【摘要】通过田间试验,采用分层取样法对稻-鱼(泥鳅)复合种养水田的土壤酶活性进行了定位定量研究。结果表明,稻鱼复合种养水田的土壤酶活性高于对照样地。底栖鱼类增加了水田土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶及脱氢酶活性,其中对脱氢酶和蔗糖酶活性的影响最为显著。在土壤垂直剖面上,土壤酶活性在0-10 cm土层最高,由表层到深层逐渐降低。在稻田中加入底栖鱼类组分,有助于提高水田的土壤肥力和生物学活性。
【关键词】稻-鱼系统;水稻土;土壤酶;泥鳅;绿色农业
土壤酶(soil enzyme)是存在于土壤中各酶类的总称,是土壤生态系统的组成成分和最活跃的组分之一,具有高度的催化作用和突出的专一性,主要来源于土壤中动物、植物根系和微生物的细胞分泌物以及残体的分解物,可在接近常温、常压和中等酸度的条件下,大大加速生物化学反应的速度。土壤酶参与了土壤的发生和发育以及土壤肥力的形成和演化的全过程,是土壤物质循环和能量流动的重要参与者[1]。由于土壤酶活性易受土壤物理性质、化学性质和生物活性的影响,因此土壤酶活性是土壤生物性能的一种稳定而敏感的指标[2,3],可在一定程度上灵敏地反映出环境状况[4],是监测和评价土壤污染的一种生物学方法[5]。土壤酶活性在农学、生态学、土壤学和环境科学研究中的应用越来越广泛[6]。
传统稻作生产主要依靠人工、农药、化肥的大量投入提高产量,导致农药残留、环境污染、稻米品质下降、病虫害抗药性提高等问题,使水田生态系统的结构和功能变得十分脆弱,影响到农业生产的可持续发展。稻-鱼复合种养作为多物种共栖、多层次配置、多级物质利用和能量循环的立体农业模式及技术,合理地利用自然资源、生物资源和人类生产技能,使农业生态系统处于良性循环之中[7,8],已经在我国一些地区得到应用和推广。但对复合种养水田土壤酶活性的研究,还未见系统报道。本试验通过对稻-鱼复合系统中土壤酶活性的定位定量研究,旨在探讨如何防止土壤肥力退化、改善稻田生态环境、提高稻田土壤的生产力,为水田立体开发的评价及推广提供科学依据。
1研究地概况
研究地点位于吉林省长春市双阳区奢岭街道徐家村7社的水田。该水田立地条件良好,位于长春市东南部(东经125°30′34″,北纬43°25′24″),属温带大陆性季风气候,海拔225 m。极端最高气温36.9 ℃,极端最低气温-34.6 ℃,多年平均气温5.5 ℃。多年平均降雨量和蒸发量分别为620 mm和1356.7 mm。年平均日照2882 h,年无霜期145 d。
2材料和方法
2.1供试品种
稻-鱼复合体系中选用的水稻品种为吉粳88,鱼类为泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)。吉粳88号是吉林省农科院水稻所参加国家863项目“北方粳型超级稻育种技术及优质超级稻新品种培育”育成的吉林省首个超级稻品种,2004年9月通过省内外有关专家现场验收,百亩连片平均亩(667 m2)产达到744.47 kg,适宜吉林大部、辽宁北部及内蒙古等地种植。泥鳅属鲤形目、鲤亚目、鳅科、泥鳅属,营底栖生活,生命力和环境适应性强,适于水田养殖。
2.2试验设计
本试验设置两个处理:养鱼稻田(处理1)和空白对照(处理2)。每个处理设3次重复,共6个小区,每小区面积80 m2。各小区土壤质地较为均一,肥力相当,随机区组排列。小区之间作泥埂隔离,单排单灌,由同一农户同样操作,栽培管理基本一致。养鱼稻田挖“十”字形鱼沟,宽0.5 m,深1.0 m,每小区放5~8 cm左右的泥鳅200尾。
2.3药品和仪器
主要药品包括Cu、Zn、Pb醋酸盐溶液(0.3%H2O2;1.5 mol/L H2SO4;0.02 mol/L KMnO4;NaOH;甲苯;8%蔗糖溶液)、3,5-二硝基水杨酸溶液(称0.5 g二硝基水杨酸,溶于20 ml 2 mol/L氢氧化钠和50 ml水中,再加30 g酒石酸钾钠用水稀释至100 ml,不超过7 d)、pH 5.5磷酸缓冲液(将11.867 g Na2HPO4•2H2O溶于1 L蒸馏水中,制成1/15 mol/L磷酸氢二钠溶液,取0.5 ml加入1/15 mol/L磷酸二氢钾9.5 ml即成,后者由9.078 g KH2PO4 溶于1 L蒸馏水中制得)、标准葡萄糖溶液(将葡萄糖在50~58 ℃条件下干燥至恒重后,取500 mg溶于100 ml浓度为5 mg/ml的苯甲酸溶液中,得到标准葡萄糖溶液;再用标准液制成1 ml含0.01~0.50 mg葡萄糖的工作溶液)等。仪器主要包括土壤取样器、722可见分光光度仪、恒温振荡器(SHA-B)、生化培养箱(PYX-250S-B)等。
2.4样品采集与测定
试验于2007年9月8日在田间取样,每个处理分为3个重复取样小区,分三个层次(0-10 cm,10-20 cm,20-30 cm)取0~30 cm耕层土壤。采用对角线法,在3个取样小区分别取5个点的土壤混匀后作为该取样小区的样品。新鲜土样通过2 mm筛后,在室温下风干、磨碎后,过1 mm和0.25 mm筛,用于土壤酶活性的测定。
过氧化氢酶测定采用0.1 mol•L-1 KMnO4容量法,以20 min后每克土消耗的0.1 mol•L-1 KMnO4毫升数表示;磷酸酶测定采用磷酸苯二钠比色法,以37 ℃下培养2 h后每100 g土壤的P2O5毫克数表示;脲酶测定采用苯酚钠比色法,以37 ℃下培养24 h后每克土壤中的NH3+-N毫克数表示;蔗糖酶测定采用0.1 mol•L-1 Na2S2O3滴定法,以37 ℃下培养24 h后每克土消耗的0.1 mol•L-1 Na2S2O3毫升数表示;脱氢酶测定采用比色法,以2,3,5-氯代三苯基四氮脞(TTC)溶液为底物,在37 ℃条件下培养24 h,用甲醇淋洗后比色测定[9]。各种酶的测定均为5次重复。
2.5数据统计分析
数据经Microsoft Excel整理后,采用SPSS 13.0软件包进行单因素方差(One-way ANOVA)分析,判定极显著差异(p<0.01)、显著差异(p<0.05)和显著不差异(p>0.05)。不同处理之间多重比较采用LSD方法,然后经过t检验。
3结果与分析
3.1过氧化氢酶
土壤过氧化氢酶活性与土壤微生物活动相关,可表征土壤腐殖化强度大小、有机质积累程度和总的生物活性[10]。同一土壤深度不同处理间的土壤过氧化氢酶活性相差很大。在0-10 cm的表层,养鱼稻田的土壤过氧化氢酶活性比对照高65.5%,差异极显著。在10-20 cm土层,养鱼稻田的土壤过氧化氢酶活性比对照高17.8%,差异显著。在20-30 cm土层,养鱼稻田的土壤过氧化氢酶活性比对照低1.1%,差异不显著(表1)。
在同一处理样地,随着土层深度的增加,土壤过氧化氢酶活性呈下降趋势。在对照样地,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤过氧化氢酶活性分别为0-10 cm土层的83.9%和55.3%;在养鱼稻田,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤过氧化氢酶活性分别为0-10 cm土层的59.7%和33.0%(表1)。
3.2磷酸酶
磷酸酶可加速土壤有机P的脱P速度[11],有利于水稻生长和叶绿素合成。磷酸酶活性能够表示土壤有机磷转化状况[5]。同一土壤深度不同处理间的土壤磷酸酶活性相差很大。养鱼稻田0-10 cm的表层、10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤磷酸酶活性分别比对照高32.6%(差异极显著)、12.7%(差异显著)和2.8%(差异不显著)(表1)。
在同一处理样地,土壤磷酸酶活性随着土层深度的增加呈下降趋势。在对照样地,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤磷酸酶活性分别比0-10 cm土层降低23.6%和48.8%;在养鱼稻田,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤磷酸酶活性分别比0-10 cm土层降低35.0%和60.3%(表1)。
3.3脲酶
脲酶对尿素转化起关键作用,促进土壤释放N素[12],有利于水稻叶绿素的合成。与对照相比,底栖鱼类提高了0-10 cm表层和10-20 cm土层的水田土壤脲酶活性,差异均达到极显著。在土壤垂直剖面上,脲酶活性由表层到深层逐渐降低。在对照样地,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤磷酸酶活性分别为0-10 cm土层的69.2%和53.9%;在养鱼稻田,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤磷酸酶活性分别为0-10 cm土层的74.4%和22.6%(表1)。
3.4蔗糖酶
蔗糖酶广泛存在于土壤中,直接参与土壤有机质的代谢过程[13],可以把土壤中的高分子量蔗糖分子分解成植物和土壤微生物可吸收利用的葡萄糖和果糖,为土壤生物体提供能源。在3个土壤层次上,养鱼稻田的土壤蔗糖酶活性分别高于对照49.8%(0-10 cm土层,差异极显著)、31.4%(10-20 cm土层,差异极显著)和33.3%(20-30 cm土层,差异极显著)(表1)。蔗糖酶活性反映了土壤有机碳累积、分解转化与循环状况,不仅能够表征土壤生物学活性强度,也可以作为评价土壤熟化程度和土壤肥力的指标[9]。因此,底栖鱼类提高了水田土壤肥力。在同一处理样地,土壤蔗糖酶活性随着土层深度的增加呈下降趋势。
3.5脱氢酶
土壤脱氢酶促进有机物质的脱氢作用,为水稻生长提供N源,有利合成叶绿素,其活性被认为是土壤微生物活性的一个有效指标[14]。同一土壤深度不同处理间的土壤脱氢酶活性相差很大。养鱼稻田0-10 cm的表层、10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤脱氢酶活性分别比对照高21.6%(差异极显著)、13.5%(差异显著)和50.0%(差异极显著)(表1)。
在同一处理样地,土壤脱氢酶活性随着土层深度的增加而降低。在对照样地,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤脱氢酶活性分别为0-10 cm土层的72.5%和23.5%;在养鱼稻田,10-20 cm土层和20-30 cm土层的土壤脱氢酶活性分别为0-10 cm土层的67.7%和29.0%(表1)。
养鱼稻田的土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶及脱氢酶活性的平均值分别高于对照样地33.3%、19.3%、20.2%、39.8%和72.7%(表1)。底栖鱼类对水田土壤脱氢酶和蔗糖酶活性的影响最大,其次为过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性。各样地的各种土壤酶活性均是在0-10 cm土层最高。底栖鱼类对水田土壤酶活性的影响主要体现在0-10 cm土层。
4讨论
土壤酶主要来自于土壤微生物代谢过程,此外也能由土壤动物、植物产生残体分解。土壤中一切生化反应都是在土壤酶的参与下完成的,土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性、土壤生化反应强度和土壤碳氮磷等养分的循环状况[15],在土壤系统的物质和能量转化过程中起着不可忽视的作用,常被作为土壤质量的重要指标来研究[16]。
底栖鱼类(如泥鳅)通过生物扰动(包括游泳、潜穴、觅食等)改善了水田土壤理化特性和氧化还原状况,直接影响土壤微生物组成及数量、水田沉积层颗粒的垂直分布、水/土界面的营养物质循环和转化等[17,18],从而对土壤酶活性产生显著影响。本试验表明,底栖鱼类增加了水田土壤酶活性,其中对脱氢酶和蔗糖酶活性的影响最大,这种影响主要发生在0-10 cm土层。在稻田中加入底栖鱼类组分,有助于提高水田的土壤肥力和生物学活性。
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