原位酶谱技术在土壤酶学中应用的研究进展与展望

土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面具有重要的作用,对其活性的检测是土壤酶学发展的基础.传统的土壤酶活检测手段可以反映土壤酶的活性,但是不能原位反映土壤酶在土壤中的真实情况以及区分酶活在时间、空间上的连续变化情况.原位酶谱技术以荧光底物为基础,能原位获取土壤酶活性分布的二维图像,从微观尺度反映其在空间上的连续变...     

长期施肥对黄土高原旱地土壤无机磷空间分布的影响

研究了18年肥料长期定位试验土壤无机磷的空间分布特征。土壤剖面无机磷占全磷总量的65．0％－79．4％，无机磷以Ca-P为主，Ca2-P,Ca8-P,Ca10-P分别占无机磷总量的2．1％－16．0％，0．6％－2．4％和59．7％－80．5％，Al-P,Fe-P,O-P分别占无机磷总量的1．8％－6．0％，3．9％－6．5％和9．2％－14．7％，土壤Ca2-P,Ca8-P,Al-P空间分布特征总趋势为耕层含量较高，耕层以下含量减少，在120cm土层以下趋于稳定。Ca10-P耕层有一定的积累，耕层以下含量减少，但底土含量略高于耕层。Fe-P,O-P空间分布不明显，长期施肥土壤中磷素大量以O－P累积在剖面各土层，其次主要转化为Ca2-P,Ca8-P和Al－P累积在耕层。     

土壤原位酶谱技术研究进展

陆地生态系统中,土壤酶活性是衡量土壤肥力生物功能的重要指标。然而,当前通用的土壤酶学技术存在诸多缺陷,导致测定结果不能准确反映土壤酶活性与分布在环境中的真实情况,限制了土壤酶学的发展和土壤生物过程的研究。原位酶谱技术是以荧光底物为基础的新兴酶学技术,该技术不需破坏性取样,操作简单,准确度高,能在nm到μm的尺度上反应土壤酶活性的空间联系变化,很大程度上克服了传统土壤酶学技术的不足,近年来在土壤酶学研究中越来越受重视。本文概述了原位酶谱技术的发展过程及其原理与操作,首次综述了原位酶谱技术在土壤元素循环中的应用和成果,并展望了该技术的优化方向,以及与其他分析化学、酶学、分子生物学技术耦合应用在土壤生物过程研究中的价值,以期推动该技术的成熟与推广。     

长期定位施肥对旱地黑垆土钾素空间分布及有效性影响

对黄土高原长期定位施肥24年后土壤钾素的空间分布及其有效性进行研究。结果表明：不同施肥处理0-20cm土层各形态钾素含量均高于20-40cm的,施用化肥处理的非特殊吸附性钾除外,且60cm以下随土层深度不断加深,不同形态的钾素含量呈逐渐降低的趋势。长期施用化肥0-300cm土层中各形态钾素含量均表现出明显低于CK的趋势;长期施用有机肥或有机肥与化肥配施明显增加了各形态钾素含量,说明施用有机肥能维持黑垆土速效钾的平衡,缓解非交换性钾的下降趋势。相关分析表明,土壤速效钾与土壤中水溶性钾之间呈极显著相关,与非特殊吸附性钾呈显著相关,与特殊吸附性钾和非交换性钾无相关性。长期施肥可提高小麦植株的钾素吸收量,茎含钾量丰富,占总植株的36.67%,籽粒钾含量仅占植株钾总量的9.74%。     

GIS支持下的海南岛土壤侵蚀空间分布特征

在地理信息系统的支持下,采用通用土壤流失方程（USLE）及其修改式估算了海南岛现实土壤蚀量和潜在土壤侵蚀量,分析了土壤仇蚀因子R,K,LS在海南岛的表现,得到了海南岛现实土壤侵蚀量和潜在土壤蚀量的空间分布特征,研究结果表明,中部山区的现实土壤侵蚀量和潜在土壤量均较其它地区大。     

黑膜覆盖对旱地马铃薯块茎淀粉积累和关键酶活性的影响

为探明宁南半干旱雨养农业区马铃薯块茎中淀粉和关键酶活性对黑色地覆盖膜的响应机理,在2016年和2017年以宁南山区马铃薯主栽品种青薯9号为材料,通过两年大田试验,研究了黑膜覆盖(BF)、白膜覆盖(WF)和不覆膜(NF)对马铃薯块茎中淀粉及其组分积累、淀粉合成关键酶活性的影响。结果表明,与WF和NF相比,BF的直链淀粉、支链淀粉、总淀粉含量分别增加11.37%~35.68%、8.56%~27.05%、8.33%~27.60%,淀粉积累速率提高13.80%~37.90%;BF、WF、NF条件下块茎ADPG焦磷酸化酶(AGPase)、UDPG焦磷酸化酶(UGPase)、淀粉分支酶(SBE)、可溶性淀粉合酶(SSS)、束缚态淀粉合酶(GBSS)活性均呈单峰曲线变化,BF的淀粉合成关键酶活性明显高于WF和NF。与WF和NF相比,BF的AGPase活性分别增加12.81%和40.24%;UGPase活性分别增加15.34%和36.52%、SBE活性分别增加16.64%和44.17%、SSS活性分别增加13.69%和34.76%、GBSS活性分别增加15.75%和45.44%。BF产量较WF和NF分别提高14.54%和57.23%。相关分析表明,马铃薯块茎中直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量与AGPase、UGPase、SBE、SSS、GBSS活性在多数测定时期呈正相关(P<0.01)。因此,在干旱半干旱地区采用黑色地膜覆盖栽培能够通过影响淀粉合成关键酶,进而提高马铃薯块茎中的淀粉及其组分含量,最终影响马铃薯的产量。     

秸秆、猪粪混施对麦田根际土壤过氧化氢酶与蔗糖酶活性的影响

本研究于2012—2014年在成都平原稻麦轮作区开展田间试验,分析秸秆、猪粪施用对小麦各生育期内根际及非根际酶活性的动态变化影响,为种养废弃物的合理施用提供科学依据。试验共设置不施肥对照、纯化肥、秸秆全量还田+纯化肥、秸秆全量还田+低量猪粪替代化肥、秸秆全量还田+高量猪粪替代化肥等5个处理。结果表明,同一处理下的根际土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性均显著强于非根际土壤(P0.05);猪粪还田处理能提高土壤的过氧化氢酶活性,秸秆和猪粪还田处理能提高土壤蔗糖酶的活性;从小麦的整个生育期来看,其根际及非根际土壤过氧化氢酶活性均呈减弱趋势;而根际土壤蔗糖酶活性在小麦生育期内存在较大波动,非根际蔗糖酶活性呈"单峰"变化。     

不同树龄茶树根际土壤酶活性的变化分析

以不同种植年限黄金桂茶树根际土壤为研究对象,分析茶树树龄对土壤酶活性的影响。结果表明,茶树根际土壤中与养分循环相关的酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性随着茶树树龄的增加而上升,且与茶树树龄呈显著正相关,中性磷酸酶、碱性磷酸酶则相反;茶树根际土壤中与抗性相关的多酚氧化酶活性随着茶树树龄的增加而上升且与茶树树龄呈显著正相关,而过氧化物酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性则呈下降趋势,与茶树树龄呈显著负相关。土壤酶对茶树树龄的敏感性分析结果表明,不同土壤酶响应茶树树龄变化的趋势为过氧化氢酶脲酶脱氢酶蔗糖酶过氧化物酶多酚氧化酶酸性磷酸酶中性磷酸酶碱性磷酸酶。可见,在茶树生产管理过程中应适当提高磷肥的施用量,老茶树应当加强土壤松耕,以提高土壤中抗性酶活性。     

太湖地区稻麦二熟制下长期秸秆还田对土壤酶活性的影响

摘要：研究了长期秸秆还田情况下太湖水稻土中与C、N、P、S养分循环及微生物活动有关的荧光素二乙酸酯（FDA）水解酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、脲酶和脱氢酶等7种酶的活性。结果表明：秸秆还田与无机肥处理都明显增强了所有酶的活性,与对照无肥区的差异达到了显著水平。酶活性对化肥或秸秆还田的敏感度为：β-葡糖苷酶〉脱氢酶、脲酶〉FDA水解酶、碱性磷酸酶〉芳基硫酸酯酶〉酸性磷酸酶。各处理间酶活性顺序为：NPKS2（NPK＋稻秆4500kg/hm^2）〉NPKSI（NPK＋稻秆2250kg/hm^2）〉NPK（N120kg/hm^2,P75kg／hm^2,K150kg/hm^2）〉CK。     

黑土区典型坡耕地土壤酶活性空间分布特征研究

基于对松花江流域东山沟小流域坡耕地表层0-20 cm土壤酶活性和养分含量分析,研究了东北黑土区典型坡耕地土壤酶活性空间分布特征及其影响因素.结果表明,小流域下游的土壤转化酶、脲酶、碱性磷酸酶活性均高于流域上游和中游;坡面侵蚀区3种土壤酶活性均低于坡面沉积区;土壤酶活性沿坡长分布呈现坡顶较高—坡中低—坡下高的变化趋势,与坡面土壤侵蚀强度相对应.3种土壤酶活性之间呈极显著相关关系.土壤酶活性空间分布特点与土壤侵蚀强度空间分布趋势呈现相一致的规律,表明土壤侵蚀降低了土壤酶活性.     

Spatial variability of enzyme activities in a 100-year old long-term field experiment

We attempted to clarify the importance of obtaining representative soil samples for microbiological purposes by comparing results from composite samples and individual cores taken at a depth of 30 cm from four different treatments at the Static Fertilisation Experiment in Bad Lauchstädt, Germany. As enzyme activities can be related to microbiological activities, we analysed alkaline phosphatase, -glucosidase and protease activities from the composite and individual samples. When comparing both kinds of samples, protease activity was found to be the most and -glucosidase activity the least variable parameter. Comparing just the individual cores, the greatest variation was found for alkaline phosphatase and the lowest variation for -glucosidase activity; however, the latter enzyme activity also showed significantly different values. Thus, care should be taken when sampling in the field for microbial purposes.

长期不同施肥棕壤玉米地的酶活性之时空变化

为揭示长期不同施肥对棕壤玉米地酶活性时空变化的影响,利用31年长期肥料定位试验研究了玉米生育期内3种主要土壤酶活性的时空变化及其与土壤理化性质的关系。结果表明,棕壤上各种酶随玉米生育期推进而有规律地变化。土壤脲酶、转化酶活性高峰出现在玉米拔节期,酸性磷酸酶活性高峰出现在玉米大喇叭口期;玉米收获后,土壤转化酶、脲酶均高于播前或与播前相当,而酸性磷酸酶活性则低于播前。在同样化肥水平上增施有机肥能增加脲酶、转化酶活性,而降低酸性磷酸酶活性;3种酶活性的空间分布规律均遵循随土层深度加深而不断减小的规律,长期培肥对深层土壤酶活性亦有影响。相关分析结果显示,土壤脲酶同转化酶呈极显著正相关（r=0.636**）;脲酶、转化酶同土壤有机碳、pH、含水量、碱解氮、速效磷基本呈极显著正相关;酸性磷酸酶同各因子无显著关系。土壤酶与土壤肥力因素关系密切,可作为衡量土壤肥力的敏感指标。     

长期免耕和秸秆覆盖下黄土高原旱作土壤不同粒级复合体中酸解有机氮含量及分配比例变化

【目的】探明不同保护性耕作措施对黄土高原旱作土壤不同粒级复合体中有机氮含量与分配的影响,可对评价耕作措施的效果提供科学依据。【方法】基于黄土高原旱区14年的长期定位试验,采用Bremner法, 对传统耕作(T)、免耕(NT)、秸秆覆盖(TS)及免耕+秸秆覆盖(NTS)四种耕作措施条件下不同土壤粒级复合体中的有机氮含量和分配进行了研究。【结果】保护性耕作方式均增加了2~10 μm粒级土壤复合体的比例,增幅为20.0%~31.7%;降低了0~2 μm粒级土壤复合体在土壤中所占的比例,降幅为27.6%~31.0%。在所有耕作措施下,耕层土壤中不同粒级复合体所占的比例为10~50 μm＞2~10 μm＞0~2 μm＞50~100 μm＞100 μm。保护性耕作方式均明显提高了耕层0~2 μm粒级土壤复合体中氨基糖氮的含量,增幅在46.9%~107.1%,降低了单位质量0~2 μm粒级土壤复合体中的NH+4-N含量,降幅在14.8%~27.0%;明显提高了耕层单位质量2~10 μm粒级土壤复合体中酸解总氮、氨基酸氮和氨基糖氮的含量,增幅分别为8.2%~14.3%、16.2%~31.5%和154.9%~184.3%;降低了单位质量2~10 μm粒级土壤复合体中NH+ 4-N的含量,降幅为28.7%~46.6%。传统耕作(T)条件下,与各粒级土壤复合体相结合的有机氮量顺序为10~50 μm＞0~2 μm＞2~10 μm＞50~100 μm＞100 μm以上,而保护性耕作条件下,与各粒级土壤复合体相结合的有机氮量顺序为10~50 μm＞2~10 μm＞0~2 μm＞50~100 μm＞100 μm以上;与传统耕作相比,保护性耕作措施显著地增加了耕层土壤中酸解总氮、氨基酸氮、氨基糖氮的含量,增幅分别为6.6%~20.4%、89.0%~113.0%和11.9%~31.6%,降低了NH+4-N的含量。【结论】与传统耕作(T)处理相比,保护性耕作(NT、TS、NTS)措施明显提高了土壤2~10 μm粒级复合体的比例,降低了0~2 μm粒级复合体的比例;增加了耕层土壤中酸解氮总氮、氨基糖态氮和氨基酸态氮的含量,降低了NH+ 4-N的含量。土壤中以氨基酸态氮占优势地位,其它形态的有机氮无明显分布规律。     

Micro-scale distribution of microorganisms and microbial enzyme activities in a soil with long-term organic amendment

Microbial ecology is the key to understanding the function of biodiversity for organic matter cycling in the soil. We have investigated the impacts of farmyard manure added over 120 years on organic matter content, enzyme activities, total microbial biomass and structure of microbial populations in several particle‐size fractions of a Luvic Phaeozem a few kilometres northeast of Halle, Germany. We compared two treatments: no fertilization (control) and 12 t farmyard manure (FYM) ha^?1 year^?1 since 1878. The fine fractions contained most C and N, microbial biomass, total amount of phospholipid fatty acids (PLFAs) and greatest invertase activity. Xylanase activity as well as fungal biomass increased only gradually with diminishing particle size, whereas the relative abundance of fungi decreased with diminishing particle size. The least diversity of the soil microbial community, indicated by the smallest Shannon index based on the abundance and amount of different PLFAs and small number of terminal restriction fragments (T‐RFs) of 16S rRNA genes, was in the sand fractions. The results supported the hypothesis that this microhabitat is colonized by a less complex bacterial community than the silt and clay fractions. Addition of FYM had enhanced the amount of organic matter, total microbial biomass, and xylanase and invertase activity, and induced a shift of the microbial community towards a more bacteria‐dominated community in the coarse sand fraction. Microbial communities in finer fractions were less affected by addition of FYM.     

Influence of long-term residue management on soil enzyme activities in relation to soil chemical properties of a wheat-fallow system

Summary Soil enzyme activities (acid and alkaline phosphatase, arylsulfatase, -glucosidase, urease and amidase) were determined (0- to 20-cm depth) after 55 years of crop-residue and N-fertilization treatment in a winter wheat (Triticum aestivum L.)-fallow system on semiarid soils of the Pacific Northwest. All residues were incorporated and the treatments were: straw (N₀), straw with fall burn (N₀FB), straw with spring burn (N₀SB), straw plus 45 kg N ha^–1 (N₄₅), straw plus 90 kg N ha^–1 (N₉₀), straw burned in spring plus 45 kg N ha^–1 (N₄₅SB), straw burned in spring plus 90 kg N ha^–1 (N₉₀SB), straw plus 2.24 T ha^–1 pea-vine residue and straw plus 22.4 T ha^–1 of straw-manure. Enzyme activities were significantly (P<0.001) affected by residue management. The highest activities were observed in the manure treated soil, ranging from 36% (acid phosphatase) to 190% increase in activity over the control (N₀). The lowest activities occurred in the N₀FB (acid phosphatase, arylsulfatase and -glucosidase) and N₉₀ treated soils (alkaline phosphatase, amidase and urease). Straw-burning had a significant effect only on acid phosphatase activity, which decreased in spring burn treated soil when inorganic N was applied. Urease and amidase activity decreased with long-term addition of inorganic N whereas the pea vine and the manure additions increased urease and amidase activity. There was a highly significant effect from the residue treatments on soil pH. Arylsulfatase, urease, amidase and alkaline phosphatase activities were positively correlated and acid phosphatase activity was negatively correlated with soil pH. Enzyme activities were strongly correlated with soil organic C and total N content. Except for acid phosphatase, there was no significant relationship between enzyme activity and grain yield.Journal Paper No. 8072 of the Agricultural Experimental Station, Oregon State University, Corvallis, OR 97331, USA     

旱地垄沟覆膜栽培对土壤硝酸盐时空分布和玉米产量的影响

通过大田试验,考察了旱地垄沟覆膜栽培对土壤硝酸盐时空分布和玉米生物性状及产量的影响。试验设计了垄沟覆膜、平作不覆膜、平作覆膜和裸地对照4个处理,并对其土壤水分、硝酸盐的时空分布和玉米产量进行研究。结果表明:在整个玉米生长季,垄沟覆膜栽培模式下土壤0~40 cm土层含水量显著高于平作不覆膜;NO_3~--N主要集中在0~40 cm土层,且垄沟覆膜-垄上NO_3~--N表聚现象比其它处理更明显,10 cm处垄上NO_3~--N含量是沟内的1.6倍、平作不覆膜的2倍;垄沟覆膜和平作覆膜比平作不覆膜处理单株干物质量分别增加了36.15%、16.11%;单株含氮量分别增加了13.97%、3.59%;垄沟覆膜产量高于其他处理。垄沟覆膜栽培能够在保持作物生长状况良好,获得较高产量的同时,增加作物对氮素的吸收利用,同时增加NO_3~--N的表层累积,将其保持在根区,从而降低了NO_3~--N淋洗的发生,降低环境风险,是旱区获得经济和环境双重效益的玉米栽培模式。     

长期施肥对薄层黑土酶活性及土壤肥力的影响

利用29年的长期定位试验,对不同的施肥方式下薄层黑土酶活性及肥力进行了研究,探讨长期施肥对土壤酶活性及与土壤肥力的影响。结果表明,化肥与有机肥配合施用能明显提高土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量,增强土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性。相关分析结果显示,土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性与有机质、全氮、全磷、有效磷、碱解氮呈显著正相关。土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶综合活性可以反映长期施肥后薄层黑土质量的变化趋势。     

黄土区坡面尺度不同植被类型下土壤干层的空间分布

为掌握坡面尺度不同植被类型土壤干层特征,对一典型坡面干层空间分布进行了研究。结果表明:13a杏树地和25a柠条地干层厚度分别在0～400和280～400cm之间,杏树地不同坡位处干层分布有明显差异;在坡面垂直方向上,25a柠条地较13a杏树地土壤水分亏缺严重。而水平方向,13a杏树地干层分布表现为明显的片状和斑块状分布特征,同时呈现出从北至南沿坡面逐渐递减,干层分布受植被,降水、坡位、微地形等因素共同作用。相比之下,25a柠条地干层分布结构性较为单一,干层厚度在381～400cm的面积分布较广且连在一起,表现出由植被控制的分布格局。相关结果可为黄土区土壤干层调控提供参考。     

河北省吴桥县土壤微量元素空间分布特征

为揭示土壤微量元素在空间上的分布,更好地指导农田培肥管理,以河北省吴桥县4 965份土壤样品为研究对象,利用地统计学与GIS相结合的方法,分析土壤有效铁、有效铜、有效锰、有效锌等土壤养分质量分数的空间分布特征。结果表明:1)吴桥县土壤有效铁、有效锰、有效铜及有效锌平均质量分数分别为11.54、11.84、1.30和0.97 mg/kg。2)通过半方差函数相关参数分析,土壤耕层中有效铁和有效铜的空间自相关范围较大,变程分别为879和660 m;耕层有效锌和有效锰的变程较小,分别为33和36 m。3)4种有效微量元素的变程大小顺序为有效铁>有效铜>有效锰>有效锌。4)4种微量元素变异函数的理论模型符合指数模型,有效铁和有效铜的块基比在25%~75%之间,具有中等的空间相关性;有效锰和有效锌的块基比>75%,系统空间相关性很弱。通过普通克里格插值所得的空间分布图能很好地反映土壤微量元素的空间分布特征,经检验插值精度较高。