吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶活性与有机碳含量的关系

吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶活性

与有机碳含量的关系

汤洁，赵晴，王思宁，王静静，孙珊珊

1

1

1

1

1, 2

1. 吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130012；2. 吉林省环境监察总队，吉林 长春 130033

摘要：土壤酶在土壤有机碳的转化过程具有关键作用，研究盐碱地水田土壤酶与SOC的关系对深入了解此类土壤碳循环机制有着重要意义。本文选取吉林省西部前郭县典型盐碱水田作为研究区，分别于水稻未插秧期、幼苗期、分蘖期、抽穗期和结实期采集0~30 cm和30~60 cm的土壤样品。样品采集后带回实验室进行测试，分别采用高锰酸钾容量法测定过氧化氢酶活性，3,5-二硝基水杨酸比色法测定淀粉酶活性，总有机碳分析仪测定SOC含量，分析土壤过氧化氢酶、淀粉酶活性和SOC含量的剖面分异特征及变化规律，并探讨酶与SOC的相关性。结果表明：盐碱水田土壤过氧化氢酶、淀粉酶活性以及SOC含量均随土壤剖面深度的加深而降低，且随水稻的生长而波动。插秧前，表层土壤过氧化氢酶、淀粉酶分别与SOC呈极显著正相关（n=18，P<0.01）和显著正相关（n=18，P<0.05），SOC含量不仅与两种酶活性密切相关，并受过氧化氢酶活性影响更大。水稻移栽后，两种酶与SOC的相关性均有不同程度降低，过氧化氢酶活性在幼苗期、抽穗期和结实期与SOC均呈显著正相关（n=18，P<0.05）；淀粉酶活性在幼苗期、分蘖期和结实期与SOC呈显著正相关（n=18，P<0.05）。土壤过氧化氢酶、淀粉酶在水稻生长发育过程中受到外界干扰以及水稻根系发育等影响，活性发生明显变化，进而影响SOC。由于抽穗期水稻生长发育缓慢，对淀粉酶分解作用需求降低，使得其活性减弱，故对SOC的影响最小。 关键词：盐碱水田；生长期；土壤酶；土壤有机碳 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.09.001

中图分类号：S15; X144 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2016）09-1425-06

引用格式：汤洁, 赵晴, 王思宁, 王静静, 孙珊珊. 2016. 吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶活性与有机碳含量的关系[J]. 生态环境学报, 25(9): 1425-1430.

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土壤拥有最大的陆地有机碳库（Reichstein et 学者对SOC和土壤酶的研究，主要集中在两者的

，据估计al.，2008；Van Groenigen et al.，20141-2）变化规律以及影响因素方面，而对两者相关性的研

（Falkowski et al.，2000；解宪丽等，2004），全球土究较少，且研究多见于森林、草原、湿地、农田等壤有机碳（soil organic carbon，SOC）库介于1395 生态系统（Jiang et al.，2014；Ye et al.，2014；Zhang

，是陆地植被碳库（500~600 ~2200 Pg（1 Pg=1015 g）et al.，2015；万忠梅等，2008a；孙文娟等，2008；

Pg）的2~3倍，是全球大气碳库（750 Pg）的2倍吴旭东等，2013），对盐碱水田生态系统的研究则多。由于土壤有机碳贮量库容巨大，其微小的变化少见。此外，以往的研究一般只集中研究水稻的某就会影响到大气中的碳量，对调制气候变化具有关一生长期，而本研究将水稻各个不同生长期（未插

陈朝等，键性的作用（Van Groenigen et al.，20141-2；秧期、幼苗期、分蘖期、抽穗期、结实期）均纳入

2011）。SOC含量受到多种因素的影响，其中一个研究范围。 重要的因子就是土壤酶活性。土壤酶参与了土壤中吉林西部位于松嫩平原西南侧，科尔沁草原东的生物化学过程，与生态系统中营养物质循环等密部，属于全球变化的中国东北样带，是生态脆弱带切相关（关松荫，1986）61-64。SOC的分解转化几（李忠和，2014），也是世界三大盐碱地集中分布区乎与所有的土壤酶活性有关，因此，土壤酶在土壤之一（杨福等，2007）。为治理苏打盐碱地，该区碳循环中有着举足轻重的作用，研究其活性与土壤开展了多项研究，得出种植水稻是改良利用苏打盐有机碳含量的相关关系是十分必要的。目前国内外碱地的有效方法之一的结论（赵国臣等，2012）。

基金项目：国家自然科学基金项目（41471152）；博士点基金项目（20130061110065）

作者简介：汤洁（1957年生），女，教授，博士生导师，主要从事生态环境系统工程理论与技术研究。E-mail: tangjie0724@163.com 收稿日期：2016-07-04

1426 生态环境学报 第25卷第9期（2016年9月）

自20世纪50年代开始，水田改造工程初步实施，从而形成具有吉林西部特色的盐碱水田生态系统。本研究以吉林西部前郭尔罗斯蒙古族自治县（以下简称前郭县）盐碱水田为研究对象，选取与土壤碳循环密切相关的过氧化氢酶和淀粉酶进行研究。其中，过氧化氢酶分解土壤中过氧化氢，有利于防止过氧化氢对生物体的毒害作用，其活性表征土壤腐殖化强度大小和有机质积累程度（万忠梅等，2008b）；土壤淀粉酶可将淀粉水解为麦芽糖，后在麦芽糖酶的作用下水解成葡萄糖，从而为植物提供营养，其与土壤有机质的矿化分解息息相关（万忠梅等，2009）。同步监测SOC，探究水稻生长过程中土壤酶活性和土壤有机碳含量的变化特征以及两者的关系，细化并完善盐碱水田区水稻生长期土壤酶活性与SOC关系的研究，以期为进一步研究吉林西部盐碱水田生态系统碳循环机制提供基础数据。

，单位以mg·g-1表1986278-280；杨兰芳等，2011）

示；SOC采用岛津TOC-V系列总有机碳分析仪的SSM-5000A固体样品模块进行测定，单位以%表示。

每个样品选取3个平行样进行测定，数据采用平均值，所有数据采用Microsoft Excel 2003软件进行统计整理和绘图，利用SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性变化特征

盐碱水田区水稻土过氧化氢酶和淀粉酶空间剖面变化规律见图1。在水稻不同生长期，土壤过氧化氢酶活性和淀粉酶活性均随土壤深度的增加而减弱，造成这种现象的主要原因是二者均来源于植物根系的分泌以及真菌和细菌的分解作用，90%的水稻根系分布在表层土壤中（刘建，2013），且大量研究（盛浩等，2013；Sotomayor-Ramírez et al.，2009；Cui et al.，2015；肖烨等，2015）表明微生物生物量在表层土壤中含量最多。另外，本区盐碱水田土壤的特殊性，即底层pH、粘粒含量、土壤容重、含盐量明显高于表层土壤，抑制了底层土壤酶的活性，因此，表层酶活性高于底层酶活性。

从图1可知，表层土壤过氧化氢酶、淀粉酶的活性均随水稻生长期呈“减-增-减-增”的变化规律，但淀粉酶的变化幅度略大。水稻移栽后，其根系受到损伤，生长滞缓，释放的土壤酶减少，同时土壤中微生物受到干扰，使得幼苗期酶活性降低（杨安中，2014；马伟等，2015）；分蘖期是水稻根系生长的主要时期（王伯伦，2010），此时，水稻根系将分泌出更多的有机酸和碳水化合物，刺激过氧化氢酶和淀粉酶活性的提高（郑丕尧，1992）。另外，分蘖期采样时间为7月5—9日，与第二次施肥时间（6月20日）较近，这一时期酶活性增高可能也受到了氮肥影响。抽穗期，水稻各种营养器官逐渐停止生长，整个水稻系统处于不活跃状态，且根系生长活动所需的各种营养基本都由分蘖节上的近叶提供（张洪程，2011），不再过多依赖土壤，故

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集与前处理

研究区位于吉林省前郭县的盐碱水田区，分别于2014年4月18—22日、6月8—11日、7月5—9日、8月12—16日、9月25—28日采集土壤样品，分别对应插秧前（Ⅰ）、幼苗期（Ⅱ）、分蘖期（Ⅲ）、抽穗期（Ⅳ）和结实期（Ⅴ）5个生长期。选取3个水田样地，分别设为S1（124.717°E，45.005°N）、S2（124.686°E，45.006°N）和S3（124.714°E，45.000°N），按照对角线布点法均匀采集0~30 cm表层土、30~60 cm底层土样品（理化性质见表1），每层采集3个平行样混合装入密封塑料袋中带回实验室，去除土壤中的动植物残体和石块，自然风干后碾碎压细，过0.20 mm筛备用。3个样点的施肥和管理措施一致，均为4月初进行犁地，5月初灌水，5月8日和6月20日各施1次氮肥（尿素）。

1.2 土壤样品的测试与数据分析插秧

过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾容量法（杨兰芳等，2011），单位以mg·g-1表示；淀粉酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定（关松荫，

表1 吉林西部盐碱地水田土壤基本理化性质

Table 1 Basic physico-chemical properties of the saline paddy field in west Jilin

Paddy field

S1 S2 S3

Soillayer/cm

0~30 30~60 0~30 30~60 0~30 30~60

Soil type Saline paddy soil Saline paddy soil Saline paddy soil Saline paddy soil Saline paddy soil Saline paddy soil

Organic matters/%

1.75 1.33 2.29 1.84 1.96 1.25

pH 8.01 8.65 8.10 8.72 8.22 8.64

Unit weight

1.26 1.35 1.12 1.30 1.21 1.33

Salinity/% 0.13 0.29 0.18 0.36 0.19 0.34

汤洁等：吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶活性与有机碳含量的关系 1427

0.9000.8000.7000.6000.5000.400

Ⅰ

Ⅱ

ⅢⅣGrowing Period

Ⅴ

Amylase/(mg·g-1)Catalase/(mg·g-1)S1topsoilsubsoil

8.007.006.005.004.003.00

S1topsoilsubsoil

ⅠⅡ

ⅢⅣGrowing Period

Ⅴ

0.9500.850Catalase/(mg·g-1)0.7500.6500.5500.450

S2topsoilsubsoil

Amylase/(mg·g-1)9.508.507.506.505.504.503.50

S2topsoilsubsoil

ⅠⅡⅢGrowing Period

ⅣⅤⅠⅡⅢGrowing Period

ⅣⅤ

0.9000.8000.7000.6000.500

S3topsoilsubsoil

Amylase/(mg·g-1)6.005.505.004.504.003.50

S3topsoilsubsoil

Catalase/(mg·g-1)ⅠⅡⅢGrowing Period

ⅣⅤ

ⅠⅡⅢGrowing Period

ⅣⅤ

图1 吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶变化特征

Fig. 1 Soil enzymes activities of the saline paddy field in west Jilin during rice growing

两种酶活性呈现减弱趋势；结实期是水稻米粒生长和充实期，是水稻生长的又一活跃期，因此两种酶的活性又呈增强的趋势。

对于底层土壤，过氧化氢酶和淀粉酶活性随水稻生长均呈“减-减-增-减”的变化规律。从幼苗期到分蘖期，底层土壤酶活性均处于较低的状态。可能是因为这两个时期水稻根系主要分布在表层土壤，致使底层土壤有机质含量和微生物活跃度均较低，所以，土壤酶活性不高。抽穗期水稻进入稳定状态，伴随着根系不断向下层土壤发育（王伯伦，2010），土壤中微生物开始向底层活跃，底层土壤酶活性升高。进入结实期后，水稻开始结籽，微生

物又逐渐集中在表层土壤，底层酶活性降低。 2.2 土壤有机碳含量变化特征

由图2可得，在水稻生长的各个时期表层SOC含量均高于底层土壤。表层土壤因有植物凋落物或残体对其补充有机质，且水热条件适宜，故表层有机残体分解情况较好（赵仁竹等，2015）。同时，表层土壤根系在发育的过程中会分泌有机质，故表层SOC含量较高。底层土壤受外界干扰较小，不仅来自外界的有机碳补充量偏少，而且不发育的根系分泌的有机质也较少，因此，其SOC含量比表

1428 生态环境学报 第25卷第9期（2016年9月）

1.60S1topsoilsubsoil

1.401.20%1.00/)CO0.80S(w0.600.400.200.00

Ⅰ

Ⅱ

ⅢⅣ

Ⅴ

Growing Period

2.50S2topsoilsubsoil

2.00%/)C1.50OS(w1.000.500.00

ⅠⅡ

Ⅲ

ⅣⅤ

Growing Period

1.40S3topsoilsubsoil

1.201.00%/)C0.80OS(w0.600.400.200.00

ⅠⅡⅢⅣⅤ

Growing Period

图2 吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤有机碳变化特征 Fig. 2 Changes of SOC of the saline paddy field in west Jilin

层低。

从图2可看出，表层和底层SOC基本都呈“减-减-增-减”的变化规律。SOC含量在幼苗期和分蘖期下降的主要原因是，水稻在插秧后进入生长发育期，需要大量的营养物质，SOC在酶的作用下不断矿化分解，从而为水稻提供养分（张豪等，2013）。抽穗期水稻生长发育缓慢，需要的营养物质减少，且所需的营养物质可由叶片的光合作用提供，故土壤SOC含量增加。结实期水稻籽粒的生长发育需

要矿质元素，SOC在矿化分解过程中自身含量下降。分蘖期是SOC含量下降幅度最大的时期，此时水稻处于最活跃的生长阶段，需要的营养物质最多，故SOC含量亦最低。

2.3 水稻不同生长期土壤酶活性与土壤有机碳含量的关系

为了研究水稻不同生长期土壤酶活性与SOC的关系，对水稻每个生长期的土壤酶活性与有机碳含量逐一进行了相关分析（表2）。插秧前，过氧化氢酶与SOC的相关系数为0.895（n=18，P<0.01），淀粉酶与SOC的相关系数为0.812（n=18，P<0.05）。可见，在插秧前SOC的含量对这两种酶活性的影响显著，并且过氧化氢酶的变化对SOC的响应更大。土壤过氧化氢酶在催化过氧化氢分解的过程中，会释放出氧气，有利于土壤中好氧微生物的生命活动以及酶促反应中产物水的生成，从而增大土壤腐殖化强度，提高SOC含量（关松荫，1986）。而淀粉酶只是催化有机物质使土壤中SOC的含量增加，并不像过氧化氢酶那样对土壤环境产生较大影响。

表2 吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶

与有机碳的相关关系

Table 2 Relationship between soil enzymes activities and TOC of the

saline paddy field in west Jilin

Soil enzyme

Growing period

Ⅰ Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ Catalase r 0.895**0.781* 0.534 0.638*0.725*Amylase r

0.812*

0.703* 0.782* 0.526

0.617*

**Correlation is significant at 0.01 level; *Correlation is significant at

0.05 level

水稻移栽后，土壤酶活性与SOC的相关性发生了明显变化，但两种酶的变化规律有所差异。从水稻的幼苗期到结实期，土壤过氧化氢酶与SOC的相关系数分别为0.781、0.534、0.638和0.725。

14001200mm/1000noita800tipic600erP4002000

1

2

3

4

5

6789101112

Month

图3 前郭县2014年月平均降水量 Fig. 3 Average monthly precipitation of Qianguo in 2014

汤洁等：吉林西部盐碱地水田水稻不同生长期土壤酶活性与有机碳含量的关系 1429

其中，土壤过氧化氢酶在分蘖期与SOC无显著相关性，这是由于该区6—7月为丰水期（见图3），在降雨增加稻田积水的同时，土壤逐渐积累了过氧化氢，过氧化氢酶活性也就随之增大；虽然过氧化氢酶会间接促进SOC的积累，但是，分蘖期是水稻生长最旺盛的时期，需要大量的SOC矿化分解提供养分，故SOC含量下降。在水稻生长的其他时期，两者关系均呈显著正相关（n=18，P<0.05），但相关系数明显比未插秧时期小，其原因为水稻生长发育，特别是根部的活动会促进过氧化氢酶活性的增强，同时水稻生长需要大量营养物质，又会消耗SOC，因此，两者正相关性下降。

土壤淀粉酶和SOC的相关性随着水稻的生长也发生了明显的变化，除了分蘖期，两者的相关系数与插秧前相比，均呈明显下降趋势。其中，幼苗期两者相关系数为0.703，抽穗期为0.526，结实期为0.617。在幼苗期和结实期，土壤淀粉酶与SOC均呈显著正相关（n=18，P<0.05）。但在不同生长期土壤过氧化氢酶活性和SOC的变化并不完全一致，抽穗期时两者相关系数最小，无明显相关性，因为抽穗期水稻生长发育变慢，对淀粉酶分解作用需求降低，使得淀粉酶活性明显减小，而SOC在这一时期累积量却最大。分蘖期两者的相关系数高于水稻生长过程中的其他时期，与未插秧时期基本相同。

3 结论

（1）盐碱水田区表层土的SOC含量、过氧化氢酶和淀粉酶活性最高，受到水稻根系生长、微生物活性以及周围环境的影响，不同生长期，其变化规律有所不同。SOC含量在抽穗和结实期明显增高，说明水稻种植是土壤碳汇过程，可有效减少大气中二氧化碳的含量。

（2）水稻种植前后，土壤过氧化氢酶、淀粉酶活性与SOC的相关性均有不同程度降低。除分蘖期和抽穗期外，两种酶活性均与SOC呈现显著正相关。分蘖期降水增多、抽穗期水稻生长发育减缓分别是影响过氧化氢酶、淀粉酶与SOC相关性的主要因素。

（3）随着水稻的种植，盐碱水田区的表土层不仅有机质不断积累，而且土壤pH、粘粒含量、土壤容重和含盐量都降低了。土壤根系发育、酶活性高、含盐量低是表土有机碳富集的重要因素。

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Correlation of Soil Enzyme Activities with Soil Organic Carbon Content

in Saline-alkali Paddy Field

TANG Jie1, ZHAO Qing1, WANG Sining1, WANG Jingjing1, SUN Shanshan1, 2

1. College of Environmental and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China;

2. Environmental Inspection Corps of Jilin Province, Changchun 130033, China

Abstract: Soil enzymes play a critical role in soil organic carbon transformation, so study on correlation between enzymes and SOC of Saline-alkali paddy field is important for us to research carbon cycle mechanism more systematically. We selected Saline-alkali paddy field in Qianguo county of western Jilin province as a research area, collecting samples of topsoil (0~30 cm) and subsoil (30~60 cm) in not planting rice, seedling stage, tillering stage, tassel formation and fructicative stage respectively. The activities of catalase and amylase were measured by KMnO4 capacity method and 3, 5-dinitrosalicylic acid colorimetry respectively, and SOC were measured with a total organic carbon analyzer, to analyze the distribution of SOC, soil catalase activity and soil amylase activity in different rice growth stages, furthermore to explore the correlation between soil enzyme and SOC. The results showed that soil catalase activity, soil amylase activity and SOC content all reduced significantly with increasing soil depth, and also fluctuated with rice growing Before transplanting of rice, SOC extremely significantly correlated with soil catalase and significantly with soil amylase, respectively (P<0.01, P<0.05); SOC content was not only closely related to the two soil enzymes but also influenced more by catalase. After transplanting, the positive correlation between them all decreased in varying degrees. SOC had a significant positive correlation with catalase in seedling stage, tassel formation and fructicative stage (P<0.05), with amylase activity in seedling stage, tillering stage and fructicative stage (P<0.05). Soil catalase and amylase interfered by surroundings and development of rice root system during the rice growth caused the significant change of activity, which further affected SOC. As rice growed slowly during tassel formation, its demand of amylase to decompose organic matter diminished, leading to the decline of its activity, so it had the least impact on SOC.

Key words: saline-alkali paddy field; growth stages; soil enzyme; SOC