吉林西部盐碱田土壤蔗糖酶活性和有机碳分布特征及其相关关系

赵仁竹，汤洁*，梁爽，张豪，于树利,，王思宁，王静静

1. 吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130012；2. 长春市城乡规划设计研究院，吉林 长春 130020

吉林西部盐碱田土壤蔗糖酶活性和有机碳分布特征及其相关关系

赵仁竹1，汤洁1*，梁爽1，张豪1，于树利1,2，王思宁1，王静静1

1. 吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130012；2. 长春市城乡规划设计研究院，吉林 长春 130020

盐碱水田生长期对大气具有碳汇作用，研究其碳循环机制对全球碳减排和全球气候变化有着重要作用和意义。为进一步探究盐碱水田生态系统碳循环过程中土壤酶对有机碳的影响，选取吉林西部盐碱水田区为对象，细化生长期的不同阶段，分别于未种植水稻时、水稻幼苗期、分蘖期、抽穗期、结实期前往吉林西部典型灌区前郭县进行0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm分层采样，并马上回实验室用总有机碳分析仪测定有机碳含量，用3,5—二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，研究水稻不同生长时期土壤蔗糖酶活性及土壤有机碳在0～50 cm土层的分布特征，探讨蔗糖酶活性与土壤有机碳的关系。结果表明：表层土壤蔗糖酶活性最高，在不同生长期其活性均随着土壤剖面深度的增加显著降低，并且酶活性主要集中在0～20 cm的土层中；抽穗期和结实期0～10 cm土层土壤有机碳含量分别为1.30和1.31 g·kg-1，低于10～20 cm土层1.57和1.51 g·kg-1，其余时期土壤有机碳含量随着土壤剖面深度的增加显著降低。经相关分析表明，土壤蔗糖酶活性与土壤有机碳间呈显著正相关关系，其中幼苗期蔗糖酶活性与有机碳含量的相关系数最高为0.97。吉林西部盐碱水田土壤蔗糖酶活性的剖面分异与土壤有机碳含量密切相关，土壤蔗糖酶活性对土壤有机碳库有显著的影响。

土壤蔗糖酶；有机碳；盐碱土；水田；吉林西部

土壤酶是土壤中的生物催化剂（万忠梅和宋长春，2009），参与了土壤环境中的一切生物化学过程，与有机物质分解、能量转移等密切相关（Dick，1997；Yao等，2006），其活性对陆地生态系统碳循环有很大的影响。盐碱水田生长期对大气具有碳汇作用（张豪等，2013），研究其土壤酶对有机碳的影响对完善水田土壤碳循环机制，进而制定合理的、科学的碳减排政策有着重要作用和意义。近年来国内外学者在对生态系统物质循环过程的研究中也对土壤酶给予了高度重视（Garcia等，2000；杨文英等，2011），关于森林生态系统、草原生态系统和农田生态系统的土壤酶活性的研究报道较（李晨华等，2012；彭琳，2012；王娟等，2006），但对于盐碱性水田系统土壤酶活性的研究却相对较少。盐碱水田作为一种特殊的农田生态系统，土壤酶活性的变化必然导致其参与的物质循环转化过程的变化。因此，本文致力于研究盐碱水田系统土壤酶活性的空间分布特征和变化规律，探讨其与土壤有机碳含量的关系，对研究碳循环机制，制定碳减排措施有着至关重要的作用。

吉林西部位于松嫩平原南侧，科尔沁草原东部，是我国重要的农牧业和能源生产基地，为世界3大盐碱土集中分布区之一和全球碳循环研究的重要地区，属于全球变化研究中国东北样带。区内有颇具规模的前郭尔罗斯（前郭）灌区，是中国东北四大灌区之一。该灌区始建于上世纪 40年代日伪时期，以第二松花江为灌溉水源的大型电力提水灌区。经过60年的开发，现有耕地面积38611 hm2（其中水田面积 23344 hm2）。灌区粮食产量突破37×107kg，水稻产量达到32×107kg。近年来，吉林省政府启动了“引嫩江水开发水田，增产25×108kg粮食工程”，以保障粮食安全。在土地利用类型改变的同时，将使土壤酶活性和有机碳发生变化（张志丹等，2014），掌握不同深度土壤酶活性及有机碳的变化对于了解土壤碳循环过程具有重要作用。因此，本文对有机碳含量和密切参与碳循环的土壤蔗糖酶活性在盐碱水田区0～50 cm的剖面分异特征进行了研究，旨在揭示盐碱水田土壤蔗糖酶活性的剖面分异特征及其与土壤有机碳的关系，研究结果对进一步研究吉林西部盐碱水田生态系统碳循环机制，具有一定的指导意义和参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林省前郭尔罗斯蒙古族自治县北靠嫩江，东临第二松花江，地理坐标为东经123°38′～125°17′，北纬44°17′～45°28′。该区属半干旱半湿润的大陆性季风气候区，受西风带和东亚夏季天气系统的影响，气候敏感，四季差异明显，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季漫长寒冷。降水量小，蒸发量大（李娜，2012），大风多风，扬沙日和沙尘暴日较多，气候条件恶劣，水旱灾害频繁。该区经历了多次沙漠化和盐碱荒漠化的正逆演变过程，形成了大面积的盐碱土沉积。

1.2 样品采集

本实验选取的对象为盐碱性水田。样地采用与当地相同的水肥管理模式，即水稻返青期水深保持在3～4 cm，分蘖初期1 cm左右，分蘖后期及拔节孕穗期3 cm左右，抽穗开花期则采取干湿交替，且以湿为主。播种前施用基肥，返青分蘖肥在插秧后的第3天施入，孕穗肥于7月初和7月末分两次施入。在前郭尔罗斯蒙古族自治县选择符合要求的水稻田，在此稻田内按照对角线布点法选取3个采样点，采用GPS定位，并于2013年4月15日、5月31日、6月29日、8月20日和10月8日，分别为插秧前、幼苗期、分蘖期、抽穗期和结实期 5个时期采集土壤样品。采样前先移去水稻（插秧前不用此步骤），用1 m×1 m的无底座玻璃槽包围采样点后，将槽内水抽出，利用筒锹按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm将土壤分层取出并装袋。每层采集3个土壤样品，每一时期每个采样点采集15个样品，采取多点混合采样法，混合同层土样，装入无菌袋中，迅速带回实验室。

1.3 样品的处理与测试

剔除动、植物残体和石块，四分法取出适量土壤样品，经风干处理后，磨细，分别过1和0.15 mm筛后制成待测样品储存备用。

有机碳采用吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室的岛津 TOC-V系列总有机碳分析仪的 SSM-5000A固体样品模块测定。得到结果为总碳（TC）和无机碳（IC）的质量分数，二者之差即为总有机碳质量分数（SOC），本文以g·kg-1表示。土壤蔗糖酶活性测定采用 3,5—二硝基水杨酸比色法，用分光光度计进行测试，酶活性以1 g土壤在37 ℃培养 24 h后生成的葡萄糖的量(mg·g-1·24h-1)表示。测试时每个样品3次重复。土壤基本化学性质见表1。

表1 吉林西部盐碱水田土壤剖面基本化学性质Table 1 Basic chemical properties of the saline paddy field in west Jilin

1.4 实验数据统计

所有数据采用 SPSS 11.5和 Microsoft Excel 2003软件进行统计、处理。

2 结果与分析

表2 未种植水稻时土壤剖面深度对蔗糖酶活性的单因素方差分析Table 2 ANOVA analysis of soil profile depth to invertase activity when not planting rice

2.1 土壤剖面蔗糖酶活性的分异特征

蔗糖酶广泛存在于土壤中，其参与水田土壤中碳水化合物的转化，为植物和微生物提供可利用的营养物质，它是土壤生物学活性的重要表征（万忠梅和宋长春，2008）。由图 1可见，吉林西部盐碱水田区土壤蔗糖酶活性主要集中在0～10 cm的表土层，并随着土壤剖面的加深酶活性降低，说明土壤中碳水化合物的转化强度和微生物活性随着土壤剖面的加深显著降低（表2），这与陆欣等（1994）、Luo等（1998）、张银龙和林鹏（1999）和Xu等（2004）的研究结果相一致。表层土壤营养丰富，积累了较多的植物残体和腐殖质，水热条件和通气状况相对较好，微生物生长旺盛，呼吸强度加大，而蔗糖酶作为有机物分解的转化酶（陈红军等，2008），其活性必然随着微生物活动的增强而增强。随着土壤剖面的加深，土壤营养逐渐贫瘠，微生物生长受到抑制，所以蔗糖酶活性随着土壤剖面的加深而降低。本研究中30～40和40～50 cm土层酶活性低。这是因为底层盐碱土结构粘滞，渗水深度也不超过30 cm，使得根的微生物促进作用和有利微生物的水利条件基本丧失，加之土壤底层本身有机质含量较低，微生物的营养源贫瘠，所以，底层土壤酶含量较低。

图1 吉林西部盐碱水田土壤蔗糖酶活性的剖面垂直分异特征Fig. 1 Vertical dynamics of invertase activities of the saline paddy field in west Jilin

2.2 土壤有机碳（SOC）含量的垂向分异特征

水稻不同生长时期 SOC随土壤表层向深层呈现降低趋势（图2）。在未种植水稻时（图2a），有机碳含量随土壤剖面的加深逐层递减。这是因为土壤表层有机质归还量高，水热条件适宜，有机质分解情况较好，因此土壤有机碳含量也较高。随着土壤剖面的加深，有机质归还量减少，土壤根系分泌物也减少，土壤微生物活性降低导致物质循环转化速率降低，所以有机碳含量减少（吴旭东等，2013）。在抽穗期（图 2d），有机碳含量随土壤剖面深度的加大总体上呈现降低的趋势，但10～20 cm土层土壤有机碳含量超过表层土。这是因为抽穗是一个水稻发育的关键阶段，表层土壤距离须根较近，且此时水稻所需养分表层土壤完全能够供给，所以其余土层有机碳含量变化不明显。这就造成了总体有机碳含量随深度降低，10～20 cm土层土壤有机碳含量超过表层的现象。到了结实期（图 2e），水稻主要依靠光合作用形成干物质（李勇，2011），土壤有机质含量变化微弱，其剖面有机碳分布情况与抽穗期相近。

2.3 土壤蔗糖酶与土壤有机碳的相关性

吉林西部盐碱水田区土壤蔗糖酶活性的剖面分异与土壤有机碳含量密切相关（图3）。土壤酶来源于土壤中动物、植物和微生物细胞的分泌物及其残体的分解物，并且可通过分解复杂的有机物质为微生物提供可以吸收利用的碳、氮、磷、硫等营养成分而反作用于土壤微生物，是土壤微生物活性的一个表征指标。土壤有机碳受植物、微生物影响剧烈，腐殖化的有机质是土壤有机碳的主要来源，微生物的活性及养分的有效性会限制有机质的分解。有研究表明，微生物活性的增强能够促进DOC的生成速率（Godde等，1996）。这充分说明土壤酶在参与土壤生物地球化学循环的过程中必然会引起土壤有机碳库的变化。经分析，在生长期各个阶段，土壤蔗糖酶活性在土壤剖面的动态变化与 SOC变化呈显著正相关关系（n=15，P<0.05），这与田昆等的研究结果一致（田昆等，2004；Kotroczoa等，2014）。说明土壤有机碳对蔗糖酶活性的变化响应强烈，酶活性增加可以提高有机碳库量，进而影响土壤有机碳的矿化速率。随着土壤剖面的加深，pH变大，微生物生长受到抑制，酶活性降低，从而影响土壤有机质分解，导致土壤有机碳含量降低。其中幼苗期蔗糖酶活性与有机碳含量的相关性最好（图3b），相关系数为0.987（n=15，P<0.01），其次是分蘖期（图 3c）。这可能是由于此时水稻根系生长旺盛，对土壤营养的需求量最大，须根系促进土壤中微生物活性（Wang等，2014），微生物通过蔗糖酶加速分解土壤有机质为植物提供养分，所以此时蔗糖酶与土壤有机碳含量相关性最强。

图2 吉林西部盐碱水田土壤有机碳含量的剖面垂直分异特征Fig. 2 Vertical dynamics of SOC of the saline paddy field in west Jilin

3 结论

（1）随着土壤剖面深度的增加，吉林西部盐碱水田区蔗糖酶活性在生长期各个时段均发生显著降低，并且酶活性主要集中在0～20 cm的土层中。

（2）随着土壤剖面深度的增加，盐碱水田土壤有机碳含量降低，但在抽穗期和结实期 10～20 cm土层土壤有机碳含量超过表层。这是因为抽穗期水稻仍需表层土壤有机质营养供给，对10～20 cm需求量较少；结实期水稻主要依靠光合作用形成干物质，土壤有机质分布情况与上一时期相同。

（3）吉林西部盐碱水田蔗糖酶活性与土壤有机碳含量密切相关，且在水稻幼苗期相关性最强。说明土壤有机碳库对蔗糖酶活性的变化响应强烈，酶活性增加可以提高有机碳库量。

图3 吉林西部盐碱水田土壤蔗糖酶活性与有机碳的相关关系Fig. 3 Relationship between vertical dynamics of invertase activities and TOC of the saline paddy field in west Jilin

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Distribution of Soil Organic Carbon and Invertase Activity and Its Correlation in Saline-alkali Paddy Field in West Jilin

ZHAO Renzhu1, TANG Jie1*, LIANG Shuang1, ZHANG Hao1, YU Shuli1,2, WANG Sining1, WANG Jingjing1
1. College of Environmental and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Changchun Institute of Urban Planning & Design, Changchun 130020, China

Saline paddy field has the effect on atmospheric carbon sink during the growth period, so the carbon cycle mechanism of the saline paddy soil during the growing season plays an important role in the global carbon emission reduction and global climate change. We select Saline-alkali paddy field in west Jilin as an investigation object to study rice soil invertase activity and soil organic carbon distribution in 0～50 cm soil in different growth stages, and explore the invertase activity and soil organic carbon relationship. We take samples at 0～10, 10～20, 20～30, 30～40, 40～50 cm in not planting rice, seedling, tillering stage, tassel formation and fructicative stages respectively, and determinate the organic carbon content using a total organic carbon analyzer, 3,5-dinitrosalicylic acid colorimetry for the soil invertase activity immediately in the laboratory. The results showed that: the most soil invertase activity is at surface of soil, and invertase activity reduced significantly with increasing soil depth profile in different periods of soil; Soil organic carbon content is significantly reduced with increasing soil depth profile in all periods of soil apart from the heading stage of rice and the fructicative period, the SOC at 10～20 cm is 1.57 g·kg-1and 1.51 g·kg-1respectively, more than 1.30 g·kg-1and 1.31 g·kg-1of 0～10 cm soil layer. Correlation analysis showed that soil invertase activity and soil organic carbon is significantly positively correlated, and the highest correlation coefficient is 0.97 in the seedling stage of rice. Soil invertase activity profile differentiation is closely related to soil organic carbon content, and it has a significant impact on soil organic carbon pool in Western Jilin saline paddy area.

soil invertase; SOC; saline; paddy; western Jilin province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.010

S154.2；S153.6+2

A

1674-5906（2015）02-0244-06

赵仁竹，汤洁，梁爽，张豪，于树利，王思宁，王静静. 吉林西部盐碱水田土壤蔗糖酶活性和有机碳分布特征及其相关关系[J]. 生态环境学报, 2015, 24(2): 244-249.

ZHAO Renzhu, TANG Jie, LIANG Shuang, ZHANG Hao, YU Shuli, WANG Sining, WANG Jingjing. Distribution of Soil Organic Carbon and Invertase Activity and Its Correlation in Saline-alkali Paddy Field in West Jilin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 244-249.

国家自然科学基金项目（51179073）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20130061110065）

赵仁竹（1990年生），女，硕士研究生，汉，主要从事生态环境系统研究。E-mail：406173721@qq.com *通信作者：汤洁（1957年生），女，教授，博士生导师，主要从事生态环境系统工程研究。E-mail：tangjie@jlu.edu.cn

2014-12-01