紫云英施用量对土壤活性有机碳和碳转化酶活性的影响
2018-08-24李增强王建红徐昌旭曹卫东
李增强,张 贤,王建红*,曹 凯,徐昌旭,曹卫东
(1.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021; 2.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,江西 南昌 330200; 3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081)
土壤有机碳(SOC)是土壤质量和生产力的重要指标,能够显著影响土壤物理性质、养分供应和微生物活性[1]。由于土壤总有机碳含量较高且土壤环境复杂多变,短期不同土壤管理措施对土壤总有机碳含量无明显影响[2]。因此越来越多的研究采用土壤活性有机碳组分(如可溶性有机碳、热水提取态有机碳、微生物生物量碳和颗粒有机碳)表征土壤管理措施和环境条件的变化[2-4]。土壤活性有机碳组分是指土壤中周转时间较短,易被微生物利用的有机碳组分[2]。虽然这部分有机碳在土壤总有机碳中所占比重较小,但是与土壤大团聚体的形成和稳定有显著相关关系,对土壤养分含量和转化供应有着重要影响[5-6]。此外,研究表明土壤活性有机碳组分与温室气体(如CO2、CH4等)排放存在显著相关关系[7]。由于土壤活性有机碳对土壤管理措施的反应比土壤总有机碳更灵敏,且与土壤其他性质的变化密切相关,因此成为评价土壤质量及管理措施的一个重要指标[2-3]。
土壤酶主要来自于土壤微生物以及活体动植物,是推动土壤中生物和生物化学过程的重要动力,可以作为构成土壤功能和生物活性的重要指标[8]。其中部分土壤酶活性与土壤有机碳的转化存在密切关系。研究表明纤维素酶活性与可溶性有机碳含量存在显著正相关关系[9-10],这可能是由于纤维素酶能够将难溶的纤维素类物质分解为纤维二糖、果糖和葡萄糖等易溶于水的小分子成分[11]。Sinsabaugh[12]认为降低酚氧化酶活性有利于土壤中可溶性酚类物质的累积,从而抑制水解酶类的活性,减少其对土壤有机碳的分解,进而有利于土壤有机碳的固存。因此明确土壤碳转化酶与活性有机碳组分的关系对于准确评估碳组分的变化具有重要意义。
紫云英(AstragalussinicusL.)是我国南方水稻生产区重要的冬季绿肥,翻压还田后能够减少化肥使用、改良土壤结构、促进土壤有机质累积和养分供应[13]。目前关于翻压紫云英绿肥的研究主要集中在作物养分吸收、土壤理化性质变化等方面[14-16],而对于土壤碳转化酶活性及其与土壤活性有机碳组分关系等方面的研究较少。本文通过田间定位试验,研究不同紫云英施用量下土壤活性有机碳组分以及土壤碳转化酶活性的变化,探讨与碳转化相关的酶活性与活性有机碳组分变化的关系,以期为揭示长期紫云英绿肥还田对稻田土壤肥力及可持续生产能力的影响提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况与供试材料
试验位于浙江省金华市婺城区蒋堂农业科学试验站(119°32′12″ E,29°04′8″ N)。该地属于中亚热带季风气候,全年平均日照时数约1 700 h,平均降水量约1 500 mm,平均气温约17.9 ℃。试验地土壤类型为红壤黄筋泥土发育而成的水稻土,试验前土壤基础肥力为:有机质含量21.5 g·kg-1,全氮1.45 g·kg-1,碱解氮248.2 mg·kg-1,有效磷(P)25.0 mg·kg-1,速效钾(K)34.4 mg·kg-1,pH值5.38。试验选用的紫云英品种是当地主栽的“宁波大桥种”,鲜草含水量为92.1%,氮、磷、钾含量分别为3.82、0.39、3.61 g·kg-1。
1.2 试验设计
试验于2011年4月开始,共设6个处理:(1)对照(CK),不施用任何肥料;(2)常规施用化肥(CF);(3)翻压紫云英鲜草30 t·hm-2(GM30);(4)翻压紫云英鲜草60 t·hm-2(GM60);(5)翻压紫云英鲜草90 t·hm-2(GM90);(6)翻压紫云英鲜草120 t·hm-2(GM120)。每个处理均设4个重复小区,小区面积为20 m2,随机排列。每年4月中旬按照试验设计翻压盛花期的紫云英,然后各小区淹水常规管理。为了避免紫云英根系对土壤生物化学性质的影响,本试验采用紫云英鲜草异地还田的方式进行。
供试水稻品种为“甬优9号”,5月上旬育秧,选用分蘖2~3个且长势相对一致的秧苗植株于6月中旬移栽至各小区。CF处理,于秧苗移栽的前一天施用碳酸氢铵525.0 kg·hm-2,过磷酸钙375.0 kg·hm-2作为基肥,在分蘖初期施用尿素187.5 kg·hm-2、氯化钾112.5 kg·hm-2,在孕穗期施用尿素75.0 kg·hm-2,氯化钾75.0 kg·hm-2。翻压紫云英的4个处理均不施用任何化肥。
1.3 样品采集与测定
2016年水稻收获后,采用多点混合采样法采集不同处理的表层(0~20 cm)土壤样品。在实验室内将样品中的石砾、根系及动植物残体等挑出,一部分直接过2 mm筛,然后保存在4 ℃冰箱中;另一部分风干后过2 mm筛,备用。
土壤可溶性有机碳(DOC)采用Jones等[17]的方法进行测定:称取5 g新鲜土样,加入25 mL蒸馏水,震荡1 h,离心。上清液采用0.45 μm滤膜过滤,然后用TOC分析仪(Multi N/C 3100)测定其中有机碳含量。热水提取态有机碳(HEOC)采用Ghani等[3]的方法进行测定:称取5 g新鲜土样,加入50 mL蒸馏水,震荡30 min,离心去除上清液。重新加入50 mL蒸馏水,涡旋使其充分混合,封口,放入80 ℃恒温水浴锅内,保温16 h。冷却至室温后离心,上清液利用0.45 μm滤膜过滤,利用TOC分析仪测定其中有机碳含量。土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定,以熏蒸土样与不熏蒸土样提取的有机碳的差值除以转换系数Kc(0.45)计算土壤微生物生物量碳[18]。颗粒有机碳(POC)采用六偏磷酸钠溶液提取,利用重铬酸钾外加热法测定其中碳含量[4]。土壤总有机碳(TOC)含量也采用重铬酸钾外加热法测定[19]。
纤维素酶和蔗糖酶活性分别以羧甲基纤维素钠和蔗糖为底物,采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定;β-葡萄糖苷酶活性以对硝基苯-β-D-葡萄糖苷为底物,采用比色法测定[8]。酚氧化酶和过氧化物酶活性以L-DOPA(L-3,4-dihydroxyphenylalanine,左旋多巴)为底物,采用比色法测定[20]。上述酶活性均采用新鲜土样测定。
总体酶活性采用下面的公式计算[21]:
1.4 数据处理
所得数据均以烘干土计(105 ℃,24 h)。数据采用单因素方差分析程序进行统计分析,多重比较采用Tukey法进行显著性检验(α=0.05水平);土壤活性有机碳组分含量与碳转化酶活性之间的关系采用Pearson相关性分析和逐步回归分析,整个数据分析过程采用SPSS 16.0统计分析软件进行。表中数据均为平均值±标准差。
2 结果与分析
2.1 土壤活性有机碳和总有机碳
由表1可知,不同活性有机碳组分对不同处理的响应不同。与CK处理相比,CF、GM30、GM60、GM90和GM120处理的土壤可溶性有机碳(DOC)含量分别增加了19.6%、27.7%、59.8%、75.3%和97.6%(P<0.05),热水提取态有机碳(HEOC)含量分别增加了17.9%、24.2%、36.3%、43.1%和55.9%(P<0.05),微生物生物量碳(MBC)含量分别增加了16.4%、22.0%、32.6%、38.3%和48.5%(P<0.05),颗粒有机碳(POC)含量分别增加了20.7%、31.0%、44.8%、55.2%和65.5%(P<0.05),总有机碳(TOC)含量则分别增加了8.9%、14.6%、20.3%、21.1%和32.5%(P<0.05)。
表1 不同处理下土壤活性有机碳组分和总有机碳含量变化
注:同一列中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。
不同活性有机碳占总有机碳的比例依次为POC/TOC>MBC/TOC>HEOC/TOC>DOC/TOC(表2)。其中DOC/TOC和HEOC/TOC值表现为CK 表2 不同处理下土壤活性有机碳组分占总有机碳的比例 (%) 由表3可知,与CK处理相比,CF、GM30、GM60、GM90和GM120处理的纤维素酶活性分别增加了14.3%、24.8%、40.6%、42.9%和54.9%(P<0.05),蔗糖酶活性分别增加了27.2%、44.9%、92.5%、91.7%和186.8%(P<0.05),β-葡萄糖苷酶活性分别增加了41.9%、51.0%、91.9%、127.5%和165.0%(P<0.05),酚氧化酶活性分别增加了7.1%、7.1%、14.3%、14.3%和21.4%(P<0.05),过氧化物酶活性分别增加了16.7%、16.7%、21.7%、23.3%和28.3%(P<0.05)。与CK处理相比,CF和施用紫云英处理(GM30、GM60、GM90和GM120)均显著增加了总体酶活性。 表4是酶活性与微生物生物量碳的比值,用来表征相对酶活性。相对纤维素酶活性在不同处理间无显著差异。CK处理的相对蔗糖酶和相对β-葡萄糖苷酶活性与CF和GM30处理相比无显著差异,但是显著低于GM60、GM90和GM120处理。CK处理的相对酚氧化酶和相对过氧化物酶活性与CF处理相比无显著差异,但是显著高于GM60、GM90和GM120处理。 由表5可知,土壤不同活性有机碳之间、活性有机碳与总有机碳之间均存在显著的正相关关系。不同酶活性之间也存在显著正相关关系。另外,不同有机碳组分和酶活性以及总酶活性之间也存在显著正相关关系。 表3 不同处理下土壤酶活性和总体酶活性的变化 表4 不同处理下土壤酶活性与微生物生物量碳的比值 表5 土壤活性有机碳组分与酶活性间的相关性分析 注:**表示极显著相关(P<0.01),*表示显著相关(P<0.05)。 采用逐步回归分析进一步分析土壤酶活性与活性有机碳含量的关系(表6)。不同酶对活性有机碳组分的影响程度不同,其中β-葡萄糖苷酶和纤维素酶是影响DOC的主要酶,纤维素酶、酚氧化酶和蔗糖酶显著影响HEOC,MBC主要受β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶的影响,POC主要受纤维素酶的影响。 表6 土壤活性有机碳组分与酶活性的逐步回归分析 注:Y代表相应的活性有机碳组分,X1代表纤维素酶活性,X2代表β-葡萄糖苷酶活性,X3代表酚氧化酶活性。 土壤活性有机碳是土壤碳库的重要组成部分,与土壤养分供应、微生物活性等具有密切关系,能够快速响应田间管理措施的变化[2-3]。本研究表明,随着紫云英施用量的增加,各处理的土壤活性有机碳组分含量分别较对照处理有显著提高,这与李正等[22]的部分研究结果相似。研究表明土壤活性有机碳组分主要来自于外源有机物质和土壤有机碳的分解过程[2]。随着紫云英施用量的增加,有利于土壤微生物将更多的紫云英碳转化为土壤活性有机碳组分。另外,随着紫云英施用量的增加,水稻产量和秸秆生物量显著增加[14],从而导致更多的根系分泌物输入土壤中。由于根系分泌物主要是由易溶于水的小分子有机物质组成[23],因此根系分泌物的输入能够直接促进土壤活性有机碳组分含量的增加。 由于活性有机碳易于被土壤微生物利用,活性有机碳组分与总有机碳的比值可在一定程度上表征土壤有机碳分解、矿化的难易程度,其值越大,表明土壤有机碳活性越高,较易矿化,周转期较短[24]。本研究发现,与对照处理相比,随着紫云英施用量的增加,DOC/TOC、HEOC/TOC、MBC/TOC和POC/TOC值均显著增加。一方面这可能是因为紫云英本身含有大量的可溶性有机物,紫云英施入土壤后这些物质能够直接转变为土壤活性有机碳组分,从而提高了活性有机碳组分的相对比例;另一方面紫云英作为一种新鲜有机物料施入土壤后能够促进原有土壤有机碳的分解(激发效应)[1],形成更多的土壤活性有机碳,从而也能够增加土壤活性有机碳的相对比例。徐一兰等[25]利用长期定位试验也发现随着有机肥施用量的增加MBC/TOC值显著增加。 土壤酶是土壤生物活性的重要指标,能够推动土壤物质转化和能量流动,对土壤肥力的形成和变化具有重要影响[8]。本研究发现随着绿肥施用量的增加,酚氧化酶和过氧化物酶活性显著增加。田小明等[26]利用盆栽试验也发现土壤酚氧化酶活性与生物有机肥施用量成正比。由于土壤酶活性不仅受环境条件(如温度、水分含量等)的显著影响,而且与底物浓度呈正相关关系[8],紫云英施用量的增加能够为相应的酶提供更多的酚类和木质素类底物,从而导致两种酶活性的显著增加。另外本研究也发现纤维素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性随着紫云英施用量的增加而显著增加,这与叶协锋等[27]的研究结果类似。路文涛等[28]也发现随着外源有机物质(秸秆)施用量的增加,土壤蔗糖酶活性显著增加。纤维素酶和β-葡萄糖苷酶能够将纤维素类物质催化分解为易溶于水的糖类物质[11],蔗糖酶主要参与二糖类物质的催化分解[8]。纤维素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性的增加一方面可能是由底物浓度的增加所引起的,另一方面,增加土壤酚氧化酶活性能够将更多的酚类物质转化为醌类,从而能够消除土壤酚类物质对这3种水解酶类的毒害作用,提高纤维素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性[29]。 由于大部分酶都是土壤微生物合成和释放的,用绝对酶活性与MBC的比值表征相对酶活性能够消除微生物对酶活性的影响,从而更加准确的评价不同管理措施对酶活性的影响[30]。Lagomarsino等[31]认为酶活性与MBC的比值越高表明酶催化活性越强。本研究发现,与对照相比,随着紫云英施用量的增加,相对蔗糖酶和相对β-葡萄糖苷酶活性均显著增加。一方面可能是因为外源大量有机物质的输入能够直接提高酶的催化活性,另一方面可能是因为长期施用绿肥能够为酶提供更多的附着位点并且改善了酶促反应的微域环境条件,从而提高了酶的催化活性[32]。然而,研究也发现与对照处理相比,随着紫云英施用量的增加,相对酚氧化酶和相对过氧化物酶活性显著降低。酚氧化酶和过氧化物酶均属于氧化酶类,主要参与土壤中木质素等复杂物质的氧化降解过程,进而为微生物群落提供足够的碳源和养分等物质[33]。由于紫云英中含有丰富的易利用碳源和养分,随着紫云英施用量的增加,土壤微生物群落对于来自土壤的碳源和养分的依赖性逐渐降低,从而导致相对酚氧化酶和相对过氧化物酶活性的降低。 土壤酶参与一系列的土壤生化过程,与土壤有机碳的转化密切相关。本研究表明,土壤活性有机碳组分与土壤酶活性间均存在显著的正相关关系,这与Li等[34]的研究结果相似。通过逐步回归分析则进一步发现纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶是影响活性有机碳的关键酶。纤维素酶和β-葡萄糖苷酶均为水解酶,能够将外源输入的有机物质或土壤有机质转化为活性有机碳。Wickings等[11]认为纤维素酶和β-葡萄糖苷酶能够将纤维素转化为活性有机碳。而酚氧化酶通过氧化酚类物质,减少其在土壤溶液中的累积,从而降低酚类物质对水解酶的毒害作用,进而提高水解酶类活性,促进活性有机碳的形成[12]。 增加紫云英施用量能够显著增加土壤活性有机碳组分含量以及土壤活性有机碳组分与总有机碳的比值,提高与碳转化相关的酶活性。不同碳转化酶的相对活性对紫云英施用量的响应不同,其中相对蔗糖酶和相对β-葡萄糖苷酶活性随着紫云英施用量的增加而显著增加,而相对酚氧化酶和相对过氧化物酶活性则随着紫云英施用量的增加而显著降低。增加纤维素酶和β-葡萄糖苷酶活性能够提高DOC含量,增加纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性能够提高HEOC含量,增加β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性能够提高MBC含量,增加纤维素酶活性能够提高POC含量。2.2 土壤酶活性
2.3 土壤活性有机碳和酶活性的关系
3 讨论
4 结论