不同耕地土壤微生物的呼吸及酶活性——以遵义市为例

李德辉，杨第芹，李应禄，张宝成*

(1.遵义师范学院，贵州 遵义 563006; 2.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025; 3.遵义市第三十三中学，贵州 遵义 563118)

【研究意义】遵义地处喀斯特地区，土地资源有限，土壤瘠薄且生态环境脆弱，对外界环境干扰的抵抗能力差，稳定性弱，很容易受到干扰[1]。土壤酶在土壤有机物的分解、转化与合成，养分循环及植物生长养分供给中具有重要作用，其活性高低不仅反映土壤养分状况，而且在一定程度上说明土壤生物的活动状况[2]。除土壤酶外，土壤中微生物呼吸也能反映土壤生物的活动状况及土壤的物理性质，是农业土壤性质十分重要的指标之一[3]。因此，其常作为土壤系统的预警和敏感指标。【前人研究进展】自然生态系统中宫杰芳等[4]研究了喀斯特地区草地、竹林和灌丛等不同植被类型土壤蔗糖酶、蛋白酶、碱性磷酸酶、脲酶及多酚氧化酶的酶活性。杨伦等[5]研究了沼液肥单施或与其他肥料配施对土壤酶活性的影响。胡凯等[6]研究发现，随桉树种植年限的增加，桉树人工林根际土壤磷酸酶、多酚氧化酶、β-葡糖糖苷酶和过氧化氢酶酶活力均呈显著下降趋势；土壤中细菌和真菌数量亦随种植年限增加呈明显下降趋势，且种植年限对根际土壤真菌数量的影响更大。【本研究切入点】随着人民生活水平的提高，对瓜果蔬菜需求量急剧增加，为满足人们的需求，一些经济作物采取连作的种植模式，导致连作障碍和土传病害日益加重，严重影响作物的产量与品质。如，西瓜种植1年没明显病害，种植3年后猝倒病、枯萎病和立枯病等病害发生开始加重，且产量较1年西瓜地(对照)减产20 %[7]。目前，关于喀斯特地区农田系统中不同耕地类型土壤酶活性和微生物呼吸的研究比较缺乏。【拟解决的关键问题】因此，采用土壤酶分析法和微生物呼吸法对遵义市4种不同耕作(1年西瓜地、3年西瓜地、青贮玉米地和菜地)土壤微生物的呼吸及酶活性进行研究探讨，旨在为该地区及类似区域农田系统土壤健康和土地的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 土壤 4种类型耕地土壤采自遵义市金鼎山镇金庄村4组，分别为大棚内种植的1年西瓜地、种植3年西瓜地和露天菜地、露天青贮玉米地(以下简称1年西瓜地、3年西瓜地、菜地和青贮玉米地)的土壤，均为黄壤土。

1.1.2 试剂 磷酸盐缓冲液、氢氧化钠、甲苯、尿素、丙酮、葡萄糖和3,5-二硝基水杨酸等，市购。

1.1.3 仪器设备 烘箱、锥形瓶、恒温培养箱、真空干燥器及分光光度计等。

1.2 试验方法

1.2.1 土样采集与预处理 采用5点取样法，于2018年7月从贵州省遵义市海龙屯(E106°12′22″～107°26′25″，N27°13′15″～28°4′9″，海拔800～1300 m)采集4种类型土样。分别采集耕作层0～20 cm土壤样品，5点采样，每个样点约500 g，混匀后采用5分法保留土壤1 kg用冰桶带回实验室。留取部分鲜样测定微生物呼吸，另外土样在室内风干、磨碎并混合均匀后备用。

1.2.2 指标测定 参照文献[2]的方法测定土样在室内风干混合均匀磨碎后用于测定土壤酶活性土壤脲酶、纤维素酶、蔗糖酶、过氧化氢酶及淀粉酶活性，脱氢酶活性采用TTC分光光度计法[8]测定脱氢酶活性；土壤微生物呼吸采用NaOH溶液吸收法[9]测定。

1.3 数据统计与分析

采用SPSS 17.0对数据进行统计与分析，用Sigmaplot 10软件绘图制。

2 结果与分析

2.1 不同耕作土壤各类酶的酶活性

从表1可知不同耕作土壤氧化还原酶类和水解酶类的酶活性。

2.1.1 氧化还原酶类 (1)过氧化氢酶。4种耕作土壤过氧化氢酶活性依次为1年西瓜地>菜地>青贮玉米地>3年西瓜地，其中，1年西瓜地的土壤过氧化氢酶活性最大，为1.03 Ua，其次是菜地(0.90 Ua)，二者间差异不显著，但均显著高于青贮玉米地(0.77 Ua)和3年西瓜地(0.69 Ua)的土壤过氧化氢酶活性。

(2)脱氢酶。4种耕作土壤脱氢酶活性依次为菜地>青贮玉米地>1年西瓜地>3年西瓜地，其中，菜地的土壤脱氢酶活性最高，为3.90 Ua，是1年西瓜地和3年西瓜地的1.43和1.88倍；3年西瓜地最小，青贮玉米地和1年西瓜地的酶活性接近。表明，西瓜连作对土壤脱氢酶活性有影响。

2.1.2 水解酶类 (1)纤维素酶。4种耕作土壤纤维素酶活性为0.26～0.33 Ua，其中，菜地的土壤纤维素酶活性最高，其次是1年西瓜地，3年西瓜地与青贮玉米地相当，4种耕作土壤纤维素酶活性差异不显著。

(2)蔗糖酶。4种耕作土壤蔗糖酶活性为1.80～4.11 Ua，其中，1年西瓜地的活性最大，其次是3年西瓜地，菜地的最小，4种耕作土壤蔗糖酶活性差异不显著。

(3)淀粉酶。4种耕作土壤淀粉酶活性依次为菜地>1年西瓜地>青贮玉米地>3年西瓜地，其中，菜地与1年西瓜地间无显著差异，但二者均显著高于青贮玉米地和3年西瓜地(P<0.05)；青贮玉米地与3年西瓜地间无显著差异。

(4)脲酶。4种耕作土壤脲酶活性依次为青贮玉米地>菜地>1年西瓜地>3年西瓜地，其中，青贮玉米地与其他土壤间差异显著(P<0.05)，菜地与1年西瓜地差异不显著，但二者均显著高于3年西瓜地。

表1 不同土壤氧化还原酶类和水解酶类的酶活性

注：同列不同小写字母表示0.05水平上的差异显著。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level.

2.2 土壤微生物呼吸与酶活性相关性

2.2.1 土壤微生物呼吸 由图1可知，4种耕作土壤的微生物呼吸CO2释放量随时间的延长而增加，且各时间段均表现为菜地>青贮玉米地>1年西瓜地>3年西瓜地。第1天时4种耕作土壤的微生物呼吸CO2释放量(基础呼吸)接近，无显著差异；从第3天开始，不同土壤微生物呼吸CO2释放量差异逐渐增加但仍不显著；第6和11天时菜地和青贮玉米地土壤微生物呼吸CO2释放量显著高于同时期1年西瓜地和3年西瓜地(P<0.05)，但二者间差异不显著。说明，种植西瓜影响土壤微生物呼吸。

2.2.2 土壤微生物呼吸与各类酶酶活性的相关性 显著性检验结果表明，不同耕作土壤间微生物呼吸(CO2释放量)、纤维素酶及蔗糖酶活性的P值分别为0.54、0.85和0.25(P>0.05)，说明差异不显著；淀粉酶和过氧化氢酶酶活性的P值分别为0.03和0.02(P<0.05)，说明，不同土壤间差异显著；脲酶和脱氢酶酶活性的P值分别为0.007和0.005(P<0.01)，说明，不同土壤间差异极显著。由表2可知，微生物呼吸(CO2释放量)与蔗糖酶酶活性呈显著负相关，相关系数为-0.56；与脲酶活性呈显著正相关，相关系数为0.51；与脱氢酶酶活性呈极显著正相关，相关系数为0.73。淀粉酶与过氧化氢酶酶活性呈极显著正相关，相关系数为0.72，与脱氢酶酶活性呈显著正相关，相关系数为0.66。

图1 不同耕作土壤微生物呼吸CO2的累计释放量Fig.1 Cumulative released quantity of CO2from soil microbial respiration of different farmland types

3 讨 论

研究发现，不同耕作类型对土壤脱氢酶、蔗糖酶、纤维素酶、脲酶和淀粉酶活性的影响程度不同。妙佳源等[10]研究发现，连作后土壤中氮、磷和钾含量降低，脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性呈逐年降低趋势，最终造成作物减产。姚华开等[11]研究结果表明，连作后植物根系土壤中细菌容易形成优势群落，有利于病虫害的发生。西瓜的根、茎和叶等营养器官均可产生化感物质影响西瓜根生长[12]，其土壤中的残体亦可影响土壤微生物群落结构和数量；这些化感物质极易导致西瓜栽种时产生连作障碍[13]。西瓜地土壤脱氢酶活性比青贮玉米地和菜地低的主要原因可能是：①西瓜产生化感物质对自身产生自毒作用[8]，并对土壤微生物产生影响，进而改变了土壤脱氢酶活性。②西瓜初期种植分泌的化感物质不断累积，造成过氧化氢酶活性高于青贮玉米地和菜地，随着种植年限的增加，化感及其他物质的毒副作用凸显，使得连续种植3年西瓜地的过氧化氢酶含量低于菜地和青贮玉米地；同时，这些物质也可能对土壤蔗糖酶、纤维素酶、淀粉酶和脲酶活性产生同样的影响。

土壤微生物呼吸反映微生物的活动强度[14]，影响土壤微生物活性的因子有土壤含水量、有机质含量和植物种类等[15-17]。贵州省土地资源有限，主要以山区耕地为主，地貌、气候环境条件及耕作模式等对农作物的产量有影响。研究表明，通过测定土壤微生物呼吸可揭示作物连作对土壤的影响。

表2 土壤微生物呼吸与酶活性的相关性

4 结 论

3年西瓜地脱氢酶活性较玉米地和菜地的低，连作影响土壤脱氢酶的活性。4种耕作土壤淀粉酶活性依次为菜地>1年西瓜地>青贮玉米地>3年西瓜地，菜地的酶活性与1年西瓜地间无显著差异，但二者均与3年西瓜地、青贮玉米地差异显著。土壤脲酶活性以青贮玉米地最高，与其他土壤间差异显著；3年西瓜地的最低。蔗糖酶活性从大到依次为1年西瓜地>3年西瓜地>青贮玉米地>菜地。脱氢酶活性为菜地>青贮玉米地>1年西瓜地>3年西瓜地。过氧化氢酶活性为1年西瓜地>菜地>青贮玉米地>3年西瓜地。纤维素酶活性以菜地最大，其次是1年西瓜地，3年西瓜地和青贮玉米地的纤维素酶活性相等。

蔗糖酶酶活性与土壤微生物呼吸CO2释放量呈显著负相关，淀粉酶与过氧化氢酶酶活性呈极显著正相关，与脱氢酶酶活性呈显著正相关。

西瓜连作地土壤微生物呼吸(CO2释放量)在第6和11天时与青贮玉米地和菜地间差异显著。微生物呼吸与蔗糖酶酶活性呈显著负相关，与脲酶和脱氢酶酶活性呈显著正相关。说明，种植西瓜可影响土壤微生物呼吸。

土壤微生物呼吸指标可揭示易产生连作土壤的变化，为当地土地高效利用和耕地可持续发展提供科学依据。