化肥和有機(jī)肥長(zhǎng)期施用對(duì)紅壤酶活性的影響

田善義,王明偉,成艷紅,陳小云,李大明,胡 鋒,劉滿(mǎn)強(qiáng),*

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)室,南京 210095 2 江西省紅壤研究所,南昌 331717

化肥和有機(jī)肥長(zhǎng)期施用對(duì)紅壤酶活性的影響

田善義1,王明偉1,成艷紅2,陳小云1,李大明2,胡 鋒1,劉滿(mǎn)強(qiáng)1,*

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)室,南京 210095 2 江西省紅壤研究所,南昌 331717

選擇長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中的不施肥對(duì)照(CK)、單施化肥(NPK)、單施有機(jī)肥(OM)及化肥有機(jī)肥配施(NPKM)4種處理,研究了長(zhǎng)期化肥和有機(jī)肥互作對(duì)旱地紅壤酶活性的影響及酶活性與土壤理化性質(zhì)、微生物生物量的關(guān)系。結(jié)果表明,施肥特別是化肥和有機(jī)肥的交互作用能不同程度促進(jìn)參與碳、氮循環(huán)的總體酶活性增加；其中,OM對(duì)酶活性的促進(jìn)作用強(qiáng)于NPK,NPKM的酶活性最高。與CK相比,施用有機(jī)肥的處理(即OM和NPKM)會(huì)降低參與碳循環(huán)酶和參與氮循環(huán)酶的比值,而NPK不影響該比值。OM處理的單位微生物量碳酶活性和單位有機(jī)碳酶活性均顯著低于其他處理,而在NPK處理中這兩項(xiàng)指標(biāo)最高,OM和NPKM處理則提高了單位微生物量氮酶活性。一方面說(shuō)明有機(jī)肥可以緩解土壤微生物的碳限制,但是供氮能力相對(duì)不足,而與化肥配施緩解了氮素的限制狀況；另一方面暗示有機(jī)肥可以提高土壤生物的生態(tài)效率?？傊?化肥和有機(jī)肥配施能夠在碳氮資源的生物有效性上形成互補(bǔ)關(guān)系,能夠同時(shí)促進(jìn)土壤生物和作物生長(zhǎng),從而滿(mǎn)足土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能持續(xù)發(fā)揮的需要。

施肥措施；微生物生物量；土壤酶活性；酶活性比例；生態(tài)系統(tǒng)功能

化肥對(duì)作物增產(chǎn)至關(guān)重要,但是過(guò)量施用化肥不僅造成了能源和資源的浪費(fèi),還會(huì)產(chǎn)生土壤板結(jié)、酸化等一系列問(wèn)題,尤其對(duì)氮沉降嚴(yán)重且土壤酸性較強(qiáng)的紅壤地區(qū),過(guò)量化肥施用所產(chǎn)生的問(wèn)題更為突出[1- 3]。眾所周知,有機(jī)肥施用可以減少化肥用量,而且畜禽糞便肥料化可以減輕或消除畜禽糞便處理不當(dāng)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題[4-5]。有機(jī)肥在提高土壤有效養(yǎng)分的同時(shí)能夠促進(jìn)土壤生物群落的發(fā)展,改善土壤生態(tài)環(huán)境,但是有機(jī)肥包含的養(yǎng)分通常不均衡,容易導(dǎo)致植物和微生物的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng),難以滿(mǎn)足作物增產(chǎn)的需求。化肥和有機(jī)肥的配施則可以形成互補(bǔ)或協(xié)同作用,從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量和土壤功能的雙重目標(biāo)[6-7]。農(nóng)田高強(qiáng)度利用下土壤生態(tài)系統(tǒng)日趨脆弱,特別是在化肥減施和有機(jī)廢棄物合理利用的背景下,迫切需要研究有機(jī)肥和化肥相互作用對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

土壤生態(tài)功能與陸地生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供的生態(tài)福祉關(guān)系密切,選擇合適的指標(biāo)來(lái)反映土壤生態(tài)功能也日益受到重視[8]。土壤微生物量被認(rèn)為是活性養(yǎng)分的重要來(lái)源,是土壤質(zhì)量或健康狀況的核心指標(biāo)[9],土壤微生物量碳氮比可以間接反映土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分限制狀況[10-11]。相比之下,土壤酶活性與土壤功能關(guān)系更為密切,特別是酶的專(zhuān)一性和多樣性可以更全面地反映參與物質(zhì)循環(huán)的土壤生物群落的功能特征,而且酶活性能夠敏感響應(yīng)土壤質(zhì)量特別是土壤生物群落的變化,因此被認(rèn)為是具有潛力的土壤生態(tài)功能指標(biāo)[12- 14]。施肥對(duì)酶活性的影響已有大量研究,化肥或有機(jī)肥施用均可能刺激土壤酶活性的增加,而且一般認(rèn)為化肥和有機(jī)肥配施對(duì)酶活性的促進(jìn)效果最佳[7,15- 17]。然而,以往的研究往往集中在施肥對(duì)酶活性影響程度的強(qiáng)弱上,缺乏對(duì)酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制的關(guān)注,而利用酶高度的功能專(zhuān)一性特征對(duì)其進(jìn)行劃分,有助于厘清土壤酶和有機(jī)碳及微生物生物量的關(guān)系,進(jìn)而有助于區(qū)分微生物群落的生態(tài)代謝變化過(guò)程,并在土壤生態(tài)系統(tǒng)水平上了解施肥措施的影響,為今后揭示土壤生態(tài)過(guò)程的調(diào)控機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

紅壤在我國(guó)南方廣泛分布,具有較好的水熱氣候條件和較高的生產(chǎn)潛力,但是旱地紅壤地區(qū)不合理的利用方式和施肥措施往往導(dǎo)致紅壤生物功能退化嚴(yán)重,土壤生態(tài)系統(tǒng)健康水平的提升尤為迫切[18]?；诖?本研究以旱地紅壤長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)為平臺(tái),研究化肥和有機(jī)肥施用對(duì)微生物生物量及酶活性的影響,以不同功能酶為切入點(diǎn)并從生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的角度了解養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分限制因素,為進(jìn)一步明確施肥措施對(duì)土壤生態(tài)功能的影響及揭示土壤生態(tài)過(guò)程調(diào)控機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于江西省紅壤研究所(116°20′24″E,28°15′30″N),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降水量1727 mm,降水豐富但季節(jié)分配不均。平均溫度為17.7 ℃,其中1月平均溫度5.5 ℃,7月平均溫度29.9 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定位試驗(yàn)始于1986年,種植制度采用早玉米-晚玉米-冬閑制,本研究選擇其中的4個(gè)處理,構(gòu)成2化肥×2有機(jī)肥的2因素交互設(shè)計(jì)?；侍幚?NPK)每公頃分別施60 kg氮(N),30 kg磷(P2O5),60 kg鉀(K2O)；有機(jī)肥處理(OM)每hm2施鮮豬糞15000 kg；化肥有機(jī)肥配施處理(NPKM)施肥量為NPK和OM總和；不施肥處理為對(duì)照(CK)。小區(qū)面積22.22 m2,每處理設(shè)3個(gè)重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 土壤采集

于2013年10月中旬玉米抽雄期,用土鉆采集玉米主莖3 cm范圍內(nèi)0—15 cm表層土,以獲得能夠反映根系影響的土壤,每個(gè)小區(qū)采集8個(gè)點(diǎn)。土樣采集后在24 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,在室內(nèi)剔除根系等后過(guò)2 mm篩,酶活性和微生物生物量的待測(cè)土樣于4 ℃條件下保存并迅速測(cè)定；部分土樣風(fēng)干后過(guò)0.15 mm篩后用于全氮和有機(jī)碳測(cè)定。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 土壤基礎(chǔ)性質(zhì)

采用常規(guī)方法測(cè)定[19]。土壤pH采用1∶2.5(土∶水)浸提,pH計(jì)(HANNA,HI2221)測(cè)定；全氮(TN)采用半微量開(kāi)氏法；有機(jī)碳(SOC)采用K2Cr2O7容量法(180 ℃油浴)。

1.4.2 土壤微生物生物量

土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法[19]。熏蒸及未熏蒸土樣以1∶4(土∶水,w∶v)加入0.5 mol/L K2SO4浸提劑,180 r/min震蕩30 min后過(guò)濾。待測(cè)液中總碳用總有機(jī)碳分析儀(Elementar Vario EL III,德國(guó))測(cè)定,總氮用流動(dòng)注射分析儀(Auto Analyer AA3,德國(guó))測(cè)定。熏蒸與未熏蒸土樣的有機(jī)碳氮差值分別除以轉(zhuǎn)換系數(shù)(KC=0.38,KN=0.45),分別計(jì)算MBC和MBN含量。

1.4.3 土壤酶活性

土壤酶活性測(cè)定采用微孔板熒光法[20]。利用熒光物質(zhì)4-羥甲基- 7-香豆素(MUB)共軛物質(zhì)作為測(cè)定底物,接種土壤懸液至96孔微孔板中,測(cè)定具有代表性酶活性,包括4種參與碳循環(huán)的酶(α-葡糖苷酶,β-葡糖苷酶,纖維素酶,木聚糖酶)和2種參與氮循環(huán)的酶(亮氨酸氨基肽酶,N-乙酰基-β-D氨基葡萄糖苷酶)。用每小時(shí)每克樣品的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率表示樣品酶活性(nmol g-1h-1)。

1.4.4 土壤酶活性的計(jì)算

用單一酶活性評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量不夠全面[21],而不同酶活性的量綱和絕對(duì)值存在差異也無(wú)法直接比較,用歸一化的方法可以計(jì)算不同功能酶活性和總體酶活性指標(biāo)[9,22-23],其中參與碳循環(huán)和參與氮循環(huán)的酶活性的比值可以反映土壤中酶的組成結(jié)構(gòu),指示土壤微生物對(duì)土壤生態(tài)過(guò)程格局,反映微生物的養(yǎng)分需求和利用狀況[24-25]。

先對(duì)不同處理的同一種酶進(jìn)行歸一化處理,用相同處理中歸一化的幾種酶的幾何平均數(shù)代表這幾種酶的總活性。單位微生物量酶活性為酶的總活性與微生物量的比值(如：?jiǎn)挝晃⑸锪刻济富钚詾樘佳h(huán)酶活性與微生物量碳的比值)。

計(jì)算公式：

(1)

(2)

MBE=Y′/SMB

(3)

SOCE=C′/SOC

(4)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差分析評(píng)價(jià)化肥、有機(jī)肥及二者的相互影響,數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析之前進(jìn)行正態(tài)分布和方差齊性檢驗(yàn)。冗余分析檢測(cè)酶活性與土壤養(yǎng)分和微生物量之間的相關(guān)性,以及不同施肥措施之間的差異性。數(shù)據(jù)采用Statistica 10.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析,冗余分析及排序圖的繪制采用Canoco5.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物生物量的影響

雙因素方差分析結(jié)果顯示,化肥(NPK)和有機(jī)肥(OM)的長(zhǎng)期施用對(duì)土壤pH、TN和SOC的影響均達(dá)到顯著水平(P<0.05,下同),NPK和OM交互作用對(duì)土壤TN和SOC 有顯著影響(表1)。與CK相比,NPK使土壤pH降低而OM和NPKM可以提高土壤pH,NPK和OM均能顯著提高土壤中TN和SOC,NPKM和OM處理中TN和SOC含量無(wú)顯著差異,但均顯著高于NPK處理(圖1)。

表1化肥和有機(jī)肥對(duì)土壤pH、全氮、有機(jī)碳、微生物生物量碳、微生物生物量氮和微生物量碳氮比影響的方差分析結(jié)果

Table1ANOVAsresults(Fvalues and Probability level)ontheeffectsofchemicalfertilizer(NPK)andorganicamendment(OM)onsoilpH,totalnitrogen,organiccarbon,microbialbiomasscarbon,microbialbiomassnitrogenandmicrobialbiomassC∶Nratio

變異來(lái)源SourcesofvariationdfpH全氮Totalnitrogen有機(jī)碳Organiccarbon微生物生物量碳Microbialbiomasscarbon微生物生物量氮Microbialbiomassnitrogen微生物量碳氮比MicrobialbiomassC∶Nratio化肥(NPK)194．7??27．4??2．13．902．166有機(jī)肥(OM)1931．3??192．3??121．1??118．3??16．6??8．358?交互(NPK×OM)13．07．9?6．5?20．4??4．210．137

化肥Chemical fertilizer(NPK);有機(jī)肥Organic amendment(OM);交互Interaction of chemical and organic amendment(NPK×OM);表中數(shù)據(jù)和星號(hào)為F值和顯著水平,*P< 0.05,**P< 0.01

由方差分析結(jié)果可知,OM對(duì)MBC、MBN及微生物量碳氮比均有顯著影響,MBC對(duì)OM的響應(yīng)還依賴(lài)于NPK的施用與否(表1)。NPK與CK處理之間MBC、MBN和微生物量碳氮比的差異均不顯著,而OM和NPKM處理之間這3個(gè)指標(biāo)均顯著高于CK且在OM處理中最高(圖1)。

圖1 施肥對(duì)土壤pH、全氮、有機(jī)碳、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物量碳氮比的影響Fig.1 Effects of fertilization management on soil pH, total nitrogen, organic carbon, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and microbial biomass C∶N ratioCK對(duì)照；NPK化肥處理；OM有機(jī)肥處理；NPKM化肥有機(jī)肥配施；圖中處理間不同小寫(xiě)字母代表5%差異顯著性,平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3)

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤酶活性的影響

參與碳循環(huán)的酶(AG,BG,CB和XYL)和氮循環(huán)的酶(LAP和NAG)以及總酶活性均受到NPK和OM的顯著影響(表2)。在參與碳循環(huán)的酶中,除了XYL外(NPK可以促進(jìn)酶活性而OM無(wú)影響),AG、BG和CB趨勢(shì)一致,NPK和OM處理均能促進(jìn)酶活性且二者配施后具有疊加效應(yīng),且在NPKM中最高,分別是CK的2.23倍、1.69倍和2.42倍(圖2)；單施有機(jī)肥處理的OM對(duì)LAP和NAG的促進(jìn)程度顯著高于NPK(圖2)。

表2化肥和有機(jī)肥對(duì)α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶、木聚糖酶、亮氨酸氨基肽酶、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶、碳循環(huán)酶活性、氮循環(huán)酶活性和總酶活性影響的方差分析結(jié)果

Table2ANOVAsresults(Fvalues and Probability level)ontheeffectsofchemicalfertilizer(NPK)andorganicamendment(OM)onα-glucosidase(AG),β-glucosidase(BG),cellulase(CB),xylanase(XYL),leucineaminopeptidase(LAP),N-acetyl-β-D-glucosaminidase(NAG),normalizedC-acquiringenzymeactivity(NCE),normalizedN-acquiringenzymeactivity(NNE)andnormalizedenzymeactivity(NE)

變異來(lái)源Sourcesofvariationdfα-葡糖苷酶AGβ-葡糖苷酶BG纖維素酶CB木聚糖酶XYL亮氨酸氨基肽酶LAPN-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶NAG碳循環(huán)酶NCE氮循環(huán)酶NNE總酶活性NE化肥(NPK)113．94??15．26??19．04??23．68??2．56?11．38??76．57??10．9?57．4??有機(jī)肥(OM)121．73??33．97??34．10??107．57??385．57??73．50??60．11??373．6??182．7??交互(NPK×OM)10．260．020．101．510．556．80?0．434．31．2

相比未施肥處理,歸一化后的碳循環(huán)酶活性(NCE),氮循環(huán)酶活性(NNE)和總酶活性(NE)在化肥NPK和OM影響下均顯著增加,在NPKM處理均最高。且OM對(duì)NNE和NE促進(jìn)效果較NPK更強(qiáng)(圖3)。參與碳循環(huán)和參與氮循環(huán)的酶活性的比值(RCN)在施用有機(jī)肥的處理內(nèi)(OM和NPKM)顯著低于未施有機(jī)肥的處理(圖3)。

2.3 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)及土壤微生物生物量的關(guān)系

單位微生物量碳酶活性(MBCE)和單位有機(jī)碳酶活性(SOCE)的變化趨勢(shì)一致,與CK相比該2項(xiàng)指標(biāo)在NPK處理中分別增加了7%和16.9%,而在施用有機(jī)肥的處理中有降低的趨勢(shì),且在OM處理中均最低,分別比CK降低了56.2%和21.2%(圖4)。單位微生物量氮酶活性(MBNE)在NPK處理中和CK無(wú)顯著差異,但在OM和NPKM處理中則有增加的趨勢(shì)且在NPKM處理中最高,比CK高45.0%(圖4)。

冗余分析表明,在土壤酶活性指標(biāo)中除XYL外,不同酶之間及其和微生物生物量、理化性質(zhì)也呈正相關(guān)。在酶比例指標(biāo)中只有MBNE和其余各指標(biāo)呈正相關(guān),而和碳循環(huán)酶有關(guān)的比例指標(biāo)SOCE、MBCE和RCN則和其余指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。不同施肥措施的影響差異明顯,4個(gè)處理分別各占據(jù)1個(gè)象限,且OM和NPKM與除了XYL、SOCE、MBCE和RCN外的所有指標(biāo)呈正相關(guān)性(圖5)。

圖2 施肥對(duì)α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、纖維素酶、木聚糖酶、亮氨酸氨基肽酶及N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶的影響Fig.2 Effects of fertilization management on α-glucosidase, β-glucosidase, cellulase, xylanase, leucine aminopeptidase and N-acetyl-β-D-glucosaminidase

圖3 不同施肥對(duì)碳循環(huán)酶活性、氮循環(huán)酶活性、總酶活性和碳循環(huán)酶與氮循環(huán)酶比的影響Fig.3 Effects of fertilization management on normalized C-acquiring enzyme activity (NCE), normalized N-acquiring enzyme activity (NNE), normalized enzyme activity (NE) and C∶N acquisition ratio (RCN)

圖4 不同施肥處理對(duì)單位微生物量碳酶活性、單位微生物量氮酶活性、單位有機(jī)碳酶活性的影響Fig.4 Effects of fertilization management on microbial C-specific enzyme activities, microbial N-specific enzyme activities, organic C-specific enzyme activities

圖5 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì),土壤微生物量的冗余分析排序圖Fig.5 Redundancy analysis ordination showing the relationships among soil enzyme activity, soil physicochemical properties and soil microbial biomassAG: α-葡糖苷酶,α-glucosidase；BG: β-葡糖苷酶,β-glucosidase；CB: 纖維素酶,cellulase；XYL: 木聚糖酶,xylanase；LAP: 亮氨酸氨基肽酶,leucine aminopeptidase；NAG: N-乙?；?β-D氨基葡萄糖苷酶,N-acetyl-β-D-glucosaminidase；NE: 總酶活性,normalized enzyme activity；NCE: 碳循環(huán)酶活性,normalized C-acquiring enzyme activity；NNE: 氮循環(huán)酶活性,normalized N-acquiring enzyme activity；RCN: 碳氮循環(huán)酶比,the C∶N acquisition ratio；SOC: 有機(jī)碳,organic carbon； TN: 全氮,total nitrogen；MBC: 微生物量碳,microbial biomass carbon；MBN: 微生物量氮,microbial biomass nitrogen；MBCE: 單位微生物量碳酶活性,microbial C-specific enzyme activities；MBNE: 單位微生物量氮酶活性,microbial N-specific enzyme activities；SOCE: 單位有機(jī)碳酶活性,organic C-specific enzyme activities；MBC∶MBN:微生物量碳氮比,microbial biomass C∶N ratio

3 討論

長(zhǎng)期施肥可以提高土壤養(yǎng)分,增加根系分泌物和凋落物等碳源向土壤的輸入,促進(jìn)土壤微生物繁殖,增加微生物生物量,此外有機(jī)肥的施用還可以改善土壤理化性質(zhì)并將額外的有機(jī)碳直接帶入土壤,更有利于土壤微生物生長(zhǎng),因此在施用有機(jī)肥的處理中微生物量碳、氮及有機(jī)碳相對(duì)較高,這也和前人的大量研究結(jié)果相契合[26- 28]。

微生物分泌的各種酶在土壤的碳氮循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[29],本試驗(yàn)中4種參與碳循環(huán)的酶活性以及2種參與氮循環(huán)的酶活性在三種施肥措施下均有增加,除木聚糖酶外其他酶活性均在化肥有機(jī)肥配施處理中活性最強(qiáng),這主要是因?yàn)槭┓手苯踊蛲ㄟ^(guò)作物生長(zhǎng)而間接增加了土壤的碳源和氮源,促進(jìn)了微生物的繁殖,從而刺激酶活性的增加[14]。木聚糖酶活性在化肥處理中最高,具體原因還有待進(jìn)一步研究,但這也說(shuō)明用單一酶活性評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量狀況不夠完善。通過(guò)計(jì)算不同功能酶活性和總酶活性可以明確看出有機(jī)肥對(duì)酶活性的促進(jìn)作用強(qiáng)于化肥,且化肥有機(jī)肥配施對(duì)酶活性促進(jìn)作用最強(qiáng),進(jìn)一步印證了前人關(guān)于施肥措施對(duì)酶活性影響的報(bào)道[15- 17,21]。

土壤中的大部分酶屬于誘導(dǎo)酶類(lèi),其活性和數(shù)量受底物濃度和微生物自身對(duì)養(yǎng)分需求的限制。本試驗(yàn)中參與碳循環(huán)酶(NCE)和氮循環(huán)酶(NNE)的變化趨勢(shì)和有機(jī)碳、全氮以及微生物量碳氮的變化趨勢(shì)基本一致,而參與碳循環(huán)的酶和參與氮循環(huán)的酶比值(RCN)變化和微生物量碳氮比的變化趨勢(shì)相反。土壤微生物元素組成和土壤中含有的元素之間存在化學(xué)計(jì)量平衡[30],微生物通過(guò)調(diào)控酶的分泌來(lái)增加對(duì)限制性養(yǎng)分的吸收,因此酶可以反映微生物養(yǎng)分限制和養(yǎng)分的有效性[25]。一方面,由于化肥處理直接提高了土壤氮素有效性,而碳素的輸入相對(duì)不足導(dǎo)致長(zhǎng)期施用化肥后土壤碳氮比較低,因此單施化肥的土壤微生物需分泌更多的碳循環(huán)酶來(lái)維持自身的碳氮比。另一方面,化肥提高了土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)力,從而抑制了NNE活性,因此長(zhǎng)期施用化肥會(huì)導(dǎo)致RCN升高；反之有機(jī)肥的碳氮比高,因此在單施有機(jī)肥處理中微生物需要分泌更多的氮循環(huán)酶來(lái)滿(mǎn)足對(duì)氮素的需求,雖然這有利于有機(jī)態(tài)氮的礦化,但是有機(jī)肥的養(yǎng)分含量往往不均衡,這就有可能加劇微生物和植物之間的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)。在化肥有機(jī)肥配施的處理中化肥和有機(jī)肥可以?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ),因此該處理的土壤養(yǎng)分含量和酶活性最高,但是MBC:MBN和RCN均處于中等水平。

單位微生物量酶活性和單位有機(jī)碳酶活性(SOCE)代表了微生物和有機(jī)碳對(duì)酶活性的貢獻(xiàn),可以反映土壤養(yǎng)分限制狀況,一般認(rèn)為微生物在受養(yǎng)分脅迫時(shí)會(huì)增加相應(yīng)酶的分泌來(lái)滿(mǎn)足自身的養(yǎng)分需求[25],單一施用化肥的土壤易導(dǎo)致碳脅迫,微生物需要分泌更多的有機(jī)碳分解酶,增加土壤碳代謝效率滿(mǎn)足自身的養(yǎng)分需求,這就導(dǎo)致了單施化肥處理的單位微生物量碳酶活性(MBCE)和SOCE較高,施用有機(jī)肥可以緩解土壤碳限制,但是氮供應(yīng)力不足,因此需要更高的單位微生物量氮酶活性(MBNE)來(lái)滿(mǎn)足微生物的氮素需求。冗余分析結(jié)果顯示本試驗(yàn)所做4種施肥措施的影響差異顯著,SOCE、MBCE以及RCN與化肥處理呈正相關(guān)性,而其他指標(biāo)則和施用有機(jī)肥的處理呈正相關(guān)性,Bowles[31]研究發(fā)現(xiàn)速效氮含量高的土壤會(huì)具有較高參與碳循環(huán)的酶活性,而當(dāng)土壤中碳源充足時(shí)參與氮循環(huán)的酶活性相對(duì)較高,以上結(jié)果說(shuō)明長(zhǎng)期單施化肥導(dǎo)致土壤微生物主要趨于受到有機(jī)碳限制而單施有機(jī)肥的處理中微生物群落則主要趨于受到氮素養(yǎng)分限制,可見(jiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施既能營(yíng)造良好的微生物生長(zhǎng)環(huán)境又能滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求。通過(guò)酶活性的高低以及其衍生指標(biāo)可以較為全面的評(píng)價(jià)土壤肥力狀況和生物特性,而且酶具有較高的靈敏性,因此在反映土壤質(zhì)量階段性變化時(shí)酶活性要比常規(guī)理化性質(zhì)更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)化肥和有機(jī)肥的施用均能夠不同程度的提高參與碳循環(huán)的酶和參與氮循環(huán)的酶活性,且不同處理間各酶活性變化趨勢(shì)一致,各處理間酶活性次序：NPKM>OM>NPK>CK。

(2)歸一化后的碳、氮循環(huán)酶活性和總酶活性均在NPKM處理中最高,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥的土壤中參與氮循環(huán)的酶比例增加,而長(zhǎng)期單一施用化肥的土壤中參與碳循環(huán)的酶比例增加。

(3)長(zhǎng)期單一施用化肥會(huì)提高單位微生物量碳酶活性和單位有機(jī)碳酶活性,但會(huì)降低單位微生物量氮酶活性,而有機(jī)肥與化肥的作用相反；說(shuō)明長(zhǎng)期單施化肥會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的限制,而單一施用有機(jī)肥可以緩解碳脅迫但是有可能導(dǎo)致氮素養(yǎng)分限制,有機(jī)肥和化肥配施則可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),在滿(mǎn)足微生物和植物養(yǎng)分的同時(shí)可以提高土壤生物活性和生態(tài)代謝效率,更有利于土壤生態(tài)功能的持續(xù)發(fā)揮。

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Long-termeffectsofchemicalandorganicamendmentsonredsoilenzymeactivities

TIAN Shanyi1, WANG Mingwei1, CHENG Yanhong2, CHEN Xiaoyun1, LI Daming2, HU Feng1, LIU Manqiang1,*

1SoilEcologyLaboratory,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China2JiangxiInstituteofRedSoil,Nanchang331717,China

Red soil degradation has become a serious ecological and environmental problem due to irrational utilization. In recent years in particular, with intensive agricultural management targeting higher crop yields, overuse of chemical fertilizers has exacerbated the degradation of red soil. Organic amendment could not only reduce the dosage of chemical fertilizer used but also could improve overall soil quality, including soil physicochemical and microbiological properties that are relevant to soil ecosystem service maintenance and development. Soil enzyme activity is considered to be a valuable soil quality indicator with regard to its relevance to soil functioning and its sensitivity to soil perturbation. Numerous studies have investigated the impacts of fertilization management on soil enzyme activities, mainly focusing on the assessment of enzyme activity responses to different fertilizations however, little attention has been paid to additional information on ecophysiology and ecological stoichiometry associated with multiple enzymatic activities. In the present study, soil samples were collected from a long-term red soil fertilization experiment established in 1986 in the Jiangxi Institute of Red Soil of Jiangxi Province, and were analyzed to investigate the interactive effects of chemical and organic amendment on soil enzyme activity, soil physicochemical properties, and microbial biomass. In particular, the relationship among soil enzyme activity, soil physicochemical properties, and microbial biomass was explored. Four treatments,i.e., no-fertilizer control (CK), only chemical fertilizer containing nitrogen, phosphorus, and potassium (NPK); only organic amendment (OM); and a combination of organic amendment and chemical fertilizer (NPKM), were selected for use in this study. The results showed that, compared with the CK, long-term fertilization practice (NPK, OM, and NPKM) could promote the activities of soil enzymes involved in carbon cycling (i.e., α-and β-glucosidase, cellulase and xylanase) and nitrogen cycling (i.e., leucine aminopeptidase andN-acetyl-β-d-glucosaminidase) to different extents. Among all the treatments, NPKM promoted overall enzyme activity the most, whereas NPK had the least affect. Organic amendment (i.e., OM and NPKM) decreased the C:N acquisition ratio in comparison with CK, but there was no significant difference between NPK and CK treatments, indicating that organic amendment decreased the proportion of C-acquiring enzymes but increased N-acquiring enzymes. Microbial biomass carbon-specific enzyme activities(MBCE) or soil organic carbon-specific enzyme activities(SOCE) under the OM treatment was significantly lower than in the other three treatments. For example, compared to CK, MBCE was decreased by 56.2% and SOCE by 21.2% in the OM treatment, but these were increased by 7% and 16.9%, respectively, in the NPK treatment. Such results indicate that soil microorganisms obtained relatively more energy in the OM treatment and that the utilization efficiency of organic carbon was higher in this treatment than in the NPK treatment. Similarly, microbial biomass nitrogen-specific enzyme activities(MBNE) increased by 45% in the NPKM treatment compared to that in the CK, but no significant difference was observed between OM and NPK. The results suggest that low C:N acquisition ratio and high MBNE are indicators of N limitation in OM treatment, and organic amendment combined with chemical fertilization could alleviate N limitation. In conclusion, the soil microbial community is mainly limited by C in NPK, whereas it is mainly restricted by N in the OM treatment. Furthermore, NPKM treatment could simultaneously supply organic carbon and nitrogen, satisfying the demands of plant growth and producing a favorable environment for microbial growth. Integrating organic amendment and chemical fertilizer would facilitate sustainable development of soil ecosystem services.

fertilization management; microbial biomass; enzyme activity; enzyme ratio; ecosystem function

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41371263, 41301235);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

2016- 04- 27; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604270800

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liumq@njau.edu.cn

田善義,王明偉,成艷紅,陳小云,李大明,胡鋒,劉滿(mǎn)強(qiáng).化肥和有機(jī)肥長(zhǎng)期施用對(duì)紅壤酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(15):4963- 4972.

Tian S Y, Wang M W, Cheng Y H, Chen X Y, Li D M, Hu F, Liu M Q.Long-term effects of chemical and organic amendments on red soil enzyme activities.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):4963- 4972.