土壤增溫和秸稈還田對土壤養(yǎng)分和胞外酶活性的影響

劉子熙,王治統(tǒng),趙德強,吳 鞏,凌 俊,周順利,溫 媛,*

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,北京 100193

2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,合肥 230036

全球變暖深刻影響著人類的生存與發(fā)展,2011—2020年的全球陸地平均溫度比1850—1900年高1.59℃,到本世紀(jì)末,預(yù)計增溫幅度達(dá)3.3—5.7℃[1]。近50年來,我國的地表平均溫度已升高1.1℃[2],極大的改變了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程[1]。氣候變暖通過改變微生物代謝和酶活性[3—5],加速土壤有機質(zhì)礦化,降低土壤碳封存量[6]。與此同時,氣候變暖也加速氮周轉(zhuǎn),增加凈氮礦化,雖然這在一定程度上提升了土壤無機氮含量,促進了微生物固氮和植物氮吸收,但在長時間尺度上也會加劇氮損失風(fēng)險[7]。

全球農(nóng)業(yè)每年產(chǎn)生約40億噸的作物秸稈[8],合理、高效的利用秸稈資源對維持農(nóng)田生態(tài)健康具有重要意義。作物秸稈還田能夠顯著改善土壤物理性狀(如土壤容重),提高土壤水穩(wěn)性大團聚體的比例,提高土壤含水量等[9—10]。同時,秸稈還田可以提高作物生產(chǎn)力并增加土壤有機質(zhì)含量[11],加速大團聚體形成,從而增強農(nóng)田土壤固碳潛力[12—13]。一項基于全球的meta分析表明,秸稈還田使水田與旱地土壤的有機碳含量提高了12.8%左右[14]。秸稈中也含有豐富的氮、磷、鉀、微量元素,是作物吸收的重要養(yǎng)分庫[15]。秸稈的分解可以增加土壤速效養(yǎng)分有效性[16],并通過提高土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量提高土壤肥力[17—18]。秸稈還田還為土壤微生物的生長繁殖提供了豐富的可利用資源,增加了土壤微生物群落的多樣性[19]。

土壤微生物直接參與土壤養(yǎng)分循環(huán)等重要的生物化學(xué)過程,對維持土壤健康和生產(chǎn)力具有重要意義[20—21]。土壤酶是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中有機質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)的生物催化劑,土壤酶活性通常用來表征土壤微生物活動的強度[22]。在氣候變暖的情況下,土壤酶活性可能隨之增加,土壤有機碳氮礦化的速度加快,土壤可供植株利用的養(yǎng)分也增加[23—24]。此外,土壤酶在不同環(huán)境下對增溫的響應(yīng)有一定差異,例如在溫帶森林系統(tǒng)中,增溫增加了β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和過氧化物酶的活性,降低了β-葡萄糖苷酶活性[25]。然而在北寒帶森林中,增溫使β-葡萄糖苷酶活性升高了15%[26]。目前有關(guān)于森林與草原生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶活性的研究較多,但是在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤酶對土壤增溫的響應(yīng)研究很少。秸稈還田被認(rèn)為有助于維持土壤微生物群落的多樣化和提高胞外酶活性[27]。秸稈還田還可以通過改變土壤微生物群落組成,顯著提高β-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和土壤酸性磷酸酶活性[28],使有機態(tài)氮磷加速向無機氮和有效磷等土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,促進土壤的氮磷循環(huán)。秸稈的添加降低了氧化酶(酚氧化酶、過氧化物酶)的活性,表明秸稈作為外源碳的輸入使微生物對穩(wěn)定性底物的利用減少,使木質(zhì)素等難分解組分積累,提高了土壤有機碳的含量[29],增強土壤的固碳能力。

土壤養(yǎng)分對增溫與秸稈還田有不同的響應(yīng)趨勢,土壤增溫提高了微生物的代謝速度,使有機質(zhì)的礦化速度加快,不利于土壤碳的固存。同時,土壤溫度升高使氮的周轉(zhuǎn)率提高,造成氮損失。秸稈還田通過降低土壤容重,增大土壤的總孔隙度,可以維持土壤良好的水分條件,減輕增溫對土壤微生物和土壤酶的負(fù)面影響。然而,土壤增溫和秸稈還田對土壤養(yǎng)分循環(huán)的交互影響尚不明晰。同時,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,土壤胞外酶作為土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動力,其在土壤增溫和秸稈還田二者耦合的情況下的響應(yīng)目前也尚不清楚。因此,本研究的目的是探索土壤增溫與秸稈還田對土壤養(yǎng)分與土壤胞外酶活性的影響及其交互作用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該試驗布設(shè)于河北省滄州市吳橋縣中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒炚?37°36′N,116°21′E)。該地年均溫12.9 ℃,年降水量約500 mm,屬溫帶季風(fēng)型氣候。土壤為粉質(zhì)壤土(砂粒18.6%,粉粒70.2%,黏粒11.2%),pH值為7.9,容重為1.5 g/cm3,孔隙度為43.4%,土壤有機碳含量為8.4 g/kg,土壤全氮含量為1.0 g/kg。該區(qū)域種植方式為冬小麥-夏玉米輪作。每年6月到10月為夏玉米生長季,每年11月到次年5月為冬小麥生長季。

本研究設(shè)置兩個水平土壤溫度處理(正常溫度和增溫3.5℃)和兩種秸稈還田處理(秸稈不還田和秸稈還田),共組成四個處理,分別為土壤正常溫度+秸稈不還田(CK),土壤正常溫度+秸稈還田(S),土壤增溫+秸稈不還田(T)和土壤增溫+秸稈還田(TS)。每個處理設(shè)置三次重復(fù),共設(shè)置12個小區(qū),每個小區(qū)面積為12 m2(3 m × 4 m)。

在增溫處理小區(qū)埋設(shè)加熱電纜,平行鋪設(shè),深度為20 cm,間距為25 cm,保證樣地增溫的均勻性。同時,每個小區(qū)外圍用10 cm厚50 cm深的泡沫板環(huán)繞一周以減少周圍土壤溫度對增溫區(qū)域的影響。同時,不增溫小區(qū)也做同樣處理,以減少或消除因鋪設(shè)電纜對作物根系及土壤壓實的影響。增溫試驗開始于2018年10月,在2018—2021年間持續(xù)增溫, 0—20 cm處土層平均增溫3.5℃,日增溫趨勢圖如圖1所示。

秸稈還田小區(qū)設(shè)置與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)秸稈還田方式一致,玉米秸稈在收獲后用旋耕機打碎為5—10 cm碎片,之后通過模擬旋耕的方式人工混入0—15 cm土層;小麥秸稈用聯(lián)合收割機粉碎后覆蓋還田。對于秸稈不還田的小區(qū),在收獲后將小麥、玉米秸稈人工移除。冬小麥和夏玉米秸稈還田量分別為8000 kg/hm2和10000 kg/hm2。其他諸如灌溉、施肥與收獲等農(nóng)事操作與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶保持一致。

1.2 土壤樣品采集及測定

在2021年6月15日冬小麥成熟期采集土壤樣品。每個小區(qū)隨機選取5個點采用S型取樣法取樣并混合,取樣深度為0—20 cm處。土壤樣品過2 mm篩后,去除可見秸稈、根系和雜質(zhì)后,于4℃冰箱保存,在兩周內(nèi)完成所有指標(biāo)的測定。

1.3 土壤理化性質(zhì)

1.4 土壤微生物量碳氮的測定

微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均采用氯仿熏蒸法進行測定[34—35],稱5 g土壤置于棕色瓶中,在真空皿中進行氯仿熏蒸24 h,熏蒸結(jié)束后加入20 ml K2SO4(0.5 mol/L),置于搖床200 rpm轉(zhuǎn)速振蕩20 min,利用濾紙進行過濾分離,取濾液置于TOC儀上進行測定。根據(jù)測定結(jié)果計算MBC和MBN的含量,計算公式為E/K,其中E為熏蒸與未熏蒸土壤中可提取的碳(氮)的差值,K為微生物生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù), KC=0.45[36],KN=0.54[37]。

1.5 土壤酶的測定

土壤胞外水解酶(β-1,4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、L-亮氨酸氨基肽酶、堿性磷酸酶)采用熒光光度法測定[38]。簡要步驟為:稱取1 g新鮮土樣加入50 mL蒸餾水,置于200 r/min 旋轉(zhuǎn)式搖床(25 ℃)振蕩 30 min后轉(zhuǎn)移到高玻璃皿中。在磁力攪拌器的不斷攪拌下,將 50 μL土壤懸濁液加入到 96 孔微孔板中,并依次加入50 μL緩沖液和100 μL酶反應(yīng)底物溶液。每個樣品設(shè)置兩個技術(shù)重復(fù)。另外,用4-甲基傘形酮(MUB)和7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)分別做兩個標(biāo)準(zhǔn)曲線(0、100、200、500、800、1200 pmol/孔),其中AMC為亮氨酸酶的標(biāo)準(zhǔn)曲線,MUB為除亮氨酸酶以外其他水解酶的標(biāo)準(zhǔn)曲線。最后將加入樣品懸濁液后將微孔板放置于 25 ℃條件下培養(yǎng) 30 min、60 min、120 min后,使用熒光酶標(biāo)儀(Fluoroskan, ThermoFisher, 美國)分別進行熒光測定(激發(fā)光波長為355 nm;發(fā)射光波長為460 nm)。參照標(biāo)準(zhǔn)溶液的熒光值將樣品所得熒光值轉(zhuǎn)化為MUB和AMC的量。以L-DOPA 左旋多巴為底物,在96孔微孔板上用分光光度法測定了酚氧化酶和過氧化物酶活性[39]。土壤酶活性單位表示為 nmol g-1h-1。在此對同一類型的酶活性進行了標(biāo)準(zhǔn)化計算,以碳循環(huán)相關(guān)酶活性為例:

式中,C-acq代表C循環(huán)相關(guān)酶活性,Glu、Cello和Xyl分別代表β-1,4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶和木聚糖苷酶。另外,β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸酶為氮循環(huán)相關(guān)酶,磷酸酶為磷循環(huán)相關(guān)酶,酚氧化酶與過氧化物酶為氧化酶。

1.6 統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)計算CK、S、T、TS四個處理在不同指標(biāo)之間的效應(yīng),多重比較采用最小顯著差異法(LSD),P值在<0.05水平下具有統(tǒng)計學(xué)差異。采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)計算土壤增溫和秸稈還田對環(huán)境因子、土壤酶活性、土壤理化性質(zhì)等的交互作用,多重比較采用最小顯著差異法(LSD),P值在小于0.05水平下具有統(tǒng)計學(xué)差異。采用 SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)分析,采用Origin 2021b進行作圖。

2 結(jié)果

2.1 增溫和秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響

與CK相比,S、T和TS處理均使土壤含水量降低,減幅分別為2.8%、20.0%(P<0.05)和3.7%。增溫處理(T和TS加和后取平均值記為增溫處理)較不增溫處理(CK和S加和后取平均值記為不增溫處理)土壤含水量降低,平均減幅為10.6%(P<0.05);秸稈還田處理(S和TS加和后取平均值記為秸稈還田處理)較秸稈不還田處理(CK和T加和后取平均值記為秸稈不還田處理)土壤含水量提高,平均增幅為7.5%(P<0.05)。與CK相比,S、T和TS處理均使pH降低,減幅分別為3.3%(P<0.05),1.0%和0.6%。增溫處理顯著提高了土壤的pH值,平均增幅為0.9%(P<0.05),秸稈還田處理顯著降低了土壤的pH值,平均減幅為1.4%(P<0.05),S處理的pH值最低,為7.8。與CK相比,S處理使SOC含量升高8.7%,T處理和TS處理分別使SOC含量降低了10.6%和0.7%,且增溫處理使SOC含量降低了9.6%。與CK相比,S、T和TS處理均使DOC含量升高,增幅分別為17.8%、25.2%(P<0.05)和48.8%(P<0.05)。增溫處理與秸稈還田處理均增加了DOC含量,平均增幅分別為25.8%和18.4%(P<0.05),且CK處理的DOC含量最低,只有40.4 mg/kg;TS處理的DOC含量最高,為60.1 mg/kg(圖2)。

圖2 土壤增溫和秸稈還田對土壤含水量、pH、有機碳與可溶性有機碳的影響

圖3 土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與有效磷對增溫與秸稈還田的響應(yīng)

2.2 增溫和秸稈還田對土壤微生物生物量的影響

與CK相比,S處理使MBC含量升高25.2%,T處理和TS處理分別使MBC含量降低了13.2%和29.0%。增溫降低了MBC的含量,平均減幅為29.9%(P<0.05)。其中,TS處理的MBC含量最低,為185.9 mg/kg。S處理的MBC含量最高,為327.6 mg/kg。而MBN在不同處理間沒有顯著差異(圖4)。

2.3 增溫和秸稈還田對土壤胞外酶活性的影響

與CK處理相比, S處理提高了纖維素二糖酶,T處理提高了過氧化物酶和酚氧化酶的活性,TS處理提高了磷酸酶,β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖和木聚糖苷酶的活性(P<0.05)。秸稈還田處理提高了木聚糖苷酶、纖維素二糖酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶的活性,增溫處理提高了酚氧化酶的活性,秸稈還田和增溫共同作用下過氧化物酶的活性提高了(P<0.05)。與CK相比,S處理使碳循環(huán)相關(guān)的酶活性升高56.0%(P<0.05),T處理使碳循環(huán)相關(guān)的酶活性降低5.4%,TS處理使碳循環(huán)相關(guān)的酶活性升高28.5%。秸稈的添加使碳循環(huán)相關(guān)的酶活性平均增加46.2%(P<0.05),且S處理的碳循環(huán)相關(guān)的酶活性最高,為84.6 nmol g-1h-1。與CK相比,S、T和TS處理均使氮循環(huán)相關(guān)的酶活性升高,增幅分別為30.5%(P<0.05)、13.9%和32.5%(P<0.05)。秸稈的添加使氮循環(huán)相關(guān)的酶活性平均增加22.9%(P<0.05),且CK處理的氮循環(huán)相關(guān)的酶活性最低,為121.5 nmol g-1h-1。與CK相比,S、T和TS處理均使磷循環(huán)相關(guān)的酶活性升高,增幅分別為12.7%、0.9%和29.6%(P<0.05)。秸稈的添加使磷循環(huán)相關(guān)的酶活性平均增加20.6%(P<0.05),且TS處理的磷循環(huán)酶活性最高,為92.8 nmol g-1h-1。與CK相比,S、T和TS處理均使氧化酶活性升高,增幅分別為4.2%、10.6%(P<0.05)和5.7%。增溫使氧化酶活性平均增加6.0%(P<0.05),且T處理的氧化酶活性最高,為5974.8 nmol g-1h-1,CK處理的氧化酶活性最低,為5410.0 nmol g-1h-1(圖5)。

圖5 土壤胞外酶對增溫與秸稈還田的響應(yīng)

3 討論

3.1 土壤增溫和秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響

增溫顯著提高了DOC含量(圖2,P<0.05),劉芙蓉等[46]也發(fā)現(xiàn)0—15 cm土壤增溫后DOC增加了61.4%。這可能是溫度的升高影響了土壤酶的活性[47],土壤有機質(zhì)降解的速度加快,進而提高了DOC含量。秸稈作為外源有機物料,提供了微生物活動所需的碳源,使微生物的活性升高[48]。在微生物分解秸稈的過程中,DOC作為不穩(wěn)定碳組分被釋放(圖2,P<0.05),這與前人研究中秸稈還田使DOC含量提高273.5%的結(jié)果一致[49],這表明秸稈還田對提高土壤不穩(wěn)定碳組分有一定的效果。增溫使SOC含量降低了9.6%,秸稈還田在一定程度上彌補了增溫帶來的碳損失,使增溫處理下的SOC增加了11.0%,但SOC的增減并不顯著(圖2)。表明在變暖的條件下秸稈還田可能在一定程度上提高土壤質(zhì)量。

3.2 土壤增溫和秸稈還田對土壤微生物生物量和酶活性的影響

增溫顯著降低了土壤MBC的含量(P<0.05),雖然秸稈還田在一定程度上提高了土壤MBC的含量,但無法彌補其損失。這與奚晶陽等[53]在高寒沼澤草甸的增溫研究中的研究規(guī)律一致。增溫導(dǎo)致土壤含水量降低,會抑制微生物的生長和繁殖,進而限制土壤微生物種群規(guī)模,使土壤MBC的含量降低[54]。隨著溫度升高,土壤中的有機質(zhì)下降也會導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量減少[55],進而導(dǎo)致MBC的含量降低(圖4)。

溫度是土壤酶活性的重要調(diào)控因子[8],溫度升高提高酚氧化酶的活性,并增加酚氧化酶的反應(yīng)速率[56],本研究中酚氧化酶和過氧化酶活性隨溫度的升高而升高(圖5,P<0.05),可加快土壤中的酚類化合物的氧化和轉(zhuǎn)化速度,促進了土壤碳循環(huán),加快了土壤有機碳的轉(zhuǎn)化,土壤固碳能力減弱[22]。秸稈還田顯著提高了木聚糖酶、纖維素二糖酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶活性(圖5,P<0.05)。這與賀美等[57]的研究結(jié)果一致:秸稈的加入使木聚糖酶活性提高了17.2%、纖維素二糖酶活性提高了1.7%、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性提高了15.4%。這是因為秸稈快速降解后產(chǎn)生的水溶性化合物和易分解物質(zhì)為胞外酶提供了充足的底物,使酶活性顯著增加[58]。

4 結(jié)論

本研究表明土壤增溫降低了土壤含水量、銨態(tài)氮含量和微生物量碳,提高了氧化酶活性、可溶性有機碳和硝態(tài)氮含量。而秸稈還田下,外源有機物質(zhì)輸入增加了土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)酶活性,促進了有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)與速效養(yǎng)分的釋放,提高了全氮、銨態(tài)氮、有效磷等土壤養(yǎng)分含量,一定程度上彌補了氣候變暖下農(nóng)田土壤養(yǎng)分的損失。因此,本研究表明秸稈還田措施是未來氣候變暖條件下保育農(nóng)田土壤肥力與生物活性的重要手段。