葉協(xié)鋒，楊 超，李 正，敬海霞

(1河南農業(yè)大學，國家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，河南鄭州450002;2重慶煙草科學研究所，重慶400700;3重慶市煙草公司巫溪分公司，重慶405800)

土壤酶作為土壤生物活性及土壤肥力的重要組成部分，在土壤物質循環(huán)和能量轉化過程中起著重要的催化作用，其活性高低可以反映土壤中各種生物化學反應的強度和方向［1］，對土壤肥力的演化具有重要影響［2－3］。土地利用的變化可以改變陸地生態(tài)系統(tǒng)以及地球生化循環(huán)過程，促使土壤性質的變化和土地生產力的改變，影響土壤質量和土壤環(huán)境變遷，進而引起土壤酶活性的空間變異和生物活性變化［4－5］。

近年來，對土壤酶活性和土壤肥力的研究已成為土壤學界研究的熱點［6－10］，尤其對土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關系進行了深入的探討［11－15］。然而土壤酶活性能否作為土壤肥力的指標尚無定論，多數(shù)研究者［13－15］認為，土壤酶與土壤主要肥力因子有顯著相關關系，可作為土壤肥力的指標之一;而Sakorn等［16］及周瑞蓮等［17］研究卻表明，土壤酶活性與土壤的營養(yǎng)水平間并不存在顯著相關。盡管如此，土壤酶能夠促進土壤中物質轉化與能量交換是不爭的事實。因此，對土壤酶與土壤肥力之間關系的進一步研究在理論和實踐上都有著重要意義。綠肥作為一種重要的有機肥料，其在減少化肥用量、提高作物產量、培肥土壤地力等方面起到了積極的作用。由于當前對綠肥肥效的研究主要集中在單一因素如不同酶活性或不同肥力因子上［18－20］，而對他們之間關系的研究較少，本文旨在通過對翻壓綠肥后植煙土壤酶活性與土壤肥力關系的研究，并采用簡單相關分析、典型相關分析和主成分分析，以探討施用綠肥情況下土壤酶活性與土壤肥力的關系以及將土壤酶作為評價土壤肥力指標的可行性，為改良植煙土壤，減少化肥使用，改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)展低碳煙草農業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在重慶市武隆縣趙家鄉(xiāng)新華村老街自然村進行(海拔 1036 m、東經(jīng) 107°33.588'、北緯 29°16.593')。供試土壤類型為水稻土，烤煙品種為云煙87。烤煙大田行距1.2 m，株距0.55 m，密度15000 plant/hm2，移栽時間均為每年5月5日左右，供試綠肥品種為黑麥草。2005年10月份煙葉采收結束后，在試驗地撒播種植綠肥，2006年4月份進行綠肥翻壓，同時測定鮮草平均含水率為87.38%，干草平均含碳量為38.26%，平均含氮量為1.03%，C/N為37.14。試驗地全年降水多在1000 mm以上，4至6月降水量占39%左右，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，立體氣候明顯，年平均氣溫15℃ ～18℃，無霜期240 ～285 d。

1.2 試驗設計

試驗設5個處理:CK(對照)，不翻壓綠肥，只施用化肥;T1，翻壓綠肥7500 kg/hm2;T2，翻壓綠肥15000 kg/hm2;T3，翻壓綠肥22500 kg/hm2;T4，翻壓綠肥30000 kg/hm2，每個處理3次重復，小區(qū)面積334 m2，隨機區(qū)組排列。綠肥在移栽前20 d左右翻壓。試驗始于2005年，每年度各處理均在固定田塊上進行，各處理配施化肥量均按當?shù)爻Ｒ?guī)施肥量(表1)。

表1 2005～2009年大田施用化肥情況(kg/hm2)Table 1 Fertilizer rates of the years 2005－2009

1.3 測定項目與方法

連年翻壓綠肥后，每個處理于2009年煙株移栽30 d(團棵期)左右隨機選取煙壟上兩株煙正中位置(距煙株27.5 cm處)0—20 cm土層采集5個土樣，混勻，陰涼處風干。實驗室內測定土壤酶活性及相關土壤肥力因子指標;每次取樣時測定土壤容重，計算孔隙度。

土壤脲酶采用比色法，酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，過氧化氫酶采用KMnO4滴定法，蔗糖酶采用3，5－二硝基水楊酸比色法測定［21］;土壤有機質測定采用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮采用半微量凱氏定氮法，土壤堿解氮采用堿解擴散法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗顯色分光光度法，土壤速效鉀采用醋酸銨提取火焰光度法測定［22］;土壤pH采用電位法;土壤容重采用環(huán)刀法測定［22］，利用容重數(shù)據(jù)計算孔隙度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用DPS6.55和Excel 2003進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 翻壓綠肥對土壤酶活性和土壤肥力的影響

根據(jù)綠肥的礦化腐解規(guī)律，綠肥中養(yǎng)分釋放主要集中在前6周［23］，因此，煙株移栽后30 d左右的土壤肥力指標最能反映綠肥對植煙土壤培肥改良效應。由表2和表3可以看出，翻壓綠肥處理均能明顯提高土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量，改善土壤的物理性狀，尤其是綠肥使用量在15000 kg/hm2～30000 kg/hm2(T2～T4)之間時對土壤酶活性和土壤肥力各項指標的影響更加明顯，4種土壤酶活性隨著綠肥翻壓量的增加而增強，土壤養(yǎng)分指標則以翻壓量在15000 kg/hm2～30000 kg/hm2之間較好，翻壓綠肥后，土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶提高幅度分別為13.10%～23.81%、12.92% ～29.38%、75.35% ～234.51%、29.17%～37.08%;土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、孔隙度增幅分別為13.01% ～70.41%、6.42% ～27.52%、1.14% ～10.99%、15.97% ～34.99%、10.28% ～38.30%、2.74% ～7.05%、0.19% ～2.50%，容重降幅為 1.47% ～5.15%。T2、T3、T4處理的土壤酶活性指標和土壤肥力指標與對照相比差異均顯著;T1(7500 kg/hm2)處理除堿解氮、速效鉀、容重外，其余指標與對照均差異顯著;同時可以看出，T1處理與其他處理相比，土壤各指標相對較差，說明綠肥翻壓的量達到一定程度后對土壤酶活性和肥力的影響才能發(fā)揮出來。

2.2 土壤酶活性和土壤肥力因子的關系分析

土壤酶活性是全面反映土壤生物學肥力質量變化的潛在指標［24］，土壤肥力水平在很大程度上受制于土壤酶的影響，因此要探究土壤酶活性和土壤肥力因子之間的關系，有必要進行簡單相關分析、典型相關分析和主成分分析。

2.2.1簡單相關分析 由表4可以看出，脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶4種土壤酶之間均呈極顯著正相關，同時4種酶與土壤肥力指標均呈極顯著相關關系。其中，4種酶與容重呈極顯著負相關，與其他肥力因子呈極顯著正相關，說明4種酶在促進土壤養(yǎng)分轉化，改良土壤理化性狀方面發(fā)揮著重要作用。從表4還可以看出，同一種酶不僅對特定的土壤肥力因子有顯著相關性，而且對多種土壤養(yǎng)分因子均有極顯著的相關性，說明4種土壤酶不僅在促進單一土壤養(yǎng)分因子轉化中發(fā)揮著作用，而且均參與了其他土壤養(yǎng)分因子的轉化過程，共同影響著土壤的理化性狀。

表2 翻壓綠肥對土壤酶活性的影響Table 2 Effects of returning green manure on soil enzyme activities

表3 翻壓綠肥對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of returning green manure on nutrients

2.2.2典型相關分析 典型相關分析(Canonical correlation analysis)是一種研究兩組變量之間相關關系的多元分析方法，揭示兩組指標間的內在聯(lián)系，更深刻地反映兩組隨機變量之間的線性相關情況［13］。根據(jù)不同綠肥翻壓量對土壤酶活性和土壤肥力因子的影響，本研究選擇脲酶(X1)、酸性磷酸酶(X2)、蔗糖酶(X3)、過氧化氫酶(X4)4個土壤酶活性指標和土壤有機質(Y1)、全氮(Y2)、堿解氮(Y3)、有效磷(Y4)、速效鉀(Y5)、pH(Y6)、容重(Y7)、孔隙度(Y8)8個土壤養(yǎng)分含量指標(表5)，建立土壤酶活性典型變量(U)和土壤養(yǎng)分典型變量(V)的組合線性函數(shù)。由于只有第一對典型變量和第二對典型變量呈顯著相關(P＜0.01)(表6)，因此著重研究相關關系較大的第一對和第二對典型變量。

第一對典型變量為:

第二對典型變量為:

表4 土壤酶活性與主要養(yǎng)分含量的相關系數(shù)Table 4 The coefficients between soil enzyme activities and nutrients

由典型變量組合線性函數(shù)可以看出，第一對典型變量線性函數(shù)中，4種土壤酶之間呈正相關關系(系數(shù)均為負，符號相同，因此為正相關)，土壤綜合養(yǎng)分因子中土壤全氮和容重與其他養(yǎng)分因子呈負相關(土壤全氮和容重系數(shù)為正，其他因子符號為負)，土壤酶活性與全氮和土壤容重呈負相關，與其他肥力因子呈正相關;第二對典型變量線性函數(shù)中，脲酶、過氧化氫酶與其他兩種酶呈負相關，有效磷、pH與其他肥力因子呈負相關。從第二對線性函數(shù)還可以看出，土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是酸性磷酸酶和過氧化氫酶，土壤養(yǎng)分綜合因子中起主要作用的是有機質和速效鉀。

由表5可知，第一對和第二對典型變量的相關系數(shù)分別為0.9924、0.9770，卡方檢驗結果表明第一對和第二對典型變量均呈極顯著相關(P＜0.01)(表6)，第一土壤酶綜合因子中起主要作用的是脲酶(X1其特征向量為－0.4468，絕對值最大，因此影響也最大，下同)，第一土壤養(yǎng)分綜合因子中起主要作用的是堿解氮(Y3)和有效磷(Y4)，脲酶(X1)與堿解氮(Y3)和有效磷(Y4)均呈正相關關系(特征向量均為負，因此為正相關)。同樣，第二土壤酶活性綜合因子中起主要作用的是酸性磷酸酶(X2)和過氧化氫酶(X4)，第二土壤養(yǎng)分綜合因子中起主要作用的是有機質(Y1)和有效磷(Y4)。

2.2.3主成分分析 主成分分析是一種采取降維，將多個指標化為少數(shù)幾個綜合指標的統(tǒng)計分析方法。這些綜合指標盡可能地反映了原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關［25］。為了進一步探討土壤酶活性與土壤肥力的關系，對翻壓綠肥后土壤酶活性與土壤肥力因子進行主成分分析，以便能篩選出產生影響的主要因子群。表7顯示，前兩個主成分的累計方差貢獻率為89.2856%(大于85%)，根據(jù)主成分分析原理，當累積方差貢獻率大于85%時，即可用于近似反映系統(tǒng)全部的變異信息。因此前兩個主成分能完全反映土壤肥力系統(tǒng)的變異信息。 兩個主成分中第一主成分的方差貢獻率達到81.1474%，在全部因子中占主導地位，是土壤肥力的最重要方面，故第一主成分代表了土壤各項指標的大小，是反映“土壤肥力水平”的綜合指標。因此，第一主成分可以近似地表示土壤的綜合肥力(表8)。用Y1表示土壤綜合肥力，用線性函數(shù)表示第一主成分，則土壤綜合肥力和土壤各因子之間的關系為:

表5 土壤酶活性與土壤肥力因子的典型變量Table 5 Canonical variables of soil enzyme activities and properties

表6 典型變量的顯著性檢驗Table 6 Chi-square tests

式中:X1代表脲酶，X2代表酸性磷酸酶，X3代表蔗糖酶，X4過氧化氫酶，X5土壤有機質，X6代表全氮，X7代表堿解氮，X8代表有效磷，X9代表速效鉀，X10代表 pH，X11代表容重，X12代表孔隙度。除了土壤容重(X11)系數(shù)為負外，其余指標的系數(shù)均為正，即容重與土壤酶和其他土壤肥力因子呈負相關，這與簡單相關分析和典型相關分析的結果相似。式中各變量(指標)的系數(shù)可以理解為各因子在土壤肥力系統(tǒng)所占的權重，第一主成分載荷越大，表明對土壤綜合肥力水平的貢獻越大。

表7 供試土壤主成分特征值Table 7 Principal component eigenvalues of the soils tested

表8 供試土壤主成分的規(guī)格化特征向量Table 8 Principal component eigenvectors of the soils tested

同樣，用 Y2表示第二主成分與各因子的關系為:

式中:X1代表脲酶，X2代表酸性磷酸酶，X3代表蔗糖酶，X4過氧化氫酶，X5土壤有機質，X6代表全氮，X7代表堿解氮，X8代表有效磷，X9代表速效鉀，X10代表pH，X11代表容重，X12代表孔隙度。第二主成分并不能代表土壤綜合養(yǎng)分信息，但第二主成分中，過氧化氫酶，有機質、全氮、速效鉀、pH、容重、孔隙度均有相對較大的載荷，因而對第二主成分的影響也較大。第二主成分關系式還可反映出有機質不斷分解減少時，全氮、pH、容重將增加，速效鉀、孔隙度減少。因而第二主成分主要反映了土壤內部生理生化過程的某些重要變化。

3 討論與結論

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)和能量轉化過程的重要場所，土壤酶直接參與了土壤營養(yǎng)元素的有效化過程，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉化的動態(tài)，對維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮平衡起著重要的作用［21，26］。本研究結果表明，翻壓綠肥能夠明顯提高土壤酶活性和土壤肥力水平，當翻壓量在15000 kg/hm2以上時，對土壤均有較好的培肥效果，綠肥作為一種優(yōu)質的有機肥料，與施用芝麻餅肥［27］和菜籽餅肥［28］等有機肥培肥植煙土壤的效果一樣，翻壓綠肥后可為微生物提供大量的有機碳源，促進土壤中細菌、真菌和放線菌3大類群微生物的總量成倍或成十幾倍的大幅度增加［19］，而綠肥腐解過程也需要微生物的參與，同時其分解產生的養(yǎng)分能有效補充土壤養(yǎng)分的散失，促進煙株的旺盛生長。本研究以煙株移栽后30 d的土壤數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)綠肥翻壓時間和綠肥腐解規(guī)律［23］，綠肥中大部分養(yǎng)分能夠在移栽后30 d左右釋放，而此時煙株尚未進入旺長期，對養(yǎng)分吸收較少，根系分泌物也較少，因此，此時期的土壤酶活性和土壤肥力指標更能近似地檢驗綠肥的供肥能力。

在本研究中，隨著綠肥翻壓量的增加，土壤酶活性有逐漸增強的趨勢，土壤養(yǎng)分指標則在綠肥翻壓量達到一定程度時效果較好。隨著翻壓量的逐步增大，土壤酶活性和土壤理化指標的增加變緩，尤其土壤養(yǎng)分指標還表現(xiàn)出降低的趨勢，這可能與土壤微生物分解綠肥所需的碳源和氮源狀況有關［29］，當有機物質投入土壤后，增加了土壤的碳源和氮源，有機物質分解本身能夠帶入土壤各種酶類，同時有機物質促進微生物繁殖，微生物活動能夠產生大量土壤酶。但土壤養(yǎng)分的變化趨勢則說明翻壓綠肥必須注意量的控制，綠肥翻壓量在適當?shù)姆秶鷥饶軌蚩焖俜纸獠⑨尫磐寥烙行юB(yǎng)分，而當綠肥翻壓量較大時，由于存在微生物和煙株爭奪土壤養(yǎng)分，尤其爭奪土壤氮源的矛盾，反而會抑制綠肥分解和土壤養(yǎng)分釋放，因此綠肥腐解和土壤養(yǎng)分釋放存在著隨微生物數(shù)量及其活動、以及土壤碳源和氮源變化既促進又抑制的作用，這可能是當綠肥翻壓量增加到30000 kg/hm2(T4處理)時，土壤酶活性增加趨勢變緩和部分土壤肥力指標反而變差的原因。

本研究通過簡單相關分析發(fā)現(xiàn)，4種土壤酶之間以及土壤酶與土壤肥力因子之間存在有極顯著的相關關系。不同土壤酶在土壤中的作用不僅表現(xiàn)在其專性作用上，而且還表現(xiàn)在共性作用上，相關系數(shù)的大小反映不同酶的專性作用或共性作用的大小，因而對土壤理化因子的影響也不同。而典型相關分析結果表明，第一對典型變量線性函數(shù)基本上反映了土壤酶和土壤養(yǎng)分因子之間的關系，較為真實地反映了土壤酶活性綜合因子和土壤養(yǎng)分綜合因子對土壤肥力水平的影響，這與簡單相關分析結果相似，但第二對典型變量線性函數(shù)反映的結果和簡單相關分析結果差異較大，它反映土壤酶活性綜合因子和土壤養(yǎng)分綜合因子之間的變異信息，說明典型相關分析比簡單相關分析在更深層面上反映出了土壤酶和土壤養(yǎng)分因子之間的關系。而簡單相關和典型相關的差異可能是由于在多個變量的系統(tǒng)中，任意兩個變量的線性相關關系都會受到其它變量的影響［13］，因此，無論是簡單相關還是復相關，都只是孤立考慮單個變量之間的相關，沒有考慮變量組內部各變量間的相關。但無論從簡單相關還是典型相關分析都可以看出，土壤酶在促進土壤中碳、氮、磷、鉀等礦質元素的轉化，促進土壤中碳源、氮源、多糖類、有機物質等的轉化中并不是孤立的，而是緊密聯(lián)系且互相影響的。簡單分析和典型相關分析的結果進一步說明了土壤酶在促進土壤有機物質轉化中不僅顯示專性特性，同時也存在共性關系，酶的專性特性反映了土壤中與某類酶相關的有機化合物的轉化過程，而有共性關系的土壤酶的總體活性在一定程度上反映著土壤肥力水平［14，30］。

土壤酶是土壤中活躍的有機成分之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起到重要作用。土壤酶活性能否作為土壤肥力的評價指標一直是土壤學界爭論的熱點問題。許多學者認為土壤酶活性可以作為衡量土壤生物學活性和土壤生產力的指標［13－15］，但也有學者持相反意見［16－17］。本研究通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，第一主成分的累積方差貢獻率最大，對土壤肥力起著主要作用，土壤養(yǎng)分因子和土壤酶因子均在第一主成分中具有較大的載荷，對第一主成分的影響最大。因此，第一主成分能夠近似地反映土壤的綜合肥力。對第二主成分的研究發(fā)現(xiàn)，第二主成分雖然不能代表土壤的肥力水平，但其能夠在更深層次上反映土壤內部重要的生理生化過程的變化，如可反映土壤熟化過程的部分特征，同時也說明有機物質的投入和分解對土壤理化性狀、生物學性狀具有明顯的影響。綜合簡單相關分析、典型相關分析和主成分分析可以看出，第一主成分線性函數(shù)式所表示的土壤酶及土壤養(yǎng)分因子對土壤綜合肥力的影響結果與簡單相關分析和典型相關分析中第一對典型變量線性函數(shù)所表示的影響結果一致。說明翻壓綠肥能夠明顯影響土壤酶活性和土壤養(yǎng)分因子，通過綠肥的投入，不僅能夠增強土壤酶活性，而且能夠提升土壤養(yǎng)分因子含量，進而影響土壤的綜合肥力水平。

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