有机种植方式下红壤性水稻土腐殖质与酶活性的变化规律

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　　摘要：为了建立和完善有机种植方式下红壤性水稻土的固碳理论体系，对水稻分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和完熟期5个生育阶段的红壤性水稻土腐殖质各组分碳含量及土壤酶活性等指标的变化规律进行了分析。结果表明，与常规种植水稻方式相比，有机种植水稻有利于土壤腐殖质的更新和积累；有机种植方式下水稻各生长时期的胡敏酸（HA）、富里酸（FA）、PQ值（HA/FA）、脲酶（URE）、酸性磷酸酶（ACP）和蔗糖酶（SUC）活性均高于常规种植方式，分别高出10.96%、7.48%、3.72%、20.16%、7.08%和15.36%，且土壤酶活指标与土壤腐殖质含量表现出一致的变化规律。
　　关键词：有机种植；红壤性水稻土；腐殖质组分；酶活性
　　中图分类号：S151.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）17-4381-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.007
　　Abstract： In order to build the system of carbon sequestration of paddy soil derived from red earth under organic planting condition， field experiments were carried out to analyze the effects of organic planting methods combined with synthetic fertility amendments on soil humus composition and enzyme activities at 5 different growth stages（tillering stage， booting stage， heading stage， grain filling stage and ripe stage）. The results showed that soil humus and soil enzyme activities in organic planting method were higher than in conventional planting method. Compare with conventional planting soil， the values of humic acid， fulvic acid， PQ（the ratio of humic acid and fulvic acid）， urease， acid phosphatase， invertase in tested organic planting soil were increased by 10.96%， 7.48%， 3.72%， 20.16%， 7.08% and 15.36% respectively. Moreover， humus composition and enzyme in the tested soils were in consistent trend in different soils.
　　Key words： organic planting method； paddy soil derived from red earth； humus composition； enzyme activit
　　2004年中国水稻种植面积达到2 837.87万hm2，分别占全国谷物总播种面积、粮食作物总播种面积和农作物总播种面积的35.76%、27.93%和18.48%[1]。红壤性水稻土是中国主要水稻土类型之一，其中尤以江西省分布最为集中，发育于红壤性母质的水稻土占全省水稻土总面积（350万hm2）的67.7%[2]。但红壤性水稻土的肥力相对较低[3]，如何保障农产品品质，提高作物产量对江西省农业的可持续健康发展至关重要。近年来的研究表明，有机种植方式不仅可以提高水稻作物的品质，还可以有效培肥土壤[4]，因此，在红壤性水稻土上开展有机种植模式具有广阔的应用前景。
　　土壤腐殖质是土壤有机质的重要组成部分，对土壤肥力、结构和性质均具有调节功能。它的组成和数量对土壤碳储量的贡献及其稳定机制己经成为全球变化中农业生态系统碳循环研究的重要内容[4]。有机物在土壤酶及微生物作用下形成腐殖质，腐殖质又在一定的条件下缓慢分解释放出养分供植物生长，形成一个动力学积累和稳定的过程。采取配施功能性生物肥的有机种植方式，在水稻分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和完熟期5个生育阶段，研究红壤性水稻土腐殖质各组分碳含量及土壤酶活性等指标的变化规律，对建立和完善有机种植方式下红壤性水稻土的固碳理论体系，实现江西省有机农业可持续发展有重要的理论意义和实践价值。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　试验地位于江西省南昌市北郊某农场，该地区属于亚热带湿润气候，气候温和，雨量充沛，日照充足，无霜期长，具有明显的干湿季节变化。2012年，农场内有26.67 hm2水稻田取得了中绿华夏有机食品认证中心认证，有机农场隔离带外为常规种植稻田。供试水稻土为第四纪红色黏土发育的潴育型红壤土。水稻供试品种为黄华占，单季种植。2013年7月分别采集有机种植（OR）和常规种植（CN）耕层土壤（0～15 cm）样品，其基本理化性质如表1所示。
　　1.2 试验设计
　　试验包括有机种植与常规种植两种水稻种植方式，有机种植模式在休耕期主要施入绿肥鲜草、农家肥和水稻秸秆等方式培肥，同时施用生物肥5 g/kg（主要成分：有机质83 g/kg、碱解氮330 mg/kg、速效磷26 g/kg，pH 7.94），不施化肥。常规种植模式施用化肥，肥料用量根据实际生产习惯和各产品推荐用量设置。灌溉方式根据当地种植习惯安排。 　　1.3 样品采集
　　2013年7-10月，在水稻分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和完熟期等5个时期分别采集两种种植方式下稻田土壤样品，各选取3个试验小区（约66.7 m2）定点监测。每个小区采用直角线均匀布点法采集3个样品，采样时先清除地表杂物，用土钻采集0～15 cm的土壤，采集好的新鲜土样带回实验室自然风干后，过20目筛后混合用于土壤指标的分析测定。
　　1.4 测定方法
　　土壤腐殖质碳（胡敏酸、富里酸、胡敏素）提取采用焦磷酸钠和氢氧化钠混合液浸提[5]，提取的腐殖质各组分碳采用重铬酸钾外加热比色法[6]测定；土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[7]测定；土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法[7]测定；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法[7]测定。
　　1.5 数据处理
　　用Microsoft Excel 2003对数据进行相关的统计分析。数据的差异性检验采用Duncan法（新复极差法）和成对样本t检验法进行差异显著性统计。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同种植方式下土壤胡敏酸及富里酸的动态变化
　　土壤腐殖质除少部分以游离态存在外，大部分与土壤颗粒结合在一起形成土壤有机无机复合体，因此单独分离出各形态腐殖质比较困难。目前仍是根据腐殖质组分在酸、碱溶液中的溶解度不同分为胡敏酸、富里酸和胡敏素。胡敏酸（HA）是腐殖质中最活跃的，富里酸（FA）既是形成HA的一级物质，又是HA分解的一级产物，在HA的积累和更新中起重要的作用[8]，研究HA与FA的动态变化可以更好地阐明土壤的腐殖质组分间的变化规律。由表2可知，在水稻生长的5个生育期，土壤HA及FA含量均呈现出动态增长趋势，且有机种植方式下水稻土的HA和FA含量均高于常规种植方式。这主要是由于配施的生物肥可改善土壤结构，促进土壤微团聚体形成。这与潘根兴等[9]得出的单施化肥处理土壤碳的矿化损失大大高于配施有机肥处理的结论是一致的。在水稻分蘖期与完熟期，有机种植方式下水稻土的HA含量比CN分别高0.28、0.40 g/kg，FA含量分别高0.42、0.41 g/kg。这可能是因为HA及FA主要来源于新鲜有机物质，有机种植施用绿肥鲜草、农家肥和水稻秸秆进行培肥，龚伟等[10]的研究也表明腐熟的有机肥料含较多的HA和FA。
　　2.2 不同种植方式下土壤腐殖质及PQ的动态变化
　　PQ值（HA/FA）作为腐殖化程度的指标，是衡量土壤腐殖质品质优劣的一个重要指标，胡敏酸含量越高，比值越大，分子质量越大，分子结构越复杂，腐殖质品质越好[3]。由图1可以看出，两种种植方式下水稻土PQ值为0.51～0.64，说明红壤水稻土的PQ比值较低，这与李忠佩等[3]的研究是一致的，这主要是由于该区高温多雨，土壤酸性较高，矿物高度风化，HA活性较大，腐殖质中以FA为主。有机种植方式下水稻土PQ值随水稻生育期的变化幅度较常规种植方式大，平均高0.03，达显著性差异（P<0.05），说明有机种植可以提高土壤腐殖化程度，土壤更活跃，这与张晋京等[11]的研究结果一致。
　　在水稻生长的全生育期，常规和有机两种种植条件下土壤腐殖质表现出不同的变化规律（图1）。常规种植下腐殖质呈先上升后下降的趋势，即土壤腐殖质最终表现为释放规律，潘根兴等[9]的研究也表明，传统种植方式表现为“碳源”；有机种植下水稻土腐殖质的波动幅度较小，大致呈积累趋势，即在土壤中表现为“碳汇”，这与Pablo等[12]、Andrea等[13]的研究一致。
　　2.3 不同种植方式下土壤酶的动态变化
　　土壤中生物化学过程是陆地生态系统功能的基础，这些过程主要得益于土壤中酶的作用，其中蔗糖酶（SUC）、酸性磷酸酶（ACP）及脲酶（URE）常用来表征土壤生物活性的高低，成为反映土壤肥力和腐殖化程度的生物学指标[4]。
　　由图2可以看出，种植方式未改变土壤SUC、ACP和URE酶活性在全生育期的变化趋势，但有机种植方式下各酶的活性均比常规种植方式的活性高，SUC、ACP和URE酶活性平均提高了15.36%、7.08%和20.16%。王延军等[14]的研究也表明生态肥可显著提高土壤如脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶等关键性酶活性，实现培肥土壤和改善土壤速效养分供给。隋跃宇等[15]的研究也表明施用各类有机肥料可以往土壤中带入大量的酶类，而常规种植条件下高浓度的农药化学物质直接抑制土壤酶活性。
　　研究结果说明配施生物肥的有机种植方式可有效提高土壤酶活性，且与土壤腐殖质的含量表现出一致的变化规律。这主要是由于土壤养分、土壤酶活性、土壤腐殖质组分三者相互依赖。腐殖质含碳量不仅影响土壤有机物质分解、矿物质溶解、胶体的凝聚与分散、氧化还原及微生物活动强度，而且直接影响土壤酶参与的生化反应速度。有机种植能够提高酸性土壤的pH[16]，促进土壤酶的活性，增强土壤酶的稳定性，提高土壤酶在极端环境下的耐受力和活性[17]。反过来，土壤酶活性的提高又能够促进生物肥的腐殖化作用，增加土壤养分供给的有效率和持续利用。
　　3 结论
　　1）与常规种植方式相比，有机种植方式水稻田HA、FA、腐殖质碳及PQ值均有所提高，并表现出固碳增汇效益。在水稻分蘖期与完熟期，有机种植方式下水稻土的HA含量比常规种植方式分别高0.28、0.40 g/kg，FA含量分别高0.42、0.41 g/kg；与分蘖期相比，在完熟期水稻土腐殖质碳含量增加，由12.75 g/kg增加至14.13 g/kg。红壤水稻土的PQ值较低，两种种植方式下水稻土PQ值在0.51～0.64之间。
　　2）在有机种植方式下，配施功能性生物肥有利于改善土壤的生物学特性，提高水稻生育期内红壤性水稻土耕层URE、ACP和SUC活性，在水稻全生育期有机种植方式比常规种植方式平均提高了20.16%、7.08%和15.36%。 　　参考文献：
　　[1] 凌启鸿.论水稻生产在我国南方经济发达地区可持续发展中的不可替代作用[J].科技导报，2004（3）：42-45.
　　[2] 王珊娜.长期施肥下我国典型红壤性水稻土肥力演变特征与持续利用[D].北京：中国农业科学院，2012.
　　[3] 李忠佩，程励励，林心雄.红壤腐殖质组成变化特点及其与肥力演变的关系[J].土壤，2002（1）：9-15.
　　[4] 潘根兴，周 萍，李恋卿，等.固碳土壤学的核心科学问题与研究进展[J].土壤学报，2007，44（2）：327-337.
　　[5] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.
　　[6] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1978.
　　[7] 关松萌.土壤酶及其研究法[M].北京：农业出版社，1986.
　　[8] 李文军，彭保发，曾庆禹，等.长期施肥影响下亚热带红壤性水稻土团聚体组成及氮储量分布特征[J].地理科学进展，2014，33（10）：1424-1432.
　　[9] 潘根兴，李恋卿，郑聚锋，等.土壤碳循环及中国稻田土壤固碳研究的进展与问题[J].土壤学报，2008，45（5）：901-914.
　　[10] 龚 伟，颜晓元，王景燕，等.长期施肥对小麦-玉米作物系统土壤腐殖质组分碳和氮的影响[J].植物营养与肥料学报，2009， 15（6）：1245-1252.
　　[11] 张晋京，窦 森.灼烧土中玉米秸秆分解期间胡敏酸，富里酸动态变化的研究[J].吉林农业大学学报，2002，24（3）：60-64.
　　[12] PABLO G P，JUN Y，SHU W，et al.Analysis of the occurrence and activity of diazotrophic communities in organic and conventional horticultural soils[J].Applied Soil Ecology，2014，79：37-48.
　　[13] ANDREA F，ANNA M，MONIA N，et al. Can the life cycle assessment methodology be adopted to support a single farm on its environmental impacts forecast evaluation between conventional and organic production？An Italian case study[J]. Journal of Cleaner Production，2014，69：49-59.
　　[14] 王延军，宗良纲，李 锐，等.有机栽培和常规栽培水稻体系土壤酶及微生物的比较研究[J].中国生态农业学报，2008，16（1）：47-51.
　　[15] 隋跃宇，焦晓光，刘晓冰，等.长期施肥对农田黑土酶活性及作物产量的影响[J].土壤通报，2010（3）：608-610.
　　[16] 汪张懿，宗良纲，褚 慧，等.有机肥分解及其对土壤有机碳矿化影响的模拟研究[J].农业环境科学学报，2013（1）：36-42.
　　[17] SIMEK M， HOPKINS D W，KALDT K J，et al. Biological and chemical properties of arable soils affected by long-term organic and inorganic fertilizer applications[J].Biology and Fertility of Soils，1999，29：300-308.
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