土壤酶是土壤组成成分之一，主要来自根系分泌物、动物植物残体和土壤微生物所产生的各种游离酶和胞内胞外酶，是土壤组分中最活跃的有机成分之一[1-3]，在土壤物质循环、能量和养分转化过程中发挥着重要的作用，其活性的高低是表征土壤生物活性、土壤肥力水平和土壤质量的生物指标之一[4-7]。因此，研究土壤酶活性对于土壤肥力的形成、演化、提高以及土壤生态系统的物质循环过程都具有重要意义。
土壤蔗糖酶(Solid-Sucrase，S-SC)、过氧化氢酶(Solid-Catalase，S-CAT)和土壤脲酶(Solid-Urease，S-UE)活性在评价土壤肥力水平上具有重要意义[8-9]。其中，S-SC活性反映土壤呼吸和碳转化强度，现已被广泛用于表征土壤碳素循环和生物化学的活性强度与方向[10]；S-CAT是好氧微生物的指示物，能有效促进有害物质过氧化氢的分解，与土壤氧化还原能力和土壤有机质的转化速度有关；S-UE活性的高低代表土壤氮素的丰度，与土壤中氮的转化密切相关，故常用S-UE的活性表征土壤的氮素状况[11-12]。目前，关于有机肥对土壤酶活性的影响已有大量研究报道，孙甜田等[13]研究认为，有机肥不仅可以提高土壤酶活，还可以增加作物产量。张继光等[14]研究表明，增施有机肥可以增加土壤酶活，改善土壤理化性质。汤桂容等[15]研究发现，投入相同养分的条件下，有机无机氮肥配施会提高土壤微生物数量和酶活性。但关于微生物肥对玉米根际土壤酶活性及微生物区系的研究较少。
本试验主要对玉米生育期内条施和侧施方式下5种施肥处理间根际S-SC、S-CAT和S-UE的活性及其动态变化规律进行研究，以期明确不同微生物肥和土壤酶活性之间的内在联系，为合理施肥、改良土壤环境和寻求最佳作物稳产高产的生长环境提供理论依据。
试验地位于山西省汾阳市山西省农业科学院经济作物研究所试验基地。该地区海拔1 414 m，N 37°14′，E 111°46′，地处黄土高原，属温带季风气候。全年平均日照时数为2 601.3 h，日照百分率59%，历年平均地温为12.6 ℃，全市年平均降水量467.2 mm，年平均相对湿度为61%，年平均无霜期179 d。试验区0～20 cm耕层土壤理化性质为：有机质27.89 g/kg、全氮0.43 g/kg、全磷0.573 g/kg、全钾15.53 g/kg、速效钾163.3 mg/kg、速效磷82.12 mg/kg。
供试玉米品种为强盛388，由山西省农业科学院玉米研究所选育；供试化肥为史丹利缓释掺混肥(N∶P2O5∶K2O=26∶12∶10)；供试菌种为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)和解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)，由山西大学应用化学研究所生物化工实验室保藏。
S-SC、S-CAT和S-UE活性测定试剂盒购于南京建成生物工程研究所。
试验开始于2017年5月9日，采用随机区组设计，共10个处理，每个处理重复3次。试验具体方案如表1所示。
小区面积20.7 m2(11.5 m×1.8 m)；玉米行、株距分别为62，25 cm。施用微生物肥为晋源区有机肥+10%菌种添加量(菌种为2×1010 cfu/g)，有机质含量为40.857%。
表1 试验设计方案
Tab.1 Design of experimental treatment
序号Serial number编号Number处理Treatment小区用量/kgResidential consumption1SCK化肥撒施1.52TCK化肥条施1.53SKC化肥撒施+微生物肥(枯草芽孢杆菌)1.5+3.04TKC化肥条施+微生物肥(枯草芽孢杆菌)1.5+3.05SDY化肥撒施+微生物肥(地衣芽孢杆菌)1.5+3.06TDY化肥条施+微生物肥(地衣芽孢杆菌)1.5+3.07SJDF 化肥撒施+微生物肥(解淀粉芽孢杆菌)1.5+3.08TJDF 化肥条施+微生物肥(解淀粉芽孢杆菌)1.5+3.09SFH化肥撒施+微生物肥(复合菌种)1.5+3.010TFH化肥条施+微生物肥(复合菌种)1.5+3.0
本试验化肥采用人工撒施和条施2种施肥方式，肥料撒施后翻耕播种。微生物肥采用种肥同穴的施肥方式。复合菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌等比例混合。
分别于玉米播种期(5月9日)、苗期(5月27日)、拔节期(6月20日)和成熟期(9月15日)，在植物根际部位采用五点法随机进行土壤样品的采集。首先用土铲除去表层土，取0～20 cm玉米根际土壤，混匀并去除植物和根际残体。一份4 ℃低温保藏，另一份于通风处自然晾干后过0.2 mm筛，备用。
采用试剂盒法对3种土壤酶活性进行测定。将每天每克土壤中产生1 mg还原糖定义为一个土壤蔗糖酶活力单位；每天每克风干土壤催化1 μmol 过氧化氢降解定义为一个土壤过氧化氢酶活力单位；每天每克土壤中产生1 μg NH4+-N为一个土壤脲酶活力单位。
试验数据均采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行统计与分析。
2.1.1 不同施肥处理对S-SC的影响 由图1可知，玉米生育期内，各施肥处理S-SC活性呈现相同的变化规律，其活性在拔节期达到最大，后又呈现出逐渐降低的趋势；且各处理间该酶活性均高于对照，以TJDF对S-SC的活性影响最大。与单施化肥(TCK)相比，在玉米苗期、拔节期和成熟期TJDF处理酶活性分别提高了41.9%，20.7%和68.0%；TKC处理酶活性提高了15.1%，8.7%和16.6%；TDY处理酶活性分别提高了23.7%，12.8%和33.1%；TFH处理酶活性分别提高了17.3%，4.1%和23.2%。可见，增施微生物肥可促进S-SC活性的提高，其中，以化肥配施微生物肥(解淀粉芽孢杆菌)促进效果最明显，化肥配施微生物肥(地衣芽孢杆菌)次之。
2.1.2 不同施肥处理对S-CAT活性的影响 图2显示，玉米生育期内，S-CAT活性呈逐渐增加的趋势，最高值出现在成熟期。不同施肥处理表明，TFH处理对S-CAT活性影响最为显著，与单施化肥(TCK)相比，在玉米苗期、拔节期和成熟期分别提高了7.6%，9.0%和6.3%。因此，增施微生物肥可以促进S-CAT活性的提高，以化肥配施微生物肥(复合菌种)促进效果最明显。其他施肥处理则抑制S-CAT活性。
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图2-6同。
Different lowercase letters indicated significant difference
among treatment atP<0.05 level. The same as Fig.2-6.
图1 条施下不同施肥处理对S-SC活性的影响
Fig.1 Effect of different fertilization treatments on S-SC activities under lateral application of fertilizer
图2 条施下不同施肥处理对S-CAT活性的影响
Fig.2 Effect of different fertilization treatments on S-CAT activities under lateral application of fertilizer
2.1.3 不同施肥处理对S-UE活性的影响 由图3可知，S-UE的活性在玉米生育期内呈现先增加后降低的变化趋势，在拔节期活性达到峰值。其中，以TJDF处理对S-UE活性影响最大，与单施化肥(TCK)相比，在玉米苗期、拔节期和成熟期TJDF处理酶活性分别提高了15.8%，30.4%，21.8%；TDY处理酶活性分别提高了12.7%，19.7%和19.9%。因此，增施微生物肥可促进S-UE活性的提高，以化肥配施微生物肥(解淀粉芽孢杆菌)促进效果最为显著；化肥配施微生物肥(地衣芽孢杆菌)促进效果次之。
图3 条施下不同施肥处理对S-UE活性的影响
Fig.3 Effect of different fertilization treatments on S-UE activities under lateral application of fertilizer
2.2.1 不同施肥处理对S-SC酶活性的影响 从图4可以看出，撒施方式下S-SC活性在玉米拔节期达到最高，后呈现逐步降低的趋势。其中，SJDF处理酶活性最高，与单施化肥(SCK)相比，在玉米苗期、拔节期和成熟期SJDF处理酶活性分别提高了37.4%，18.6%和22.9%；SKC处理酶活性分别提高了11.6%，12.5%和2.5%；SDY处理酶活性分别提高了19.3%，6.9%和14.8%；SFH处理酶活性分别提高了10.0%，2.9%和18.9%。
条施方式下玉米苗期和拔节期S-SC活性均低于撒施方式，成熟期差异不显著。玉米生育期内，施肥方式不同，各施肥处理间S-SC活性存在一定差异。撒施方式下各施肥处理在玉米苗期、拔节期和成熟期S-SC酶活性大小分别为：SJDF>SDY>SKC>SFH>SCK、SJDF>SKC>SDY>SFH>SCK、SJDF>SFH>SDY>SCK>SKC；而条施方式下各施肥处理在玉米苗期、拔节期和成熟期S-SC酶活性大小分别为：TJDF>TDY>TFH>TKC>TCK、TJDF>TDY>TKC>TFH>TCK、TJDF>TDY>TFH>TKC>TCK。因此，化肥条施可促进肥料的综合利用率、有利于植株对养分的吸收利用、提高土壤酶活性。
图4 撒施下不同施肥处理对S-SC活性的影响
Fig.4 Effect of different fertilization treatments on S-SC activities under spread application of fertilizer
2.2.2 不同施肥处理对S-CAT活性的影响 图5表明，撒施方式下S-CAT活性成熟期达到峰值，SFH处理活性最高。与单施化肥(SCK)相比，SFH处理活性在玉米苗期、拔节期和成熟期分别提高了9.5%,10.5%, 4.0%。其余施肥处理对S-CAT活性影响规律不明显。
条施方式下S-CAT活性苗期和拔节期均大于撒施方式，成熟期则低于撒施方式。玉米生育期内，施肥方式不同，各施肥处理间S-CAT活性存在一定差异。撒施方式下各施肥处理在玉米苗期、拔节期和成熟期S-CAT活性大小分别为：SFH>SJDF>SCK>SKC>SDY、SFH>SJDF>SCK>SKC>SDY、SFH>SCK>SJDF>SKC>SDY；而条施方式下各施肥处理在玉米苗期、拔节期和成熟期S-CAT活性大小分别为：TFH>TCK>TJDF>TKC>TDY、TFH>TCK>TJDF>TKC>TDY、TFH>TCK>TJDF>TKC>TDY。因此，化肥条施可促进肥料的利用率、有利于植株对养分的吸收利用、提高土壤酶活。
图5 撒施下不同施肥处理对S-CAT活性的影响
Fig.5 Effect of different fertilization treatments on S-CAT activities under spread application of fertilizer
2.2.3 不同施肥处理对S-UE活性的影响 由图6可知，撒施方式下S-UE活性峰值出现在拔节期，其中以SJDF处理对S-UE活性影响最大，与单施化肥(SCK)相比，SJDF处理中该酶活在玉米苗期、拔节期和成熟期分别提高了14.4%，4.6%和8.6%；SDY处理分别提高了12.0%,2.0%,8.6%；SFH处理分别提高了4.3%，0.4%和6.3%。SKC对S-UE活性影响规律不明显。
图6 撒施下不同施肥处理对S-UE活性的影响
Fig.6 Effect of different fertilization treatments on S-UE activities under spread application of fertilizer
玉米生育期内条施方式下S-UE活性均高于撒施方式，撒施和条施方式下各施肥处理在玉米苗期、拔节期和成熟期S-UE活性大小均为：JDF>SDY>SFH>SCK>SKC。因此，化肥条施可促进肥料的利用率、有利于植株对养分的吸收利用、提高土壤酶活。
田间试验表明，玉米生育期内S-SC和S-UE的活性随时间的推移呈先增加后降低的变化趋势，在拔节期达到最高，这个时期植株生长旺盛、根系发达，养分需求增大，会刺激S-SC和S-UE活性迅速增加以满足植株生长需求[16-17]，是土壤微生物活动的重要阶段。S-CAT活性在玉米生育期内逐渐增加，成熟期达到峰值，由于成熟期植株成熟，根际植物残体及凋落物增多，诱使其活性增强以氧化分解土壤中的过氧化氢。
从不同施肥处理对土壤酶活性的影响可以看出，化肥和解淀粉微生物肥配施对S-SC活性和S-UE活性的影响最大，化肥和复合菌种微生物肥配施对S-CAT活性影响最大。说明化肥和解淀粉微生物肥配施可以显著增强S-SC和S-UE活性，化肥和复合菌种微生物肥配施可以显著增强S-CAT活性，这是因为微生物肥和无机肥的投入不仅给土壤提供丰富的能源，且带入大量的微生物，进而激发土壤的能量代谢，极大的提高土壤酶活性。这与相关学者的研究结果一致[18-20]，故化肥配施微生物肥能改善土壤环境，提高土壤酶活性。有关施肥对S-CAT的影响存在差异，李明松等[21]研究认为，长期施肥可以提高S-CAT活性；马守臣等[22]研究表明，施肥处理对S-CAT活性影响差异较小；相关研究表明，施肥或配施有机肥均可抑制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，有关不同施肥处理对S-CAT活性的影响有待进一步深入研究。
不同的施肥方式表明，条施方式S-SC活性在玉米苗期和拔节期均低于撒施方式，成熟期规律不明显，说明肥料撒施有利于作物根系的早期吸收，故在苗期和拔节期，S-SC活性较大。条施方式下S-CAT活性在苗期和拔节期大于撒施方式，成熟期小于撒施方式，说明条施有利于减少土壤中过氧化氢对植株所造成的毒害作用，这可能是由作物不同生育期内根系分泌物、土壤理化性质、土壤环境和作物生长状况所导致的[25-26]。S-UE活性在玉米生育期内撒施低于条施，故条施化肥可以提高氮元素有效利用率，促进植株对肥料的吸收利用。这可能是由施肥方式对土壤养分、矿质元素、根系代谢和分泌活动的影响所导致的。
综上所述，不同土壤酶活在玉米生育期内呈现不同的变化规律，土壤蔗糖酶和土壤脲酶活性呈现出先增高后降低的趋势，土壤过氧化氢酶活性呈逐渐升高的趋势。不同施肥方式下土壤蔗糖酶、土壤过氧化氢酶和土壤脲酶活性存在一定的差异，故化肥条施可以提高肥料的综合利用率，促进土壤中养分的转化和释放，利于植株的生长发育。不同的施肥处理表明，化肥配施微生物肥可以改善土壤环境，增强土壤酶活性，为作物提供有利的生长条件。因此，化肥条施方式下，增施微生物肥可以提高土壤酶活性，改善土壤理化性质，促进土壤肥力水平和可持续生产能力。
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