吉林西部鹽堿田土壤蔗糖酶活性和有機碳分布特征及其相關(guān)關(guān)系

趙仁竹，湯潔*，梁爽，張豪，于樹利,，王思寧，王靜靜

1. 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130012；2. 長春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，吉林 長春 130020

吉林西部鹽堿田土壤蔗糖酶活性和有機碳分布特征及其相關(guān)關(guān)系

趙仁竹1，湯潔1*，梁爽1，張豪1，于樹利1,2，王思寧1，王靜靜1

1. 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130012；2. 長春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，吉林 長春 130020

鹽堿水田生長期對大氣具有碳匯作用，研究其碳循環(huán)機制對全球碳減排和全球氣候變化有著重要作用和意義。為進一步探究鹽堿水田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中土壤酶對有機碳的影響，選取吉林西部鹽堿水田區(qū)為對象，細(xì)化生長期的不同階段，分別于未種植水稻時、水稻幼苗期、分蘗期、抽穗期、結(jié)實期前往吉林西部典型灌區(qū)前郭縣進行0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm分層采樣，并馬上回實驗室用總有機碳分析儀測定有機碳含量，用3,5—二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，研究水稻不同生長時期土壤蔗糖酶活性及土壤有機碳在0～50 cm土層的分布特征，探討蔗糖酶活性與土壤有機碳的關(guān)系。結(jié)果表明：表層土壤蔗糖酶活性最高，在不同生長期其活性均隨著土壤剖面深度的增加顯著降低，并且酶活性主要集中在0～20 cm的土層中；抽穗期和結(jié)實期0～10 cm土層土壤有機碳含量分別為1.30和1.31 g·kg-1，低于10～20 cm土層1.57和1.51 g·kg-1，其余時期土壤有機碳含量隨著土壤剖面深度的增加顯著降低。經(jīng)相關(guān)分析表明，土壤蔗糖酶活性與土壤有機碳間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中幼苗期蔗糖酶活性與有機碳含量的相關(guān)系數(shù)最高為0.97。吉林西部鹽堿水田土壤蔗糖酶活性的剖面分異與土壤有機碳含量密切相關(guān)，土壤蔗糖酶活性對土壤有機碳庫有顯著的影響。

土壤蔗糖酶；有機碳；鹽堿土；水田；吉林西部

土壤酶是土壤中的生物催化劑（萬忠梅和宋長春，2009），參與了土壤環(huán)境中的一切生物化學(xué)過程，與有機物質(zhì)分解、能量轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)（Dick，1997；Yao等，2006），其活性對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有很大的影響。鹽堿水田生長期對大氣具有碳匯作用（張豪等，2013），研究其土壤酶對有機碳的影響對完善水田土壤碳循環(huán)機制，進而制定合理的、科學(xué)的碳減排政策有著重要作用和意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者在對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程的研究中也對土壤酶給予了高度重視（Garcia等，2000；楊文英等，2011），關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤酶活性的研究報道較（李晨華等，2012；彭琳，2012；王娟等，2006），但對于鹽堿性水田系統(tǒng)土壤酶活性的研究卻相對較少。鹽堿水田作為一種特殊的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，土壤酶活性的變化必然導(dǎo)致其參與的物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化過程的變化。因此，本文致力于研究鹽堿水田系統(tǒng)土壤酶活性的空間分布特征和變化規(guī)律，探討其與土壤有機碳含量的關(guān)系，對研究碳循環(huán)機制，制定碳減排措施有著至關(guān)重要的作用。

吉林西部位于松嫩平原南側(cè)，科爾沁草原東部，是我國重要的農(nóng)牧業(yè)和能源生產(chǎn)基地，為世界3大鹽堿土集中分布區(qū)之一和全球碳循環(huán)研究的重要地區(qū)，屬于全球變化研究中國東北樣帶。區(qū)內(nèi)有頗具規(guī)模的前郭爾羅斯（前郭）灌區(qū)，是中國東北四大灌區(qū)之一。該灌區(qū)始建于上世紀(jì) 40年代日偽時期，以第二松花江為灌溉水源的大型電力提水灌區(qū)。經(jīng)過60年的開發(fā)，現(xiàn)有耕地面積38611 hm2（其中水田面積 23344 hm2）。灌區(qū)糧食產(chǎn)量突破37×107kg，水稻產(chǎn)量達到32×107kg。近年來，吉林省政府啟動了“引嫩江水開發(fā)水田，增產(chǎn)25×108kg糧食工程”，以保障糧食安全。在土地利用類型改變的同時，將使土壤酶活性和有機碳發(fā)生變化（張志丹等，2014），掌握不同深度土壤酶活性及有機碳的變化對于了解土壤碳循環(huán)過程具有重要作用。因此，本文對有機碳含量和密切參與碳循環(huán)的土壤蔗糖酶活性在鹽堿水田區(qū)0～50 cm的剖面分異特征進行了研究，旨在揭示鹽堿水田土壤蔗糖酶活性的剖面分異特征及其與土壤有機碳的關(guān)系，研究結(jié)果對進一步研究吉林西部鹽堿水田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機制，具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省前郭爾羅斯蒙古族自治縣北靠嫩江，東臨第二松花江，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°38′～125°17′，北緯44°17′～45°28′。該區(qū)屬半干旱半濕潤的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受西風(fēng)帶和東亞夏季天氣系統(tǒng)的影響，氣候敏感，四季差異明顯，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽，冬季漫長寒冷。降水量小，蒸發(fā)量大（李娜，2012），大風(fēng)多風(fēng)，揚沙日和沙塵暴日較多，氣候條件惡劣，水旱災(zāi)害頻繁。該區(qū)經(jīng)歷了多次沙漠化和鹽堿荒漠化的正逆演變過程，形成了大面積的鹽堿土沉積。

1.2 樣品采集

本實驗選取的對象為鹽堿性水田。樣地采用與當(dāng)?shù)叵嗤乃使芾砟Ｊ?，即水稻返青期水深保持?～4 cm，分蘗初期1 cm左右，分蘗后期及拔節(jié)孕穗期3 cm左右，抽穗開花期則采取干濕交替，且以濕為主。播種前施用基肥，返青分蘗肥在插秧后的第3天施入，孕穗肥于7月初和7月末分兩次施入。在前郭爾羅斯蒙古族自治縣選擇符合要求的水稻田，在此稻田內(nèi)按照對角線布點法選取3個采樣點，采用GPS定位，并于2013年4月15日、5月31日、6月29日、8月20日和10月8日，分別為插秧前、幼苗期、分蘗期、抽穗期和結(jié)實期 5個時期采集土壤樣品。采樣前先移去水稻（插秧前不用此步驟），用1 m×1 m的無底座玻璃槽包圍采樣點后，將槽內(nèi)水抽出，利用筒鍬按0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm將土壤分層取出并裝袋。每層采集3個土壤樣品，每一時期每個采樣點采集15個樣品，采取多點混合采樣法，混合同層土樣，裝入無菌袋中，迅速帶回實驗室。

1.3 樣品的處理與測試

剔除動、植物殘體和石塊，四分法取出適量土壤樣品，經(jīng)風(fēng)干處理后，磨細(xì)，分別過1和0.15 mm篩后制成待測樣品儲存?zhèn)溆谩?/p>

有機碳采用吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室的島津 TOC-V系列總有機碳分析儀的 SSM-5000A固體樣品模塊測定。得到結(jié)果為總碳（TC）和無機碳（IC）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，二者之差即為總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（SOC），本文以g·kg-1表示。土壤蔗糖酶活性測定采用 3,5—二硝基水楊酸比色法，用分光光度計進行測試，酶活性以1 g土壤在37 ℃培養(yǎng) 24 h后生成的葡萄糖的量(mg·g-1·24h-1)表示。測試時每個樣品3次重復(fù)。土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 吉林西部鹽堿水田土壤剖面基本化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic chemical properties of the saline paddy field in west Jilin

1.4 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

所有數(shù)據(jù)采用 SPSS 11.5和 Microsoft Excel 2003軟件進行統(tǒng)計、處理。

2 結(jié)果與分析

表2 未種植水稻時土壤剖面深度對蔗糖酶活性的單因素方差分析Table 2 ANOVA analysis of soil profile depth to invertase activity when not planting rice

2.1 土壤剖面蔗糖酶活性的分異特征

蔗糖酶廣泛存在于土壤中，其參與水田土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化，為植物和微生物提供可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，它是土壤生物學(xué)活性的重要表征（萬忠梅和宋長春，2008）。由圖 1可見，吉林西部鹽堿水田區(qū)土壤蔗糖酶活性主要集中在0～10 cm的表土層，并隨著土壤剖面的加深酶活性降低，說明土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化強度和微生物活性隨著土壤剖面的加深顯著降低（表2），這與陸欣等（1994）、Luo等（1998）、張銀龍和林鵬（1999）和Xu等（2004）的研究結(jié)果相一致。表層土壤營養(yǎng)豐富，積累了較多的植物殘體和腐殖質(zhì)，水熱條件和通氣狀況相對較好，微生物生長旺盛，呼吸強度加大，而蔗糖酶作為有機物分解的轉(zhuǎn)化酶（陳紅軍等，2008），其活性必然隨著微生物活動的增強而增強。隨著土壤剖面的加深，土壤營養(yǎng)逐漸貧瘠，微生物生長受到抑制，所以蔗糖酶活性隨著土壤剖面的加深而降低。本研究中30～40和40～50 cm土層酶活性低。這是因為底層鹽堿土結(jié)構(gòu)粘滯，滲水深度也不超過30 cm，使得根的微生物促進作用和有利微生物的水利條件基本喪失，加之土壤底層本身有機質(zhì)含量較低，微生物的營養(yǎng)源貧瘠，所以，底層土壤酶含量較低。

圖1 吉林西部鹽堿水田土壤蔗糖酶活性的剖面垂直分異特征Fig. 1 Vertical dynamics of invertase activities of the saline paddy field in west Jilin

2.2 土壤有機碳（SOC）含量的垂向分異特征

水稻不同生長時期 SOC隨土壤表層向深層呈現(xiàn)降低趨勢（圖2）。在未種植水稻時（圖2a），有機碳含量隨土壤剖面的加深逐層遞減。這是因為土壤表層有機質(zhì)歸還量高，水熱條件適宜，有機質(zhì)分解情況較好，因此土壤有機碳含量也較高。隨著土壤剖面的加深，有機質(zhì)歸還量減少，土壤根系分泌物也減少，土壤微生物活性降低導(dǎo)致物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化速率降低，所以有機碳含量減少（吳旭東等，2013）。在抽穗期（圖 2d），有機碳含量隨土壤剖面深度的加大總體上呈現(xiàn)降低的趨勢，但10～20 cm土層土壤有機碳含量超過表層土。這是因為抽穗是一個水稻發(fā)育的關(guān)鍵階段，表層土壤距離須根較近，且此時水稻所需養(yǎng)分表層土壤完全能夠供給，所以其余土層有機碳含量變化不明顯。這就造成了總體有機碳含量隨深度降低，10～20 cm土層土壤有機碳含量超過表層的現(xiàn)象。到了結(jié)實期（圖 2e），水稻主要依靠光合作用形成干物質(zhì)（李勇，2011），土壤有機質(zhì)含量變化微弱，其剖面有機碳分布情況與抽穗期相近。

2.3 土壤蔗糖酶與土壤有機碳的相關(guān)性

吉林西部鹽堿水田區(qū)土壤蔗糖酶活性的剖面分異與土壤有機碳含量密切相關(guān)（圖3）。土壤酶來源于土壤中動物、植物和微生物細(xì)胞的分泌物及其殘體的分解物，并且可通過分解復(fù)雜的有機物質(zhì)為微生物提供可以吸收利用的碳、氮、磷、硫等營養(yǎng)成分而反作用于土壤微生物，是土壤微生物活性的一個表征指標(biāo)。土壤有機碳受植物、微生物影響劇烈，腐殖化的有機質(zhì)是土壤有機碳的主要來源，微生物的活性及養(yǎng)分的有效性會限制有機質(zhì)的分解。有研究表明，微生物活性的增強能夠促進DOC的生成速率（Godde等，1996）。這充分說明土壤酶在參與土壤生物地球化學(xué)循環(huán)的過程中必然會引起土壤有機碳庫的變化。經(jīng)分析，在生長期各個階段，土壤蔗糖酶活性在土壤剖面的動態(tài)變化與 SOC變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系（n=15，P<0.05），這與田昆等的研究結(jié)果一致（田昆等，2004；Kotroczoa等，2014）。說明土壤有機碳對蔗糖酶活性的變化響應(yīng)強烈，酶活性增加可以提高有機碳庫量，進而影響土壤有機碳的礦化速率。隨著土壤剖面的加深，pH變大，微生物生長受到抑制，酶活性降低，從而影響土壤有機質(zhì)分解，導(dǎo)致土壤有機碳含量降低。其中幼苗期蔗糖酶活性與有機碳含量的相關(guān)性最好（圖3b），相關(guān)系數(shù)為0.987（n=15，P<0.01），其次是分蘗期（圖 3c）。這可能是由于此時水稻根系生長旺盛，對土壤營養(yǎng)的需求量最大，須根系促進土壤中微生物活性（Wang等，2014），微生物通過蔗糖酶加速分解土壤有機質(zhì)為植物提供養(yǎng)分，所以此時蔗糖酶與土壤有機碳含量相關(guān)性最強。

圖2 吉林西部鹽堿水田土壤有機碳含量的剖面垂直分異特征Fig. 2 Vertical dynamics of SOC of the saline paddy field in west Jilin

3 結(jié)論

（1）隨著土壤剖面深度的增加，吉林西部鹽堿水田區(qū)蔗糖酶活性在生長期各個時段均發(fā)生顯著降低，并且酶活性主要集中在0～20 cm的土層中。

（2）隨著土壤剖面深度的增加，鹽堿水田土壤有機碳含量降低，但在抽穗期和結(jié)實期 10～20 cm土層土壤有機碳含量超過表層。這是因為抽穗期水稻仍需表層土壤有機質(zhì)營養(yǎng)供給，對10～20 cm需求量較少；結(jié)實期水稻主要依靠光合作用形成干物質(zhì)，土壤有機質(zhì)分布情況與上一時期相同。

（3）吉林西部鹽堿水田蔗糖酶活性與土壤有機碳含量密切相關(guān)，且在水稻幼苗期相關(guān)性最強。說明土壤有機碳庫對蔗糖酶活性的變化響應(yīng)強烈，酶活性增加可以提高有機碳庫量。

圖3 吉林西部鹽堿水田土壤蔗糖酶活性與有機碳的相關(guān)關(guān)系Fig. 3 Relationship between vertical dynamics of invertase activities and TOC of the saline paddy field in west Jilin

DICK R P. 1997 . Soil enzyme activities as integrative indicators of soil health [C]//Pankhur-stlC E, Double B M, Gupta V V S R (eds.). Biological Indicators of Soil Health. Wallin-gford, UK: CAB International: 121-156.

GARCIA J C, PLAZA C, SOLER R P et al. 2000. Longterm effects of municipal solid waste compost application on soil enzyme activities and microbial biomass [J]. Soil Biology and Biochemistry, 32: 1907-1913.

GODDE M，DAVID M B, CHRIST M J, et al. 1996. Carbon mobilization from the forest floor under red spruce in the northeastem USA[J]. Soil Biology and Biochemistry, 28(9): 1181-1189.

KOTROCZOA Z, VERES Z, FEKETE I, et al. 2014. Soil enzyme activity in response to long-term organic matter manipulation [J]. Soil Biology and Biochemistry, 70: 237-243.

LUO J, TILLMAN R W, WHITE R E, et al. 1998. Variation in denitrification activity with soil depth under pasture [J] .Soil Biology and Biochemistry, 30(7): 897-903.

WANG R Z. FILLEY T R, XU Z W, et al. 2014. Coupled response of soil carbon and nitrogen poolsand enzyme activities to nitrogen and water additionin a semi-arid grassland of Inner Mongolia[J]. Plant Soil, 381: 323-336.

XU X F, SONG C C, SONG X, et al. 2004. Carbon Mineralizatio and the related enzyme activity of soilin wetland [J]. Ecology and Environment, 13(1): 40-42.

YAO X H , MIN H , LU Z H, et al. 2006 . Influence of acetamiprid on soil enzymatic activities and respiration [J]. European Journal of Soil Biology, 42: 120-126.

陳紅軍, 孟虎, 陳鈞鴻. 2008. 兩種生物農(nóng)藥對土壤蔗糖酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 17(2): 584-588.

李晨華, 賈仲君, 唐立松, 等. 2012. 不同施肥模式對綠洲農(nóng)田土壤微生物群落豐度與酶活性的影響[J]. 土壤學(xué)報, 49(3): 567-574.

李娜. 2012. 凍融作用對吉林西部典型土壤碳氮鑲的影響機制及溫室體排放研究[D]. 長春: 吉林大學(xué): 35-42.

李勇. 2011. 氮素營養(yǎng)對水稻光合作用與光合氮素利用率的影響機制研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué): 90-97.

陸欣, 王申貴, 王海洪, 等. 1994. 五臺山土壤垂直帶譜磷酸酶活性研究的初報[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 14(2): 111-114.

彭琳. 2012. 改變凋落物的輸入方式對慈竹林土壤有機碳和酶活性的影響[D]. 成都: 四川農(nóng)業(yè)大學(xué): 76-85.

田昆, 陸梅, 常鳳來, 等. 2004. 云南納帕海巖溶濕地生態(tài)環(huán)境變化及驅(qū)動機制[J]. 湖泊科學(xué), 16(1): 35-42.

萬忠梅, 宋長春. 2008. 小葉章濕地土壤酶活性分布特征及其與活性有機碳表征指標(biāo)的關(guān)系[J]. 濕地科學(xué), 6(2): 249-257.

萬忠梅, 宋長春. 2009, 土壤酶活性對生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)研究進展[J]. 土壤通報, 40(4): 951-956.

王娟, 谷雪景, 趙吉. 2006. 羊草草原土壤酶活性對土壤肥力的指示作用[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 25(4): 934-938.

吳旭東, 張曉娟, 謝應(yīng)忠, 等. 2013. 不同種植年限紫花苜蓿人工草地土壤有機碳及土壤酶活性垂直分布特征[J]. 草業(yè)學(xué)報, 22(1): 245-251.

楊文英, 邵學(xué)新, 梁威, 等. 2011. 杭州灣濕地土壤酶活性分布特征及其與活性有機碳組分的關(guān)系[J]. 濕地科學(xué)與管理, 7(2): 53-58.

張豪, 湯潔, 梁爽. 2013. 吉林西部不同開發(fā)年份鹽堿水田土壤有機碳和碳酸鹽的季節(jié)動態(tài)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 22(12): 1899-1903.

張銀龍, 林鵬. 1999. 秋茄紅樹林土壤酶活性時空動態(tài)[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 38(1): 129-136.

張志丹, 姜海超, 羅香麗, 等. 2014. 松遼平原玉米帶黑土酶活性變化特征研究[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 35(6): 74-78.

Distribution of Soil Organic Carbon and Invertase Activity and Its Correlation in Saline-alkali Paddy Field in West Jilin

ZHAO Renzhu1, TANG Jie1*, LIANG Shuang1, ZHANG Hao1, YU Shuli1,2, WANG Sining1, WANG Jingjing1
1. College of Environmental and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China; 2. Changchun Institute of Urban Planning & Design, Changchun 130020, China

Saline paddy field has the effect on atmospheric carbon sink during the growth period, so the carbon cycle mechanism of the saline paddy soil during the growing season plays an important role in the global carbon emission reduction and global climate change. We select Saline-alkali paddy field in west Jilin as an investigation object to study rice soil invertase activity and soil organic carbon distribution in 0～50 cm soil in different growth stages, and explore the invertase activity and soil organic carbon relationship. We take samples at 0～10, 10～20, 20～30, 30～40, 40～50 cm in not planting rice, seedling, tillering stage, tassel formation and fructicative stages respectively, and determinate the organic carbon content using a total organic carbon analyzer, 3,5-dinitrosalicylic acid colorimetry for the soil invertase activity immediately in the laboratory. The results showed that: the most soil invertase activity is at surface of soil, and invertase activity reduced significantly with increasing soil depth profile in different periods of soil; Soil organic carbon content is significantly reduced with increasing soil depth profile in all periods of soil apart from the heading stage of rice and the fructicative period, the SOC at 10～20 cm is 1.57 g·kg-1and 1.51 g·kg-1respectively, more than 1.30 g·kg-1and 1.31 g·kg-1of 0～10 cm soil layer. Correlation analysis showed that soil invertase activity and soil organic carbon is significantly positively correlated, and the highest correlation coefficient is 0.97 in the seedling stage of rice. Soil invertase activity profile differentiation is closely related to soil organic carbon content, and it has a significant impact on soil organic carbon pool in Western Jilin saline paddy area.

soil invertase; SOC; saline; paddy; western Jilin province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.010

S154.2；S153.6+2

A

1674-5906（2015）02-0244-06

趙仁竹，湯潔，梁爽，張豪，于樹利，王思寧，王靜靜. 吉林西部鹽堿水田土壤蔗糖酶活性和有機碳分布特征及其相關(guān)關(guān)系[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(2): 244-249.

ZHAO Renzhu, TANG Jie, LIANG Shuang, ZHANG Hao, YU Shuli, WANG Sining, WANG Jingjing. Distribution of Soil Organic Carbon and Invertase Activity and Its Correlation in Saline-alkali Paddy Field in West Jilin [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 244-249.

國家自然科學(xué)基金項目（51179073）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（20130061110065）

趙仁竹（1990年生），女，碩士研究生，漢，主要從事生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)研究。E-mail：406173721@qq.com *通信作者：湯潔（1957年生），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)工程研究。E-mail：tangjie@jlu.edu.cn

2014-12-01