参考文献 土壤酶与土壤肥力 关松荫

文献综述土壤酶与土壤肥力关松荫〔中国农业科学院土壤肥料研究所)近十几年来,在土壤肥力问研究中,由于分子生物学的成就,很注意土壤酶与土壤肥力的关系,所以,对土壤酶的研究发展很快,并已经形成了一门分支学科—土壤酶学。国内外近二十多年的大量研究资料表明,尽管积累在土壤中的酶,以重量计的数量是很小的,但是作用颇大。它参与元素的生物循环、腐殖质的合成和分解,有机化合物的分解,以及在不利于微生物增殖的条件下,均起着重要的作用。土壤酶的活性强弱是表征土壤熟化程度高低和肥力水平的一项重要指标。一、土壤酶研究简史关于土壤酶的研究最早可以追溯到1899年就发现有土壤过氧化氢酶存在。德国学者K6ng、May和Gile首先用气量法正式测定过氧化氢酶。因为过氧化氢酶方法简单,所以研究这种酶的人日渐增多。其后,在欧美开展脉酶和核酸酶研究。本世纪50年代新技术引入农业,土壤酶研究进展较快。如德国的H.K-oePf、Hoffmann、苏联的v.F.KuPrevieh、罗马尼亚的Kiss、美国的Skujin和日本的Kohoyoshi等学者已发表了大量,有的研究成果已成专著出版。为了长期系统坚持土壤酶学研究,不少国家在科研教育单位中设立了专门机构。如苏联成立了土壤酶研究室,德、美、捷等国也建立了专门的研究组织,推动了土壤酶学的研究。尤其是酶的性质,测定原则和方法、酶的存在状态及应用,酶参与(碳、氮、磷、硫等)养分元素的生物循环机理的研究,已引起土壤科学领域的广泛注意。二、土壤酶的存在状态与分布特点土壤酶的存在状态,一般地分为游离酶、胞内酶和胞外酶三种。它们或存在于土壤溶液中或与土壤成分相结合呈络合态。研究表明,大部分胞外酶是与粘土矿物或与腐殖质相结合的。象催化蛋白质和纤维素这种高分子物质的水解酶,只能是胞外酶状态。目前,关于脉酶状态研究较多,它是以复合酶状态存在于_L壤中,与粘粒胶体相结合,形成有机无机复合体并可保证营养基质向复合体扩散和复合体所生成的产物向外扩散。服酶也与腐殖质成分相结合。而象脱氮、固氮等酶类属于胞内酶可能性大,因为这些酶所引起的电一J’传导作用,酶及电子受体及供体,均在浓缩状态下才能顺利进行。可见,在细胞外起作用的可能性是极少的。毫无疑问,酶与土壤成分的物理、化学结合是在特殊的微环境中进行的。因为土壤颗粒表面、植物根户系表面和微生物细胞表面的离子浓度、PH和氧化还原电位都在一定范围内进行着各种变化,这些变化直接影响着酶促活性的变化。Melare:1和Babooe卜曾了生物系统中胶体表面的△PH的重要性,他们认为所有的酶反应都是在土壤—溶液的界面上发生的。为了查明结合在土壤颗粒上的酶活性,有人研究黑色石灰草地土壤三种团聚体中触酶、蔗糖酶、淀粉酶和蛋白酶的活性时发现,在一年之中微团聚体的酶活性比大团聚体的为高。Haig曾按土壤质地查明了酶的分布状况,他把细砂壤土分级,研究其醋酶活性,发现粘粒部分对醋酸苯脂有最强的效应,粉砂部分存在相当大的活性,砂粒活性则很小。I{。ffmann进行的类似研究表明,粉砂部分糖酶活性最高,粘粒部分脉酶活性最高。许多研究者认为,尽管土壤胶体颗粒表面所吸附的酶和在某些情况下与有机或无机大分子成分以共价结合的酶是明显的,但是书遍感到土壤中胞外酶的精确的物理状态仍是不够清楚。至于土壤中酶的分布特点,一般按垂直分布来研究。许多研究者发现,几乎绝大多数酶在土层中的垂直分布都具有一定的规律性,即酶的活性随土壤层次加深而呈梯形减弱,耕作层的酶活性大于心土层土壤酶活性。比较系统的是A.H.tlyH江ePoBa(1969)研究森林土壤和三种熟化程度(弱度熟化的耕地、中度熟化的耕地和高度熟化的菜园土)农地的磷酸酶活性,在剖面上的分布特点具有明显的层次性,又指出了酶活性与熟化程度相关:高度熟化菜园土的酶活性>中度熟化的耕地的酶活性>弱度熟化的耕地的酶活性。菜园地土壤在40一50厘米深处磷酸酶活性也较明显。国内研究者(张宪武、1962.陈思凤等、1962、工96,、陈本楚、1966、关松荫等、1978、魏朝芬1979)研究黑土、棕壤、红壤、黄泛物质二合土的脉酶、蛋白酶、接触酶、转化酶活性也均显示了明显的层次分布特点。所谓酶活性的水平分布规律,是以植物根为中心而言的。n.A.B二ae。、、K.M.几061〕OTBoPecKaH等早期(1956)的研究一致指出,作物根际内酶活性大于很际外酶活性。燕麦、豌豆、小麦、糖甜菜、玉米和首蓓根际内脉酶活性大于根际外的酶活性,其中羽扇豆、三叶草、荞麦和玉米根际中脉酶比根际外多1一2倍。张宪武等人(1962)研究黑土脉酶、接触酶和转化酶水平分布指出,大豆根上土酶活性最强,其次是根际土。表明拼作层中与根系紧密相联的这部分土壤是妓活跃的,它对作物营芥的而要起保证与适时供应的作用。位得注意的是,根际内酶活性分布状况存在一个规律。R.入下.及o6PoTooPeeoa,指出,麦类作物(冬小麦、冬黑麦和燕麦)根际中脉酶活性最小,豆科作物(豌豆、羽扇豆、大豆)根际内脉酶活性最高。三、酶活性与土壤其它性质的关系因为酶活性与土壤理化生物特性密切相关,所以研究土壤酶活性与土壤其他性质的关系主要是研究它们之问的相关性。首先,这些性质影响着酶活性的强弱,同时,酶活性的变化也影响土壤有效肥力的高低。由此可见,它们之间的关系是相互影响,相互制约的。其中,对磷酸酶、脉酶的研究较多。如A.H.tJ-y。仄ero6。(1969)分析了554个不同熟化程度的生草灰化土样结果表明,磷酸酶活性与土壤中游离磷酸含量相关,增加可溶性的磷(P:05含量至20毫克/100克土时,酶活性逐渐提高,以后便逐渐下降,当大量供给磷肥时(如达到60一80毫克/100克土)则完全觉察不到磷酸盐水解的活性。磷酸酶活性又与土壤腐殖质相关,随腐殖质含量增加而增强,特别显著的是在2%范围内。当腐殖质含量达到7%时,酶活性最高,超过7%时,酶活性表现出下降的趋势。磷酸酶活性也与土壤酸度有关系,土壤酸度的减少引起磷酸酶活性微小的下降,即酶活性与PH值之间存在负相关(r二一0.’峨5)·又据报道,婿薄酸性土中磷酸酶括性与有效钾、有效磷含量相关。有效钾低(3.8一4.3毫克/100克土),增加磷时,酶活性下降。有效钾达4.理一5.5时,有效磷达30毫克/l。。克土时,酶活性才得以提高。就是说,在这种土壤上,单施磷而不改变其他指标,将导致破坏它们的平衡并引起磷酸酶下降。M.KaPa-M。·p和r·EP”eM(1959)的工作,结论是,土壤增施磷素时、磷酸酶活性降低、不施磷时磷酸酶活性增高。Zaotua.M.T(1977)研究美国衣阿华州21种土壤的抓酶活性与土壤其它性质的关系时发现,脉酶与有机碳相关,。.1%水平时(r二0.72)、全氮(r二0.71)、阳离子代换量(r=0.67);与粘粒含量相关,5%水平时(r二0.53),砂粒含量(r二一。,47)和表面积(r二。.45)但与PH、CaC03含量、淤泥含量无相关性。并着重指出,脉酶活性的最大变化是由土壤有机质含缺差异引起的。几.H.H。‘。中oPeHKo(29了4)指出,灰化土的水解酶—脉酶,蛋白酶与易水解氮、水溶性有机物相关性较好(r二。.6一0.84),脱氛酶活性与土壤硝化力、胡敏酸量(用0.IM、Na0H萃取)之间也有较好的相关性(r二。.65一0.7)、RynPe。,,。是苏联研充土壤酶学的开创人之一,他刘苏联务类一1二壤脉酶的研究表明,富含腐殖质的高肥力土壤、际酶活性最高。此外,也有人比较了酶与土壤水分状况的关系、如几aTuooBa.P.入1(1963)曾作过这样的试验,在装有生草灰化土和泥炭的排水收集器上种植燕麦时,增加土壤湿度,过氧化氢酶活性增强。当土样干燥时,过氧化氢酶活性一昼夜就降低了30一理。早万。B。《卜。;eH‘。.E.C(1962)曾分析厂「燥后的生草灰化土脉酶活性也证实了酶与土壤湿度的关系是相当密切。至于研究酶活性与土壤微生物相关性的就更多,主要因为微生物是酶的重要来源,一致认为它们之间有极好的相关性。如K.入乞.及o6PoT。。peoa。研究脉酶活性与细菌数相关。脉醉活性较高的羽扇豆、首落和玉米根际土壤的细菌数注8.3一59丫105/每克土,而脉酶活性较低的黑麦、小麦和燕麦根际土壤细菌数均为19一26.4x105/每克土。11.H.P。。en。。.(1969)研究生草灰化土蛋自酶活性发现与微生物有很好的相关性H.A.Ma‘c;,MoB院士指出,蔗糖酶是绝大多数微生物所固有的;脉酶在200多种细菌和大多数真菌中发现;过氧化氢酶主要是从土壤藻类和真菌类中来的。由此可见,酶的产生对微生物有相当大的依赖性。有人提出微生物是积累酶的重要来源,那么两者的相关性是不言而喻的了。国内陈思风等最近(1979)较系统地研究了黑土的酶活性与其他土壤性质关系,发现过氧化氢酶活性与上壤碳氮比、全氮、速效氮;盐基饱和度及物理性砂粒呈显著相关;转化酶的活性写土壤碳氮比、全氮、速效氮及阳离子代换量呈显著相关;脉酶的活性与土壤全氮、速效氮、速效磷及阳离子代换量呈显著相关;碱性及中性磷酸酶的活性与土壤碳氮比、全氮、全磷、速效氮、阳离子代换量及物理粘粒呈显著相关。研究又表明,在不同的土壤组分里,腐殖质的酶活性较其他组分的高。而在无机组分里,酶活性主要显现在粘粒土,其次则为粉砂,砂粒上酶活性很小。所以,土壤酶的活性在较大程度上反映了土壤的营养状况和理化特性。四、土壤酶活性与作物生育的协调性土壤酶系统是土壤中生理活性最强的部分。在作物不同生育时期内,它的活性强度是不同的。关于这方面问题,国内研究资料较多,巾国农科院土肥所(1,〔沦)分析种植冬小麦的石灰性土壤的酶活性表现为·苗炯到成熟的蛋白酶与脉酶活性变化趋势墓本一致,越冬期与收获后期活性最低,幼苗期活性稍高,返青后活性迅速增强,最高都在三月内,从拔节到开花期均逐渐卜降;转化酶活性白幼苗迅速上升后,从越冬到开花期均处在较高的活性水平,小麦成熟期下降,以后稍有回升。关松荫等(1975)研究黄泛物质二合土的过氧化氢酶在冬小麦拔节至抽穗期活性最高,收获期活性降低。又如张宪武等(1962)分析东北地区黑土酶活性与大豆生育的关系指出,蛋白酶、脉酶、过氧化氢酶和转化酶活性均以大豆花期最活跃,大豆生长后期逐渐减弱。陈恩凤等(1962)以大豆、棉花为供试作物,在棕壤上研究酶活性指出,脉酶‘J大豆氮素营养规律及土壤氮素转化进程间存在着一定的相关性。即大豆大量需肥期间,脉酶活性增强,而土壤氮素减低最多。浙江农大农化教研组(1978)研究植物有机营养与水稻土肥力关系时指出,土壤中蛋白酶的活性不仅与土壤有机质含量呈正相关而且与水稻产量也有平行关系。苏联有人专门研究了土壤有机磷、磷酸酶活性动态变化与马铃薯产量的关系,数学统计表明,土壤有机磷含量和磷酸酶活性(:=+0.717士0.16)之间,马铃薯产量与磷酸酶活性(r二+。.97士0.01)之间,马铃薯产量与有机磷含量(r=+0.72士0.17)之间具有很高的相关性。在所有情况下,当P=。.01时,r=。.83。关松荫等(1978)分析土壤磷酸酶与冬小麦产量之间相关性时,计算它们的回归方程为y=4.41+。.005x;P为0.05时,r=。.564,表明了磷酸酶活性较强的土壤是生产性能较好的土壤。作物不同生育时期内几种土壤酶活性的变化,说明了它们之间的内在联系。作物在营养生长与生殖生长最旺盛的时期,需要更多的可溶性养分,由于酶活性增强,土壤生化过程活跃,营养物质及时释放,加速了土壤中可溶性养分的积累,保证了作物地上部及地下部千物质积累所需要的能量,这就是土壤酶与作物生育协调的实质。五、土壤酶是鉴别土类评定肥力水平的一项指标刑用土壤酶鉴别土类是土壤酶学的研究任务之一。早在本世纪50年代初期,苏联学者就开展了这方面的工作。最早用于鉴别上壤类型的酶是过氧化氢酶,如A.C.maP。。on(1953)指出,石灰岩和白云石发育的生草—碳酸盐土的过氧化氢酶活性比生草灰化砂土的为高。他并利用过氧化氢酶区别泥炭土的熟化程度;低位泥炭土在切厘米深度,酶活性完全消失,而高位泥炭土在深达80厘米深度仍可查到酶活性,直至100厘米处酶活性才消失。后来,A.H.HyH汉ePBa和T.n.3y6。从详细地比较了生草灰化土的磷酸酶与蔗糖酶活性比黑钙土泥炭土和灰色森林土的酶活性显著低。A.lll.r。。。T,H(1964)曾利用脱氢酶鉴别钙质土壤,得出了黑钙土的酶活性)栗钙土的酶活性)棕钙土的酶活性的结论。Gra任anin、Mih。vil(2962)在研究了南斯拉夫红壤、棕壤、红色石灰土及棕色石灰土过氧化氢酶之后认为,只有1。分钟析出100毫升以上氧的土壤才属于典型红壤。M.I.zantu。(2977)不久前研究了利用脉酶鉴别土类的理论依据,认为美国衣阿华州各种土壤在不同温度、湿度下的天然脉酶是异常稳定的,而且不同土壤有不同的脉酶活性水平,这是由不同土壤组成分保护脉酶抵抗微生物降解的能力和导致酶钝化的其他过程不同所致。关于利用酶活性评定土壤肥力、要算K.ynPeB~。、、H。ffman。、Hofma。和Kiss等人的工作结果最能支持这一论点了。他们把关于酶活性的大量研究资料与土壤肥力及其因子联系起来加以分析指出,土壤酶活性是比土壤微生物区系和生物群落组成及作用强度、土壤呼吸更灵敏可靠的土壤生物活性指标和土壤肥力指标。近年来,有人把土壤条件和酶活性的关系更深入的具体研究。如几.H.I压。KoePoPeHKo(197寸)分析了土壤供氮状况与土壤酶的关系后指出,测定一、二种酶诊断土壤供氮状况是不够的。对某些土壤来说,酶活性指标并不一定反映出土壤供氮的实际情况,然而对另一些土壤如有机质含量较高的土壤测定酶活性指标却有理想的结果。同时,应注意到,个别研究者对利用酶活性评定土壤肥力水平持有不同的看法。否认土.奥酶活性可以做为土壤生物过程的明显指标和肥力指标。认为酶活性只能反映一定物质变化的某个过程,只在复杂的生化转化的某些环节中起催化作用。在任何情况下、酶活性不可能表明总的生物活性及土壤肥力。其中有代表性的是及Po6,。K、和CaH中ePTa研究捷克森林土壤酶活性与土壤其他指标后认为,任何酶活性,与CO:量,微生物数量、钱化作用及硝化作用之间不存在直接并行关系。综合国内研究结果(陈恩凤等1962,,张宪武等1962,陈本楚等1962),认为酶的功能是明显的。土壤酶活性与土壤肥力水平、土壤熟化程度密切相关。分析某些水解酶和氧化还原酶可以综合地反映土壤有效肥力状况。陈恩凤等最近(1979)研究黑土过氧化氢酶、多酚氧化酶、脉酶、中性和碱性磷酸酶活性时明确指出,土壤酶的活性在一定程度上能够表征腐殖质状态和数量的变异。腐殖质是构成黑土肥力的核心物质,酶活性可做为表征黑土肥力特征的重要辅助指标。中国农科院土肥所(1975一2978)、魏朝芬一(1979)在研究黑土、棕壤、草甸土几种酶活性与肥力诸因子(如土壤有机质、氮、磷含量)与作物生育状况之间有较好的相关性后,一致认为酶活性是鉴别土类、评定肥力水平的一项重要指标。六、调节土壤眠酶活性提高尿素肥料利用率土壤脉酶是一种高度专性的酶。土壤中的硫胺态氮,包括尿素氮肥,只有在脉酶催化下才能完成水解反应生成Co:和NH3。由于不同土壤的脉酶活性强度不一样,直接影响着氮素的供应。土壤脉酶活性高低与尿素的利用率密切相关。1.土坡膝璐过离或过低是尿素摄失的主妻原因之一Soubies等人(1955)研究土壤中积累的脉酶与尿素肥料的肥效关系发现,在脉酶活性低、而透性强的土壤上施用尿素会导致最大的淋失。由于这种土壤脉酶活性很低,施入土壤的尿素几乎不能水解成碳酸按,因此尿素的淋失是严重的。Chin和Kr。。ntje(1963)研究得出了美国弗吉尼亚州的两种土壤在晚秋和早春施尿素肥料是不够经济的结论。因为这两个季节的低温条件使脉酶活性受抑,尿素淋洗而损失。在澳大利亚用标记’SN的尿素作试验证明,牧场地土壤尿素氮的损失同表层土(1厘米)的脉酶活性紧密相关,而尿素就施在这一层土壤中。simPsonl,1969)。某些土壤的脉酶活性太高,尿素分解太快,引起氨的挥发损失。同时,释放出的氨又会伤害幼芽或幼株。为了防止尿素在短时间内过量水解,需要一定程度地抑制脉酶活性。而对另一些酶活性极低的土壤,在施用尿素的同时需要激活酶活性。2.应用睡醉抑制荆是提离尿素氮利用率的一项有效措施某些重金属离子或化合物均能抑制酶的活性。最初由Conrad(1940)用乙醉、HgC12、氢醒邻苯二酚、对氯汞苯甲酸等降低土壤脉酶活性。后来,许多化合物作为抑制剂而获得专利,这里有,二硫代氮基甲酸的衍生物、铜盐硼砂氟硼酸盐、脂族胺、经胺、配和多经酚相缔合以及毗吮一3一磺酸。其中Bremner和Douglas(1972一1973)研究了200多种有机和无机化合物,发现2.5一二甲基对苯醒抑制脉酶的能力最大,乙酞氧肪酸的能力最小。与对照相比,氨的挥发损失分别从61.1%降到0.3%和从12.8%降到10.6%。接着,他们又专门研究了几十种取代对苯醒的抑制剂效果,认为甲基一、氯一、澳一、氟一取代的对苯酿对脉酶有显著的抑制作用,其中有几种已取得专利。试验方法是用尿素和抑制刘共同处理上壤,后者用量为土壤的SOPPm,37“C培养数日,然后用测定氨的损失来计算抑制剂的效果。中国农科院土肥所(1976)曾用非醒、对氛苯醒和五氯硝基苯作为土壤脉酶抑制剂,使其以一定比例(尿素氮的0.5一2%)与尿素混合,在脉酶活性较强的高肥力土壤上进行田间试验,均不同程度地提高了尿素氮利用率,其中应用菲醒的小区夏玉米比对照区增产,差异显著。在脉酶活性不高的低肥力地块上利用纯猪粪作脉酶激活剂,以1:1比例与尿素混施,比单施尿素的冬小麦增产一成。七、农业技术措施对酶活性的影响施肥、耕作、除芳剂和农药等农业措施都不同程度地影响土壤酶活性的变化,其中研究施肥对酶活性的影响的资料较多。如小.H.yxTOMoKO盆的研究表明,每公顷施带有机质的500吨废水,土壤淀粉酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性比未施肥的对照区酶活性显著提高。A.M.tlyH八ePoBa还指出,一次施用含有单一元素的化肥不能经常引起土壤酶活性相应提高。近年,几.H.H。;,中oPenKo(1974)认为,单施无机肥对脉酶、蛋白酶活性几乎无影响。国内张宪武等(1962)对黑土上施用不同量有机肥料对9种土壤酶的影响最能说明施肥、耕作与酶活性的关系,即CO:量、蛋白酶、脉酶、过氧化氢酶和脱氢酶均随有机肥施用量增加而增加。M.H.Po、e众Ko等(1969)证明深耕能使灰化土中脉酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性增强。关于除芬剂对酶的影响资料较多,结合观察除薯剂的应用效果,同时测定土壤酶活性的变化。IO.B一KPyT二o。用除芳剂MeTyPHH防治棉花、马铃薯地(砂壤土)一年生杂草,经1、5、10天后分析发现转化酶、蛋白酶都减弱,而脉酶的活性却增强,过氧化氢酶活性则无变化。K盯kiA.B(1973一1974)研究了氯酸钠对土壤脱氢酶活性的影响。用67.5和202.5PPm时,能减少脱氢酶活性,而对磷酸酶活性无影响。美国侧重研究微量元素对脉酶和磷酸酶的影响,结果表明,每克土加25微克分子微量元素都不同程度地抑制了磷酸酶和脉酶的活性。(参考文献14篇从略)(上接第钧页)污染。挖掉原来埋入地下的含硼废渣,断绝含硼污物继续溶解扩散。把硼泥烧制陶粒作为混凝土预制件的填充料。2.对已被污染的土壤改用清水灌溉,可恢复其生产功能。试验证明,对农作物明显受害的污染耕层土壤(水溶性硼吉量高达8.90毫克/公斤土)用清水灌溉淋洗,半年后土壤水溶性硼含量降至5.20毫克/公斤土,农作物受害减轻。再经大量清水淋洗后,:l:壤水溶性硼含量降至2.50毫克/公斤土,农作物生长基本正常。