秸稈還田配施氮肥對水稻根際土酶活性的影響

陳佩，羅佳琳，黃麗穎，4，王寧，3*，于建光，3，薛利紅，3

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；3.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；4.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

土壤酶在稻田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用，它催化著土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)，反映了土壤中各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向[1-4]。已有研究發(fā)現(xiàn)，脫氫酶屬于胞內(nèi)酶，能催化有機(jī)物質(zhì)脫氫，起氫的中間轉(zhuǎn)化傳遞作用，因此脫氫酶活性可以作為微生物氧化還原系統(tǒng)的指標(biāo)，被認(rèn)為能很好地表征土壤中微生物的氧化能力[5]。而土壤蛋白酶和脲酶與土壤供氮能力有密切關(guān)系，其酶活性的高低在一定程度上能夠表征土壤氮素的供應(yīng)程度[6-7]。此外，硝酸還原酶、亞硝酸還原酶以及羥胺還原酶活性作為土壤反硝化過程中的關(guān)鍵酶，是影響土壤反硝化過程及溫室氣體N2O 產(chǎn)出的重要因子之一[8-9]。因此，稻田土壤酶活性大小是土壤肥力的重要標(biāo)志。

已有研究表明氮肥是影響土壤酶活性的重要因素之一。夏雪等[10]研究發(fā)現(xiàn)，低量（60 kg·hm-2）和中量（120 kg·hm-2）氮肥能夠提高蔗糖酶和脲酶活性，而中量（120 kg·hm-2）和高量（240 kg·hm-2）氮肥可以增加堿性磷酸酶活性。由于土壤酶活性受到多種因素影響，如土壤物理性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、人為因素以及植物根系等，目前關(guān)于氮肥施用對稻田土壤酶活性影響的認(rèn)識并無統(tǒng)一結(jié)論[11-12]。秸稈還田作為秸稈利用的重要方式，可平衡土壤養(yǎng)分、改良土壤結(jié)構(gòu)并有效抑制土傳病害的發(fā)生，對于優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)作物增產(chǎn)及發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義[13-14]。然而，秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大部分組成，C/N 一般為60～80，大量的秸稈還田會造成土壤較高的C/N，降低土壤氮素有效性，抑制土壤酶活性，使秸稈在土壤中難以被微生物分解[15-16]。因此，秸稈還田條件下，如何合理施用氮肥是保證土壤全期肥力的關(guān)鍵問題。已有研究表明，與秸稈單獨(dú)施用相比，秸稈還田配施化肥可顯著提高稻田土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性[17]。而水稻根際是水稻-土壤-微生物相互作用的熱點(diǎn)區(qū)域，土壤酶是其關(guān)鍵的中間介質(zhì)[10-18]。因受作物根系影響，與非根際土壤相比，根際土壤生物化學(xué)活性通常更高[19]。然而，目前關(guān)于水稻根際區(qū)土壤酶活性對秸稈還田與氮肥配施的響應(yīng)規(guī)律仍不夠清晰。

因此，本試驗(yàn)擬選取兩種典型稻麥輪作土壤作為研究對象，基于盆栽試驗(yàn)，以單施秸稈為對照，結(jié)合根際袋法，研究水稻根際和非根際區(qū)土壤酶活性對秸稈還田與氮肥配施的響應(yīng)，探討其如何影響土壤酶活性變化，從而為農(nóng)田秸稈還田與氮肥配施提供必要的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤分別采自江蘇省泰州市姜堰區(qū)（TZ）和江蘇省常州市金壇區(qū)（CZ）的稻麥輪作田，其中江蘇泰州土壤母質(zhì)發(fā)育于河流沉積物，屬于高砂土，而江蘇常州土壤是黃泥土，發(fā)育于湖泊沉積物。取表層0～20 cm 土壤，室內(nèi)風(fēng)干、過篩后備用。供試土壤TZ和CZ的養(yǎng)分含量見表1。

表1 水稻土基本性質(zhì)Table 1 Soil properties for the used two types of paddy soils

供試秸稈為小麥秸稈，收集于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥試驗(yàn)基地。麥秸含碳、氮量分別為475.0、4.9 g·kg-1，其碳氮比為96.9。將已粉碎的小麥秸稈以質(zhì)量比1%的比例加入到已準(zhǔn)備的兩種類型稻麥輪作土壤中，混勻備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

稱取1.50 kg 含1%秸稈的風(fēng)干土壤裝入網(wǎng)孔直徑為30 μm 的根際袋（10 cm×30 cm）內(nèi)，將根際袋置于試驗(yàn)桶（直徑25 cm、高30 cm 的塑料圓桶）內(nèi)，同時根際袋外也裝入1.50 kg 含1%秸稈的風(fēng)干土壤。供試水稻Oryza sativa品種為“南梗46”，將人工氣候室內(nèi)培育約1周的水稻幼苗移栽至根際袋中，每袋1株。試驗(yàn)設(shè)置3 個氮肥施用模式：①秸稈單獨(dú)還田且不施加氮肥（S，對照）；②秸稈還田且施加常規(guī)氮肥（125 mg·kg-1，以N 計，相當(dāng)于300 kg·hm-2）（SN）；③秸稈還田且施加高量氮肥（250 mg·kg-1，以N 計，相當(dāng)于600 kg·hm-2）（SHN）。每個處理3 個重復(fù)，2 種類型土壤，共18個處理。氮肥分基肥、蘗肥、穗肥3次施入，施用比例為4∶3∶3，磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入，施用量分別為P2O590 mg·kg-1（相當(dāng)于216 kg·hm-2），K2O 180 mg·kg-1（相當(dāng)于432 kg·hm-2）。水稻生長過程中適時灌水保持淹水2 cm 左右，待水稻生長至成熟期后，破壞性采樣收集根際土和非根際土，其中根際袋內(nèi)的土壤混合均勻后作為根際土，根際袋外土壤混合均勻后作為非根際土。采集的土壤風(fēng)干、研磨、過2 mm篩后用于土壤酶活性的測定與分析。

1.3 土壤酶活性測定

脫氫酶活性采用2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）還原法測定[20]，以24 h后1 g土壤中三苯基甲臢（TPF）的質(zhì)量（μg）表示脫氫酶活性；蛋白酶活性采用酪蛋白酸鈉分析法測定[20]，以1 g 土壤中氨基酸的質(zhì)量（mg）表示蛋白酶活性；脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定[6]，以1 g 土壤中水解生成NH3-N 的質(zhì)量（mg）表示脲酶活性；硝酸還原酶活性采用酚二磺酸比色法測定[6]，以24 h 后1 g 土壤中被還原的NO-3的質(zhì)量（μg）表示硝酸還原酶活性；亞硝酸還原酶活性采用甲萘胺比色法測定[6]，以24 h后1 g土壤中被還原的NO-2的質(zhì)量（mg）表示亞硝酸還原酶活性；羥胺還原酶活性參照關(guān)松蔭[6]的方法測定，以1 h 后1 g 土壤中被還原的羥胺的質(zhì)量（mg）表示羥胺還原酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2008 錄入和整理，采用SPSS 22.0（IBM，美國）進(jìn)行方差計算和相關(guān)性分析，采用R（2.14.0）軟件進(jìn)行主成分分析和方差分解分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行處理間的多重比較和顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），圖形繪制采用SigmaPlot 10.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻根際和非根際區(qū)土壤脫氫酶活性

不同處理下兩種類型稻田根際和非根際區(qū)土壤脫氫酶活性見圖1。由圖1 可知，與非根際區(qū)土壤相比，3 種處理下兩種類型稻田根際區(qū)脫氫酶活性顯著提高了22.4%～48.7%（P＜0.05）。隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州非根際區(qū)土壤脫氫酶活性從17.0μg·g-1·d-1逐漸增加到20.0μg·g-1·d-1和23.0μg·g-1·d-1，根際區(qū)土壤脫氫酶活性從21.0μg·g-1·d-1逐漸增加到29.5μg·g-1·d-1和34.2μg·g-1·d-1（P＜0.05）。對于江蘇常州稻田，非根際區(qū)土壤脫氫酶活性從19.3μg·g-1·d-1逐漸增加到22.0μg·g-1·d-1和25.2μg·g-1·d-1，根際區(qū)土壤脫氫酶活性從23.6μg·g-1·d-1逐漸增加到29.0μg·g-1·d-1和34.9μg·g-1·d-1。以上研究結(jié)果表明，隨著氮肥施用量的增加，兩種類型稻田根際區(qū)和非根際區(qū)土壤脫氫酶活性逐漸增大，而且根際區(qū)土壤脫氫酶活性顯著高于非根際區(qū)。

圖1 秸稈還田配施氮肥對兩種類型稻田非根際和根際區(qū)土壤脫氫酶活性的影響Figure 1 Effects of straw return with different amounts of nitrogen fertilizer addition on the dehydrogenase activities in non-rhizosphere and rhizosphere of rice from both paddy soils

2.2 土壤蛋白酶和脲酶活性

土壤蛋白酶可以水解蛋白質(zhì)為短肽，并將短肽進(jìn)一步水解為氨基酸，這些水解產(chǎn)物是植物的氮源之一。不同處理下兩種類型稻田根際和非根際區(qū)土壤蛋白酶活性見圖2。由圖2a可知，與非根際區(qū)土壤相比，SN 和SHN 處理下江蘇泰州稻田土根際區(qū)蛋白酶活性分別顯著提高了44.7%和34.2%（P＜0.05），而S處理下根際區(qū)蛋白酶活性雖有所增加，但效應(yīng)并不顯著（P＞0.05）；而對于江蘇常州稻田土，與非根際區(qū)土壤相比，3 種處理中僅有SN 處理下水稻根際區(qū)蛋白酶活性顯著提高了49.3%（P＜0.05），S 和SHN 處理則并未顯著增加根際區(qū)蛋白酶活性（圖2b）。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州稻田非根際區(qū)蛋白酶活性從5.87 mg·g-1逐漸增加到6.20 mg·g-1和7.11 mg·g-1，但增加效應(yīng)并不顯著（P＞0.05）；根際區(qū)蛋白酶活性SN 和SHN 處理較S處理分別顯著增加了36.1%和44.8%。對于江蘇常州土壤，與S 處理相比，SN處理顯著降低了水稻非根際區(qū)蛋白酶活性27.0%，但并未改變根際區(qū)蛋白酶活性；而SHN 處理顯著提高了水稻非根際區(qū)和根際區(qū)蛋白酶活性83.9%～90.2%。以上研究結(jié)果表明，與非根際土壤相比，秸稈還田配施氮肥顯著提高了江蘇泰州根際土壤蛋白酶活性；對于江蘇常州稻田，與非根際土壤相比，僅秸稈還田與常規(guī)氮肥配施顯著提高了水稻根際土壤蛋白酶活性，而高量氮肥施用條件下根際和非根際區(qū)土壤蛋白酶活性并無顯著性差異。

圖2 秸稈還田配施氮肥對兩種類型稻田非根際和根際區(qū)土壤蛋白酶和脲酶活性的影響Figure 2 Effects of straw return with different amounts of nitrogen fertilizer addition on the activities of protease and urease in nonrhizosphere and rhizosphere of rice from both paddy soils

土壤脲酶可以催化尿素釋放氨以供作物吸收利用。由圖2c 和圖2d 可知，與非根際區(qū)土壤相比，3 種處理下兩種類型稻田根際區(qū)脲酶活性提高了13.4%～70.9%，僅江蘇常州S 處理根際土壤脲酶活性增加效應(yīng)不顯著。隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州非根際區(qū)土壤脲酶活性從0.14 mg·g-1逐漸增加到0.17 mg·g-1和0.19 mg·g-1；根際土脲酶活性從0.17 mg·g-1逐漸增加到0.21 mg·g-1和0.26 mg·g-1。對于江蘇常州稻田，隨著氮肥施用量的增加，非根際土壤脲酶活性并無顯著性變化，約0.18～0.19 mg·g-1，而根際土脲酶活性從0.22 mg·g-1逐漸增加到0.26 mg·g-1和0.31 mg·g-1。以上研究結(jié)果表明，隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州根際區(qū)和非根際區(qū)以及江蘇常州根際區(qū)土壤脲酶活性均逐漸增大。此外，兩種類型稻田根際區(qū)土壤脲酶活性顯著高于非根際土壤。

2.3 土壤反硝化酶活性

硝酸還原酶是硝酸鹽次第還原過程第一步反應(yīng)的限速酶，通常在缺氧、厭氧環(huán)境中啟動，催化硝酸鹽（）還原為亞硝酸鹽（）。不同處理下兩種類型稻田根際和非根際區(qū)土壤硝酸還原酶活性見圖3a 和圖3b。由圖3a 和3b 可知，3 種處理下，與非根際區(qū)土壤相比，S 和SN 處理下江蘇泰州根際土壤硝酸還原酶活性雖有所降低，但并不顯著；而SHN 處理下江蘇泰州根際土壤硝酸還原酶活性顯著降低了32.3%。類似地，S 處理下江蘇常州根際土壤硝酸還原酶活性也顯著低于非根際區(qū)，酶活性降低了48.5%，而SN 和SHN 處理下根際土壤硝酸還原酶活性分別顯著提高了243.8%和270.5%。隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州稻田非根際區(qū)硝酸還原酶活性呈現(xiàn)增加的趨勢，其中SHN 處理顯著增加了88.2%，而根際區(qū)硝酸還原酶活性并沒有顯著性變化；對于江蘇常州稻田，SN 和SHN 處理下非根際區(qū)硝酸還原酶活性顯著降低了63.4%和67.2%，而根際區(qū)硝酸還原酶活性顯著增加了145.0%和134.0%。以上研究結(jié)果表明，隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州稻田非根際區(qū)土壤硝酸還原酶活性逐漸增加，而根際區(qū)硝酸還原酶活性并無顯著性變化，因此，秸稈還田與高量氮肥配施條件下江蘇泰州稻田根際區(qū)土壤脲酶活性顯著低于非根際區(qū)。而對于江蘇常州土壤，秸稈還田與氮肥配施下稻田根際區(qū)土壤硝酸還原酶活性顯著高于非根際區(qū)。

圖3 秸稈還田配施氮肥對兩種類型稻田非根際和根際區(qū)土壤反硝化酶活性的影響Figure 3 Effects of straw return with different amounts of nitrogen fertilizer addition on the activities of denitrifying enzyme in non-rhizosphere and rhizosphere of rice from both paddy soils

亞硝酸還原酶是土壤系統(tǒng)中將反硝化中間產(chǎn)物NO-2還原成一氧化氮（NO）的關(guān)鍵酶。不同處理下兩種類型稻田根際和非根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性見圖3c 和圖3d。由圖3c 可知，與非根際土壤相比，S處理并未顯著改變江蘇泰州稻田根際土壤亞硝酸還原酶活性；隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州稻田非根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性從25.0 mg·g-1·d-1逐漸降低到18.0 mg·g-1·d-1和13.6 mg·g-1·d-1，而根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性無顯著變化，為25.2～26.9 mg·g-1·d-1。然而，對于江蘇常州稻田，各處理?xiàng)l件下根際與非根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性之間均無顯著性差異，維持在23.5～30.6 mg·g-1·d-1；同時，隨著氮肥施用量的增加，根際/非根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性也無顯著變化（圖3d）。以上研究結(jié)果表明，秸稈還田條件下，無論氮肥施用與否，江蘇常州稻田根際區(qū)與非根際區(qū)亞硝酸還原酶活性之間并不顯著性差異。類似地，與非根際土壤相比，秸稈直接還田并未改變江蘇泰州稻田根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性，而秸稈與氮肥配施條件下，江蘇泰州根際區(qū)土壤亞硝酸還原酶活性顯著高于非根際區(qū)。

羥胺還原酶是將土壤中氮代謝（NO-3的異化反硝化或者氨的氧化）過程中形成的中間產(chǎn)物羥胺還原成氨的過程，因此，土壤羥胺還原酶活性的強(qiáng)弱影響到土壤氮代謝過程中氮素的氨揮發(fā)損失以及溫室氣體的排放。不同處理下兩種類型稻田根際和非根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性見圖3e 和圖3f。由圖3e 可知，與非根際區(qū)土壤相比，3 種處理下兩種類型稻田根際區(qū)羥胺還原酶活性顯著提高了12.4%～23.0%（P＜0.05）；隨著氮肥施用量的增加，江蘇泰州非根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性逐漸增加，其中SHN 處理顯著增加了8.3%；根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性顯著增加了9.9%～18.0%（P＜0.05）。對于江蘇常州稻田，與S處理相比，SN處理非根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性顯著增加了4.0%，SHN處理顯著增加了11.6%（P＜0.05）；根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性顯著增加了6.3%～13.6%（P＜0.05）（圖3f）。以上研究結(jié)果表明，隨著氮肥施用量的增加，兩種類型稻田根際區(qū)/非根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性均逐漸增大，而且根際區(qū)土壤羥胺還原酶活性顯著高于非根際區(qū)。

2.4 土壤酶活性的變化

為了進(jìn)一步表征土壤6 種類型酶活性的變化，基于主成分分析（PCoA）顯示，土壤酶活性在兩種類型土壤之間、根際與非根際區(qū)土壤之間以及氮肥施用與未施用處理之間都存在一定程度的差異性（圖4a～圖4c）。此外，氮肥施用也顯著改變了非根際/根際區(qū)土壤酶活性（圖4d和圖4e）。

圖4 秸稈還田與不同量氮肥配施條件下兩種類型稻田非根際和根際土壤酶活性的主成分分析Figure 4 Principal Components Analysis（PCoA）in non-rhizosphere and rhizosphere of both paddy soils with the application of straw return and different amounts of nitrogen fertilizer

方差分解分析（VPA）顯示，土壤類型（TZvsCZ）、根際效應(yīng)（根際區(qū)vs非根際區(qū)）以及施氮效應(yīng)（氮肥施用vs未施用）3 種因素共解釋了土壤酶活性變異量的63.5%，其分別單獨(dú)解釋了土壤酶活性變異量的9.9%、32.8%、20.8%（圖5a）。同時，根際效應(yīng)、施氮效應(yīng)與土壤酶活性的相關(guān)性分析顯示，根際效應(yīng)與土壤脫氫酶、蛋白酶、脲酶、羥胺還原酶活性顯著正相關(guān)，而施氮效應(yīng)除與以上酶活性呈顯著正相關(guān)外，還與土壤硝酸還原酶活性顯著負(fù)相關(guān)（圖5b）。

圖5 土壤類型、根際與施氮效應(yīng)對土壤酶活性變異的解釋量及根際效應(yīng)、氮肥施用與土壤酶活性的相關(guān)性Figure 5 Explaining proportion of soil type，rhizosphere and nitrogen fertilizer on the change of soil enzyme activity and correlation analysis among rhizosphere，nitrogen fertilizer and soil enzyme activities

3 討論

3.1 氮肥施用對稻田土壤酶活性的影響

氮素是作物生長和微生物繁殖必需的養(yǎng)分元素，水稻-土壤系統(tǒng)中水稻與微生物對氮素具有競爭關(guān)系，同時微生物也能夠通過分泌碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶來分解土壤有機(jī)質(zhì)中的氮素，從而實(shí)現(xiàn)對氮素的反調(diào)控，達(dá)到土壤微生態(tài)物質(zhì)平衡，滿足水稻、微生物生長的計量學(xué)需求，因而氮肥施用是導(dǎo)致土壤酶活性變化的重要因素[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用對土壤酶活性變異的解釋量達(dá)到20.8%。氮肥施用顯著改變了根際和非根際區(qū)土壤酶活性，而且顯著提高了兩種類型土壤非根際區(qū)和根際區(qū)脫氫酶和羥胺還原酶活性、江蘇泰州非根際區(qū)和根際區(qū)土壤脲酶活性，以及江蘇常州非根際區(qū)和根際區(qū)土壤蛋白酶活性（高量氮肥施用條件下）。同時，氮肥效應(yīng)與土壤脫氫酶、蛋白酶、脲酶和羥胺還原酶活性呈顯著的正相關(guān)性，這很可能是由于氮肥施用可刺激土壤微生物生長，進(jìn)而分泌更多的土壤酶，提高了土壤微生物活性[23]。

然而，非根際與根際區(qū)土壤酶活性對氮肥施用響應(yīng)存在顯著性差異。已有研究表明，非根際區(qū)土壤酶活性主要受到土壤微生物的影響，根際區(qū)土壤酶活性除了受土壤微生物的影響外，還與根系分泌物及作物生長密切相關(guān)[24-25]。針對江蘇泰州根際土壤，本研究發(fā)現(xiàn)，與未施用氮肥土壤相比，氮肥施用顯著提高了根際土壤蛋白酶活性。這很可能是由于根際區(qū)氮需求比較高，氮肥施用條件下土壤蛋白酶分泌的增加，可促進(jìn)分解土壤有機(jī)質(zhì)中的氮素，滿足根際區(qū)作物和微生物的需要。與根際土壤不同，非根際區(qū)需氮量較少，無需更多蛋白酶來提高土壤氮含量，因此，氮肥施用下江蘇泰州非根際區(qū)土壤蛋白酶活性并無顯著性變化。然而，根際區(qū)土壤氮素可能主要供水稻吸收利用，而對反硝化菌生長并無顯著影響，因而，氮肥施用條件下，硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性在根際土壤中并無顯著變化，而非根際區(qū)氮肥施用下脲酶活性的提高為土壤硝酸還原菌提供了氮源，進(jìn)而提高了非根際區(qū)硝酸還原酶活性。

非根際與根際區(qū)土壤酶活性對氮肥施用響應(yīng)的差異性也與土壤類型密切相關(guān)。與江蘇泰州土壤不同，江蘇常州土壤含氮量比較高，很可能滿足了非根際區(qū)土壤微生物生長的需求。因此，氮肥施用下非根際土壤區(qū)中脲酶活性并無顯著性變化。同時，江蘇常州土壤較高的含氮量，不僅滿足了根際區(qū)作物高氮需求，同時也可為土壤硝酸還原菌提供更多的硝態(tài)氮，進(jìn)而提高了根際區(qū)硝酸酶活性。然而，非根際區(qū)土壤中硝酸還原酶活性顯著降低很可能是由于氮肥施用并未影響非根際區(qū)脲酶活性，進(jìn)而并不能增加其硝態(tài)氮含量，隨著水稻根際區(qū)硝態(tài)氮的不斷消耗，非根際區(qū)硝態(tài)氮含量也會有所降低，氮肥施用條件下非根際區(qū)土壤中硝酸還原酶活性因而也有所降低。

3.2 根際效應(yīng)對稻田土壤酶活性的影響

土壤-微生物-作物根系互作系統(tǒng)組成的根際微環(huán)境，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用的熱點(diǎn)區(qū)域，而土壤酶是其關(guān)鍵的中間介質(zhì)[26-27]。本研究通過對比根際與非根際之間土壤酶活性的變化，發(fā)現(xiàn)根際效應(yīng)對土壤酶活性變化的解釋率最高，達(dá)到了32.8%（圖5a），兩種類型稻田根際區(qū)土壤脫氫酶活性、脲酶活性和羥胺還原酶活性都顯著高于非根際區(qū)（圖1、圖2c和圖2d、圖3e 和圖3f），且根際效應(yīng)與土壤脫氫酶性、蛋白酶、脲酶和羥胺還原酶活性呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性（圖5b）。根際能產(chǎn)生這種效應(yīng)可能主要有以下兩方面原因：一方面，植物根系不斷分泌各種代謝產(chǎn)物，包括有機(jī)酸、糖類、氨基酸、黃酮、生長素、核苷酸、酚酸類、脂肪酸和淵醇、酶類等，其可為微生物生長提供營養(yǎng)；另一方面，根表組織陸續(xù)死亡和脫落，改良了周圍土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，豐富了土壤有機(jī)質(zhì)，從而為微生物的大量增殖創(chuàng)造了條件，使植物根際具有很高的酶活性[28]。

然而，根際區(qū)土壤酶活性并不都是顯著高于非根際區(qū)。已有研究表明，水稻根際區(qū)是硝化-反硝化反應(yīng)的重要熱區(qū)。由于水稻根系分泌氧氣有利于根際土壤硝化作用，從而產(chǎn)生更多硝酸根，為反硝化微生物提供更多的氮源，進(jìn)而提高土壤反硝化酶的活性[29-30]。然而，水稻在生長過程中不斷吸收同化和，與非根際土壤相比，根際區(qū)土壤硝態(tài)氮含量逐漸降低，可能會導(dǎo)致硝酸還原酶活性的降低。類似地，我們也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與不同量氮肥配施條件下，與非根際土壤相比，江蘇泰州稻田根際區(qū)土壤硝酸還原酶活性較低（圖3）。與江蘇泰州土壤類似，秸稈直接還田條件下，江蘇常州稻田根際區(qū)土壤硝酸還原酶活性也顯著低于非根際區(qū)（圖3）。

研究還發(fā)現(xiàn)，不同類型土壤中根際區(qū)酶活性對根際效應(yīng)的響應(yīng)存在顯著性差異。與江蘇泰州土壤相比，秸稈還田與氮肥配施下江蘇常州稻田根際區(qū)土壤硝酸還原酶活性顯著高于非根際區(qū)，這很可能是由于與江蘇泰州土壤相比，江蘇常州稻田具有較高的脲酶活性，而且根際區(qū)脲酶活性顯著高于非根際區(qū)（S 處理除外），氮肥施用條件下，具有較高脲酶活性的根際土可產(chǎn)生較多的銨態(tài)氮，進(jìn)而可為土壤硝酸還原酶提供更多的硝態(tài)氮。而秸稈與氮肥配施條件下，江蘇泰州根際區(qū)土壤較高的亞硝酸還原酶活性很可能與根際區(qū)土壤密切相關(guān)[8]。此外已有研究發(fā)現(xiàn)，由于根際效應(yīng)，與非根際土壤相比，根際區(qū)蛋白酶活性更高[31]。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田且不施氮肥條件下水稻成熟期根際區(qū)與非根際區(qū)江蘇泰州土壤蛋白酶活性并無顯著性差異，這很可能與土壤氮含量相關(guān)。由于水稻生長后期需氮量并不高，且不施氮狀況下土壤較低的氮含量進(jìn)一步限制了蛋白酶活性。而秸稈還田配施氮肥增加了土壤氮含量，很可能刺激了土壤微生物生長，尤其是微生物活性較高的根際區(qū)，從而增加了土壤蛋白酶的來源，因此，江蘇泰州根際土壤蛋白酶活性得到顯著提高。而對于江蘇常州稻田，土壤較高的含氮量很可能足夠滿足作物氮需求，無需根際土壤蛋白酶提供更多的氮源，因此，即使是在高量施用氮肥的條件下，根際與非根際兩者之間土壤蛋白酶活性也并無顯著差異。

4 結(jié)論

（1）水稻根際區(qū)作為土壤酶活性的活躍區(qū)域，其脫氫酶、脲酶和羥胺還原酶活性顯著高于非根際區(qū)，從而有利于提高土壤肥力。

（2）與秸稈單獨(dú)還田相比，秸稈還田與氮肥配施顯著提高了兩種類型土壤根際區(qū)脫氫酶和羥胺還原酶活性、江蘇泰州根際區(qū)脲酶活性，以及江蘇常州根際區(qū)蛋白酶活性（高量氮肥施用條件下）。因此，秸稈還田與氮肥配施可進(jìn)一步提高根際土壤酶活性，維持土壤肥力，滿足水稻生長的需求。

（3）隨著氮肥施用量的增大，土壤酶活性會顯著提高，但同時也會造成嚴(yán)重的氮素?fù)p失，引起農(nóng)業(yè)面源污染問題。因此，保證糧食產(chǎn)量前提下，秸稈還田如何減量配施氮肥仍需進(jìn)一步深入研究。