杜澤云， 陶思敏， 婁運(yùn)生， 邢鈺媛， 王 坤， 劉 健

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044)

政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第6次評(píng)估報(bào)告指出，1850年以來(lái)，全球地表平均溫度已上升約1 ℃，未來(lái)20年溫升預(yù)計(jì)將達(dá)到或超過(guò) 1.5 ℃[1]。氣候變暖表現(xiàn)為晝夜不對(duì)稱性增溫，即相較于白天，夜間溫度增幅更大。水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一。夜間增溫顯著降低水稻分蘗數(shù)、株高、葉面積指數(shù)和葉綠素(SPAD值)[2-5]，降低水稻穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量，從而影響干物質(zhì)積累和產(chǎn)量[6-8]。目前，增溫對(duì)水稻地上部植株生長(zhǎng)、產(chǎn)量及干物質(zhì)積累的影響研究較多，但對(duì)水稻地下部土壤生物過(guò)程和特性(如土壤酶活性)有何影響，則關(guān)注較少。

土壤酶主要來(lái)自植物根系分泌物和土壤微生物活動(dòng)產(chǎn)物，參與土壤中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程[9]。溫度是影響土壤酶活性的重要環(huán)境因子。以往研究表明，模擬增溫處理下，麥田土壤酶活性顯著增強(qiáng)[10]，溫度與土壤酶活性間存在顯著指數(shù)關(guān)系[11]。溫度升高促進(jìn)土壤呼吸、增加酶活性，有利于土壤微生物活動(dòng)和新陳代謝，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分利用率，促進(jìn)土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化。

生物炭富含有機(jī)碳，是一種有益的土壤改良劑[12]。施用生物炭可明顯降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤含水量。施用生物炭對(duì)土壤氮磷相關(guān)酶活性有顯著影響[13-14]，生物炭可通過(guò)吸附酶分子來(lái)限制酶促反應(yīng)[15]。施用生物炭可提高土壤過(guò)氧化氫酶活性，對(duì)蔗糖酶活性提高的貢獻(xiàn)較小[16]，但與氮肥結(jié)合后水稻土壤蔗糖酶活性顯著提高[17]。

水稻是典型的喜硅作物，穗硅含量為10%～15%，遠(yuǎn)高于氮磷鉀的含量。施用硅可以促進(jìn)土壤酶活性[18-19]。施硅可明顯提高土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶等活性[20]，其原因可能在于，施硅改善了土壤結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了土壤微生物生長(zhǎng)空間，進(jìn)而提高了土壤酶活性[21]。

前人有關(guān)稻田土壤養(yǎng)分對(duì)增溫、施生物炭、施硅的單因素或雙因素響應(yīng)開(kāi)展了大量研究工作[22-24]，得到一些對(duì)生產(chǎn)有指導(dǎo)意義的結(jié)論，但三因素耦合作用對(duì)土壤酶活性的影響，目前報(bào)道較少。本文通過(guò)田間模擬試驗(yàn)探討夜間增溫下施用生物炭和硅肥對(duì)水稻關(guān)鍵生育期稻田土壤酶活性的影響，以期進(jìn)一步闡明氣候變暖對(duì)稻田土壤碳氮轉(zhuǎn)化及溫室氣體產(chǎn)生和排放機(jī)制的影響，為水稻低碳綠色生產(chǎn)提供試驗(yàn)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

2019年6—10月于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(118.8°E、32.0°N)進(jìn)行田間模擬試驗(yàn)。該站位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為15.6 ℃，年均降水量大于1 000 mm。供試稻田土壤為灰馬肝土屬潴育型水稻土，土壤有機(jī)碳含量 19.4 g/kg，全氮含量1.45 g/kg，黏粒含量26.1 g/kg，pH值6.2(1 g ∶1 mL土水比)。供試生物炭為稻殼生物炭，碳含量為50%。供試硅肥選用含有效硅(SiO2)14.21%、鐵氧化物(Fe2O3)22.89%、pH值為8.09(土水比1 g ∶10 mL)的鋼渣硅肥和有效硅(SiO2)含量32.26%、鐵氧化物(Fe2O3)含量0.81%、pH值為9.22(土水比1 g ∶10 mL)的礦粉硅肥[25]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表1)。移栽前按試驗(yàn)處理將生物炭和硅肥分別均勻翻耕混入稻田土壤，同時(shí)各小區(qū)施入200 kg/hm2氮磷鉀高濃度復(fù)合肥料(N-P2O5-K2O，俄羅斯產(chǎn))作為基肥。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

選用南粳5055為供試水稻品種，育苗期為2019年5月10日至6月13日，6月14日移栽。采用開(kāi)放式被動(dòng)增溫方式模擬夜間增溫，在小區(qū)四周架設(shè)不銹鋼架，夜間(19：00至次日6：00)將鋁箔反光膜置于鋼架上方，用來(lái)覆蓋水稻的冠層，及時(shí)調(diào)整鋁箔膜的高度以適應(yīng)水稻生長(zhǎng)，保持鋁箔膜與植株冠層間距為0.3 m。為防止降雨及大風(fēng)天氣(風(fēng)速>10 m/s)覆蓋鋁箔膜所帶來(lái)的不利影響，故夜間有雨和大風(fēng)天氣不覆蓋鋁箔膜。小區(qū)面積為 4 m2(2 m×2 m)，隨機(jī)排列。稻田水深保持在5 cm左右，曬田期為2019年7月28日至8月12日。

水稻移栽時(shí)每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)良好、大小相近的幼苗移入根袋內(nèi)植于稻田土壤中，1個(gè)根袋植入1株水稻幼苗，每小區(qū)4個(gè)根袋，在水稻4個(gè)主要生育期各采集1個(gè)根袋水稻植株，分別于根袋內(nèi)及根袋外采集土樣，根袋內(nèi)為根際土，根袋外非根際土[26-27]。將所采土樣裝入塑料自封袋，挑去根系殘?bào)w、石塊等雜物，然后把土樣放置在通風(fēng)處風(fēng)干，研磨后用篩子篩選干凈，使用塑料保鮮袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 土壤酶活性測(cè)定

土壤脲酶活性采用靛酚比色法[28]測(cè)定；土壤轉(zhuǎn)化酶活性采用比色法測(cè)定；土壤纖維素酶活性采用蒽酮比色法測(cè)定；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法[29]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)方差分析和極差分析，采用Excel 2019、Origin Pro 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻土脲酶活性的影響

由圖1可知，隨著水稻生長(zhǎng)期變化，根際土脲酶活性部分呈現(xiàn)先增加而后降低趨勢(shì)，孕穗期脲酶活性較高，開(kāi)花期活性較弱，除W1B2Si0、W2B0Si2、W1B1Si2處理外，其余處理的根際土脲酶活性，開(kāi)花期脲酶活性最低，拔節(jié)期和孕穗期根際土脲酶活性最高。不同處理的非根際土脲酶活性總體變化幅度不大，表現(xiàn)為隨著水稻的生長(zhǎng)先平穩(wěn)而后降低趨勢(shì)，灌漿期除W0B1Si1和W1B0Si1處理外，其余處理的非根際土脲酶活性灌漿期最低。根際土中，W0B2Si2處理的4個(gè)生育期均值最高，W2B1Si0處理的均值最低；非根際土中，W1B2Si0處理的均值最高，W0B0Si0處理均值最低。

平均值和極差分析結(jié)果表明，在根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、夜間增溫、硅肥。W1條件下，脲酶活性最高，W1B2Si1為最優(yōu)水平。對(duì)于非根際土，三因素的影響程度從大到小依次為：夜間增溫、生物炭、硅肥(表2)。W1條件下脲酶活性最高，W1B2Si1為最優(yōu)水平。

表2 水稻全生育期脲酶均值極差分析

方差分析結(jié)果表明(表3)，在根際土中，夜間增溫(拔節(jié)期)和施用生物炭(孕穗期)對(duì)土壤脲酶活性的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而施用硅肥的影響不顯著。在非根際土中，夜間增溫對(duì)水稻拔節(jié)期和開(kāi)花期對(duì)脲酶活性的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，而施用生物炭和硅肥對(duì)關(guān)鍵生育期水稻土脲酶活性的影響均不顯著?？梢?jiàn)，夜間增溫在水稻部分生育期影響脲酶活性，其影響隨著覆膜的厚度的增加而減??；而施生物炭?jī)H在根際土孕穗期顯著影響脲酶活性，且隨著生物炭施用量的增加，影響逐漸增大。

表3 脲酶活性方差分析

2.2 不同處理對(duì)水稻土纖維素酶活性的影響

如圖2所示，隨著水稻生長(zhǎng)期變化，根際土纖維素酶活性總體上呈現(xiàn)先降低而后增加趨勢(shì)，開(kāi)花期和灌漿期纖維素酶活性較高，孕穗期活性較低，并出現(xiàn)最小值。不同處理的非根際土纖維素酶活性總體呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，拔節(jié)期纖維素酶活性較低且達(dá)到最小值，孕穗期明顯增加，開(kāi)花期又開(kāi)始降低(W0B0Si0、W1B0Si1除外)，最后W1B2Si0、W2B0Si2、W2B1Si0、W2B2Si1處理在灌漿期緩慢增加。根際土中，W2B2Si1處理的4個(gè)生育期纖維素酶活性均值最高，W1B2Si0處理的均值最低；非根際土中，W1B1Si2處理的均值最高，W0B0Si0處理的均值最低。

平均值和極差分析表明，在根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：夜間增溫、生物炭、硅肥。在根際土中，W2條件下纖維素酶活性最高，W2B1Si2為最優(yōu)水平。在非根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：硅肥、夜間增溫、生物炭，W1條件下纖維素酶活性最高， W1B1Si1為最優(yōu)水平(表4)。

表4 水稻全生育期纖維素酶均值極差分析

方差分析表明(表5)，根際土中，夜間增溫、生物炭和硅肥均對(duì)水稻土纖維素酶活性無(wú)顯著影響。非根際土中，硅肥對(duì)水稻拔節(jié)期纖維素酶活性有極顯著影響，夜間增溫和生物炭對(duì)纖維素酶活性無(wú)顯著影響。

表5 纖維素酶活性方差分析

2.3 不同處理對(duì)水稻土轉(zhuǎn)化酶活性的影響

如圖3所示，隨水稻生長(zhǎng)期變化，根際土各處理轉(zhuǎn)化酶活性變化趨勢(shì)不同，部分處理孕穗期和開(kāi)花期轉(zhuǎn)化酶活性較高，拔節(jié)期活性較低。W0B1Si1、W0B2Si2、W2B0Si2處理的非根際土轉(zhuǎn)化酶活性變化趨勢(shì)總體上呈現(xiàn)先增加—降低—增加趨勢(shì)。根際土中，W1B1Si2處理的4個(gè)生育期轉(zhuǎn)化酶活性均值最高，W2B2Si1處理的均值最低；非根際土中，W1B0Si1處理的均值最高，W2B1Si0處理均值最低。

平均值和極差分析表明，在根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：夜間增溫、生物炭、硅肥。在根際土中，W1條件下轉(zhuǎn)化酶活性最高， W1B0Si1為最優(yōu)水平。在非根際中，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、夜間增溫、硅肥(表6)。W1條件下轉(zhuǎn)化酶活性最高， W1B0Si2為最優(yōu)水平。

表6 水稻全生育期轉(zhuǎn)化酶均值極差分析

方差分析表明，根際土中，夜間增溫(孕穗期)和施用生物炭(灌漿期)對(duì)水稻土轉(zhuǎn)化酶活性的影響達(dá)極顯著水平，硅肥(開(kāi)花期)對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性有顯著影響。非根際土中，三因素對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性均無(wú)顯著影響(表7)。

表7 轉(zhuǎn)化酶活性方差分析

2.4 不同處理對(duì)水稻土壤蛋白酶活性的影響

由圖4可知，隨水稻生長(zhǎng)期變化，根際土蛋白酶活性總體變化幅度不大。不同處理的非根際土蛋白酶活性變化趨勢(shì)不同。根際土中，W0B0Si0處理蛋白酶活性均值最高，W2B2Si1處理的均值最低；非根際土中，W1B0Si1處理的均值最高，W1B2Si0處理的均值最低。

極差分析(表8)表明，對(duì)于根際土，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、夜間增溫、硅肥。在根際土中，W0條件下蛋白酶活性最高， W0B0Si1為最優(yōu)水平。在非根際中，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、硅肥、夜間增溫。W0條件下蛋白酶活性最高， W0B0Si1為最優(yōu)水平。

表8 水稻全生育期蛋白酶均值極差分析

方差分析(表9)表明，根際土中，夜間增溫和施用硅肥對(duì)水稻土蛋白酶活性無(wú)顯著影響， 施用生物炭在拔節(jié)期對(duì)蛋白酶活性有顯著影響，并在孕穗期和灌漿期達(dá)到極顯著水平。非根際土中， 施用生物炭對(duì)開(kāi)花期和灌漿期蛋白酶活性的影響達(dá)到顯著水平，夜間增溫和施用硅肥對(duì)蛋白酶活性均無(wú)顯著影響。

表9 蛋白酶活性方差分析

3 討論

土壤酶活性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤生物活性的常用指標(biāo)[9]，在土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化中起著重要作用[30-32]。溫度是影響土壤酶活性的重要環(huán)境因子[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，夜間覆蓋5 mm鋁箔膜(W1)可促進(jìn)稻田土壤根際土和非根際土脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性以及非根際土纖維素酶活性；而隨著夜間覆膜厚度的增加，其對(duì)根際土和非根際土轉(zhuǎn)化酶活性、蛋白酶活性以及根際土脲酶活性的影響減小。其原因可能是：(1)在適宜的溫度范圍內(nèi)，土壤增溫可以提高微生物的繁殖和代謝速度，產(chǎn)生較多的酶參與碳氮循環(huán)，擴(kuò)大酶庫(kù)增強(qiáng)酶活性。溫度較高時(shí)，超過(guò)土壤蛋白酶活性的適宜溫度范圍，引起酶活性下降。(2)夜間增溫使土壤銨態(tài)氮含量增加，銨態(tài)氮能抑制土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性[34]。增溫對(duì)土壤酶活性的影響差異，可能是土壤和其它環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[35]。

生物炭可通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)、土壤生物群落組成和豐富度以影響土壤酶活性。生物炭對(duì)土壤酶活性的影響較復(fù)雜，主要與土壤酶的類型有關(guān)[36]。生物炭可吸附酶底物，促進(jìn)酶促反應(yīng)；相反，酶分子也可被生物炭吸附，以掩蔽酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，抑制酶促反應(yīng)[37]。本研究發(fā)現(xiàn)，在增溫處理下施用生物炭可增加土壤脲酶活性。原因可能是溫度和生物炭共同作用改善了土壤環(huán)境，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤溫度[36]。提高生物炭施用量，稻田土壤轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶活性呈下降趨勢(shì)。其原因可能是生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和較大比表面積，具有較強(qiáng)的吸附能力，引起土壤酶活性的反應(yīng)底物降低[39]。

施用硅肥提高了水稻脲酶活性、纖維素酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和根際土蛋白酶活性，并對(duì)拔節(jié)期非根際土纖維素酶活性和開(kāi)花期根際土轉(zhuǎn)化酶活性有顯著促進(jìn)作用。原因可能是施用鋼渣硅肥和礦粉硅肥可改善稻田土壤結(jié)構(gòu)和通氣性，緩解土壤酸度，使pH值趨中性，改善土壤微生物環(huán)境，有利于土壤微生物活動(dòng)，提高土壤酶活性[40]。

4 結(jié)論

本研究認(rèn)為，本試驗(yàn)最佳處理組合為W1B0Si1，即夜間覆蓋5 mm鋁箔膜、施用200 kg/hm2鋼渣硅肥但不施生物炭處理下，水稻主要生育期土壤酶活性可達(dá)較優(yōu)水平。本研究為水稻大田模擬增溫試驗(yàn)，易受降水、溫度等環(huán)境因素的影響，擬通過(guò)田間連續(xù)定位試驗(yàn)及環(huán)境控制試驗(yàn)，深入探討稻田土壤酶活性對(duì)氣候變化、不同類型生物炭施用方式及水肥管理的響應(yīng)特征，進(jìn)一步研究氣候變化對(duì)稻田土壤碳氮循環(huán)轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性的影響機(jī)制，為區(qū)域水稻綠色低碳可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。