譚 琴,李夢(mèng)寒,胡才希,楊家純,童 蕾,2*
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078;2.黑龍江省黑土地水土資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150036)
黑土是自然界中肥力最高、最適合農(nóng)耕的土壤類型之一,它含有豐富的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì),在我國(guó)主要分布于東北平原的黑龍江省和吉林省[1]。然而,隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤的利用程度不斷加大,土壤的環(huán)境也隨之發(fā)生變化,其中主要的影響因素包含土地利用方式的改變、施肥和灌溉等[2-3]。
土壤中總有機(jī)碳(TOC)作為衡量耕地土壤質(zhì)量與土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo),在提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力方面起著重要的作用[4]。土壤中溶解性有機(jī)碳(DOC)是活性有機(jī)碳的重要組成部分,它易溶解、移動(dòng)快、不穩(wěn)定、易氧化分解、易礦化,是活性較高的土壤碳素,受內(nèi)外因素的影響強(qiáng)烈,在冬季凍土中,DOC為微生物活動(dòng)提供碳源,與土壤生態(tài)系統(tǒng)中TOC的分解釋放、遷移與固持有密切聯(lián)系[5]。在一定區(qū)域內(nèi),當(dāng)成土過(guò)程中的自然因素基本相同時(shí),時(shí)間和人為因素是導(dǎo)致水稻黑土中TOC分布差異的主要因素。
土壤中酶是土壤有機(jī)組分中最活躍的部分,土壤的水、熱狀況與外源性營(yíng)養(yǎng)元素的輸入等都會(huì)影響各類土壤中酶的活性,酶的活性也會(huì)隨著土壤深度的改變而改變[6-7]。土壤中酶參與土壤中一切復(fù)雜的生化循環(huán)過(guò)程,所以土壤中酶的活性可以反映土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化能力與土壤中微生物活性的大小。研究證明,蔗糖酶的活性與土壤中有機(jī)質(zhì)、微生物數(shù)量和土壤呼吸強(qiáng)度等因子有一定的相關(guān)性。一般情況下,土壤肥力越高,蔗糖酶的活性越強(qiáng)[8]。因此蔗糖酶的活性不僅能表征土壤生物學(xué)活性強(qiáng)度,還能作為評(píng)價(jià)土壤肥力水平的一個(gè)指標(biāo)。過(guò)氧化氫酶廣泛存在于土壤和生物體內(nèi),土壤中過(guò)氧化氫酶能促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解,防止其對(duì)生物體的毒害作用[9],并能表征土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱[10]。
目前關(guān)于東北黑土區(qū)土壤中TOC的研究較多,而關(guān)注土壤中酶活性的研究較少。前人的研究主要關(guān)注土地利用方式變更對(duì)土壤中TOC影響的研究,或是灌溉水源對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)特性的研究,而較少關(guān)注不同灌溉水源對(duì)土壤中有機(jī)碳的影響,特別是對(duì)不同耕作年限黑土質(zhì)量的研究。因此,種植年限和灌溉水源這兩個(gè)農(nóng)業(yè)活動(dòng)條件是本文研究的重點(diǎn)。為此,本文選取黑龍江省海倫市不同種植年限和灌溉水源背景的黑土為研究對(duì)象,以TOC含量、DOC含量、蔗糖酶活性和過(guò)氧化氫酶活性作為評(píng)價(jià)指標(biāo),闡明這些指標(biāo)在土壤不同深度的分布規(guī)律,通過(guò)其分布規(guī)律來(lái)揭示水稻種植年限和灌溉水源對(duì)黑土質(zhì)量的影響,以期為東北水稻土耕作提供科學(xué)支撐。
研究區(qū)海倫市地處黑龍江省中部地區(qū)(46°58′~47°52′N,126°14′~127°45′E),為小興安嶺山地向松嫩平原的過(guò)渡地帶,屬于松嫩平原的典型黑土區(qū)[11]。區(qū)域內(nèi)無(wú)高山,多為波狀起伏的高平原,海拔在147~471 m范圍內(nèi)[12]。海倫市位于中溫帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū),屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候;年降水量為500~600 mm,年平均氣溫為1~2℃;冬季漫長(zhǎng)寒冷,氣候干燥少雨,夏季氣候濕熱多雨。海倫市耕地面積約26萬(wàn)hm2,土壤類型主要為黑土和草甸土,其中草甸土占17.77%,黑土占81.53%,土壤母質(zhì)主要為河湖相冰水沉積物。
2019年4月底,在海倫市長(zhǎng)華鄉(xiāng)采集不同種植年限和灌溉水源背景的水稻田土壤即水稻土。在本次采樣中,共采集4個(gè)剖面的土樣,其分布情況見(jiàn)圖1。水稻灌溉水源包括地表水(SW)和地下水(GW)。剖面土樣分別為地表水灌溉70 a以上的水稻田土壤[SW(70a)]、地表水灌溉1 a的旱改水稻田土壤[SW(1a)]、地下水灌溉3 a的旱改水稻田土壤[GW(3a)]和地下水灌溉20 a的水稻田土壤[GW(20a)]。采樣在相同的氣候、成土母質(zhì)與地形條件下進(jìn)行。
圖1 研究區(qū)水稻土剖面點(diǎn)位及灌溉水源分布Fig.1 Points location of paddy soil profile and distribution of irrigation water sources in the study area
4月底為東北凍土的消融期,土壤凍層在水稻土剖面30 cm以下,使用洛陽(yáng)鏟進(jìn)行采樣。采樣的總深度為80 cm,在土壤深度為0~30 cm范圍內(nèi)每5 cm進(jìn)行一次分層取樣;在土壤深度為30~80 cm范圍內(nèi)每10 cm進(jìn)行一次分層取樣。每層土樣都采集多點(diǎn)等量土壤并混合均勻,樣品采集時(shí)保證至少有10%的平行雙樣,且平行樣的檢測(cè)精密度均在20%以下。
(1) 土壤中TOC含量的測(cè)定:采用德國(guó)delta v advantage穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀對(duì)土壤樣品中TOC含量進(jìn)行上機(jī)測(cè)試[13]。具體方法為:將土壤樣品研磨過(guò)150目篩后,取1.00 g于50 mL離心管中,加入1 M稀鹽酸,充分混勻,靜置12 h;再將離心管置于離心機(jī)中以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min,倒掉上清液,再加入50 mL超純水混勻,離心5 min,倒掉上清液;重復(fù)上步驟至上清液接近中性后,于60℃環(huán)境下烘干至恒重,再研磨過(guò)150目篩后,進(jìn)行上機(jī)測(cè)試[14]。
(2) 土壤中DOC含量的測(cè)定:采用水提取法測(cè)定土壤樣品中DOC含量。具體方法為:取10.00 g新鮮土壤,按照5∶1的水土比例加入去離子水,在常溫下以300 r/min的轉(zhuǎn)速振蕩1 h,后用離心機(jī)以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min,再用0.45 μm的濾膜過(guò)濾上清液;采用TOC分析儀測(cè)定浸提液中TOC含量,并根據(jù)浸提液中TOC含量和土壤含水量計(jì)算出土壤中DOC的含量[15]。
(3) 土壤含水率的測(cè)定:采用烘干法測(cè)定土壤樣品的含水率。具體方法為:用土鉆進(jìn)行取樣,裝入鋁盒并在0.1 g精度的天平上稱量土樣的重量,記作濕重M(g);在105℃的烘箱內(nèi)烘6~8 h,將土樣烘至恒重,并測(cè)定土樣的干重Ms(g),空鋁盒重量為M0(g),按下式計(jì)算土壤含水率:
(1)
(4) 土壤中過(guò)氧化氫酶活性的測(cè)定:采用紫外分光光度法測(cè)定土壤樣品中過(guò)氧化氫酶活性。具體方法為:先取2.00 g土壤樣品于錐形瓶中,加入40 mL去離子水和5 mL 0.3%過(guò)氧化氫(H2O2)溶液,加塞密封后,在常溫、轉(zhuǎn)速為180 r/min條件下放入搖床中振蕩20 min;然后加入1 mL飽和明礬,立即過(guò)濾于盛有5 mL 1.5%硫酸溶液的錐形瓶中,濾干后,將濾液直接在240 nm處用1 cm石英比色皿測(cè)定吸光度,同時(shí)做無(wú)土和無(wú)基質(zhì)的對(duì)照試驗(yàn);最后繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線得到溶液中過(guò)氧化氫的濃度,并按照下面公式計(jì)算土壤中過(guò)氧化氫酶的活性[16]:
(2)
(3)
(4)
式中:E為20 min內(nèi)每克土壤分解的H2O2的毫克數(shù),表示酶活性(mg/g);T0為樣品空白的H2O2質(zhì)量(g);T剩為樣品中反應(yīng)剩下的H2O2質(zhì)量(g);W為樣品的稱樣量(g);A0為樣品空白的吸光度;A為樣品的校正吸光度;Ak為對(duì)應(yīng)樣品的無(wú)基質(zhì)吸光度;a為校準(zhǔn)曲線截距;b為校準(zhǔn)曲線的斜率。
(5) 土壤中蔗糖酶活性的測(cè)定:采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定土壤樣品中蔗糖酶活性。具體方法為:取5.00 g新鮮土壤于50 mL錐形瓶中,加入15.0 mL 8%的蔗糖溶液、5.0 mL pH為5.5的磷酸溶液和5滴甲苯,搖勻后置于生化培養(yǎng)箱,在37℃下培養(yǎng)24 h;然后以6 000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min,立即取1.0 mL上清液于50 mL比色管中;最后按照標(biāo)準(zhǔn)比色方法比色,并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線按下式計(jì)算土壤中蔗糖酶的活性(以培養(yǎng)24 h后每克土壤中葡萄糖的毫克數(shù)表示):[17]
(5)
式中:a為不加土壤加蔗糖溶液的對(duì)照組葡萄糖毫克數(shù)(mg);b為加土壤不加蔗糖溶液的對(duì)照組葡萄糖毫克數(shù)(mg);c為正常加入土樣及蔗糖溶液的試驗(yàn)組葡萄糖毫克數(shù)(mg);V為顯色體積(mL);n為分取倍數(shù);m為土重(g)。
為了消除土壤中原有的蔗糖、葡萄糖引起的誤差,每一土樣需做無(wú)基質(zhì)對(duì)照,整個(gè)實(shí)驗(yàn)需作無(wú)土壤對(duì)照。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2016軟件整理后,采用Origin 2017軟件繪制土壤樣品中各指標(biāo)含量的分布圖,Pearson相關(guān)性分析采用SPSS 22軟件完成。
水稻土剖面中TOC含量和DOC含量的垂向分布圖,見(jiàn)圖2。
圖2 水稻土剖面中TOC含量和DOC含量的垂向分布圖Fig.2 Vertical distribution of TOC content and DOC content in paddy soil profile
由圖2(a)可以看出:
(1) 4個(gè)剖面中TOC含量主要集中在表層土的0~20 cm之間,其中地表水灌溉的水稻土中TOC含量呈先增加后減少的趨勢(shì),但SW(70a)水稻土樣中TOC含量在深層60 cm左右仍存在增加的情況,SW(1a)水稻土樣中TOC含量的變化在深層則表現(xiàn)得較為穩(wěn)定;地下水灌溉的水稻土中TOC含量在表層0~10 cm范圍內(nèi)最高,然后不斷下降并在30cm左右保持穩(wěn)定。
(2) 表層土(0~10 cm)受農(nóng)耕活動(dòng)擾動(dòng)的影響較大,SW(1a)和GW(3a)水稻土旱改水的時(shí)間雖然短,但也有較長(zhǎng)的開(kāi)墾歷史,相對(duì)而言GW(20a)水稻土的種植年限最短,說(shuō)明種植年限越長(zhǎng)的水稻表層土中TOC含量越低,這與劉景雙等[18]的研究結(jié)果相似。對(duì)于10~30 cm深度的土壤,地表水灌溉的水稻土中TOC含量明顯高于地下水灌溉的水稻土。30 cm以下深度的土壤中TOC含量則與土壤母質(zhì)相關(guān)[19],該層水稻土中TOC含量隨著水稻種植年限的增長(zhǎng)而增加。這是因?yàn)樵谒痉N植過(guò)程中,其有機(jī)質(zhì)來(lái)源比旱地土壤多[20],而淹水狀態(tài)下土壤中微生物的呼吸作用減弱,弱化了有機(jī)質(zhì)的分解作用,從而有利于土壤中TOC隨灌溉水的淋濾作用在深層土中累積。
(3) 整體上,SW(70a)水稻土中TOC含量最高,GW(20a)水稻土中TOC含量隨土壤深度的增加而降低,SW(70a)、SW(1a)和GW(3a)水稻土中TOC含量在表層先增加而后降低,這可能是消融期的冰雪將上層土壤中TOC淋洗到下層土壤造成的[21]。
由圖2(b)可知,表層水稻土中DOC含量差異較大,深層水稻土在30~60 cm范圍內(nèi)DOC含量差異較小,但60 cm深度以下土壤中DOC含量差異又變大。SW(70a)水稻土的表層土壤中DOC含量最低,隨土壤深度由淺到深逐漸增加,SW(1a)水稻土則相反,表層土壤中DOC含量較大,到深層逐漸減小;地下水灌溉的水稻土剖面DOC含量隨土壤深度呈先增加后減少的趨勢(shì),且在表層種植年限短的水稻土中DOC含量高于種植年限長(zhǎng)的,反映出表層土壤中DOC遷移到深層土壤和深層土壤中有機(jī)碳的溶解都需要一定的時(shí)間。4月底土壤處于消融期,表層土壤的水分下滲導(dǎo)致表層水稻土中DOC含量降低,GW(3a)水稻土中DOC含量在55 cm深度處存在異常增加,可能是因?yàn)橥寥辣旧淼挠袡C(jī)質(zhì)含量較高所致。
對(duì)比圖2(a)和(b)可知,地表水灌溉的水稻土中DOC含量/TOC含量比值在0.08%~0.84%之間,地下水灌溉的水稻土中該比值為0.24%~1.51%,說(shuō)明地表水灌溉的水稻土中TOC易分解組分所占比例不高,利于土壤中TOC的積累。
土壤中過(guò)氧化氫酶是土壤動(dòng)物新陳代謝和土壤植物根系分泌及殘?bào)w分解的重要酶類[22-23]。土壤中蔗糖酶與土壤TOC轉(zhuǎn)化密切相關(guān),能夠促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解,為微生物提供養(yǎng)料,進(jìn)而促進(jìn)微生物繁殖。水稻土剖面中過(guò)氧氫酶活性和蔗糖酶活性的垂向分布圖,見(jiàn)圖3。
圖3 水稻土剖面中過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性的 垂向分布圖Fig.3 Vertical distribution of catalase activity and sucrase activity in paddy soil profile
由圖3(a)可知:地表水灌溉的水稻土中過(guò)氧化氫酶活性比地下水灌溉的水稻土高,種植年限長(zhǎng)的水稻土中過(guò)氧化氫酶活性整體上高于種植年限短的;4個(gè)水稻土剖面中,表層0~10 cm水稻土中過(guò)氧化氫酶活性相差不大,從10 cm深度開(kāi)始過(guò)氧化氫酶活性差異變大,表現(xiàn)為10~30 cm深度的土壤中過(guò)氧化氫酶活性大小順序?yàn)椋篠W(70a)>GW(3a)>SW(1a)>GW(20a),30 cm深度以下的土壤中過(guò)氧化氫酶活性大小順序?yàn)镾W(70a)>SW(1a)>GW(20a)>GW(3a)。
由圖3(b)可知:4個(gè)水稻土剖面中蔗糖酶的活性均在表層土壤中最大,并隨著土壤深度的增加而減小,但在40 cm深度以下水稻土中蔗糖酶的活性基本趨于穩(wěn)定,這與關(guān)松蔭等[24]關(guān)于哈爾濱黑土剖面中蔗糖酶活性的研究結(jié)果相同;深層水稻土中蔗糖酶的活性表現(xiàn)為地表水灌溉的水稻土優(yōu)于地下水灌溉的水稻土,深層水稻土中蔗糖酶活性的分布規(guī)律與過(guò)氧化氫酶活性相似,SW(70a)水稻土中蔗糖酶的活性在表層0~10 cm土壤中相對(duì)較低,這與該剖面土壤中TOC含量在表層較低一致。這是由于土壤中有機(jī)質(zhì)含量低,為微生物呼吸作用提供的底物不足,酶的活性也會(huì)相應(yīng)降低;另外,SW(70a)表層水稻土因長(zhǎng)期淹水,也不利于土壤微生物生化作用的進(jìn)行。
結(jié)合圖3(a)和(b)所呈現(xiàn)的分布規(guī)律可知,兩種酶的活性在水稻土中均表現(xiàn)為地表水灌溉的水稻土優(yōu)于地下水灌溉的水稻土,可能是由于地下水中含有的鹽分較地表水高,鹽分積累會(huì)抑制地表和地下微生物的生化作用,從而降低土壤中酶的活性。此外,也有研究表明,相較地表自流灌溉水,地下井水灌溉對(duì)水稻和玉米的產(chǎn)量有抑制作用[25-26]。
為了探究不同灌溉水源和種植年限對(duì)水稻土產(chǎn)生的影響,對(duì)4種水稻土樣中TOC含量、DOC含量、過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性4個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行了相關(guān)性分析。
2.3.1 地表水灌溉的水稻土理化性質(zhì)的相關(guān)性分析
地表水灌溉的水稻土中TOC含量、DOC含量、過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果,見(jiàn)表1。
表1 地表水灌溉的水稻土中TOC含量、DOC含量、過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性的相關(guān)性矩陣(n=11)Table 1 Correlation matrix of TOC content,DOC content,catalase activity and sucrase activity in paddy soil irrigated by surface water (n=11)
由表1可知:地表水灌溉、種植年限為70 a的剖面土壤中蔗糖酶活性與DOC含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.772**,p<0.01),這與多數(shù)研究結(jié)果相反,可能是由于前期施肥增加了深層土壤中DOC含量,而淺層土壤中DOC在休耕期流失[27],導(dǎo)致該剖面土壤中DOC含量異常;SW(70a)水稻土中過(guò)氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05);SW(1a)土壤中TOC含量與其他3個(gè)指標(biāo)含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),SW(1a)水稻土中DOC含量與過(guò)氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)(p<0.05)、與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),SW(1a)水稻土中過(guò)氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。這些結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致。土壤中TOC含量決定了DOC含量,酶活性的高低直接影響著有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)速率,而過(guò)氧化氫酶能分解對(duì)作物有害的過(guò)氧化氫,其酶活性高也有利于蔗糖酶轉(zhuǎn)化作用的進(jìn)行。
2.3.2 地下水灌溉的水稻土理化性質(zhì)的相關(guān)性分析
地下水灌溉的水稻土中TOC含量、DOC含量、過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性的相關(guān)性分析結(jié)果,見(jiàn)表2。
表2 地下水灌溉的水稻土中TOC含量、DOC含量、過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性的相關(guān)性矩陣(n=11)Table 2 Correlation matrix of TOC content,DOC content,catalase activity and sucrase activity in paddy soil irrigated by ground water(n=11)
由表2可知,兩個(gè)地下水灌溉的水稻土剖面土壤中TOC含量與過(guò)氧化氫酶活性、蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),土壤中過(guò)氧化氫酶活性與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。
除受前期施肥影響的SW(70a)水稻土外,其余3個(gè)水稻土剖面中TOC含量與過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,這與多位學(xué)者的研究結(jié)論相同[28-31],證實(shí)了這兩種土壤酶是影響土壤中TOC含量的重要因子。另外,在所有水稻土剖面中,土壤中這兩種酶活性之間的正相關(guān)性也很強(qiáng),這與前人的研究結(jié)果相同[32],在鄭勇等[33]關(guān)于旱地紅壤酶活性和焦曉光等[34]關(guān)于黑土和暗棕壤土酶活性的研究中,這兩種酶之間也存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明在不同土壤類型上,過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性在反映土壤性質(zhì)方面具有一定的共性。
地表水灌溉的水稻土相比于地下水灌溉的水稻土中TOC積累更多,過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性較高,而DOC含量較低,一方面是由于較高的酶活性利用DOC的效率高,且DOC轉(zhuǎn)化快、易被作物吸收,另一方面是施肥、耕作等人為活動(dòng)的影響,造成局部土壤中DOC含量異常。
(1) 水稻種植年限對(duì)海倫市黑土有機(jī)碳和土壤酶活性的影響在不同土壤深度表現(xiàn)不同,但總體上種植年限越長(zhǎng),越有利于土壤中TOC的積累,同時(shí)土壤中過(guò)氧化氫酶的活性也越高。種植年限對(duì)土壤中蔗糖酶活性的影響則沒(méi)有明顯的規(guī)律。土壤中TOC的積累及較高的酶活性表征著土壤具有較高的土壤肥力,能為水稻生長(zhǎng)提供更多的養(yǎng)分。
(2) 灌溉水源采用地表水比地下水更利于土壤中TOC的積累(DOC含量/TOC含量比值更小),地表水灌溉的土壤中過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性也更高。但河流水-井水多水源灌溉是否比單一地表水灌溉效果更好,還需要進(jìn)一步研究。
(3) 土壤中TOC含量與過(guò)氧化氫酶活性和蔗糖酶活性之間的正相關(guān)性極顯著,說(shuō)明土壤中這兩種酶是影響黑土中TOC含量的重要因子。多種類型土壤中TOC含量與這兩種酶之間都存在顯著正相關(guān)性,說(shuō)明其酶活性反映土壤性質(zhì)具有一定的普適性。