龍脊稻作梯田休閑期的土壤水分、養分與酶活性特征

靳振江, 顏秋梅, 吳 淼, 王家麗, 章 俊, 顧中瑋, 王曉彤

(桂林理工大學 a.環境科學與工程學院; b.巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心;c.廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室, 廣西 桂林 541006)

水稻, 即亞洲栽培稻(Oryzasativa)是我國主要糧食作物之一, 2018年, 僅廣西的水稻種植面積已高達175.26萬hm2[1]。在我國亞熱帶的農田土壤中, 水稻土具有有機碳持續積累的趨勢, 固碳潛力較大[2-3], 因此, 南方稻作農業固碳研究在緩解我國應對全球氣候變化壓力和制定相應減排措施[4]等方面具有重要的參考意義。

有機碳是土壤中重要的生命支持物質, 是土壤質量中最重要和最關鍵因素[5], 土壤有機碳的儲量與氮和磷等養分的儲量有較好的關聯性[6], 養分之間的平衡性在很大程度上決定著土壤有機碳的儲量和稻田的生產力[7]。土壤酶活性是土壤生物地球化學循環中重要的指示類型之一, 養分之間的相互平衡能夠提高土壤酶活性, 加速土壤碳的周轉[8], 進而提高微生物對土壤碳的利用效率。與水稻生長季相比, 休閑期的稻田大多處于排水狀態, 土壤沒有養分投入和植物光合碳輸入, 這種相對較低的管理強度可能改變土壤的生物地球化學循環過程, 影響稻田土壤對有機碳的固持和對氣候變化減緩作用。

稻作梯田系統是我國南方丘陵山區典型的稻作景觀類型。2017年11月, 包括龍脊稻作梯田在內的4個南方山地稻作梯田系統被評為全球重要農業文化遺產[9], 表明這些農業系統正逐漸從單純的糧食生產功能向商業旅游、科研、教育價值等多重價值體現方面轉化, 這在一定程度上更加降低了休閑期稻田的管理強度和勞動力投入。目前, 對福建尤溪的聯合梯田休閑期土壤養分空間結構[10]、龍脊稻作梯田的土壤細菌群落[11]已有報道, 但是, 稻作梯田休閑期的土壤酶活性情況總體上如何?土壤水分、酶活性和土壤有機碳三者之間的相互關系如何?這些研究還少有報道。因此, 本文以位于廣西北部丘陵區典型稻作模式的龍脊稻作梯田為研究對象, 分析其休閑期的土壤水分、養分與酶活性特征, 明晰影響土壤酶活性和土壤有機碳固持的生態因子, 以期為加強稻作梯田休閑期的管理，提高稻田土壤的有機碳水平，進而為減緩氣候變化提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

龍勝梯田位于越城嶺西側江南古陸的邊緣, 出露地層為前震旦系的泥質砂巖、砂質片巖和頁巖, 土壤主要為黃壤[12]。由于多次地質構造運動, 形成了高山-階地-河谷地貌。龍脊稻作梯田(E109°32′—110°14′, N25°35′—26°17′)是龍勝梯田的典型代表, 距離桂林市77 km, 總面積70.16 km2。據考證, 龍脊稻作梯田已經有約630年的耕作歷史[13], 坡度大多為26°～35°[14]。本文具體研究龍脊梯田中的平安壯寨梯田, 景區稻田的海拔位于850～1 100 m，水稻均為單季稻, 其品種因海拔不同而有差異; 為農戶分散種植和管理, 以施用無機復合肥為主；5月初插秧, 10月下旬稻谷成熟, 水稻收割后秸稈不還田。在長達6個月的休閑期中, 梯田大多不蓄水, 受到的主要干擾為游客踩踏, 但程度較輕。

1.2 樣品采集

2016年3月底, 在龍脊稻作梯田景區內沿著同一山脊的相同朝向共采集19個樣品，采樣點位置見圖1, 相鄰樣地間隔6～10塊田, 高度落差接近10 m。樣地均處于休閑狀態, 稻茬殘留程度不一, 個別樣地有少量家畜糞便或淹水泡田。采集耕層(0～20 cm)土壤樣品, 在同一塊樣地內不同位置等量采3個樣本, 充分混勻為1個樣本, 帶回實驗室。所有土壤樣品分為2份, 一份樣品測定土壤水分以后直接用于土壤酶活性分析; 另一份樣品自然風干, 研磨后過0.85、0.25和0.15 mm篩, 以測定土壤養分和pH。

圖1 龍脊稻作梯田采樣點示意圖[11]

1.3 土壤養分和性質測定

樣地的海拔(ASL)用GPS測定。土壤水分(SWC)、養分和pH測定方法參考《土壤農業化學分析方法》[15]進行, 其中, 土壤水分采用烘干稱重法測定, 土壤有機碳(SOC)含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定, 總氮(TN)含量采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測定, 總磷(TP)含量采用濃硫酸-高氯酸消煮鉬銻抗比色法測定, 堿解氮(AN)含量采用堿解擴散法測定, 速效磷(AP)含量采用Olsen-P法測定, pH采用電位計法測定(水土比為2.5∶1)。

1.4 土壤酶活性測定

選取蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性代表總體土壤微生物酶活性, 因為這3種酶分別與土壤碳、氮和磷的代謝密切相關。其測定方法參考《土壤酶及其研究法》[16]進行, 分別為3,5-二硝基水楊酸比色法、苯酚-次氯酸鈉比色法和磷酸苯二鈉比色法。蔗糖酶活性表征為37 ℃反應24 h后每克土中葡萄糖的毫克數(mg/(g·24 h)), 脲酶活性表征為37 ℃反應24 h后每克土中銨態氮的毫克數(mg/(g·24 h)), 酸性磷酸酶活性表征為37 ℃反應2 h后每克土中苯酚的毫克數(mg/(g·2 h))。

1.5 數據處理與分析

2 結果與分析

2.1 梯田土壤pH、養分、海拔和水分及其相關性分析

從圖2可看出, 龍脊稻作梯田土壤有機碳SOC、總氮TN、堿解氮AN、總磷TP和速效磷AP的值分別為15.55～28.32 g/kg、1.06～3.35 g/kg、66.12～131.03 mg/kg、0.08～0.58 g/kg和28.91～106.84 mg/kg, 算術平均值分別為19.41 g/kg、2.00 g/kg、99.11 mg/kg、0.32 g/kg和68.61 mg/kg。海拔高度ASL、土壤水分SWC和pH分別為851～1 063 m、24.76%～66.35%和4.49～5.23, 算術平均值分別為967.74 m、40.57%和4.78。其中, 總氮、堿解氮、速效磷、海拔、土壤水分、pH和歸一化養分呈典型的正態分布。相關性數據顯示, 土壤有機碳與土壤水分之間呈顯著的正相關(r=0.55), 堿解氮與速效磷、總氮均呈顯著的正相關關系(r=0.47和0.67), 歸一化的養分與總有機碳、總氮和堿解氮之間均呈顯著的正相關關系(r=0.71、0.92和0.56), 總磷與總氮和堿解氮之間均呈顯著負相關關系(r=-0.65和-0.66)。

圖2 龍脊稻作梯田土壤pH、養分、海拔和水分特征及其相關性

土壤養分的等級和變異程度分析結果見表1。土壤有機碳、總氮、堿解氮、總磷和速效磷的等級分別為二級(較豐富)、二級(較豐富)、三級(中等)、五級(缺乏)和一級(豐富), 總磷相對缺乏，其變異系數介于0.18～0.55, 均屬于中等變異。

表1 龍脊稻作梯田土壤養分的級別和變異程度

2.2 梯田土壤酶活性與土壤理化特性之間的相關性

從圖3可看出, 龍脊稻作梯田土壤蔗糖酶、脲酶活性、酸性磷酸酶活性和歸一化的酶活性分別為3.08～8.50 mg/(g·24 h)、4.00～27.06 mg/(g·24 h)、2.53～5.65 mg/(g·2 h)和0.03～0.10, 算術平均值分別為4.03 mg/(g·24 h)、9.75 mg/(g·24 h)、5.01 mg/(g·2 h)和0.05。

圖3 龍脊稻作梯田的土壤酶活性

從表2可以看出, 蔗糖酶活性與土壤水分含量、總氮含量和速效磷含量之間呈顯著的正相關關系(r=0.518、0.622和0.537), 脲酶活性與土壤水分含量和總有機碳含量之間均呈顯著的正相關關系(r=0.728和0.597), 酸性磷酸酶活性與土壤水分、總有機碳含量和速效磷含量之間均呈顯著的正相關關系(r=0.585、0.468和0.585), 歸一化的酶活性與總有機碳含量和總氮含量歸一化的養分之間均呈顯著的正相關關系(r=0.598、0.785和0.767), 表明對土壤酶活性影響較大的環境因子分別是土壤水分、總有機碳、速效磷和總氮。

表2 龍脊稻作梯田土壤酶活性與pH、水分、海拔、養分之間的相關性

3 討 論

3.1 梯田休閑期土壤水分管理對養分平衡和土壤有機碳固持的影響

土壤有機碳與土壤水分之間呈顯著的正相關關系。這是由于采樣時稻田處于休閑期, 除個別田塊已經淹水泡田外, 大多數田塊水分都不飽和，較低水分的土壤環境中氧氣增多[19], 促進了好氧菌的繁殖, 提高了微生物的胞外酶活性, 加快了有機質的降解和利用[20]。因此, 從這個意義上來說, 在稻田休閑期, 保持較長時間的淹水狀態有利于龍脊稻作梯田土壤有機碳的固持。土壤有機碳與其余養分之間均沒有顯著的相關性, 這個結論與福建的尤溪聯合梯田的土壤有機碳與速效磷之間呈顯著的正相關性[7]和云南紅河哈尼梯田的土壤有機碳與總氮之間呈顯著的正相關性[21]的結論不一致, 也與同緯度的桂林地區稻田土壤有機碳和總氮之間顯著的正相關性[22]的結論不一致, 表明在休閑期龍脊稻作梯田系統各樣地的土壤養分之間具有極大的不平衡性, 不利于土壤有機碳的固持。

造成龍脊稻作梯田土壤養分之間不相關的原因可能有以下幾點:(1)在農民的分散經營狀況下, 各個田塊排水時間、留茬高度和耕牛的糞便等殘留物差異較大, 這是造成梯田休閑期土壤養分變異較大的重要因素, 直接影響了土壤有機碳的固持和積累;(2)在休閑期, 個別梯田坍塌后, 水分排走, 部分養分會隨著水分一起流失，重新修筑以后, 部分深層土壤翻到稻田的耕層, 表層整體的土壤有機碳和養分的含量降低[23];(3)調查走訪發現, 農戶較少施用有機肥且秸稈不還田, 無機氮磷不能轉化為有機氮磷, 極易流失[7], 這也是造成土壤養分之間不平衡的重要原因。以上這些大多與稻田的水分管理和有機質投入有關, 因此, 加強水分管理、增施有機肥和秸稈還田等措施能顯著改變龍脊稻作梯田土壤有機碳與其余養分之間的平衡性, 進而提高土壤有機碳的水平。

3.2 土壤水分和養分對土壤酶活性的影響

土壤水分含量與3個酶的活性均呈顯著正相關關系, 這是因為：(1)水稻收割后, 在分散的管理條件下, 土壤水分出現不同程度的降低, 溶解氧增多, 土壤微生物群落向有利于好氧菌占據更大優勢的方向演替, 微生物消耗了較多的有機質[20], 可利用的底物逐漸減少, 土壤酶活性降低[24-25];(2)在土壤水分喪失的情況下, 水分成為微生物生長的限制因子[26], 微生物正常代謝的需水量不足, 胞外酶的分泌量減少, 活性降低, 且土壤水分減少, 降低了微生物胞外酶和底物的運輸效率, 以及酶與底物的接觸機率, 土壤的活性降低[9]；(3)土壤水分與3種酶的活性均呈顯著正相關關系的結果表明, 保持較高的土壤水分有利于提高龍脊稻作梯田休閑期整體的土壤酶活性。

速效磷是評價農田土壤供磷水平的重要指標, 所有的微生物都需要磷酸鹽來合成自身的能量物質。在本研究中, 速效磷與蔗糖酶活性和酸性磷酸酶之間具有顯著的相關性, 表明速效磷促進了土壤蔗糖酶活性的提高。速效磷與全磷之間并沒有相關性, 但總磷水平較低, 往往會刺激微生物分泌磷酸酶來水解環境中的有機磷, 釋放磷酸根供植物或微生物自身利用[27]。一方面, 土壤有機碳為土壤微生物提供生長所需要的碳源[9]; 另一方面, 其中很多小分子有機物也是微生物新陳代謝過程的重要調節劑, 脲酶活性和酸性磷酸酶活性得以提高。

土壤總氮和堿解氮是土壤氮供應潛力的重要指標, 有時甚至是導致土壤有機質的生物積累和水解作用的關鍵因素。蔗糖酶活性與總有機碳含量沒有相關性; 同樣, 脲酶活性與總氮和堿解氮含量均沒有相關性。一方面, 底物的可利用性在很大程度上決定著土壤酶活性[25], 原因可能是分散管理造成龍脊梯田土壤蔗糖酶蛋白的量與可利用的底物量之間沒有相關性。相似的是, 對云南的紅河哈尼梯田整個生育期內水稻土壤酶活性的研究表明, 土壤蔗糖酶、纖維素酶和β-葡萄糖苷酶活性與土壤溶解性有機碳、微生物生物量碳和易氧化態碳之間也均沒有相關性[28]。另一方面, 在自然選擇過程中, 微生物往往以最小胞外酶分泌量來獲取最大的碳氮資源量, 一旦環境中可利用的底物超過微生物和植物的需求, 微生物就會減少酶的分泌。因此, 酶活性和底物的可利用性并不成正比[29], 也有脲酶活性與銨態氮的濃度呈顯著負相關的報道[30]。在本研究中, 酶和底物不相關性的原因可能是, 稻田正處在休閑期, 沒有植物根系的吸收, 微生物對酶解后產生的底物的需求大大降低。因此, 在休閑期, 龍脊稻作梯田的不同土壤酶和底物的關系具有更大的復雜性。將土壤養分和土壤酶分別進行歸一化處理后發現, 歸一化的土壤養分和歸一化的酶活性之間呈顯著的正相關關系, 表明養分之間的平衡性有利于土壤酶活性的總體提高。因此, 土壤水分、酶活性和有機碳三者之間的相互促進作用表明, 在龍脊稻作梯田休閑期, 保持較高的土壤水分能夠促進土壤酶活性的提高和土壤有機碳的增加。需要指出的是, 本研究中得到的數據只涉及平安壯寨梯田景區內休閑期的一次性采集的樣品。后續的工作將從多個時間和空間尺度對休閑期土壤養分和酶活性的變化進行研究, 為提高龍脊稻作梯田的土壤有機碳的固持水平提供更加可靠的依據。

4 結 論

(1)龍脊稻作梯田休閑期土壤水分和有機碳的平均值分別為40.58%和19.41 g/kg, 二者呈顯著的正相關關系, 表明提高土壤水分有利于龍脊稻作梯田休閑期土壤有機碳的固持。

(2)龍脊稻作梯田休閑期土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和歸一化的酶活性的算術平均數分別為4.03 mg/(g·24 h)、9.75 mg/(g·24 h)、5.01 mg/(g·2 h)和0.05, 土壤水分與前三者均呈顯著的正相關關系, 土壤總有機碳與后三者均呈顯著的正相關關系, 表明提高龍脊稻作梯田休閑期的土壤水分可以提高土壤酶活性。