不同水分處理對(duì)華中地區(qū)稻田土壤酶活性的影響

鄢紫薇，高璟赟，張秀玲，杜麗君，徐晗，王璽，胡嵐，林杉，胡榮桂*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191；3.河北旅游職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000）

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫(kù)，土壤中的有機(jī)碳受到土壤類型、生物活動(dòng)和管理方式等因素的影響更易參與到碳循環(huán)過程中，從而使土壤中的有機(jī)碳在特定微生物的分解作用下產(chǎn)生大量的CO，進(jìn)而對(duì)全球溫室效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。水稻是世界上重要的糧食作物之一，我國(guó)水稻種植面積和產(chǎn)量均居世界前列，2019年我國(guó)稻田面積高達(dá)2 970萬hm，因此，稻田碳庫(kù)對(duì)陸地碳循環(huán)具有重要意義。

土壤酶活性和有機(jī)碳轉(zhuǎn)化受到多種環(huán)境因素的影響，目前關(guān)于稻田土壤酶活性的研究多集中在種植模式、水肥管理、溫度和改良劑添加等方面，而土壤氧化酶對(duì)不同稻田土壤有機(jī)碳及其相關(guān)性影響的研究相對(duì)較少。土壤酶主要由土壤微生物和動(dòng)植物分泌以及通過分解動(dòng)植物殘?bào)w形成，其活性是評(píng)估土壤生態(tài)功能的重要指標(biāo)，可以反映土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、積累、分解等生物化學(xué)過程的動(dòng)向和強(qiáng)度。土壤有機(jī)碳可以作為酶的載體，在一定程度上刺激土壤微生物的活性以及酶的合成。相應(yīng)地，酶可以促進(jìn)土壤中秸稈等物質(zhì)的分解，從而增加土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分和有機(jī)碳成分。氧化酶可以在一定程度上促進(jìn)土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解，從而釋放出營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)土壤中總有機(jī)碳的損耗和儲(chǔ)存具有重要影響。其中酚氧化酶可以通過解聚或聚合土壤中的木質(zhì)素分子以及酚類化合物，從而影響土壤有機(jī)碳的合成和分解?？讗圯x等對(duì)櫟林和油松林土壤酶活性的研究結(jié)果表明，土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量與酚氧化酶活性呈顯著正相關(guān)。土壤含水率會(huì)在一定程度上影響酶的活性，含水率降低可以抑制植物生長(zhǎng)，降低土壤中植物來源養(yǎng)分的輸入，進(jìn)而抑制微生物分泌胞外酶。土壤中的過氧化氫酶能促進(jìn)土壤中過氧化氫的分解，是土壤合成腐殖質(zhì)和緩解過氧化氫對(duì)土壤酶毒害作用的重要氧化還原酶系，可在一定程度上反映土壤中腐殖質(zhì)的再合成強(qiáng)度和有機(jī)質(zhì)的積累程度。對(duì)于廬山不同林分類型的土壤，過氧化物酶與DOC均呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性，但不顯著；而官會(huì)林等基于不同復(fù)種模式對(duì)煙地土壤酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，提高酶活性可以促進(jìn)土壤微生物生物量碳（MBC）與有機(jī)碳的積累。

綜上所述，酚氧化酶和過氧化物酶對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)合成和分解具有重要意義，其活性直接影響著土壤有機(jī)碳的積累，進(jìn)而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生一定影響。因此，本研究以湖北省咸寧市賀勝橋鎮(zhèn)和湖南省長(zhǎng)沙市黃花鎮(zhèn)稻田土壤為對(duì)象，研究不同水分處理下酶活性對(duì)土壤碳循環(huán)相關(guān)的土壤DOC的影響，旨在探究不同水分管理措施對(duì)稻田土壤碳循環(huán)過程的影響，為稻田不同管理措施對(duì)土壤肥力維持的評(píng)估提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

用于試驗(yàn)的稻田土壤采自湖南省長(zhǎng)沙市黃花鎮(zhèn)（113°22′E，28°23′N）和湖北省咸寧市賀勝橋鎮(zhèn)（114°38′E，30°03′N），兩地均處于我國(guó)華中地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，雨量多集中于夏秋兩季。其中長(zhǎng)沙年平均氣溫16.8~17.2℃，年平均降水量1 422.4 mm，全年無霜期約275 d；咸寧年平均氣溫約16.8℃，年平均降水量約1 500 mm，全年無霜期約256 d。長(zhǎng)沙土壤屬紅壤母質(zhì)發(fā)育的紅壤亞類，咸寧土壤屬紅壤母質(zhì)發(fā)育的棕紅壤亞類。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of the sampled paddy soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于早稻播種前采集試驗(yàn)點(diǎn)水稻田表層0~20 cm土壤，各土樣均按S形5點(diǎn)取樣法采集，隨后用“四分法”混合均勻，并除去可見的動(dòng)植物殘?bào)w。部分土樣過2 mm篩，于4℃冰箱中保存用于測(cè)定土壤氧化酶活性及土壤DOC、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、酚類物質(zhì)的含量；其余土樣自然風(fēng)干，部分過2 mm篩后用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，另取部分風(fēng)干土樣過0.149 mm篩用于土壤總有機(jī)碳的測(cè)定。

取10 g土樣于50 mL塑料離心管中測(cè)定土壤DOC含量，先加入少量蒸餾水使土壤持水量達(dá)到田間持水量的40%，用扎有些許小孔的封口膜封住離心管，放入30℃的恒溫生化培養(yǎng)箱中，保水通氣預(yù)培養(yǎng)10 d以消除干濕效應(yīng)。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，再向4個(gè)離心管中按稱重法用膠頭滴管進(jìn)行水分補(bǔ)充，調(diào)整最終土壤水分含量分別為土壤田間持水量（WHC）的40%、70%、100%和200%，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。繼續(xù)放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，并以水分調(diào)節(jié)充分后培養(yǎng)2 h的樣品測(cè)定值作為培養(yǎng)初始值。在試驗(yàn)的第0、1、3、5、8、15、22、29、36、42 d采集土壤樣品并進(jìn)行分析，培養(yǎng)過程中，每隔2~3 d采用稱重法用膠頭滴管進(jìn)行水分補(bǔ)充，保持土壤含水率。

土壤田間持水量的測(cè)定：將過2 mm篩的土樣置于用棉球塞住的漏斗中，加去離子水浸泡2 h，加蓋，除去棉塞，讓水分自由下滲，放置過夜后，測(cè)定的土壤質(zhì)量含水量即為田間持水量。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用半微量開氏法測(cè)定；土壤pH采用酸度計(jì)電位法測(cè)定（水土比為2.5∶1）；土壤銨態(tài)氮采用2 mol·LKCl浸提，靛酚藍(lán)可見分光光度法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮采用2 mol·LKCl浸提，氨基磺酸紫外分光光度法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤DOC含量采用德國(guó)El?ementer Vario TOC儀液體模塊測(cè)定；土壤酚類物質(zhì)（Phenolics）采用2%NaCO溶液2.5 mL和1 mol·LFolin-Ciocalteau試劑（Sigma）0.5 mL處理后分光光度計(jì)測(cè)定；酚氧化酶和過氧化物酶活性均采用L-DOPA法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）、多重比較和數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，并用Origin 9.0軟件進(jìn)行圖形繪制。文中處理間差異顯著指<0.05，極顯著指<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率對(duì)土壤氧化酶活性的影響

2.1.1 對(duì)土壤酚氧化酶活性的影響

培養(yǎng)期間，兩種土壤均是較高含水率的土壤酚氧化酶活性較高，較低含水率的酚氧化酶活性較低（圖1）。較高水分條件下（100%WHC和200%WHC），有機(jī)質(zhì)含量較高的咸寧水稻土酚氧化酶活性在培養(yǎng)的第3~15 d較高，在第5 d時(shí)200%WHC處理下達(dá)到峰值，為260.76 nmol·g·h，在培養(yǎng)第22 d后逐漸下降；有機(jī)質(zhì)含量較低的長(zhǎng)沙水稻土酚氧化酶活性在培養(yǎng)的第3~36 d較高，但其峰值較咸寧水稻土低，在第15 d時(shí)200%WHC處理下達(dá)到峰值，僅為107.10 nmol·g·h，在培養(yǎng)的第42 d時(shí)4種水分處理下酚氧化酶活性均趨于穩(wěn)定。低水分條件下（40%WHC和70%WHC），兩種土壤的酚氧化酶活性均較穩(wěn)定，活性范圍為20~50 nmol·g·h。4種水分含量處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量高的水稻土酚氧化酶活性均高于有機(jī)質(zhì)低的水稻土。

圖1 不同土壤含水率對(duì)土壤酚氧化酶活性的影響Figure 1 Effects of different soil moisture on soil phenol oxidase activity

2.1.2 對(duì)土壤過氧化物酶活性的影響

如圖2所示，培養(yǎng)期間兩種土壤的過氧化物酶活性對(duì)不同水分處理的響應(yīng)與酚氧化酶相似，均隨含水率的增加而增加，但整體上過氧化物酶活性比酚氧化酶活性高，對(duì)水分的敏感性更強(qiáng)。較低水分（40%WHC和70%WHC）處理下，兩種土壤中的過氧化物酶活性均處于較低水平，且隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)其含量始終較穩(wěn)定，活性范圍為10~60 nmol·g·h。在較高水分（100%WHC和200%WHC）處理下，兩種土壤的過氧化物酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。200%WHC處理在整個(gè)培養(yǎng)過程中的過氧化物酶活性均大于其余3種水分處理，咸寧水稻土的過氧化物酶活性在第1~36 d均較高，在第5 d達(dá)到峰值，為929.66 nmol·g·h，長(zhǎng)沙水稻土的過氧化物酶活性在第3~29 d較高，在第15 d達(dá)到峰值，為544.46 nmol·g·h。4種水分含量處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的咸寧水稻土的過氧化物酶活性平均值均高于有機(jī)質(zhì)含量低的長(zhǎng)沙水稻土。

圖2 不同土壤含水率對(duì)土壤過氧化物酶活性的影響Figure 2 Effects of different soil moisture on soil peroxidase activity

2.2 土壤含水率對(duì)土壤酚類物質(zhì)含量的影響

如圖3所示，整個(gè)培養(yǎng)期間各水分處理下兩種水稻土的土壤酚類物質(zhì)含量整體均處于上下波動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于不同水分處理，土壤中的酚類物質(zhì)含量整體表現(xiàn)為40%WHC最高，而200%WHC最低。兩種水稻土的土壤酚含量在第0~22 d變化波動(dòng)較大，其中在第5 d時(shí)，兩種土壤中40%WHC處理下的土壤酚類物質(zhì)含量均達(dá)到峰值，在咸寧水稻土中峰值達(dá)到525.35 mg·kg，在長(zhǎng)沙水稻土中達(dá)到270.00 mg·kg，而在第22~42 d各水分處理下土壤酚類物質(zhì)均處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其中咸寧水稻土中土壤酚類物質(zhì)穩(wěn)定在317.77~410.79 mg·kg，長(zhǎng)沙水稻土含量則較低，穩(wěn)定在178.28~267.25 mg·kg。4種水分含量處理下，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的咸寧水稻土的土壤酚類物質(zhì)含量平均值均高于有機(jī)質(zhì)含量較低的長(zhǎng)沙水稻土。

圖3 不同土壤含水率對(duì)土壤酚類物質(zhì)含量的影響Figure 3 Effects of different soil moisture on soil phenolic substances

2.3 土壤含水率對(duì)土壤DOC含量的影響

土壤DOC含量隨水分的變化如圖4所示，兩種水稻土整體上均呈現(xiàn)先下降再上升再下降的趨勢(shì)。咸寧水稻土中DOC含量在不同水分處理下表現(xiàn)為200%WHC處理下最高，70%WHC處理下最低，而在長(zhǎng)沙水稻土中則為100%WHC處理下DOC含量最高，70%WHC處理下含量最低，說明土壤DOC含量也在較高含水率條件下較高，在含水率較低條件下較低。培養(yǎng)期間，兩種水稻土的DOC含量在第0~15 d呈較穩(wěn)定波動(dòng)，從第22~29 d開始逐漸上升，咸寧水稻土在第29 d達(dá)到峰值，在200%WHC處理下為265.85 mg·kg，長(zhǎng)沙水稻土在第22 d出現(xiàn)峰值，100%WHC處理下達(dá)到287.45 mg·kg，分別較DOC含量最低的70%WHC處理下增加了0.63倍和1.26倍。4種水分處理下，采自咸寧的水稻土與采自長(zhǎng)沙的水稻土的DOC含量平均值沒有顯著差異。

圖4 不同土壤含水率對(duì)土壤DOC含量的影響Figure 4 Effects of different soil moisture on soil DOCcontent

2.4 酶活性與土壤DOC含量的相關(guān)性

從表2中可以看出，華中地區(qū)稻田土壤酚氧化酶與過氧化物酶活性呈極顯著正相關(guān)（<0.01），且兩種氧化酶活性均與酚類物質(zhì)含量、土壤含水率、DOC含量呈極顯著正相關(guān)，土壤酚類物質(zhì)含量與DOC含量無顯著相關(guān)性。

表2 土壤酶活性與DOC含量的相關(guān)性Table 2 Correlation between soil enzyme activity and DOCcontent

3 討論

氧化還原酶與土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化、腐殖質(zhì)及其各組分的形成都密切相關(guān)，其活性受土壤水分狀況、質(zhì)地和腐殖質(zhì)含量等諸多因子的影響。本研究表明，有機(jī)質(zhì)含量較高的咸寧市水稻土的氧化酶活性顯著高于長(zhǎng)沙市水稻土，這可能是因?yàn)檩^高的有機(jī)質(zhì)提供了土壤物質(zhì)循環(huán)的基質(zhì)，促進(jìn)了微生物活性，殷陶剛等也發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量與土壤酶活性密切相關(guān)。本研究中含水率與酚氧化酶活性、過氧化物酶活性均呈極顯著正相關(guān)，土壤含水率的改變會(huì)影響土壤溫度、土壤孔隙度、pH、土壤養(yǎng)分等，從而影響土壤中微生物生物量，進(jìn)而影響酶的活性。在較高含水率下酚氧化酶和過氧化物酶活性均顯著提高，而較低含水率下酶活性顯著降低，這與葉德練等對(duì)稻田土壤進(jìn)行節(jié)水灌溉處理后發(fā)現(xiàn)土壤酚氧化酶活性顯著降低的結(jié)果一致。但也有研究表明土壤含水率增加會(huì)降低土壤中多酚氧化酶和過氧化物酶活性，這可能是不同類型和地域的土壤理化性狀差異較大而造成的。酚氧化酶和過氧化物酶一方面會(huì)參與木質(zhì)素的分解，加快被木質(zhì)素包裹的纖維素的釋放，從而為酶提供充足底物，進(jìn)一步促進(jìn)活性有機(jī)碳的形成；另一方面酚氧化酶和過氧化物酶會(huì)加快芳香族化合物的氧化，將土壤中的簡(jiǎn)單芳香族化合物氧化成醌類，與土壤中的蛋白質(zhì)、糖類反應(yīng)生成復(fù)雜有機(jī)物，有利于土壤中活性有機(jī)質(zhì)的保留，為微生物提供碳源和養(yǎng)分，從而促進(jìn)土壤中活性有機(jī)碳的積累。本研究中酚氧化酶活性和過氧化物酶活性呈極顯著正相關(guān)，兩者變化趨勢(shì)基本一致，均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而先降低后增高再降低，這是由于隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，土壤生物、理化性質(zhì)等發(fā)生變化，土壤還原性增強(qiáng)，從而使得土壤酶活性受到相應(yīng)的影響而呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。

過氧化物酶活性較酚氧化酶活性對(duì)土壤含水率變化的響應(yīng)更顯著。王杰等對(duì)草原土壤酶活性的研究發(fā)現(xiàn)過氧化物酶活性在不同水分條件下無明顯差異，但水分處理顯著影響了酚氧化酶活性，表明酚氧化酶相比過氧化物酶對(duì)水分的敏感性更強(qiáng)，這與本研究結(jié)果不同，可能是由于不同水分處理以及不同土壤類型改變了土壤的通氣狀況，使好氧微生物作用發(fā)生變化，導(dǎo)致在通氣狀態(tài)下土壤不同酶分解有機(jī)質(zhì)的速率不同，故土壤優(yōu)勢(shì)酶活性發(fā)生改變。本研究中的土壤酚類物質(zhì)含量隨土壤含水率變化差異不明顯，總體呈波動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)榉宇愇镔|(zhì)的產(chǎn)生是由過氧化物酶和酚氧化酶在一系列氧化還原反應(yīng)后共同作用的結(jié)果，故酚類物質(zhì)的聚合和解聚作用處于動(dòng)態(tài)平衡。土壤有機(jī)碳可以作為酶的載體，較高有機(jī)碳可以促進(jìn)土壤中微生物的活動(dòng)和酶的合成，復(fù)雜有機(jī)物通過聚解形成的DOC具有生物有效性，可以改變土壤中微生物的活性以及數(shù)量進(jìn)而影響酶的活性。萬忠梅等在研究濕地土壤酶活性以及DOC變化趨勢(shì)時(shí)發(fā)現(xiàn)淹水條件下土壤DOC含量高于相對(duì)干燥的土壤，這與本研究中DOC含量在培養(yǎng)后期隨含水率升高而增加的結(jié)論一致，同時(shí)DOC含量在不同土壤含水率下與氧化酶活性的變化趨勢(shì)一致，說明酶活性越高，土壤中的碳礦化分解量越多，這是由于淹水提高了土壤有機(jī)碳的溶出，導(dǎo)致團(tuán)聚體的分散，從而增加了表層DOC含量。

酶活性還受到微生物種類、土壤類型、施肥方式等多方面因素的影響，本研究只分析了在不同土壤含水率下酶活性、DOC含量的變化趨勢(shì)以及相關(guān)性，對(duì)其他方面的影響還有所局限，未來應(yīng)進(jìn)一步分析不同環(huán)境因子對(duì)土壤酶活性的影響以及其對(duì)不同有機(jī)碳的響應(yīng)機(jī)理，以期為不同水分條件下氧化酶活性對(duì)DOC含量的影響提供理論依據(jù)，為更加深入了解稻田碳循環(huán)過程提供思路。

4 結(jié)論

（1）有機(jī)質(zhì)含量高的土壤酚氧化酶活性、過氧化物酶活性、酚類物質(zhì)含量均顯著高于有機(jī)質(zhì)低的土壤。

（2）較高土壤含水率（100%WHC、200%WHC）可顯著提高土壤的酚氧化酶活性和過氧化物酶活性，且在較高土壤含水率條件下土壤酚類物質(zhì)含量和可溶性有機(jī)碳含量均較高。

（3）酚氧化酶活性、過氧化物酶活性、可溶性有機(jī)碳含量均與土壤含水率呈極顯著正相關(guān)，且兩種氧化酶含量與可溶性有機(jī)碳含量間呈極顯著相關(guān)，表明氧化酶含量和土壤含水率均對(duì)土壤碳循環(huán)有一定影響。