地表太阳辐射减弱下麦田土壤酶活性及有效养分的动态变化

郑有飞，李萍，吴芳芳

(南京信息工程大学1.江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室;2.环境科学与工程学院，江苏南京210044)

0 引言

近年来，由于人类活动的影响，到达地面的太阳总辐射量下降趋势明显，长江三角洲地区晴空率正在逐渐降低，导致植物光合有效辐射减少，造成农作物生长受阻(翟薇等，2006;翟薇，2007)。1950—2000年，中国陆地平均年总太阳辐射显著减少，观测到的辐射值约每10 a减少3%～4%(UNEP，2002，2008;王体健等，2010)。长江三角洲地区工业发展密集，空气污染显著增加，导致到达地表的太阳辐射量约每10 a减少超过6%(Qian et al.，2007)。光照是植物进行光合作用的最重要能量来源，光照强度是影响小麦光合生产、生长发育、产量与品质的重要环境因素(郭峰等，2008;郭翠花等，2010)。光照强度变化对小麦影响的研究，主要集中在对小麦产量(董琦等，2007)、光合作用和生理指标的影响方面(郭翠花等，2010)，而少见关于土壤系统的影响研究。土壤酶是土壤有机体的代谢动力，在生态系统中起着重要的作用，能催化土壤中的生物化学反应，其活性是评价土壤肥力和土壤生态环境质量的重要生物学指标(Nannipieri et al.，2002;Iker and Roberto，2006;朱同彬等，2008)，能够较敏感地反映出土壤质量在时间序列和各种不同条件下的变化(郑有飞等，2009)。土壤速效养分提供植物生长所必须的营养，是影响土壤酶活性的重要因素(熊明彪等，2003)。土壤酶活性与土壤养分含量的变化，在某种程度上能反映出土壤肥力的变迁，二者存在一定的相关性(邱莉萍等，2004;焦婷等，2009)。

本文通过大田遮光试验，模拟不同程度的地表太阳辐射减弱条件，探索土壤酶对不同光照强度的响应，分析土壤酶活性和土壤养分的相关性，探讨遮光处理下土壤酶作为土壤肥力指标的可行性，以期为全面、系统地评价未来长江三角洲地区不同程度太阳辐射减弱对麦田土壤系统的影响提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在南京信息工程大学生态与农业气象实验站进行，地属亚热带湿润气候，土壤为黄棕壤，土壤肥力测定于播种前进行，全氮含量为1.14 g·kg－1，全磷含量为0.79 g·kg－1，全钾含量为12.89 g·kg－1，速效磷46.35 mg·kg－1，速效钾59.38 mg·kg－1，肥力中等。供试作物为冬小麦(扬麦13)，是当地常规品种，试验大田面积40 m×20 m，周围均为麦田。2009年11中旬在大田播种，按当地播种习惯进行。播种前施足底肥，施用有机—无机复混肥料692.22 kg·hm－2，其中氮、磷、钾总养分(8N-6P2O5-6K2O)约为20%，有机质20%，腐殖酸4%。遮光处理前进行间苗，使单位面积内冬小麦苗数一致。2010年2月26日小麦返青期开始进行遮光试验，每天遮光24 h，至收获前5 d停止。整个生长期，各处理下水肥条件与田间管理一致，无病虫害及杂草的影响，使其不成为冬小麦生长的限制因子。

本试验采用单因素随机区组设计，使用4种不同透光度的黑色遮阳网对冬小麦遮光处理，同种规格的遮阳网设置两个，遮阳棚用镀锌钢管搭建，搭建面积约为4 m×4 m，用铁丝在顶部做网状结构，用以支撑遮阳网，整个遮阳棚顶部设计为可上下调节的活动装置，可随着小麦生长加以调节。根据对以往太阳辐射强度变化的监测及相关研究(蔡昆争和骆世明，1999;任万军等，2003;Qian et al.，2007;王体健等，2010)，试验共设置5个处理:自然条件下不遮光作为对照组(CK)、遮光40%、遮光60%、遮光80%、遮光85%。处理间两两间隔3 m，整个生育期，随着小麦生长高度调节遮阳网和冠层间的距离，保持在50 cm左右，并采用TBQ-2型总辐射表测定到达冠层的太阳总辐射量，根据情况适当更换遮阳网，使到达植物冠层的太阳总辐射变化量控制在预设值的±5%的范围内。

1.2 土壤样品的采集

由于遮光使得不同处理下冬小麦的生长期存在一定差异，本文按照遮光85%处理组，在小麦的不同生长期定期采集土壤(为方便理解，以下文中出现的生育期均按照遮光85%处理下生育期进行描述)。采样时间为2010年4月13日(CK、40%孕穗期，60%、80%、85%拔节期)、4月27日(CK扬花期，40%、60%抽穗期，80%、85%孕穗期)、5月7日(CK、40%、60%、80%灌浆期，85%抽穗期)、5月13日(灌浆期)、5月31日(成熟期)。采用多点混合采样法，每个处理的土壤样品由3～5个采集点的土壤混合，使用干净的土铲将冬小麦植株连根一起从土壤中铲出，将植株根系周围3～10 cm的土壤作为远根区土样，将根系周围3 cm以内附着的土壤小心剥下，作为近根区土样，将采集到的土样装入保鲜袋，准确编号，立即带回实验室，剔除石块、茎秆和根茬等杂物，将颗粒大小均匀的土样置于牛皮纸上自然风干5 d，研磨过60目筛，放入干净的自封袋中，密封保存。

1.3 实验方法和数据处理

冬小麦各不同生育期的观测确定方法:拔节期(茎基部节间伸长，露出地面约1.5～2.0 cm)，孕穗期(旗叶全部抽出叶鞘)，抽穗期(从旗叶叶鞘中露出穗的顶端)，开花期(在穗中部小穗花朵壳张开，露出花药，散出花粉)，灌浆期(穗中部籽粒开始充入乳白状浆液)(黄祥辉和胡茂兴，1984)。过氧化氢酶活性(单位:mL/g，以每克干土所需的0.002 mol/L KMnO4毫升数表示)，采用高锰酸钾滴定法测定;转化酶活性(单位:mL/g，以每克干土所需的0.1 mol/L Na2S2O3的毫升数表示)，采用硫代硫酸钠滴定法;脲酶活性(单位:μg/g，以每克干土中所含的NH3-N的微克数表示)，采用靛酚比色法(中国科学院南京土壤研究所微生物室，1985;周礼恺，1987);土壤有效磷采用0.2 mol/L HOAc—0.25 mol/L NH4NO3溶液浸提，钼锑抗比色法;土壤速效钾、铁、锰采用0.25 mol/L NaHCO3—0.01 mol/L EDTA—0.01 mol/L NH4F溶液浸提，火焰原子吸收分光光度计测定(杜森和高祥照，2006)。

实验数据采用Excel2003进行基础处理和作图，运用单因素方差分析法(one-way ANOVA)进行差异显著性检验，P＜0.05为差异显著，P＜0.01为差异极显著。

2 结果与分析

2.1 遮光对冬小麦生育进程的影响

从表1可看出，随太阳辐射的减弱，冬小麦发育进程推迟，太阳辐射减弱的程度越大，生育期推迟越明显，不同程度的辐射减弱处理差异显著。其中遮光80%和85%的处理，抽穗期延迟了13 d和14 d，比对照组延迟了两个生育期。结果表明，地表太阳辐射减弱推迟了冬小麦的生育进程，辐射减弱的程度越大，物候延迟越显著。这与地表太阳辐射减弱改变了麦田小环境气候有关，辐射减弱导致光照强度变化平缓，降低小麦冠层的空气和地表温度，相对增加了空气和土壤的湿度，增加土壤含水量(李合生，2002)。低温使光合作用速率下降，可使生育期延后，尤其是生殖生长期的低温(高素华和刘玲，2007)。研究显示，土壤湿度影响小麦光合作用(杜宝华和吕学都，1992)，土壤水分过多时，减少了土壤空气的容量，减缓了土壤空气与大气的交换速率，通气状况不良，根系活力下降，间接影响光合作用(杨林丰和钟南，2007)，进而影响冬小麦的生长发育进程。

2.2 遮光对近根区和远根区土壤过氧化氢酶活性的影响

由图1、2可见，随着冬小麦生育进程推移，CK组近根区过氧化氢酶活性呈现逐渐降低的趋势，CK组远根区过氧化氢酶活性呈先降后升再降低的趋势，各遮光处理下近根区和远根区过氧化氢酶活性呈先升高后降低的趋势。整个生育期内，遮光85%处理下土壤过氧化氢酶活性均低于CK(远根区试验中期除外)。试验前期和后期，各遮光处理下土壤过氧化氢酶活性均低于CK，且差异显著(P＜0.05);试验后期，过氧化氢酶活性呈现CK＞40%＞60%＞80%＞85%的变化趋势，各遮光处理下土壤过氧化氢酶活性较CK显著降低(P＜0.05);试验中期，遮光60%和80%处理下近根区过氧化氢酶活性均高于CK，各遮光处理下远根区过氧化氢酶活性均高于CK(P＜0.05)。

结果表明，遮光对于近根区和远根区土壤过氧化氢酶活性均有显著影响，冬小麦整个生育期内，遮光85%会显著降低土壤过氧化氢酶活性;生育前期和后期，各遮光处理均会降低土壤过氧化氢酶活性;生育中期，遮光60%和80%对土壤过氧化氢酶活性有促进作用，说明适当遮光能促进土壤过氧化氢酶活性提高，这与作物的抗逆性有关。遮光强度过大则过氧化氢酶活性降低，这可能是由于逆境环境超过了冬小麦的忍耐限度，表现为抗逆性降低或丧失。

表1 不同遮光处理下冬小麦生育期的动态变化Table 1 Dynamic changes of winter wheat growth with reduced solar radiation at different percentages

图1 不同遮光处理对冬小麦近根区土壤过氧化氢酶活性的影响(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.1 Effect of reduced solar radiation at different percentages on the activity of soil catalase near the root zone of winter wheat(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

图2 不同遮光处理对冬小麦远根区土壤过氧化氢酶活性的影响(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.2 Effect of reduced solar radiation at different percentages on the activity of soil catalase away from the root zone of winter wheat(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

2.3 遮光对近根区和远根区土壤转化酶活性的影响

由图3、4可见，随着小麦生育进程的推移，各处理下小麦近根区和远根区土壤转化酶活均大致呈现先降后升再降的趋势。整个生育进程内，遮光80%处理下近根区和远根区转化酶活性始终低于其他处理，且与CK差异极显著。试验前期遮光对近根区和远根区转化酶活性的抑制作用不明显，而中后期，CK组近根区和远根区转化酶活性始终高于各遮光处理，且差异极显著，说明遮光处理极显著地降低了中后期土壤转化酶活性。整个生育期内，不同遮光处理间对近根区转化酶活性的抑制效应差异均达显著水平，遮光处理下近根区转化酶活性基本上呈现出CK＞85%＞40%＞60%＞80%的趋势;远根区转化酶活性呈现出CK＞40%＞60%＞85%＞80%的趋势(灌浆期85%除外)。

图3 不同遮光处理对冬小麦近根区土壤转化酶活性的影响(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.3 Effect of reduced solar radiation at different percentages on the activity of soil invertase near the root zone of winter wheat(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

结果表明，太阳辐射减弱会显著降低中后期冬小麦土壤转化酶活性，随着遮光强度增大转化酶活性降低程度增大。遮光80%土壤转化酶活性降低最显著，可能是由于小麦实施自我防护的效果小于受到逆境胁迫强度的伤害，而遮光85%的转化酶活性相对其他遮光处理较大，可能是由于小麦遭受长期较大的遮光逆境胁迫，使得小麦的抗逆性发挥了作用，说明遮光80%可能是遮光条件下土壤转化酶活性改变的一个转折点。整个生育期内，各处理下近根区转化酶活性均值大于远根区，这可能与作物根系生长代谢的调节作用有关。

2.4 遮光对近根区和远根区土壤脲酶活性的影响

图4 不同遮光处理对冬小麦远根区土壤转化酶活性的影响(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.4 Effect of reduced solar radiation at different percentages on the activity of soil invertase away from the root zone of winter wheat(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

由图5、6可见，随冬小麦生育进程的推移，近根区土壤脲酶活性的变化趋势与远根区是一致的，各遮光处理下土壤脲酶活性的变化趋势与对照相同，均呈先升高后降低的变化趋势。除了试验中期，近根区遮光40%、60%、80%处理下脲酶活性略高于CK，且差异不显著，整个生育期内，各遮光处理下近根区和远根区土壤脲酶活性均低于CK，且差异显著。整体来看，不同程度的太阳辐射减弱会导致土壤脲酶活性降低。不同的生育期内，不同遮光程度，对脲酶活性的影响有差异，生育后期，土壤脲酶活性呈现CK＞40%＞60%＞80%＞85%的趋势，遮光处理间差异不显著。

2.5 近根区土壤速效养分含量的动态变化

由图7可见，随着小麦的生长发育，CK组近根区土壤速效磷含量在灌浆期急剧增加。试验前期，随着遮光程度的增加，土壤速效磷含量呈增加趋势，遮光80%、85%处理下，土壤速效磷含量高于CK，可能是由于遮光降低了作物对磷的吸收而导致近根区土壤速效磷的积累，或者遮光增加了作物对磷的需求，使得土壤速效磷向近根区土壤转移以利于作物吸收，这一点有待结合作物体内磷含量变化进行进一步研究。而试验后期，遮光处理降低了近根区土壤速效磷含量。

图5 不同遮光处理对冬小麦近根区土壤脲酶活性的影响(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.5 Effect of reduced solar radiation at different percentages on the activity of soil urease near the root zone of winter wheat(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

图6 不同遮光处理对冬小麦远根区土壤脲酶活性的影响(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.6 Effect of reduced solar radiation at different percentages on the activity of soil urease away from the root zone of winter wheat(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

由图8可见，生育期内，不同处理下近根区土壤速效钾含量变化趋势一致，均呈现出逐渐降低的趋势，且CK＞40%＞60%＞80%，说明遮光40%、60%、80%的处理均降低了速效钾含量。而相比其他遮光程度的处理，遮光85%处理的速效钾含量相对较高，可能是遮光程度过高，影响了土壤中速效钾的迁移转化或导致作物对钾的吸收减弱。

图7 不同遮光处理下近根区土壤速效磷含量的变化(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.7 Changes in soil available P amount near the root zone with reduced solar radiation at different percentages(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

图8 不同遮光处理下近根区土壤速效钾含量的变化(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.8 Changes in soil available K amount near the root zone with reduced solar radiation at different percentages(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

由图9可见，整个生育期内，近根区土壤速效铁含量呈先增后降的变化趋势，不同程度的遮光处理下，速效铁含量均低于CK，速效铁含量随着遮光程度的增加呈下降趋势:CK＞40%＞60%＞80%＞85%。说明地表太阳辐射减弱降低了近根区土壤速效铁含量，并且遮光强度越强，对近根区土壤速效铁含量负影响越大。

由图10可见，整个生育期内，各遮光处理下近根区土壤速效锰含量均低于CK，遮光80%处理的速效锰含量降低最显著，呈现出CK＞40%＞60%＞80%的变化趋势，遮光85%处理的速效锰含量相对较高，遮阴处理下速效锰含量变化与速效钾类似。

图9 不同遮光处理下近根区土壤速效铁含量的变化(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.9 Changes in soil available Fe amount near the root zone with reduced solar radiation at different percentages(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

图1 0不同遮光处理下近根区土壤速效锰含量的变化(误差线表示标准偏差，采用LSD多重比较，不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著)Fig.10 Changes in soil available Mn amount near the rootzone with reduced solar radiation at different percentages(The error bars indicate standard Deviation by LSD multiple comparisons;Different lowercase letters denote significant differences among solar radiation reduction treatments at 5%level)

2.6 近根区土壤酶活性与土壤速效养分的相关性

许多研究表明，土壤养分与土壤酶活性之间存在着密切的相关关系，土壤酶活性在很大程度上制约着土壤肥力水平(陈竑竣和李传涵，1993;李现伟等，2008;章铁等，2008;陈少杰，2009)，土壤脲酶与土壤速效磷、钾存在显著正相关(刘建新，2004;邱莉萍等，2004)，过氧化氢酶与全磷、钾显著正相关，转化酶与各养分之间相关不显著(熊明彪等，2003;刘建新，2004)，过氧化氢酶与速效钾显著正相关(熊明彪等，2003)，土壤转化酶与速效钾极显著正相关(林诚等，2009)。

从表2可以看出，CK组转化酶与土壤速效养分之间的相关性最好，与速效磷、锰均呈现极显著正相关，与速效铁为极显著负相关，与速效钾为显著负相关;CK组脲酶与速效铁相关性极显著。有研究显示，土壤中铁含量影响土壤脲酶活性，过氧化氢酶活性与速效磷、钾含量显著正相关(张亚玉等，2010)。本研究表明，CK组过氧化氢酶仅与速效钾呈极显著相关，与其他元素均无良好的相关性，但是随着遮光强度增加，过氧化氢酶活性与速效磷相关性呈上升趋势，受光照强度变化的影响显著。各遮光处理下脲酶与速效钾相关性始终不显著，不同的遮光处理均降低了转化酶与速效锰的相关性。

结果表明，土壤速效养分与土壤酶活性之间存在一定的相关性。变量之间直接的相关性的强弱，说明了它们存在信息上重叠程度的大小，速效元素与过氧化氢酶、转化酶、脲酶的相关性随遮光强度的变化而变化。

表2 土壤酶活性与速效养分之间的相关系数Table 2 The correlation coefficient between the soil enzyme activities and the active nutrient

3 结论

1)不同程度的辐射减弱均会推迟冬小麦的生育进程，辐射减弱的程度越大，物候延迟越显著。

2)整个生育期内一定程度的太阳辐射减弱(60%、80%)可以促进过氧化氢酶活性，而辐射减弱85%的处理会降低过氧化氢酶活性。

3)地表太阳辐射减弱会显著降低中后期冬小麦土壤转化酶活性，随着遮光强度增大转化酶活性降低程度增大，辐射减弱80%会极显著(P＜0.01)地降低土壤转化酶活性。整个生育期内，各处理下近根区转化酶活性均值大于远根区。

4)整个生育期内，CK组土壤脲酶活性呈先增加后降低的趋势，遮光处理并未改变土壤脲酶的这一变化趋势;太阳辐射减弱导致土壤脲酶活性较CK显著降低(P＜0.05)。

5)遮光80%、85%处理增加了生育前期土壤速效磷含量，不同遮光处理降低了近根区土壤速效钾、铁、锰含量，随着遮光程度的增加呈CK＞40%＞60%＞80%的趋势。不同遮光处理下，过氧化氢酶、转化酶和脲酶活性与土壤速效养分含量间有显著或极显著的相关性，并随着光照强度变化而变化，在一定程度上可作为评价土壤肥力性状的生物学指标，但需要对其适用范围进行进一步探讨。

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