張旭，陳書濤，陳桂發(fā)，蔡敏，周麗，崔娜欣，鄒國燕*

（1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護研究所，上海201403；2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201415；3.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京210044）

酸雨已成為全球性環(huán)境問題之一[1]，其對陸地生態(tài)系統(tǒng)地下生態(tài)過程具有一系列潛在影響[2]。研究表明，酸雨可導(dǎo)致植物受損和土壤酸化，還會對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)會產(chǎn)生影響[3]。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的秸稈。我國每年產(chǎn)生約10.4億t秸稈，占世界的1/7，其中有近1/5 的秸稈被露天焚燒[4]。秸稈焚燒產(chǎn)生大量的酸性氣體（氮氧化物等），從而會加劇全球酸雨污染[5]。目前，秸稈還田是常見的農(nóng)業(yè)管理措施，秸稈含有豐富的碳、氮、磷以及微量營養(yǎng)元素[6]，可作為能量和養(yǎng)分的載體；秸稈還田可以改變土壤生物化學(xué)過程[7-8]。

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳循環(huán)過程[9]，其量值僅次于全球陸地總初級生產(chǎn)力（GPP）的估算值[10]。土壤呼吸主要分為自養(yǎng)呼吸（根系呼吸）與異養(yǎng)呼吸（微生物呼吸），其中土壤微生物呼吸指土壤有機碳和凋落物分解產(chǎn)生的CO2排放通量[11]，占土壤呼吸總量的52.1%[12]，是土壤中微生物生命活動的重要標(biāo)志，并能夠在一定程度上反映土壤有效養(yǎng)分、土壤通透性的優(yōu)劣以及微生物活性和群落結(jié)構(gòu)[13]。土壤酶是一種催化劑，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是評價土壤肥力、土壤微生物活性的重要指標(biāo)[14]。土壤轉(zhuǎn)化酶（Invertase）是一種水解酶，它能夠?qū)⑼寥乐械拇蠓肿犹欠纸獬善咸烟呛凸?，從而為土壤微生物提供養(yǎng)分；土壤過氧化氫酶（Catalase）是一種與土壤相關(guān)的還原酶，它通過催化過氧化氫分解從而將有毒物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化為其他無害或毒性較小的物質(zhì)[15]。研究土壤微生物呼吸、土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性對于深入認識土壤碳氮循環(huán)具有重要意義。

國內(nèi)外關(guān)于酸雨和秸稈還田對土壤碳氮循環(huán)過程的影響和對土壤微生物的影響已有大量研究：秸稈施用會提高土壤轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶活性以及土壤微生物呼吸速率[16-17]；酸雨H+濃度越高，其對酶活性的抑制作用越強[18]；酸雨會對農(nóng)田土壤微生物呼吸產(chǎn)生影響，但其影響趨勢并不確定（減少、增加或無影響）[19-20]。這些研究主要集中在單因素對土壤微生物呼吸及酶活性的影響，然而酸雨強度和秸稈還田量的交互作用對土壤微生物和酶活性影響如何？目前仍少見報道。本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，設(shè)置不同強度的模擬酸雨pH 和秸稈添加量，研究模擬酸雨和秸稈添加對土壤酶活性和微生物呼吸的影響規(guī)律及其內(nèi)在機制，以期為合理評估未來酸雨日益嚴重情況下農(nóng)田土壤碳循環(huán)的變異過程和進行合理的秸稈還田提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站（32.16°N，118.86°E），該站長期實行冬小麥（淮麥19 號）-大豆（八月白）輪作，土壤類型為黃棕壤（灰馬肝土屬），基本理化性狀為：0～20 cm土壤pH為6.3，土壤有機碳和全氮含量分別為19.4 g·kg-1和1.15 g·kg-1，田間持水量為25.6%。該站年均溫度為15.6 ℃，年降水量為1 100 mm，年降水pH 為4.92，年酸雨發(fā)生頻率38%，酸雨類型為“硫-硝酸混合型”[21]。于2014年9月，用小鏟子除去表土，取離地面0～20 cm處的土壤盛入清潔的牛皮紙袋中，隨后置于陰涼處自然風(fēng)干，用研缽磨碎后過2 mm篩，放入自封袋中密封保存?zhèn)溆谩＝斩挒樵撜痉N植的冬小麥——淮麥19 號，于2014 年6 月冬小麥收獲后將秸稈晾干，粉碎成0.5～1.0 cm并混合均勻，放入自封袋中密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 培養(yǎng)試驗

模擬酸雨強度的選擇參照以往的研究[22-24]，即模擬酸雨強度一般設(shè)置在pH 4.0～2.0之間。設(shè)置4個模擬酸雨強度，用n（H2SO4）和n（HNO3）按4.5∶1 配制pH 1.0 的酸雨母液[25]，再將適量去離子水和酸雨母液混合配制成pH 為pH=6.7（去離子水CK）、pH=4.0（A1）、pH=3.0（A2）、pH=2.0（A3）的模擬酸雨供試液。每個模擬酸雨pH 下設(shè)置4 個秸稈添加量（0、0.6、1.2、1.8 g），共16 個處理，即去離子水+秸稈（CK-0、CK-0.6、CK-1.2、CK-1.8）、pH 4.0+秸稈（A1-0、A1-0.6、A1-1.2、A1-1.8）、pH 3.0+秸稈（A2-0、A2-0.6、A2-1.2、A2-1.8）、pH 2.0+秸稈（A3-0、A3-0.6、A3-1.2、A3-1.8）。每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

分別向489 mL 廣口培養(yǎng)瓶中放入60 g 干土，加去離子水10.6 mL，調(diào)節(jié)土壤的含水量為15%。在培養(yǎng)試驗開始前，預(yù)先對土壤進行7 d預(yù)培養(yǎng)，為抵消水分蒸發(fā)的影響，于每日下午16：00 采用稱取質(zhì)量的方法滴加去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量。隨后，將秸稈按添加量均勻覆蓋于土壤表面并進行一次模擬降雨，降雨量為10 mL，于20 ℃的培養(yǎng)箱進行密封培養(yǎng)。培養(yǎng)期間于每日下午16：00 采用稱取質(zhì)量的方法分別用對應(yīng)的模擬酸雨調(diào)節(jié)土壤含水量，以保持含水量不變。滴加時，使用移液管緩慢滴加，以避免因滴加水對土壤微生物呼吸產(chǎn)生短期內(nèi)的激發(fā)效應(yīng)。

1.3 土壤微生物呼吸速率的測定

秸稈中大部分物質(zhì)經(jīng)過30 d 的培養(yǎng)會完全分解[26]，因此該試驗培養(yǎng)天數(shù)設(shè)置為31 d。于試驗開始的第1、2、3、5、7、10、14、20、27、31 d 的上午9：00 使用SoilBox-FMS（土壤CO2排放量測量系統(tǒng)，Miller 公司，美國）測定土壤CO2排放速率，共測定10次。

1.4 土壤pH、轉(zhuǎn)化酶及過氧化氫酶的測定

培養(yǎng)試驗結(jié)束后，采用pH 計（Starter 2100，Sarto?rius 公司，德國）測定土壤pH（水土比為2.5∶1）；采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤轉(zhuǎn)化酶活性[27]；采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性[28]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用加權(quán)累積法估算各處理累積土壤微生物呼吸量（31 d 土壤微生物呼吸總量）。原始數(shù)據(jù)使用Excel 2019 進行初步整理和繪制圖表，使用SPSS 25軟件進行統(tǒng)計分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨及秸稈添加對土壤pH的影響

在相同秸稈添加量、不同模擬酸雨pH作用下，培養(yǎng)試驗結(jié)束后的土壤pH 隨模擬酸雨pH 的降低而降低；在相同模擬酸雨pH、不同秸稈添加量作用下，各處理對外源酸的緩沖能力存在差異（圖1）。

供試土壤初始pH 為6.3，CK-0 處理在去離子水作用下土壤pH略微上升。與CK-0相比，A1-0、A2-0和A3-0 處理土壤pH 分別下降0.27、0.33、0.34 個單位，CK-0.6、CK-1.2、CK-1.8 土壤pH 分別下降0.23、0.35、0.21 個單位；在模擬酸雨和秸稈添加復(fù)合作用下，土壤pH 介于5.69～5.92 之間。以上結(jié)果表明，模擬酸雨和秸稈添加均會降低土壤pH，并且兩種因素復(fù)合處理比單一處理的土壤pH降幅更大。

2.2 土壤微生物呼吸的時間變異性

在不同秸稈添加量和模擬酸雨pH 條件下，各處理累積土壤微生物呼吸量均隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸升高，但增加速率逐漸降低，表明試驗前期土壤微生物呼吸速率高于后期（圖2）。在相同秸稈添加量下，累積土壤微生物呼吸量隨著模擬酸雨pH 的減小而減小，不同觀測日期的累計土壤微生物呼吸量差異達到極顯著水平（P<0.001）。在相同模擬酸雨pH下，不同秸稈添加量處理的累積土壤微生物呼吸量存在極顯著差異（P<0.001），CK-1.8 處理的累積土壤微生物呼吸量最大，A3-0 處理的累積土壤微生物呼吸量最小。

2.3 土壤微生物呼吸與模擬酸雨pH 及秸稈添加量的關(guān)系

模擬酸雨pH與31 d的累積土壤微生物呼吸的關(guān)系可用一元線性方程描述（圖3），其P 值均達到顯著水平（P<0.05）。0、0.6、1.2、1.8 g秸稈添加量下累積土壤微生物呼吸量分別為0.063～0.204、0.092～0.232、0.108～0.206、0.127～0.301 mg·g-1。1.8 g 秸稈添加量下的模擬酸雨pH與土壤微生物呼吸的線性回歸方程斜率最大，表明在1.8 g 秸稈添加量條件下土壤微生物呼吸對模擬酸雨pH變異的響應(yīng)程度最大。

秸稈添加量與31 d 的累積土壤微生物呼吸的關(guān)系也可用一元線性方程描述（圖4），其P 值均達到顯著水平（P<0.05）。CK、A1、A2 和A3 條件下累積土壤微生物呼吸量分別為0.204～0.301、0.113～0.186、0.074～0.151、0.063～0.127 mg·g-1。CK-1.8 處理的土壤微生物呼吸量最高，CK-0 處理的土壤微生物呼吸量高于A1-1.8、A2-1.8 和A3-1.8 這3 個處理，表明在模擬酸雨和秸稈添加復(fù)合影響下，模擬酸雨對土壤微生物呼吸的抑制作用大于秸稈添加對土壤微生物呼吸的促進作用，即模擬酸雨和秸稈添加交互作用表現(xiàn)為抑制土壤微生物呼吸。

由于模擬酸雨pH和秸稈添加量對土壤微生物呼吸均有顯著影響，故以模擬酸雨pH（x1）及秸稈添加量（x2）作為兩個變量分析其對土壤微生物呼吸（y）的復(fù)合影響，結(jié)果表明，y與x1和x2的關(guān)系可用如下方程描述：

y=0.033x1+0.043x2- 0.018（R2=0.985，P<0.001）

相比基于模擬酸雨pH和秸稈添加量的單因素擬合方程，該方程對土壤微生物呼吸同樣具有較高的解釋性（98.5%）。

雙因素方差分析結(jié)果表明（表1），不同模擬酸雨pH（F=26.544，P<0.001）和秸稈添加量（F=111.069，P<0.001）處理下土壤微生物呼吸均具有極顯著差異，但兩者的交互作用對土壤微生物呼吸無顯著影響（F=0.457，P=0.892）。

2.4 土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性

由表2 可見，A1-0、A2-0、A3-0 這3 個處理轉(zhuǎn)化酶活性分別比CK-0 顯著（P<0.05）提高了23.09%、124.09%、100.33%，A2強度的酸雨對轉(zhuǎn)化酶活性的促進作用最強。秸稈添加量與轉(zhuǎn)化酶活性呈顯著正相關(guān)（P<0.05），CK-0.6、CK-1.2、CK-1.8這3個處理轉(zhuǎn)化酶活性分別比CK-0 提高了75.08%、228.41%、366.78%?？傮w來看，模擬酸雨、秸稈添加、模擬酸雨及秸稈添加處理較對照提高了土壤轉(zhuǎn)化酶活性，對轉(zhuǎn)化酶活性均表現(xiàn)出促進作用。

與CK-0 處理過氧化氫酶活性相比，A2-0、A3-0兩個處理分別顯著（P<0.05）降低了3.1%、4.4%，而A1-0 處理無顯著影響；CK-0.6、CK-1.2、CK-1.8 這3個處理分別提高了2.12%、5.78%、10.38%，秸稈添加量與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)（P<0.05）?？傮w來看，短期高強度模擬酸雨（A1、A2）顯著抑制土壤過氧化氫酶活性，低強度模擬酸雨（A3）無顯著影響；秸稈添加、模擬酸雨及秸稈添加較對照提高了過氧化氫酶活性，對過氧化氫酶活性均表現(xiàn)出促進作用。

2.5 土壤微生物呼吸與土壤酶活性的關(guān)系

相同模擬酸雨pH 條件下，各處理31 d 的累積土壤微生物呼吸與轉(zhuǎn)化酶活性之間的關(guān)系均可用一元線性方程描述，但土壤微生物呼吸對轉(zhuǎn)化酶活性增加的響應(yīng)程度存在差異（圖5）。CK和A2條件下轉(zhuǎn)化酶活性與土壤微生物呼吸存在顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。對于所有模擬酸雨處理，土壤微生物呼吸與轉(zhuǎn)化酶活性之間的關(guān)系也可用一元線性方程描述，其P值達到顯著水平（P<0.05）（圖6）。

相同模擬酸雨pH 條件下，31 d 的累積土壤微生物呼吸與過氧化氫酶活性均可用一元線性方程描述（圖7），其P 值均達到顯著水平（P<0.05）。對于所有模擬酸雨處理，土壤微生物呼吸與過氧化氫酶活性之間的關(guān)系也可用一元線性方程描述，其P值達到極顯著水平（P<0.001）（圖8）。

表1 模擬酸雨pH、秸稈添加量對土壤微生物呼吸影響的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA for analyzing the effects of the pH of SAR and amended straw on SMR

表2 不同處理的土壤酶活性（mL·g-1）Table 2 Soil enzyme activities under different treatments（mL·g-1）

總體來看，土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性是反映土壤微生物呼吸量大小的良好指標(biāo)。

由于土壤轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶對土壤微生物呼吸均有顯著影響，故而以轉(zhuǎn)化酶活性（x1）、過氧化氫酶活性（x2）作為兩個變量分析其對土壤微生物呼吸（y）的復(fù)合影響，結(jié)果表明，y與x1和x2的關(guān)系可用如下方程描述：

y=-0.001x1+0.98x2- 0.712（R2=0.955，P<0.001）

相比基于土壤轉(zhuǎn)化酶或過氧化氫酶活性的單因素擬合方程，該方程對土壤微生物呼吸具有更高的解釋量（95.5%）。

3 討論

3.1 模擬酸雨、秸稈添加對土壤微生物呼吸的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心，其種類、數(shù)量和活性會影響土壤微生物呼吸量，也與土壤中可利用的碳氮等營養(yǎng)元素含量有關(guān)[17]。以往研究表明，酸雨對土壤微生物的影響主要以負面為主[2，29-30]。一方面，酸雨會加速土壤酸化，導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化，降低土壤微生物量；另一方面，酸雨會改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，使土壤微生物活性降低，從而抑制土壤微生物呼吸[29]。劉義凡[30]研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物呼吸會隨著酸雨H+濃度的增大而降低。秸稈還田不僅可以增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤生物學(xué)肥力[31]，還可以顯著增加土壤微生物的數(shù)量[32]。張慶忠等[33]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可促進土壤呼吸速率?？傊?，模擬酸雨和秸稈添加會通過影響土壤微生物過程來影響土壤微生物的呼吸作用。

在本研究中，模擬酸雨顯著抑制了土壤微生物呼吸，而秸稈添加顯著促進了土壤微生物呼吸。總體來看，模擬酸雨pH 和秸稈添加雙因子處理對土壤微生物呼吸的影響表現(xiàn)為各自效應(yīng)的復(fù)合，但這兩個因子復(fù)合后并未對土壤微生物呼吸產(chǎn)生顯著影響。這可能是由于秸稈添加的促進作用和模擬酸雨的抑制作用相互抵消所致。故在今后的研究中，我們有必要深入研究兩因子復(fù)合對土壤微生物呼吸的影響機制。

3.2 模擬酸雨、秸稈添加對酶活性的影響

土壤酶活性通常被認為是土壤微生物活性和功能的指標(biāo)[34]。酸雨會影響土壤微生物數(shù)量以及土壤對各種脅迫的敏感性[35]。此外，模擬酸雨會降低土壤pH，土壤pH 會改變酶與土壤中腐蝕質(zhì)或黏土間的吸附行為，影響酶的解離狀態(tài)，從而改變土壤中酶的活性[36]。何偉靜等[37]研究發(fā)現(xiàn)，土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性隨著酸雨H+濃度的增大而降低，表現(xiàn)出抑制作用。而韓瑋等[38]研究發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨對土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性表現(xiàn)為先激活后抑制效應(yīng)。而王俊龍等[39]研究發(fā)現(xiàn)，酸雨在短時間內(nèi)對土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶表現(xiàn)為抑制作用，之后逐漸轉(zhuǎn)化為促進作用。在本研究中，土壤pH隨模擬酸雨pH的降低而降低，與Kang 等[36]的研究結(jié)果一致；模擬酸雨對土壤轉(zhuǎn)化酶活性表現(xiàn)為促進作用，高強度模擬酸雨對過氧化氫酶活性表現(xiàn)為抑制作用。酸雨對土壤酶的影響比較復(fù)雜，出現(xiàn)研究結(jié)果不一致的原因可能是酸雨對土壤酶活性的影響與土壤類型、酸雨H+濃度以及成分有關(guān)，短期的模擬酸雨處理并不一定會實質(zhì)性地改變土壤pH，而是改變了土壤碳、氮等營養(yǎng)元素的有效性，這可能對土壤酶產(chǎn)生激活、抑制或無影響[40]。

秸稈添加可以提高土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性[17，41-42]。如：陳書濤等[41]研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈施用顯著提高了土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性，徐國偉等[42]也得到了類似的結(jié)論。胡乃娟等[43]研究發(fā)現(xiàn)，25%小麥秸稈還田量可以顯著提高土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性。而韓新忠等[44]的研究結(jié)果表明，25%和50%小麥秸稈還田量顯著提高了土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性，75%秸稈還田量顯著提高了土壤過氧化氫酶活性。與以往的研究類似，本研究結(jié)果也表明，土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性與秸稈添加量呈顯著正相關(guān)，其活性隨著秸稈添加量的增大而增大。一方面，施入土壤中的秸稈腐解后，會增加土壤養(yǎng)分含量，為土壤中的微生物提供充分的養(yǎng)分[31]；另一方面，秸稈還田能夠增加土壤中微生物的代謝速度，加快營養(yǎng)元素和有機質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化，從而提高土壤養(yǎng)分的生物有效性[8]，這一系列反應(yīng)直接或間接地提高了土壤酶活性。

3.3 土壤酶活性與土壤微生物呼吸的關(guān)系

土壤中各類酶活性的大小可以決定生物化學(xué)反應(yīng)速率[45]，生物化學(xué)反應(yīng)速率又影響著土壤微生物呼吸的強弱。土壤酶活性和土壤微生物呼吸顯著的線性回歸關(guān)系很好地體現(xiàn)了土壤中各生物學(xué)過程的內(nèi)在聯(lián)系（圖6和圖8）。以往的研究也驗證了土壤酶活性和土壤微生物呼吸的相關(guān)性[34，46-47]。例如，Lü 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性對不同酸雨類型或強度的響應(yīng)與土壤微生物數(shù)量對酸雨的響應(yīng)相似。Cox等[46]研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性的增強可以促進土壤微生物呼吸作用；萬忠梅等[47]研究發(fā)現(xiàn)，濕地的土壤微生物呼吸與土壤轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶活性存在顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果與萬忠梅等[47]的研究結(jié)果一致，即土壤微生物呼吸與轉(zhuǎn)化酶、過氧化氫酶活性的變化具有一致性，他們之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤微生物呼吸為酶促反應(yīng)，不同類型土壤的酶活性與土壤微生物呼吸的相關(guān)性存在差異[48]。關(guān)于不同環(huán)境、不同條件下土壤酶活性與土壤微生物呼吸的關(guān)系有待進一步研究。

4 結(jié)論

（1）土壤微生物呼吸與模擬酸雨pH 和秸稈添加量之間的關(guān)系均可用線性方程描述，秸稈添加顯著促進了土壤微生物呼吸，模擬酸雨pH 顯著抑制了土壤微生物呼吸，而兩者的交互作用對土壤微生物呼吸無顯著影響。

（2）在無秸稈添加條件下，與去離子水處理相比，pH4.0、pH3.0、pH2.0 模擬酸雨處理使得轉(zhuǎn)化酶活性分別顯著提高了23.09%、124.09%、100.33%；pH 3.0、pH 2.0 處理使得過氧化氫酶活性顯著降低了3.1%、4.4%，pH 4.0 處理無影響。在去離子水條件下，與未添加秸稈相比，0.6、1.2、1.8 g 秸稈添加量使得轉(zhuǎn)化酶活性分別顯著提高了75.08%、228.41%、366.78%，使得過氧化氫酶活性分別顯著提高了2.12%、5.78%、10.38%。

（3）對于所有模擬酸雨處理，土壤微生物呼吸與過氧化氫酶活性之間存在極顯著的線性回歸關(guān)系，與轉(zhuǎn)化酶活性之間存在顯著的線性回歸關(guān)系，過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性雙因素擬合方程對土壤微生物呼吸具有更高的解釋量。

（4）土壤微生物呼吸與土壤酶活性有關(guān)，轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性可在一定程度上解釋不同處理下土壤微生物呼吸的變異。