地膜覆盖栽培具有增温保墒增产的作用，是干旱半干旱地区提高粮食产量的一个重要途径，但残膜污染也是当前迫切需要解决的问题。近年来，针对地膜的保水性能和污染问题，地膜类型出现多样化。光降解和生物降解地膜是两种主要的可降解类型地膜，其增温保墒增产性能能否替代普通地膜尚需深入研究。另外，山西省自主研发的渗水地膜，利用了单向渗水原理，微孔通透的材料结构能够充分利用春季小型降雨，在山西省应用较广。

地膜覆盖改变了土壤温度、水分和空气等要素，使得土壤微环境发生变化。作为土壤生物化学特性重要的组成部分，土壤酶活性在营养物质转化和有机质分解等方面起着重要的催化作用，其活性大小不仅是评价土壤肥力和质量的重要指标，也体现了土壤中生物化学反应的方向和强度^[1-3]。在参与土壤中的物质循环和能量代谢过程中，土壤酶将农田生态系统的各个组分的功能联系在一起，成为陆地生态系统中最活跃的部分之一^[4]。其中，与氮素和磷素转化相关的脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶及磷酸酶等都能较大程度地反映土壤的供肥状况。土壤类型、土壤质地、土壤水热状况、土壤空气通透性、施肥状况、土壤生物活动、微生物活性、土壤养分、pH值以及作物生长情况和作物根系分泌物、呼吸强度等都会影响酶活性的变化^[5]。近年来，对覆膜与未覆膜之间的酶活性变化研究已有报道，而结合作物生育期的多种不同类型地膜的酶活性研究则鲜见。因此，本研究进行了不同类型地膜覆盖试验，分析对比了不同地膜覆盖措施对几种土壤酶活性的影响，结合不同类型地膜覆盖下的土壤水热状况和玉米产量变化，探索适宜当地生产和生态的最佳地膜覆盖方式，为合理应用各类地膜覆盖栽培技术提供理论参考。

试验于2016年在山西省榆次东阳镇农科院研究基地进行。东阳镇位于山西省晋中市，属典型的暖温带大陆性气候，多年平均降水量400~650 mm，≥10 ℃有效积温3700 ℃左右，无霜期160 d；试验地土壤为潮褐土，质地是黄黏土，有机质11.13 g·kg^-1，全氮1.17 g·kg^-1，有效磷37.83 mg·kg^-1，速效钾217.79 mg·kg^-1。

在榆次东阳镇农科院研究基地设计5个不同类型地膜覆盖试验，即：普通地膜覆盖（P）、渗水地膜覆盖（SS）、光降解地膜覆盖（G）、生物降解地膜覆盖（SW）、露地不覆膜（CK）对照，地膜覆盖时间为春玉米全生育期，每个处理设3次重复，每个处理小区面积115 m²。所有处理均施用N 225 kg·hm^-2、P₂O₅ 117 kg·hm^-2、K₂O 49 kg·hm^-2。种植制度为一年一季玉米，供试玉米品种为大丰30，密度6.6万株·hm^-2。播前旋耕施肥，之后沟播覆膜放苗，2016年5月4日播种，9月29日收获。普通地膜厚度0.008 mm；渗水地膜厚度0.006 mm，山西三水渗水膜科技发展中心生产；光降解地膜厚度0.008 mm，吉林省白山市喜丰塑业生产；生物降解地膜厚度0.012 mm，青岛宏达塑胶总公司生产。4种地膜宽幅均为120 cm，一幅地膜种植3行玉米，行距60 cm，株距30 cm。

试验土壤分别于苗期、拔节期、大喇叭口期和收获期取样，每个处理均采取0~20 cm、20~40 cm两层土样，风干处理之后过1 mm筛使用。

土壤温度的测定：在各个处理中间插入地温计，测定5、10、15、20、25 cm处的地温，每个生育期连续测定3 d，每日6：00—18：00间隔2 h测定记录1次。

土壤水分的测定：在田间用土钻采取新鲜土样，采用铝盒烘干称重法测量土壤质量含水量，准确至0.01 g，利用土壤贮水量公式计算0~60 cm土层的土壤贮水量。

玉米产量的测定：在玉米收获后进行田间采样，按试验设置小区收获的实际玉米穗数，称重折算各处理玉米产量（kg·hm^-2）。

土壤呼吸率测定：LCi便携式光合仪器。

土壤酶活性测定：脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾（浓度为0.1 mol·L^-1）滴定法；硝酸还原酶活性采用2，4二硝基酚比色法；亚硝酸还原酶活性采用亚硝酸钠比色法。

采用Microsoft Excel和SPSS进行数据的统计分析。

土壤脲酶是土壤氮循环过程的一种重要酶种，它能促进尿素的水解并形成NH₄⁺，为植物重要的氮源之一，有利于植物对氮素的吸收和利用，可反映土壤的供氮能力；此外，土壤脲酶也可以加速土壤潜在养分的有效化^[6]。从表 1可知，整个生育期内，脲酶活性的变化规律表现为：大喇叭口期>拔节期>苗期>收获期，呈先增大后减小趋势，最大峰值出现在大喇叭口期，最低值在收获期；0~20 cm土层的脲酶活性均高于20~40 cm。以0~20 cm土层为例，4种覆膜处理下的土壤脲酶活性均低于CK，而覆膜处理之间在苗期和拔节期内无明显差异，G、SW和SS处理则在收获期因降解或生物量大小与其他处理出现稍大差异。SW、P、SS和G处理在苗期0~20 cm处较CK的降幅分别为11.3%、11.2%、11.0%和9.5%；大喇叭口期后处理之间的差异逐渐增大，降幅分别达到9.8%、10.7%、10.6%和9.6%。总体来说，4种覆膜处理下的脲酶活性均低于CK，在不同生育期内呈现出不同的变化规律，其中，SW、SS和G处理的变动幅度较大，说明这3种处理对土壤脲酶活性的影响较大。

表 1　不同地膜覆盖后的脲酶活性变化（mg NH₃-N·g^-1·24 h^-1） Table 1　Changes of soil URE activity after plastic mulching(mg NH₃-N·g^-1·24 h^-1)

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土壤碱性磷酸酶是土壤微生物生命活动和植物根系分泌产生的酶种之一，与土壤有机质转化和腐殖质的形成密切相关，它能促进有机磷化合物的水解，加速有机磷的脱磷速度，提高土壤磷素的有效性，反映土壤的供磷水平，是评价土壤磷素肥力的重要指标^[7-8]。从表 2可以看出，4种覆膜处理下的土壤碱性磷酸酶活性均高于不覆膜对照CK；0~20 cm土层的碱性磷酸酶活性均高于20~40 cm。土壤碱性磷酸酶在整个生育期表现为收获期>大喇叭口期>拔节期>苗期。其中，SS和SW处理在苗期的土壤磷酸酶活性与CK相比增幅较大，0~20 cm处的活性增幅分别为26.0%和28.2%，P和G处理的增幅分别是25.3%、24.4%。至收获期，SW、SS、P和G处理分别较CK高16.17%、18.97%、16.34%和14.56%。总体来说，4种覆膜处理下的碱性磷酸酶活性均高于CK，在玉米生育前期均呈现出SW>SS>P>G>CK，说明SW和SS两处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响较大。

表 2　不同地膜覆盖后的碱性磷酸酶活性变化（mg·g^-1·24 h^-1） Table 2　Changes of soil alkaline phosphatase activity after plastic mulching(mg·g^-1·24 h^-1)

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土壤过氧化氢酶能够促进对生物体有毒害作用的过氧化物分解，从而避免过氧化物在生物体内积累对机体产生伤害。过氧化氢的分解产物——氧，能促进生物体对各种化合物的氧化，为植物生长提供必要的营养物质。土壤过氧化氢酶在一定程度上较灵敏地反映了土壤微生物学过程和作物代谢过程的强度，是较好的土壤微生态环境指示因子^[9-11]。

从表 3可以看出，4种覆膜处理下的土壤过氧化氢酶活性均低于不覆膜对照CK。与其他酶活性不同，过氧化氢酶的0~20 cm处活性反而比20~40 cm处低一些。整个生育期对照CK的过氧化氢酶活性表现为大喇叭口期>拔节期>苗期>收获期，而覆膜处理则有不同规律。其中，对玉米生长发育最重要的苗期，SW处理的土壤过氧化氢酶活性与CK在0~20 cm处的差异最显著，降幅为13.4%，SS、P和G处理的降幅分别是13.1%、13.2%和12.8%。总体来说，4种覆膜处理下的过氧化氢酶活性均低于CK，但四者差异并不显著，在玉米生育前期大致呈现出SW < P < SS < G < CK，说明SW处理对土壤过氧化氢酶活性的影响最大。

表 3　不同地膜覆盖后的过氧化氢酶活性变化（mL KMnO₄·g^-1） Table 3　Changes of soil catalase activity after plastic mulching(mL KMnO₄·g^-1)

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土壤硝酸还原酶是反硝化作用过程中的重要酶种，参与土壤硝态氮的还原并在嫌气厌氧条件下催化硝酸盐（NO₃^-）还原为亚硝酸盐（NO₂^-），能够反映土壤氮素的损失情况，是植物氮代谢中一个重要的调节酶和限速酶，对研究合理施肥、降低氮素损失具有重要意义^{[1, 3, 12]}。表 4显示：4种覆膜处理下的硝酸还原酶活性均高于不覆膜对照CK；0~20 cm土层活性均高于20~40 cm；整个生育期的土壤硝酸还原酶活性表现为收获期>苗期>大喇叭口期>拔节期。其中，SS和SW处理在苗期的土壤硝酸还原酶活性与CK相比差异显著，在0~20 cm处的活性增幅分别为70.8%和87.5%，P和G处理的增幅分别是45.8%和12.5%。SS、SW、P和G处理在收获期0~20 cm土层分别较CK高68.57%、42.86%、42.86%和25.71%。总体来说，4种覆膜处理下的硝酸还原酶活性均高于CK。其中，SW在玉米生育前期相对CK来说的增幅最大，说明其对土壤硝酸还原酶活性的影响最大。

表 4　不同地膜覆盖后的硝酸还原酶活性变化（mg·g^-1·24 h^-1） Table 4　Changes of soil nitrate reductase activity after plastic mulching (mg·g^-1·24 h^-1)

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亚硝酸还原酶催化土壤中的NO₂^-转化为NH₂OH或H₂O，也是土壤氮素反硝化作用过程中的重要酶种，其活性大小影响着温室气体氮氧化物的排放^[12-15]。表 5显示：整个生育期的土壤亚硝酸还原酶活性表现为苗期>收获期>拔节期>大喇叭口期，但活性值差异微小。从土层深度来说，除大喇叭口期以外，0~20 cm土层内的亚硝酸还原酶活性都略高于20~40 cm处。4种覆膜处理的亚硝酸还原酶活性均低于CK，但降幅较小，SS、SW、G和P处理在苗期0~20 cm处较CK的降幅分别为0.92%、2.8%、0.92%和2.8%；在拔节期的降幅分别是3.9%、5.8%、2.9%和4.9%。总体来说，几种处理之间的亚硝酸还原酶活性在苗期和拔节期的差异相对较大，说明前期覆膜下的玉米生长旺盛，对土壤亚硝酸还原酶活性的影响较大。

表 5　不同地膜覆盖后的亚硝酸还原酶活性变化（mg·g^-1·24 h^-1） Table 5　Changes of soil nitrite reductase activity after plastic mulching(mg·g^-1·24 h^-1)

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不同地膜覆盖各生育期土壤温度、水分含量、呼吸率及玉米产量变化见表 6，并对其与酶活性进行相关性分析，得到不同酶活性与水热、产量的相关系数，见表 7。从表 7中可以看出，土壤脲酶和亚硝酸还原酶表现为与土壤水分含量显著正相关（P < 0.05），过氧化氢酶与水分含量极显著正相关（P < 0.01），3种酶活性与产量呈显著负相关，与土温则无明显相关性。碱性磷酸酶和硝酸还原酶与玉米产量极显著正相关（P < 0.01），除亚硝酸还原酶外，其他4种酶活性均与土壤呼吸率呈极显著的正相关性（P < 0.01）。事实上，除了水热及产量外，施肥状况和玉米根系生长等也直接或间接地影响酶活性大小。

表 6　不同地膜覆盖各生育期土壤温度、贮水量、呼吸率及玉米产量变化 Table 6　Changes of soil temperature, water storage, soil respiration and maize yield at different growth stages with different mulching

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表 7　土壤酶活性和土壤水热、土壤呼吸率及玉米产量的相关系数 Table 7　Correlation coefficients of soil enzyme activity and soil water, heat and corn production

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地膜覆盖通过改变地表辐射和减少土壤水分蒸发改善田间小气候，土壤的水热变化呈现特殊的规律^[19]。土壤酶活性的大小与土壤水热条件、土壤空气的通透性、作物生长发育以及肥料使用等状况密切相关。汪景宽等^[16]、Liu等^[17]、Sun等^[18]认为，地膜覆盖使得土壤脲酶和过氧化氢酶活性降低，而土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶活性则有所升高，这与本文研究结果一致。本文试验结果还表明，覆膜使得土壤亚硝酸还原酶活性有所降低，而硝酸还原酶活性则有所上升。土壤脲酶和过氧化氢酶的降低可能是因为覆膜之后的土壤含水量增加，且玉米生长旺盛，导致玉米根系及土壤呼吸加剧，CO₂分压增高，土壤氧化还原电位下降，特别是覆膜之后的土壤pH值下降，从而抑制了脲酶和过氧化氢酶活性^[6]。土壤碱性磷酸酶和硝酸还原酶活性的升高可能是因为覆膜之后的土壤氮磷含量和利用率有所提高^[6]，作物生长较快，根系的呼吸强度大。结合我们所得到的土壤水热及玉米生产等数据分析，土壤酶活性的变化与水热动态变化、作物生长情况以及地膜降解情况都呈现出显著的相关性。

从玉米生长的整个生育期来看，土壤碱性磷酸酶和硝酸还原酶活性随玉米生育期的推进呈不断升高的趋势；脲酶和过氧化氢酶则在大喇叭口期达到峰值，收获期为最低值，亚硝酸还原酶则在苗期活性最高。不同的酶种在不同环境条件下受到的影响因素不同。苗期阶段，刚施肥的土壤中底物充足，土温高，覆膜之后的土表蒸发减少，湿度大而空气通透性较差，土壤呼吸率较低，土壤脲酶和过氧化氢酶活性大小表现为CK>G≥P>SS≥SW，4种覆膜处理之间的差异较小，其中，光降解地膜G处理的透光性强，幼苗的光合速率较高，脲酶活性最高；生物降解地膜SW处理的厚度最大，淀粉添加剂使得地膜呈现奶白色，透光性差，土壤呼吸率最低，玉米幼苗的根系呼吸慢，土壤脲酶和过氧化氢酶活性最低。至拔节期和大喇叭口期，覆膜后的作物生长旺盛，作物根系和土壤的呼吸率升高，而G和SW处理则随时间的推移逐渐裂解，保温保墒性能降低，酶活性也有所不同。这一时期的土壤碱性磷酸酶活性大小表现为SS>SW>P>G>CK，硝酸还原酶活性SW>SS>P≥G>CK。渗水地膜的微通透结构使得其覆盖下的土壤水热气供需相对平衡，且玉米生长旺盛，根系呼吸强度大；生物降解地膜此时裂解，土壤呼吸率升高，作物生长旺盛对2种酶活性的增加做出较大贡献。收获期的土壤酶活性受到多种因素的综合影响，处理之间的酶活性无明显变化规律。到收获期，秋雨来临，土壤含水量增加而空气通透性下降，SS和SW处理的玉米产量和生物量最高，受作物根系呼吸影响大，G和SW处理完全降解，土壤呼吸率有所提高，而P和SS处理的压实度最高，土壤呼吸率最低。多种因素的综合影响使得土壤酶活性差异在收获期有所不同。从相关性分析可知，土壤呼吸率和玉米产量是影响酶活性最大的两种因素。

从土层深度来讲，除过氧化氢酶在20~40 cm处的活性值稍高于0~20 cm外，其他几种酶都表现为0~20 cm处的活性高于20~40 cm，具有表聚性，尤以脲酶和碱性磷酸酶随土层加深的降速更快（P < 0.05）。这是因为：（1）表层土壤直接接触空气，土壤结构疏松，土壤空气的通透性良好；（2）土表直接接受太阳辐射，土壤温度较高；（3）表层土壤的有机质含量高，土壤生物活动频繁、活跃，分泌的催化剂酶类多；而底层受土壤熟化度及营养元素状况的影响，只有较少的可利用碳导致有少量的微生物种群、较低的新陈代谢率；（4）表层施肥，底物充足，很多专性水解酶含量远远大于底层土壤；（5）20~40 cm处的土壤过氧化氢酶活性稍高于0~20 cm，可能是由于土壤结构紧密，土壤空气通透性差，氧化还原的环境下包含的底物过氧化氢较充足。

推广使用可降解类型地膜是当前解决残膜污染的一个有效途径，也是当前学术研究的热门话题。在山西省进行了渗水地膜（SS）、光降解地膜（G）、生物降解地膜（SW）、普通地膜（P）和未覆膜对照（CK）的对比试验，对4种地膜5种酶活性测定，并结合土壤水热状况进行比较后，得出以下结论：

（1）与CK相比，覆膜后的SS、SW、P和G处理在0~20 cm处与20~40 cm处均可显著增加土壤中的碱性磷酸酶、硝酸还原酶活性，而降低土壤脲酶和过氧化氢酶活性。与G和P处理相比，SS和SW处理碱性磷酸酶和硝酸还原酶的增幅较大，脲酶和过氧化氢酶的降幅较小，整体上有利于土壤微环境的发展。

（2）综合土壤水热与玉米生长及地膜降解情况等分析发现，在山西半干旱地区进行不同类型地膜覆盖试验，SW和SS处理为最佳的覆盖方式，尤其是生物可降解地膜的土壤酶活性性能优于其他地膜，作为一种新型环保材料，生物质可降解类型地膜可以替代普通地膜，未来应用前景广阔。