碳氮投入對4種不同土地利用方式土壤磷含量及胞外酶活性的影響

趙媛媛,靳嘉雯,陳 碩,張 帥,金予溦,江佳藝,郝祥蕊,張德龍,陳 清

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點實驗室,北京 100193;2.上海農(nóng)樂生物制品股份有限公司,上海 201419)

磷素是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一。在農(nóng)業(yè)種植體系中,由于化肥的不斷施用,全球范圍內(nèi)土壤磷素累積水平均顯著提升[1]。磷肥的不斷施用在獲得作物高產(chǎn)的同時,也造成土壤磷素大量累積而形成殘留態(tài)磷,以及增加磷素向深層土壤或周圍水體遷移的環(huán)境風(fēng)險[2]。對于自然生態(tài)系統(tǒng)而言,存在普遍的磷素限制現(xiàn)象[3],這會導(dǎo)致不同土地利用的土壤磷素循環(huán)存在差異性。

在農(nóng)田土壤中,由于大量養(yǎng)分的投入導(dǎo)致土壤磷素水平較高[4],高磷殘留土壤的無機磷的比例相對較高,而有機磷比例相對較低,為9.6%～13.8%[5-6],高量有機肥的施用導(dǎo)致土壤的C/P、C/N或N/P比很低,周年種植造成土壤有機碳氮磷的礦化量很高。全球尺度下土壤和微生物生物量的C∶N∶P比值平均分別為186∶13∶1和60∶7∶1[7],或者為287∶17∶1和42∶6∶1[8],我國所有類型土壤的C∶N∶P比值平均為134∶9∶1[9]。而受高養(yǎng)分投入的影響,山東地區(qū)的部分設(shè)施菜田土壤的平均C∶N∶P比例只有25∶2∶1[10]。因此,土壤C/P也是影響土壤磷素轉(zhuǎn)化及其對外源養(yǎng)分投入的響應(yīng)存在差異的重要因素。

在高投入體系中,土壤有機碳成為微生物活性的主要限制因子,而外源有機碳的投入可以在一定程度上增加磷素生物有效性[11]。有機物料的施用為微生物提供了碳源和礦物質(zhì),提高了微生物和磷酸酶的活性,促進有機磷的轉(zhuǎn)化。土壤中外源碳的投入將影響有機磷礦化、有機碳的降解以及微生物活性。有研究發(fā)現(xiàn),有機碳的降解與有機磷化合物關(guān)系緊密。Spohn等[12]通過短期試驗證實,有機磷礦化可能是微生物對碳源獲取的副作用,微生物對碳源的需求能驅(qū)動微生物礦化葡萄糖-6-磷酸中的磷。在外加碳源的土壤培養(yǎng)試驗中研究發(fā)現(xiàn),加入蔗糖和玉米秸稈增加了胞外酶的分泌,包括β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、幾丁質(zhì)酶、亮氨酸氨肽酶和木聚糖酶,而在其他研究中,還包括蛋白酶和磷酸酶[13]。Tomar等[14]的研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物呼吸與酶活性存在相關(guān)性,且與脫氫酶和酚氧化酶存在顯著正相關(guān),表明微生物生長和細(xì)胞外酶有良好對應(yīng)的關(guān)系[15]。

氮肥投入影響了土壤有機碳的變化,增加了土壤微生物量,促進了土壤呼吸。適量施用氮肥還能加速磷酸酶酶促土壤有機磷化合物的水解,生成更多植物可利用的無機態(tài)磷,增強土壤磷的供應(yīng)能力等[16]。研究發(fā)現(xiàn),養(yǎng)分投入會影響磷在土壤—植物系統(tǒng)中的循環(huán)及周轉(zhuǎn),如影響微生物量磷的再礦化作用、非生命的磷的胞外酶水解作用及生物礦化過程等。外加氮源將影響土壤有機磷或磷素的形態(tài)轉(zhuǎn)化,對土壤理化性質(zhì)和酶的活性也會產(chǎn)生影響。適量施用氮肥能加速磷酸酶酶促土壤有機磷化合物的水解,生成更多植物可利用的無機態(tài)磷,增強土壤磷的供應(yīng)能力[17]。除此之外,含氮元素的有機物的添加能有效影響土壤溶液中胞外酶的活性。如β-葡萄糖苷酶、纖維素二糖水解酶的活性隨著有機物的添加有明顯的提升[18]。

針對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較大的差異,外源碳氮投入會對土壤碳氮磷循環(huán)相關(guān)的胞外酶活性產(chǎn)生影響,進而影響磷含量;因此,本研究探究了4種土壤中外源碳氮添加對土壤胞外酶、速效磷和有機磷含量的影響,對合理、有效地預(yù)測農(nóng)田土壤磷素累積狀態(tài)、提高作物產(chǎn)量和保護生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

試驗所采用的4種土壤為:設(shè)施菜田土壤、糧田土壤、草原土壤和森林土壤,設(shè)施菜田土壤采自北京房山區(qū)西場村金地匯農(nóng)農(nóng)業(yè)合作社設(shè)施菜田,于收獲期采集,該地氣候類型為典型的大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫11.6 ℃,降水量603 mm,種植過程中的雞糞和尿素用量分別為3 t/hm2和150 kg/hm2,種植農(nóng)作物為番茄;糧田土壤采自設(shè)施菜地附近的土壤,于玉米收獲期采集;草原土壤采自內(nèi)蒙古草原生態(tài)研究站,位于內(nèi)蒙古多倫縣,海拔1 324 m(42°02′N,116°17′E),原生植被是一個有羊草和冰草的典型草原社區(qū);森林土壤采自北京森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,位于北京西郊門頭溝區(qū)東靈山,海拔1 100 m(115°36′E,39°48′N),森林包括一些典型的溫帶地區(qū)次生落葉闊葉林和人工針葉林。土壤采集后過篩(2 mm)風(fēng)干,去除土壤中的可見植物殘體和土壤動物,待培養(yǎng)。試驗前測得4種土壤的理化性質(zhì)如表1。

表1 土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil

1.2 試驗設(shè)計

試驗以葡萄糖作為碳源,以硝酸鉀作為氮源,共設(shè)4個處理,分別為對照(CK)、葡萄糖(G,500 mg/kg土壤)、硝酸鉀(N,300 mg/kg土壤)、葡萄糖和硝酸鉀(GN,葡萄糖500 mg/kg土壤和硝酸鉀300 mg/kg土壤)。碳氮添加量以風(fēng)干土質(zhì)量計。首先進行預(yù)培養(yǎng):即將4種風(fēng)干過篩(2 mm)的供試土壤分別稱取12份100 g于250 mL玻璃培養(yǎng)瓶中,加水至土壤最大田間持水量的60%,覆蓋帶孔透氣的封口,放入恒溫培養(yǎng)箱(25 ℃,濕度60%)中進行為期7 d的預(yù)培養(yǎng),使土壤趨于穩(wěn)定狀態(tài)。然后進行正式培養(yǎng):根據(jù)處理分別稱取葡萄糖和/或硝酸鉀,與土壤充分混勻,再次置于恒溫培養(yǎng)箱中,每個處理3次重復(fù),隨機排列,培養(yǎng)期間用稱質(zhì)量法補充水分。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 氣體采集 在培養(yǎng)的第1,2,5,10,18,55天進行氣體(CO2)采集。采集時,將土壤從培養(yǎng)箱中取出,將培養(yǎng)瓶取出進行通風(fēng)放置10 min,然后用封口膜密封在常溫暗處靜置2 h,分別在封口的前后各取20 mL氣體,儲存于氣袋中,然后再次將培養(yǎng)瓶放回培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。氣體用氣相色譜儀(Agilent 7890A,美國)進行測定,分析CO2前后濃度的差異及其與所加物料的關(guān)系。

1.3.2 土壤樣品采集與測定 培養(yǎng)的第55天取氣后采集土壤樣品,將罐子中所有土壤取出并分為2份:其中1份為稱取20 g置于4 ℃保存,于7 d內(nèi)測定磷酸酶的活性;其余風(fēng)干,測定相關(guān)理化性質(zhì)(土壤pH值、土壤有機碳、土壤總氮、土壤總磷、土壤有機磷、速效磷)。土壤pH值利用水提取土壤溶液(土水比1.0∶2.5)用酸度計測定。土壤總磷(TP)通過濃硫酸和H2O2消煮法測定。土壤有機磷利用灼燒法測定[19]。土壤Olsen-P采用0.5 mol/L NaHCO3(pH=8.5)溶液提取(土水比1∶20),并用鉬銻抗比色法測定[20]。土壤總碳(TC)、總氮(TN)和有機碳(OC)含量通過干燒法,利用元素分析儀測定(Vario Micro Cube,Elementar)。土壤酶活性通過熒光微型板酶檢測方法進行測定,同時調(diào)節(jié)緩沖液的不同pH值(Turner,2010),堿性磷酸酶(ALP,EC 3.1.3.1)以4-甲基傘形基磷酸為底物,配制緩沖溶液pH值為11.0,葡萄糖苷酶(BG,EC 3.2.1.21)以4-甲基傘形酮基β-D-葡萄糖苷為底物,配制緩沖溶液pH值為6.0,最后在激發(fā)波長為365 nm、發(fā)射波長為450 nm的條件下用多功能酶標(biāo)儀(SpectraMax i3x)讀取熒光值,所有試劑均采購于Sigma Aldrich公司。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)以Excel 2007軟件整理,采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析,用LSD法進行顯著性檢驗,顯著性水平P<0.05,并進行相關(guān)分析,得出相關(guān)值后評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳氮投入對土壤磷含量的影響

2.1.1 土壤有機磷含量 4種土壤中有機磷的含量對碳氮不同投入響應(yīng)不同(圖1),且不同土地利用方式下,土壤有機磷含量差異大。結(jié)果表明,與CK處理相比,添加碳源顯著提高了菜田、森林土壤有機磷的含量,分別提高了89.7%,40.6%;添加碳源、添加氮源和同時添加碳源、氮源均顯著提高了森林土壤有機磷含量,分別提高了40.6%,33.6%,46.8%,且同時添加碳源和氮源時,土壤有機磷含量最高。

不同小寫字母代表同一類型土壤中不同處理間達到顯著差異水平(P<0.05)。A.菜田;B.糧田;C.草地;D.森林。圖2—5同。Different lowercase letters represent significant differences between different treatments in the same type of soil(P<0.05).A.Greenhouse vegetable fields;B.Grain field;C.Grassland;D.Forest.The same as Fig.2—5.

2.1.2 土壤速效磷含量 4種土壤中速效磷的含量對碳氮不同投入響應(yīng)不同(圖2),且不同土地利用方式下,土壤速效磷含量差異明顯。與CK處理比較,N處理菜田的土壤速效磷顯著增加了14.2%。其余3種土壤在添加碳源、添加氮源以及同時添加碳源、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顯,3個處理組中土壤速效磷分別下降了14.5%,14.0%,9.4%。

圖2 不同處理對不同土地利用方式的土壤有效磷含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil olsen-P content under different land use patterns

2.2 碳氮投入對土壤胞外酶活性的影響

2.2.1 土壤堿性磷酸酶活性 4種土壤中ALP的活性對碳氮不同投入響應(yīng)不同(圖3)。結(jié)果表明,與CK處理相比,碳氮添加處理對菜田和糧田土壤ALP活性沒有顯著影響,單獨碳源添加處理顯著降低了草地和森林土壤的ALP活性,分別降低了35.9%,25.5%,與此同時,氮添加也顯著降低了草地和森林土壤的ALP活性,分別降低了28.8%,24.8%。草地和森林土壤在添加碳源的基礎(chǔ)上添加氮源后與僅添加碳源或氮源相比,均提高了土壤ALP活性,這種變化在森林土壤中更為顯著。

圖3 不同處理對不同土地利用方式的土壤堿性磷酸酶活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil alkaline phosphatase activity under different land use

圖4 不同處理對不同土地利用方式的土壤β-葡萄糖苷酶活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on soil β-glucosidase activity under different land use

2.2.2 土壤β-葡萄糖苷酶活性 4種不同處理方式下,不同類型土壤β-葡萄糖苷酶活性對碳氮投入的響應(yīng)不同(圖 4)。結(jié)果表明,與CK處理相比,氮源添加顯著提高了菜田土壤的β-葡萄糖苷酶活性,提高了50.7%。碳、氮同時添加處理對于4種土壤的β-葡萄糖苷酶活性均有增加,且菜田和草地土壤中這種差異更為顯著,分別增加了62.6%,21.6%。且碳氮添加與僅添加碳源或氮源相比,均提高了土壤β-葡萄糖苷酶活性,這種變化在菜田和草地土壤中更為顯著。

2.3 土壤理化性質(zhì)

土壤培養(yǎng)55 d后,可觀察到不同處理的土壤理化性質(zhì)發(fā)生了改變(表2)。添加氮源后,菜田、糧田土壤pH值均顯著降低,而在草地土壤pH值則顯著增加,但森林土壤pH值無顯著變化。不同土地利用方式下,添加氮肥處理均增加了土壤全氮含量,其中以菜田、草地和森林土壤最為顯著。氮源和碳源的添加對全磷和OC/TP則沒有顯著影響。已有文獻中證明,pH值的改變會直接或者間接影響土壤磷素有效性,然而本研究中雖然pH值發(fā)生顯著變化,但是其增幅和降幅均在0～7.96%,加之土壤本身的緩沖性,不足以引起土壤磷素有效性的改變。因此,可以認(rèn)為本試驗中速效磷含量的變化來源于氮肥本身。

表2 碳氮投入對不同土壤理化性質(zhì)的影響Tab.2 Effects of carbon and nitrogen inputs on physicochemical properties of different soils

2.4 碳氮投入對土壤CO2釋放量的影響

在持續(xù)55 d土壤培養(yǎng)過程中,第1,2,5,11,18,55天采得氣體的累積排放總量見圖5。不同土地利用方式下,土壤微生物呼吸量相對于對照均無顯著差異或有增加。不添加有機物料的處理中,菜田和糧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4種處理中,添加了碳源的土壤微生物呼吸量與對照相比顯著增加,添加了氮源的土壤微生物呼吸量與對照相比變化不顯著。在草地土壤(TN=1.97 g/kg)及森林土壤(TN=2.99 g/kg)的高氮條件下,在碳源添加的基礎(chǔ)上,外加氮源明顯抑制了土壤微生物呼吸,CO2累積排放量分別降低了19.7%和16.5%,而在菜田、糧田土壤中未觀察到顯著差異。

圖5 4種處理條件下4種土壤CO2累計釋放量Fig.5 Four kinds of soil CO2 cumulative release under four kinds of treatment conditions

3 結(jié)論與討論

3.1 碳氮投入對不同土地利用方式的土壤磷含量變化的影響

與森林土壤對比,菜田、糧田和草地3種土壤的C/N較低,碳為相對限制因素,氮源的添加可能通過改變微生物的群落結(jié)構(gòu)進而改變微生物對碳源的利用,受到碳限制的微生物會使用磷酸化化合物的有機部分作為碳源[21]。許多近年來文獻結(jié)果表明,外源碳氮的添加會導(dǎo)致土壤微生物的呼吸量增加引發(fā)起爆效應(yīng)[22-25]。一般而言,這個過程會改變土壤有機碳的分解[26],而對于外源添加不穩(wěn)定或者活性的碳源等物質(zhì),則會通過起爆效應(yīng)的正效應(yīng)增加土壤有機碳的分解[18,27],第一種是表觀分解,即微生物只是利用了外源投入的能源物質(zhì),而并未分解土壤中有機碳,這種情況下,可能并不會影響到土壤中養(yǎng)分的循環(huán)過程;第二種是實際的分解,即土壤微生物利用外源能源物質(zhì)的同時,也分解了土壤中的有機碳,則會顯著改變土壤中其他元素的轉(zhuǎn)化過程[28],而這可以在一定程度上驅(qū)動土壤磷素轉(zhuǎn)化過程。有研究表明,添加葡萄糖和纖維素顯著促進了土壤微生物的生長以及對土壤磷素的活化[29],通過施用外源碳促進土壤微生物對磷素的固持進而降低其在土壤剖面的遷移[30]。本研究結(jié)果顯示,與CK相比,添加葡萄糖處理顯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驅(qū)動了微生物對磷的固定;而對于速效磷含量本就較高的設(shè)施菜田而言,葡萄糖添加并未顯著影響其土壤速效磷含量,但是顯著增加了有機磷含量,因此,土壤碳磷循環(huán)是存在耦合關(guān)系的。對于氮素添加后,可能導(dǎo)致磷酸酶的活性受到抑制,從而阻礙了有機磷的礦化進程,因此,添加氮源的處理比對照處理的有機磷含量更高。這與于群英[17]的研究一致,適量施用氮肥能加速磷酸酶促進土壤有機磷化合物的水解,生成更多植物可利用的無機態(tài)磷,會增強土壤磷的供應(yīng)能力。

有研究表明,土壤有機質(zhì)和pH值是影響土壤磷素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素,需要指出的是,對于氮肥而言,其長期效應(yīng)會導(dǎo)致土壤酸化,這會分別通過生物過程和非生物過程進而影響土壤磷素轉(zhuǎn)化,本試驗盡管氮源添加顯著影響了土壤pH值,但并未因此顯著影響土壤磷素含量。本研究結(jié)果表明,外源碳的添加均顯著增加了培養(yǎng)初期土壤的呼吸量,在培養(yǎng)的第7天趨于平穩(wěn),與此同時,碳氮共同添加的處理顯著低于單施碳源處理,即硝酸銨抑制了土壤CO2的釋放量,已有研究結(jié)果表明,在添加葡萄糖的同時添加硝態(tài)氮或者銨態(tài)氮均會抑制起爆效應(yīng)[31],土壤有機碳和微生物生物量之間存在正相關(guān)關(guān)系[30],葡萄糖這一類活性的碳源添加到土壤中后,會增加微生物的生長或者改變微生物的群落結(jié)構(gòu),而隨著微生物的生長,會逐漸消耗對土壤無機氮的利用進而降低氮的含量,此時微生物會通過分泌相關(guān)的酶分解土壤中的有機碳進而獲取用于自身生長的元素[32]。然而,當(dāng)碳氮一起添加時,氮源則可以直接被微生物利用,且土壤微生物不必通過分泌酶去分解有機碳[26,33],因此,會降低起爆效應(yīng)[34],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潛在的磷素淋失風(fēng)險[30],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,短期內(nèi)添加葡萄糖使得土壤微生物大量增殖消耗土壤有效磷,但長期來看并不會影響土壤有效磷含量[35]。

3.2 碳氮投入對不同土地利用方式土壤胞外酶活性的影響

土壤酶的活性在土壤肥力的評價中起著重要作用[36]。酶是土壤有機磷礦化作用中的重要催化劑,主要來源于植物根系和微生物代謝物,以及由其他動植物分解過程中產(chǎn)生。提高土壤堿性磷酸酶的活性,可促進土壤有機磷礦化進而滿足作物或微生物對磷素的需求[37]。土壤磷酸酶酶促作用可以表征土壤磷素有效化強度[38]。在本試驗中,草地和森林土壤的氮素含量較高,而農(nóng)田土壤的卻較低,可能由于本研究中的設(shè)施菜田和糧田土壤種植年限均較短,且設(shè)施菜田土壤質(zhì)地為沙壤土,夏季揭膜過程中氮素發(fā)生了淋失,而草地和森林土壤可能是長期氮沉降導(dǎo)致。結(jié)果表明,在設(shè)施菜田土壤中,外源碳源的添加對β-葡萄糖苷酶活性沒有顯著影響,但是氮源添加顯著增加了該土壤β-葡萄糖苷酶活性,與此同時,碳氮同時添加顯著增加了草地土壤β-葡萄糖苷酶活性,因此,在本試驗的設(shè)施菜田土壤中添加氮源有利于碳的循環(huán)過程,而草地中由于氮素含量較高,在補充碳源基礎(chǔ)上,氮源添加有助于提升其β-葡萄糖苷酶活性。在此過程中,土壤微生物通過分泌與碳磷循環(huán)相關(guān)的胞外酶,以平衡元素之間的化學(xué)計量關(guān)系[39],進而影響土壤磷素含量。有研究表明,適量施用氮肥會加速磷酸酶促進土壤有機磷化合物的水解,生成更多植物可利用的無機態(tài)磷,增強土壤磷的供應(yīng)能力[16]。而對于森林土壤而言,則是相反的過程,即由于ALP活性的降低抑制了有機磷的礦化,進而無機磷的釋放量隨之降低。菜田土壤中OC/TP相對較低,在碳源添加的基礎(chǔ)上,氮源的添加會促進有機碳的降解,進而影響到有機磷的含量,而這種作用可能來源于β-葡萄糖苷酶活性的增加。有研究結(jié)果表明,長期氮肥施用顯著抑制了ALP活性,而這可能通過降低土壤有機磷的礦化進而增加土壤有機磷的累積[5]。也有研究表明,氮肥添加顯著提升了土壤ALP的活性,這可能是由于在磷素缺乏的情況下,氮肥施用促進了根系或土壤微生物對磷酸酶的分泌[40],并促進了作物對無機磷的吸收,同時間接增加了土壤有機磷的比例。Chen等[18]通過向土壤中添加蔗糖后,發(fā)現(xiàn)顯著增加了土壤胞外酶,包括β-葡萄糖苷酶活性,此過程也增加了土壤磷酸酶活性,而這種變化是由于增加了土壤微生物的生長導(dǎo)致的[41]。然而,針對碳氮添加如何通過調(diào)控土壤碳氮磷化學(xué)計量以及酶的化學(xué)計量進而影響土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的機制還需要進一步探討,這可以為理解不同養(yǎng)分含量土壤磷素調(diào)控和管理提供理論參考。

碳源添加顯著增加了菜田土壤有機磷含量;同時添加碳氮顯著提升了森林土壤有機磷含量;碳源添加顯著降低了草地土壤Olsen-P含量;添加氮源顯著增加了菜田土壤的Olsen-P含量,降低了森林土壤的Olsen-P含量。

碳氮投入對菜田和糧田土壤堿性磷酸酶沒有顯著影響,但氮素添加提高了菜田土壤β-葡萄糖苷酶活性;在草地和森林土壤中,氮素投入抑制了堿性磷酸酶活性,而在碳源基礎(chǔ)上添加氮素則提高了堿性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶活性。

不添加碳源條件下,氮素添加對土壤CO2釋放量沒有影響,添加碳源后,菜田土壤有增加CO2釋放的趨勢,同時,氮素抑制了高碳體系土壤CO2的釋放量。

綜上所述,不同土地利用方式的土壤磷素含量和酶活性對碳氮添加的響應(yīng)存在差異性,通過外源添加碳源可以一定程度上通過調(diào)控微生物對酶的分泌,實現(xiàn)“以碳促磷”,進而增加土壤磷素供應(yīng)能力。