水稻根際和非根際土磷酸酶活性對碳、磷添加的響應(yīng)

劉玉槐，魏曉夢，魏亮，祝貞科，葛體達(dá)，張艷杰，魯順保，吳金水

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水稻根際和非根際土磷酸酶活性對碳、磷添加的響應(yīng)

劉玉槐1, 2，魏曉夢2，魏亮2，祝貞科2，葛體達(dá)2，張艷杰1，魯順保1，吳金水2

（1江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南昌 330022；2中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125）

【目的】研究外源養(yǎng)分添加對稻田土壤磷酸酶活性影響的特征，明確水稻根際和非根際土壤胞外磷酸酶活性對碳、磷添加的響應(yīng)過程，為稻田土壤水肥管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用提供理論指導(dǎo)?！痉椒ā窟x取湖南長期種植水稻的典型缺磷水稻土，進(jìn)行盆栽試驗。試驗設(shè)置4個處理，分別為不添加碳磷（CK）、添加碳（C）、添加磷（P）和添加碳磷（CP）。采用96微孔熒光法測定根際土與非根際土的酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（ALP）活性，同時基于生物可利用性的磷分級方法（BBP法）測量4種磷組分（CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P和HCl-P），探討碳、磷添加對4種生物有效性的磷組分的影響和土壤磷酸酶活性的響應(yīng)特征?！窘Y(jié)果】與CK相比，C、P添加和CP配施處理水稻地上部分生物量分別增加29.76%、84.03%和87.94%（＜0.05），地下部分生物量分別減少20.13%、增加57.49%和56.53%（＜0.05）；植物全磷（TP）含量與生物量變化規(guī)律一致，C、P和CP添加處理地上部分TP含量比CK分別增加57.23%、95.21%和95.91%（＜0.05），地下部分TP含量比CK分別減少26.12%，增加45.45%和38.01%（＜0.05）。根際土pH、NH4+-N和Olsen-P的含量低于非根際土，CP配施處理中根際土微生物量磷（MBP）含量高于非根際土；碳、磷添加對4種基于生物有效性磷組分具有顯著調(diào)控作用（＜0.05）；Olsen-P和MBP與ALP呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05），與ACP無顯著相關(guān)性，表明微生物對速效養(yǎng)分利用明顯。冗余分析表明非根際土壤中的酶活性變化主要受Olsen-P、MBP、CaCl2-P和Citrate-P含量影響；而土壤中含水量、pH、NH4+-N、根系生物量、HCl-P和Enzyme-P含量主要影響水稻根際土壤中的酶活性?！窘Y(jié)論】P和CP配施處理能提高缺磷水稻土微生物活性，顯著增加水稻生物量，提升根際微生物效應(yīng)，改善土壤環(huán)境，有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)的健康。

磷酸酶活性；根際；BBP法；磷循環(huán)；缺磷水稻土；生物量

0 引言

【研究意義】土壤酶主要來自微生物、土壤動物和植物根系分泌以及植物殘體的分解[1]，能在一定程度上反映土壤養(yǎng)分狀況、物質(zhì)周轉(zhuǎn)和有機體生長代謝[2]。在土壤-植物系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中，土壤酶活性與施肥密切相關(guān)[1]。碳是植物和微生物生長的能量元素，磷是植物細(xì)胞膜和核酸的重要組成元素，對細(xì)胞分裂和植物組織分化起關(guān)鍵作用，二者均為植物體生理代謝活動中不可缺少的元素。植物和微生物的生長代謝大多為酶促反應(yīng)，土壤磷酸酶作為與磷相關(guān)的水解酶，其主要組分磷酸單酯酶能夠作用于低分子量的磷酸酯鍵化合物，把磷酸單酯化合物中磷酸單酯鍵切斷而使磷酸基游離，從而提高土壤磷的生物有效性[3]。根據(jù)磷酸酶來源，可將其劃分為酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（ALP）[4]。ACP酶由植物和微生物共同產(chǎn)生，ALP酶僅由微生物產(chǎn)生[3-4]。通常在未施肥的土壤中，植物根系和微生物為了利用土壤中的磷元素，相應(yīng)地增加對這2類磷酸酶的分泌，因而活性較高[5]。因此，研究外源養(yǎng)分添加對稻田土壤磷酸酶活性影響的特征，明確水稻根土磷酸酶活性對碳、磷添加的響應(yīng)過程，對于指導(dǎo)稻田土壤施肥和管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】磷素對植物和微生物的生長具有復(fù)雜的影響，已有研究表明磷添加可以增加[6]或減少[7]植物生物量，亦能增加或減少磷酸酶的活性[3-4]。在植物-微生物-土壤系統(tǒng)中，微生物能夠通過增加磷酸酶的分泌將磷從有機養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為無機養(yǎng)分，實現(xiàn)對土壤中磷的活化，為植物提供速效養(yǎng)分（Olsen-P）。植物能夠?qū)Σ煌锘钚缘牧走M(jìn)行利用，它和微生物互利共生，又相互競爭[5,8]，因此，土壤中磷的存在形態(tài)直接決定其生物有效性[9]。Deluca等[10]根據(jù)生物學(xué)利用難易程度提出了基于磷素生物有效性的磷分級方法（biologically based phosphor，BBP），其原理是利用CaCl2，微生物分泌有機酸和ACP酶等磷提取劑區(qū)分不同生物活性的磷形態(tài)，具體分為4種組分：0.01 mol·L-1CaCl2提取的可溶性磷（CaCl2-P）（表征能被根系和微生物直接利用的磷）；10 mmol·L-1檸檬酸提取的磷（Citrate-P）（表征能被有機酸活化的無機磷）；0.2酶單位提取的磷（Enzyme-P）（表征易被微生物礦化有機磷）；1 mol·L-1鹽酸提取的無機磷（HCl-P）（表征能被植物分泌的質(zhì)子活化磷）[11-12]。這4個磷組分均能在一定程度上反映磷的生物有效性，但關(guān)于各組分與磷酸酶的關(guān)系目前尚無報道。根際微環(huán)境是微生物-土壤-植物系統(tǒng)中最為活躍的區(qū)域，也是磷礦化的熱區(qū)[5]，植物根系通過分泌有機酸等物質(zhì)釋放植物和微生物生長必需元素，刺激微生物生長進(jìn)而增加酶活性[13]。系列生化反應(yīng)均為酶促反應(yīng)，因此酶活性對土壤養(yǎng)分添加極為敏感[14]。植物根際酶活性一般大于非根際，這是由于根際受微生物和植物根系分泌物的影響程度顯著高于非根際[15]。因此，根際土壤酶是植物根系和微生物對養(yǎng)分元素利用的驅(qū)動因子，對植物的健康產(chǎn)生直接的影響[16]。【本研究切入點】目前，大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)都受人類活動影響[17]，特別是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分元素的大量輸入[18]導(dǎo)致農(nóng)田土壤中關(guān)鍵酶活性改變[19]。在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，磷可利用性是水稻和土壤微生物生長的限制因子，但關(guān)于植物根際和非根際土中磷酸酶活性的研究報道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選取長期種植水稻的典型紅壤，進(jìn)行盆栽實驗，添加纖維素（C）和磷肥（P），以纖維素（C）模擬秸稈還田，研究有無秸稈還田兩種稻田管理措施下，磷元素可利用性對水稻根際和非根際根土2種磷酸酶（ACP和ALP）活性的影響，并基于BBP法區(qū)別4種磷組分，進(jìn)一步區(qū)分各組分和2種磷酸酶的聯(lián)系。分析水稻根際和非根際土2種磷酸酶（ACP和ALP）活性對養(yǎng)分添加（C、P和CP）和根際效應(yīng)等因素的響應(yīng)，探討不同生物有效性磷與磷酸酶活性的關(guān)系，以期為稻田土壤磷肥的合理施用提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

供試土壤樣品采自中國科學(xué)院桃源農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（111°27′E，28°55′N），該地區(qū)屬典型亞熱帶濕潤氣候，海拔92.2—125.3 m，年均氣溫16.5℃，年均降水量1 400 mm。水稻種植為一年兩熟制，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土的水稻土（簡育水耕人為土）。

1.2 土壤采集與預(yù)處理

2016年11月，在采樣區(qū)域選擇熟化程度基 本相近的典型低磷水稻土（Olsen-P：4.5 mg·kg-1；TP：0.8 g·kg-1），采集耕作層（0—20 cm）土壤，濕潤條件（含水率為27.93%）下過4 mm篩去除植物殘體，淹水2—3 cm，于25℃條件下預(yù)培養(yǎng)14 d后，倒掉上層水并將所有土樣混合均勻，同時取200 g風(fēng)干過篩（2 mm和0.149 mm）用于理化性質(zhì)測定。

1.3 土壤養(yǎng)分添加和水稻種植

取上述處理好的土壤，依據(jù)農(nóng)業(yè)部2014年水稻施肥技術(shù)指導(dǎo)（一般亞熱帶稻田按照100 g K·kg-1干土，40—80 g P·kg-1干土，120—150 g N·kg-1干土施肥，纖維素按有機碳的5%添加）和盆栽試驗施肥量一般是大田實驗室的1.5—3倍進(jìn)行養(yǎng)分添加。試驗先以416.21 kg·hm-2干土（KCl）和650.33 kg·hm-2干土（NH4NO3）作為基肥，混合均勻后用四分法分裝。試驗設(shè)置4個處理：（1）不添加碳磷（CK）；（2）添加1 950.98 kg·hm-2干土纖維素（C）；（3）加入208.1 kg·hm-2干土NaH2PO4（P）；（4）添加1 950.98 kg·hm-2干土纖維素和208.1 kg·hm-2干土NaH2PO4（CP），混合均勻。

將處理好的土壤分裝在根箱（20 cm×2 cm×32 cm）中，每盒1.2 kg干土，每個處理設(shè)9個重復(fù)，共36箱水稻。水稻品種為9311，水培育苗，當(dāng)幼苗長至15 cm時移栽到預(yù)先準(zhǔn)備好的試驗根箱中，每箱移栽2株，1周左右留下長勢較好的一株，之后保持淹水2—3 cm，于恒溫氣候室中進(jìn)行培養(yǎng)（室內(nèi)溫度28℃；CO2濃度400μl·L-1；濕度50%；光照強度10 000 lx，周期12 h﹕12 h）。根箱傾斜60°，使根系貼壁（玻璃面）生長，方便根際土和非根際土采樣，且根箱用鋁箔紙包裹，避免玻璃面藻類繁殖。

1.4 指標(biāo)測定及室內(nèi)樣品采集

1.4.1 土壤基本理化指標(biāo)測定方法 采用Mettler- toledo320 pH計測定土壤pH（水土比為2.5﹕1）；碳氮元素分析儀（VARIO MAX C/N，德國）測定土壤全氮（TN）、有機碳（SOC）的含量和C/N；氫氧化鈉溶融法-紫外分光光度計（UV-2450，日本）測定土壤全磷（TP）；NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法[20]測定Olsen-P；激光粒度儀（Mastersizer 2000，英國）測定土壤機械組成。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。

玉米和水稻均為禾本科作物，本文參考Ma等[21]和梁國鵬等[22]在旱地玉米中區(qū)分根際土和非根際土的方法，結(jié)合本試驗水稻根系的生長環(huán)境，以及類似試驗借助原位酶譜的結(jié)果[23]，認(rèn)為離根2—3 mm區(qū)域是受微生物影響的活性熱區(qū)，并將其定義為根際土，其余為非根際土。水稻移栽后第45天，根系生長基本穩(wěn)定，從每個處理中隨機選取3箱，傾去上層水后打開根箱，采集離根2—3 mm區(qū)域為根際土，具體做法是用消毒的刀片和鑷子根據(jù)根的生長區(qū)域畫出根際大致區(qū)域，再盡可能小心地取出，避免和非根際區(qū)域交叉污染。之后從分離出的根際土和非根際土中各取土樣約5 g，用于測定土壤中的ACP和ALP酶活性，以及4種不同生物活性磷組分，另取50 g風(fēng)干過篩（2 mm），用于基本理化指標(biāo)測定。

1.4.2 植物樣生理指標(biāo)測定方法 采集植物鮮樣后，立即放入105℃烘箱（Binder-FD115，德國）殺青，2 h后于65℃烘干稱得重量為其生物量。植物樣全磷（TP）含量采用濃H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法，紫外分光光度計（UV-2450，日本）測定[24]。

1.4.3 根際土和非根際土相關(guān)生理指標(biāo)測定方法 土壤NH4+-N采用0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提[25-26]，流動注射分析儀（AA3，德國）測定。土壤微生物量磷（MBP，mg·kg-1）含量采用氯仿熏蒸-NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法[20]，紫外分光光度計（UV-2450，日本）測定，同時以未熏蒸土樣作為速效磷（Olsen-P）。土壤胞外酶活性采用96微孔熒光分析法[19,27]，通過多功能酶標(biāo)儀（Infinite M20，PRO，瑞士）于激發(fā)波長365 nm、發(fā)射波長450 nm條件下測定，結(jié)果用米氏方程擬合得到土壤最大潛在活性（V）和土壤酶親和力（K），計算得到催化效率（K）[27]。基于生物活性的磷分級采用BBP法[10]，為避免該有機磷組分受無機磷影響，采用純水代替醋酸鈉緩沖溶液。同時采用純水提取無機磷，利用差減法扣除純水提取的無機磷[12]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 16.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，運用單因素方差分析法（One-way ANOVA）進(jìn)行檢驗，采用Duncan多重比較分析組間差異，Canoco 5.0 軟件進(jìn)行冗余分析（RDA）。Origin 8.5 軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果

2.1 碳、磷添加對水稻生物量、磷含量和土壤理化性質(zhì)的影響

碳和磷作為植物生長的必需養(yǎng)分元素，顯著增加了植物地上部生物量。C、P和CP配施處理地上部生物量比CK處理分別顯著增加29.76%、84.03%和87.94%（＜0.05）（圖1-a）；C處理地下部分生物量顯著減少20.13%，P和CP處理分別顯著增加57.49%和56.53%（＜0.05）（圖1-b）。植物全磷（TP）含量與生物量變化規(guī)律一致，C、P和CP添加處理地上部分含量比CK分別顯著增加57.23%、95.21%和95.91%（＜0.05）（圖1-c）；C處理地下部含量顯著減少26.12%，P和CP處理分別顯著增加45.45%和38.01%（＜0.05）（圖1-d）。水稻移栽45 d后，各處理水稻根際土pH、NH4+-N和Olsen-P含量以及MBP含量（除CP配施處理）均顯著低于非根際土（＜0.05）（圖2）。

Stem：水稻地上部分；Root：水稻地下部分。不同小寫字母表示不同處理差異顯著（P＜0.05）。下同

RS：根際土；BS：非根際土 RS: Rhizosphere soil; BS: Bulk soil

2.2 碳、磷添加對土壤磷組分的影響

碳和磷添加對水稻根際和非根際土4個磷組分（HCl-P、Enzyme-P、CaCl2-P、Citrate-P）含量具有顯著的調(diào)控作用（圖3）。C添加處理能顯著增加水稻根際和非根際土CaCl2-P的含量（＜0.05），且根際土含量小于非根際土。P添加和CP配施處理顯著增加水稻根際和非根際土HCl-P和Citrate-P的含量（＜0.05），顯著減少水稻根際和非根際土的Enzyme-P含量（＜0.05），且根際土含量大于非根際土。

2.3 根際和非根際土壤酶活性對碳和磷添加的響應(yīng)

動力學(xué)結(jié)果顯示，在CK、C和P添加處理中ACP和ALP酶活性（V）表現(xiàn)為根際大于非根際，而CP配施處理酶活性表現(xiàn)為根際小于非根際（表2，圖4），其中C、P和CP配施處理顯著降低了根際ALP酶活性（＜0.05）。不同處理水稻土中ACP和ALP酶的催化效率（K）有不同程度的響應(yīng)，根際和非根際土催化效率與土壤最大潛在酶活性的大小規(guī)律一致，且各處理間差異顯著（＜0.05）。

2.4 土壤理化因子對土壤酶活性的影響

對水稻移栽后第45天根際土酶活和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析（表3），結(jié)果表明ALP與含水量、pH和NH4+-N呈顯著正相關(guān)（＜0.05），與Olsen-P和MBP極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），而ACP與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性都不顯著。方差分解發(fā)現(xiàn)根際效應(yīng)對水稻生長過程中磷酸酶活性有重要作用（圖5）。對影響水稻根際和非根際土壤磷酸酶活性的主要因子和基于BBP法的磷組分分別做冗余分析（RDA）（圖6），發(fā)現(xiàn)非根際土壤中的酶活性變化主要受Olsen-P和MBP以及CaCl2-P和Citrate-P含量影響；而土壤中pH、NH4+-N和根系生物量（RB）以及HCl-P和Enzyme-P含量主要影響水稻根際土壤中的酶活性。

圖3 水稻移栽45 d后不同處理基于生物有效性的水稻根際和非根際土壤磷素組分含量

圖4 水稻移栽45 d后不同處理水稻根際與非根際土壤胞外磷酸酶活性動力學(xué)曲線

表2 水稻移栽45 d后不同處理根際和非根際土壤酶活動力學(xué)參數(shù)

表3 水稻移栽45天后根際土壤酶活和土壤基本理化指標(biāo)的Pearson相關(guān)分析

*顯著（＜0.05）；**極顯著（＜0.01）

*Significant（＜0.05）；** Extremely significant（＜0.01）

圖5 二組解釋變量（根際因素和施肥）對土壤磷酸酶活性（ACP和ALP）變化貢獻(xiàn)的韋恩分布圖

3 討論

3.1 碳、磷添加及根際因素對水稻土壤酶活性的影響

在水稻-土壤系統(tǒng)中，碳和磷是植物和微生物生長的必要元素。水稻和微生物相互競爭磷，同時微生物能夠通過分泌磷相關(guān)酶釋放土壤中固持的非生物有效性磷，從而滿足微生物C﹕P化學(xué)計量比的需求[28-29]，并對土壤中的磷進(jìn)行反調(diào)控。本研究中C、P添加處理使根際土ACP酶活性大于非根際土（圖4），這與Spohn等[30]研究相一致。因為ACP酶通過植物根系分泌產(chǎn)生，主要分布于根系附近[3]。在缺磷土壤中，解磷微生物需將有機養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為共植物吸收利用的無機養(yǎng)分，故磷添加減少非根際土ACP酶活性，在植物根系和微生物共同作用下，磷的添加促使根表大量微生物繁殖提高酶活性。Hofmann等[4]發(fā)現(xiàn)施磷會減少根際ACP酶的活性，缺磷土壤中微生物相對更容易產(chǎn)生磷酸酶（ACP和ALP）。但P添加和CP配施處理顯著促進(jìn)了缺磷土壤中水稻的生長（圖1），對土壤酶活性產(chǎn)生間接影響。一方面，隨著植物生物量的增加，植物根系分泌物和周圍微生物活性顯著增加，從而增強ACP酶活性[3]；另一方面，外源添加的磷能促進(jìn)根系有機酸的分泌，微酸性土壤環(huán)境有利于含磷有機化合物及礦物釋放生物有效性磷。

RB：水稻根系生物量；M：含水率

磷酸酶的活性不僅與磷元素有關(guān)，還與碳元素密切相關(guān)[4,30]。玉米和水稻均為禾本科植物，但二者生長環(huán)境不同（水分條件和Eh等），前者以菌根真菌作為固氮菌分泌相關(guān)胞外酶[22]，后者利用解磷細(xì)菌分泌大量磷酸酶轉(zhuǎn)化的無機養(yǎng)分供其生長[31-32]，且水稻土部分有機磷礦化可通過微生物對碳的需求來驅(qū)動[29-30]。外源碳和磷的添加，能夠滿足植物生長和微生物的需求，從而使根際磷酸酶活性降低。相對于單一養(yǎng)分添加，CP配施處理更能改善土壤原有養(yǎng)分狀況及植物生長的營養(yǎng)條件，從而促進(jìn)植物根系生長，加速根系分泌物向土壤中的輸入，提高ACP酶的活性[4,22,33]。本研究Pearson相關(guān)分析（表3）顯示，Olsen-P和MBP與ACP無顯著性相關(guān)，表明ACP活性受微生物的影響較小。然而Olsen-P和MBP與ALP呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），這可能是由于土壤磷酸酶不僅具有活化無機磷的功能，而且能將有機化合物脫磷酸化作為碳源[28,34-35]。

根際微環(huán)境作為土壤微生物活性區(qū)域，酶活性對土壤環(huán)境變化的響應(yīng)明顯[36-37]。Hydrolytic[15]認(rèn)為根際效益導(dǎo)致根際土壤酶活性大于非根際，植物根系周圍常分布大量微生物，有利于根際土ALP酶活性的增加[4,30]。這與本研究結(jié)果一致，P添加處理較小程度地減少根際ALP酶的活性，而大幅度減少非根際土ALP酶活性，這種差異可能是由于酶活性受根際效應(yīng)的影響，在碳可利用性低的非根際土中，磷酸酶的活性更高[29]。在根際區(qū)域植物根系分泌物可被微生物利用，相比非根際土則有更少的碳限制，可能在CP配施處理中減小根際土磷酸酶的活性。另外，在磷受限制的土壤中，微生物對低磷環(huán)境具有長期適應(yīng)效應(yīng)，外源磷的添加使微生物胞外酶從磷限制轉(zhuǎn)換為受碳限制，可能導(dǎo)致與磷相關(guān)的ALP酶活性降低。相對于CK處理，C和P處理非根際土壤ACP和ALP的酶催化效率（K）小于根際土壤，CP配施處理非根際土的K大于根際土壤，這說明養(yǎng)分添加能促使根系分泌物從根際擴散到非根際區(qū)域，增加土壤磷酸酶的活性[30]；同時土壤酶受各種生物和非生物因素共同影響，適當(dāng)碳輸入對土壤磷具有活化作用，使根際土壤區(qū)域有效態(tài)磷含量較高，減少微生物對磷酸酶的分泌[38]，因此CP配施處理的磷酸酶活相對較低。Pearson相關(guān)分析（表3）發(fā)現(xiàn)，根際土壤ACP與MBP和土壤理化性質(zhì)無顯著相關(guān)，說明根際土壤ACP活性可能與水稻自身生長狀況有關(guān)[37]；根際土壤ALP與MBP極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），這說明根際土壤ALP酶與微生物活性有較密切關(guān)系[3-4]。根際土ALP與Olsen-P呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），并且根際土壤Olsen-P含量低于非根際土壤，說明水稻植株與微生物競爭養(yǎng)分，減少了可利用態(tài)磷在根際區(qū)域的含量[13]；與NH4+-N呈極顯著正相關(guān)（＜0.01），且根際土壤NH4+-N含量低于非根際土壤，表明充足的可利用氮素可能是ALP合成的必要條件。

3.2 生物有效性土壤磷素對酶活的影響

土壤有效磷主要指土壤中全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷、有機磷和某些沉淀態(tài)磷[12]。本研究中，Olsen-P與MBP顯著正相關(guān)（＜0.05）（圖2，表3），表明水稻生長期根系分泌物多，微生物生長繁殖強，水稻與微生物相互競爭，促使微生物分泌更多的胞外酶，水解土壤有機質(zhì)為水稻和微生物提供更多的養(yǎng)分和能量[32,37]。Hinsinger等[39]發(fā)現(xiàn)植物和微生物在礦化磷的過程中，會釋放質(zhì)子和有機配體（如草酸鹽和檸檬酸鹽），同時產(chǎn)生胞外酶分解有機磷[40]。碳、磷添加一方面會造成水稻的根系沉積物增加，植物能夠直接吸收利用CaCl2-P，同時與微生物競爭；根系微生物通過促進(jìn)ALP酶產(chǎn)生將Citrate-P活化為無機磷。另一方面根系分泌物擴散到非根際區(qū)域，能顯著提高土壤中HCl-P的微生物活性，微生物增加對酸性磷酸酶的分泌將Enzyme-P礦化為無機磷，進(jìn)而增加非根際土的酶活性[10-12]。

水稻在淹水微厭氧條件下生長，土壤微生物分泌更多的有機陰離子，在磷酸根離子的專性吸附位點進(jìn)行吸附競爭，通過配位交換提高有效磷含量[41]，并且根際土壤中的微生物能強烈的礦化有機磷和溶解無機磷[31,34]。微生物還可以將磷固定在生物量中，通過根將有機磷礦化降解或者通過氨化期間的質(zhì)子消耗降低pH，使植物對磷的可利用性降低，進(jìn)而影響酶活[42-43]。本研究所用材料為亞熱帶地區(qū)風(fēng)化度較高的紅壤，大量無機磷以吸附、沉淀態(tài)固定在土壤顆粒中。施磷條件下，土壤中有機酸交換態(tài)（HCl-P和Citrate-P含量）顯著升高（圖3-a和圖3-d）。隨著水稻的生長和根系生物量的增加，水稻根系有機酸分泌量增大，有利HCl-P于和Citrate-P溶出，使土壤可利用性磷顯著提高，在需求不變的情況下減緩微生物對磷的釋放，導(dǎo)致ACP酶活性降低。但此過程中磷酸酶活性仍然相對較高，不需要通過水解作用礦化出有機磷，從而使Enzyme-P含量顯著降低（圖3-c）。本研究只是初步做了基于磷素生物有效性的4組分與酶活關(guān)系的研究，有待結(jié)合其他分子生物學(xué)技術(shù)做更深入的研究。

4 結(jié)論

碳和磷添加顯著增加了水稻生物量，纖維素對磷具有顯著的活化作用，速效養(yǎng)分對根際2種磷酸酶活（ACP和ALP）有顯著影響，根際微生物效應(yīng)顯著。

非根際土壤中的磷酸酶活性變化主要受Olsen-P和MBP以及CaCl2-P和Citrate-P含量影響；而土壤含水率、pH、NH4+-N和根系生物量以及HCl-P和Enzyme-P含量主要影響水稻根際土壤磷酸酶活性。

致謝：感謝中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所提供的科研平臺和江西師范大學(xué)研究生國內(nèi)訪學(xué)項目的資助。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Responses of Extracellular Enzymes to Carbon and Phosphorus Additions in Rice Rhizosphere and Bulk Soil

LIU YuHuai1,2, WEI XiaoMeng2, WEI Liang2, ZHU ZhenKe2, GE TiDa2, ZHANG YanJie1, LU ShunBao1, WU JinShui2

(1College of Life Sciences, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022;2Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Subtropical Agriculture Ecology, Changsha 410125)

【Objective】the objective of this experiment was to study the effects of exogenous nutrient input on soil microbial activity and phosphatase activity which was closely related to the phosphorus cycle in paddy soil, so as to clarify the responses of the phosphorus activity to carbon and phosphorus additions in rice rhizosphere and bulk soils. It is of great significance to guide the fertilization and management of rice soil and to realize the sustainable utilization of farmland. 【Method】The typical phosphorus- limited rice soil in Hunan was selected for pot experiment. The treatments included: no carbon and phosphorus additions (CK), carbon addition (C), phosphorus addition (P), and carbon and phosphorus additions (CP). Acid phosphatases (ACP) and alkaline phosphatases (ALP) of the rhizosphere and bulk soils were determined by 96-microtiter plateau method. 4 soil phosphorus (CaCl2-P, Citrate-P, Enzyme-P and HCl-P) were measured by biologically based phosphor (BBP) method to investigate the response of carbon and phosphorus addition and 4 soil phosphorus components based on the biological availability to soil enzyme activity.【Result】Compared with CK, the above-ground biomass of C, P and CP significantly increased by 29.76%, 84.03% and 87.94%, respectively (＜0.05), and the underground biomass significantly decreased by 20.13% and increased by 57.49% and 56.53%, respectively (＜0.05), which was consistent with the content of plant total phosphor (＜0.05). The results showed that pH, the contents of NH4+-N and Olsen-P in rhizosphere soil were significantly lower than those in bulk soil (＜0.05). The content of microbial biomass phosphorus (MBP) in rhizosphere soil (except CP treatment) was significantly lower than that in bulk soil (＜0.05). Carbon and phosphorus additions had a significant regulatory effect on 4 soil phosphoruscomponents based on the biological availability in paddy rhizosphere and bulk soils (＜0.05). Olsen-P and MBP had a significant negative correlation with ALP (＜0.05), but no significant correlation with ACP, indicating it was obvious for microbes to utilize available nutrients. Phosphatase activity in bulk soil was mainly affected by Olsen-P and MBP, as well as CaCl2-P and Citrate-P content, while soil water content, pH, NH4+-N and root biomass, as well as HCl-P and Enzyme-P contentsosphatase activity in rhizosphere soil. 【Conclusion】The application of P and CP addition could improve the microbial activity of phosphorus-limited rice soil, increase the biomass significantly, and improve the rhizosphere microbes benefit and amendment the soil environment as well as benefit the health of paddy field ecosystem.

phosphatases activity; rhizosphere soil; BBP method; phosphorus cycle; phosphorus-limited rice soil; biomass

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.09.004

2017-09-01；

2018-03-06

國家自然科學(xué)基金（31560168，31760136）、江西省自然科學(xué)基金（20161BAB204175）、江西省教育廳基金（GJJ160312）

劉玉槐，E-mail：liuyh2018@yeah.net。

魯順保，E-mail：luxunbao8012@126.com