对照，研究3种集成耕作模式（ITP1、ITP2和ITP3）对风沙土土壤酶（脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶）活性、速效养分、有机质的影响及其相互之间的关系。[结果]与传统种植CT模式相比，ITP1模式显著增加脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氢酶活性，分别增加了68.57%、74.04%、31.44%和20.44%;ITP2模式增加脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，但是降低过氧化氢酶活性;ITP3模式脲酶和蔗糖酶活性增加，过氧化氢酶活性降低。与传统种植CT模式相比，ITP1模式增加土壤速效养分（N、P、K）和有机质含量，ITP2模式显著增加土壤速效K和有机质含量，ITP3模式差异不显著。脲酶活性与土壤碱解氮、速效钾、有机质含量呈显著正相关;磷酸酶活性与土壤速效磷、有机质、碱解氮含量呈显著正相关。[结论]从耕作模式对土壤有机质含量、速效养分含量及酶活性影响的角度分析，ITP1模式最适合风沙土区玉米种植，ITP2模式次之，而ITP3模式不适合。
关键词 酶活性;耕作;风沙土;玉米
中图分类号 S154.2文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2019）15-0068-04
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.020
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Abstract[Objective]The effects of different integrated tillage modes on soil enzyme activities in aeolian sandy soil of northeast China were studied.[Method]The study focused on the effect of three integrated tillage models （ITP1， ITP2 and ITP3） on enzyme activity （urease， phosphatase， invertase， catalase）， available nutrients， organic matter compared to traditional tillage （CT）， and their relationships.[Result]Compared with traditional CT planting mode， ITP1 mode significantly increased the activities of urease， phosphatase， invertase and catalase by 68.57%， 74.04%， 31.44% and 20.44%， respectively.The activity of urease， phosphatase and invertase increased in ITP2 mode， but catalase activity decreased. The activity of urease and invertase in ITP3 mode increased and catalase activity decreased.Compared with traditional CT planting mode， ITP1 mode increased soil available nutrients （N， P， K） and organic matter content， while ITP2 mode significantly increased soil available K and organic matter content， while ITP3 mode had no significant difference.Urease activity was positively correlated with soil available nitrogen， available potassium and organic matter content， while phosphatase activity was positively correlated with soil available phosphorus， organic matter and available nitrogen content.[Conclusion]From the perspective of the effects of tillage mode on soil organic matter content， available nutrient content and enzyme activity， ITP1 mode was most suitable for maize cultivation in sandy soil areas， followed by ITP2 mode， and ITP3 mode was not suitable.
Key words Enzyme activity;Tillage;Aeolian sandy soil;Maize
基金项目 农业部公益性行业（农业）科研专项（201503116-03）;南京信息工程大学引进人才项目。
作者简介 乔云发（1975—），男，黑龙江讷河人，研究员，博士，博士生导师，从事土壤生态研究。
*通信作者，教授，博士，从事土壤肥力调控方面研究。
收稿日期 2019-01-15
土壤酶是土壤的重要组成部分，参与了土壤中所有生化反应，是土壤有机质分解和养分循环的主要生物学机制，受土壤耕作方式影响[1-4]。土壤酶活性与土壤功能关系更为密切，反映了土壤中各类生化反应的强度与方向，可以作为表征耕作效果评价的敏感指标，用于评价土壤质量对耕作模式的响应[4-8]。耕作模式对土壤酶活性的影响已有大量报道，有机肥刺激红壤酶活性的增加[5]，秸秆还田配施化肥提高红壤水稻根际土壤过氧化氢酶、脲酶和转化酶的活性[9]，深耕提高农田土壤酶活性[10-11]，免耕和秸秆覆盖构成的复合亚生态系统激发草甸黑土酶的活性[10]。深耕和秸秆还田对土壤酶活性的效应受土壤质地影响较大，相同耕作方式粘土的过氧化氢酶活性较壤土高，而脲酶和蔗糖酶活性分别较壤土降低[12]。以往研究耕作方式对土壤酶活性的影响主要集中在粘壤上，而对沙土农田酶活性影响的研究较少。
东北风沙土是干旱与半干旱地区形成于沙性母质上的具有AC层的幼年土，处于土壤发育的初始阶段，位于农牧结合生态脆弱带[8]。东北风沙土地区是我国玉米主栽区域之一，该区域有效降雨少、土壤沙化严重、养分贫瘠、漏水漏肥等不利自然因素，再加上传统耕作模式不合理的人为因素，使玉米产量处于较低的生产水平[13-14]。优化集成耕作模式是提高风沙土区玉米产量的有效途径之一[13]。目前，依托现代大马力拖拉机，结合秸秆过腹还田或直接还田，开展耕作方式、有机肥、秸秆还田措施对作物产量和土壤物理性状的研究报道较多，而研究耕作模式对东北风沙土区土壤酶活性的影响少见报道。为此，笔者开展不同集成模式对风沙土区酶活性的影响研究，以期为东北风沙土区玉米种植模式的选择提供理论依据。
1 材料与方法
试验点位于黑龙江省大庆市杜尔伯特蒙古族自治县农业科技园区进行（N46°80′，E124°45′）。年均降水量约400 mm，降水偏少分配不均，主要集中在6—8月，年均气温3.1 ℃，≥10 ℃活动积温2 600～2 800 ℃，无霜期145～150 d，种植制度为一年一熟制。土壤类型为风沙土，耕层土壤基本理化性质为pH 8.02、有机质9.11 g/kg、碱解氮54.92 mg/kg、速效磷5.46 mg/kg、速效钾93.6 mg/kg、全氮0.61 g/kg、全磷0.36 g/kg、全钾25.85 g/kg、容重1.29 g/cm3，沙粒713.6 g/kg、粉粒106.5 g/kg和黏粒179.9 g/kg。
1.2 试验设计
1.2.1 试验设计。试验设4种耕作模式：①传统种植（CT）;②优化集成模式1（ITP1）;③优化集成模式2（ITP2）;④优化集成模式3（ITP3）。详细集成措施描述见表1，每个小区面积56 m2，3次重复。施肥量（kg/hm2）：N 190、P2O5 120、K2O 25。5月9日施入氮肥（尿素）總量的50%以及全量过磷酸钙和硫酸钾，6月28日将总量50%的尿素进行追肥，玉米品种为吉农302，种植密度5.1万株/hm2。
1.2.2 土壤样品采集及测定。在7月22日玉米吐丝期，用土钻采集0～20 cm耕层土壤，每个小区采用“S”形取样法随机采集5个点。采集后的土样在24 h内过2 mm筛，用于土壤酶活性和微生物量碳氮测定，-4 ℃保存，风干土样研磨过0.1 mm筛，待测。
脲酶活性测定采用次氯酸钠比色法，磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠，蔗糖酶活性测定采用二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶活性测定采用容量法，微生物量碳氮测定采用氯仿熏蒸方法，有机质测定采用重铬酸钾氧化外加热方法，全氮测定采用凯式定氮法，碱解氮测定采用扩散法，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法，速效钾测定采用乙酸铵浸提—火焰光度法[15]。
2 结果与分析
2.1 耕作模式对土壤速效养分和有机质的影响
图1表明，耕作模式显著影响土壤速效N、P、K和有机质含量，在4种模式中，ITP1模式处理土壤速效N、P、K和有机质含量都最高，表明ITP1模式有利于提高风沙土土壤肥力，ITP2模式次之，ITP3和CT模式最低。图1A表明，ITP1模式处理碱解氮显著高于其他3个处理，含量为93.90 mg/kg，比传统CT模式高38.3%。ITP2和ITP3模式具有相同免耕播种模式，但少耕ITP2模式碱解氮含量比免耕ITP3模式高30.4%。速效磷含量对耕作模式的响应较小（图1B），ITP1模式显著高于其他3种模式（含量为9.17 mg/kg），而CT、ITP2和ITP3模式间差异不显著。耕作模式对速效K含量影响较小（图1C），与传统种植模式CT相比，ITP1和ITP2模式分别高出23.9%和20.6%，ITP3与其他3种模式之间差异不显著，ITP1和ITP2 2种模式之间差异也不显著。与传统模式CT相比，ITP1模式有机质增加了51.8%，ITP2模式增加了224%，而免耕模式ITP3仅有增加趋势（图1D）。从提高土壤肥力角度分析，ITP1和ITP2模式适合东北风沙土区玉米种植。
2.2 耕作模式对土壤酶活性的影响
风沙土玉米田耕作模式显著影响土壤酶活性（图2）。图2A表明，与传统耕作CT模式相比，3种优化集成模式的脲酶活性增加41.42%～6857%，平均增加55%，这表明优化集成的3种模式更有利于将土壤中有机氮水解成植物可以直接吸收利用的氨态氮，为玉米生长提供更充足的氮素，有利于玉米生长。3种优化模式之间的脲酶活性差异不显著，3种优化模式相同之处是都施用有机物料还田，不同之处是耕作方式和有机物料种类，这表明施用有机物料比耕作方式对脲酶活性影响效果更明显，有机物料种类对脲酶活性影响差异不显著。3种优化耕作模式对蔗糖酶活性的影响与脲酶活性的影响相似，优化模式显著大于传统CT模式。3种优化模式之间蔗糖酶活性差异显著（图2B），ITP2>ITP3>ITP1，这表明秸秆还田促进蔗糖水解，增加土壤中易溶态营养物质，为植物及微生物生长提供更多的碳源和营养成分。由图2C可见，ITP1模式磷酸酶活性显著高于其他3种模式，其活性达到0.496 mg/（g·d），是CT模式的1.74倍。ITP2模式磷酸酶活性显著高于CT模式，低于ITP1模式，与ITP3模式间差异不显著，ITP3模式与传统CT模式间差异不显著。过氧化氢酶活性对耕作模式的响应比较特殊（图2D），秸秆还田的ITP2和ITP3 2种模式均显著低于传统CT模式，而有机肥还田的ITP1模式则显著高于传统CT模式，这表明耕作方式本身对过氧化氢酶的影响不起主要作用，而有机物料种类主要起调控作用。
2.3 土壤酶活性与土壤速效养分及有机质的相关分析
表2表明，土壤酶活性与土壤养分、有机质之间存在显著相关性。脲酶活性与土壤碱解氮呈极显著正相关，与速效钾和有机质呈显著正相关;磷酸酶活性与土壤速效磷和有机质含量呈极显著正相关，与碱解氮呈显著正相关;蔗糖酶和过氧化氢酶活性与土壤速效N、P、K及有机质相关性都不显著。脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶4种酶之间相关性不显著;土壤有机质与脲酶、磷酸酶、碱解氮、速效磷和速效钾呈显著正相关;土壤速效养分之间碱解氮与速效磷、速效钾之间呈显著正相关;速效磷和速效钾之间相关性不显著。
3 讨论
土壤酶参与土壤中各种生化反应，不同酶在土壤生化反应中作用也不同，脲酶能够将含氮有机物水解成CO2与氨，决定着土壤中氮素的转化[16];磷酸酶能催化土壤中有机磷水解成可被植物吸收利用的无机磷，从而加快有机磷的循环速度，提高磷的利用效率[17-18];蔗糖酶催化土壤中蔗糖水解为可被植物及微生物所利用的葡萄糖与果糖，从而补充土壤中的碳源，对增加土壤中易溶态营养物质具有重要作用[19];过氧化氢酶催化土壤中过氧化氢分解，从而防止过氧化氢对作物的毒害作用[6]。
3种优化耕作集成模式对土壤酶活性、速效养分和有机质影响差异较大。ITP1模式的4种土壤酶活性、速效养分和有机质含量都显著高于传统种植模式CT。ITP1模式是由有机肥还田+耕层扩容+间隔深松+侧向追肥技术集成的，有机肥的C/N高，加剧风沙土氮素供应力不足，微生物需要分泌更多的脲酶来加速氮循环，满足作物对氮素的需求[5]。施用的有机肥本身含有较高磷酸，施用有机肥可增加磷酸酶活性[20]。施用有机肥增加土壤有机碳含量，土壤中的多数酶又属于诱导酶类，增强了蔗糖酶底物的诱导作用，因此蔗糖酶活性提高[21]。施用有机肥和耕层扩容可以改善土壤理化性质，促进作物根系代谢，根系分泌物增多，使微生物繁殖加快、提高酶活性[21-22]。耕层扩容使耕作深度由传统CT模式的17 cm增加到22 cm，深耕主要降低耕层下部土壤的容重、提高土壤孔隙度，增加粒径>0.25 mm 的土壤团聚体数量和作物根系的数量，耕层土壤物理性状变化引起土壤中生化反应进程发生改变，从而引起耕层土壤酶的活性发生变化，深耕能够提高耕层土壤中磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性[12，23-25]。
ITP2和ITP3 2种模式的4种土壤酶活性、速效养分和有机质含量模式间差异不显著，与传统种植CT模式相比，ITP2模式的4种土壤酶活性比ITP3模式的脲酶和蔗糖酶活性顯著增加，ITP3模式过氧化氢酶活性显著降低。ITP3模式是由于免耕和秸秆覆盖体系下的物质和能量以及作物根系主要聚集在表层，物质和能量同层分布有利于养分再循环能力和能量利用率的提高，物质和能量循环流动需要氮素和蔗糖酶，进而促进脲酶和蔗糖酶活性[23]。与ITP3相比，ITP2模式是在ITP3模式免耕和秸秆覆盖体系下进行的深松，虽然深松改善耕层温度、水分及通气状况等环境条件，但对调控土壤微生物组成的变化影响不明显，土壤酶主要来源于土壤中微生物和植物的活体与残体，所以对土壤酶的活性影响仅有增加趋势，处理间差异不显著[8，24]。
4 结论
在4种集成模式中，ITP1模式土壤速效养分和土壤酶活性最高，与传统CT模式相比，脲酶活性增加68.57%，磷酸酶活性增加74.04%，蔗糖酶活性增加31.44%，过氧化氢酶活性增加20.44%。ITP2和IPT3 2种模式对4种土壤酶活性的影响差异不显著，这2种模式间的土壤酶活性、速效养分和有机质含量差异不显著;与传统种植CT模式相比，ITP2模式显著增加土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，ITP3模式显著增加土壤脲酶和蔗糖酶活性，ITP2和ITP3模式显著降低土壤过氧化氢酶活性。从耕作模式对土壤有机质、速效养分、酶活性角度分析，ITP1模式最适合风沙土区玉米种植。
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