稻田土壤微生物数量和酶活性对水碳调控的响应

林秀颜，江赜伟，陈 曦，张淑娜，戴惠东，杨士红,3

（1河海大学农业科学与工程学院，南京211100；2昆山市城市水系调度与信息管理处，江苏昆山215300；3河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098）

0 引言

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，对保持土壤肥力和作物生长至关重要，土壤中大部分的生物化学过程都离不开微生物[1]，且土壤微生物对外界环境的细微变化敏感[2]，是表征土壤质量变化的重要参数之一。酶是土壤生态系统代谢的重要动力之一[3]，土壤中所进行的一切生物化学过程都要有酶的催化作用才能完成[4]。水稻是中国主要粮食作物，其种植面积和产量占全国粮食作物总种植面积和总产量的25.58%和31.58%。因此，研究稻田土壤微生物数量和酶活性变化规律对于实现稻田水土资源可持续利用具有重要意义。大量研究表明，碳管理是影响稻田土壤微生物数量和酶活性的重要因素。有研究表明，与单施无机肥相比，秸秆替代部分无机肥能提高双季稻田土壤酶活性，丰富细菌类群[5]，无机有机肥配施能显著提高稻田土壤酶活性和真菌群落多样性[6]。杜林森等[7]研究表明长期施肥显著提高了不同深度土壤生物量和酶活性，且与化肥施用相比，秸秆还田效果更加突出。王桂跃等[8]测土配方施肥研究表明，与增施无机肥相比，增施有机肥显著提高了土壤可培养真菌的数量以及土壤脱氢酶和过氧化氢酶活性。已有针对碳管理对稻田土壤微生物数量和酶活性影响的研究更多针对淹水灌溉稻田[9-10]，而自20世纪90年代以来，为解决中国水资源紧缺问题，水稻节水灌溉技术得到了大面积推广应用，碳管理对节水灌溉稻田土壤微生物数量和酶活性的影响有待深入研究。因此，本研究拟结合田间与室内试验，将节水灌溉与秸秆还田、有机肥施用相结合，探究不同水碳调控情景下稻田土壤微生物数量、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性随土层深度的变化规律，以期为稻田水土资源可持续利用提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山排灌试验基地(34°15′21″N，121°05′22″E)开展，昆山市地处太湖平原，境内河网密布，地势平坦。试验区属亚热带南部季风气候区，年平均气温15.5℃，年降雨量1097.1 mm，年蒸发量1365.9 mm，日照时数2085.9 h，平均无霜期234天。当地习惯稻麦轮作，本试验主要在水稻生育期内进行。试验地土壤肥沃，排灌条件优越。试验地土壤为潴育型黄泥土，耕层土壤为重壤土，容重为1.30 g/cm3，0～18 cm土层土壤有机质21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全钾20.86 g/kg，pH 7.4。

1.2 试验设计

试验设淹水灌溉(T)和控制灌溉(C)2个灌水处理，常规肥(F)、有机肥(O)和秸秆还田(S)3种施肥管理方式，共6个处理，分别表示为CF、CO、CS、TF、TO与TS，每个处理3次重复。试验在小区中进行，每个小区面积21 m2(3 m×7 m)，共18个小区。淹水灌溉处理按当地水稻种植习惯管理，除分蘖后期排水晒田外，其余各生育阶段田间均保留薄水层，黄熟期自然落干。控制灌溉处理在返青期内田面保留10～30 mm薄水层，以后的各个生育期灌溉后稻田不建立水层，以根层土壤水分占饱和含水率60%～80%的组合为灌水控制指标，确定灌水时间和灌水定额[11]。常规肥料施用依据当地农民习惯施肥方法和施肥量进行管理，其中氮肥用量328.48 kg/hm2，磷肥用量45.00 kg/hm2，钾肥用量63.75 kg/hm2。秸秆还田与有机肥处理在无机肥处理的基础上增施小麦秸秆和商品有机肥。粉碎小麦秸秆还田量为3000 kg/hm2，商品有机肥施用量为7500 kg/hm2[石家庄冀田生物科技有限公司，有效量W(N+P2O5+K2O)≥5%，W（有机质）≥45%]。全生育期严格控制病、虫、草害。试验水稻品种为‘南粳46’，6月25日插秧，株距13 cm，行距25 cm，每穴定3～4株，10月26日收割。

1.3 土样采集与分析

试验在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期采集土样。采集深度分别为0～10、10～20、20～40 cm，采用“S”法采集土样，剔除植物根系、石砾，将土样过20目筛后用于土壤微生物数量和酶活性测定，其中乳熟期土样只测定了土壤微生物数量。土壤微生物数量采用活菌计数法[12]，土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定[13]，土壤蔗糖酶用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[14]。

1.4 数据分析方法

对所有数据采用Excel 2007进行初步分析并建立数据库，用SPSS 17.0进行方差齐性检验，采用LSD法作多重比较分析（差异显著性水平为P=0.05）和双因素方差分析，揭示灌溉方式和施肥方式对土壤酶活性的影响程度。

2 结果与分析

2.1 水碳调控稻田土壤微生物数量变化规律

总体来看，水碳调控各处理稻田土壤微生物主要集中在土壤表层，土壤微生物数量随土层深度的增加而逐渐减小（表1）。各处理0～10 cm和10～20 cm土层土壤微生物数量随生育期延长呈现先增后减的趋势，20～40 cm土层无明显规律。与常规肥管理相比，有机肥施用和秸秆还田均提高了稻田土壤微生物数量。不同灌水处理下，除TS处理拔节孕穗期和乳熟期10～20 cm土层土壤微生物数量低于TF处理外，有机肥施用和秸秆还田管理各层土壤微生物数量均高于常规肥管理。各生育期CO和CS处理0～40 cm土层土壤菌落数均值分别比CF处理高1.37×105～5.40×105和9.00×104～2.07×105，TO和TS处理分别比TF处理高1.37×105～3.87×105和5.00×104～1.70×105。

表1 各生育期各土层每克土壤菌落数

在施肥相同的情况下，分蘖期控制灌溉稻田土壤微生物数量基本高于淹水灌溉，水稻生长中后期差异逐渐减小且有反超的趋势。分蘖期除10～20 cm土层CO处理土壤微生物数量略低于TO处理外，控制灌溉稻田各层土壤微生物数量均高于淹水灌溉，CO、CS和CF处理0～40 cm土层的土壤微生物数量均值分别比TO、TS和TF处理高17.19%、29.73%和47.83%。拔节孕穗期CO、CS和CF处理0～40 cm土层的土壤微生物数量均值分别比TO、TS和TF处理高-10.42%、5.52%和1.61%，乳熟期分别比TO、TS和TF处理低-24.65%、10.39%和75.81%。

总体来看，控制灌溉和有机肥施用、秸秆还田联合调控提高了稻田土壤微生物数量，但CS处理拔节孕穗期20～40 cm土层和乳熟期0～10 cm土层出现了降低。在各生育期，CO和CS处理0～40 cm土层的土壤菌落数均值分别比 TF 处理高 1.73×105～3.83×105和2.33×104～2.43×105。

2.2 水碳调控稻田土壤过氧化氢酶活性变化规律

总体来看，水碳调控各处理稻田土壤过氧化氢酶活性的垂直分布规律基本一致（图1），均表现出较好的分层分布，即随着土层深度的增加土壤过氧化氢酶活性表现出先增后减的趋势。与常规肥管理相比，有机肥施用和秸秆还田使控制灌溉稻田的土壤过氧化氢酶活性略有降低，而淹水灌溉稻田则相反。控制灌溉条件下，CO和CS处理0～40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均值分别比CF处理低1.16%～1.82%和0.06%～0.38%；淹水灌溉条件下，TO和TS处理0～40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均值分别比TF处理高-4.28%～1.1%和1.27%～2.99%。TO处理拔节孕穗期0～10 cm土层土壤过氧化氢酶活性显著低于TF处理和TS处理(P＜0.05)，其余处理之间差异均不显著。

在施肥相同的情况下，控制灌溉稻田各层土壤过氧化氢酶活性基本高于淹水灌溉，但分蘖期20～40 cm土层出现了CO处理略低于TO处理的情况。各生育期CF、CO与CS处理0～40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均值分别比TF、TO与TS处理高3.02%～6.07%、0.72%～8.79%与1.66%～2.59%。

总体来看，控制灌溉和有机肥施用、秸秆还田联合调控提高了稻田土壤过氧化氢酶活性，但CS处理拔节孕穗期20～40 cm土层出现了略低于CF处理的情况。在各生育期，CO和CS处理0～40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均值分别比TF处理高1.82%～4.14%和2.95%～5.66%。

2.3 水碳调控稻田土壤蔗糖酶活性变化规律

总体来看，水碳调控各处理稻田土壤蔗糖酶活性的垂直分布规律基本一致（图2），即随土层深度的增加土壤蔗糖酶活性逐渐减小，但拔节孕穗期CO处理出现了先减后增的情况。与常规肥管理相比，有机肥施用显著提高了稻田土壤蔗糖酶活性，而秸秆还田对土壤蔗糖酶活性的影响因灌水处理而异。秸秆还田使淹水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性显著提高，控制灌溉稻田土壤蔗糖酶活性略有降低。在各生育期，CO和TO处理0～40 cm土层的土壤蔗糖酶活性均值分别比CF和TF处理高31.54%～61.26%和7.53%～48.96%；TS处理0～40 cm土层的土壤蔗糖酶活性均值比TF处理高7.71%～29.79%，CS处理比CF处理低3.11%～7.36%。CO处理分蘖期10～20 cm土层及拔节孕穗期各土层土壤蔗糖酶活性显著高于CF处理(P＜0.05)，TO处理分蘖期各土层显著高于TF处理(P＜0.05)；TS处理分蘖期10～20 cm和20～40 cm土层土壤蔗糖酶活性显著高于TF处理(P＜0.05)。

图2 不同生育阶段土壤蔗糖酶活性的垂直分布

不同施肥管理条件下，控制灌溉对稻田土壤蔗糖酶活性的影响不一致。有机肥管理条件下，CO处理各层土壤蔗糖酶活性基本高于TO处理，但拔节孕穗期10～20 cm土层出现了降低，CO处理各生育期0～40 cm土层的土壤蔗糖酶活性均值比TO处理高10.26%～21.34%。秸秆还田管理条件下，除分蘖期20～40 cm土层外，CS处理各层土壤蔗糖酶活性均低于TS处理，CS处理各生育期0～40 cm土层的土壤蔗糖酶活性均值比TS处理低6.79%～30.41%。常规肥管理条件下，控制灌溉对土壤蔗糖酶活性的影响因生育期而异，分蘖期CF处理各层土壤蔗糖酶活性均高于TF处理，拔节孕穗期则相反，分蘖期和拔节孕穗期CF处理0～40 cm土层土壤蔗糖酶活性均值分别比TF处理高24.87%和-19.09%。

总体来看，控制灌溉和有机肥施用、秸秆还田联合调控提高了稻田土壤蔗糖酶活性，但拔节孕穗期CS处理各土层均出现了降低。CO处理各生育期和CS处理分蘖期0～40 cm土层的土壤蔗糖酶活性均值分别比TF处理高30.47%～64.25%和20.98%，CS处理拔节孕穗期比TF处理低25.04%。

3 结论

（1）稻田土壤微生物主要集中在土壤表层。与常规氮肥管理相比，有机肥施用和秸秆还田提高了稻田土壤微生物数量。不同灌水处理下，有机肥施用和秸秆还田稻田0～40 cm土层土壤菌落数均值分别比常规肥管理高1.37×105～5.40×105和5.00×104～2.07×105。不同施肥管理条件下，分蘖期控制灌溉稻田土壤微生物数量高于淹水灌溉，水稻生长中后期差异减小甚至反超。

（2）稻田土壤过氧化氢酶活性总体上随土层深度的增加先增后减。与常规氮肥管理相比，有机肥施用和秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性的影响较小。不同施肥管理条件下，控制灌溉稻田土壤过氧化氢酶均高于淹水灌溉。各生育期CF、CO与CS处理0～40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均值分别比TF、TO与TS处理高3.02%～6.07%、0.72%～8.79%与1.66%～2.59%。

（3）稻田土壤蔗糖酶活性总体上随土层深度的增加而减小。与常规氮肥管理相比，有机肥施用显著提高了稻田土壤蔗糖酶活性，而秸秆还田对土壤蔗糖酶活性的影响因灌水处理而异。不同灌水处理下，有机肥施用和秸秆还田稻田0～40 cm土层土壤蔗糖酶活性分别比常规肥管理高7.53%～61.26%和-7.36%～29.79%。不同施肥管理条件下，控制灌溉对稻田土壤蔗糖酶活性的影响不一致。

4 讨论

本研究发现，控制灌溉分蘖期稻田土壤微生物数量基本高于淹水灌溉，水稻生长中后期差异逐渐减小且有反超的趋势，与桂娟等[15]的结论基本一致。这可能是因为干湿交替过程中，“干过程”导致部分土壤微生物死亡、产生氮素，存活的微生物在“湿过程”中利用死亡的微生物和氮素快速增殖，多次干湿交替后存活微生物和氮素减少[16-17]，土壤微生物数量降低。同时本研究发现，控制灌溉和有机肥施用、秸秆还田联合调控总体提高了稻田土壤微生物数量，这可能是因为一方面干湿交替使土壤微生物数量先增加后降低[18]，另一方面，有机肥施用和秸秆还田管理增加了土壤中可利用碳氮含量，改变了土壤碳氮比，适宜的碳氮比有利于土壤微生物的代谢和繁殖[19]。

本研究发现节水灌溉提高了土壤过氧化氢酶活性，有研究表明亏缺灌溉也有相同的效果[20]。这可能是因为适度的水分胁迫促进了水稻根系生长，增加了根系酶分泌量[21]。同时本研究发现控制灌溉和有机肥施用、秸秆还田联合调控总体提高了稻田土壤蔗糖酶活性，但拔节孕穗期CS处理出现了降低。这可能是因为水碳调控通过改变土壤微生物数量和有机质含量来影响土壤蔗糖酶活性[22]。一方面水稻生长中后期节水灌溉稻田土壤微生物数量相比淹水灌溉有所降低，土壤蔗糖酶活性随之降低[23]，另一方面干湿交替过程中，土壤水分含量频繁改变会影响土壤各项理化性质，加速有机肥和秸秆的分解，增加土壤有机质含量[16]，且有机肥效果更显著[24]，进而提高了土壤蔗糖酶活性[25]。