龙脊稻作梯田休闲期的土壤水分、养分与酶活性特征

靳振江, 颜秋梅, 吴 淼, 王家丽, 章 俊, 顾中玮, 王晓彤

(桂林理工大学 a.环境科学与工程学院; b.岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心;c.广西环境污染控制理论与技术重点实验室, 广西 桂林 541006)

水稻, 即亚洲栽培稻(Oryzasativa)是我国主要粮食作物之一, 2018年, 仅广西的水稻种植面积已高达175.26万hm2[1]。在我国亚热带的农田土壤中, 水稻土具有有机碳持续积累的趋势, 固碳潜力较大[2-3], 因此, 南方稻作农业固碳研究在缓解我国应对全球气候变化压力和制定相应减排措施[4]等方面具有重要的参考意义。

有机碳是土壤中重要的生命支持物质, 是土壤质量中最重要和最关键因素[5], 土壤有机碳的储量与氮和磷等养分的储量有较好的关联性[6], 养分之间的平衡性在很大程度上决定着土壤有机碳的储量和稻田的生产力[7]。土壤酶活性是土壤生物地球化学循环中重要的指示类型之一, 养分之间的相互平衡能够提高土壤酶活性, 加速土壤碳的周转[8], 进而提高微生物对土壤碳的利用效率。与水稻生长季相比, 休闲期的稻田大多处于排水状态, 土壤没有养分投入和植物光合碳输入, 这种相对较低的管理强度可能改变土壤的生物地球化学循环过程, 影响稻田土壤对有机碳的固持和对气候变化减缓作用。

稻作梯田系统是我国南方丘陵山区典型的稻作景观类型。2017年11月, 包括龙脊稻作梯田在内的4个南方山地稻作梯田系统被评为全球重要农业文化遗产[9], 表明这些农业系统正逐渐从单纯的粮食生产功能向商业旅游、科研、教育价值等多重价值体现方面转化, 这在一定程度上更加降低了休闲期稻田的管理强度和劳动力投入。目前, 对福建尤溪的联合梯田休闲期土壤养分空间结构[10]、龙脊稻作梯田的土壤细菌群落[11]已有报道, 但是, 稻作梯田休闲期的土壤酶活性情况总体上如何?土壤水分、酶活性和土壤有机碳三者之间的相互关系如何?这些研究还少有报道。因此, 本文以位于广西北部丘陵区典型稻作模式的龙脊稻作梯田为研究对象, 分析其休闲期的土壤水分、养分与酶活性特征, 明晰影响土壤酶活性和土壤有机碳固持的生态因子, 以期为加强稻作梯田休闲期的管理，提高稻田土壤的有机碳水平，进而为减缓气候变化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

龙胜梯田位于越城岭西侧江南古陆的边缘, 出露地层为前震旦系的泥质砂岩、砂质片岩和页岩, 土壤主要为黄壤[12]。由于多次地质构造运动, 形成了高山-阶地-河谷地貌。龙脊稻作梯田(E109°32′—110°14′, N25°35′—26°17′)是龙胜梯田的典型代表, 距离桂林市77 km, 总面积70.16 km2。据考证, 龙脊稻作梯田已经有约630年的耕作历史[13], 坡度大多为26°～35°[14]。本文具体研究龙脊梯田中的平安壮寨梯田, 景区稻田的海拔位于850～1 100 m，水稻均为单季稻, 其品种因海拔不同而有差异; 为农户分散种植和管理, 以施用无机复合肥为主；5月初插秧, 10月下旬稻谷成熟, 水稻收割后秸秆不还田。在长达6个月的休闲期中, 梯田大多不蓄水, 受到的主要干扰为游客踩踏, 但程度较轻。

1.2 样品采集

2016年3月底, 在龙脊稻作梯田景区内沿着同一山脊的相同朝向共采集19个样品，采样点位置见图1, 相邻样地间隔6～10块田, 高度落差接近10 m。样地均处于休闲状态, 稻茬残留程度不一, 个别样地有少量家畜粪便或淹水泡田。采集耕层(0～20 cm)土壤样品, 在同一块样地内不同位置等量采3个样本, 充分混匀为1个样本, 带回实验室。所有土壤样品分为2份, 一份样品测定土壤水分以后直接用于土壤酶活性分析; 另一份样品自然风干, 研磨后过0.85、0.25和0.15 mm筛, 以测定土壤养分和pH。

图1 龙脊稻作梯田采样点示意图[11]

1.3 土壤养分和性质测定

样地的海拔(ASL)用GPS测定。土壤水分(SWC)、养分和pH测定方法参考《土壤农业化学分析方法》[15]进行, 其中, 土壤水分采用烘干称重法测定, 土壤有机碳(SOC)含量采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定, 总氮(TN)含量采用浓硫酸消煮-凯氏定氮法测定, 总磷(TP)含量采用浓硫酸-高氯酸消煮钼锑抗比色法测定, 碱解氮(AN)含量采用碱解扩散法测定, 速效磷(AP)含量采用Olsen-P法测定, pH采用电位计法测定(水土比为2.5∶1)。

1.4 土壤酶活性测定

选取蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性代表总体土壤微生物酶活性, 因为这3种酶分别与土壤碳、氮和磷的代谢密切相关。其测定方法参考《土壤酶及其研究法》[16]进行, 分别为3,5-二硝基水杨酸比色法、苯酚-次氯酸钠比色法和磷酸苯二钠比色法。蔗糖酶活性表征为37 ℃反应24 h后每克土中葡萄糖的毫克数(mg/(g·24 h)), 脲酶活性表征为37 ℃反应24 h后每克土中铵态氮的毫克数(mg/(g·24 h)), 酸性磷酸酶活性表征为37 ℃反应2 h后每克土中苯酚的毫克数(mg/(g·2 h))。

1.5 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 梯田土壤pH、养分、海拔和水分及其相关性分析

从图2可看出, 龙脊稻作梯田土壤有机碳SOC、总氮TN、碱解氮AN、总磷TP和速效磷AP的值分别为15.55～28.32 g/kg、1.06～3.35 g/kg、66.12～131.03 mg/kg、0.08～0.58 g/kg和28.91～106.84 mg/kg, 算术平均值分别为19.41 g/kg、2.00 g/kg、99.11 mg/kg、0.32 g/kg和68.61 mg/kg。海拔高度ASL、土壤水分SWC和pH分别为851～1 063 m、24.76%～66.35%和4.49～5.23, 算术平均值分别为967.74 m、40.57%和4.78。其中, 总氮、碱解氮、速效磷、海拔、土壤水分、pH和归一化养分呈典型的正态分布。相关性数据显示, 土壤有机碳与土壤水分之间呈显著的正相关(r=0.55), 碱解氮与速效磷、总氮均呈显著的正相关关系(r=0.47和0.67), 归一化的养分与总有机碳、总氮和碱解氮之间均呈显著的正相关关系(r=0.71、0.92和0.56), 总磷与总氮和碱解氮之间均呈显著负相关关系(r=-0.65和-0.66)。

图2 龙脊稻作梯田土壤pH、养分、海拔和水分特征及其相关性

土壤养分的等级和变异程度分析结果见表1。土壤有机碳、总氮、碱解氮、总磷和速效磷的等级分别为二级(较丰富)、二级(较丰富)、三级(中等)、五级(缺乏)和一级(丰富), 总磷相对缺乏，其变异系数介于0.18～0.55, 均属于中等变异。

表1 龙脊稻作梯田土壤养分的级别和变异程度

2.2 梯田土壤酶活性与土壤理化特性之间的相关性

从图3可看出, 龙脊稻作梯田土壤蔗糖酶、脲酶活性、酸性磷酸酶活性和归一化的酶活性分别为3.08～8.50 mg/(g·24 h)、4.00～27.06 mg/(g·24 h)、2.53～5.65 mg/(g·2 h)和0.03～0.10, 算术平均值分别为4.03 mg/(g·24 h)、9.75 mg/(g·24 h)、5.01 mg/(g·2 h)和0.05。

图3 龙脊稻作梯田的土壤酶活性

从表2可以看出, 蔗糖酶活性与土壤水分含量、总氮含量和速效磷含量之间呈显著的正相关关系(r=0.518、0.622和0.537), 脲酶活性与土壤水分含量和总有机碳含量之间均呈显著的正相关关系(r=0.728和0.597), 酸性磷酸酶活性与土壤水分、总有机碳含量和速效磷含量之间均呈显著的正相关关系(r=0.585、0.468和0.585), 归一化的酶活性与总有机碳含量和总氮含量归一化的养分之间均呈显著的正相关关系(r=0.598、0.785和0.767), 表明对土壤酶活性影响较大的环境因子分别是土壤水分、总有机碳、速效磷和总氮。

表2 龙脊稻作梯田土壤酶活性与pH、水分、海拔、养分之间的相关性

3 讨 论

3.1 梯田休闲期土壤水分管理对养分平衡和土壤有机碳固持的影响

土壤有机碳与土壤水分之间呈显著的正相关关系。这是由于采样时稻田处于休闲期, 除个别田块已经淹水泡田外, 大多数田块水分都不饱和，较低水分的土壤环境中氧气增多[19], 促进了好氧菌的繁殖, 提高了微生物的胞外酶活性, 加快了有机质的降解和利用[20]。因此, 从这个意义上来说, 在稻田休闲期, 保持较长时间的淹水状态有利于龙脊稻作梯田土壤有机碳的固持。土壤有机碳与其余养分之间均没有显著的相关性, 这个结论与福建的尤溪联合梯田的土壤有机碳与速效磷之间呈显著的正相关性[7]和云南红河哈尼梯田的土壤有机碳与总氮之间呈显著的正相关性[21]的结论不一致, 也与同纬度的桂林地区稻田土壤有机碳和总氮之间显著的正相关性[22]的结论不一致, 表明在休闲期龙脊稻作梯田系统各样地的土壤养分之间具有极大的不平衡性, 不利于土壤有机碳的固持。

造成龙脊稻作梯田土壤养分之间不相关的原因可能有以下几点:(1)在农民的分散经营状况下, 各个田块排水时间、留茬高度和耕牛的粪便等残留物差异较大, 这是造成梯田休闲期土壤养分变异较大的重要因素, 直接影响了土壤有机碳的固持和积累;(2)在休闲期, 个别梯田坍塌后, 水分排走, 部分养分会随着水分一起流失，重新修筑以后, 部分深层土壤翻到稻田的耕层, 表层整体的土壤有机碳和养分的含量降低[23];(3)调查走访发现, 农户较少施用有机肥且秸秆不还田, 无机氮磷不能转化为有机氮磷, 极易流失[7], 这也是造成土壤养分之间不平衡的重要原因。以上这些大多与稻田的水分管理和有机质投入有关, 因此, 加强水分管理、增施有机肥和秸秆还田等措施能显著改变龙脊稻作梯田土壤有机碳与其余养分之间的平衡性, 进而提高土壤有机碳的水平。

3.2 土壤水分和养分对土壤酶活性的影响

土壤水分含量与3个酶的活性均呈显著正相关关系, 这是因为：(1)水稻收割后, 在分散的管理条件下, 土壤水分出现不同程度的降低, 溶解氧增多, 土壤微生物群落向有利于好氧菌占据更大优势的方向演替, 微生物消耗了较多的有机质[20], 可利用的底物逐渐减少, 土壤酶活性降低[24-25];(2)在土壤水分丧失的情况下, 水分成为微生物生长的限制因子[26], 微生物正常代谢的需水量不足, 胞外酶的分泌量减少, 活性降低, 且土壤水分减少, 降低了微生物胞外酶和底物的运输效率, 以及酶与底物的接触机率, 土壤的活性降低[9]；(3)土壤水分与3种酶的活性均呈显著正相关关系的结果表明, 保持较高的土壤水分有利于提高龙脊稻作梯田休闲期整体的土壤酶活性。

速效磷是评价农田土壤供磷水平的重要指标, 所有的微生物都需要磷酸盐来合成自身的能量物质。在本研究中, 速效磷与蔗糖酶活性和酸性磷酸酶之间具有显著的相关性, 表明速效磷促进了土壤蔗糖酶活性的提高。速效磷与全磷之间并没有相关性, 但总磷水平较低, 往往会刺激微生物分泌磷酸酶来水解环境中的有机磷, 释放磷酸根供植物或微生物自身利用[27]。一方面, 土壤有机碳为土壤微生物提供生长所需要的碳源[9]; 另一方面, 其中很多小分子有机物也是微生物新陈代谢过程的重要调节剂, 脲酶活性和酸性磷酸酶活性得以提高。

土壤总氮和碱解氮是土壤氮供应潜力的重要指标, 有时甚至是导致土壤有机质的生物积累和水解作用的关键因素。蔗糖酶活性与总有机碳含量没有相关性; 同样, 脲酶活性与总氮和碱解氮含量均没有相关性。一方面, 底物的可利用性在很大程度上决定着土壤酶活性[25], 原因可能是分散管理造成龙脊梯田土壤蔗糖酶蛋白的量与可利用的底物量之间没有相关性。相似的是, 对云南的红河哈尼梯田整个生育期内水稻土壤酶活性的研究表明, 土壤蔗糖酶、纤维素酶和β-葡萄糖苷酶活性与土壤溶解性有机碳、微生物生物量碳和易氧化态碳之间也均没有相关性[28]。另一方面, 在自然选择过程中, 微生物往往以最小胞外酶分泌量来获取最大的碳氮资源量, 一旦环境中可利用的底物超过微生物和植物的需求, 微生物就会减少酶的分泌。因此, 酶活性和底物的可利用性并不成正比[29], 也有脲酶活性与铵态氮的浓度呈显著负相关的报道[30]。在本研究中, 酶和底物不相关性的原因可能是, 稻田正处在休闲期, 没有植物根系的吸收, 微生物对酶解后产生的底物的需求大大降低。因此, 在休闲期, 龙脊稻作梯田的不同土壤酶和底物的关系具有更大的复杂性。将土壤养分和土壤酶分别进行归一化处理后发现, 归一化的土壤养分和归一化的酶活性之间呈显著的正相关关系, 表明养分之间的平衡性有利于土壤酶活性的总体提高。因此, 土壤水分、酶活性和有机碳三者之间的相互促进作用表明, 在龙脊稻作梯田休闲期, 保持较高的土壤水分能够促进土壤酶活性的提高和土壤有机碳的增加。需要指出的是, 本研究中得到的数据只涉及平安壮寨梯田景区内休闲期的一次性采集的样品。后续的工作将从多个时间和空间尺度对休闲期土壤养分和酶活性的变化进行研究, 为提高龙脊稻作梯田的土壤有机碳的固持水平提供更加可靠的依据。

4 结 论

(1)龙脊稻作梯田休闲期土壤水分和有机碳的平均值分别为40.58%和19.41 g/kg, 二者呈显著的正相关关系, 表明提高土壤水分有利于龙脊稻作梯田休闲期土壤有机碳的固持。

(2)龙脊稻作梯田休闲期土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和归一化的酶活性的算术平均数分别为4.03 mg/(g·24 h)、9.75 mg/(g·24 h)、5.01 mg/(g·2 h)和0.05, 土壤水分与前三者均呈显著的正相关关系, 土壤总有机碳与后三者均呈显著的正相关关系, 表明提高龙脊稻作梯田休闲期的土壤水分可以提高土壤酶活性。