施氮措施对旱作玉米地土壤酶活性及CO2排放量的影响.docx

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1、 目录 1.绪论1 1.1 研究目的和意义11.2 土壤酶研究进展11.3 土壤酶活性的综述21.4 土壤酶活性影响因子3 1.4.1土壤状况与土壤酶活性3 1.4.2 土壤微生物、土壤动物与土壤酶活性5 1.4.3农业耕作措施与土壤酶活性5 1.4.4 植物生长与土壤酶活性71.5 土壤CO2排放研究进展71.6 CO2排放研究方法9 1.6.1箱法9 1.6.2 微气象法102.试验内容10 2.1 试区概况10 2.2 试验试剂与器材10 2.2.1 供试材料10 2.2.2 试验器材10 2.2.3 试验试剂102.3 试验设置112.4 测定方法112.5 数据处理123.结果与分析

2、123.1 不同施氮措施对土壤酶活性的影响12 3.1.1 不同施氮措施对土壤脲酶活性的影响12 3.1.2 不同施氮措施对土壤蔗糖酶活性的影响13 3.1.3 不同施氮措施对土壤过氧化氢酶活性的影响143.2 不同施氮措施对土壤CO2 排放量的影响153.3 土壤酶活性与土壤CO2 排放量相关性174结论与讨论184.1 不同施氮措施对土壤酶活性的影响18 4.1.1不同施氮措施对土壤脲酶活性的影响18 4.1.2 不同施氮措施对土壤蔗糖酶活性的影响18 4.1.3 不同施氮措施对土壤过氧化氢酶活性的影响194.2 不同施氮措施对土壤CO2排放量的影响204.3 土壤酶活性与土壤CO2排放量

3、相关性20参考文献：21附录：24致谢：34施氮措施对旱作玉米地土壤酶活性及CO2排放量的影响作者：韩松 指导老师：廖允成摘 要：为研究不同氮肥种类以及氮肥施用量对旱作玉米地土壤酶活性与CO2排放量的关系，本研究设置了9个处理，速效氮肥采用尿素（N）=46%，施氮量为80 kg/hm2（N1）、160 kg/hm2（N2）、240 kg/hm2（N3）、320 kg/hm2（N4），缓释氮肥 （N）=44.6%，施肥量为80 kg/hm2（SR1）、160 kg/hm2（SR2）、240 kg/hm2（SR3）、320 kg/hm2（SR4），不施氮肥处理为对照（CK）。 对施用速效氮肥(尿素

4、)和缓释氮肥的旱作夏玉米地土壤酶活性及CO2排放量进行分析。结果表明，与不施肥处理比较，不同氮肥种类和施用量均可显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性和CO2的排放量。在整个生育期，尿素与缓释氮肥处理土壤酶活性和土壤CO2排放量表现出相同变化趋势，尿素和缓释氮肥处理土壤CO2平均排放量分别为459.12 mgm-2h-1和427.11 mgm-2h-1，两者达到显著差异水平（P0.05）。相关分析表明，土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性与土壤CO2排放量呈显著或极显著正相关，相关系数分别为0.79、0.64和0.80。说明相同施氮量缓释氮肥较尿素能有效提高土壤酶活性并降低土壤碳排放量。关键词：

5、旱作农田；夏玉米；氮肥；酶活性；CO2排放量Effects of fertilizers on soil enzyme activities and CO2 emission in dry-land of maizeAbstract: This experiment is conducted to explore the effects of different types and dosages of nitrogen fertilizers on soil enzymatic activities and soil CO2 emission in the arid farming land

6、 of summer maize .Nine treatment levels were set, including four levels each of available nitrogen (urea) and low-release nitrogen, specifically, 80 kghm-2 urea (N1), 160 kghm-2 urea (N2), 240 kghm-2 urea (N3), 320 kghm-2 urea (N4), 80 kghm-2 slow-release fertilizer (SR1), 160 kghm-2 slow-release fe

7、rtilizer (SR2), 240 kghm-2 slow-release fertilizer (SR3), 320 kghm-2 slow-release fertilizer (SR4), and no-fertilizer treatment served as control (CK). The results showed that CO2 emission and activities of urease, invertase and catalase in the fertilizer treatments were higher than those in no-fert

8、ilizer treatment (P0.05). During the whole growth period, the same trends of three enzymes activities and CO2 emissions were detected between the treatments of available nitrogen and slow-release nitrogen, There were significant differences (P麦秆草木樨：对脲酶活性和磷酸酶活性的影响为草木樨玉米秸秆麦秸。与对照相比，化肥的施用也提高了土壤酶活性，但幅度较小

9、。而施用化肥提高土壤酶活性的原因，是由于化肥能促进作物根系代谢，使根系分泌物增多，微生物繁殖加快，从而提高土壤酶活性。袁玲等对水稻土的研究发现，有机、无机肥配合施用能提高土壤中转化酶、磷酸酶、蛋白酶、脲酶的活性，而对过氧化氢酶的影响较小，其中土壤蛋白酶、脲酶、转化酶的活性与土壤NH4-N和有机质含量，土壤磷酸酶的活性与土壤有机磷和有机质含量呈极显著或显著正相关。李科江等在半干旱区进行的施肥对土壤酶活性影响的研究表明，施肥处理土壤的酶活性与对照相比，均有不同程度地提高，尤其对脲酶和蔗糖酶的影响最大，绿肥对土壤酶活性的影响最大35。冯锐的研究结果表明，施肥、尤其是有机肥+化肥与不施肥相比，能够极显

10、著或显著地提高土壤中碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶的活性，有机肥+化肥比单施化肥更显著地提高了酶的活性36。关连珠对棕壤土和潮棕壤土农田的研究表明，施用有机肥的各处理，过氧化氢酶活性可提高1015，施用化肥处理则降低36，转化酶的效果也较明显，施用有机肥各处理增加幅度为4090，化肥处理和对照减少21 l，脲酶活性变化最大，施用有机肥各处理增加140230，化肥处理虽有增加趋势(15)，但增幅很小，对照处理则有所下降，下降幅度为218，施有机肥各处理的磷酸酶活性亦有所增加，但与化肥相比增加不甚明显。总之，长期施用有机肥或化肥均可提高土壤中各种酶的活性，其中脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶、转化酶等增加较

11、多，而且有机肥、无机肥配施的效果最佳37。（3）灌溉灌溉能改善土壤的水分状况，也能改善土壤的其他性质，如营养物质的移动性和微生物的活动等。Xasvlee(1982)对淋溶黑钙土的研究表明，在所有的耕作处理里，灌溉均增强了土壤的酶活性。灌溉后的土壤酶活性的增强是因为微生物的生命活动得到了改善。在O2的吸收和CO2的泌出速率间存在着显著的相关。1.4.4 植物生长与土壤酶活性植物的生活以叶的光合作用和根的养分吸收为基础，而土壤养分变化与酶促作用有关。所以，土壤酶与植物生长之间存在密切联系。主要表现为土壤有效养外的释放与植物干物质积累的联系；不同温、湿度条件下，土壤生化过程强度与植物生育的协调性；酶

12、活性对植物根系的依赖性；土壤酶动态变化与土壤生产力的关系等方面。（1）作物生育期时酶活性作物不同生育时期气候条件有异，土壤酶活性变化较大，但它们之间存在一定的关系。中国农业科学院土壤肥料研究所的研究结果表明，种植冬小麦的褐土酶活性变化趋势为：小麦前期到成熟期，脲酶活性、蛋白酶活性变化趋势基本一致，越冬期与收获后期酶活性最低，幼苗期活性稍高。尿酶、蛋白酶活性迅速增强，最高都在三月内，从拔节到开花期均逐渐下降。蔗糖酶活性自幼苗期迅速上升后，从越冬到开花均处在较高活性水平，成熟期下降，以后稍有回升。表明冬小麦整个生育时期与土壤酶活性密切相关。陈恩风等的研究结果表明，蔗糖酶活性随作物生长而增强，至作物

13、生育盛期达最大值，而后趋于减弱。关松荫研究潮土过氧化氢酶活性发现，在冬小麦生育旺盛阶段酶活性最高。曾路生等38研究表明：水稻不同生育期土壤脲酶活性表现出先升后降，而酸性磷酸酶和脱氢酶活性则表现出先降后升再降的变化规律。脲酶及酸性磷酸酶活性在水稻移栽后30d左右形成峰值，而脱氢酶活性则在50d左右形成峰值，且在水稻不同生育阶段差异显著。（2）土壤酶活性与作物生产力关系土壤酶活性与作物生育有很好的协调性，那么酶活性与土壤生产力之间存在的联系是怎样的呢?多数研究者指出，土壤酶活性的变化与土壤生产力存在较好的相关性。酶活性状况较好的土壤生化过程较活跃，生产性能也较好。一些研究者发现，土壤磷酸酶与作物产

14、量之间存在正相关关系。土壤磷酸酶活性、有机磷含量与马铃薯产量之间的相关分析指出，土壤磷酸酶活性和有机磷含量之间，马铃薯产量与有机磷之间，马铃薯产量与磷酸酶活性之间均具有很好的相关性。认为土壤磷酸酶可做为衡量土壤有效肥力水平及土壤生产性能的指标之一。1.5 土壤CO2排放研究进展太阳辐射被大气层中的温室气体吸收，很大一部分辐射能又返回到地球表面，从而导致全球温度上升，这称为温室效应。大多数学者认为温室效应是造成全球变暖的重要原因。工业革命以来，人类活动对生物圈的影响已由区域扩展到全球。人口的增加、土地利用和覆盖的变化、化石燃料的燃烧、环境污染的加剧，导致大气中CO2、N2O和CH4等温室气体的浓

15、度逐年增加。大气中不断增多的CO2是导致全球变暖的主要原因。工业革命以来，温室效应引起的全球气候变暖问题是21世纪人类面对的最大生态问题。全球气候变暖不仅对全球生态环境造成巨大的影响，还对世界各国的经济发展甚至人类的生存环境产生了一系列不利影响，而且这种影响是全球性的，同时也将是长期性的。中国是目前世界上最大的发展中国家，同时也是世界上仅次于美国的第二大CO2排放国家。因此研究中国的CO2排放问题，不仅有利于中国的可持续发展，而且对缓和全球气候变暖也有重要意义。影响土壤二氧化碳排放的因素有：（1）土壤微生物土壤微生物直接或间接影响着土壤CO2的排放。有研究表明土壤微生物呼吸约占土壤总呼吸的50

16、。土壤微生物量与土壤呼吸速率有明显的正相关关系39。温度和降水等气候因素通过控制土壤的养分供给、数量等影响土壤微生物呼吸作用；土壤环境、水分、重金属、农药也直接或间接影响微生物呼吸。（2）植物植物根系呼吸在土壤呼吸中占很大比例，根系生物量大的土壤，其土壤呼吸速率也较大。土壤因子、气候因子、人为干扰等都会通过影响根系呼吸而影响土壤呼吸。在作物不同的生长阶段，干系呼吸的强度也不同：在生长旺盛的阶段，根系生物量也相应增加，根系呼吸在土壤呼吸中的比重也较高40；叶面积也影响了土壤呼吸，它是通过影响植物覆盖下的土壤湿度、温度而直接影响土壤呼吸。Raich等发现，近熟林土壤呼吸与凋落物呈正比例。在德国东部

17、斐克特高原的挪威云杉林中，移除凋落物层后土壤呼吸明显减弱42。（3）土壤温度土壤温度可以驱动土壤呼吸，大量研究表明，温度升高会促进土壤CO2的排放43,44。土壤温度通过影响微生物活性、植物生长、有机质分解等影响土壤呼吸。但也有学者认为CO2的通量与温度的关系不大，而是受到光照的影响较大45。（4）土壤水分野外试验证明农田土壤CO2的排放不能单一的用土壤温度的影响来解释，土壤含水量对土壤呼吸同样存在很大影响。土壤水分主要影响土壤氧化还原电位(Eh)、pH、土壤空隙度、温室气体的扩散速率、植物生长、微生物活性等，进而影响土壤呼吸。Subke等的研究发现，湿度是影响土壤CO2排放的重要非生物因素之

18、一46。Chimner等人发现在一定水分含量范围内，CO2排放量与水分呈极显著相关。（5）土壤有机质土壤有机质是土壤呼吸的碳源，对土壤温室气体排放有重要影响。土壤活性有机碳是微生物生长的速效基质，其含量高低直接影响土壤微生物活性，从而影响温室气体的排放。张金波等的研究证明，土壤有机碳的结构和数量是影响土壤呼吸温度敏感性的重要因素47。（6）土壤pH土壤pH通过影响土壤微生物的活动、土壤有机质及作物根系的生长等影响土壤呼吸。一般认为，pH值为68时，土壤微生物活性最强48。土壤pH是通过酸化累积过程导致土壤养分元素含量的差异影响CO2的排放，所以pH并不是直接影响土壤呼吸的因素49,50。（7）

19、人类活动人类活动对农田土壤呼吸有巨大的影响，主要包括化肥的施用、耕作方式、土地利用方式、灌溉等。他们通过影响土壤的非生物及生物因子而影响土壤呼吸。这些影响因子之间不是独立存在的，多个因子之间相互影响，共同作用。所以在研究土壤呼吸时应考虑因子的综合作用，这也是研究土壤呼吸过程中的难点。1.6 CO2排放研究方法最早对土壤二氧化碳测定的报道可追溯到Boussingault和Lewy于1853年所发表的文章，他们采用了氢氧化钡溶液吸收土壤空气中的二氧化碳。在其后的100多年，测定方法主要依靠在此基础上的化学吸收和物理气压计量测定，尽管在土壤化学和土壤生物化学方面进行了努力，其灵敏度问题仍然无法解决。

20、到20世纪50年代末，气相色谱(GC)方法的发明以及在土壤学方面的广泛应用，极大地提高了土壤CO2测定的灵敏度，相继发明了以涡度相关技术为核心的微气象学方法、静态和动态箱法等方法。随着现代科学技术的发展，土壤二氧化碳测定从单一化学方法，到化学一物理一生态学的多方位、多角度的测定方法，都有长足的进展。在诸多的测定方法和设备、装置中，应用比较广泛的土壤二氧化碳通量原位测定方法有微气象学方法和箱法。1.6.1箱法箱法的工作原理是用特制采样箱罩在一定面积的土壤及其植物上方，并隔绝箱内外气体的自由交换，测定箱内空气中被测温室气体随时间的变化，并据此计算得到该气体的交换通量。箱法测定(chamber me

21、thod)包括静态(static)和动态(dynamic)箱法。（1）静态箱一碱液吸收法是一种应用最早的化学方法。把盛有碱溶液的容器敞口置于一个下端开口的样品箱里，快速密封样品箱，扣在待测样地上，一段时间后拿出做酸碱滴定，计算土壤CO2通量。（2）静态箱一气相色谱法即用密封的箱子在野外收集二氧化碳，用注射器采集气体样品，拿回到实验室用气相色谱(GC)测定CO2的浓度，进而推算此时此地的土壤二氧化碳通量。（3）静态箱一红外线法即用密封的箱子在野外收集CO2，用注射器采集气体样品，拿回到实验室用红外线气体分析仪测定CO2的浓度或者直接在野外测定土壤CO2通量。（4）动态箱法又称开放箱法，其工作原理

22、是用不含CO2或已知CO2，以一定的速率从覆盖在土壤表面的箱体，经过红外线气体分析仪测量其中气体的CO2含量，根据进出箱体的CO2浓度差，计算土壤CO2通量。1.6.2 微气象法微气象学测定方法(micrometeorological method)是建立在气象学基础上的微型化气象测定方法。它根据气温、地温、风向、风速、太阳辐射、降雨量等气象因子来推算CO2通量，要求建立观测站，包括观测塔和相关的气象观测仪器和设备，代价昂贵，需要维护，适于大范围、中长期定位观测，对于土壤CO2通量的测定相对比较间接。2.试验内容2.1 试区概况 本试验于2010年在西北农林科技大学标本区进行。试验田处于北纬3

23、4o21，东经108o10，海拔525 m，年均日照时数2196 h，年均气温1214 ，年均降水量580.5 mm，属暖温带半湿润气候。试验田土壤为壤土，pH值7.30，土层深厚，通气良好，020 cm土层土壤有机质12.19 g/kg、全氮1.43 g/kg、速效磷18.12 mg/kg、速效钾120.64 mg/kg。2.2 试验试剂与器材 2.2.1 供试材料供试品种为巡天19号。2.2.2 试验器材GXH-3010E1型便携式红外CO2气体分析仪、分光光度计、水浴锅、土钻、土壤筛、天平、试管、分液漏斗、移液管、三角瓶、滴定管等。2.2.3 试验试剂柠檬酸盐缓冲液、苯酚钠溶液、次氯酸钠

24、显色剂、磷酸缓冲液、甲苯、碱性硫酸铜溶液、Na2S2O3溶液、0.1mol/L的KMnO4溶液等。2.3 试验设置 本试验地前茬作物为冬小麦，旋耕处理后设置9个处理，不施氮肥处理为对照（CK）；缓释氮肥由中国农业大学胡树文教授提供，缓释氮肥 (（N）=44.6%)，施肥量分别为80 kg/hm2（SR1）、160 kg/hm2（SR2）、240 kg/hm2（SR3）、320 kg/hm2（SR4）；速效氮肥采用尿素（N）=46%，施氮量分别为80 kg/hm2（N1）、160 kg/hm2（N2）、240 kg/hm2（N3）、320 kg/hm2（N4）。上述各处理均一次性施入过磷酸钙（P

25、2O5）16%750 kg/hm2作底肥，施氮量均为纯氮、磷量。小区面积6 m9 m=54 m2，播量90 kg/hm2，行距60 cm。6月20日播种，10月15日收获。随机区组设计，3次重复。整个生育期全部为旱作，不进行人工浇水，其他管理措施同当地农田。2.4 测定方法2.4.1 酶测定 每小区采用S形取样法随机取5点，分别于2010-07-12（苗期）、2010-08-12（拔节期）、2010-08-22（抽雄期）、2010-09-15（开花期）、2010-10-11（成熟期）进行田间取样，用土钻取020 cm层土样，土样经风干后过1 mm土壤筛。然后进行蔗糖酶、土壤脲酶和过氧化氢酶活性测定， 脲酶采用奈氏比色法测定。以尿素溶液和甲苯做培养液，用pH6.7的柠檬酸盐做缓冲液，37下培养24h后用1.35mol/L苯酚钠溶液和0.9次氯酸钠做显色剂，在721分光光度计上于波长578nm处进行比色，酶活性用NH3-N的mg/g土表示。蔗糖酶采用硫代硫酸钠滴定法测定。用pH5.5的磷酸缓冲液和甲苯做培养液，培养24h后用碱性硫酸铜溶液做显色剂，再通过水浴锅加热，然后用Na2S2O3滴定，酶活性用土壤中葡萄糖mg/g土表示。过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定。加入过氧化氢反应剂，振荡30min后