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有机无机肥配合生化抑制剂抑制土壤有机碳的转化

呼娟娟 陶瑞 褚贵新

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有机无机肥配合生化抑制剂抑制土壤有机碳的转化

    作者简介: 呼娟娟E-mail:huj13150409607@163.com;
    通讯作者: 褚贵新, E-mail:chuguixinshzu@163.com
  • 基金项目: 公益性行业(农业)科研专项(201503116);国家十二五科技支撑项目(2012BAD42B02)。

Partial replacement of inorganic N with cattle manure and combining use of biochemical inhibitors inhibit organic carbon conversion in soil

    Corresponding author: CHU Gui-xin, E-mail:chuguixinshzu@163.com
  • 摘要: 【目的】有机肥部分替代化肥是确保土壤地力提升、兼顾农田养分高效利用的有效途径。脲酶和硝化抑制剂可有效抑制尿素水解和土壤硝化过程。研究硝化抑制剂[2-氯-6 (三氯甲基)-吡啶 (nitrapyrin, CP)]和脲酶抑制剂[正丁基硫代磷酸酰胺 (N-butyl thiophosphamide,NB)]对土壤有机碳素转化的影响,为有机无机肥配合施用提供科学依据。【方法】在25℃和35℃条件下进行土壤培养试验。试验共设不施肥对照 (CK)、单施尿素 (U)、尿素+牛粪 (UM)、尿素+牛粪+NB (UMNB)、尿素+牛粪+CP (UMCP)、尿素+牛粪+NB+CP (UMNB+CP) 6个处理。除CK外,所有处理氮素用量一致,均为N 0.35 g/kg,除单施尿素处理,其余处理中牛粪氮的比例均为40%。在培养第7、32、81天取样,测定土壤有机碳组分含量,分析土壤蔗糖酶、纤维素酶、β-D-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶4种酶活性。【结果】在25℃和35℃条件下,培养后第7、32、81天UMNB、UMCP和UMNB+CP处理的土壤有机碳量 (SOC) 与UM间无显著差异,但均显著高于单施尿素处理;与UM相比,UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的土壤易氧化碳 (EOOC) 平均分别降低了7.6%、5.4%和15.4%;UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的微生物生物量碳 (MBC) 平均值为190 mg/kg (25℃) 和286 mg/kg (35℃),与UM相比分别降低了47%(25℃) 和13.9% (35℃)。在25℃条件下,培养第7和81天时,UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的EOOC值与UM差异不显著,而在第32天时,均显著低于UM,3个抑制剂处理间差异不显著;在35℃下3个抑制剂处理与UM处理差异未达显著水平,只在32天时UMNB+CP处理显著低于其他两个抑制剂处理 (P < 0.05)。微生物生物量碳下降的幅度在3个培养期和两个温度下,均表现为UMNB < UMCP < UMNB+CP;在25℃下,第7天和32天时UMCP和UMNB+CP的MBC量显著低于UMNB;在35℃下,仅在第7天时UMCP和UMNB+CP显著低于UMNB,而UMCP和UMNB+CP间MBC量差异不显著。与U和CK相比,4个添加牛粪的处理均可提高土壤β-D-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性,但却显著降低了纤维素酶活性。不同处理间的土壤转化酶活性无明显差异。在25℃和35℃条件下,加抑制剂处理表现出抑制纤维素酶活性的趋势。【结论】在有机肥替代40%化肥的常规氮用量下,添加脲酶抑制剂 (NB) 和硝化抑制剂 (CP),特别是CP,虽然不影响土壤总有机碳含量的增加,但显著降低了与有机碳矿化相关的土壤微生物量和酶活性,特别是纤维素酶活性,因而抑制了土壤中有机碳的转化。同时添加两种抑制剂对有机碳转化的抑制效果更强。因此,在用有机物料替代化肥的生产实践中,脲酶和硝化抑制剂的使用应慎重。
  • 图 1  不同培养时间各施肥处理土壤总有机碳含量

    Figure 1.  Total soil organic carbon contents in each treatment at different incubation days

    图 2  不同培养时间各施肥处理土壤易氧化有机碳含量

    Figure 2.  Easily oxidized organic carbon content of soils in each treatment at different incubation days

    图 3  不同培养时间各施肥处理土壤微生物量碳含量

    Figure 3.  Soil microbial biomass carbon contents in each treatment at different incubation days

    图 4  不同处理对土壤碳循环相关酶活性的影响

    Figure 4.  Effects of different treatments on activity of soil carbon cycle related enzymes

    图 5  不同施肥处理下土壤有机碳组分和酶活性的冗余分析

    Figure 5.  Redundant analysis of the correlations between soil organic carbon components and enzymatic activities as affected by treatments

    图 6  不同施肥处理下土壤有机碳组分变化的雷达图

    Figure 6.  Radar chart analysis of the effects of different treatments on soil organic carbon components

    图 7  不同处理对土壤酶活性影响的雷达图综合分析

    Figure 7.  Radar chart analysis of the effects of different treatments on enzyme activity

    表 1  各处理土壤碳库指数

    Table 1.  Indices of soil carbon pool in each treatment at 25℃ and 35℃

    处理
    Treatment
    25℃35℃
    CPIEOOC/SOCMBC/SOCMBC/EOOCCPIEOOC/SOCMBC/SOCMBC/EOOC
    CK1.00 d0.19 a0.008 d0.04 d1.00 c0.38 b0.02 d0.04 c
    U0.98 c0.17 bc0.012 b0.07 b0.96 d0.41 a0.02 b0.06 b
    UM1.14 ab0.20 a0.016 a0.08 a1.22 b0.28 c0.03 a0.09 a
    UMNB1.15 a0.17 bc0.015 a0.08 a1.29 a0.26 cd0.02 b0.09 a
    UMCP1.12 b0.19 ab0.011 bc0.06 c1.24 b0.26 cd0.024 bc0.08 a
    UMNB+CP1.13 ab0.17 c0.009 cd0.06 c1.24 b0.24 d0.02 c0.08 a
    注(Note):CK—对照 Control; U—尿素 Urea; UM—尿素+牛粪 Urea+cattle manure; NB—脲酶抑制剂 N-butyl thiophosphamide; CP—硝化抑制剂 Nitrapyrin; UMNB—UM +NB; UMCP—UM+CP; UMNB+CP—UM+NB+CP; 同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant difference (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-23
  • 网络出版日期:  2020-02-04
  • 刊出日期:  2020-01-01

有机无机肥配合生化抑制剂抑制土壤有机碳的转化

    作者简介:呼娟娟E-mail:huj13150409607@163.com
    通讯作者: 褚贵新, chuguixinshzu@163.com
  • 1. 石河子大学农学院,新疆石河子 832000
  • 2. 绍兴文理学院生命科学学院,浙江绍兴 312000
  • 基金项目: 公益性行业(农业)科研专项(201503116);国家十二五科技支撑项目(2012BAD42B02)。
  • 摘要: 【目的】有机肥部分替代化肥是确保土壤地力提升、兼顾农田养分高效利用的有效途径。脲酶和硝化抑制剂可有效抑制尿素水解和土壤硝化过程。研究硝化抑制剂[2-氯-6 (三氯甲基)-吡啶 (nitrapyrin, CP)]和脲酶抑制剂[正丁基硫代磷酸酰胺 (N-butyl thiophosphamide,NB)]对土壤有机碳素转化的影响,为有机无机肥配合施用提供科学依据。【方法】在25℃和35℃条件下进行土壤培养试验。试验共设不施肥对照 (CK)、单施尿素 (U)、尿素+牛粪 (UM)、尿素+牛粪+NB (UMNB)、尿素+牛粪+CP (UMCP)、尿素+牛粪+NB+CP (UMNB+CP) 6个处理。除CK外,所有处理氮素用量一致,均为N 0.35 g/kg,除单施尿素处理,其余处理中牛粪氮的比例均为40%。在培养第7、32、81天取样,测定土壤有机碳组分含量,分析土壤蔗糖酶、纤维素酶、β-D-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶4种酶活性。【结果】在25℃和35℃条件下,培养后第7、32、81天UMNB、UMCP和UMNB+CP处理的土壤有机碳量 (SOC) 与UM间无显著差异,但均显著高于单施尿素处理;与UM相比,UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的土壤易氧化碳 (EOOC) 平均分别降低了7.6%、5.4%和15.4%;UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的微生物生物量碳 (MBC) 平均值为190 mg/kg (25℃) 和286 mg/kg (35℃),与UM相比分别降低了47%(25℃) 和13.9% (35℃)。在25℃条件下,培养第7和81天时,UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的EOOC值与UM差异不显著,而在第32天时,均显著低于UM,3个抑制剂处理间差异不显著;在35℃下3个抑制剂处理与UM处理差异未达显著水平,只在32天时UMNB+CP处理显著低于其他两个抑制剂处理 (P < 0.05)。微生物生物量碳下降的幅度在3个培养期和两个温度下,均表现为UMNB < UMCP < UMNB+CP;在25℃下,第7天和32天时UMCP和UMNB+CP的MBC量显著低于UMNB;在35℃下,仅在第7天时UMCP和UMNB+CP显著低于UMNB,而UMCP和UMNB+CP间MBC量差异不显著。与U和CK相比,4个添加牛粪的处理均可提高土壤β-D-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性,但却显著降低了纤维素酶活性。不同处理间的土壤转化酶活性无明显差异。在25℃和35℃条件下,加抑制剂处理表现出抑制纤维素酶活性的趋势。【结论】在有机肥替代40%化肥的常规氮用量下,添加脲酶抑制剂 (NB) 和硝化抑制剂 (CP),特别是CP,虽然不影响土壤总有机碳含量的增加,但显著降低了与有机碳矿化相关的土壤微生物量和酶活性,特别是纤维素酶活性,因而抑制了土壤中有机碳的转化。同时添加两种抑制剂对有机碳转化的抑制效果更强。因此,在用有机物料替代化肥的生产实践中,脲酶和硝化抑制剂的使用应慎重。

    English Abstract

    • 有机增碳是确保农田地力提升、减少化肥氮用量有效途径,也是今后我国很长一段时期的施肥策略。土壤有机碳是重要的土壤组分,也是影响土壤肥力的核心要素[1]。施用有机肥或者有机无机肥配施,不仅可培肥地力,提高作物产量[2],对降低大量施用化肥所造成的环境污染问题也有显著作用。有机无机肥配施不仅能促进土壤有机碳积累[3-5],而且显著增加土壤微生物量碳 (MBC)、易氧化有机碳 (EOOC)、溶解性有机碳 (DOC)[6-7]。同时,有机肥对提高土壤生物活性[8]、维持农田土壤健康微生物区系群落结构与多样性[9]、抑制农田土传病害均有显著效果[10]。沈其荣研究团队报道施用生物有机肥可显著抑制土壤病害发生,并可增加土壤生物活性[11]。微生物产生的酶是调控有机碳降解和营养物质循环的重要媒介[12]。一般认为,施肥可提高转化酶 (蔗糖酶)、β-葡萄糖苷酶 (BG)、纤维素分解酶 (CBH) 等酶活性[13-14]。Cusack等运用13C核磁共振 (NMR) 技术和磷酸脂肪酸 (PLFA) 研究发现,氮素可调节土壤水解酶及氧化酶活性,尤以有机无机肥配施显著提高有机碳转化相关水解酶活性[15],进而促进土壤活性碳分解[13]。此外,研究发现温度、水分、pH等调控土壤有机碳降解过程相关的功能酶活性[16-19]。研究表明,等氮量施肥处理水解酶活性随着温度 (< 35℃) 升高而降低,相反,对照和无机肥处理相比有机肥处理多酚氧化酶活性随着温度升高而提高 (< 25℃)[13]。而周璞等[17]研究认为稻田土壤葡萄糖苷酶 (BG) 活性 (< 25℃) 随温度升高逐渐增加,而当温度达到35℃时则会抑制BG活性。土壤酶活性的变化是多因素共同影响的结果,不能一概而论。

      我国以占世界耕地面积7%~9%的农田土壤,消耗了占世界氮肥总用量1/3的化学氮肥[20-21]。我国每年产生的畜禽粪便约为1400万t纯氮,相当于50%的化学氮肥年产量,而这部分有机氮的还田率仅为40%左右[20]。如果能够将这个比例提高到80%左右,那么每年就能节约600万t化学氮肥[20]。传统上,畜禽粪便通过堆、沤腐熟后撒施是最普遍的施用方式。然而由于肥源分散,生产的有机粪肥存在养分损失大、肥料商品性状差、易对周边环境产生不良影响、施用费工费时等缺点,通过这种方式制成的有机肥已不能满足现代农业技术要求。近年来,用工业化生产工艺把畜禽粪制成颗粒或条状的生物有机肥、有机无机复合肥等精致商品有机肥,不但可实现农业废弃物的高效利用,更为节肥增效和有机替代施肥决策提供强有力的技术支撑。

      脲酶抑制剂和硝化抑制剂广泛应用于农业土壤,对调控土壤氮素转化和改善作物氮素营养发挥重要作用[22-23]。近年来,研究人员尝试通过添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂与化学氮肥或者有机无机肥配伍,从而制成稳定性新型肥料[24-27],对延缓尿素水解[28-29]、抑制土壤硝化作用[30]、减少硝酸盐等淋失[31]、降低氨挥发[32-33]、N2O减排[34]等有明显效果。然而土壤有机碳与土壤氮素相互作用紧密相关[35],两种抑制剂使用可明显影响土壤氮素转化的关键过程,但其对土壤碳转化相关性状产生何种影响却鲜有报道。本试验通过有机氮肥 (畜禽粪便) 部分代替化学氮肥,并配伍脲酶抑制剂和硝化抑制剂,研究有机增碳与添加双抑制剂对石灰性土壤有机碳组分及其相关关键酶活性的影响,为稳定性的有机无机复合肥研制以及有机增碳农田施肥策略提供理论依据,为农田土壤地力提升提供施肥参考。

      • 供试土壤采自石河子大学农试场0—20 cm 表层土壤 (E84°58′~86°24′、N43°26′~45°20′),前茬作物为棉花。土壤类型属于灌耕灰漠土 (calcaric fluvisals),土壤基本理化性质:pH 8.1、有机质 13.5 g/kg、全氮 0.95 g/kg、全磷 0.30 g/kg、碱解氮 88.6 mg/kg、有效磷 23.4 mg/kg、速效钾 136 mg/kg。土样去除杂质和作物残根后自然风干,过2 mm筛备用。

        供试氮肥为尿素 (含N 46.0%),腐熟牛粪含有机碳 38.8%、N 1.5%、P2O5 2.01%、K2O 0.21%。脲酶抑制剂为正丁基硫代磷酸酰胺 (N-butyl thiophosphamide,NB,有效含量为97%,湖北恒硕化工有限公司生产)。硝化抑制剂为2-氯-6-三氯甲基吡啶乳油 (nitrapyrin,CP,有效含量为24%,浙江奥复托化工有限公司生产)。

      • 室内培养试验设置25℃和35℃ 2个温度。设置6个处理,分别为:不施氮肥对照 (CK)、单施尿素 (U)、尿素+牛粪 (UM)、尿素+牛粪+NB (UMNB)、尿素+牛粪+CP (UMCP)、尿素+牛粪+NB+CP (UMNB+CP),每个处理4次重复。所有施肥处理施氮量为N 0.35 g/kg 土。尿素和牛粪配施处理含60%的尿素氮,40%的牛粪氮。UMNB处理的NB添加量为纯氮量的5‰,UMCP处理CP的添加量为纯氮量的2.5‰。

        准确称取800 g过2 mm筛的风干土,装入培养瓶 (高17 cm × 底径8.6 cm,容积为950 mL,Bormioli Rocco Quattro Stagioni,Italy),共计24瓶,在每个瓶中分别加入各处理准确计量的尿素、有机肥 (牛粪)、NB和CP,充分混匀。加入纯净水调节土壤含水量至60%田间持水量,并用帕拉胶膜 (parafilm,Bemis®,USA) 封口,置于恒温培养箱中黑暗培养,隔1~2天补充水分以保持田间持水量的60%。

        分别在2017年3月31日气温 (25 ± 1)℃和2017年9月19日 气温 (35 ± 1)℃进行培养试验,培养时间均为81天。在培养的第7、32和81天分别采集土壤样品,立即放入4℃冰箱内保存,用于测定土壤有机碳、土壤微生物量碳 (MBC)、易氧化有机碳及土壤酶活性。

      • 土壤有机碳 (SOC) 采用重铬酸钾外加热法[36]测定。土壤微生物量碳 (MBC) 采用用TOC/N自动分析仪测定,其中,MBC = 2.64 × EC,EC为熏蒸土壤与未熏蒸土壤中有机碳的差值。土壤易氧化有机碳含量 (easily oxidized organic carbon,EOOC) 用KMnO4氧化法[3]测定,具体操作步骤:称取过0.15 mm筛且约含15 mg碳的自然风干土样于50 mL塑料旋盖离心管中,加入25 mL浓度为333 mmol/L KMnO4溶液,密封瓶口,以250 r/min 振荡1 h,同时做无土壤空白对照。振荡后的样品在4000 r/min转速下离心5 min,取上清液用去离子水按1∶250稀释,用分光光度计在波长565 nm处测定样品吸光度。由空白与土壤样品的吸光度之差计算KMnO4溶液浓度的变化,从而计算氧化的碳量或活性有机质含量 (以氧化过程中1 mmol KMnO4消耗碳0.75 mmol或9 mg碳计算)。

      • 转化酶 (invertase,EC3.2.1.26)、纤维素酶 (cellulase,EC3.2.1.91)、β-D-葡萄糖苷酶 (β-D-glucosidase,EC3.2.1.21) 和多酚氧化酶 (PPO,EC 1.10.3.1) 活性测定参考Dick的方法[37]

      • 采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0 (IBM SPSS Statistics,USA) 和多元统计分析软件GraphPad prism 5.0 (GraphPad Software,San Diego,CA) 进行数据处理和绘图。各处理全部观测值采用单因素方差分析 (one-way ANOVA),分析处理和取样时间的差异显著性 (α < 0.05) 及用Duncan新复极差法进行多重比较。用CANOCO 5.0 (Canoco Inc.,Ithaca,NY,USA) 进行冗余分析 (redundancy analysis,RDA)。RDA分析数据用全部观测值,通过归一化分析。

      • 图1可见,在81天的培养期内,牛粪与尿素配合处理的有机碳含量均显著高于对照和单施尿素处理 (P < 0.01)。同一处理,35℃温度下土壤有机碳含量明显低于25℃条件下,在培养第7天时,二者有机碳含量差异即达到显著水平,表明温度对有机碳的转化影响显著。在两个温度下,4个施牛粪处理的有机碳含量均显著高于CK和单施氮肥处理 (P < 0.05),表明有机肥替代化肥增加了土壤中的有机碳含量。在4个施牛粪处理中,以UMNB处理土壤的有机碳含量最高,其中25℃下第7天、35℃下第32天和第81天与其他3个施牛粪处理的差异达到显著水平 (P < 0.05),UM、UMCP和UMNB+CP处理间差异不显著。

        图  1  不同培养时间各施肥处理土壤总有机碳含量

        Figure 1.  Total soil organic carbon contents in each treatment at different incubation days

      • 土壤易氧化有机碳代表易分解有机碳,也是易被土壤微生物利用的有机碳组分。由图2可见,温度升高,有利于有机碳向EOOC的分解转化 (P < 0.01)。与有机碳不同,CK和U处理的EOOC值在25℃下显著低于UM处理,与3个含抑制剂的处理相当,在35℃下略高于UM处理,显著高于3个含抑制剂处理。UM处理在25℃第32 天时,EOOC值显著高于3个加抑制剂处理,3个加抑制剂处理的EOOC值在25℃的3个取样时期差异均不显著;在35℃下培养32天时,UMNB+CP显著低于UMNB和UMCP。表明抑制剂及施牛粪虽然增加了土壤有机碳含量,但对EOOC的增加作用不显著,甚至降低EOOC值。

        图  2  不同培养时间各施肥处理土壤易氧化有机碳含量

        Figure 2.  Easily oxidized organic carbon content of soils in each treatment at different incubation days

      • 与单施尿素 (U) 相比,UM处理显著提高了土壤MBC含量,而添加抑制剂处理降低了MBC含量 (图3)。25℃下培养7天,UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的MBC含量与UM差异均显著;32天时,UMNB与UM差异已不显著,81天时,3个加抑制剂处理与UM差异均不显著。35℃下,培养7天UMNB与UM差异已不显著,所有3个加抑制剂处理在培养32天后与UM处理的差异都不显著。表明温度较低 (25℃) 时,抑制剂对微生物活性的影响持续时间较长,而高温 (35℃) 下持续时间较短。

        图  3  不同培养时间各施肥处理土壤微生物量碳含量

        Figure 3.  Soil microbial biomass carbon contents in each treatment at different incubation days

        不同抑制剂处理间比较,微生物量碳含量下降的幅度在3个培养期和两个温度下均为UMNB < UMCP < UMNB+CP。在25℃下,第7天和32天UMCP和UMNB+CP的MBC含量显著低于UMNB;在35℃下,第7天UMCP和UMNB+CP显著低于UMNB,而UMCP和UMNB+CP间差异不显著。表明抑制剂CP对微生物的活性的抑制作用大于NB,特别是在温度较低和施用时期较短的情况下。

      • 碳库指数 (CPI) 是处理土壤的有机碳含量与参比土壤 (CK) 有机碳含量的比值。在25℃和35℃下,单施尿素处理的CPI明显低于CK,说明尿素激发了土壤有机碳的矿化。与单施尿素相比,尿素牛粪配施土壤CPI显著增加了12%~29%(表1)。添加抑制剂后,与UM相比,UMNB显著增加了35℃下的CPI指数。

        表 1  各处理土壤碳库指数

        Table 1.  Indices of soil carbon pool in each treatment at 25℃ and 35℃

        处理
        Treatment
        25℃35℃
        CPIEOOC/SOCMBC/SOCMBC/EOOCCPIEOOC/SOCMBC/SOCMBC/EOOC
        CK1.00 d0.19 a0.008 d0.04 d1.00 c0.38 b0.02 d0.04 c
        U0.98 c0.17 bc0.012 b0.07 b0.96 d0.41 a0.02 b0.06 b
        UM1.14 ab0.20 a0.016 a0.08 a1.22 b0.28 c0.03 a0.09 a
        UMNB1.15 a0.17 bc0.015 a0.08 a1.29 a0.26 cd0.02 b0.09 a
        UMCP1.12 b0.19 ab0.011 bc0.06 c1.24 b0.26 cd0.024 bc0.08 a
        UMNB+CP1.13 ab0.17 c0.009 cd0.06 c1.24 b0.24 d0.02 c0.08 a
        注(Note):CK—对照 Control; U—尿素 Urea; UM—尿素+牛粪 Urea+cattle manure; NB—脲酶抑制剂 N-butyl thiophosphamide; CP—硝化抑制剂 Nitrapyrin; UMNB—UM +NB; UMCP—UM+CP; UMNB+CP—UM+NB+CP; 同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant difference (P < 0.05).

        25℃和35℃下,UMNB、UMCP、UMNB+CP处理的EOOC/SOC比值平均值分别为0.17、0.26,比不加抑制剂的UM处理分别降低了15%和7%,尤其是UMNB+CP处理在两个培养温度下的降幅都达到显著水平,也不同程度地低于UMNB、UMCP。说明同时添加两种抑制剂减缓易氧化有机碳矿化的作用大于其单独使用。

        25℃和35℃条件下,UM处理的MBC/SOC分别为0.016和0.03,比含抑制剂的3个处理的平均值提高了37.1%和13.6%。其中,UMCP、UMNB+CP处理在25℃下显著低于UM和UMNB,说明CP抑制土壤微生物量碳矿化的作用强于NB。

      • 土壤纤维素酶是催化土壤纤维素的一类复杂酶系,包括外切葡聚糖酶 (EC 3.2.1.91)、内切葡聚糖酶 (EC 3.2.1.4) 和β-葡萄糖苷酶 (EC 3.2.1.21),3种酶协同作用于纤维素分解,β-葡萄糖苷酶由于水解纤维二糖和其他水溶性的纤维糊精产生葡萄糖,被认为是纤维素水解过程中的限速酶。转化酶又称蔗糖酶 (EC 3.2.1.26),主要水解水溶性的蔗糖β-D-呋喃果糖苷,对土壤易溶性碳增加起重要作用。多酚氧化酶 (EC1.3.1.1) 是木质素分解酶。本研究表明,多数处理间土壤蔗糖酶活性无显著差异 (图4-AB)。与单施尿素和CK相比,4个UM处理均降低了土壤纤维素酶活性 (图4-CD)。在25℃下,U、CK、UM、UMNB、UMCP各处理纤维素酶活性的中位数依次为2.42、2.01、1.57、1.35、1.32、1.12 mg/g,其中UMCP比UM处理纤维素酶活性降低了33.7%。在35℃下的变化规律与25℃下相似。与UM处理相比,加抑制剂处理的纤维素酶活性有降低趋势。说明加入抑制剂降低了纤维素酶活性。25℃下施牛粪处理的β-D-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性均高于U与对照 (图4-EG),除UMNB外,含抑制剂处理的β-D-葡萄糖苷酶活性明显高于UM处理,分别比UM处理提高33.6% (UMCP) 和20% (UMNB+CP) (图4-EF),不同抑制剂处理的多酚氧化酶活性显著高于UM处理,分别比UM处理高4.4% (UMNB)、73% (UMCP)、76% (UMNB+CP) (图4-GH)。说明有机无机肥配施并加入抑制剂提高β-D-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶的活性。

        图  4  不同处理对土壤碳循环相关酶活性的影响

        Figure 4.  Effects of different treatments on activity of soil carbon cycle related enzymes

      • 通过冗余分析 (RDA) 对土壤有机碳和关键酶的关联性进行了解析 (图5)。25℃条件下,RDA累计方差贡献率解释了总变异的35.9%,RDA1和RDA2轴的特征根分别解释了变异的32.36%和3.54%。在RDA1轴上3个含抑制剂处理明显区别于CK、U及UM处理。土壤多酚氧化酶、β-D-葡萄糖苷酶、土壤纤维素酶、土壤有机碳量 (SOC) 主要分布在第二、三象限,与UMNB、UMCP及UMNB+CP处理呈正相关,且不同处理对3种酶和SOC的影响表现为UMNB+CP > UMNB > UMCP > UM > U > CK;而转化酶、MBC则分布在第四象限,与UMNB、UMCP及UMNB+CP处理呈负相关,不同处理对转化酶和MBC的影响表现为UM > U > CK > UMNB > UMNB+CP > UMCP。土壤有机碳量 (SOC)、微生物量碳 (MBC) 及易氧化有机碳 (EOOC) 间均呈负相关关系,不同处理对EOOC的影响表现为UMCP > UMNB+CP > CK > UM > UMNB > U。

        图  5  不同施肥处理下土壤有机碳组分和酶活性的冗余分析

        Figure 5.  Redundant analysis of the correlations between soil organic carbon components and enzymatic activities as affected by treatments

        相类似,在35℃条件下,RDA累计方差贡献率解释了总变异的39.4%,RDA1和RDA2轴的特征根分别解释了变异的36.06%和3.34%。在RDA1轴上CK、UMCP和UMNB+CP处理明显区别于U、UM、UMNB处理。土壤纤维素酶、β-D–葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和转化酶主要分布在第二、第三象限,与CK、UMCP、UMNB+CP呈正相关,不同处理对4种酶的影响表现为UMNB+CP > UMCP > CK > UMNB > U > UM。不同温度条件下,有机增碳处理与不同硝化抑制剂组合对4种酶和碳组分的影响表现不同。25℃下尿素+牛粪各处理与土壤纤维素酶、β-D-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶相关程度较转化酶大,且与SOC和EOOC比MBC关联更紧密,而35℃下其与土壤纤维素酶、多酚氧化酶和转化酶较与β-D-葡萄糖苷酶关联性大,且与SOC比EOOC和MBC关联更紧密。

        RDA分析表明,SOC是影响转化酶、纤维素酶、β-D-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性的关键因子。在25℃下,纤维素酶、β-D-葡萄糖苷酶均与SOC、EOOC呈正相关关系,且多酚氧化酶活性也与SOC呈正相关。在35℃下,土壤SOC和EOOC与转化酶活性紧密相关;β-D-葡萄糖苷酶、纤维素酶和多酚氧化酶活性与SOC也呈正相关关系。

      • 以各种途径进入农田土壤的有机物料可显著增加有机碳含量[38],有机无机肥配施提高了土壤易氧化有机碳和微生物量碳含量[39-40]。本研究中在25℃条件下,有机增碳及不同抑制剂组合处理的SOC分别比单施尿素处理提高了15.9%、16.7%、14.0%和14.9%,有机增碳下NB、CP及其组合处理的MBC分别比单施尿素处理提高了60.3%、44.7%、2.5% (图1),与前人[3-4, 6-7, 41]研究有机无机配施SOC和MBC含量显著提高的结果相似。NB和CP是作用于尿素水解和土壤硝化过程的生化抑制剂[29-30, 42]。在本试验中,添加NB和CP后,由于抑制了尿素的水解,降低了无机氮的供应,不利于微生物的利用,表现为土壤微生物量碳的下降 (图3)。也由于微生物活性的下降,对纤维素的分解下降,表现为纤维素酶活性的降低 (图4),进而土壤EOOC含量总体有所降低 (图2)。而与李东坡等[43]研究认为NB对微生物量无负影响的结果不一致,他们认为因为脲酶抑制剂专性抑制氨氧化过程,对细菌和古细菌的丰度几乎没有长期影响,对土壤中氮循环起关键作用的土壤酶活性也没有长期影响。但是RAD分析表明EOOC与MBC间呈负相关,且土壤MBC和EOOC比土壤SOC受抑制剂影响更明显 (图5)。在25℃下,添加NB、CP及二者组合处理的MBC分别比不添加的处理降低了9.7%、36.1%、42.2%。脲酶抑制剂可与尿素竞争脲酶的活性位点,从而减少了脲酶与尿素的结合几率,延缓了尿素水解。而硝化抑制剂直接影响土壤硝化菌群落及其硝化活性[44],其作用机理主要是通过与氨氧化过程的关键酶—氨单加氧酶AMO竞争底物、螯合AMO的活性位点或被AMO氧化后的产物抑制其他蛋白质等作用方式抑制硝化[45]。大量研究表明,土壤碳、氮转化存在紧密的偶联关系,因此通过降低MBC,进而作用于土壤有机碳的转化可能是脲酶抑制剂和硝化抑制剂影响土壤有机碳转化的主要原因。

        通过雷达图分析了土壤碳对不同施肥处理的响应 (图6),在25℃条件下,UM处理位于雷达图的最外圈,而UMNB+CP处理则位于雷达图的最内圈 (CK和单施尿素处理除外),不同处理间雷达图相对面积依次为:UM (2.95) > UMNB (1.6) > UMCP (1.43) > UMNB+CP (1.09) > CK (0.94) > Urea (0.48),这充分印证了CP的抑制效果大于NB。在35℃培养条件下的表现与25℃条件下的相类似。此外,土壤有机碳转化与氮素偶联关系十分密切,抑制剂也可通过对氮素的影响,间接作用于土壤有机碳转化[35]

        图  6  不同施肥处理下土壤有机碳组分变化的雷达图

        Figure 6.  Radar chart analysis of the effects of different treatments on soil organic carbon components

      • 土壤有机碳降解很大程度上受土壤中与碳循环紧密相关的各种酶活性的影响。一方面,外源有机碳为微生物提供了碳源与能源,提高了土壤微生物区系的丰度与多态性[46-47],进而促进了土壤功能酶活性[48]。另一方面,有机增碳对土壤理化特性产生明显影响,为土壤微生物创造了良好的栖息环境[49]。土壤酶作为一个灵敏的指标,其活性受土壤水分、pH、温度、耕作、施肥等诸多因素影响[50-51],能够较为敏感地响应外界的扰动。如陶磊等[51]指出在北疆棉田有机无机肥配施显著提高了土壤β-葡萄糖苷酶活性,与本研究结果一致。

        目前,较少研究抑制剂对有机碳降解相关酶活性的影响。关于硝化抑制剂对CO2气体排放影响的研究发现,硝化抑制剂可降低CO2排放通量和累积排放量。Liu等[52]研究得出脲酶抑制剂 (NB) 和硝化抑制剂 (DCD) 可降低CO2排放通量。同时,李雪松等[53]也报道使用DCD处理相比同等施氮量处理CO2累积排放量显著降低,分析其主要原因是由生物因素主导。土壤施入氮肥后,为土壤微生物提供了所必需的氮素,提高了微生物对土壤有机碳的分解效率[54]。因此,我们推论既然抑制剂对CO2排放量有影响,那么其可能对土壤微生物产生一定影响,推测影响CO2排放是由于生化抑制剂影响了土壤微生物进而影响有机碳组分含量和酶活性。另外,刘涛等[55]研究表明添加硝化抑制剂氯甲基吡啶 (CP) 可影响微生物对31种碳源物质的碳代谢能力和微生物群落功能多样性,研究发现抑制剂提高了微生物对羧酸和氨基酸的利用能力,但是降低了微生物对碳水化合物的利用能力。可能是因为硝化抑制剂改变了微生物群落的利用能力,微生物群落产生了改变,进而影响微生物群落功能,如通过改变土壤酶活性影响土壤碳形态,最终影响土壤有机碳代谢循环。本研究中抑制剂对不同土壤碳降解的功能酶活性影响存在很大的差异,其响应性表现各异,不能一概而论。如与尿素+牛粪处理相比,两种抑制剂添加转化酶活性无明显影响 (图4-AB),对纤维素酶活性有显著抑制 (图4-CD),但反而提高了25℃下β-D-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性 (图4-EG)。土壤温度变化会直接影响释放水解酶的微生物种群及数量,对酶促反应既有直接效应,也有间接影响。

        通过雷达图综合分析与土壤有机碳矿化相关的酶活性对抑制剂添加的响应 (图7)。在25℃培养条件下,不同处理的雷达图相对面积大小依次U (0.73) > UM (0.54) > UMInhibitor (0.50) > CK (0.44),说明添加抑制剂能明显抑制转化酶和纤维素酶活性。但在35℃培养条件下却总体表现为CK > UMInhibitor > UM > U,这可能与该试验条件下酶活性的数据波动较大有关,需要进一步研究确定。

        图  7  不同处理对土壤酶活性影响的雷达图综合分析

        Figure 7.  Radar chart analysis of the effects of different treatments on enzyme activity

      • 在有机肥替代40%的化肥氮用量条件下,添加脲酶抑制剂 (NB) 和硝化抑制剂 (CP),特别是CP虽然不影响土壤总有机碳含量的增加,但显著降低了土壤微生物量碳含量,降低与有机碳矿化相关的土壤微生物和酶活性,特别是纤维素酶活性,因而抑制了土壤中有机碳的转化。同时添加两种抑制剂对有机碳转化的抑制效果更强。因此,在用有机物料替代化肥的生产实践中,脲酶和硝化抑制剂的使用应慎重。

    参考文献 (55)

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