長期定位施肥下黑土碳排放特征及其碳庫組分與酶活性變化

賀 美,王立剛,朱 平,戚瑞敏,王迎春,*

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081 2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所, 長春 130033

長期定位施肥下黑土碳排放特征及其碳庫組分與酶活性變化

賀 美1,王立剛1,朱 平2,戚瑞敏1,王迎春1,*

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081 2 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所, 長春 130033

黑土作為承擔(dān)我國糧食安全與生態(tài)安全的重要土壤資源,其碳排放特征與碳庫組分變化一直是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。施肥是影響黑土有機(jī)碳輸入、輸出的重要因素,而這需要長時(shí)間尺度的探究。為明確長期不同施肥下的土壤碳排放特征及其影響機(jī)制,以始于1990年的國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測網(wǎng)站黑土監(jiān)測基地-公主嶺為研究平臺,選取不施肥(CK)、單施氮磷鉀肥(NPK)、無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥(NPKM1)、1.5倍的無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥(1.5(NPKM1))、無機(jī)肥配施高量有機(jī)肥(NPKM2)和無機(jī)肥配施秸稈(NPKS)6個處理,探討了長期不同施肥下土壤碳排放量(CO2-C)與土壤碳庫組分包括水溶性有機(jī)碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、顆粒有機(jī)碳(POC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)及其β-葡萄糖苷酶(BG)、木聚糖酶(BXYL)、纖維素酶(CBH)和乙酰基β-葡萄糖胺酶(NAG)等酶活性變化。結(jié)果表明：與CK相比,各施肥處理均可以顯著增加黑土土壤碳排放量(P<0.05),其中,NPK處理土壤碳排放量約為2633.33 kg/hm2,顯著高出CK處理37.36%；長期有機(jī)無機(jī)配施(NPKM1、1.5(NPKM1)、NPKM2)顯著增加土壤碳排放量71.81%—88.51%,效果最為明顯；NPKS顯著增加土壤碳排放量56.32%,并且三種長期有機(jī)無機(jī)配施措施碳排放差異不顯著。相對CK處理,有機(jī)無機(jī)配施的DOC、MBC、POC、ROC均有顯著增加(P<0.05),各指標(biāo)分別高出CK處理16.07%—56.34%、128.84%—185.77 %、284.15%—497.45%和841.03%—1145.94%,其中1.5(NPKM1)處理效果最好。同時(shí),有機(jī)無機(jī)配施相對CK處理的NAG、BG、BXYL和CBH活性分別提高了313.22%—452.65%、129.45%—250.74%、159.08%—273.32%和72.21%—193.53%,且以1.5(NPKM1)處理的效果最好。土壤碳排放量與土壤酶活性、土壤活性碳庫組分之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明,長期不同施肥措施的土壤碳排放量不但與土壤ROC、DOC、POC、MBC含量呈極顯著相關(guān)(P<0.001),也與土壤BG、NAG、CBH、BXYL酶活性呈極顯著相關(guān)(P<0.001),說明施肥可以通過改變土壤各活性碳庫組分含量與土壤微生物活性影響土壤碳排放量。

長期施肥；土壤碳排放量；土壤活性碳庫組分；土壤酶活性

土壤呼吸是土壤碳輸出的主要途徑,每年因土壤呼吸而排放的碳約50—75×1015g[1],是化石燃料排放到大氣的10—15倍[2]。土壤呼吸指土壤由于代謝作用而釋放二氧化碳的過程,包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤動物呼吸3個生物學(xué)過程以及一個少量土壤有機(jī)物氧化產(chǎn)生二氧化碳的非生物學(xué)過程[3]。由于土壤釋放二氧化碳是一個持續(xù)動態(tài)的過程,難以準(zhǔn)確測定,因此,很多學(xué)者通過土壤呼吸速率來評估土壤二氧化碳排放量[4- 8]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分,因頻繁受種植、耕作與施肥等人為活動的強(qiáng)烈影響,其土壤呼吸在較短的時(shí)間尺度上會產(chǎn)生顯著變化,據(jù)統(tǒng)計(jì),農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放量達(dá)到人為溫室氣體排放量的21%—25%[9]。因此,了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳排放特征以及相關(guān)指標(biāo)變化有助于準(zhǔn)確評估其碳收支動態(tài),對調(diào)控農(nóng)田土壤碳循環(huán)、降低人為干擾對農(nóng)田溫室氣體排放的負(fù)效應(yīng)具有重要意義。

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中最活躍的部分,在一定程度上能夠反映土壤的物質(zhì)代謝強(qiáng)度、生物學(xué)特性以及土壤碳庫的穩(wěn)定性[10]。由于土壤有機(jī)碳背景值較高且其總量變化相對較慢,對農(nóng)田管理措施的反應(yīng)不夠敏感,因此,為了更好的反映土壤有機(jī)碳的有效性,近些年來許多學(xué)者將活性有機(jī)碳組分包括微生物量碳、水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳等作為反映土壤肥力與質(zhì)量變化的早期預(yù)測指標(biāo)[11-14]。土壤酶參與土壤碳循環(huán)中的各種生物化學(xué)過程[15],酶活性的高低可以間接反映土壤碳素轉(zhuǎn)化程度的強(qiáng)弱。不同施肥制度可以調(diào)節(jié)土壤碳庫組分含量、影響土壤酶活性,研究表明[16-19],施用有機(jī)肥或者秸稈還田均能提高土壤酶活性,不同程度的增加土壤活性碳庫組分含量,而土壤有機(jī)碳庫及微生物活性均能顯著影響土壤碳排放[20-21],但目前有關(guān)施用化肥對土壤碳庫組分含量以及土壤酶活性的影響結(jié)論不一[22-25]。因此,明確長期施肥對土壤碳庫與酶活性變化的影響尤為迫切。

長期以來,施肥為滿足我國的糧食需求做出了突出貢獻(xiàn),然而,長期施肥后農(nóng)田土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)均有重大變化[26-29]。近年來我國學(xué)者在土壤溫室氣體排放、微生物學(xué)特性以及土壤碳庫方面做了大量研究[30-32],但是由于我國長期定位試驗(yàn)監(jiān)測較少,目前對長期施肥后東北黑土的碳排放特征及其碳庫組分與酶活性變化缺乏系統(tǒng)研究,本文以連續(xù)運(yùn)行26a的國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地公主嶺長期定位試驗(yàn)為平臺,探索長期不同肥料管理模式下土壤碳排放、土壤活性碳庫與土壤酶活性的響應(yīng),以期為實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)固碳減排和培肥地力等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地吉林省公主嶺市,成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物,地勢平坦,是典型黑土區(qū)。年平均氣溫4—5℃,4—5月平均氣溫為7—16℃,6—8月份氣溫在19—25℃,9月份在16℃左右,年最高氣溫34℃,最低-35℃,有效積溫在2600—3000℃,年降水量450—650 mm,年蒸發(fā)量1200—1600 mm,無霜期120—140 d,為一年一季雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗(yàn)從1990年開始,初始土壤(0—20 cm)的理化性狀為：容重1.19 g/cm3,有機(jī)碳13.2 g/kg,全氮1.4 g/kg,有效磷11.79 mg/kg,速效鉀158.33 mg/kg,pH值是7.6,田間持水量35.8%,孔隙度53.4%,粘粒含量(<0.02 mm)31%。種植模式為春玉米(ZeamaysL.)連作,試驗(yàn)開始以來供試玉米品種分別是：1991—1994年為丹玉13；1995—1996年是吉單304；1997—1999是吉單209；2000—2003是四密25；2004—2005是吉單209；2006—2012為鄭單958。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文選擇長期定位試驗(yàn)的6個處理進(jìn)行分析：1)對照處理不施肥CK；2)單施化肥NPK；3)化肥低量有機(jī)肥NPKM1；4)1.5倍的化肥低量有機(jī)肥1.5NPKM1；5)化肥配施高量有機(jī)肥NPKM2；6)化肥配施秸稈NPKS,各處理施肥量見表1。試驗(yàn)小區(qū)面積400 m2,該地的長期定位實(shí)驗(yàn)于1990年開始實(shí)施,但由于當(dāng)時(shí)全國9個處理一致的長期定位實(shí)驗(yàn)均未設(shè)置重復(fù),因此,考慮到這一點(diǎn),在取樣時(shí)將試驗(yàn)小區(qū)分成3個取樣區(qū)分別取樣。有機(jī)肥(M)為豬廄肥自2005年后換成牛糞,S為玉米秸稈。各處理中磷鉀肥播種前作為底肥一次性施入,氮肥1/3播種前用作底肥,2/3于拔節(jié)期追施。有機(jī)無機(jī)配施處理中牛糞于玉米收獲后施入地里,秸稈還田處理是將前一年的作物秸稈從田里移出,自然風(fēng)干后經(jīng)人工粉碎,于第2年6月下旬追肥時(shí)撒施于壟溝中,然后覆土。在收獲時(shí)各處理地上留茬15 cm,并同根茬一起還田。播種時(shí)間在每年4月21日—4月30日,收獲時(shí)間大約9月21日—9月30日,生育期150d左右,種植密度為6萬株/hm2。

表1 各處理施肥量

CK:不施肥No fertilizer;NPK:單施氮磷鉀肥Only chemical fertilizer application；NPKM1：無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥Combining chemical and low levels of organic manure；1.5(NPKM1)：1.5倍的無機(jī)肥配施低量有機(jī)肥1.5 times the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1;NPKM2:無機(jī)肥配施高量有機(jī)肥Combing chemical and high amounts of organic manure;NPKS:無機(jī)肥配施秸稈Inorganic fertilizer straw;玉米秸稈和有機(jī)肥的C∶N比分別是66∶1和26∶1,含氮量是7.0 g/kg和5.0g/kg

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分的測定

于2015年9月27日作物收獲后,采集0—20cm土層土樣,將每處理分為3個取樣小區(qū),在每小區(qū)按梅花形5點(diǎn)法采集樣品后帶回實(shí)驗(yàn)室過篩混勻,用于土壤養(yǎng)分測定。水溶性有機(jī)碳(DOC)用0.5mol/L K2SO4浸提后用總有機(jī)碳/總氮(TOC(Total organic carbon)/TN(Total nitrogen))自動分析儀(Multi N/C R205 3100,德國耶拿)測定[33]；顆粒有機(jī)碳(POC)測定采用5g/L六偏磷酸納分散法[34]；微生物量碳(MBC)測定采用氯仿熏蒸浸提法[35],浸提液用TOC/TN自動分析儀測定；易氧化有機(jī)碳(ROC)測定采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法[36]。

1.3.2 土壤酶活性的測定

本研究中所涉及的4種土壤酶活性的測定均采用熒光微型板檢測技術(shù)[37-38],采用96孔微型板分區(qū)法,分為緩沖液+緩沖液區(qū)、緩沖液+標(biāo)準(zhǔn)底物區(qū)、緩沖液+熒光底物區(qū)、待測液+緩沖液區(qū)、待測液+標(biāo)準(zhǔn)底物區(qū)、待測液+熒光底物區(qū)；其次為制備土壤懸濁液試劑：稱取相當(dāng)于1 g干土的鮮土,置于200 mL塑料瓶,加入滅菌并冷卻的50 mmol/L醋酸緩沖液120 mL,震蕩制備成土壤懸濁液；然后將配置好的緩沖液以及待測液用8 通道移液器按照順序加入已經(jīng)編號分區(qū)的微型板中,然后將配置好的標(biāo)準(zhǔn)底物加入微型板,迅速加入熒光底物溶液,將加好待測液、標(biāo)準(zhǔn)底物、熒光底物的微型板放入25℃的培養(yǎng)箱培養(yǎng),培養(yǎng)4h后上機(jī)測定。

1.3.3土壤呼吸速率的測定與土壤CO2-C排放量估算

土壤呼吸速率采用開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)Li- 8100 紅外氣體分析儀(IRGA)測定。為了減少對土壤表層的干擾,避免由于安置PVC基座對土壤擾動而造成的短期呼吸速率波動,提前將測定土壤呼吸的PVC 基座(直徑20 cm,高度10 cm)埋入土壤中,每個基座上部距土壤表面3 cm。本試驗(yàn)測定時(shí)間為2015年,具體測定日期見表2,于每個測定日9:00—11:00進(jìn)行,該段時(shí)間土壤溫度相對穩(wěn)定。每小區(qū)重復(fù)測定3次,求其平均值作為該次測量的土壤呼吸速率。作物生長當(dāng)季降雨量與平均氣溫(來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)2015年吉林省四平市氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù))見圖1。土壤呼吸生育期累積CO2排放量的計(jì)算,公式為[7]：

式中，X為土壤每天CO2排放量(kg/hm2),Rs為測定的土壤呼吸速率(μmol m-2s-1),12為CO2-C的摩爾質(zhì)量(g/mol),3600和24為換算系數(shù)。i為第1次測定土壤呼吸速率,n為最后一次監(jiān)測值。N是相鄰兩次監(jiān)測之間相隔的天數(shù),相鄰兩次土壤呼吸的線性內(nèi)插作為間隔土壤呼吸速率值。

圖1 作物生長季降雨量與大氣平均溫度變化Fig.1 The precipitation and average air temperature during the growth period of crops

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SAS 9.1軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥對土壤碳累積排放量的影響

圖2 長期不同施肥措施下土壤碳累積排放特征Fig.2 Changes in soil carbon cumulative emission characteristics under different fertilizer treatments

與不施肥相比,肥料管理措施對土壤碳累積排放量影響顯著(圖2)。長期單施化肥條件下(NPK),玉米生育期黑土碳排放量約為2633.33 kg/hm2,顯著高于CK處理37.36%。無機(jī)肥配施有機(jī)肥和秸稈的處理顯著高于CK處理56.32%—86.54%,其中1.5(NPKM1)和NPKM2的土壤碳排放量顯著高于NPKS處理。

2.2長期不同施肥措施下土壤活性有機(jī)碳庫組分的變化特征

長期有機(jī)無機(jī)配施可以顯著提高土壤可溶性有機(jī)碳含量(圖3),長期有機(jī)無機(jī)配施土壤可溶性有機(jī)碳含量增加了16.08%—56.34%,其中1.5(NPKM1)處理的可溶性有機(jī)碳含量最高,為515.56 mg/kg；長期不施肥處理下的可溶性有機(jī)碳含量最低,為329.76 mg/kg。

長期單施化肥和長期有機(jī)無機(jī)以及秸稈還田均能顯著提高土壤微生物碳含量(圖3),1.5(NPKM1)處理的微生物量碳含量最高,為327.91 mg/kg,長期單施氮磷鉀顯著提高土壤微生物碳含量77.86%,長期有機(jī)無機(jī)配施和秸稈還田顯著提高土壤微生物量碳128.84% —185.77%。

表2 不同施肥措施下土壤呼吸速率變化/(μmol m-2 s-1)

同列不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平

長期有機(jī)無機(jī)配施能夠顯著提高土壤顆粒有機(jī)碳含量,結(jié)果如圖3所示,1.5(NPKM1)、NPKM2和NPKM1處理土壤顆粒有機(jī)碳含量顯著高于NPKS處理157.62%、169.63%和73.37%,顯著高于NPK處理387.95%、410.70%和228.37%,顯著高出CK處理470.84%、497.46%和284.15%。

長期有機(jī)無機(jī)配施以及秸稈還田的施用能夠顯著提高土壤易氧化有機(jī)碳的含量,如圖3所示,1.5(NPKM1)、NPKM2、NPKM1和NPKS處理土壤易氧化有機(jī)碳含量顯著高于NPK處理659.90%、473.93%、522.81%和371.61%,顯著高于CK處理1145.94%、841.03%、921.17%和673.25%。

圖3 長期不同施肥措施下土壤活性有機(jī)碳庫變化特征 Fig.3 Soil active organic carbon under long-term different fertilizer treatments

2.3 長期不同施肥措施下土壤酶活性的變化

不同施肥處理對土壤酶活性有較大的影響,所有處理中β-葡萄糖苷酶(BG酶)、木聚糖酶(BXYL酶)、纖維素酶(CBH酶)、乙?；?葡萄糖胺酶(NAG酶)4種酶活性均以1.5(NPKM1)處理最高,同一處理下的4種酶活性,以BG酶的活性最高,NAG酶的活性最低。

長期有機(jī)無機(jī)配施和秸稈還田能夠顯著提高土壤NAG酶活性如圖3,表現(xiàn)為1.5(NPKM1)> NPKM2 > NPKM1 > NPKS > NPK > CK,其中1.5(NPKM1)處理NAG酶活性為37.39 nmol g-1h-1,1.5(NPKM1)、NPKM2、NPKM1和NPKS處理顯著高于NPK處理260.56%、179.60%、169.59%和77.14%,顯著高于CK處理452.65%、328.56%、313.22%和171.51%。

長期不同施肥均能顯著提高土壤CBH酶活性,表現(xiàn)為1.5(NPKM1)> NPKM2 > NPKS > NPKM1 > NPK > CK,其中1.5(NPKM1)處理CBH酶活性為58.19 nmol g-1h-1,顯著高于其余各處理,1.5(NPKM1)、NPKM2、NPKM1、NPKS和NPK處理土壤CBH酶活性顯著高于CK處理193.53%、111.09%、72.21%、86.66%和38.29%。

長期施肥下土壤BXYL酶活性表現(xiàn)為1.5(NPKM1)> NPKM2 > NPKS > NPKM1 > NPK > CK,其中1.5(NPKM1)處理活性為62.81nmol g-1h-1,顯著高于其余各處理；1.5(NPKM1)、NPKM2、NPKM1和NPKS 處理CBH酶活性顯著高于CK處理273.32%、189.98%、159.08%和184.21%,NPK處理土壤CBH酶活性顯著高于CK處理77.24%。

長期施肥下土壤BG酶活性表現(xiàn)為1.5(NPKM1)> NPKM2 > NPKM1 > NPKS > NPK > CK,其中1.5(NPKM1)處理活性為257.36nmol g-1h-1,3個有機(jī)無機(jī)配施處理顯著高于NPKS處理45.16%—121.89%,顯著高于NPK處理45.67%—122.67%,顯著高于CK處理129.46%—250.74%。

圖4 長期不同施肥措施下土壤酶活性 Fig.4 Soil enzyme activity under long-term different fertilizer treatments BG為β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)；BXYL為木聚糖酶(β-xylosidase)；CBH為纖維素酶(Cellobiohydrolase)；NAG為乙?；?葡萄糖胺酶(N-acetylglucosaminnidase)

2.4 土壤碳排放與活性有機(jī)碳以及土壤酶活性之間的相關(guān)性分析

對所有處理的土壤碳排放量與土壤酶活性以及土壤活性碳庫組分之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析,結(jié)果如表3所示,長期不同施肥措施下的土壤碳排放量與土壤ROC、DOC、POC、MBC含量均呈極顯著相關(guān)(P<0.001),與土壤BG、NAG、CBH、BXYL酶活性之間也呈極顯著相關(guān)(P<0.001),可見土壤碳排放的總量受土壤各活性碳庫組分含量與土壤微生物活性共同作用的影響。

3 討論

3.1 長期不同施肥處理對土壤呼吸碳排放量的影響

不同的田間管理措施對土壤呼吸速率的影響很大[39],以致不同施肥處理間土壤碳排放量差異明顯。施用有機(jī)肥和秸稈還田以及單施化肥均能提高土壤呼吸速率,秸稈還田能夠?yàn)槲⑸锾峁┳銐虻牡孜?并且秸稈切碎后翻埋入土能夠降低土壤容重,增大土壤的總孔隙度,從而促進(jìn)土壤好氧呼吸。有機(jī)肥還田直接增加土壤中微生物數(shù)量,同時(shí)為微生物提供能源,并且有機(jī)肥的常年施入也增加了往年的根茬還田量,有機(jī)無機(jī)配施下各土壤酶活性較高也說明土壤中物質(zhì)周轉(zhuǎn)速率以及微生物活性大,從而進(jìn)一步促進(jìn)土壤呼吸[40]。本試驗(yàn)結(jié)果略高于黃晶等[41]在紅壤地對小麥-玉米輪作下得出的土壤呼吸碳累積量,推測是由不同的土壤類型、種植制度以及氣候等差異所致。

長期單施化肥土壤碳排放量顯著高于長期不施肥處理,除土壤微生物量碳外其余碳庫組分二者之間并無顯著差異,可能是長期不施肥處理下每年根茬還田使得進(jìn)入土壤中的植物殘?bào)w增添了新鮮碳源,有效地補(bǔ)充了各活性碳庫組分的損耗,但是由于不施肥處理植物生長代謝緩慢,使得占土壤呼吸40%—64%[42]的根呼吸相對NPK處理較弱,并且NPK處理4種酶活性高于CK處理,其微生物活性強(qiáng),以致整個生育期NPK處理土壤總碳排放量顯著高于CK處理。

表3 土壤碳排放與土壤活性有機(jī)碳庫組分和土壤酶活性之間的相關(guān)性

CO2-C:土壤二氧化碳-碳排放量Carbon dioxide-C;ROC:易氧化有機(jī)碳Readily organic carbon;DOC:水溶性有機(jī)碳Dissolved organic carbon;POC:顆粒有機(jī)碳Particulate organic carbon;MBC:微生物量 microbial biomass carbon;BG:β-葡萄糖苷酶Beta glycosidase enzymes;NAG:乙?；?葡萄糖胺酶Acetyl beta glucosamine enzyme;CBH:纖維素酶cellulose enzymes;BXYL:木聚糖酶,β-xylosidase;r0.05=0.468,r0.01=0.590,n=18;*表示顯著相關(guān),**表示極顯著相關(guān)

3.2 長期不同施肥措施對活性碳庫組分的影響

土壤的碳庫組分可溶性有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳作為土壤微生物活性能源以及土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力能夠直接參與土壤的生物化學(xué)過程[43]。卜洪震[44]等對長期紅壤稻田土壤微生物量碳的研究表明,與不施肥相比,高量有機(jī)肥配施、低量有機(jī)肥配施、秸稈還田下微生物量碳提高的比例分別是51.7%、41.9%和22.4%,梁堯等[45]發(fā)現(xiàn),黑土經(jīng)過6a單施化肥處理,土壤微生物量碳下降4%,水溶性有機(jī)碳沒有顯著變化,6a有機(jī)無機(jī)配施后土壤微生物量碳增加10%—46%,水溶性有機(jī)碳增加56%—85%,本試驗(yàn)中長期單施化肥下土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳均有所提高,可能是由于根茬還田為土壤輸入了新鮮碳源,長期有機(jī)無機(jī)配施和秸稈還田顯著提高土壤微生物量碳128.84% —185.77%,推測可能是由于本試驗(yàn)中有機(jī)肥用量較高,極大地豐富了土壤中微生物的來源,有機(jī)無機(jī)配施對黑土活性碳庫組分增加效果最好,有機(jī)肥的施用直接增加了土壤中的碳輸入,提高土壤微生物的多樣性與活性,進(jìn)而控制土壤碳輸入與輸出的相對量,同時(shí)也通過增加植物的凈生產(chǎn)量來刺激植物殘?bào)w的降解[46-48],促進(jìn)土壤活性碳庫儲量的增加。

3.3 長期不同施肥對土壤酶活性的影響

土壤中所有的生化反應(yīng)都是在土壤酶的參與下完成的,土壤酶活性的高低能夠反映土壤微生物的代謝強(qiáng)度,生化反應(yīng)的進(jìn)程和土壤肥力水平[49]。長期施肥下酶活性有增強(qiáng)、抑制和不變等效應(yīng)[50-52],主要受不同土壤類型、施肥、耕作與輪作等田間管理以及種植年限的差異等影響表現(xiàn)出不同的變化趨勢。本研究中長期化肥處理顯著提高了土壤酶活性,可能是由于化肥中的無機(jī)氮在一定程度上調(diào)節(jié)了土壤碳氮比,為微生物的活動創(chuàng)造了良好的條件。本試驗(yàn)中長期有機(jī)無機(jī)配施和秸稈還田能夠顯著提高土壤酶活性,與前人結(jié)論相近[53-54],主要是有機(jī)肥料施入土壤后,即可帶入豐富的微生物,同時(shí)又可以增加土壤養(yǎng)分和能源,勢必會激發(fā)土壤的生物學(xué)活性,進(jìn)而提高土壤酶活性[55-56]。BeKe等[57]研究表明秸稈腐解還田相對焚燒還田更能有效提高土壤酶活性,Perucci等[58]研究認(rèn)為秸稈還田可以通過改變最大酶促反應(yīng)速率(Vmax)促進(jìn)土壤酶活性。本試驗(yàn)中秸稈還田下土壤酶活性低于有機(jī)無機(jī)配施處理,推測是由于不同還田物料下微生物群落結(jié)構(gòu)差異所致。

3.4 土壤呼吸碳排放量與土壤活性有機(jī)碳組分以及土壤酶活性之間的相關(guān)性分析

研究土壤碳排放與土壤活性碳庫之間的相關(guān)關(guān)系,可以確定各部分碳組分在土壤碳排放變異中的重要性,進(jìn)一步解釋土壤碳循環(huán)過程中的機(jī)理。在本試驗(yàn)中,土壤碳排放與土壤活性有機(jī)碳庫組分呈極顯著的相關(guān)性,這與胡誠等[59]在華北地區(qū)得出的土壤基礎(chǔ)呼吸與土壤微生物量碳、可溶性有機(jī)碳呈極顯著相關(guān)性結(jié)論基本一致,而陳旸等[60]的研究則表明,水稻土基礎(chǔ)呼吸與微生物量碳沒有顯著相關(guān)關(guān)系,推測可能由于土壤類型的差異所致。土壤碳排放量與易氧化有機(jī)碳含量相關(guān)性最高,其次是微生物量碳,與水溶性有機(jī)碳相關(guān)性最低,推測可能是由于微生物在利用碳源時(shí)的順序差異所致,Kuzyakov等[61- 62]認(rèn)為土壤微生物活性或微生物量增加可以刺激土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化,如果土壤中同時(shí)存在幾種有機(jī)質(zhì),微生物會優(yōu)先分解利用率高的有機(jī)質(zhì),本試驗(yàn)中土壤碳排放量與各碳庫組分之間相關(guān)性并不一致,也間接證實(shí)了Kuzyakov等的觀點(diǎn)。

土壤碳排放與土壤酶之間的關(guān)聯(lián)是土壤物質(zhì)與能量循環(huán)轉(zhuǎn)化過程中各種碳源與土壤微生物呼吸的內(nèi)在關(guān)系的映射,這些研究可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的平衡施肥有一定的指導(dǎo)和借鑒意義[50]。有關(guān)土壤呼吸與土壤酶活性關(guān)系的研究目前結(jié)論尚不統(tǒng)一[63- 64],本試驗(yàn)中土壤碳排放與BG、CBH、NAG、BXYL酶活性均呈極顯著相關(guān),這與Gispert等[65]在西班牙對不同土地利用方式下土壤呼吸與土壤酶活性關(guān)系的研究結(jié)論一致,即土壤呼吸與土壤β-葡萄糖苷酶、蛋白酶和磷酸酶都有顯著正相關(guān)關(guān)系。李化山等[66]研究表明土壤呼吸與土壤β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶沒有顯著相關(guān)性,這可能由作物類型、生育期或者田間管理措施的差異引起,因此,有關(guān)土壤酶活性與土壤呼吸的關(guān)系還需進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)中得出在東北地區(qū),各種施肥處理均可以顯著增加黑土土壤碳排放量(P<0.05),與不施肥相比,長期有機(jī)無機(jī)配施能夠顯著增加土壤碳排放量71.81%—88.51%,效果最為明顯；長期秸稈還田處理顯著增加土壤碳排放量56.32%,長期單施化肥處理碳排放量約為2633.33 kg,顯著高出37.36%；長期有機(jī)無機(jī)配施能夠顯著提高土壤活性碳庫組分含量與土壤酶活性(P<0.05)；土壤碳排放與土壤活性碳庫各組分以及土壤β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)、木聚糖酶(β-xylosidase)、纖維素酶(Cellobiohydrolase)和乙?；?葡萄糖胺酶(N-acetylglucosaminnidase)活性呈極顯著相關(guān)(P<0.001),說明施肥通過改變土壤呼吸底物濃度與微生物活性影響土壤碳排放,此結(jié)論能夠?yàn)闁|北黑土地區(qū)的合理的農(nóng)田管理提供一定的理論支撐。但是,長期不同施肥下的土壤碳排放差異較大,有機(jī)肥還田雖然能夠顯著增加土壤固碳潛力,但其造成的農(nóng)田溫室氣體排放量增加也不可忽視。農(nóng)田作物參與并深刻的影響土壤碳循環(huán),但是作物生長與土壤呼吸底物和土壤微生物活性的關(guān)系還缺乏系統(tǒng)的研究,有關(guān)不同施肥措施下作物對土壤呼吸的影響機(jī)制可以作為今后農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重點(diǎn)。

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Carbonemissioncharacteristics,carbonlibrarycomponents,andenzymeactivityunderlong-termfertilizationconditionsofblacksoil

HE Mei1,WANG Ligang1,ZHU Ping2,QI Ruimin1,WANG Yingchun1,*

1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironmentResearch,JilinAcademyofAgriculturalSciences,Changchun130033,China

As black soil is the important soil resources on bearing food security and ecological security in China, the carbon emission characteristics and carbon library components of it has always been a hotspot in research of ecology. Fertilization is the important factors influencing the black soil organic carbon input as well as its output, and the effect under fertilization need long time scales of inquiry. Our experiments were carried out in National Fertility Monitoring Net in Gongzhuling City began in 1990, we intended to clarify the soil carbon emissions and its mechanism under long-term different fertilization. Six of the fertilization treatments were chosen including: no fertilizer (CK), only chemical fertilizer application (NPK), combining chemical and low levels of organic manure (NPKM1), 1.5 times the amount of inorganic and organic fertilizer of NPKM1 (1.5 (NPKM1)), combing chemical and high amounts of organic manure (NPKM2), and inorganic fertilizer straw (NPKS),to analyze the changes in soil carbon dioxide emissions(CO2-C) and the soil carbon library included dissolved organic carbon (DOC), microbial biomass carbon (MBC), particulate organic carbon (POC), readily oxidized organic carbon (ROC), soil enzyme activity beta glycosidase enzymes (BG), β-xylosidase (BXYL), cellulose (CBH), and acetyl beta glucosamine enzyme (NAG). The results showed that compared with CK, all kinds of fertilizer processing can significantly increase the chernozem soil carbon emissions (P<0.05), and among these processing types, NPK carbon emissions is about 2633.33 kg/hm2, significantly higher than the CK treatment by 37.36%. NPKM1, 1.5 (NPKM1), NPKM2 significantly increased soil carbon emissions by 71.81%—88.51%, and the effect was best; NPKS significantly increased soil carbon emissions by 56.32%, and three kinds of long-term organic and inorganic fertilization treatments had no significant difference. Relative to CK, NPKM1, 1.5 (NPKM1) and NPKM2 increased the DOC content by 16.07%—56.34%, enhanced MBC content by 128.84%—185.77%, improved POC content by 128.84%—497.45%, and increased ROC content by 841.03%—1145.94% content significantly (P<0.05), respectively, the effect of 1.5 (NPKM1) was the best. At the same time, organic and inorganic fertilization treatments can increase NAG, BG, BXYL, and CBH activity by 313.22%—452.65%, 313.22%—250.74%, 159.08%—273.32%, and 72.21%—273.32%, and the effect of 1.5 (NPKM1) is also the best here. Soil carbon emissions were significantly correlated with soil activity and soil enzyme activity (P<0.001), shows that fertilization could change the composition content of soil carbon library and soil microbial activity, which resulted in the difference in the soil carbon emissions.

long-term fertilization; soil carbon emissions; soil carbon library components; soil enzyme activity

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)東北地區(qū)黑土保育及有機(jī)質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)研究與示范(201303126- 2)

2016- 07- 11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangyingchun@caas.cn.

10.5846/stxb201607111414

賀美,王立剛,朱平,戚瑞敏,王迎春.長期定位施肥下黑土碳排放特征及其碳庫組分與酶活性變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(19):6379- 6389.

He M,Wang L G,Zhu P,Qi R M,Wang Y C.Carbon emission characteristics, carbon library components, and enzyme activity under long-term fertilization conditions of black soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6379- 6389.