楊翠萍, 馬勇剛

(1.新疆維吾爾自治區(qū)科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院, 烏魯木齊 830011; 2.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組分，在地球化學(xué)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1]。土壤酶是土壤中最為活躍的有機(jī)組成，其活性是土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)，土壤酶動(dòng)力學(xué)反映了土壤酶含量高低及與底物間緊密程度[2-3]。土壤脲酶是一種參與尿素分解的生物活性驅(qū)動(dòng)因子，其活性大小與土壤理化環(huán)境的改變關(guān)系密切[4-5]。以往對(duì)土壤脲酶著重于開(kāi)展與土壤生產(chǎn)力、肥力和健康狀況的關(guān)系的研究。目前對(duì)土壤脲酶的研究較多側(cè)重于動(dòng)力學(xué)特征的研究，但針對(duì)環(huán)境因子對(duì)脲酶活性及動(dòng)力學(xué)特征的綜合報(bào)道還較少[6-9]。通過(guò)對(duì)不同連作棉田土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征及與環(huán)境因子相關(guān)性的研究，可判別人為擾動(dòng)、脅迫環(huán)境下土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化，也能夠?yàn)楦纳仆寥郎鷳B(tài)環(huán)境和提高土壤肥力提供一定理論依據(jù)，這對(duì)土壤質(zhì)量的評(píng)估和預(yù)測(cè)有著重要意義。

阿拉爾墾區(qū)位于塔里木河上游地區(qū)，地處典型生態(tài)脆弱帶和環(huán)境危機(jī)帶，對(duì)外界的干擾，尤其對(duì)以人類活動(dòng)為主導(dǎo)的區(qū)域水土資源的開(kāi)發(fā)反響比較強(qiáng)烈[10]。該墾區(qū)20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)60 a的建設(shè)，已成為國(guó)家級(jí)優(yōu)質(zhì)商品棉基地和新疆特色農(nóng)副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化增值的示范基地，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、不合理的灌溉墾殖方式加劇了棉田土壤質(zhì)量退化[11-12]。開(kāi)展棉田土壤酶活性以及動(dòng)力學(xué)特征研究對(duì)土壤資源可持續(xù)利用具有重要意義。本文以阿拉爾墾區(qū)為典型研究區(qū)，分析不同連作年限棉田土壤脲酶活性和動(dòng)力學(xué)特征，深入揭示土壤脲酶的催化作用機(jī)理，并探討各動(dòng)力學(xué)參數(shù)與多種土壤理化因子間的相關(guān)性，旨在為該區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1　研究區(qū)概況

阿拉爾墾區(qū)地處新疆天山中段南麓，塔里木河上游、塔克拉瑪干沙漠北緣?？?0°22′—40°57′N，80°30′—81°58′E，東鄰沙雅縣，西依阿瓦提縣，南、北靠阿克蘇市，東北接新和縣。東西寬約281 km，南北長(zhǎng)180 km，平均海拔1 100 m，地勢(shì)由西北向東南傾斜，沿河岸及沖溝兩側(cè)略有抬升。該地區(qū)氣候類型屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，雨量稀少，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均溫度為11.6℃，年均降水量為17.4～42.8 mm，年均蒸發(fā)量為1 125～1 600 mm。春季浮塵、沙塵暴等災(zāi)害性天氣較常見(jiàn)。粉砂壤土為主要土壤類型，母質(zhì)以棕漠土為主。該地區(qū)是全國(guó)重要的細(xì)絨棉和最大的長(zhǎng)絨棉生產(chǎn)基地。

2　材料與方法

2.1　野外采樣

野外土樣采集于2015年7月，采樣點(diǎn)集中在研究區(qū)所屬農(nóng)一師十二團(tuán)。為研究墾區(qū)不同連作年限棉田土壤酶學(xué)特征，在研究區(qū)選擇并采集4個(gè)類型土壤樣品：5 a，10 a，15 a和20 a棉田(土壤樣品以空間代替時(shí)間序列法采集)。樣區(qū)的耕作方式為傳統(tǒng)耕作，灌溉(滴灌)與施肥由當(dāng)?shù)乇鴪F(tuán)統(tǒng)籌管理。每種類型分別選取5個(gè)典型樣方，各樣方按S型布設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)后采集表土層(0—20 cm)、心土層(20—50 cm)、底土層(50—80 cm)土壤樣品，去除植物根系和石塊，將土樣充分混勻并用四分法各取500 g。同時(shí)記錄各樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔等數(shù)據(jù)，并對(duì)各樣點(diǎn)周圍環(huán)境及土壤剖面拍照留檔。采樣前研究區(qū)20 d內(nèi)無(wú)降水，農(nóng)田15 d內(nèi)無(wú)灌溉。將帶回實(shí)驗(yàn)室后的土壤平鋪在白紙上，經(jīng)自然風(fēng)干，磨細(xì)、去雜、過(guò)80目(0.178 mm)篩，裝入樣品袋做好標(biāo)記，用于實(shí)驗(yàn)室分析。

2.2　試驗(yàn)方法

2.2.1土壤脲酶活性的測(cè)定脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測(cè)定。稱取5 g土于50 ml三角瓶中加1 ml甲苯。15 min后加入10 ml的10%的尿素和20 ml的pH值為6.7的檸檬酸鹽緩沖溶液混合均勻，在37℃恒溫箱培養(yǎng)24 h。吸取3 ml濾液加入50 ml容量瓶后加4 ml苯酚鈉和3 ml次氯酸鈉溶液搖勻。20 min顯色后定容。并在1 h內(nèi)于分光光度計(jì)578 nm波長(zhǎng)處比色。

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：以氮工作液濃、吸光值度分別為橫、縱坐標(biāo)繪制。土壤脲酶活性以土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示：NH3-N=(a樣品-a無(wú)土-a無(wú)基質(zhì))·V·n/m。式中：a樣品、a無(wú)土和a無(wú)基質(zhì)為樣品、無(wú)土對(duì)照和無(wú)基質(zhì)對(duì)照吸光值在標(biāo)準(zhǔn)曲線上所對(duì)應(yīng)的NH3-N毫克數(shù)；V為顯色液的體積；n為分取倍(浸出液體積/吸取濾液體積)；m表示土重。

2.2.2土壤脲酶動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)稱取5 g土于50 ml三角瓶中，隨后加入1 ml甲苯。15 min后加入10 ml不同濃度的尿素溶液(0.005，0.01，0.05，0.1 mol/L)和20 ml的pH值為6.7的檸檬酸鹽緩沖溶液，將溶液搖蕩混合均勻后在37℃恒溫箱培養(yǎng)，培養(yǎng)于6，18，21，24 h時(shí)取濾液3 ml，用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測(cè)定脲酶活性。

2.2.3土壤理化因子測(cè)定土壤理化因子選擇了速效鉀、速效磷、全氮、土壤含水量、有機(jī)碳、pH值、電導(dǎo)率7種指標(biāo)。測(cè)定均采用常規(guī)方法：速效鉀采用乙酸銨浸提—原子吸收法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；全氮采用酸消化法處理土樣，然后用流動(dòng)分析儀測(cè)定含量；土壤含水量采用烘干法；有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀稀釋熱法；pH值測(cè)定采用電位法；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法。

2.3　數(shù)據(jù)處理與分析

2.3.1基本統(tǒng)計(jì)處理所得數(shù)據(jù)使用Excel 2007進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算數(shù)據(jù)平均值(n=5)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)等。利用SPSS 17.0軟件中的方差分析(LSD方法)檢驗(yàn)不同土層、不同連作年限及種植模式的土壤酶活性、土壤理化性質(zhì)差異性(α=0.05)。

土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)用Michaelis-Menten方程(初速度方程)計(jì)算，見(jiàn)式(1)，該方程由試驗(yàn)獲得并反映初速度V0隨底物濃度S的變動(dòng)關(guān)系。一定底物濃度下，酶促反應(yīng)速度與時(shí)間關(guān)系曲線中以零時(shí)點(diǎn)為起點(diǎn)所作與曲線的線性部分相切直線的斜率為反應(yīng)初速度。

(1)

將Michaelis-Menten方程變?yōu)榈箶?shù)，線性化后獲得Lineweaver-Burk方程，見(jiàn)式(2)。如1/V0對(duì)1/S作圖求得米氏常數(shù)Km和最大反應(yīng)速度Vmax。其中1/Vmax為直線截距，Km/Vmax為斜率。

(2)

3　結(jié)果與分析

3.1　不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征

阿拉爾墾區(qū)不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征見(jiàn)表1。不同連作年限棉田脲酶活性隨土層深度逐漸減弱。土壤脲酶活性在同一土層各連作年限間也有一定差異性。隨著連作年限增加，土壤脲酶活性在0—20 cm土層呈先降低后升高趨勢(shì)，其活性在各連作棉田由高到低依次為：20 a >15 a>5 a >10 a，20 a最高為0.265 g/kg，10 a最低為0.154 g/kg；土壤脲酶活性在20—50 cm土層為先升高后降低再升高的規(guī)律，其活性在各連作棉田由高到低依次為：20 a >10 a >15 a >5 a，20 a最高為0.234 g/kg，15 a最低為0.176 g/kg；土壤脲酶活性在50—80 cm土層為升高的趨勢(shì)，其活性在各連作棉田由高到低依次為：20 a >15 a >10 a >5 a，20 a最高為0.197 g/kg，5 a最低為0.038 g/kg。

變異系數(shù)反映各樣點(diǎn)間數(shù)據(jù)的離散程度，一般認(rèn)為CV≤10%為弱變異性；10%

表1　不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征分析(n=5)

3.2　不同連作年限棉田土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征

不同耕作方式土壤脲酶酶促反應(yīng)底物濃度對(duì)反應(yīng)初速度的影響見(jiàn)圖1，5 a棉田與打瓜/紅棗套作模式下脲酶酶促反應(yīng)底物濃度對(duì)初速度的影響較小，在濃度為10 mmol/L時(shí)已趨于穩(wěn)定，其余模式的酶促反應(yīng)速度受底物濃度影響相對(duì)較為顯著。表2為不同耕作方式土壤脲酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)，土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要包括Vmax，Km，Vmax/Km值。本文中5 a，10 a，15 a，20 a 棉田Vmax，Vmax/Km值表現(xiàn)出明顯的隨年限增加而呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，各連作年限棉田脲酶Vmax和Vmax/Km值的大小變化分別是15 a棉田>20 a棉田>10 a棉田>5 a棉田和10 a棉田>15 a棉田>20 a棉田>5 a棉田。而不同連作年限棉田土壤脲酶Km值則顯現(xiàn)出隨連作年限增大的規(guī)律，說(shuō)明連作年限越長(zhǎng)脲酶與底物結(jié)合度越低。

圖1　脲酶酶促反應(yīng)初速度與底物濃度的關(guān)系曲線

3.3　不同連作年限棉田土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征與理化因子相關(guān)性

3.3.1土壤理化因子特征分析不同連作年限棉田土壤理化因子呈現(xiàn)出一定的差異性。如表3所示，在0—20 cm土層中，速效鉀在15 a棉田(226.318±41.657)顯著高于20 a棉田(145.039±49.101)；速效磷在15 a棉田(33.493±27.210)顯著高于5 a棉田(15.954±5.558)；土壤含水量在20 a棉田(28.602±7.128)顯著高于5 a棉田(18.378±6.051)；有機(jī)碳在15 a棉田有機(jī)碳最高為(8.323±1.794)，顯著高于5 a棉田(4.953±0.713)；全氮、pH值與電導(dǎo)率值在各年限間不存在顯著性差異。在20—50 cm土層中，速效鉀在15 a棉田(225.243±57.143)顯著高于20 a棉田(137.001±62.315)；pH值在5 a棉田(8.316±0.171)顯著高于15 a棉田(8.052±0.064)；速效鉀、全氮、土壤含水量、有機(jī)碳和電導(dǎo)率在各連作棉田不存在顯著差異。在50—80 cm土層中，速效鉀在15 a棉田(238.267±67.485)顯著高于20 a棉田(127.239±63.124)；全氮在速效鉀在15 a棉田(0.687±0.189)顯著高于20 a棉田(0.399±0.361)；pH值在5 a棉田(8.392±0.301)顯著高于10 a棉田(8.152±0.089)；電導(dǎo)率在5 a棉田(1 589.200±951.318)顯著高于20 a棉田(613.300±526.021)；速效磷、土壤含水率和有機(jī)碳在各連作棉田不存在顯著差異。

表2　土壤脲酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表3　不同連作年限棉田土壤理化因子特征分析(n=5)

3.3.2土壤酶動(dòng)力學(xué)特征與理化因子相關(guān)性對(duì)土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)與理化因子進(jìn)行相關(guān)分析可知，Vmax主要受速效磷含量和土壤含水量大小影響，與其呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.826，0.913；Vmax與電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.84。Km與土壤各理化因子均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。Vmax/Km與速效磷、土壤含水量、pH值均呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.836，0.806，0.994。綜上所述，土壤酶動(dòng)力學(xué)特征受速效磷、土壤含水量、pH值和電導(dǎo)率的影響較大。

表4　土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)與理化因子相關(guān)性(n=5)

4　討 論

4.1　不同連作年限棉田土壤脲酶活性特征

土壤脲酶是一種參與有機(jī)態(tài)氮素分解的重要酶之一，其活性高低是土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)[13-14]。本研究中土壤脲酶活性受土層深度和種植年限的影響顯著。同一年限下的土壤，表層土壤受人為影響較大且獲得的氮肥等養(yǎng)分比底土層要多，脲酶活性最高，其他土層由于土層深度加深，人為耕作作用減弱，所表征的脲酶活性更趨向于歷史沉淀的因素[15-18]。顧峰雪等[16]研究了塔克拉瑪干沙漠腹地土壤春季和夏季的酶活性特征，發(fā)現(xiàn)土壤表層的酶活性與下層相比增強(qiáng)比率較高。不同連作棉田隨著連作年限增加，表層土壤與其他土層土壤脲酶活性呈相反變化規(guī)律，而出現(xiàn)這種差異是因?yàn)樵诟鞒跗冢尢锿寥赖试谝欢ǔ潭壬媳容^貧瘠。但是隨著種植年限的增加，綠洲農(nóng)田土壤熟化和灌淤作用的增強(qiáng)促使土壤環(huán)境產(chǎn)生積極的影響，此外人為活動(dòng)干擾和耕作方式在很大程度上改變了土壤環(huán)境中碳輸入量和土壤水分的保持，而后期不合理的開(kāi)發(fā)和長(zhǎng)期耕作破壞了土壤環(huán)境[19-21]，因此隨不同連作年限的增加，棉田土壤的脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低不同的變化趨勢(shì)。

4.2　不同連作年限棉田土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征

酶活性高低是土壤肥力的重要指標(biāo)，而土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征表征了土壤中脲酶含量的高低及脲酶與底物的反應(yīng)程度，能夠從酶促反應(yīng)機(jī)理上分析綠洲農(nóng)田土壤中的生物化學(xué)過(guò)程[22-23]。土壤酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要包括Vmax，Km，Vmax/Km值。Vmax值表示酶促反應(yīng)中酶被底物濃度飽和時(shí)的反應(yīng)速度，能夠反映酶濃度大?。籏m值表征反應(yīng)復(fù)合物中酶與底物的親和力；Vmax/Km值在較大范圍內(nèi)也代表了酶促反應(yīng)初速度的大小，同時(shí)也是衡量酶催化能力的重要指標(biāo)[24-25]。

研究區(qū)不同連作年限棉田在人類活動(dòng)的影響下其土壤環(huán)境發(fā)生了重要變化，土壤脲酶活性也因此受到影響[26]。土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征受多種因素影響，因此不同年限脲酶動(dòng)力學(xué)特征均差異明顯。隨年限增加，研究區(qū)土壤Vmax和Vmax/Km值表現(xiàn)出明顯的隨年限增加而表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榉N植年限能夠?qū)G洲農(nóng)田土壤環(huán)境中的脲酶活性產(chǎn)生積極的影響，土壤水分和養(yǎng)分的改變?yōu)殡迕该复俜磻?yīng)提供了條件，使得土壤中脲酶活性升高[27-28]。但隨著連作年限增加，種植模式長(zhǎng)期重復(fù)，土壤微生物種類單一、棉田土壤質(zhì)量下降，研究區(qū)土壤酶活性顯著下降[29-30]。而Km值隨不同年限的增加而增加，這說(shuō)明棉田的連作年限越長(zhǎng)，脲酶與底物的結(jié)合度則越低。

4.3　不同連作年限棉田土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征與理化因子相關(guān)性

酶動(dòng)力學(xué)特征反映了酶在催化反應(yīng)過(guò)程的影響因素[25]。研究土壤酶動(dòng)力學(xué)特征與理化因子之間的關(guān)系可為綠洲農(nóng)田土壤改良及土壤資源的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)[31]。本研究中土壤脲酶Vmax與Vmax/Km均與速效磷、土壤含水量等因子表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。磷元素是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，是作物體內(nèi)重要的有機(jī)化合物的組成部分，當(dāng)其含量增加時(shí)，土壤脲酶活性增強(qiáng)并積極參與這些養(yǎng)分元素的轉(zhuǎn)化分解過(guò)程[31-32]。李為等[33]對(duì)桂林巖溶生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性與土壤肥力關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，土壤水解酶類活性與土壤養(yǎng)分水平密切相關(guān)，一般與土壤有機(jī)質(zhì)、全N、有效N、速效P之間呈顯著或極顯著正相關(guān)。水分條件會(huì)直接影響土壤酶活性的強(qiáng)弱，水分為土壤中的多種酶促反應(yīng)提供了反應(yīng)條件和場(chǎng)所，是土壤酶維持活性的保障[11,33]。本研究中土壤含水量與土壤脲酶動(dòng)力學(xué)特征相關(guān)性較大，主要原因是農(nóng)田土壤定期灌溉保證了土壤含水量，酶促反應(yīng)受土壤水分之外的因素影響更大[32-34]。

5　結(jié) 論

(1) 阿拉爾墾區(qū)連作棉田土壤脲酶活性隨土層深度和連作年限呈一定規(guī)律性變化。隨著連作年限增加，0—20 cm土層土壤脲酶活性呈先降低后升高趨勢(shì)，20—50 cm和50—80 cm與其規(guī)律相反。不同年限棉田土壤脲酶活性由高到低依次為：20 a棉田>15 a棉田>10 a棉田>5 a棉田。

(2) 各連作年限棉田脲酶酶促反應(yīng)總趨勢(shì)為隨底物濃度增高反應(yīng)初速度逐漸增大。5 a，10 a，15 a，20 a棉田Vmax，Vmax/Km值表現(xiàn)出明顯的隨年限增加而呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，而土壤脲酶Km值則顯現(xiàn)出隨連作年限增大脲酶與底物結(jié)合度越低的規(guī)律。

(3) 相關(guān)性分析結(jié)果表明，Vmax與速效磷、土壤含水量正相關(guān)，與電導(dǎo)率負(fù)相關(guān)，Km與各土壤理化因子相關(guān)性不大，Vmax/Km與速效磷、土壤含水量、pH值均呈正相關(guān)關(guān)系。綜上所述，土壤酶動(dòng)力學(xué)特征受速效磷、土壤含水量、pH值和電導(dǎo)率的影響較大。

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