碳氮投入对4种不同土地利用方式土壤磷含量及胞外酶活性的影响.pdf

华北农学报 收稿日期 基金项目 省部级中国博士后科学基金面上项目 作者简介 赵媛媛 女 山东德州人 硕士 主要从事土壤养分循环利用研究 通信作者 陈 硕 女 内蒙古赤峰人 助理研究员 博士 主要从事土壤养分循环利用研究 碳氮投入对 种不同土地利用方式 土壤磷含量及胞外酶活性的影响 赵媛媛 靳嘉雯 陈 硕 张 帅 金予溦 江佳艺 郝祥蕊 张德龙 陈 清 中国农业大学资源与环境学院 农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室 北京 上海农乐生物制品股份有限公司 上海 摘要 不同土地利用方式的土壤磷素循环特征存在差异性 土壤有机磷在酶解作用下的生物转化是磷素循环过 程的重要环节 外源碳氮的投入可能改变土壤磷素的生物转化 对于提高土壤磷素生物活性具有关键作用 为研究 外源 对不同土地利用方式土壤有机磷和胞外酶活性的影响 采用设施菜田 粮田 草地 森林 种不同土地利用 方式的土壤 分别设置对照 葡萄糖 土壤 硝酸钾 土壤 葡萄糖和硝酸钾 葡萄糖土壤和 硝酸钾土壤 个处理 进行室内培养试验 研究外源碳氮添加对土壤有机磷和速效 磷含量及磷酸酶活性的影响 结果表明 与 处理相比 添加碳源显著提高了菜田和森林土壤有机磷含量 分别提高 了 添加氮源 菜田土壤速效磷增加了 森林土壤速效磷降低了 与对照 相比 添加碳源 草地和森林土壤中碱性磷酸酶活性分别降低 但其对菜田和粮田土壤中的碱性磷酸酶活性无显著影响 同时添加外源碳氮相较于 处理增加了 种土壤的 葡萄糖苷酶活性 且在菜田和草地土壤中差异显著 在添加碳源 的基础上 氮源添加降低草地和森林土壤 累积排放量分别达 但对菜田和粮田土壤的 累积排放 量无显著影响 综上所述 在菜田 粮田土壤中 外源碳氮投入后土壤胞外酶活性提升 将有机磷更多地矿化为无机 磷 土壤有机碳的含量为影响有机磷在土壤中矿化的主要因素 在草地 森林土壤中 外源碳氮的投入降低了碱性磷 酸酶的活性 减缓了有机磷的矿化过程 因此 磷酸酶的活性为影响该土壤有机磷矿化的主要因素 关键词 土壤磷 磷酸酶 土壤培养 葡萄糖苷酶 土壤有机碳 碳氮投入 中图分类号 文献标识码 文章编号 华 北 农 学 报 卷 磷素是植物生长发育必需的大量营养元素之 一 在农业种植体系中 由于化肥的不断施用 全球 范围内土壤磷素累积水平均显著提升 磷肥的 不断施用在获得作物高产的同时 也造成土壤磷素 大量累积而形成残留态磷 以及增加磷素向深层土 壤或周围水体迁移的环境风险 对于自然生态 系统而言 存在普遍的磷素限制现象 这会导致 不同土地利用的土壤磷素循环存在差异性 在农田土壤中 由于大量养分的投入导致土壤磷 素水平较高 高磷残留土壤的无机磷的比例相对较 高 而有机磷比例相对较低 为 高 量有机肥的施用导致土壤的 或 比很低 周年种植造成土壤有机碳氮磷的矿化量很高 全球尺 度下土壤和微生物生物量的 比值平均分别为 和 或者为 和 我国所有类型土壤的 比值平均为 而受高养分投入的影响 山东地区的部分设施菜田土 壤的平均 比例只有 因此 土壤 也是影响土壤磷素转化及其对外源养分投入的响应存 在差异的重要因素 在高投入体系中 土壤有机碳成为微生物活性的 主要限制因子 而外源有机碳的投入可以在一定程度 上增加磷素生物有效性 有机物料的施用为微生 物提供了碳源和矿物质 提高了微生物和磷酸酶的活 性 促进有机磷的转化 土壤中外源碳的投入将影响 有机磷矿化 有机碳的降解以及微生物活性 有研究 发现 有机碳的降解与有机磷化合物关系紧密 等 通过短期试验证实 有机磷矿化可能是微 生物对碳源获取的副作用 微生物对碳源的需求能驱 动微生物矿化葡萄糖 磷酸中的磷 在外加碳源的 土壤培养试验中研究发现 加入蔗糖和玉米秸秆增加 了胞外酶的分泌 包括 葡萄糖苷酶 纤维二糖水解 酶 几丁质酶 亮氨酸氨肽酶和木聚糖酶 而在其他研 究中 还包括蛋白酶和磷酸酶 等 的研 究发现 土壤微生物呼吸与酶活性存在相关性 且与 脱氢酶和酚氧化酶存在显著正相关 表明微生物生 长和细胞外酶有良好对应的关系 氮肥投入影响了土壤有机碳的变化 增加了土 壤微生物量 促进了土壤呼吸 适量施用氮肥还能 加速磷酸酶酶促土壤有机磷化合物的水解 生成更 多植物可利用的无机态磷 增强土壤磷的供应能力 等 研究发现 养分投入会影响磷在土壤 植物 系统中的循环及周转 如影响微生物量磷的再矿化 作用 非生命的磷的胞外酶水解作用及生物矿化过 程等 外加氮源将影响土壤有机磷或磷素的形态转 化 对土壤理化性质和酶的活性也会产生影响 适 量施用氮肥能加速磷酸酶酶促土壤有机磷化合物的 水解 生成更多植物可利用的无机态磷 增强土壤磷 的供应能力 除此之外 含氮元素的有机物的添 加能有效影响土壤溶液中胞外酶的活性 如 葡 萄糖苷酶 纤维素二糖水解酶的活性随着有机物的 添加有明显的提升 针对不同土地利用方式的土壤 其土壤磷水平 以及碳磷比均存在较大的差异 外源碳氮投入会对 土壤碳氮磷循环相关的胞外酶活性产生影响 进而 影响磷含量 因此 本研究探究了 种土壤中外源碳 氮添加对土壤胞外酶 速效磷和有机磷含量的影响 对合理 有效地预测农田土壤磷素累积状态 提高作 期赵媛媛等 碳氮投入对 种不同土地利用方式土壤磷含量及胞外酶活性的影响 物产量和保护生态环境具有重要的意义 材料和方法 供试土壤 试验所采用的 种土壤为 设施菜田土壤 粮田 土壤 草原土壤和森林土壤 设施菜田土壤采自北京 房山区西场村金地汇农农业合作社设施菜田 于收获 期采集 该地气候类型为典型的大陆性季风气候 年 平均气温 降水量 种植过程中的鸡 粪和尿素用量分别为 和 种植农 作物为番茄 粮田土壤采自设施菜地附近的土壤 于 玉米收获期采集 草原土壤采自内蒙古草原生态研究 站 位于内蒙古多伦县 海拔 原生植被是一个有羊草和冰草的典型草原社区 森 林土壤采自北京森林生态系统定位研究站 位于北京 西郊门头沟区东灵山 海拔 森林包括一些典型的温带地区次生落叶阔叶林和 人工针叶林 土壤采集后过筛 风干 去除土壤 中的可见植物残体和土壤动物 待培养 试验前测得 种土壤的理化性质如表 表 土壤基本物理性质 土壤 电导率 速效磷 总磷 有机碳 总氮 菜田 粮田 草地 森林 试验设计 试验以葡萄糖作为碳源 以硝酸钾作为氮源 共设 个处理 分别为对照 葡萄糖 土 壤 硝酸钾 土壤 葡萄糖和硝酸钾 葡萄糖 土壤和硝酸钾 土壤 碳氮添加量以风干土质量计 首先进行预 培养 即将 种风干过筛 的供试土壤分别称 取 份 于 玻璃培养瓶中 加水至土 壤最大田间持水量的 覆盖带孔透气的封口 放入恒温培养箱 湿度 中进行为期 的预培养 使土壤趋于稳定状态 然后进行正式培 养 根据处理分别称取葡萄糖和 或硝酸钾 与土壤 充分混匀 再次置于恒温培养箱中 每个处理 次重 复 随机排列 培养期间用称质量法补充水分 测试项目与方法 气体采集 在培养的第 天 进行气体 采集 采集时 将土壤从培养箱中取 出 将培养瓶取出进行通风放置 然后用封口 膜密封在常温暗处静置 分别在封口的前后各取 气体 储存于气袋中 然后再次将培养瓶放回 培养箱内培养 气体用气相色谱仪 美国 进行测定 分析 前后浓度的差异及其与所 加物料的关系 土壤样品采集与测定 培养的第 天取气 后采集土壤样品 将罐子中所有土壤取出并分为 份 其中 份为称取 置于 保存 于 内测 定磷酸酶的活性 其余风干 测定相关理化性质 土 壤 值 土壤有机碳 土壤总氮 土壤总磷 土壤有 机磷 速效磷 土壤 值利用水提取土壤溶液 土水比 用酸度计测定 土壤总磷 通过浓硫酸和 消煮法测定 土壤有机磷利用 灼烧法测定 土壤 采用 溶液提取 土水比 并用钼锑 抗比色法测定 土壤总碳 总氮 和有 机碳 含量通过干烧法 利用元素分析仪测定 土壤酶活性通过荧 光微型板酶检测方法进行测定 同时调节缓冲液的不 同 值 碱性磷酸酶 以 甲基伞形基磷酸为底物 配制缓冲溶液 值为 葡萄糖苷酶 以 甲 基伞形酮基 葡萄糖苷为底物 配制缓冲溶液 值为 最后在激发波长为 发射波长为 的条件下用多功能酶标仪 读 取荧光值 所有试剂均采购于 公司 数据分析 试验数据以 软件整理 采用 软件 进行统计分析 用 法进行显著性检验 显著性水平 并进行相关分析 得出相关值后评价 结果与分析 碳氮投入对土壤磷含量的影响 土壤有机磷含量 种土壤中有机磷的含 华 北 农 学 报 卷 量对碳氮不同投入响应不同 图 且不同土地利 用方式下 土壤有机磷含量差异大 结果表明 与 处理相比 添加碳源显著提高了菜田 森林土壤 有机磷的含量 分别提高了 添加碳 源 添加氮源和同时添加碳源 氮源均显著提高了森 林土壤有机磷含量 分别提高了 且同时添加碳源和氮源时 土壤有机磷含量 最高 不同小写字母代表同一类型土壤中不同处理间达到显著差异水平 菜田 粮田 草地 森林 图 同 图 不同处理对不同土地利用方式的土壤有机磷含量的影响 土壤速效磷含量 种土壤中速效磷的含 量对碳氮不同投入响应不同 图 且不同土地利 用方式下 土壤速效磷含量差异明显 与 处理 比较 处理菜田的土壤速效磷显著增加了 其余 种土壤在添加碳源 添加氮源以及同时添加 碳源 氮源后 土壤速效磷含量均有下降 其中森林 土壤在碳氮投入后下降最明显 个处理组中土壤 速效磷分别下降了 图 不同处理对不同土地利用方式的土壤有效磷含量的影响 碳氮投入对土壤胞外酶活性的影响 土壤碱性磷酸酶活性 种土壤中 的活 性对碳氮不同投入响应不同 图 结果表明 与 处理相比 碳氮添加处理对菜田和粮田土壤 活性 期赵媛媛等 碳氮投入对 种不同土地利用方式土壤磷含量及胞外酶活性的影响 没有显著影响 单独碳源添加处理显著降低了草地和 森林土壤的 活性 分别降低了 与此同时 氮添加也显著降低了草地和森林土壤的 活性 分别降低了 草地和森林 土壤在添加碳源的基础上添加氮源后与仅添加碳源 或氮源相比 均提高了土壤 活性 这种变化在森 林土壤中更为显著 图 不同处理对不同土地利用方式的土壤碱性磷酸酶活性的影响 土壤 葡萄糖苷酶活性 种不同处理方 式下 不同类型土壤 葡萄糖苷酶活性对碳氮投入 的响应不同 图 结果表明 与 处理相比 氮 源添加显著提高了菜田土壤的 葡萄糖苷酶活性 提高了 碳 氮同时添加处理对于 种土壤 的 葡萄糖苷酶活性均有增加 且菜田和草地土壤 中这种差异更为显著 分别增加了 且碳氮添加与仅添加碳源或氮源相比 均提高了土 壤 葡萄糖苷酶活性 这种变化在菜田和草地土壤 中更为显著 图 不同处理对不同土地利用方式的土壤 葡萄糖苷酶活性的影响 土壤理化性质 土壤培养 后 可观察到不同处理的土壤理 化性质发生了改变 表 添加氮源后 菜田 粮田 土壤 值均显著降低 而在草地土壤 值则显著 增加 但森林土壤 值无显著变化 不同土地利 用方式下 添加氮肥处理均增加了土壤全氮含量 其 中以菜田 草地和森林土壤最为显著 氮源和碳源 的添加对全磷和 则没有显著影响 已有文 献中证明 值的改变会直接或者间接影响土壤磷 素有效性 然而本研究中虽然 值发生显著变化 华 北 农 学 报 卷 但是其增幅和降幅均在 加之土壤本身 的缓冲性 不足以引起土壤磷素有效性的改变 因此 可以认为本试验中速效磷含量的变化来源 于氮肥本身 表 碳氮投入对不同土壤理化性质的影响 处理 值 有机碳 全氮 总磷 菜田 粮田 草地 森林 注 不同小写字母代表同一类型土壤中不同处理间达到显著差异水平 碳氮投入对土壤 释放量的影响 在持续 土壤培养过程中 第 天采得气体的累积排放总量见图 不同土地利用方 式下 土壤微生物呼吸量相对于对照均无显著差异或 有增加 不添加有机物料的处理中 菜田和粮田的土 壤微生物呼吸量均比草地和森林的土壤微生物呼吸 量低 在 种处理中 添加了碳源的土壤微生物呼吸 量与对照相比显著增加 添加了氮源的土壤微生物呼 吸量与对照相比变化不显著 在草地土壤 及森林土壤 的高氮条件 下 在碳源添加的基础上 外加氮源明显抑制了土壤 微生物呼吸 累积排放量分别降低了 和 而在菜田 粮田土壤中未观察到显著差异 图 种处理条件下 种土壤 累计释放量 结论与讨论 碳氮投入对不同土地利用方式的土壤磷含量变 化的影响 与森林土壤对比 菜田 粮田和草地 种土壤的 较低 碳为相对限制因素 氮源的添加可能通过 改变微生物的群落结构进而改变微生物对碳源的利 用 受到碳限制的微生物会使用磷酸化化合物的有机 部分作为碳源 许多近年来文献结果表明 外源 碳氮的添加会导致土壤微生物的呼吸量增加引发起 爆效应 一般而言 这个过程会改变土壤有机 碳的分解 而对于外源添加不稳定或者活性的碳 源等物质 则会通过起爆效应的正效应增加土壤有机 碳的分解 第一种是表观分解 即微生物只是利 用了外源投入的能源物质 而并未分解土壤中有机 碳 这种情况下 可能并不会影响到土壤中养分的循 环过程 第二种是实际的分解 即土壤微生物利用外 源能源物质的同时 也分解了土壤中的有机碳 则会 显著改变土壤中其他元素的转化过程 而这可以 在一定程度上驱动土壤磷素转化过程 有研究表明 添加葡萄糖和纤维素显著促进了土壤微生物的生长 以及对土壤磷素的活化 通过施用外源碳促进土 壤微生物对磷素的固持进而降低其在土壤剖面的迁 移 本研究结果显示 与 相比 添加葡萄糖处 期赵媛媛等 碳氮投入对 种不同土地利用方式土壤磷含量及胞外酶活性的影响 理显著降低了草地和森林土壤速效磷含量 可能是由 于碳源加入驱动了微生物对磷的固定 而对于速效磷 含量本就较高的设施菜田而言 葡萄糖添加并未显著 影响其土壤速效磷含量 但是显著增加了有机磷含 量 因此 土壤碳磷循环是存在耦合关系的 对于氮 素添加后 可能导致磷酸酶的活性受到抑制 从而阻 碍了有机磷的矿化进程 因此 添加氮源的处理比对 照处理的有机磷含量更高 这与于群英 的研究一 致 适量施用氮肥能加速磷酸酶促进土壤有机磷化合 物的水解 生成更多植物可利用的无机态磷 会增强 土壤磷的供应能力 有研究表明 土壤有机质和 值是影响土壤 磷素转化的关键因素 需要指出的是 对于氮肥而 言 其长期效应会导致土壤酸化 这会分别通过生物 过程和非生物过程进而影响土壤磷素转化 本试验 尽管氮源添加显著影响了土壤 值 但并未因此 显著影响土壤磷素含量 本研究结果表明 外源碳 的添加均显著增加了培养初期土壤的呼吸量 在培 养的第 天趋于平稳 与此同时 碳氮共同添加的处 理显著低于单施碳源处理 即硝酸铵抑制了土壤 的释放量 已有研究结果表明 在添加葡萄糖的 同时添加硝态氮或者铵态氮均会抑制起爆效应 土壤有机碳和微生物生物量之间存在正相关关 系 葡萄糖这一类活性的碳源添加到土壤中后 会增加微生物的生长或者改变微生物的群落结 构 而随着微生物的生长 会逐渐消耗对土壤无机 氮的利用进而降低氮的含量 此时微生物会通过 分泌相关的酶分解土壤中的有机碳进而获取用于 自身生长的元素 然而 当碳氮一起添加时 氮 源则可以直接被微生物利用 且土壤微生物不必 通过分泌酶去分解有机碳 因此 会降低起爆 效应 有研究表明 碳源的添加可使土壤速效磷 含量降低而微生物量磷增加 降低活性磷含量以 及潜在的磷素淋失风险 也有研究指出 添加葡 萄糖提高了土壤微生物活性 土壤呼吸 微生物量 磷和磷酸酶活性 短期内添加葡萄糖使得土壤微 生物大量增殖消耗土壤有效磷 但长期来看并不 会影响土壤有效磷含量 碳氮投入对不同土地利用方式土壤胞外酶活 性的影响 土壤酶的活性在土壤肥力的评价中起着重要作 用 酶是土壤有机磷矿化作用中的重要催化剂 主要来源于植物根系和微生物代谢物 以及由其他 动植物分解过程中产生 提高土壤碱性磷酸酶的活 性 可促进土壤有机磷矿化进而满足作物或微生物 对磷素的需求 土壤磷酸酶酶促作用可以表征 土壤磷素有效化强度 在本试验中 草地和森林 土壤的氮素含量较高 而农田土壤的却较低 可能由 于本研究中的设施菜田和粮田土壤种植年限均较 短 且设施菜田土壤质地为沙壤土 夏季揭膜过程中 氮素发生了淋失 而草地和森林土壤可能是长期氮 沉降导致 结果表明 在设施菜田土壤中 外源碳源 的添加对 葡萄糖苷酶活性没有显著影响 但是氮 源添加显著增加了该土壤 葡萄糖苷酶活性 与此 同时 碳氮同时添加显著增加了草地土壤 葡萄糖 苷酶活性 因此 在本试验的设施菜田土壤中添加氮 源有利于碳的循环过程 而草地中由于氮素含量较 高 在补充碳源基础上 氮源添加有助于提升其 葡萄糖苷酶活性 在此过程中 土壤微生物通过分 泌与碳磷循环相关的胞外酶 以平衡元素之间的化 学计量关系 进而影响土壤磷素含量 有研究表 明 适量施用氮肥会加速磷酸酶促进土壤有机磷化 合物的水解 生成更多植物可利用的无机态磷 增强 土壤磷的供应能力 而对于森林土壤而言 则是 相反的过程 即由于 活性的降低抑制了有机磷 的矿化 进而无机磷的释放量随之降低 菜田土壤 中 相对较低 在碳源添加的基础上 氮源的 添加会促进有机碳的降解 进而影响到有机磷的含 量 而这种作用可能来源于 葡萄糖苷酶活性的增 加 有研究结果表明 长期氮肥施用显著抑制了 活性 而这可能通过降低土壤有机磷的矿化进 而增加土壤有机磷的累积 也有研究表明 氮肥 添加显著提升了土壤 的活性 这可能是由于在 磷素缺乏的情况下 氮肥施用促进了根系或土壤微 生物对磷酸酶的分泌 并促进了作物对无机磷 的吸收 同时间接增加了土壤有机磷的比例 等 通过向土壤中添加蔗糖后 发现显著增 加了土壤胞外酶 包括 葡萄糖苷酶活性 此过程 也增加了土壤磷酸酶活性 而这种变化是由于增 加了土壤微生物的生长导致的 然而 针对碳 氮添加如何通过调控土壤碳氮磷化学计量以及酶 的化学计量进而影响土壤磷素形态转化的机制还需 要进一步探讨 这可以为理解不同养分含量土壤磷 素调控和管理提供理论参考 碳源添加显著增加了菜田土壤有机磷含量 同 时添加碳氮显著提升了森林土壤有机磷含量 碳源 添加显著降低了草地土壤 含量 添加氮源 显著增加了菜田土壤的 含量 降低了森林 土壤的 含量 碳氮投入对菜田和粮田土壤碱性磷酸酶没有显 华 北 农 学 报 卷 著影响 但氮素添加提高了菜田土壤 葡萄糖苷酶 活性 在草地和森林土壤中 氮素投入抑制了碱性磷 酸酶活性 而在碳源基础上添加氮素则提高了碱性 磷酸酶和 葡萄糖苷酶活性 不添加碳源条件下 氮素添加对土壤 释放量 没有影响 添加碳源后 菜田土壤有增加 释放的 趋势 同时 氮素抑制了高碳体系土壤 的释放量 综上所述 不同土地利用方式的土壤磷素含量 和酶活性对碳氮添加的响应存在差异性 通过外源 添加碳源可以一定程度上通过调控微生物对酶的分 泌 实现 以碳促磷 进而增加土壤磷素供应能力 参考文献 c g c c c c 龚娟 马友华 胡宏祥 吴靓 付碧玉 殷寒旭 田艳 农 田土壤磷的环境指标研究进展 中国农学通报 g c c c c c c g c c g c c g g g g c 万欣 温室土壤生态化学计量学特征及与番茄青枯 病的关系 北京 中国科学院大学 c c g c g c c g c g c c g g 曾艳 周柳强 黄金生 谢如林 黄美福 谭宏伟 不同 氮肥处理对桑园土壤酶活性的影响 南方农业学 报 g c 于群英 土壤磷酸酶活性及其影响因素研究 安 徽技术师范学院学报 g c c g g c c c c c g c g 期赵媛媛等 碳氮投入对 种不同土地利用方式土壤磷含量及胞外酶活性的影响 g c c c g c g c g c g c g g c c c g c g c g 赵普生 添加外源碳影响土壤磷的有效性作用研究 重庆 西南大学 周礼恺 张志明 曹承绵 土壤酶活性的总体在评价 土壤肥力水平中的作用 土壤学报 c g c c 战厚强 颜双双 王家睿 马春梅 龚振平 董守坤 张 钦文 水稻秸秆还田对土壤磷酸酶活性及速效磷含 量的影响 作物杂志 c g g g