稻田土壤微生物數量和酶活性對水碳調控的響應

林秀顏，江賾偉，陳 曦，張淑娜，戴惠東，楊士紅,3

（1河海大學農業科學與工程學院，南京211100；2昆山市城市水系調度與信息管理處，江蘇昆山215300；3河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098）

0 引言

土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，對保持土壤肥力和作物生長至關重要，土壤中大部分的生物化學過程都離不開微生物[1]，且土壤微生物對外界環境的細微變化敏感[2]，是表征土壤質量變化的重要參數之一。酶是土壤生態系統代謝的重要動力之一[3]，土壤中所進行的一切生物化學過程都要有酶的催化作用才能完成[4]。水稻是中國主要糧食作物，其種植面積和產量占全國糧食作物總種植面積和總產量的25.58%和31.58%。因此，研究稻田土壤微生物數量和酶活性變化規律對于實現稻田水土資源可持續利用具有重要意義。大量研究表明，碳管理是影響稻田土壤微生物數量和酶活性的重要因素。有研究表明，與單施無機肥相比，秸稈替代部分無機肥能提高雙季稻田土壤酶活性，豐富細菌類群[5]，無機有機肥配施能顯著提高稻田土壤酶活性和真菌群落多樣性[6]。杜林森等[7]研究表明長期施肥顯著提高了不同深度土壤生物量和酶活性，且與化肥施用相比，秸稈還田效果更加突出。王桂躍等[8]測土配方施肥研究表明，與增施無機肥相比，增施有機肥顯著提高了土壤可培養真菌的數量以及土壤脫氫酶和過氧化氫酶活性。已有針對碳管理對稻田土壤微生物數量和酶活性影響的研究更多針對淹水灌溉稻田[9-10]，而自20世紀90年代以來，為解決中國水資源緊缺問題，水稻節水灌溉技術得到了大面積推廣應用，碳管理對節水灌溉稻田土壤微生物數量和酶活性的影響有待深入研究。因此，本研究擬結合田間與室內試驗，將節水灌溉與秸稈還田、有機肥施用相結合，探究不同水碳調控情景下稻田土壤微生物數量、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性隨土層深度的變化規律，以期為稻田水土資源可持續利用提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室昆山排灌試驗基地(34°15′21″N，121°05′22″E)開展，昆山市地處太湖平原，境內河網密布，地勢平坦。試驗區屬亞熱帶南部季風氣候區，年平均氣溫15.5℃，年降雨量1097.1 mm，年蒸發量1365.9 mm，日照時數2085.9 h，平均無霜期234天。當地習慣稻麥輪作，本試驗主要在水稻生育期內進行。試驗地土壤肥沃，排灌條件優越。試驗地土壤為潴育型黃泥土，耕層土壤為重壤土，容重為1.30 g/cm3，0～18 cm土層土壤有機質21.71 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，全鉀20.86 g/kg，pH 7.4。

1.2 試驗設計

試驗設淹水灌溉(T)和控制灌溉(C)2個灌水處理，常規肥(F)、有機肥(O)和秸稈還田(S)3種施肥管理方式，共6個處理，分別表示為CF、CO、CS、TF、TO與TS，每個處理3次重復。試驗在小區中進行，每個小區面積21 m2(3 m×7 m)，共18個小區。淹水灌溉處理按當地水稻種植習慣管理，除分蘗后期排水曬田外，其余各生育階段田間均保留薄水層，黃熟期自然落干。控制灌溉處理在返青期內田面保留10～30 mm薄水層，以后的各個生育期灌溉后稻田不建立水層，以根層土壤水分占飽和含水率60%～80%的組合為灌水控制指標，確定灌水時間和灌水定額[11]。常規肥料施用依據當地農民習慣施肥方法和施肥量進行管理，其中氮肥用量328.48 kg/hm2，磷肥用量45.00 kg/hm2，鉀肥用量63.75 kg/hm2。秸稈還田與有機肥處理在無機肥處理的基礎上增施小麥秸稈和商品有機肥。粉碎小麥秸稈還田量為3000 kg/hm2，商品有機肥施用量為7500 kg/hm2[石家莊冀田生物科技有限公司，有效量W(N+P2O5+K2O)≥5%，W（有機質）≥45%]。全生育期嚴格控制病、蟲、草害。試驗水稻品種為‘南粳46’，6月25日插秧，株距13 cm，行距25 cm，每穴定3～4株，10月26日收割。

1.3 土樣采集與分析

試驗在分蘗期、拔節孕穗期和乳熟期采集土樣。采集深度分別為0～10、10～20、20～40 cm，采用“S”法采集土樣，剔除植物根系、石礫，將土樣過20目篩后用于土壤微生物數量和酶活性測定，其中乳熟期土樣只測定了土壤微生物數量。土壤微生物數量采用活菌計數法[12]，土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[13]，土壤蔗糖酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[14]。

1.4 數據分析方法

對所有數據采用Excel 2007進行初步分析并建立數據庫，用SPSS 17.0進行方差齊性檢驗，采用LSD法作多重比較分析（差異顯著性水平為P=0.05）和雙因素方差分析，揭示灌溉方式和施肥方式對土壤酶活性的影響程度。

2 結果與分析

2.1 水碳調控稻田土壤微生物數量變化規律

總體來看，水碳調控各處理稻田土壤微生物主要集中在土壤表層，土壤微生物數量隨土層深度的增加而逐漸減小（表1）。各處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤微生物數量隨生育期延長呈現先增后減的趨勢，20～40 cm土層無明顯規律。與常規肥管理相比，有機肥施用和秸稈還田均提高了稻田土壤微生物數量。不同灌水處理下，除TS處理拔節孕穗期和乳熟期10～20 cm土層土壤微生物數量低于TF處理外，有機肥施用和秸稈還田管理各層土壤微生物數量均高于常規肥管理。各生育期CO和CS處理0～40 cm土層土壤菌落數均值分別比CF處理高1.37×105～5.40×105和9.00×104～2.07×105，TO和TS處理分別比TF處理高1.37×105～3.87×105和5.00×104～1.70×105。

表1 各生育期各土層每克土壤菌落數

在施肥相同的情況下，分蘗期控制灌溉稻田土壤微生物數量基本高于淹水灌溉，水稻生長中后期差異逐漸減小且有反超的趨勢。分蘗期除10～20 cm土層CO處理土壤微生物數量略低于TO處理外，控制灌溉稻田各層土壤微生物數量均高于淹水灌溉，CO、CS和CF處理0～40 cm土層的土壤微生物數量均值分別比TO、TS和TF處理高17.19%、29.73%和47.83%。拔節孕穗期CO、CS和CF處理0～40 cm土層的土壤微生物數量均值分別比TO、TS和TF處理高-10.42%、5.52%和1.61%，乳熟期分別比TO、TS和TF處理低-24.65%、10.39%和75.81%。

總體來看，控制灌溉和有機肥施用、秸稈還田聯合調控提高了稻田土壤微生物數量，但CS處理拔節孕穗期20～40 cm土層和乳熟期0～10 cm土層出現了降低。在各生育期，CO和CS處理0～40 cm土層的土壤菌落數均值分別比 TF 處理高 1.73×105～3.83×105和2.33×104～2.43×105。

2.2 水碳調控稻田土壤過氧化氫酶活性變化規律

總體來看，水碳調控各處理稻田土壤過氧化氫酶活性的垂直分布規律基本一致（圖1），均表現出較好的分層分布，即隨著土層深度的增加土壤過氧化氫酶活性表現出先增后減的趨勢。與常規肥管理相比，有機肥施用和秸稈還田使控制灌溉稻田的土壤過氧化氫酶活性略有降低，而淹水灌溉稻田則相反。控制灌溉條件下，CO和CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比CF處理低1.16%～1.82%和0.06%～0.38%；淹水灌溉條件下，TO和TS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF處理高-4.28%～1.1%和1.27%～2.99%。TO處理拔節孕穗期0～10 cm土層土壤過氧化氫酶活性顯著低于TF處理和TS處理(P＜0.05)，其余處理之間差異均不顯著。

在施肥相同的情況下，控制灌溉稻田各層土壤過氧化氫酶活性基本高于淹水灌溉，但分蘗期20～40 cm土層出現了CO處理略低于TO處理的情況。各生育期CF、CO與CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF、TO與TS處理高3.02%～6.07%、0.72%～8.79%與1.66%～2.59%。

總體來看，控制灌溉和有機肥施用、秸稈還田聯合調控提高了稻田土壤過氧化氫酶活性，但CS處理拔節孕穗期20～40 cm土層出現了略低于CF處理的情況。在各生育期，CO和CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF處理高1.82%～4.14%和2.95%～5.66%。

2.3 水碳調控稻田土壤蔗糖酶活性變化規律

總體來看，水碳調控各處理稻田土壤蔗糖酶活性的垂直分布規律基本一致（圖2），即隨土層深度的增加土壤蔗糖酶活性逐漸減小，但拔節孕穗期CO處理出現了先減后增的情況。與常規肥管理相比，有機肥施用顯著提高了稻田土壤蔗糖酶活性，而秸稈還田對土壤蔗糖酶活性的影響因灌水處理而異。秸稈還田使淹水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性顯著提高，控制灌溉稻田土壤蔗糖酶活性略有降低。在各生育期，CO和TO處理0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值分別比CF和TF處理高31.54%～61.26%和7.53%～48.96%；TS處理0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值比TF處理高7.71%～29.79%，CS處理比CF處理低3.11%～7.36%。CO處理分蘗期10～20 cm土層及拔節孕穗期各土層土壤蔗糖酶活性顯著高于CF處理(P＜0.05)，TO處理分蘗期各土層顯著高于TF處理(P＜0.05)；TS處理分蘗期10～20 cm和20～40 cm土層土壤蔗糖酶活性顯著高于TF處理(P＜0.05)。

圖2 不同生育階段土壤蔗糖酶活性的垂直分布

不同施肥管理條件下，控制灌溉對稻田土壤蔗糖酶活性的影響不一致。有機肥管理條件下，CO處理各層土壤蔗糖酶活性基本高于TO處理，但拔節孕穗期10～20 cm土層出現了降低，CO處理各生育期0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值比TO處理高10.26%～21.34%。秸稈還田管理條件下，除分蘗期20～40 cm土層外，CS處理各層土壤蔗糖酶活性均低于TS處理，CS處理各生育期0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值比TS處理低6.79%～30.41%。常規肥管理條件下，控制灌溉對土壤蔗糖酶活性的影響因生育期而異，分蘗期CF處理各層土壤蔗糖酶活性均高于TF處理，拔節孕穗期則相反，分蘗期和拔節孕穗期CF處理0～40 cm土層土壤蔗糖酶活性均值分別比TF處理高24.87%和-19.09%。

總體來看，控制灌溉和有機肥施用、秸稈還田聯合調控提高了稻田土壤蔗糖酶活性，但拔節孕穗期CS處理各土層均出現了降低。CO處理各生育期和CS處理分蘗期0～40 cm土層的土壤蔗糖酶活性均值分別比TF處理高30.47%～64.25%和20.98%，CS處理拔節孕穗期比TF處理低25.04%。

3 結論

（1）稻田土壤微生物主要集中在土壤表層。與常規氮肥管理相比，有機肥施用和秸稈還田提高了稻田土壤微生物數量。不同灌水處理下，有機肥施用和秸稈還田稻田0～40 cm土層土壤菌落數均值分別比常規肥管理高1.37×105～5.40×105和5.00×104～2.07×105。不同施肥管理條件下，分蘗期控制灌溉稻田土壤微生物數量高于淹水灌溉，水稻生長中后期差異減小甚至反超。

（2）稻田土壤過氧化氫酶活性總體上隨土層深度的增加先增后減。與常規氮肥管理相比，有機肥施用和秸稈還田對土壤過氧化氫酶活性的影響較小。不同施肥管理條件下，控制灌溉稻田土壤過氧化氫酶均高于淹水灌溉。各生育期CF、CO與CS處理0～40 cm土層的土壤過氧化氫酶活性均值分別比TF、TO與TS處理高3.02%～6.07%、0.72%～8.79%與1.66%～2.59%。

（3）稻田土壤蔗糖酶活性總體上隨土層深度的增加而減小。與常規氮肥管理相比，有機肥施用顯著提高了稻田土壤蔗糖酶活性，而秸稈還田對土壤蔗糖酶活性的影響因灌水處理而異。不同灌水處理下，有機肥施用和秸稈還田稻田0～40 cm土層土壤蔗糖酶活性分別比常規肥管理高7.53%～61.26%和-7.36%～29.79%。不同施肥管理條件下，控制灌溉對稻田土壤蔗糖酶活性的影響不一致。

4 討論

本研究發現，控制灌溉分蘗期稻田土壤微生物數量基本高于淹水灌溉，水稻生長中后期差異逐漸減小且有反超的趨勢，與桂娟等[15]的結論基本一致。這可能是因為干濕交替過程中，“干過程”導致部分土壤微生物死亡、產生氮素，存活的微生物在“濕過程”中利用死亡的微生物和氮素快速增殖，多次干濕交替后存活微生物和氮素減少[16-17]，土壤微生物數量降低。同時本研究發現，控制灌溉和有機肥施用、秸稈還田聯合調控總體提高了稻田土壤微生物數量，這可能是因為一方面干濕交替使土壤微生物數量先增加后降低[18]，另一方面，有機肥施用和秸稈還田管理增加了土壤中可利用碳氮含量，改變了土壤碳氮比，適宜的碳氮比有利于土壤微生物的代謝和繁殖[19]。

本研究發現節水灌溉提高了土壤過氧化氫酶活性，有研究表明虧缺灌溉也有相同的效果[20]。這可能是因為適度的水分脅迫促進了水稻根系生長，增加了根系酶分泌量[21]。同時本研究發現控制灌溉和有機肥施用、秸稈還田聯合調控總體提高了稻田土壤蔗糖酶活性，但拔節孕穗期CS處理出現了降低。這可能是因為水碳調控通過改變土壤微生物數量和有機質含量來影響土壤蔗糖酶活性[22]。一方面水稻生長中后期節水灌溉稻田土壤微生物數量相比淹水灌溉有所降低，土壤蔗糖酶活性隨之降低[23]，另一方面干濕交替過程中，土壤水分含量頻繁改變會影響土壤各項理化性質，加速有機肥和秸稈的分解，增加土壤有機質含量[16]，且有機肥效果更顯著[24]，進而提高了土壤蔗糖酶活性[25]。