈先增后减的趋势，其中在抽穗期达到最大。

图3 不同处理生育期土壤有机碳含量变化

2.3 不同耕作方式对土壤酶活性的影响

由表1可知，土壤过氧化氢酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性在夏玉米生长发育的各个时期Tn和Tf有显著差异，蛋白酶活性在出苗期和抽穗期各处理间差异显著，而成熟期差异不显著。进一步统计分析发现, 在整个生育期内，与Tf相比，Tn处理的土壤蛋白酶活性、碱性磷酸酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性和β-葡萄糖苷酶活性均有所增加，分别增加38.02%,15.37%,37.71%,101.02%和17.58%；而土壤过氧化氢酶(CAT)活性增加不明显。

生育时期、耕作方式对土壤蛋白酶、碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性(耕作方式对过氧化氢酶活性效应不明显)的单独效应均达到1%显著水平。但二者对6种土壤酶活性的影响效应不同，其中生育时期对脲酶活性的影响最大，而耕作方式以及两两交互作用均对蔗糖酶活性的影响最大(表1)。

表1 不同耕作方式下玉米生育期耕层土壤酶活性

注：同列不同小写字母表示同一生育时期不同处理在5%水平上差异显著；*p<0.05, **p<0.01。下同。

2.4 土壤呼吸速率与土壤酶活性及其土壤养分的相关性分析

对土壤呼吸与土壤肥力因子进行相关分析的结果显示(表2)，土壤养分之间的相关程度较高，各项指标之间均达到显著或极显著水平，可用来评价土壤肥力的高低。土壤各项酶活性之间的相关分析表明，脲酶与除蛋白酶外的其他酶之间均达到了显著水平，其中与过氧化氢酶、碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶之间达到了极显著水平(p<0.01)。土壤呼吸速率与除了碱性磷酸酶、全氮、速效钾与pH值外的其他土壤肥力指标之间有较好的相关性，其中和过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶之间达到了极显著水平(p<0.01)。

表2 土壤呼吸速率与土壤酶活性及土壤养分的关系

3 结果与讨论

(1) 土壤碳库的动态平衡直接影响土壤肥力和作物产量的高低。本研究结果表明，免耕能显著增加土壤有机碳含量，这是因为一方面免耕表层中的残茬覆盖物经微生物转化进入土壤表层，从而增加土壤总有机碳的含量[14]，另一方面免耕能够通过增加土壤团聚体的稳定性促进土壤有机碳的增加与积累[15-16]。

(2) 土壤酶在物质循环和能量流动中发挥着极其重要的作用[17-18]。结果表明，脲酶、蔗糖酶与土壤有机碳的关系最为密切(p<0.01)，免耕处理下土壤酶活性(除过氧化氢酶)要显著高于传统翻耕, 说明在免耕土壤中有机物质的转化最为强烈，满足了微生物对养分的需求，增加了其转化的底物，大大促进了微生物的繁殖, 从而保护了大量的微生物使其具有较高的酶活性[19-20]；pH值也在不同程度影响着酶活性，相关分析显示，pH值与水解类酶有显著的相关性(p<0.01)，这与赵静等[21]在文登酸化梨园的研究结果类似。

(3) 不同处理下农田土壤呼吸速率的变化规律基本相同，但与传统耕作(Tf)相比，免耕(Tn)能够明显降低土壤呼吸速率，主要表现在玉米在出苗期和成熟期。这与Gesch[22]，Reicosky[23]等的研究相吻合，却与赵红香[24]、刘合明等[25]等研究不同，主要原因可能有3个方面：一是不同耕作方式由于对土壤的扰动不同，将影响土壤的结构和土壤孔隙状况，传统的耕作方式(If)的土壤扰动程度远大于免耕Tn，土壤的通透性强，从而使O2浓度增大，限制了CO2的释放，降低了呼吸作用[26]；二是传统耕作打破了犁底层，更能促进作物根系生长，根生长呼吸以及根生长产生的分泌物加快了根际土壤微生物呼吸，而土壤呼吸以根系呼吸和微生物呼吸为主，进而表现为土壤呼吸速率的增加[27-28]；三是土壤呼吸在受外界环境条件影响的同时也受土壤酶活性变化的影响，本试验研究测定的酶有脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶、过氧化氢酶和β-葡萄糖苷酶，与土壤呼吸速率的相关性表明，土壤呼吸与酶活性(除碱性磷酸酶)之间有较好的相关性。另外，生育时期对土壤呼吸速率的影响也不容忽视，本研究发现，玉米在苗期的呼吸速率高于抽穗期和成熟期，这可能一方面前期耕作和播种会导致土壤有机碳的大量损失、CO2释放量增加[29-30]，另一方面可能由于前期灌溉使土壤含水量增加，促进了根系的呼吸、微生物群落的活动加剧从而土壤呼吸增强[31]。