紫云英施用量對土壤活性有機碳和碳轉(zhuǎn)化酶活性的影響

李增強，張 賢，王建紅*，曹 凱，徐昌旭，曹衛(wèi)東

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200； 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

土壤有機碳(SOC)是土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，能夠顯著影響土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分供應(yīng)和微生物活性[1]。由于土壤總有機碳含量較高且土壤環(huán)境復(fù)雜多變，短期不同土壤管理措施對土壤總有機碳含量無明顯影響[2]。因此越來越多的研究采用土壤活性有機碳組分(如可溶性有機碳、熱水提取態(tài)有機碳、微生物生物量碳和顆粒有機碳)表征土壤管理措施和環(huán)境條件的變化[2-4]。土壤活性有機碳組分是指土壤中周轉(zhuǎn)時間較短，易被微生物利用的有機碳組分[2]。雖然這部分有機碳在土壤總有機碳中所占比重較小，但是與土壤大團聚體的形成和穩(wěn)定有顯著相關(guān)關(guān)系，對土壤養(yǎng)分含量和轉(zhuǎn)化供應(yīng)有著重要影響[5-6]。此外，研究表明土壤活性有機碳組分與溫室氣體(如CO2、CH4等)排放存在顯著相關(guān)關(guān)系[7]。由于土壤活性有機碳對土壤管理措施的反應(yīng)比土壤總有機碳更靈敏，且與土壤其他性質(zhì)的變化密切相關(guān)，因此成為評價土壤質(zhì)量及管理措施的一個重要指標(biāo)[2-3]。

土壤酶主要來自于土壤微生物以及活體動植物，是推動土壤中生物和生物化學(xué)過程的重要動力，可以作為構(gòu)成土壤功能和生物活性的重要指標(biāo)[8]。其中部分土壤酶活性與土壤有機碳的轉(zhuǎn)化存在密切關(guān)系。研究表明纖維素酶活性與可溶性有機碳含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系[9-10]，這可能是由于纖維素酶能夠?qū)㈦y溶的纖維素類物質(zhì)分解為纖維二糖、果糖和葡萄糖等易溶于水的小分子成分[11]。Sinsabaugh[12]認(rèn)為降低酚氧化酶活性有利于土壤中可溶性酚類物質(zhì)的累積，從而抑制水解酶類的活性，減少其對土壤有機碳的分解，進而有利于土壤有機碳的固存。因此明確土壤碳轉(zhuǎn)化酶與活性有機碳組分的關(guān)系對于準(zhǔn)確評估碳組分的變化具有重要意義。

紫云英(AstragalussinicusL.)是我國南方水稻生產(chǎn)區(qū)重要的冬季綠肥，翻壓還田后能夠減少化肥使用、改良土壤結(jié)構(gòu)、促進土壤有機質(zhì)累積和養(yǎng)分供應(yīng)[13]。目前關(guān)于翻壓紫云英綠肥的研究主要集中在作物養(yǎng)分吸收、土壤理化性質(zhì)變化等方面[14-16]，而對于土壤碳轉(zhuǎn)化酶活性及其與土壤活性有機碳組分關(guān)系等方面的研究較少。本文通過田間定位試驗，研究不同紫云英施用量下土壤活性有機碳組分以及土壤碳轉(zhuǎn)化酶活性的變化，探討與碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性與活性有機碳組分變化的關(guān)系，以期為揭示長期紫云英綠肥還田對稻田土壤肥力及可持續(xù)生產(chǎn)能力的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況與供試材料

試驗位于浙江省金華市婺城區(qū)蔣堂農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站(119°32′12″ E，29°04′8″ N)。該地屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，全年平均日照時數(shù)約1 700 h，平均降水量約1 500 mm，平均氣溫約17.9 ℃。試驗地土壤類型為紅壤黃筋泥土發(fā)育而成的水稻土，試驗前土壤基礎(chǔ)肥力為：有機質(zhì)含量21.5 g·kg-1，全氮1.45 g·kg-1，堿解氮248.2 mg·kg-1，有效磷(P)25.0 mg·kg-1，速效鉀(K)34.4 mg·kg-1，pH值5.38。試驗選用的紫云英品種是當(dāng)?shù)刂髟缘摹皩幉ù髽蚍N”，鮮草含水量為92.1%，氮、磷、鉀含量分別為3.82、0.39、3.61 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2011年4月開始，共設(shè)6個處理：(1)對照(CK)，不施用任何肥料；(2)常規(guī)施用化肥(CF)；(3)翻壓紫云英鮮草30 t·hm-2(GM30)；(4)翻壓紫云英鮮草60 t·hm-2(GM60)；(5)翻壓紫云英鮮草90 t·hm-2(GM90)；(6)翻壓紫云英鮮草120 t·hm-2(GM120)。每個處理均設(shè)4個重復(fù)小區(qū)，小區(qū)面積為20 m2，隨機排列。每年4月中旬按照試驗設(shè)計翻壓盛花期的紫云英，然后各小區(qū)淹水常規(guī)管理。為了避免紫云英根系對土壤生物化學(xué)性質(zhì)的影響，本試驗采用紫云英鮮草異地還田的方式進行。

供試水稻品種為“甬優(yōu)9號”，5月上旬育秧，選用分蘗2～3個且長勢相對一致的秧苗植株于6月中旬移栽至各小區(qū)。CF處理，于秧苗移栽的前一天施用碳酸氫銨525.0 kg·hm-2，過磷酸鈣375.0 kg·hm-2作為基肥，在分蘗初期施用尿素187.5 kg·hm-2、氯化鉀112.5 kg·hm-2，在孕穗期施用尿素75.0 kg·hm-2，氯化鉀75.0 kg·hm-2。翻壓紫云英的4個處理均不施用任何化肥。

1.3 樣品采集與測定

2016年水稻收獲后，采用多點混合采樣法采集不同處理的表層(0～20 cm)土壤樣品。在實驗室內(nèi)將樣品中的石礫、根系及動植物殘體等挑出，一部分直接過2 mm篩，然后保存在4 ℃冰箱中；另一部分風(fēng)干后過2 mm篩，備用。

土壤可溶性有機碳(DOC)采用Jones等[17]的方法進行測定：稱取5 g新鮮土樣，加入25 mL蒸餾水，震蕩1 h，離心。上清液采用0.45 μm濾膜過濾，然后用TOC分析儀(Multi N/C 3100)測定其中有機碳含量。熱水提取態(tài)有機碳(HEOC)采用Ghani等[3]的方法進行測定：稱取5 g新鮮土樣，加入50 mL蒸餾水，震蕩30 min，離心去除上清液。重新加入50 mL蒸餾水，渦旋使其充分混合，封口，放入80 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)，保溫16 h。冷卻至室溫后離心，上清液利用0.45 μm濾膜過濾，利用TOC分析儀測定其中有機碳含量。土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定，以熏蒸土樣與不熏蒸土樣提取的有機碳的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)Kc(0.45)計算土壤微生物生物量碳[18]。顆粒有機碳(POC)采用六偏磷酸鈉溶液提取，利用重鉻酸鉀外加熱法測定其中碳含量[4]。土壤總有機碳(TOC)含量也采用重鉻酸鉀外加熱法測定[19]。

纖維素酶和蔗糖酶活性分別以羧甲基纖維素鈉和蔗糖為底物，采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；β-葡萄糖苷酶活性以對硝基苯-β-D-葡萄糖苷為底物，采用比色法測定[8]。酚氧化酶和過氧化物酶活性以L-DOPA(L-3,4-dihydroxyphenylalanine，左旋多巴)為底物，采用比色法測定[20]。上述酶活性均采用新鮮土樣測定。

總體酶活性采用下面的公式計算[21]：

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)均以烘干土計(105 ℃，24 h)。數(shù)據(jù)采用單因素方差分析程序進行統(tǒng)計分析，多重比較采用Tukey法進行顯著性檢驗(α=0.05水平)；土壤活性有機碳組分含量與碳轉(zhuǎn)化酶活性之間的關(guān)系采用Pearson相關(guān)性分析和逐步回歸分析，整個數(shù)據(jù)分析過程采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件進行。表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤活性有機碳和總有機碳

由表1可知，不同活性有機碳組分對不同處理的響應(yīng)不同。與CK處理相比，CF、GM30、GM60、GM90和GM120處理的土壤可溶性有機碳(DOC)含量分別增加了19.6%、27.7%、59.8%、75.3%和97.6%(P<0.05)，熱水提取態(tài)有機碳(HEOC)含量分別增加了17.9%、24.2%、36.3%、43.1%和55.9%(P<0.05)，微生物生物量碳(MBC)含量分別增加了16.4%、22.0%、32.6%、38.3%和48.5%(P<0.05)，顆粒有機碳(POC)含量分別增加了20.7%、31.0%、44.8%、55.2%和65.5%(P<0.05)，總有機碳(TOC)含量則分別增加了8.9%、14.6%、20.3%、21.1%和32.5%(P<0.05)。

表1 不同處理下土壤活性有機碳組分和總有機碳含量變化

注：同一列中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

不同活性有機碳占總有機碳的比例依次為POC/TOC>MBC/TOC>HEOC/TOC>DOC/TOC(表2)。其中DOC/TOC和HEOC/TOC值表現(xiàn)為CK

表2 不同處理下土壤活性有機碳組分占總有機碳的比例 (%)

2.2 土壤酶活性

由表3可知，與CK處理相比，CF、GM30、GM60、GM90和GM120處理的纖維素酶活性分別增加了14.3%、24.8%、40.6%、42.9%和54.9%(P<0.05)，蔗糖酶活性分別增加了27.2%、44.9%、92.5%、91.7%和186.8%(P<0.05)，β-葡萄糖苷酶活性分別增加了41.9%、51.0%、91.9%、127.5%和165.0%(P<0.05)，酚氧化酶活性分別增加了7.1%、7.1%、14.3%、14.3%和21.4%(P<0.05)，過氧化物酶活性分別增加了16.7%、16.7%、21.7%、23.3%和28.3%(P<0.05)。與CK處理相比，CF和施用紫云英處理(GM30、GM60、GM90和GM120)均顯著增加了總體酶活性。

表4是酶活性與微生物生物量碳的比值，用來表征相對酶活性。相對纖維素酶活性在不同處理間無顯著差異。CK處理的相對蔗糖酶和相對β-葡萄糖苷酶活性與CF和GM30處理相比無顯著差異，但是顯著低于GM60、GM90和GM120處理。CK處理的相對酚氧化酶和相對過氧化物酶活性與CF處理相比無顯著差異，但是顯著高于GM60、GM90和GM120處理。

2.3 土壤活性有機碳和酶活性的關(guān)系

由表5可知，土壤不同活性有機碳之間、活性有機碳與總有機碳之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。不同酶活性之間也存在顯著正相關(guān)關(guān)系。另外，不同有機碳組分和酶活性以及總酶活性之間也存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 不同處理下土壤酶活性和總體酶活性的變化

表4 不同處理下土壤酶活性與微生物生物量碳的比值

表5 土壤活性有機碳組分與酶活性間的相關(guān)性分析

注：**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)，*表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

采用逐步回歸分析進一步分析土壤酶活性與活性有機碳含量的關(guān)系(表6)。不同酶對活性有機碳組分的影響程度不同，其中β-葡萄糖苷酶和纖維素酶是影響DOC的主要酶，纖維素酶、酚氧化酶和蔗糖酶顯著影響HEOC，MBC主要受β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶的影響，POC主要受纖維素酶的影響。

表6 土壤活性有機碳組分與酶活性的逐步回歸分析

注：Y代表相應(yīng)的活性有機碳組分，X1代表纖維素酶活性，X2代表β-葡萄糖苷酶活性，X3代表酚氧化酶活性。

3 討論

土壤活性有機碳是土壤碳庫的重要組成部分，與土壤養(yǎng)分供應(yīng)、微生物活性等具有密切關(guān)系，能夠快速響應(yīng)田間管理措施的變化[2-3]。本研究表明，隨著紫云英施用量的增加，各處理的土壤活性有機碳組分含量分別較對照處理有顯著提高，這與李正等[22]的部分研究結(jié)果相似。研究表明土壤活性有機碳組分主要來自于外源有機物質(zhì)和土壤有機碳的分解過程[2]。隨著紫云英施用量的增加，有利于土壤微生物將更多的紫云英碳轉(zhuǎn)化為土壤活性有機碳組分。另外，隨著紫云英施用量的增加，水稻產(chǎn)量和秸稈生物量顯著增加[14]，從而導(dǎo)致更多的根系分泌物輸入土壤中。由于根系分泌物主要是由易溶于水的小分子有機物質(zhì)組成[23]，因此根系分泌物的輸入能夠直接促進土壤活性有機碳組分含量的增加。

由于活性有機碳易于被土壤微生物利用，活性有機碳組分與總有機碳的比值可在一定程度上表征土壤有機碳分解、礦化的難易程度，其值越大，表明土壤有機碳活性越高，較易礦化，周轉(zhuǎn)期較短[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，與對照處理相比，隨著紫云英施用量的增加，DOC/TOC、HEOC/TOC、MBC/TOC和POC/TOC值均顯著增加。一方面這可能是因為紫云英本身含有大量的可溶性有機物，紫云英施入土壤后這些物質(zhì)能夠直接轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥阑钚杂袡C碳組分，從而提高了活性有機碳組分的相對比例；另一方面紫云英作為一種新鮮有機物料施入土壤后能夠促進原有土壤有機碳的分解(激發(fā)效應(yīng))[1]，形成更多的土壤活性有機碳，從而也能夠增加土壤活性有機碳的相對比例。徐一蘭等[25]利用長期定位試驗也發(fā)現(xiàn)隨著有機肥施用量的增加MBC/TOC值顯著增加。

土壤酶是土壤生物活性的重要指標(biāo)，能夠推動土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動，對土壤肥力的形成和變化具有重要影響[8]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著綠肥施用量的增加，酚氧化酶和過氧化物酶活性顯著增加。田小明等[26]利用盆栽試驗也發(fā)現(xiàn)土壤酚氧化酶活性與生物有機肥施用量成正比。由于土壤酶活性不僅受環(huán)境條件(如溫度、水分含量等)的顯著影響，而且與底物濃度呈正相關(guān)關(guān)系[8]，紫云英施用量的增加能夠為相應(yīng)的酶提供更多的酚類和木質(zhì)素類底物，從而導(dǎo)致兩種酶活性的顯著增加。另外本研究也發(fā)現(xiàn)纖維素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性隨著紫云英施用量的增加而顯著增加，這與葉協(xié)鋒等[27]的研究結(jié)果類似。路文濤等[28]也發(fā)現(xiàn)隨著外源有機物質(zhì)(秸稈)施用量的增加，土壤蔗糖酶活性顯著增加。纖維素酶和β-葡萄糖苷酶能夠?qū)⒗w維素類物質(zhì)催化分解為易溶于水的糖類物質(zhì)[11]，蔗糖酶主要參與二糖類物質(zhì)的催化分解[8]。纖維素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性的增加一方面可能是由底物濃度的增加所引起的，另一方面，增加土壤酚氧化酶活性能夠?qū)⒏嗟姆宇愇镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為醌類，從而能夠消除土壤酚類物質(zhì)對這3種水解酶類的毒害作用，提高纖維素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶的活性[29]。

由于大部分酶都是土壤微生物合成和釋放的，用絕對酶活性與MBC的比值表征相對酶活性能夠消除微生物對酶活性的影響，從而更加準(zhǔn)確的評價不同管理措施對酶活性的影響[30]。Lagomarsino等[31]認(rèn)為酶活性與MBC的比值越高表明酶催化活性越強。本研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，隨著紫云英施用量的增加，相對蔗糖酶和相對β-葡萄糖苷酶活性均顯著增加。一方面可能是因為外源大量有機物質(zhì)的輸入能夠直接提高酶的催化活性，另一方面可能是因為長期施用綠肥能夠為酶提供更多的附著位點并且改善了酶促反應(yīng)的微域環(huán)境條件，從而提高了酶的催化活性[32]。然而，研究也發(fā)現(xiàn)與對照處理相比，隨著紫云英施用量的增加，相對酚氧化酶和相對過氧化物酶活性顯著降低。酚氧化酶和過氧化物酶均屬于氧化酶類，主要參與土壤中木質(zhì)素等復(fù)雜物質(zhì)的氧化降解過程，進而為微生物群落提供足夠的碳源和養(yǎng)分等物質(zhì)[33]。由于紫云英中含有豐富的易利用碳源和養(yǎng)分，隨著紫云英施用量的增加，土壤微生物群落對于來自土壤的碳源和養(yǎng)分的依賴性逐漸降低，從而導(dǎo)致相對酚氧化酶和相對過氧化物酶活性的降低。

土壤酶參與一系列的土壤生化過程，與土壤有機碳的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。本研究表明，土壤活性有機碳組分與土壤酶活性間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與Li等[34]的研究結(jié)果相似。通過逐步回歸分析則進一步發(fā)現(xiàn)纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶是影響活性有機碳的關(guān)鍵酶。纖維素酶和β-葡萄糖苷酶均為水解酶，能夠?qū)⑼庠摧斎氲挠袡C物質(zhì)或土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為活性有機碳。Wickings等[11]認(rèn)為纖維素酶和β-葡萄糖苷酶能夠?qū)⒗w維素轉(zhuǎn)化為活性有機碳。而酚氧化酶通過氧化酚類物質(zhì)，減少其在土壤溶液中的累積，從而降低酚類物質(zhì)對水解酶的毒害作用，進而提高水解酶類活性，促進活性有機碳的形成[12]。

4 結(jié)論

增加紫云英施用量能夠顯著增加土壤活性有機碳組分含量以及土壤活性有機碳組分與總有機碳的比值，提高與碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性。不同碳轉(zhuǎn)化酶的相對活性對紫云英施用量的響應(yīng)不同，其中相對蔗糖酶和相對β-葡萄糖苷酶活性隨著紫云英施用量的增加而顯著增加，而相對酚氧化酶和相對過氧化物酶活性則隨著紫云英施用量的增加而顯著降低。增加纖維素酶和β-葡萄糖苷酶活性能夠提高DOC含量，增加纖維素酶、β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性能夠提高HEOC含量，增加β-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性能夠提高MBC含量，增加纖維素酶活性能夠提高POC含量。