华北不同利用强度潮土酶生态化学计量特征比较_李胜君.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022，41（12）:2733-27412022年12月李胜君，盛美君，李刚，等.华北不同利用强度潮土酶生态化学计量特征比较J.农业环境科学学报,2022,41（12）：2733-2741.LI S J,SHENG M J,LI G,et al.Variations in eco-enzymatic stoichiometric characteristics of fluvo-aquic soil with different use intensitiesin The North China PlainJ.Journal of Agro-Environment Science,2022,41（12）：2733-2741.开放科学OSID华北不同利用强度潮土酶生态化学计量特征比较李胜君1，2，盛美君1，2，李刚1，2*，杨昕玥1，2，王蕊1，2，李洁1，2，张贵龙1，2，修伟明1，2*（1.农业农村部产地环境污染防控重点实验室 农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.天津市农业环境与农产品安全重点实验室 农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）Variations in eco-enzymatic stoichiometric characteristics of fluvo-aquic soil with different use intensities inThe North China PlainLI Shengjun1,2,SHENG Meijun1,2,LI Gang1,2*,YANG Xinyue1,2,WANG Rui1,2,LI Jie1,2,ZHANG Guilong1,2,XIU Weiming1,2*（1.Key Laboratory of Original Agro-environment Pollution Prevention and Control of Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Tianjin 300191,China;2.Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Agro-product Safety,Agro-Environmental Protection Institute,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Tianjin 300191,China）Abstract：To explore the response characteristics of soil enzyme activities and microbial nutrient restriction levels to land use intensity,inthe present study,a chronic fixed field experiment was conducted.The experiment had four treatments：one treatment with high useintensity（wheat-maize rotation,MW）;two treatments with middle use intensity（temporary grassland rotation with wheat and maize rotation收稿日期：2022-10-12录用日期：2022-11-03作者简介：李胜君（1998），女，山东德州人，硕士研究生，主要从事农田土壤微生物群落特征与土壤健康评价研究。E-mail：*通信作者：修伟明E-mail：；李刚E-mail：基金项目：农业农村部环境保护科研监测所基础前沿项目（2022-jcqyrw-xwm）；中国农业科学院科技创新工程项目和公益性行业（农业）科研专项（201503121-04）Project supported：The Fundamental Cutting-edge Projects of Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，China（2022-jcqyrw-xwm）；The Scientific and Technological Innovation Project of the Chinese Academy of Agricultural Sciences and the SpecialFund for Scientific Research on Agricultural Public Causes of China（201503121-04）摘要：为探究土壤酶活性和微生物养分限制水平对土地利用强度的响应特征，本研究设置1个高强度（小麦-玉米轮作，MW）、2个中强度（临时草地-小麦，GW；玉米-临时草地，MG）和1个低强度（多年生草地，PG）共4个处理，6 a后采样解析土壤酶活性及酶生态化学计量特征。结果表明：土壤pH值随土地利用强度降低而下降（仅PG达到显著），PG和GW均增加了土壤有机碳（Organiccarbon，OC）含量；PG还增加了土壤全氮（Total nitrogen，TN）与有效磷（Available phosphorus，AP）含量，进而提高了土壤 C P和NP的比值。与 MW 和 MG相比，PG和 GW 提高了-1，4-葡萄糖苷酶（-1，4-glucosidase，BG）、-N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶（-N-acetyl-glucosaminidase，NAG）+亮氨酸氨基肽酶（Leucine aminopeptidase，LAP）和碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）活性，以及土壤酶碳磷比（C/P ratio of extracellular enzymatic activities，EEAC P）和土壤酶氮磷比（N/P ratio of extracellular enzymaticactivities，EEAN P），显著降低了土壤微生物P限制。相关性分析表明：土壤C、N和P关键代谢酶活性均与OC、TN、C P和N P显著正相关，而与NH+4-N显著负相关；EEAC P和EEAN P均与OC、C P和N P显著正相关，但仅EEAN P与NH+4-N显著负相关。随机森林模型分析表明，pH是土壤微生物C限制的主要解释因子，而C P、N P和NH+4-N对土壤微生物P限制的解释度最高。研究表明，将临时草地模式引入农田能够增强土壤固碳和供氮能力，提高土壤酶活性并降低土壤微生物P限制，可为集约化农业管理下提升农田土壤生态系统质量提供理论依据和技术支撑。关键词：土地利用强度；微生物养分限制；土壤酶活性；生态化学计量特征；临时草地中图分类号：S154.2文献标志码：A文章编号：1672-2043（2022）12-2733-09doi:10.11654/jaes.2022-1017农业环境科学学报第41卷第12期农业集约化管理极大地促进了现代农业发展，显著提升粮食产量，为保障全球粮食安全做出了巨大贡献。然而，集约化生产使耕地超负荷运转，导致土壤肥力下降、自净作用减弱、酸化加剧、生物多样性丧失等严重的负面效应1。如何应对这些不利影响，有效缓解农田土壤退化并最终消除不利于农业可持续发展的障碍，成为目前农业领域中亟需解决的关键问题。土地利用强度被定义为定量衡量人类对土地开发利用、管理和保护等干扰强度，以及由此产生的相应土地产出的有效手段2，能够直接反映人类活动对生态系统的影响程度。土地利用强度的改变引发了地下和地上生物种群生存环境的显著变化3，而在当前农业集约化生态系统管理中，长期高强度的土地利用占据主导地位。当前有关农业集约化管理下农田土壤生态系统质量变化的研究主要集中在特定的土地利用行为，如秸秆物料投入46、水肥管理措施710、作物种植制度1115和农田耕作措施14，16等，而缺乏针对土地利用强度的研究。土壤酶由土壤微生物和植物根系分泌以及植物残体和土壤动物区系分解产生，是土壤生态系统中重要的生物催化剂17，在促进土壤营养元素的生物地球化学循环、腐殖质的合成和分解以及有机质的降解和转化等方面发挥关键作用18。由于土壤酶对环境变化十分敏感，其活性常被用作评价土壤肥力、质量与健康的有力指标19。在农田土壤生态系统中，酶活性与养分可利用性密切相关，能够有效反映养分限制状况20。在具体应用中，通常将参与土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）矿化的关键酶作为主要研究对象。这些酶的分泌和活性取决于作物对养分的需求、底物的可用性和土壤微生物的活跃程度，通过酶活性的测定能够了解耕作措施变化对元素转化过程的影响。鉴于土壤酶的高度敏感性及其与土壤关键元素生物地球化学转化过程的耦合性21，越来越多的研究将其纳入研究指标体系中2224，用于表征不同农业管理措施下土壤生态系统状况。然而，目前尚不清楚土壤酶活性对农业土地利用强度变化的响应。为更好地利用土壤酶指标，科学家提出了土壤酶生态化学计量的概念，即土壤生态系统中参与C、N、P循环的关键酶的活性比，包括参与C循环的-1，4-葡萄糖苷酶（-1，4-glucosidase，BG）、参与N循环的-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（-N-acetyl-glucosaminidase，NAG）和亮氨酸氨基肽酶（Leucine aminopeptidase，LAP）以及参与 P 循环的碱性磷酸酶（Alkalinephosphatase，ALP）等25，主要用于表征土壤微生物代谢需求和土壤养分供应之间的关系26。SINSABAUGH等25对土壤酶生态化学计量比ln ABG ln ANAG+LAP ln AAP进行了全球尺度研究，发现其数值近似为1 1 1，而由于环境条件和生物因子等因素的差异，区域尺度上的实际值可能会有所偏离。自然生态系统中土壤微生物养分限制状况毫无例外地受到全球变化的深刻影响，而受人为干扰更为强烈的农田生态系统，其土壤微生物养分限制特征主要取决于外部养分的输入27。施用氮肥增加了土壤微生物P限制，其中养分计量比和N素有效性是引起with temporary grassland,GW and MG,respectively）;one treatment with low use intensity（perennial grassland,PG）.The soil enzymeactivities and ecological stoichiometry were analyzed after 6 years.The results indicated decreasing soil pH with decreasing land useintensity（only PG was significant）.PG and GW treatments increased organic carbon（OC）,total nitrogen（TN）,and available phosphorus（AP）contents in soil,thereby increasing the soil C N and N P ratios.Land use intensity had major impacts on key soil enzymatic activities,with higher activities of -1,4-glucosidase（BG）,-N-acetyl-glucosaminidase