淮安市稻田不同土层土壤微生物溶磷分解酶活性初探

贾艳艳，李其胜，殷小冬，杨文飞，杜小凤，文廷刚，顾大路

（江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏淮安 223001）

淮安市地处秦岭—淮河南北分界线处，是优质稻米的主产区，“淮安大米”已成为中国地理标志证明商标，品质优良、知名度高。2018 年，淮安市水稻种植面积约31.33 万hm2[1]。在品种、气候和土壤符合优质稻米生产的条件下，栽培技术成为影响稻米品质的重要因素。调查显示，淮安市稻-麦水旱轮作双季种植模式下农田均施用磷肥[2]，当季施用的磷肥大部分与Ca2+、Fe3+、Al3+等结合成难溶性磷酸盐滞留在土壤中，仅8%～20%的磷被植物根系吸收利用[3-4]。过量的磷肥虽保证了当季稻米高产，但影响了稻米品质。研究显示，稻田土壤过量施磷会导致垩白米率增加，降低稻米品质[5]。此外，稻田土壤中大量剩余的磷随沉积泥水流入洪泽湖，造成农业面源污染，引起水体富营养化，严重影响淮安市环洪泽湖生态环境和水产经济的发展[6]。

当季农田磷肥利用率低的主要原因是磷肥施入土壤后会快速固化为作物根系无法吸收的化合物[7]。土壤中的各种生化过程是在酶的催化下完成的，土壤酶是土壤系统生化反应强弱和方向的调控者，其活性反映了土壤中各种生物化学进程的动力和强度，与微生物代谢速率、养分的生物化学循环相关。与碳、氮和磷分解矿化相关的土壤酶的相对活性可揭示微生物生长和代谢的元素化学计量和能量进程[8]。植物根际土壤酸度变化、有机酸分泌和磷酸酶释放等均有利于活化和利用土壤中的磷素资源。通过室外采样、室内分析测定了水稻根际土壤微生物溶磷分解酶种类及活性，为淮安市稻田土壤磷素优化及稻米绿色健康发展提供理论基础及技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

室内测定所用土样采集自淮安市农科院科研创新基地水稻田，采用五点取样法分别取0～5、5～10、10～15 和15～20 cm 深的水稻根际土层土壤，带回实验室过1 mm 分样筛去除细根、石块等杂质，作为供试土壤样品。所有处理的土样保存于4 ℃条件下，用于分析土壤酶活性，7 d内测完。

室内实验在江苏徐淮地区淮阴农科所中心实验室进行，所用溶液和化学试剂均为国产分析纯。

1.2 土壤酶活性测定方法

土壤酶活性的测定参考周礼恺和张志明的方法[9]。

1.2.1 磷酸酶活性测定

根据土壤酸度的不同，磷酸酶分为酸性磷酸酶和碱性磷酸酶。取1 mL 培养液置于7 mL 离心管中，加0.1 mL 甲苯溶液、2.5 mL 0.5%磷酸苯二钠和2.5 mL 相应的缓冲液（酸性磷酸酶用pH 值为5.0 的缓冲液，碱性磷酸酶用pH 值为10.0 的缓冲液），盖紧瓶塞振荡混匀，37 ℃振荡培养24 h，5 000 r·min-1离心5 min，取0.5 mL 上清液至试管中，加入1.25 mL 2.5%铁氰化钾溶液，1.25 mL 0.5%4-氨基安替吡啉溶液和5 mL 水振荡混匀，静置50 min 后测定OD570值。酸性磷酸酶和碱性磷酸酶以单位磷源该菌株每小时产生的酶作用于底物所释放出产物的微摩尔数作为酶活力单位，单位酶活力（IU）定义为1 g 土样每小时分解产生1 mg P2O5所需的酶量。

1.2.2 植酸酶活性测定

在温度37 ℃和pH 值5.0条件下，植酸酶水解底物植酸钠，生成正磷酸和肌醇衍生物，在乙酸缓冲液溶液中，用钒钼酸铵处理会生成黄色的复合物，该复合物[(NH4)3PO4NH4VO3·16MoO3]于415 nm 下吸光度值最大。一个植酸酶活性（IU）定义为样品在植酸钠浓度为5.0 mmol·L-1、温度37 ℃、pH 值5.00 的条件下，每分钟从植酸钠中释放1 μmol无机磷的量。

1.2.3 脱氢酶活性测定

分别取5 mL培养样品于具塞三角瓶中，每个三角瓶加入2 mL 1%的2,3,5-三苯基四氮唑氯化物（TTC）溶液、2 mL 蒸馏水，充分混匀。置于37 ℃恒温箱中避光培养6 h。培养结束后，加入5 mL 甲醇，剧烈振荡1 min，后静置5 min，再振荡20 s，然后静置5 min。将三角瓶中的物质全部过滤到比色管中，并用少量的甲醇洗涤三角瓶2～3次，洗涤液也全部过滤到比色管中，定容到25 mL，于485 nm 下测定吸光度值A，以每毫升培养液生成的三苯甲月替（TPF）为脱氢酶的一个活性单位。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0 软件进行统计分析，5%水平下Tukey HSD 检验各处理平均值之间的差异显著性。

2 结果与分析

土壤理化性质测定的根际土壤微生物溶磷分解酶种类及活性显示：水稻根际土壤微生物分泌的与磷素矿化分解相关的胞外酶主要包括酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和植酸酶；4 种分解酶活性在0.41～26.10 IU，活性强度顺序为碱性磷酸酶＞酸性磷酸酶＞植酸酶＞脱氢酶；总体土壤酶活性随土层深度的增加逐渐降低（见表1）。土壤磷酸酶主要在有机磷向无机磷矿化的过程中发挥重要作用，能水解有机质中的磷脂键，加速有机磷的脱磷速度，提高土壤磷素的有效性。由表1 可知，0～5 cm 和5～10 cm 土壤层的酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性显著大于其他土层。所有土层深度中碱性磷酸酶活性远大于酸性磷酸酶，可能是因为本研究中当地土壤偏碱性，酸性磷酸酶活性较低。

表1 淮安稻田各土层土壤溶磷分解酶的活性 单位：IU

植酸是土壤有机磷的主要形态，其矿化分解并释放有效磷的过程是一个酶促反应，植酸酶是这一过程的关键酶。植酸酶属于磷酸单酯水解酶，是一类特殊的酸性磷酸酶，可催化植酸及植酸盐水解成肌醇与磷酸盐。研究显示，植酸酶在土壤改良及农业的可持续发展领域具有较强的应用前景。本研究中，0～10 cm表层土壤中植酸酶活性显著高于其他土层，说明本地土壤中植酸酶相关的土壤微生物集中在0～10 cm 土壤层，对有机磷的分解、释放作用远大于10～20 cm土层。

脱氢酶是土壤中的主要酶类之一，能促进有机物脱氢，可作为氢的供体，其活性可较好地表征土壤微生物的活性。脱氢酶能促进基质脱氢，通过测定土壤中微生物的脱氢酶活性，了解土壤中有机物的氧化分解能力。由表1 测定数据可知，脱氢酶的活性在0～5与5～10 cm、5～10 与10～15 cm 土层间无显著差异；0～5 cm 土层深度脱氢酶的活性显著高于10～15 和15～20 cm土层。

3 结论与讨论

磷元素是农作物的主要营养限制因子之一，开发利用土壤中的磷资源对解决作物的磷素限制意义深远。微生物是土壤元素转化吸收的中心，它们既是土壤有机质转化的执行者，又是植物营养元素的活性库，具有转化有机质、分解矿物和降解有毒物质的作用。大量研究表明，土壤中部分溶磷细菌和解磷真菌分泌胞外磷酸酶和有机酸类催化难溶性磷酸盐溶解，从而提高了植物根系表面原生磷的可获得性。Raliya等研究显示，作物绿豆（Vigna radiataL.）施用10 mg·L-1纳米ZnO 后，根系土壤磷酸酶、植酸酶的活性分别提高了84%和108%，绿豆的磷素吸收量增加了10.8%[10]。而利用黄曲霉（Aspergillus fumigatus）合成的纳米TiO2喷施绿豆叶面，不仅显著提高了绿豆根际微生物数量和与磷素循环相关的土壤胞外酶的活性，还改善了绿豆的叶蛋白、叶绿素含量等植物生理评价指标[11]。

本研究通过大田取样与室内试验，分析了淮安市代表性稻田水稻根际不同土层土壤微生物溶磷分解酶的主要种类和活性。研究显示，水稻根际土壤微生物溶磷分解酶种类主要包含碱性磷酸酶、植酸酶、酸性磷酸酶和脱氢酶。总体土壤酶活性随土层深度的增加逐渐降低，其中0～5 和5～10 cm 土壤层的碱性磷酸酶、植酸酶和脱氢酶的活性显著高于其他土壤层，说明本地水稻根际溶磷酶促反应主要发生在0～5 和5～10 cm 土层深度，且碱性磷酸酶和酸性磷酸酶是淮安当地水稻根际溶磷酶促反应的主要催化酶类型。