UV-B增强后秸秆还田分解对土壤氮转化微生物及酶活性的影响

摘要：为明确UV-B辐射增强对水稻秸秆化学成分的影响，阐释UV-B辐射增强后秸秆还田分解特征及其对稻田土壤氮素转化的间接效应，本研究在元阳梯田（海拔1600 m）开展大田试验，以当地水稻品种白脚老粳为研究对象，研究UV-B辐射增强（5.00kJ·m-2）对水稻秸秆化学成分及其还田后秸秆降解、土壤氮素转化的影响。结果表明：UV-B辐射增强显著降低水稻秸秆纤维素含量，增加木质素含量，提高秸秆木质素／氮；并导致秸秆纤维素、木质素、总氮的降解速率总体降低，最大降幅分别达38.7％、18.1％、25.8％。与自然光照秸秆相比，UV-B辐射后的秸秆还田显著降低土壤固氮细菌、氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量，增加土壤蛋白酶、氨单加氧酶、硝酸还原酶活性，提高土壤硝化和反硝化速率。相关性分析表明，秸秆木质素，氮与秸秆降解速率呈极显著负相关；秸秆纤维素、木质素、总氮降解速率与硝酸还原酶活性呈显著正相关，后者又与N20排放通量呈显著正相关；硝化细菌数量与NO3-N含量呈负相关。研究表明，UV-B辐射增强通过提高秸秆木质素／氮，抑制秸秆纤维素、木质素、总氮降解，减少土壤氨化细菌数量，增加氨单加氧酶和硝酸还原酶活性，从而促进土壤NH+-N向NO3-N转化，导致N2O排放通量增加。

关键词：UV-B辐射；秸秆还田；氮转化；微生物；酶；氮含量；N2O

中图分类号：S154 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）01-0111-11 doi：10.11654/jaes.2023-0123

20世纪70年代氟氯烷化合物的广泛使用致使平流层臭氧浓度不断降低，进而导致的地表UV-B辐射增强对植物生长及生态系统稳定性构成威胁，UV-B辐射增强已成为当下被广泛关注的全球气候变化问题之一。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，其物质循环受到UV-B辐射的显著影响。

土壤氮素转化作为农田生态系统重要的物质循环过程，对UV-B辐射增强的响应敏感。UV-B辐射显著影响着生物固氮、有机氮矿化、N2O排放等农田氮素转化过程。研究表明，当UV-B辐射强度为0.34 W·m-2和0.49 W·m-2时，土壤固氮强度分别增加17％和9％，当UV-B辐射强度提高至0.77 W·m-2时，土壤固氮强度降低13％。土壤有机氮通过矿化作用转化为无机氮（NH-N、NO3-N），维持土壤氮素平衡与供应，徐鹏等的研究指出UV-B辐射增强加快了土壤有机氮转化速率，进而提高了高、低有机质土壤中NO3-N的含量。N2O是农田生态系统中温室气体的主要来源，受到UV-B辐射的显著影响，UV-B辐射增强能提高稻田N2O排放通量，但也有研究表明UV-B辐射增强抑制了大豆土壤中N2O的排放。

水稻秸秆还田是稻田生态系统氮素循环的重要一环，广泛应用于我国冬水田地区。水稻成熟收获后，除籽粒中氮素以外的其余氮素以有机氮形式存于秸秆，这些氮素随秸秆还田返回稻田，显著影响稻田土壤氮素转化与供应。秸秆还田能够改善土壤结构，增加有机质和微生物数量，调节土壤酶活性，促进土壤氮素的转化，但UV-B辐射增强对其转化过程的影响还存在不确定性。研究表明，UV-B辐射增强不利于植物残体降解，且对土壤氮素矿化具有抑制作用。目前大多数研究只关注了UV-B辐射单一因子对土壤氮素转化的直接影响，而UV-B辐射增强如何改变秸秆化学成分，进而影响其还田分解与土壤氮素转化尚不明确，有待进一步研究。假设UV-B辐射增强改变水稻植株化学成分含量，降低秸秆还田分解速率，进而抑制土壤氮素的矿化与供应。

元阳梯田终年淹水，UV-B辐射背景值高，稻田不施用化肥，水稻收获后秸秆全部还田，这为研究UV-B辐射增强对水稻秸秆还田土壤氮转化的影响提供了天然的场所。本试验以元阳梯田当地水稻品种白脚老粳为研究对象，在水稻生长期人工模拟UV-B辐射增强（5.00 kJ·m-2），水稻收获后开展秸秆还田试验，研究UV-B辐射增强对水稻秸秆物质含量及其还田下秸秆分解、土壤氮素转化过程的影响，探究UV-B辐射增强对稻田土壤氮素转化的间接影响与机理，为准确评估UV-B辐射增强对稻田土壤氮素转化的影响提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于云南省元阳县新街镇箐口村（23°07′N，102°44′E），该地为山地季风气候，多雨，梯田海拔高度为1600 m，年均气温为15℃，年均降水量为1 398mm。试验地土壤基本理化性质如下：pH值为5.32，有机质含量为26.8 g·kg-1，全氮、全磷、全钾含量分别为1.91、0.650 g·kg-1和16.4 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为76.4、15.7 mg·kg-1和101 mg·kg-1。

1.2试验设计

2020年3月5日播种育苗，5月20日将秧苗移栽至试验小区，6月20日开始进行紫外辐射处理。试验小区设计为长3.90 m、宽2.25 m，种植14行、16列水稻，周边6行和4列水稻作为保护行。水稻生长期不使用农药和化肥，且一直保持淹水状态。水稻2020年9月15日成熟后至2021年1月15日开展秸秆还田试验，期间稻田不进行其他作物种植，水面仅有满江红生长至来年水稻种植。

UV-B辐射处理：在每行水稻正上方悬挂1支40W UV-B灯管（北京，UV308，光谱为280-320 nm），模拟UV-B辐射增强。用0.130 mm醋酸纤维素膜滤除280 nm以下UV-C波段光线；聚酯薄膜滤除UV-C和UV-B辐射，将UV-B辐射的生物学效应作为在UV-B处理组和UV-A对照组下的生物学效应的差值来考虑，以消除处理组中UV-A对UV-B效应的影响。用紫外辐射测定仪（北京师范大学光电仪器厂）测定波长为297 nm时的辐射强度以确定紫外辐射水平，且根据水稻植株生长来调节灯管高度以控制辐照度（以植株上部计）。设自然光照和UV-B辐射强度为5.00 kj·m-2处理，分别相当于元阳梯田0和20.0％的臭氧衰减（夏至日UV-B辐射背景值为10.0 kj·m-2）。为保证试验条件的一致性，自然光照水平同样要悬挂未安装灯管的管架。从水稻秧苗移栽返青后，开始紫外辐射处理至成熟，每日10：00-17：00辐照（阴雨天除外）。

秸秆还田设置：称取自然光照（CK）和UV-B辐射下生长的水稻秸秆各10.0 g（鲜质量）分别置于100目网袋。采集自然光照和UV-B辐射下生长的水稻秸秆（水稻收获后的秸秆）各1.30 g（按试验区单位面积秸秆产量x20 cmX土壤容重基数得出）分别放入自封袋中，另称取156 g鲜土，去除杂物，放入自封袋，加入50.0 mL纯水，混匀后封口，为防止自封袋损坏以及保持淹水状态，将自封袋放入250 mL塑料瓶内，向瓶内注满水后封口，将网袋和塑料瓶埋入距土表10.0 cm处。每个小区埋入3个位置原位培养，30 d取样1次，各处理分别取3个网袋和3瓶土壤样品，测定计算植株纤维素、木质素、总氮降解速率和土壤氮含量、酶活性和微生物数量等。N2O气体的收集参照蒋静艳等的方法：每次采集不同处理土壤样品各3瓶，打开瓶盖放于室内自然通气30 min，充分排除瓶内残留气体后用双链球手动将瓶内气体泵入真空铝箔气体袋作为背景样品，然后用胶塞封口放入30℃恒温培养箱培养3h，期间每隔1h取样1次，共计3次，取样时间一般为8：00-11：00。

1.3秸秆物质含量测定

植株全氮含量采用浓硫酸消煮凯氏定氮法测定；植株纤维素采用硫酸消解分光光度法测定；植物木质素采用醋酸提取，硫酸重铬酸钾消解分光光度法测定。植株纤维素、木质素、总氮以及秸秆降解速率参照纪程等的方法进行计算。纤维素降解速率、木质素降解速率、总氮降解速率、秸秆降解速率分别表示为Rcd、Rld、Rtmd、Rad。

Rcd=（CoxMo-CtxMt）/t （1）

Rad=（Mo-Mt）/t （2）

式中：Co为初始秸秆纤维素含量，mg·g-1；Ct为采样时秸秆纤维素含量，mg·g-1；Mo为秸秆初始质量，g；Mt为采样时秸秆质量，g；t为采样时间，d。Rla和Rtnd的计算方法同Rad。

1.4稻田土壤氮转化细菌数量、酶活性、氮含量测定

土壤氮转化细菌数量测定：称取10.0 g新鲜土壤样品于三角瓶中，加入90 mL无菌水进行充分振荡，获得土壤悬浮液，之后根据培养细菌种类选择配制不同浓度的土壤溶液；土壤固氮菌、氨化细菌数量选择稀释平板法测定，土壤硝化细菌、反硝化细菌数量选用MPN稀释法测定。

土壤氮转化酶活性测定：土壤硝酸还原酶活性的测定，取风干土样，加入CaCO3、2，4-二硝基酚溶液、KNO3和葡萄糖溶液，摇匀密封培养；纯水定容，加铝钾矾饱和溶液，振荡，过滤；取滤液加显色剂摇匀定容，520 nm处测定吸光值。土壤亚硝酸还原酶活性的测定：取风干土样，加入CaCO3、NaNO2和葡萄糖溶液，摇匀密封培养；纯水定容，加铝钾矾饱和溶液，振荡，过滤；取滤液加显色剂摇匀定容，520 nm处测定吸光值。土壤中性蛋白酶活性、氨单加氧酶活性、固氮酶活性的测定：采用苏州格锐思生物科技有限公司所提供的试剂盒，应用双抗体夹心法测定标本中土壤酶（NP）水平。

土壤不同形态氮含量测定：土壤NH+-N含量采用苯酚次氯酸钠靛蓝比色法测定；土壤NO3-N含量采用酚二磺酸分光光度法测定；土壤可溶性有机氮含量采用碱性过硫酸钾消煮分光光度法测定；土壤微生物量氮含量采用氯仿熏蒸凯氏定氮法测定。

1.5N2O排放通量的测定

气体样品使用Agilent 7890B气相色谱仪分析。前检测器参数为：加热器温度为210℃，氢气流量为40.0 mL·min-1，空气流量为400 mL·min-1，尾吹气流量为20.9 mL·min-1，柱箱温度为50℃，色谱柱流量为2.50 mL·min-1；后检测器参数为：加热器温度为300℃，尾吹气流量为2.00 mL·min-1，辅助加热温度为375℃。

气体排放通量的计算公式：

F=oxVxdc/dtx273/T式中：F为气体排放通量，ug·m-2·h-1（N2O）；p为标准状况下气体密度，g·L-1；V为样品体积，L；dc/dt为单位时间内气体浓度线性变化率，uL·m-3·h-1；T为培养箱内温度，℃。

1.6数据处理

试验数据采用Excel 2010进行处理，计算平均值和标准差，用SPSS Statistics V22.0进行统计分析，用Duncan法检验处理平均值在0.05水平的差异性，用Origin 2021绘图。试验数据为3个重复的平均值，表示为平均值±标准差。

2结果与分析

2.1UV-B辐射对水稻秸秆化学组分的影响

UV-B辐射对水稻秸秆化学组分有显著影响，与CK相比，UV-B辐射后水稻秸秆纤维素含量显著降低8.3％，木质素含量增加9.4％，木质素/氮增加20.0％（表1）。

2.2UV-B辐射处理的水稻秸秆还田后的物质降解变化过程

UV-B辐射后的水稻秸秆降解速率总体呈现显著降低的趋势（45、135 d时除外，图1）。与CK相比，秸秆还田15 d时，纤维素、木质素、总氮降解速率均显著降低，降幅分别为38.7％、18.1％、27.4％；秸秆还田105 d时，纤维素降解速率显著降低；秸杆还田45 d时，纤维素、木质素降解速率显著增加，增幅分别为111％、86.4％。UV-B辐射后的水稻秸秆木质素／氮在秸秆还田期间均高于CK。双因素分析表明，还田时间和UV-B辐射对秸秆降解速率、秸秆纤维素和总氮降解速率以及秸秆木质素／氮存在显著影响，且二者存在交互作用；还田时间与UV-B辐射交互作用对秸秆木质素降解速率存在极显著影响。

2.3UV-B辐射处理后的水稻秸秆还田对土壤氮转化细菌数量的影响

如图2所示，UV-B辐射后的秸秆还田显著降低土壤固氮菌（15、45 d）、氮化细菌、硝化细菌（15 d除外）、反硝化细菌数量（15 d除外）。秸秆还田45 d时CK和UV-B辐射处理土壤固氮菌数量均为最高，分别为1.39x10 cfu·g-1和1.22x10 cfu·g-1。UV-B辐射使土壤氨化细菌数量显著降低。UV-B辐射对硝化细菌及反硝化细菌数量的影响变化趋势一致，均表现为15 d时显著增加，45、75、105、135 d时显著降低。双因素分析表明，UV-B辐射对土壤氨化细菌数量存在显著影响，还田时间和UV-B辐射对土壤固氮细菌、硝化细菌、反硝化细菌数量存在显著影响，且二者存在交互作用。

2.4UV-B辐射处理后的水稻秸秆还田对土壤氮转化酶活性的影响

如图3所示，UV-B辐射后的秸秆还田显著增加土壤固氮酶（75、105 d）、蛋白酶（135 d除外）和氨单加氧酶活性（15、135 d除外）。与CK相比，秸秆还田后土壤固氮酶、蛋白酶和氨单加氧酶活性增幅分别为16.5％-23.7％、16.7％-27.2％、17.8％-22.6％。土壤硝酸还原酶活性在秸秆还田15、135 d时显著降低，降幅最高达37.1％；45、75d时显著增加，增幅最高达105.6％。土壤亚硝酸还原酶活性在秸秆还田75、105 d时显著降低，135 d时显著增加。双因素分析表明，还田时间和UV-B辐射对土壤氮转化酶活性均存在显著影响，且二者存在交互作用。

2.5UV-B辐射处理后的水稻秸秆还田对土壤氮含量的影响

UV-B辐射后的秸秆还田对土壤4种氮含量的影响随还田时间的推移而变化（图4）。与CK相比，土壤NH+-N含量在秸秆还田15、105 d时显著降低23.8％、27.6％，45 d时显著增加22.2％。土壤N03-N含量在秸秆还田15 d时显著降低54％，45、75 d时显著增加175％、174％。土壤可溶性有机氮含量在秸秆还田105 d时显著降低51.3％，45 d时显著增加38.2％；土壤微生物量氮含量在秸秆还田15、45 d时显著降低37.2％、55.2％。双因素分析表明，秸秆还田时间对土壤N03-N和可溶性有机氮含量存在显著影响，还田时间和UV-B辐射对土壤NH+-N和微生物量氮含量存在显著影响，二者交互作用对4种氮含量均存在极显著影响。

2.6UV-B辐射处理后的水稻秸秆还田对N2O排放的影响

UV-B辐射后的秸秆还田对土壤N2O排放通量的影响呈现15、45 d降低，而后增加的趋势（图5）。与CK相比，秸秆还田15、45 d时土壤N2O排放通量显著降低15.5％、36.3％，而75、105、135 d时显著增加，增幅为17.9％-20.6％。双因素分析表明，还田时间、还田时间与UV-B辐射交互作用对土壤N20排放通量有极显著影响。

2.7相关性分析

相关性分析表明（表2），水稻秸秆木质素／氮与秸秆降解速率、纤维素降解速率、木质素降解速率、总氮降解速率及土壤固氮细菌数量呈极显著负相关（Plt;0.01）。水稻秸秆降解速率、纤维素降解速率、木质素降解速率、总氮降解速率与固氮酶活性呈显著负相关（Plt;0.05），与土壤中性蛋白酶活性呈极显著负相关（Plt;0.01）。土壤NH+-N含量与硝化细菌数量、固氮酶活性呈显著负相关（Plt;0.05），与中性蛋白酶活性呈极显著负相关（Plt;0.01）。土壤NO3-N含量与硝酸还原酶活性呈极显著正相关（Plt;0.01），与土壤硝化细菌数量、亚硝酸还原酶活性呈显著负相关（Plt;0.05），与土壤反硝化细菌数量呈极显著负相关（Plt;0.01）。土壤可溶性有机氮含量与固氮细菌数量呈极显著正相关（Plt;0.01）。土壤微生物量氮含量与固氮细菌数量呈极显著正相关（Plt;0.01）。土壤N20排放通量与硝酸还原酶活性呈极显著正相关（Plt;0.01）。

3讨论

3.1水稻秸秆化学组分含量及其降解对UV-B辐射增强的响应

UV-B辐射会引起植物化学成分的改变，从而影响植物残体分解速率。本研究表明UV-B辐射后水稻秸秆木质素含量显著升高，木质素是植株最直接的UV-B辐射保护机制，植物感知到UV-B辐射时会产生木质素对其进行吸收，以达到保护自身的目的。木质素同样也是凋落物中最难分解的复合物，由结构复杂、稳定、多样的无定型三维体形大分子构成。宋新章等在对青冈（Cyclobalanopsis glauca）凋落叶的分解研究中发现生长期间接受增强UV-B辐射的凋落叶分解速率更快，与本研究结果相反，本研究所选水稻为地方品种，生长环境为高海拔、高UV-B辐射背景，对UV-B辐射有一定程度的耐性，植物体内黄酮、丹宁、木质素等次生代谢与其他地区植物不同，因而导致研究结果存在差异。本研究中，水稻生长期进行增强UV-B辐射处理导致其秸秆还田后秸秆的降解速率减慢，相关性分析表明秸秆木质素／氮与秸秆纤维素、木质素、总氮降解速率呈负相关（Plt;0.01）。秸秆分解中底物含量是分解速率快慢的关键因子，水稻生长过程中增强UV-B辐射使植株体内产生更多如木质素的难降解物质，从而提高了秸秆木质素／氮，此外凋落物中纤维素、木质素的降解具有一致性，木质素／氮的升高抑制了秸秆纤维素、木质素的降解，从而导致秸秆的分解速率降低。Rozema等对沙丘草地拂子茅（Calamagrostis epigejos）的研究也发现增强UV-B辐射使叶片的木质素含量增加，分解速率下降，这也进一步证实了本研究的观点。

3.2稻田土壤氮素转化对UV-B辐射后的秸秆还田的响应机理

土壤氮素转化主要包括固氮、氨化、硝化、反硝化作用。秸秆还田通过增强土壤矿化作用释放氮素以补充微生物可利用的氮库，固氮细菌直接吸收利用土壤中氮素，无需通过固氮作用固定氮素，从而导致固氮细菌数量降低。本研究也得到秸秆还田导致固氮菌数量降低的相同结论，相关性分析表明秸秆木质素／氮与土壤固氮细菌数量呈负相关（Plt;0.01），UV-B辐射增强导致水稻秸秆木质素含量增加，木质素／氮的升高致使固氮细菌对氮源的需要无法满足，进而导致固氮细菌数量减少。固氮细菌外源氮源受限，为了维持正常生理活动而加强自身固氮作用补充了氮库，这也在一定程度上解释了本研究中土壤可溶性有机氮含量升高的原因。秸秆还田能改变土壤氮固存方式，提高土壤微生物量氮含量。本研究得出了土壤微生物量氮含量降低的相反结论，这可能是UV-B辐射后的秸秆降解缓慢，营养物质析出较少，微生物可固持的氮含量不足导致的。此外，本研究处于封闭体系，大部分氮源依赖于秸秆的降解作用，外部输入氮源较少，这也可能是微生物量氮含量降低的原因之一。UV-B辐射穿透能力弱，不能直接影响稻田土壤氮素转化，其是通过影响植物残体分解，进而促进土壤氮素矿化。土壤中性蛋白酶能够水解蛋白质、肽类成为氨基酸，使含氮大分子有机氮分解为小分子有机氮，并进一步转换为NH+-N。氨单加氧酶是氨化作用的限速酶，可将氨转化为羟胺。本研究发现UV-B辐射后的秸秆还田显著降低了土壤NH-N含量，与中性蛋白酶活性变化相反，呈极显著负相关（Plt;0.01）。原因可能是氨单加氧酶主导的氨转化速率提高，进而降低了反应底物NH-N含量。此外，氨化细菌可将有机氮转化为NH-N，这是氮素矿化过程的第一步。本研究中UV-B辐射后的秸秆还田显著降低了土壤氨化细菌数量，这也可能是土壤NH-N含量降低的原因之一。硝化作用作为氮素循环的中心环节，是微生物将NH-N转化成N03-N的过程，与氮素利用及损失密切相关。秸秆被称为农田的“第二肥料”，是土壤氮素的重要来源。有研究表明长期秸秆还田会增加0-200 cm土层NO3-N含量。这与本研究秸秆还田45、75 d时的结果一致，原因可能是UV-B辐射后的水稻秸秆降解速率减慢，硝化作用底物减少，进而导致NO3-N含量降低。本研究中秸秆还田15 d时NO3-N含量减少，相关性分析表明土壤NO3-N含量与硝化细菌数量变化呈显著负相关（Plt;0.05），秸秆还田15 d时土壤硝化细菌数量显著增加，致使硝化作用加快，从而降低了NO3-N含量。

3.3UV-B辐射增强后的水稻秸秆还田对稻田N2P排放的影响

稻田土壤反硝化作用是N2O排放的主要来源，NO3-N在反硝化细菌作用下生成N2O，加剧了农田氮素流失和全球变暖的风险。研究表明，稻田连续7a秸秆还田后，反硝化活性和相关基因丰度显著提高，反硝化速率从20.7 nmol·g-1·h-1（以N计）提高到33.3 nmol·g-1·h。有研究进一步指出秸秆还田过程中秸秆的高木质素含量是决定反硝化速率的关键因素。本研究中，UV-B辐射秸秆还田后15、45 d土壤N2O排放通量显著降低，75-135 d时显著增加。其原因可能是UV-B辐射后水稻秸秆中木质素含量显著增加，限制了土壤反硝化作用的进行。亚硝酸还原酶作为土壤反硝化作用的关键酶，UV-B辐射后的秸秆还田显著降低了亚硝酸还原酶活性也是导致秸秆还田15、45 d时N2O排放通量降低的原因之一。蒋静艳等的研究指出UV-B辐射处理过的小麦秸秆N2O排放显著高于常规秸秆，这与本研究秸秆还田75-135 d时的结果一致，相关性分析表明，土壤N2O排放通量与硝酸还原酶活性呈极显著正相关（Plt;0.01），硝酸还原酶活性的提高为反硝化作用提供了充足的底物，进而导致N2O排放通量增加。

4结论

（1）水稻生育期增强UV-B辐射提高了水稻秸秆木质素含量。

（2）UV-B辐射增强抑制秸秆降解的主要途径是提高秸秆木质素／氮。

（3）UV-B辐射后的秸秆还田抑制了土壤固氮作用，提高了土壤硝化、反硝化作用，促进土壤NH-N向NO3-N转化，导致N2O排放速率增加。