土壤增温和秸秆还田对土壤养分和胞外酶活性的影响

刘子熙,王治统,赵德强,吴 巩,凌 俊,周顺利,温 媛,*

1 中国农业大学农学院,北京 100193

2 安徽农业大学农学院,合肥 230036

全球变暖深刻影响着人类的生存与发展,2011—2020年的全球陆地平均温度比1850—1900年高1.59℃,到本世纪末,预计增温幅度达3.3—5.7℃[1]。近50年来,我国的地表平均温度已升高1.1℃[2],极大的改变了农田生态系统碳氮循环过程[1]。气候变暖通过改变微生物代谢和酶活性[3—5],加速土壤有机质矿化,降低土壤碳封存量[6]。与此同时,气候变暖也加速氮周转,增加净氮矿化,虽然这在一定程度上提升了土壤无机氮含量,促进了微生物固氮和植物氮吸收,但在长时间尺度上也会加剧氮损失风险[7]。

全球农业每年产生约40亿吨的作物秸秆[8],合理、高效的利用秸秆资源对维持农田生态健康具有重要意义。作物秸秆还田能够显著改善土壤物理性状(如土壤容重),提高土壤水稳性大团聚体的比例,提高土壤含水量等[9—10]。同时,秸秆还田可以提高作物生产力并增加土壤有机质含量[11],加速大团聚体形成,从而增强农田土壤固碳潜力[12—13]。一项基于全球的meta分析表明,秸秆还田使水田与旱地土壤的有机碳含量提高了12.8%左右[14]。秸秆中也含有丰富的氮、磷、钾、微量元素,是作物吸收的重要养分库[15]。秸秆的分解可以增加土壤速效养分有效性[16],并通过提高土壤有机质、有效磷和速效钾含量提高土壤肥力[17—18]。秸秆还田还为土壤微生物的生长繁殖提供了丰富的可利用资源,增加了土壤微生物群落的多样性[19]。

土壤微生物直接参与土壤养分循环等重要的生物化学过程,对维持土壤健康和生产力具有重要意义[20—21]。土壤酶是农田生态系统中有机质分解和养分循环的生物催化剂,土壤酶活性通常用来表征土壤微生物活动的强度[22]。在气候变暖的情况下,土壤酶活性可能随之增加,土壤有机碳氮矿化的速度加快,土壤可供植株利用的养分也增加[23—24]。此外,土壤酶在不同环境下对增温的响应有一定差异,例如在温带森林系统中,增温增加了β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和过氧化物酶的活性,降低了β-葡萄糖苷酶活性[25]。然而在北寒带森林中,增温使β-葡萄糖苷酶活性升高了15%[26]。目前有关于森林与草原生态系统中土壤酶活性的研究较多,但是在农田生态系统中土壤酶对土壤增温的响应研究很少。秸秆还田被认为有助于维持土壤微生物群落的多样化和提高胞外酶活性[27]。秸秆还田还可以通过改变土壤微生物群落组成,显著提高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],使有机态氮磷加速向无机氮和有效磷等土壤养分转化,促进土壤的氮磷循环。秸秆的添加降低了氧化酶(酚氧化酶、过氧化物酶)的活性,表明秸秆作为外源碳的输入使微生物对稳定性底物的利用减少,使木质素等难分解组分积累,提高了土壤有机碳的含量[29],增强土壤的固碳能力。

土壤养分对增温与秸秆还田有不同的响应趋势,土壤增温提高了微生物的代谢速度,使有机质的矿化速度加快,不利于土壤碳的固存。同时,土壤温度升高使氮的周转率提高,造成氮损失。秸秆还田通过降低土壤容重,增大土壤的总孔隙度,可以维持土壤良好的水分条件,减轻增温对土壤微生物和土壤酶的负面影响。然而,土壤增温和秸秆还田对土壤养分循环的交互影响尚不明晰。同时,在农田生态系统中,土壤胞外酶作为土壤养分循环的重要驱动力,其在土壤增温和秸秆还田二者耦合的情况下的响应目前也尚不清楚。因此,本研究的目的是探索土壤增温与秸秆还田对土壤养分与土壤胞外酶活性的影响及其交互作用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该试验布设于河北省沧州市吴桥县中国农业大学吴桥实验站(37°36′N,116°21′E)。该地年均温12.9 ℃,年降水量约500 mm,属温带季风型气候。土壤为粉质壤土(砂粒18.6%,粉粒70.2%,黏粒11.2%),pH值为7.9,容重为1.5 g/cm3,孔隙度为43.4%,土壤有机碳含量为8.4 g/kg,土壤全氮含量为1.0 g/kg。该区域种植方式为冬小麦-夏玉米轮作。每年6月到10月为夏玉米生长季,每年11月到次年5月为冬小麦生长季。

本研究设置两个水平土壤温度处理(正常温度和增温3.5℃)和两种秸秆还田处理(秸秆不还田和秸秆还田),共组成四个处理,分别为土壤正常温度+秸秆不还田(CK),土壤正常温度+秸秆还田(S),土壤增温+秸秆不还田(T)和土壤增温+秸秆还田(TS)。每个处理设置三次重复,共设置12个小区,每个小区面积为12 m2(3 m × 4 m)。

在增温处理小区埋设加热电缆,平行铺设,深度为20 cm,间距为25 cm,保证样地增温的均匀性。同时,每个小区外围用10 cm厚50 cm深的泡沫板环绕一周以减少周围土壤温度对增温区域的影响。同时,不增温小区也做同样处理,以减少或消除因铺设电缆对作物根系及土壤压实的影响。增温试验开始于2018年10月,在2018—2021年间持续增温, 0—20 cm处土层平均增温3.5℃,日增温趋势图如图1所示。

秸秆还田小区设置与当地常规秸秆还田方式一致,玉米秸秆在收获后用旋耕机打碎为5—10 cm碎片,之后通过模拟旋耕的方式人工混入0—15 cm土层;小麦秸秆用联合收割机粉碎后覆盖还田。对于秸秆不还田的小区,在收获后将小麦、玉米秸秆人工移除。冬小麦和夏玉米秸秆还田量分别为8000 kg/hm2和10000 kg/hm2。其他诸如灌溉、施肥与收获等农事操作与当地农户保持一致。

1.2 土壤样品采集及测定

在2021年6月15日冬小麦成熟期采集土壤样品。每个小区随机选取5个点采用S型取样法取样并混合,取样深度为0—20 cm处。土壤样品过2 mm筛后,去除可见秸秆、根系和杂质后,于4℃冰箱保存,在两周内完成所有指标的测定。

1.3 土壤理化性质

1.4 土壤微生物量碳氮的测定

微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均采用氯仿熏蒸法进行测定[34—35],称5 g土壤置于棕色瓶中,在真空皿中进行氯仿熏蒸24 h,熏蒸结束后加入20 ml K2SO4(0.5 mol/L),置于摇床200 rpm转速振荡20 min,利用滤纸进行过滤分离,取滤液置于TOC仪上进行测定。根据测定结果计算MBC和MBN的含量,计算公式为E/K,其中E为熏蒸与未熏蒸土壤中可提取的碳(氮)的差值,K为微生物生物量的转换系数, KC=0.45[36],KN=0.54[37]。

1.5 土壤酶的测定

土壤胞外水解酶(β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、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、碱性磷酸酶)采用荧光光度法测定[38]。简要步骤为:称取1 g新鲜土样加入50 mL蒸馏水,置于200 r/min 旋转式摇床(25 ℃)振荡 30 min后转移到高玻璃皿中。在磁力搅拌器的不断搅拌下,将 50 μL土壤悬浊液加入到 96 孔微孔板中,并依次加入50 μL缓冲液和100 μL酶反应底物溶液。每个样品设置两个技术重复。另外,用4-甲基伞形酮(MUB)和7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)分别做两个标准曲线(0、100、200、500、800、1200 pmol/孔),其中AMC为亮氨酸酶的标准曲线,MUB为除亮氨酸酶以外其他水解酶的标准曲线。最后将加入样品悬浊液后将微孔板放置于 25 ℃条件下培养 30 min、60 min、120 min后,使用荧光酶标仪(Fluoroskan, ThermoFisher, 美国)分别进行荧光测定(激发光波长为355 nm;发射光波长为460 nm)。参照标准溶液的荧光值将样品所得荧光值转化为MUB和AMC的量。以L-DOPA 左旋多巴为底物,在96孔微孔板上用分光光度法测定了酚氧化酶和过氧化物酶活性[39]。土壤酶活性单位表示为 nmol g-1h-1。在此对同一类型的酶活性进行了标准化计算,以碳循环相关酶活性为例:

式中,C-acq代表C循环相关酶活性,Glu、Cello和Xyl分别代表β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维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为氮循环相关酶,磷酸酶为磷循环相关酶,酚氧化酶与过氧化物酶为氧化酶。

1.6 统计分析

采用单因素方差分析(one-way ANOVA)计算CK、S、T、TS四个处理在不同指标之间的效应,多重比较采用最小显著差异法(LSD),P值在<0.05水平下具有统计学差异。采用双因素方差分析(two-way ANOVA)计算土壤增温和秸秆还田对环境因子、土壤酶活性、土壤理化性质等的交互作用,多重比较采用最小显著差异法(LSD),P值在小于0.05水平下具有统计学差异。采用 SPSS 22.0进行数据分析,采用Origin 2021b进行作图。

2 结果

2.1 增温和秸秆还田对土壤理化性质的影响

与CK相比,S、T和TS处理均使土壤含水量降低,减幅分别为2.8%、20.0%(P<0.05)和3.7%。增温处理(T和TS加和后取平均值记为增温处理)较不增温处理(CK和S加和后取平均值记为不增温处理)土壤含水量降低,平均减幅为10.6%(P<0.05);秸秆还田处理(S和TS加和后取平均值记为秸秆还田处理)较秸秆不还田处理(CK和T加和后取平均值记为秸秆不还田处理)土壤含水量提高,平均增幅为7.5%(P<0.05)。与CK相比,S、T和TS处理均使pH降低,减幅分别为3.3%(P<0.05),1.0%和0.6%。增温处理显著提高了土壤的pH值,平均增幅为0.9%(P<0.05),秸秆还田处理显著降低了土壤的pH值,平均减幅为1.4%(P<0.05),S处理的pH值最低,为7.8。与CK相比,S处理使SOC含量升高8.7%,T处理和TS处理分别使SOC含量降低了10.6%和0.7%,且增温处理使SOC含量降低了9.6%。与CK相比,S、T和TS处理均使DOC含量升高,增幅分别为17.8%、25.2%(P<0.05)和48.8%(P<0.05)。增温处理与秸秆还田处理均增加了DOC含量,平均增幅分别为25.8%和18.4%(P<0.05),且CK处理的DOC含量最低,只有40.4 mg/kg;TS处理的DOC含量最高,为60.1 mg/kg(图2)。

图2 土壤增温和秸秆还田对土壤含水量、pH、有机碳与可溶性有机碳的影响

图3 土壤全氮、铵态氮、硝态氮与有效磷对增温与秸秆还田的响应

2.2 增温和秸秆还田对土壤微生物生物量的影响

与CK相比,S处理使MBC含量升高25.2%,T处理和TS处理分别使MBC含量降低了13.2%和29.0%。增温降低了MBC的含量,平均减幅为29.9%(P<0.05)。其中,TS处理的MBC含量最低,为185.9 mg/kg。S处理的MBC含量最高,为327.6 mg/kg。而MBN在不同处理间没有显著差异(图4)。

2.3 增温和秸秆还田对土壤胞外酶活性的影响

与CK处理相比, S处理提高了纤维素二糖酶,T处理提高了过氧化物酶和酚氧化酶的活性,TS处理提高了磷酸酶,β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖和木聚糖苷酶的活性(P<0.05)。秸秆还田处理提高了木聚糖苷酶、纤维素二糖酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶的活性,增温处理提高了酚氧化酶的活性,秸秆还田和增温共同作用下过氧化物酶的活性提高了(P<0.05)。与CK相比,S处理使碳循环相关的酶活性升高56.0%(P<0.05),T处理使碳循环相关的酶活性降低5.4%,TS处理使碳循环相关的酶活性升高28.5%。秸秆的添加使碳循环相关的酶活性平均增加46.2%(P<0.05),且S处理的碳循环相关的酶活性最高,为84.6 nmol g-1h-1。与CK相比,S、T和TS处理均使氮循环相关的酶活性升高,增幅分别为30.5%(P<0.05)、13.9%和32.5%(P<0.05)。秸秆的添加使氮循环相关的酶活性平均增加22.9%(P<0.05),且CK处理的氮循环相关的酶活性最低,为121.5 nmol g-1h-1。与CK相比,S、T和TS处理均使磷循环相关的酶活性升高,增幅分别为12.7%、0.9%和29.6%(P<0.05)。秸秆的添加使磷循环相关的酶活性平均增加20.6%(P<0.05),且TS处理的磷循环酶活性最高,为92.8 nmol g-1h-1。与CK相比,S、T和TS处理均使氧化酶活性升高,增幅分别为4.2%、10.6%(P<0.05)和5.7%。增温使氧化酶活性平均增加6.0%(P<0.05),且T处理的氧化酶活性最高,为5974.8 nmol g-1h-1,CK处理的氧化酶活性最低,为5410.0 nmol g-1h-1(图5)。

图5 土壤胞外酶对增温与秸秆还田的响应

3 讨论

3.1 土壤增温和秸秆还田对土壤理化性质的影响

增温显著提高了DOC含量(图2,P<0.05),刘芙蓉等[46]也发现0—15 cm土壤增温后DOC增加了61.4%。这可能是温度的升高影响了土壤酶的活性[47],土壤有机质降解的速度加快,进而提高了DOC含量。秸秆作为外源有机物料,提供了微生物活动所需的碳源,使微生物的活性升高[48]。在微生物分解秸秆的过程中,DOC作为不稳定碳组分被释放(图2,P<0.05),这与前人研究中秸秆还田使DOC含量提高273.5%的结果一致[49],这表明秸秆还田对提高土壤不稳定碳组分有一定的效果。增温使SOC含量降低了9.6%,秸秆还田在一定程度上弥补了增温带来的碳损失,使增温处理下的SOC增加了11.0%,但SOC的增减并不显著(图2)。表明在变暖的条件下秸秆还田可能在一定程度上提高土壤质量。

3.2 土壤增温和秸秆还田对土壤微生物生物量和酶活性的影响

增温显著降低了土壤MBC的含量(P<0.05),虽然秸秆还田在一定程度上提高了土壤MBC的含量,但无法弥补其损失。这与奚晶阳等[53]在高寒沼泽草甸的增温研究中的研究规律一致。增温导致土壤含水量降低,会抑制微生物的生长和繁殖,进而限制土壤微生物种群规模,使土壤MBC的含量降低[54]。随着温度升高,土壤中的有机质下降也会导致土壤微生物数量减少[55],进而导致MBC的含量降低(图4)。

温度是土壤酶活性的重要调控因子[8],温度升高提高酚氧化酶的活性,并增加酚氧化酶的反应速率[56],本研究中酚氧化酶和过氧化酶活性随温度的升高而升高(图5,P<0.05),可加快土壤中的酚类化合物的氧化和转化速度,促进了土壤碳循环,加快了土壤有机碳的转化,土壤固碳能力减弱[22]。秸秆还田显著提高了木聚糖酶、纤维素二糖酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶活性(图5,P<0.05)。这与贺美等[57]的研究结果一致:秸秆的加入使木聚糖酶活性提高了17.2%、纤维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%。这是因为秸秆快速降解后产生的水溶性化合物和易分解物质为胞外酶提供了充足的底物,使酶活性显著增加[58]。

4 结论

本研究表明土壤增温降低了土壤含水量、铵态氮含量和微生物量碳,提高了氧化酶活性、可溶性有机碳和硝态氮含量。而秸秆还田下,外源有机物质输入增加了土壤碳氮磷循环相关酶活性,促进了有机质的周转与速效养分的释放,提高了全氮、铵态氮、有效磷等土壤养分含量,一定程度上弥补了气候变暖下农田土壤养分的损失。因此,本研究表明秸秆还田措施是未来气候变暖条件下保育农田土壤肥力与生物活性的重要手段。