劉 雷，王夢亮，王俊紅，高小音

(1.山西大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)研究所，山西 太原 030006；2.山西大學(xué) 生物技術(shù)研究所，山西 太原 030006)

土壤酶是土壤組成成分之一，主要來自根系分泌物、動物植物殘?bào)w和土壤微生物所產(chǎn)生的各種游離酶和胞內(nèi)胞外酶，是土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一[1-3]，在土壤物質(zhì)循環(huán)、能量和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要的作用，其活性的高低是表征土壤生物活性、土壤肥力水平和土壤質(zhì)量的生物指標(biāo)之一[4-7]。因此，研究土壤酶活性對于土壤肥力的形成、演化、提高以及土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程都具有重要意義。

土壤蔗糖酶(Solid-Sucrase，S-SC)、過氧化氫酶(Solid-Catalase，S-CAT)和土壤脲酶(Solid-Urease，S-UE)活性在評價(jià)土壤肥力水平上具有重要意義[8-9]。其中，S-SC活性反映土壤呼吸和碳轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，現(xiàn)已被廣泛用于表征土壤碳素循環(huán)和生物化學(xué)的活性強(qiáng)度與方向[10]；S-CAT是好氧微生物的指示物，能有效促進(jìn)有害物質(zhì)過氧化氫的分解，與土壤氧化還原能力和土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度有關(guān)；S-UE活性的高低代表土壤氮素的豐度，與土壤中氮的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，故常用S-UE的活性表征土壤的氮素狀況[11-12]。目前，關(guān)于有機(jī)肥對土壤酶活性的影響已有大量研究報(bào)道，孫甜田等[13]研究認(rèn)為，有機(jī)肥不僅可以提高土壤酶活，還可以增加作物產(chǎn)量。張繼光等[14]研究表明，增施有機(jī)肥可以增加土壤酶活，改善土壤理化性質(zhì)。湯桂容等[15]研究發(fā)現(xiàn)，投入相同養(yǎng)分的條件下，有機(jī)無機(jī)氮肥配施會提高土壤微生物數(shù)量和酶活性。但關(guān)于微生物肥對玉米根際土壤酶活性及微生物區(qū)系的研究較少。

本試驗(yàn)主要對玉米生育期內(nèi)條施和側(cè)施方式下5種施肥處理間根際S-SC、S-CAT和S-UE的活性及其動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期明確不同微生物肥和土壤酶活性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為合理施肥、改良土壤環(huán)境和尋求最佳作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的生長環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省汾陽市山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所試驗(yàn)基地。該地區(qū)海拔1 414 m，N 37°14′，E 111°46′，地處黃土高原，屬溫帶季風(fēng)氣候。全年平均日照時(shí)數(shù)為2 601.3 h，日照百分率59%，歷年平均地溫為12.6 ℃，全市年平均降水量467.2 mm，年平均相對濕度為61%，年平均無霜期179 d。試驗(yàn)區(qū)0～20 cm耕層土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)27.89 g/kg、全氮0.43 g/kg、全磷0.573 g/kg、全鉀15.53 g/kg、速效鉀163.3 mg/kg、速效磷82.12 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為強(qiáng)盛388，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所選育；供試化肥為史丹利緩釋摻混肥(N∶P2O5∶K2O=26∶12∶10)；供試菌種為枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)和解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)，由山西大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所生物化工實(shí)驗(yàn)室保藏。

S-SC、S-CAT和S-UE活性測定試劑盒購于南京建成生物工程研究所。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2017年5月9日，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共10個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)具體方案如表1所示。

小區(qū)面積20.7 m2(11.5 m×1.8 m)；玉米行、株距分別為62，25 cm。施用微生物肥為晉源區(qū)有機(jī)肥+10%菌種添加量(菌種為2×1010cfu/g)，有機(jī)質(zhì)含量為40.857%。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design of experimental treatment

本試驗(yàn)化肥采用人工撒施和條施2種施肥方式，肥料撒施后翻耕播種。微生物肥采用種肥同穴的施肥方式。復(fù)合菌種為枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌等比例混合。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

分別于玉米播種期(5月9日)、苗期(5月27日)、拔節(jié)期(6月20日)和成熟期(9月15日)，在植物根際部位采用五點(diǎn)法隨機(jī)進(jìn)行土壤樣品的采集。首先用土鏟除去表層土，取0～20 cm玉米根際土壤，混勻并去除植物和根際殘?bào)w。一份4 ℃低溫保藏，另一份于通風(fēng)處自然晾干后過0.2 mm篩，備用。

采用試劑盒法對3種土壤酶活性進(jìn)行測定。將每天每克土壤中產(chǎn)生1 mg還原糖定義為一個(gè)土壤蔗糖酶活力單位；每天每克風(fēng)干土壤催化1 μmol 過氧化氫降解定義為一個(gè)土壤過氧化氫酶活力單位；每天每克土壤中產(chǎn)生1 μg NH4+-N為一個(gè)土壤脲酶活力單位。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 條施方式下不同施肥處理對土壤酶活性的影響

2.1.1 不同施肥處理對S-SC的影響 由圖1可知，玉米生育期內(nèi)，各施肥處理S-SC活性呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，其活性在拔節(jié)期達(dá)到最大，后又呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢；且各處理間該酶活性均高于對照，以TJDF對S-SC的活性影響最大。與單施化肥(TCK)相比，在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期TJDF處理酶活性分別提高了41.9%，20.7%和68.0%；TKC處理酶活性提高了15.1%，8.7%和16.6%；TDY處理酶活性分別提高了23.7%，12.8%和33.1%；TFH處理酶活性分別提高了17.3%，4.1%和23.2%。可見，增施微生物肥可促進(jìn)S-SC活性的提高，其中，以化肥配施微生物肥(解淀粉芽孢桿菌)促進(jìn)效果最明顯，化肥配施微生物肥(地衣芽孢桿菌)次之。

2.1.2 不同施肥處理對S-CAT活性的影響 圖2顯示，玉米生育期內(nèi)，S-CAT活性呈逐漸增加的趨勢，最高值出現(xiàn)在成熟期。不同施肥處理表明，TFH處理對S-CAT活性影響最為顯著，與單施化肥(TCK)相比，在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期分別提高了7.6%，9.0%和6.3%。因此，增施微生物肥可以促進(jìn)S-CAT活性的提高，以化肥配施微生物肥(復(fù)合菌種)促進(jìn)效果最明顯。其他施肥處理則抑制S-CAT活性。

圖2 條施下不同施肥處理對S-CAT活性的影響Fig.2 Effect of different fertilization treatments on S-CAT activities under lateral application of fertilizer

2.1.3 不同施肥處理對S-UE活性的影響 由圖3可知，S-UE的活性在玉米生育期內(nèi)呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在拔節(jié)期活性達(dá)到峰值。其中，以TJDF處理對S-UE活性影響最大，與單施化肥(TCK)相比，在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期TJDF處理酶活性分別提高了15.8%，30.4%，21.8%；TDY處理酶活性分別提高了12.7%，19.7%和19.9%。因此，增施微生物肥可促進(jìn)S-UE活性的提高，以化肥配施微生物肥(解淀粉芽孢桿菌)促進(jìn)效果最為顯著；化肥配施微生物肥(地衣芽孢桿菌)促進(jìn)效果次之。

圖3 條施下不同施肥處理對S-UE活性的影響Fig.3 Effect of different fertilization treatments on S-UE activities under lateral application of fertilizer

2.2 撒施方式下不同施肥處理對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同施肥處理對S-SC酶活性的影響 從圖4可以看出，撒施方式下S-SC活性在玉米拔節(jié)期達(dá)到最高，后呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。其中，SJDF處理酶活性最高，與單施化肥(SCK)相比，在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期SJDF處理酶活性分別提高了37.4%，18.6%和22.9%；SKC處理酶活性分別提高了11.6%，12.5%和2.5%；SDY處理酶活性分別提高了19.3%，6.9%和14.8%；SFH處理酶活性分別提高了10.0%，2.9%和18.9%。

條施方式下玉米苗期和拔節(jié)期S-SC活性均低于撒施方式，成熟期差異不顯著。玉米生育期內(nèi)，施肥方式不同，各施肥處理間S-SC活性存在一定差異。撒施方式下各施肥處理在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期S-SC酶活性大小分別為：SJDF>SDY>SKC>SFH>SCK、SJDF>SKC>SDY>SFH>SCK、SJDF>SFH>SDY>SCK>SKC；而條施方式下各施肥處理在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期S-SC酶活性大小分別為：TJDF>TDY>TFH>TKC>TCK、TJDF>TDY>TKC>TFH>TCK、TJDF>TDY>TFH>TKC>TCK。因此，化肥條施可促進(jìn)肥料的綜合利用率、有利于植株對養(yǎng)分的吸收利用、提高土壤酶活性。

圖4 撒施下不同施肥處理對S-SC活性的影響Fig.4 Effect of different fertilization treatments on S-SC activities under spread application of fertilizer

2.2.2 不同施肥處理對S-CAT活性的影響 圖5表明，撒施方式下S-CAT活性成熟期達(dá)到峰值，SFH處理活性最高。與單施化肥(SCK)相比，SFH處理活性在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期分別提高了9.5%,10.5%, 4.0%。其余施肥處理對S-CAT活性影響規(guī)律不明顯。

條施方式下S-CAT活性苗期和拔節(jié)期均大于撒施方式，成熟期則低于撒施方式。玉米生育期內(nèi)，施肥方式不同，各施肥處理間S-CAT活性存在一定差異。撒施方式下各施肥處理在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期S-CAT活性大小分別為：SFH>SJDF>SCK>SKC>SDY、SFH>SJDF>SCK>SKC>SDY、SFH>SCK>SJDF>SKC>SDY；而條施方式下各施肥處理在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期S-CAT活性大小分別為：TFH>TCK>TJDF>TKC>TDY、TFH>TCK>TJDF>TKC>TDY、TFH>TCK>TJDF>TKC>TDY。因此，化肥條施可促進(jìn)肥料的利用率、有利于植株對養(yǎng)分的吸收利用、提高土壤酶活。

圖5 撒施下不同施肥處理對S-CAT活性的影響Fig.5 Effect of different fertilization treatments on S-CAT activities under spread application of fertilizer

2.2.3 不同施肥處理對S-UE活性的影響 由圖6可知，撒施方式下S-UE活性峰值出現(xiàn)在拔節(jié)期，其中以SJDF處理對S-UE活性影響最大，與單施化肥(SCK)相比，SJDF處理中該酶活在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期分別提高了14.4%，4.6%和8.6%；SDY處理分別提高了12.0%,2.0%,8.6%；SFH處理分別提高了4.3%，0.4%和6.3%。SKC對S-UE活性影響規(guī)律不明顯。

圖6 撒施下不同施肥處理對S-UE活性的影響Fig.6 Effect of different fertilization treatments on S-UE activities under spread application of fertilizer

玉米生育期內(nèi)條施方式下S-UE活性均高于撒施方式，撒施和條施方式下各施肥處理在玉米苗期、拔節(jié)期和成熟期S-UE活性大小均為：JDF>SDY>SFH>SCK>SKC。因此，化肥條施可促進(jìn)肥料的利用率、有利于植株對養(yǎng)分的吸收利用、提高土壤酶活。

3 討論

田間試驗(yàn)表明，玉米生育期內(nèi)S-SC和S-UE的活性隨時(shí)間的推移呈先增加后降低的變化趨勢，在拔節(jié)期達(dá)到最高，這個(gè)時(shí)期植株生長旺盛、根系發(fā)達(dá)，養(yǎng)分需求增大，會刺激S-SC和S-UE活性迅速增加以滿足植株生長需求[16-17]，是土壤微生物活動的重要階段。S-CAT活性在玉米生育期內(nèi)逐漸增加，成熟期達(dá)到峰值，由于成熟期植株成熟，根際植物殘?bào)w及凋落物增多，誘使其活性增強(qiáng)以氧化分解土壤中的過氧化氫。

從不同施肥處理對土壤酶活性的影響可以看出，化肥和解淀粉微生物肥配施對S-SC活性和S-UE活性的影響最大，化肥和復(fù)合菌種微生物肥配施對S-CAT活性影響最大。說明化肥和解淀粉微生物肥配施可以顯著增強(qiáng)S-SC和S-UE活性，化肥和復(fù)合菌種微生物肥配施可以顯著增強(qiáng)S-CAT活性，這是因?yàn)槲⑸锓屎蜔o機(jī)肥的投入不僅給土壤提供豐富的能源，且?guī)氪罅康奈⑸铮M(jìn)而激發(fā)土壤的能量代謝，極大的提高土壤酶活性。這與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果一致[18-20]，故化肥配施微生物肥能改善土壤環(huán)境，提高土壤酶活性。有關(guān)施肥對S-CAT的影響存在差異，李明松等[21]研究認(rèn)為，長期施肥可以提高S-CAT活性；馬守臣等[22]研究表明，施肥處理對S-CAT活性影響差異較?。幌嚓P(guān)研究表明，施肥或配施有機(jī)肥均可抑制S-CAT活性[23-24]。本研究表明，配施微生物肥可以提高S-CAT活性，有關(guān)不同施肥處理對S-CAT活性的影響有待進(jìn)一步深入研究。

不同的施肥方式表明，條施方式S-SC活性在玉米苗期和拔節(jié)期均低于撒施方式，成熟期規(guī)律不明顯，說明肥料撒施有利于作物根系的早期吸收，故在苗期和拔節(jié)期，S-SC活性較大。條施方式下S-CAT活性在苗期和拔節(jié)期大于撒施方式，成熟期小于撒施方式，說明條施有利于減少土壤中過氧化氫對植株所造成的毒害作用，這可能是由作物不同生育期內(nèi)根系分泌物、土壤理化性質(zhì)、土壤環(huán)境和作物生長狀況所導(dǎo)致的[25-26]。S-UE活性在玉米生育期內(nèi)撒施低于條施，故條施化肥可以提高氮元素有效利用率，促進(jìn)植株對肥料的吸收利用。這可能是由施肥方式對土壤養(yǎng)分、礦質(zhì)元素、根系代謝和分泌活動的影響所導(dǎo)致的。

綜上所述，不同土壤酶活在玉米生育期內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，土壤蔗糖酶和土壤脲酶活性呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢，土壤過氧化氫酶活性呈逐漸升高的趨勢。不同施肥方式下土壤蔗糖酶、土壤過氧化氫酶和土壤脲酶活性存在一定的差異，故化肥條施可以提高肥料的綜合利用率，促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和釋放，利于植株的生長發(fā)育。不同的施肥處理表明，化肥配施微生物肥可以改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤酶活性，為作物提供有利的生長條件。因此，化肥條施方式下，增施微生物肥可以提高土壤酶活性，改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤肥力水平和可持續(xù)生產(chǎn)能力。