稻蟹共作模式對(duì)土壤微生物量氮和酶活性的影響

王昂 戴丹超 馬旭洲 牟群 于永清 呂為群

土壤微生物是物質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié)者，在土壤有機(jī)物的分解和養(yǎng)分循環(huán)中起重要作用。微生物作為土壤養(yǎng)分的源和庫，一方面，可以固定礦質(zhì)養(yǎng)分，降低養(yǎng)分的損失;另一方面，可以參與有機(jī)質(zhì)礦化，釋放礦質(zhì)養(yǎng)分，滿足作物的需要。土壤微生物量氮（MBN）是微生物含氮的總和，約占土壤中總氮（TN）的5%，但是它非常活躍，其含量受氣候條件、土壤環(huán)境、施肥、耕作等因素的影響。因此，監(jiān)測土壤MBN對(duì)了解土壤生態(tài)系統(tǒng)氮素動(dòng)態(tài)有著重要的意義。土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)的組分之一，是一類具有專性催化作用的生物活性物質(zhì)，來自土壤動(dòng)植物和微生物的殘?bào)w和分泌物，種類豐富，在土壤物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化和作物生產(chǎn)過程中發(fā)揮重要作用。在土壤中，不同的酶發(fā)揮不同的作用，脲酶可以促進(jìn)尿素水解，為土壤提供氮素營養(yǎng)。蛋白酶可以水解土壤中的蛋白質(zhì)、氨基酸以及含蛋白質(zhì)氮的有機(jī)化合物，其產(chǎn)物是高等植物的氮源之一。過氧化氫酶可以促進(jìn)土壤中過氧化氫的分解，以降低其對(duì)生物的毒害。脫氫酶能加速脫氫反應(yīng)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化，是表征土壤有機(jī)質(zhì)厭氧分解強(qiáng)度的重要指標(biāo)。因此，與土壤MBN類似，土壤酶活性也是反映土壤肥力的重要指標(biāo)之一，易受氣候條件、土壤條件和種植制度等因素的影響。有些研究結(jié)果表明，單施有機(jī)肥、單施無機(jī)肥或者有機(jī)肥和無機(jī)肥配施均可以提高土壤酶活性，而有些學(xué)者則認(rèn)為施肥對(duì)土壤酶活性影響較小。

稻蟹共作模式是中國北方稻作區(qū)一種重要的種養(yǎng)模式，根據(jù)河蟹的生長特點(diǎn)，可以分為稻田培育1齡蟹種（放人大眼幼體，6-10月）和稻田培育成蟹（放入1齡蟹種，6-9月）。在北方，水稻是單季栽培，與河蟹的生長較為同步，而且北方夏季氣溫較低，對(duì)河蟹生長非常有利。此外，稻蟹共作模式還有提高資源利用率，提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，增加收入等特點(diǎn)，從而被廣泛推廣和應(yīng)用。李成芳等發(fā)現(xiàn)，稻田養(yǎng)魚或養(yǎng)鴨均可以提高土壤MBN含量以及脲酶、脫氫酶和蛋白酶的活性，對(duì)過氧化氫酶影響不顯著。si等發(fā)現(xiàn)，稻田養(yǎng)殖小龍蝦會(huì)降低土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶的活性。目前，關(guān)于稻蟹共作模式下土壤酶活性的研究較少，安輝等的研究結(jié)果表明，在北方稻田培育成蟹，有機(jī)管理?xiàng)l件（單施豬糞，不施化肥，不使用農(nóng)藥）下，可以顯著增加土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性，但是在常規(guī)管理?xiàng)l件（豬糞和化肥配施，使用農(nóng)藥）下，對(duì)土壤酶活性無顯著影響。關(guān)于培育1齡蟹種稻田土壤MBN含量和酶活性的研究較少，關(guān)于不同土層MBN含量和酶活性的深入研究更少。因此，本研究擬通過探索不同土層的MBN含量和4種酶（脲酶、過氧化氫酶、蛋白酶和脫氫酶）活性的變化特征，分析其相關(guān)性，探討在施肥和不施肥條件下，培育1齡蟹種對(duì)土壤MBN含量和酶活性的影響，以期為稻蟹共作模式的規(guī)模化應(yīng)用提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)和試驗(yàn)材料

2013年的6月至10月，于遼寧省盤錦市壩墻子鎮(zhèn)姜家村開展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)地處溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)，2013年年均氣溫9.2℃，降水量613.7mm，降水主要集中在5-9月，占全年降水量的72.7%。經(jīng)檢測，該試驗(yàn)地點(diǎn)土壤總氮（TN）含量為1.61 g/kg，總磷（TP）含量為0.45 g/kg，總有機(jī)碳（TOC）含量為13.80g/kg，pH為7.28。水稻品種為鹽粳456，生育期163d，河蟹為遼河水系中華絨螯蟹。生產(chǎn)用肥為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，飼料購自禾豐牧業(yè)有限公司。

3.2不同處理土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化及其與氦素的相關(guān)性

本研究分別測定了0～10.0cm和10.1～20.0em土層的4種酶活性.發(fā)現(xiàn)0～10.0cm的土壤酶活性均高于10.1～20.0cm的土壤酶活性，與之前的許多研究結(jié)果一致。土壤酶的來源是微生物、動(dòng)植物活體或殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)，因此表層更豐富。縱觀水稻整個(gè)生長期，酶活性的峰值大多出現(xiàn)在水稻拔節(jié)期和灌漿期，這是因?yàn)榇藭r(shí)水稻生長旺盛，對(duì)稻田養(yǎng)分的需求增加，同時(shí)水稻根系分泌出大量有機(jī)酸和碳水化合物，增強(qiáng)酶活性。不過，脲酶和過氧化氫酶活性在水稻生長前期也較高，可能是由于前期水稻根系較小或者處于恢復(fù)狀態(tài)，吸氮能力弱，系統(tǒng)積累的氮素較多，尤其是施肥稻田，同時(shí)前茬秸稈也提供了碳源，促進(jìn)酶活性的提升。在成熟期，水稻根系衰老，分泌物減少，此時(shí)溫度也較低，所以酶活性降低。適量施肥會(huì)顯著提高土壤酶活性，一方面，施肥直接增加系統(tǒng)的氮素含量，另一方面，施肥可以促進(jìn)水稻生長，增加水稻生物量和根系分泌物量，提高酶活性。但如果施肥超過一定的量，會(huì)降低酶活性。孫瑞蓮等和萬水霞等發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)施用化肥可以降低土壤過氧化氫酶的活性，楊林生等報(bào)道，長期使用含氯化肥會(huì)降低過氧化氫酶活性，唐玉姝等指出，長期施用化肥對(duì)酶活性影響不大。上述研究結(jié)果的差異，可能與土壤性質(zhì)、肥料種類、施肥量等因素有關(guān)。與水稻單作稻田相比，養(yǎng)蟹稻田的脲酶（0～10.0cm土層）、蛋白酶（0～10.0cm土層）和脫氫酶（0～20.0cm土層）活性顯著提高。可能的原因如下：第一，河蟹在稻田中生活，其糞便提高了土壤中碳和氮的含量，促進(jìn)土壤微生物繁殖，提高土壤酶活性;第二，河蟹是雜食動(dòng)物，通過攝食稻田中的浮萍、絲狀藻、雜草等，加速稻田有機(jī)質(zhì)的分解，提高土壤酶活性;第三，河蟹在稻田中擾動(dòng)，促進(jìn)水稻根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，同時(shí)根系分泌物增多，因此土壤酶活性增強(qiáng)。但是，養(yǎng)蟹對(duì)10.1～20.0cm土層的脲酶和蛋白酶活性無顯著促進(jìn)作用，可能因?yàn)楹有返囊?guī)格較小，其攝食和擾動(dòng)作用僅對(duì)表層土壤影響較大。另外，養(yǎng)蟹對(duì)0～20.0cm土層過氧化氫酶活性的促進(jìn)作用較小，與不養(yǎng)蟹稻田差異不顯著，這與李成芳等的研究結(jié)果一致。然而，Si等研究水稻和克氏原螯蝦共作的土壤酶活性發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作會(huì)降低土壤脲酶活性，這可能是因?yàn)槌Ｒ?guī)稻田（對(duì)照組）采用控制灌溉，養(yǎng)蝦稻田（試驗(yàn)組）采用長期淹水的措施，控制灌溉或者干濕交替均能提高土壤酶活性因此常規(guī)稻田脲酶活性更高。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，4種酶中除了過氧化氫酶與脫氫酶的活性不顯著相關(guān)外，其他酶活性均兩兩顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)橥寥烂钢g存在某些共同底物，當(dāng)任意一種酶與底物結(jié)合，會(huì)釋放某些信息物質(zhì)，刺激其他酶的活性。4種酶活性與土壤MBN含量均顯著正相關(guān)，說明土壤酶活性與微生物之間存在刺激作用，土壤酶活性水平可以反映土壤肥力，同樣土壤微生物量大小也可以反映出土壤酶活性的高低，與張電學(xué)等。的研究結(jié)果一致。脲酶和過氧化氫酶活性與土壤NH+4N和NO-3N含量顯著正相關(guān)，這與黃容等研究結(jié)果類似。脫氫酶活性與土壤NO-3N含量顯著負(fù)相關(guān)，與羅世瓊等研究結(jié)果類似。但是，影響酶活性的因素很多，關(guān)于酶活性與土壤氮素相關(guān)關(guān)系的結(jié)果差異也較大，所以有待更細(xì)致、深入的研究。