稻田土壤微生物數(shù)量和酶活性對水碳調(diào)控的響應(yīng)

林秀顏，江賾偉，陳 曦，張淑娜，戴惠東，楊士紅,3

（1河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京211100；2昆山市城市水系調(diào)度與信息管理處，江蘇昆山215300；3河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

0 引言

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對保持土壤肥力和作物生長至關(guān)重要，土壤中大部分的生物化學(xué)過程都離不開微生物[1]，且土壤微生物對外界環(huán)境的細(xì)微變化敏感[2]，是表征土壤質(zhì)量變化的重要參數(shù)之一。酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要動力之一[3]，土壤中所進(jìn)行的一切生物化學(xué)過程都要有酶的催化作用才能完成[4]。水稻是中國主要糧食作物，其種植面積和產(chǎn)量占全國糧食作物總種植面積和總產(chǎn)量的25.58%和31.58%。因此，研究稻田土壤微生物數(shù)量和酶活性變化規(guī)律對于實(shí)現(xiàn)稻田水土資源可持續(xù)利用具有重要意義。大量研究表明，碳管理是影響稻田土壤微生物數(shù)量和酶活性的重要因素。有研究表明，與單施無機(jī)肥相比，秸稈替代部分無機(jī)肥能提高雙季稻田土壤酶活性，豐富細(xì)菌類群[5]，無機(jī)有機(jī)肥配施能顯著提高稻田土壤酶活性和真菌群落多樣性[6]。杜林森等[7]研究表明長期施肥顯著提高了不同深度土壤生物量和酶活性，且與化肥施用相比，秸稈還田效果更加突出。王桂躍等[8]測土配方施肥研究表明，與增施無機(jī)肥相比，增施有機(jī)肥顯著提高了土壤可培養(yǎng)真菌的數(shù)量以及土壤脫氫酶和過氧化氫酶活性。已有針對碳管理對稻田土壤微生物數(shù)量和酶活性影響的研究更多針對淹水灌溉稻田[9-10]，而自20世紀(jì)90年代以來，為解決中國水資源緊缺問題，水稻節(jié)水灌溉技術(shù)得到了大面積推廣應(yīng)用，碳管理對節(jié)水灌溉稻田土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響有待深入研究。因此，本研究擬結(jié)合田間與室內(nèi)試驗(yàn)，將節(jié)水灌溉與秸稈還田、有機(jī)肥施用相結(jié)合，探究不同水碳調(diào)控情景下稻田土壤微生物數(shù)量、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性隨土層深度的變化規(guī)律，以期為稻田水土資源可持續(xù)利用提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山排灌試驗(yàn)基地(34°15′21″N，121°05′22″E)開展，昆山市地處太湖平原，境內(nèi)河網(wǎng)密布，地勢平坦。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.5℃，年降雨量1097.1 mm，年蒸發(fā)量1365.9 mm，日照時(shí)數(shù)2085.9 h，平均無霜期234天。當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作，本試驗(yàn)主要在水稻生育期內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤肥沃，排灌條件優(yōu)越。試驗(yàn)地土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，容重為1.30 g/cm3，0～18 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全鉀20.86 g/kg，pH 7.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)淹水灌溉(T)和控制灌溉(C)2個(gè)灌水處理，常規(guī)肥(F)、有機(jī)肥(O)和秸稈還田(S)3種施肥管理方式，共6個(gè)處理，分別表示為CF、CO、CS、TF、TO與TS，每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)在小區(qū)中進(jìn)行，每個(gè)小區(qū)面積21 m2(3 m×7 m)，共18個(gè)小區(qū)。淹水灌溉處理按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣管理，除分蘗后期排水曬田外，其余各生育階段田間均保留薄水層，黃熟期自然落干。控制灌溉處理在返青期內(nèi)田面保留10～30 mm薄水層，以后的各個(gè)生育期灌溉后稻田不建立水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額[11]。常規(guī)肥料施用依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥方法和施肥量進(jìn)行管理，其中氮肥用量328.48 kg/hm2，磷肥用量45.00 kg/hm2，鉀肥用量63.75 kg/hm2。秸稈還田與有機(jī)肥處理在無機(jī)肥處理的基礎(chǔ)上增施小麥秸稈和商品有機(jī)肥。粉碎小麥秸稈還田量為3000 kg/hm2，商品有機(jī)肥施用量為7500 kg/hm2[石家莊冀田生物科技有限公司，有效量W(N+P2O5+K2O)≥5%，W（有機(jī)質(zhì)）≥45%]。全生育期嚴(yán)格控制病、蟲、草害。試驗(yàn)水稻品種為‘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 土樣采集與分析

試驗(yàn)在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期采集土樣。采集深度分別為0～10、10～20、20～40 cm，采用“S”法采集土樣，剔除植物根系、石礫，將土樣過20目篩后用于土壤微生物數(shù)量和酶活性測定，其中乳熟期土樣只測定了土壤微生物數(shù)量。土壤微生物數(shù)量采用活菌計(jì)數(shù)法[12]，土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[13]，土壤蔗糖酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

對所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行初步分析并建立數(shù)據(jù)庫，用SPSS 17.0進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，采用LSD法作多重比較分析（差異顯著性水平為P=0.05）和雙因素方差分析，揭示灌溉方式和施肥方式對土壤酶活性的影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水碳調(diào)控稻田土壤微生物數(shù)量變化規(guī)律

總體來看，水碳調(diào)控各處理稻田土壤微生物主要集中在土壤表層，土壤微生物數(shù)量隨土層深度的增加而逐漸減小（表1）。各處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤微生物數(shù)量隨生育期延長呈現(xiàn)先增后減的趨勢，20～40 cm土層無明顯規(guī)律。與常規(guī)肥管理相比，有機(jī)肥施用和秸稈還田均提高了稻田土壤微生物數(shù)量。不同灌水處理下，除TS處理拔節(jié)孕穗期和乳熟期10～20 cm土層土壤微生物數(shù)量低于TF處理外，有機(jī)肥施用和秸稈還田管理各層土壤微生物數(shù)量均高于常規(guī)肥管理。各生育期CO和CS處理0～40 cm土層土壤菌落數(shù)均值分別比CF處理高1.37×105～5.40×105和9.00×104～2.07×105，TO和TS處理分別比TF處理高1.37×105～3.87×105和5.00×104～1.70×105。

表1 各生育期各土層每克土壤菌落數(shù)

在施肥相同的情況下，分蘗期控制灌溉稻田土壤微生物數(shù)量基本高于淹水灌溉，水稻生長中后期差異逐漸減小且有反超的趨勢。分蘗期除10～20 cm土層CO處理土壤微生物數(shù)量略低于TO處理外，控制灌溉稻田各層土壤微生物數(shù)量均高于淹水灌溉，CO、CS和CF處理0～40 cm土層的土壤微生物數(shù)量均值分別比TO、TS和TF處理高17.19%、29.73%和47.83%。拔節(jié)孕穗期CO、CS和CF處理0～40 cm土層的土壤微生物數(shù)量均值分別比TO、TS和TF處理高-10.42%、5.52%和1.61%，乳熟期分別比TO、TS和TF處理低-24.65%、10.39%和75.81%。

總體來看，控制灌溉和有機(jī)肥施用、秸稈還田聯(lián)合調(diào)控提高了稻田土壤微生物數(shù)量，但CS處理拔節(jié)孕穗期20～40 cm土層和乳熟期0～10 cm土層出現(xiàn)了降低。在各生育期，CO和CS處理0～40 cm土層的土壤菌落數(shù)均值分別比 TF 處理高 1.73×105～3.83×105和2.33×104～2.43×105。

2.2 水碳調(diào)控稻田土壤過氧化氫酶活性變化規(guī)律

總體來看，水碳調(diào)控各處理稻田土壤過氧化氫酶活性的垂直分布規(guī)律基本一致（圖1），均表現(xiàn)出較好的分層分布，即隨著土層深度的增加土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)出先增后減的趨勢。與常規(guī)肥管理相比，有機(jī)肥施用和秸稈還田使控制灌溉稻田的土壤過氧化氫酶活性略有降低，而淹水灌溉稻田則相反。控制灌溉條件下，CO和CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比CF處理低1.16%～1.82%和0.06%～0.38%；淹水灌溉條件下，TO和TS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF處理高-4.28%～1.1%和1.27%～2.99%。TO處理拔節(jié)孕穗期0～10 cm土層土壤過氧化氫酶活性顯著低于TF處理和TS處理(P＜0.05)，其余處理之間差異均不顯著。

在施肥相同的情況下，控制灌溉稻田各層土壤過氧化氫酶活性基本高于淹水灌溉，但分蘗期20～40 cm土層出現(xiàn)了CO處理略低于TO處理的情況。各生育期CF、CO與CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF、TO與TS處理高3.02%～6.07%、0.72%～8.79%與1.66%～2.59%。

總體來看，控制灌溉和有機(jī)肥施用、秸稈還田聯(lián)合調(diào)控提高了稻田土壤過氧化氫酶活性，但CS處理拔節(jié)孕穗期20～40 cm土層出現(xiàn)了略低于CF處理的情況。在各生育期，CO和CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF處理高1.82%～4.14%和2.95%～5.66%。

2.3 水碳調(diào)控稻田土壤蔗糖酶活性變化規(guī)律

總體來看，水碳調(diào)控各處理稻田土壤蔗糖酶活性的垂直分布規(guī)律基本一致（圖2），即隨土層深度的增加土壤蔗糖酶活性逐漸減小，但拔節(jié)孕穗期CO處理出現(xiàn)了先減后增的情況。與常規(guī)肥管理相比，有機(jī)肥施用顯著提高了稻田土壤蔗糖酶活性，而秸稈還田對土壤蔗糖酶活性的影響因灌水處理而異。秸稈還田使淹水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性顯著提高，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處理0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值分別比CF和TF處理高31.54%～61.26%和7.53%～48.96%；TS處理0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值比TF處理高7.71%～29.79%，CS處理比CF處理低3.11%～7.36%。CO處理分蘗期10～20 cm土層及拔節(jié)孕穗期各土層土壤蔗糖酶活性顯著高于CF處理(P＜0.05)，TO處理分蘗期各土層顯著高于TF處理(P＜0.05)；TS處理分蘗期10～20 cm和20～40 cm土層土壤蔗糖酶活性顯著高于TF處理(P＜0.05)。

圖2 不同生育階段土壤蔗糖酶活性的垂直分布

不同施肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉對稻田土壤蔗糖酶活性的影響不一致。有機(jī)肥管理?xiàng)l件下，CO處理各層土壤蔗糖酶活性基本高于TO處理，但拔節(jié)孕穗期10～20 cm土層出現(xiàn)了降低，CO處理各生育期0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值比TO處理高10.26%～21.34%。秸稈還田管理?xiàng)l件下，除分蘗期20～40 cm土層外，CS處理各層土壤蔗糖酶活性均低于TS處理，CS處理各生育期0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值比TS處理低6.79%～30.41%。常規(guī)肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉對土壤蔗糖酶活性的影響因生育期而異，分蘗期CF處理各層土壤蔗糖酶活性均高于TF處理，拔節(jié)孕穗期則相反，分蘗期和拔節(jié)孕穗期CF處理0～40 cm土層土壤蔗糖酶活性均值分別比TF處理高24.87%和-19.09%。

總體來看，控制灌溉和有機(jī)肥施用、秸稈還田聯(lián)合調(diào)控提高了稻田土壤蔗糖酶活性，但拔節(jié)孕穗期CS處理各土層均出現(xiàn)了降低。CO處理各生育期和CS處理分蘗期0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值分別比TF處理高30.47%～64.25%和20.98%，CS處理拔節(jié)孕穗期比TF處理低25.04%。

3 結(jié)論

（1）稻田土壤微生物主要集中在土壤表層。與常規(guī)氮肥管理相比，有機(jī)肥施用和秸稈還田提高了稻田土壤微生物數(shù)量。不同灌水處理下，有機(jī)肥施用和秸稈還田稻田0～40 cm土層土壤菌落數(shù)均值分別比常規(guī)肥管理高1.37×105～5.40×105和5.00×104～2.07×105。不同施肥管理?xiàng)l件下，分蘗期控制灌溉稻田土壤微生物數(shù)量高于淹水灌溉，水稻生長中后期差異減小甚至反超。

（2）稻田土壤過氧化氫酶活性總體上隨土層深度的增加先增后減。與常規(guī)氮肥管理相比，有機(jī)肥施用和秸稈還田對土壤過氧化氫酶活性的影響較小。不同施肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉稻田土壤過氧化氫酶均高于淹水灌溉。各生育期CF、CO與CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF、TO與TS處理高3.02%～6.07%、0.72%～8.79%與1.66%～2.59%。

（3）稻田土壤蔗糖酶活性總體上隨土層深度的增加而減小。與常規(guī)氮肥管理相比，有機(jī)肥施用顯著提高了稻田土壤蔗糖酶活性，而秸稈還田對土壤蔗糖酶活性的影響因灌水處理而異。不同灌水處理下，有機(jī)肥施用和秸稈還田稻田0～40 cm土層土壤蔗糖酶活性分別比常規(guī)肥管理高7.53%～61.26%和-7.36%～29.79%。不同施肥管理?xiàng)l件下，控制灌溉對稻田土壤蔗糖酶活性的影響不一致。

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，控制灌溉分蘗期稻田土壤微生物數(shù)量基本高于淹水灌溉，水稻生長中后期差異逐漸減小且有反超的趨勢，與桂娟等[15]的結(jié)論基本一致。這可能是因?yàn)楦蓾窠惶孢^程中，“干過程”導(dǎo)致部分土壤微生物死亡、產(chǎn)生氮素，存活的微生物在“濕過程”中利用死亡的微生物和氮素快速增殖，多次干濕交替后存活微生物和氮素減少[16-17]，土壤微生物數(shù)量降低。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，控制灌溉和有機(jī)肥施用、秸稈還田聯(lián)合調(diào)控總體提高了稻田土壤微生物數(shù)量，這可能是因?yàn)橐环矫娓蓾窠惶媸雇寥牢⑸飻?shù)量先增加后降低[18]，另一方面，有機(jī)肥施用和秸稈還田管理增加了土壤中可利用碳氮含量，改變了土壤碳氮比，適宜的碳氮比有利于土壤微生物的代謝和繁殖[19]。

本研究發(fā)現(xiàn)節(jié)水灌溉提高了土壤過氧化氫酶活性，有研究表明虧缺灌溉也有相同的效果[20]。這可能是因?yàn)檫m度的水分脅迫促進(jìn)了水稻根系生長，增加了根系酶分泌量[21]。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)控制灌溉和有機(jī)肥施用、秸稈還田聯(lián)合調(diào)控總體提高了稻田土壤蔗糖酶活性，但拔節(jié)孕穗期CS處理出現(xiàn)了降低。這可能是因?yàn)樗颊{(diào)控通過改變土壤微生物數(shù)量和有機(jī)質(zhì)含量來影響土壤蔗糖酶活性[22]。一方面水稻生長中后期節(jié)水灌溉稻田土壤微生物數(shù)量相比淹水灌溉有所降低，土壤蔗糖酶活性隨之降低[23]，另一方面干濕交替過程中，土壤水分含量頻繁改變會影響土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)，加速有機(jī)肥和秸稈的分解，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[16]，且有機(jī)肥效果更顯著[24]，進(jìn)而提高了土壤蔗糖酶活性[25]。