不同水分處理對華中地區稻田土壤酶活性的影響

鄢紫薇，高璟赟，張秀玲，杜麗君，徐晗，王璽，胡嵐，林杉，胡榮桂*

（1.華中農業大學資源與環境學院，農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；2.天津市生態環境監測中心，天津 300191；3.河北旅游職業學院，河北 承德 067000）

農田生態系統是陸地生態系統中最活躍的碳庫，土壤中的有機碳受到土壤類型、生物活動和管理方式等因素的影響更易參與到碳循環過程中，從而使土壤中的有機碳在特定微生物的分解作用下產生大量的CO，進而對全球溫室效應產生顯著影響。水稻是世界上重要的糧食作物之一，我國水稻種植面積和產量均居世界前列，2019年我國稻田面積高達2 970萬hm，因此，稻田碳庫對陸地碳循環具有重要意義。

土壤酶活性和有機碳轉化受到多種環境因素的影響，目前關于稻田土壤酶活性的研究多集中在種植模式、水肥管理、溫度和改良劑添加等方面，而土壤氧化酶對不同稻田土壤有機碳及其相關性影響的研究相對較少。土壤酶主要由土壤微生物和動植物分泌以及通過分解動植物殘體形成，其活性是評估土壤生態功能的重要指標，可以反映土壤中物質轉化、積累、分解等生物化學過程的動向和強度。土壤有機碳可以作為酶的載體，在一定程度上刺激土壤微生物的活性以及酶的合成。相應地，酶可以促進土壤中秸稈等物質的分解，從而增加土壤中的礦質養分和有機碳成分。氧化酶可以在一定程度上促進土壤中有機物質的分解，從而釋放出營養物質，對土壤中總有機碳的損耗和儲存具有重要影響。其中酚氧化酶可以通過解聚或聚合土壤中的木質素分子以及酚類化合物，從而影響土壤有機碳的合成和分解。孔愛輝等對櫟林和油松林土壤酶活性的研究結果表明，土壤可溶性有機碳（DOC）含量與酚氧化酶活性呈顯著正相關。土壤含水率會在一定程度上影響酶的活性，含水率降低可以抑制植物生長，降低土壤中植物來源養分的輸入，進而抑制微生物分泌胞外酶。土壤中的過氧化氫酶能促進土壤中過氧化氫的分解，是土壤合成腐殖質和緩解過氧化氫對土壤酶毒害作用的重要氧化還原酶系，可在一定程度上反映土壤中腐殖質的再合成強度和有機質的積累程度。對于廬山不同林分類型的土壤，過氧化物酶與DOC均呈現一定的負相關性，但不顯著；而官會林等基于不同復種模式對煙地土壤酶活性的研究發現，提高酶活性可以促進土壤微生物生物量碳（MBC）與有機碳的積累。

綜上所述，酚氧化酶和過氧化物酶對土壤有機質合成和分解具有重要意義，其活性直接影響著土壤有機碳的積累，進而對陸地生態系統的碳循環產生一定影響。因此，本研究以湖北省咸寧市賀勝橋鎮和湖南省長沙市黃花鎮稻田土壤為對象，研究不同水分處理下酶活性對土壤碳循環相關的土壤DOC的影響，旨在探究不同水分管理措施對稻田土壤碳循環過程的影響，為稻田不同管理措施對土壤肥力維持的評估提供指導依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

用于試驗的稻田土壤采自湖南省長沙市黃花鎮（113°22′E，28°23′N）和湖北省咸寧市賀勝橋鎮（114°38′E，30°03′N），兩地均處于我國華中地區，屬亞熱帶季風性氣候，四季分明，雨量多集中于夏秋兩季。其中長沙年平均氣溫16.8~17.2℃，年平均降水量1 422.4 mm，全年無霜期約275 d；咸寧年平均氣溫約16.8℃，年平均降水量約1 500 mm，全年無霜期約256 d。長沙土壤屬紅壤母質發育的紅壤亞類，咸寧土壤屬紅壤母質發育的棕紅壤亞類。供試土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic properties of the sampled paddy soils

1.2 試驗設計

于早稻播種前采集試驗點水稻田表層0~20 cm土壤，各土樣均按S形5點取樣法采集，隨后用“四分法”混合均勻，并除去可見的動植物殘體。部分土樣過2 mm篩，于4℃冰箱中保存用于測定土壤氧化酶活性及土壤DOC、銨態氮、硝態氮、酚類物質的含量；其余土樣自然風干，部分過2 mm篩后用于室內培養試驗，另取部分風干土樣過0.149 mm篩用于土壤總有機碳的測定。

取10 g土樣于50 mL塑料離心管中測定土壤DOC含量，先加入少量蒸餾水使土壤持水量達到田間持水量的40%，用扎有些許小孔的封口膜封住離心管，放入30℃的恒溫生化培養箱中，保水通氣預培養10 d以消除干濕效應。預培養結束后，再向4個離心管中按稱重法用膠頭滴管進行水分補充，調整最終土壤水分含量分別為土壤田間持水量（WHC）的40%、70%、100%和200%，每個處理3個重復。繼續放入培養箱中培養，并以水分調節充分后培養2 h的樣品測定值作為培養初始值。在試驗的第0、1、3、5、8、15、22、29、36、42 d采集土壤樣品并進行分析，培養過程中，每隔2~3 d采用稱重法用膠頭滴管進行水分補充，保持土壤含水率。

土壤田間持水量的測定：將過2 mm篩的土樣置于用棉球塞住的漏斗中，加去離子水浸泡2 h，加蓋，除去棉塞，讓水分自由下滲，放置過夜后，測定的土壤質量含水量即為田間持水量。土壤有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤全氮采用半微量開氏法測定；土壤pH采用酸度計電位法測定（水土比為2.5∶1）；土壤銨態氮采用2 mol·LKCl浸提，靛酚藍可見分光光度法測定；土壤硝態氮采用2 mol·LKCl浸提，氨基磺酸紫外分光光度法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤DOC含量采用德國El?ementer Vario TOC儀液體模塊測定；土壤酚類物質（Phenolics）采用2%NaCO溶液2.5 mL和1 mol·LFolin-Ciocalteau試劑（Sigma）0.5 mL處理后分光光度計測定；酚氧化酶和過氧化物酶活性均采用L-DOPA法進行測定。

1.3 數據統計分析

采用Excel 2010對數據進行預處理，使用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析（ANOVA）、多重比較和數據相關性分析，并用Origin 9.0軟件進行圖形繪制。文中處理間差異顯著指<0.05，極顯著指<0.01。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率對土壤氧化酶活性的影響

2.1.1 對土壤酚氧化酶活性的影響

培養期間，兩種土壤均是較高含水率的土壤酚氧化酶活性較高，較低含水率的酚氧化酶活性較低（圖1）。較高水分條件下（100%WHC和200%WHC），有機質含量較高的咸寧水稻土酚氧化酶活性在培養的第3~15 d較高，在第5 d時200%WHC處理下達到峰值，為260.76 nmol·g·h，在培養第22 d后逐漸下降；有機質含量較低的長沙水稻土酚氧化酶活性在培養的第3~36 d較高，但其峰值較咸寧水稻土低，在第15 d時200%WHC處理下達到峰值，僅為107.10 nmol·g·h，在培養的第42 d時4種水分處理下酚氧化酶活性均趨于穩定。低水分條件下（40%WHC和70%WHC），兩種土壤的酚氧化酶活性均較穩定，活性范圍為20~50 nmol·g·h。4種水分含量處理下，土壤有機質含量高的水稻土酚氧化酶活性均高于有機質低的水稻土。

圖1 不同土壤含水率對土壤酚氧化酶活性的影響Figure 1 Effects of different soil moisture on soil phenol oxidase activity

2.1.2 對土壤過氧化物酶活性的影響

如圖2所示，培養期間兩種土壤的過氧化物酶活性對不同水分處理的響應與酚氧化酶相似，均隨含水率的增加而增加，但整體上過氧化物酶活性比酚氧化酶活性高，對水分的敏感性更強。較低水分（40%WHC和70%WHC）處理下，兩種土壤中的過氧化物酶活性均處于較低水平，且隨培養時間延長其含量始終較穩定，活性范圍為10~60 nmol·g·h。在較高水分（100%WHC和200%WHC）處理下，兩種土壤的過氧化物酶活性隨培養時間延長均呈現出先增加后降低的趨勢。200%WHC處理在整個培養過程中的過氧化物酶活性均大于其余3種水分處理，咸寧水稻土的過氧化物酶活性在第1~36 d均較高，在第5 d達到峰值，為929.66 nmol·g·h，長沙水稻土的過氧化物酶活性在第3~29 d較高，在第15 d達到峰值，為544.46 nmol·g·h。4種水分含量處理下，土壤有機質含量較高的咸寧水稻土的過氧化物酶活性平均值均高于有機質含量低的長沙水稻土。

圖2 不同土壤含水率對土壤過氧化物酶活性的影響Figure 2 Effects of different soil moisture on soil peroxidase activity

2.2 土壤含水率對土壤酚類物質含量的影響

如圖3所示，整個培養期間各水分處理下兩種水稻土的土壤酚類物質含量整體均處于上下波動狀態。對于不同水分處理，土壤中的酚類物質含量整體表現為40%WHC最高，而200%WHC最低。兩種水稻土的土壤酚含量在第0~22 d變化波動較大，其中在第5 d時，兩種土壤中40%WHC處理下的土壤酚類物質含量均達到峰值，在咸寧水稻土中峰值達到525.35 mg·kg，在長沙水稻土中達到270.00 mg·kg，而在第22~42 d各水分處理下土壤酚類物質均處于動態平衡狀態，其中咸寧水稻土中土壤酚類物質穩定在317.77~410.79 mg·kg，長沙水稻土含量則較低，穩定在178.28~267.25 mg·kg。4種水分含量處理下，土壤有機質含量較高的咸寧水稻土的土壤酚類物質含量平均值均高于有機質含量較低的長沙水稻土。

圖3 不同土壤含水率對土壤酚類物質含量的影響Figure 3 Effects of different soil moisture on soil phenolic substances

2.3 土壤含水率對土壤DOC含量的影響

土壤DOC含量隨水分的變化如圖4所示，兩種水稻土整體上均呈現先下降再上升再下降的趨勢。咸寧水稻土中DOC含量在不同水分處理下表現為200%WHC處理下最高，70%WHC處理下最低，而在長沙水稻土中則為100%WHC處理下DOC含量最高，70%WHC處理下含量最低，說明土壤DOC含量也在較高含水率條件下較高，在含水率較低條件下較低。培養期間，兩種水稻土的DOC含量在第0~15 d呈較穩定波動，從第22~29 d開始逐漸上升，咸寧水稻土在第29 d達到峰值，在200%WHC處理下為265.85 mg·kg，長沙水稻土在第22 d出現峰值，100%WHC處理下達到287.45 mg·kg，分別較DOC含量最低的70%WHC處理下增加了0.63倍和1.26倍。4種水分處理下，采自咸寧的水稻土與采自長沙的水稻土的DOC含量平均值沒有顯著差異。

圖4 不同土壤含水率對土壤DOC含量的影響Figure 4 Effects of different soil moisture on soil DOCcontent

2.4 酶活性與土壤DOC含量的相關性

從表2中可以看出，華中地區稻田土壤酚氧化酶與過氧化物酶活性呈極顯著正相關（<0.01），且兩種氧化酶活性均與酚類物質含量、土壤含水率、DOC含量呈極顯著正相關，土壤酚類物質含量與DOC含量無顯著相關性。

表2 土壤酶活性與DOC含量的相關性Table 2 Correlation between soil enzyme activity and DOCcontent

3 討論

氧化還原酶與土壤有機質的轉化、腐殖質及其各組分的形成都密切相關，其活性受土壤水分狀況、質地和腐殖質含量等諸多因子的影響。本研究表明，有機質含量較高的咸寧市水稻土的氧化酶活性顯著高于長沙市水稻土，這可能是因為較高的有機質提供了土壤物質循環的基質，促進了微生物活性，殷陶剛等也發現有機質含量與土壤酶活性密切相關。本研究中含水率與酚氧化酶活性、過氧化物酶活性均呈極顯著正相關，土壤含水率的改變會影響土壤溫度、土壤孔隙度、pH、土壤養分等，從而影響土壤中微生物生物量，進而影響酶的活性。在較高含水率下酚氧化酶和過氧化物酶活性均顯著提高，而較低含水率下酶活性顯著降低，這與葉德練等對稻田土壤進行節水灌溉處理后發現土壤酚氧化酶活性顯著降低的結果一致。但也有研究表明土壤含水率增加會降低土壤中多酚氧化酶和過氧化物酶活性，這可能是不同類型和地域的土壤理化性狀差異較大而造成的。酚氧化酶和過氧化物酶一方面會參與木質素的分解，加快被木質素包裹的纖維素的釋放，從而為酶提供充足底物，進一步促進活性有機碳的形成；另一方面酚氧化酶和過氧化物酶會加快芳香族化合物的氧化，將土壤中的簡單芳香族化合物氧化成醌類，與土壤中的蛋白質、糖類反應生成復雜有機物，有利于土壤中活性有機質的保留，為微生物提供碳源和養分，從而促進土壤中活性有機碳的積累。本研究中酚氧化酶活性和過氧化物酶活性呈極顯著正相關，兩者變化趨勢基本一致，均隨培養時間延長而先降低后增高再降低，這是由于隨著培養的進行，土壤生物、理化性質等發生變化，土壤還原性增強，從而使得土壤酶活性受到相應的影響而呈現先增后降的趨勢。

過氧化物酶活性較酚氧化酶活性對土壤含水率變化的響應更顯著。王杰等對草原土壤酶活性的研究發現過氧化物酶活性在不同水分條件下無明顯差異，但水分處理顯著影響了酚氧化酶活性，表明酚氧化酶相比過氧化物酶對水分的敏感性更強，這與本研究結果不同，可能是由于不同水分處理以及不同土壤類型改變了土壤的通氣狀況，使好氧微生物作用發生變化，導致在通氣狀態下土壤不同酶分解有機質的速率不同，故土壤優勢酶活性發生改變。本研究中的土壤酚類物質含量隨土壤含水率變化差異不明顯，總體呈波動狀態，因為酚類物質的產生是由過氧化物酶和酚氧化酶在一系列氧化還原反應后共同作用的結果，故酚類物質的聚合和解聚作用處于動態平衡。土壤有機碳可以作為酶的載體，較高有機碳可以促進土壤中微生物的活動和酶的合成，復雜有機物通過聚解形成的DOC具有生物有效性，可以改變土壤中微生物的活性以及數量進而影響酶的活性。萬忠梅等在研究濕地土壤酶活性以及DOC變化趨勢時發現淹水條件下土壤DOC含量高于相對干燥的土壤，這與本研究中DOC含量在培養后期隨含水率升高而增加的結論一致，同時DOC含量在不同土壤含水率下與氧化酶活性的變化趨勢一致，說明酶活性越高，土壤中的碳礦化分解量越多，這是由于淹水提高了土壤有機碳的溶出，導致團聚體的分散，從而增加了表層DOC含量。

酶活性還受到微生物種類、土壤類型、施肥方式等多方面因素的影響，本研究只分析了在不同土壤含水率下酶活性、DOC含量的變化趨勢以及相關性，對其他方面的影響還有所局限，未來應進一步分析不同環境因子對土壤酶活性的影響以及其對不同有機碳的響應機理，以期為不同水分條件下氧化酶活性對DOC含量的影響提供理論依據，為更加深入了解稻田碳循環過程提供思路。

4 結論

（1）有機質含量高的土壤酚氧化酶活性、過氧化物酶活性、酚類物質含量均顯著高于有機質低的土壤。

（2）較高土壤含水率（100%WHC、200%WHC）可顯著提高土壤的酚氧化酶活性和過氧化物酶活性，且在較高土壤含水率條件下土壤酚類物質含量和可溶性有機碳含量均較高。

（3）酚氧化酶活性、過氧化物酶活性、可溶性有機碳含量均與土壤含水率呈極顯著正相關，且兩種氧化酶含量與可溶性有機碳含量間呈極顯著相關，表明氧化酶含量和土壤含水率均對土壤碳循環有一定影響。