根系C/P计量比影响水稻残根周际酶活的时空动态分布特征

C/P stoichiometry of dying rice root defines the spatial distribution and dynamics of enzyme activities in root-detritusphere

Biology and Fertility of Soils, 2019, doi.org/10.1007/s00374-019-01345-y

Xiaomeng Wei, Bahar S. Razavi, Yajun Hu, Xingliang Xu, Zhenke Zhu, Yuhuai Liu, Yakov Kuzyakov, Yong Li, Jinshui Wu, Tida Ge*

中国科学院亚热带农业生态研究所

研究背景

酶是土壤元素循环的动力。生态计量学理论指出，土壤酶的合成和分泌由微生物能量（C）、养分元素（N、P等）需求与环境供应之间的不平衡所导致。微生物生物量的C/N/P为42:6:1~60:7:1，而作为微生物的主要底物，土壤有机质（SOM）和植物残体的C/N/P分别为186:31:1和3000:46:1。因此，在对有机质的利用过程中，微生物分泌大量胞外酶用于养分元素挖掘，以满足自身营养需求。

陆地生态系统中存在着普遍的磷限制。热带、亚热带地区是水稻的主产区，由于长期的风化、淋溶，该地区土壤缺磷现象尤为突出。为了维持高产，磷肥在该地区水稻生产中广泛施用，改变了土壤和水稻组织的C/P。水稻将光合碳的10~55%输送到根部，这部分碳在水稻收割后几乎完全留在地下，为微生物提供了大量易利用碳源，在其周围形成了撂荒期稻田的主要微生物活性热区。磷肥施用引起死亡根系C/P的变化，影响微生物胞外酶的合成和分泌，可能对土壤元素循环和肥力维持有重要调控意义。然而，到目前为止，相关研究仍少见报道。

酶活在土壤中的分布具有高度异质性。残根周际作为重要的酶活热区，其范围通常为根中心向外数毫米，面积狭小，取样困难。传统的取样方法把酶活热区与非热区土壤混合，掩盖了热区土壤酶的真实活性和空间分布特征。土壤酶谱技术是一种原位、高分辨率的酶活测定手段。利用该技术，我们研究了根系C/P对水稻收割后的150 d内，残根周际β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纤维二糖水解酶（CBH）酸性磷酸酶（ACP）和碱性磷酸酶（ALP）活性空间分布动态特征的影响。

材料方法

取缺磷水稻土表层土壤（0-20 cm），室温风干，手动挑除植物残体和大颗粒物质，过2 mm筛，淹水25 °C预培养2周，用于后续试验。土壤初始理化性质为：砂粒含量6%，粉粒含量12%，粘粒含量82%，pH 5.04，SOC含量12.2 g kg−1，TN含量1.6 g kg−1，总磷含量755 mg kg−1，Olsen P含量4.96 mg kg−1。
将7天苗龄的水稻移栽在20 cm × 2 cm × 32 cm的根箱中，根箱一面可打开（Fig. 1）。共移栽32盆，其中一半施入80 mg kg-1的磷肥（P80），另一半作为不施磷对照(P0)。所有根箱置于温室中，可打开面朝下倾斜45°，25°C淹水培养。45天后，剪掉地上部，每个处理随机取出三盆，移出根系，用镊子去粘附在根上的土作为残根周际土，根箱内残留土为非周际土，4 °C保存，用于理化性质测定。其余根箱放回温室中，重新淹水，使根系在25°C下原位降解。150 d后取残根周际和非周际土壤，用于理化性质测定。

图1 试验装置图

在地上部剪除前（0 d）和剪除后的第7, 21, 42, 90, 150 d时进行BG、CBH、ACP和ALP活性的原位酶谱图像采集，原位酶谱实验操作流程如Fig. 2所示。采用MATLAB和imagJ进行图像处理，统计酶活热区相对面积（% 根窗面土壤表面积），并计算C获取酶（BG、CBH）与P获取酶（ACP、ALP）的活性比（CP获取比，C/P acquisition ratio）。

图2 原位酶谱实验操作流程

计算方法如下：

C/P acquisition ratio = ln(BG + CBH) : ln(ACP + ALP)

其中，BG、CBH、ACP和ALP分别为这四种酶在热区的总活性（Total enzyme activity in hotspots, TEH）

TEH = EH × AH × S

其中，EH¬为热区的平均酶活，AH为酶活热区相对面积，S为根窗面土壤表面积。

主要结果

水稻生长45 d后，P80根系生物量是P0的5倍，根系磷含量高于P0，但C/P（59.0 ± 22.7）较P0（170.8 ± 13.4）显著降低。与此相似，地上部剪除后，P80残根周际土壤可利用C/P（DOC/Olsen P）及微生物生物量C/P（MBC/MBP）也显著低于P0。150 d后，P0残根周际土壤可利用C/P增大了2.6倍，P80则无显著变化；同时，微生物生物量C/P在P0残根周际和非周际分别减小的2.3和1.4倍，却在P80中升高。培养结束时，P0残根周际和非周际土壤可利用C/P分别是P80的4.3和3.0倍，但微生物生物量C/P在两个处理间无显著差异。地上部剪除后，P80 CaCl2提取态（可直接利用磷库）和酶提态磷（易活化有机磷库）含量显著低于P0，HCl提取态磷（难活化无机磷库）含量则显著较高，柠檬酸提取态磷（易活化无机磷库）含量无显著差异。150 d后，除CaCl2提取态磷外，所有磷库含量均升高，P80残根周际HCl提取态磷含量显著高于非周际。

地上部剪除前，四种酶的活性热区均沿根分布。地上部剪除后的150 d内，BG和CBH的活性热区依然维持沿根分布特性，ACP和ALP活性热区则分散于残根周际和非周际（图3）。

培养7天后，BG和CBH的活性热区面积与地上部剪除前相比有所降低，但仅在P0中差异显著，而后升高，并分别在21和90 d后达到峰值。在150 d的培养过程中，与P0相比，施磷使BG和CBH的活性热区面积分别增加了2.8–11.4和1.8–48倍。剪除地上部后的前21 d，ACP和ALP活性热区面积在P0中不断增大，而在P80中不断减小，21 d时，P0中磷酸酶活性热区面积大于P80。而后磷酸酶活性热区在P0中持续降低，150 d时显著低于峰值，而在P80中持续升高，到达最大值后（第90 d）后急剧下降。施磷未影响BG和CBH活性热区面积随时间的变化规律，却推迟了ACP和ALP活性热区面积最大值的出现（图3）。

剪除地上部前，酶活热区CP获取比在P0和P80间无显著差异。剪除地上部后前21 d，CP获取比先降低后升高，并于21 d时达到峰值。而后，P0中CP获取比维持在1.0左右，直到150 d显著降低；P80 CP获取比在第21 d时为1.56，随着培养的继续逐渐降低，42-90 d时约为1.1，150 d时降低至0.42。整个培养过程中，P80的CP获取比显著低于P0，即低底物C/P引发高CP获取比。

图3 碳获取酶（BG、CBH）与磷获取酶（ACP、ALP）的酶谱动态图

主要结论

水稻残根周际BG、CBH、ACP和ALP活性时空分布对残根C/P的响应具有酶特异性。施磷增大了残根周际C获取酶的活性热区面积，但未影响其随降解时间的变化特征。与P0相比，P80中磷酸酶的活性热区面积在前21 d显著较小，且热区面积最大值的出现推迟，可能是由于低C/P根系降解过程中残根内P的释放导致土壤有效磷升高，抑制和土壤磷酸酶活性。在缺磷土中生长的水稻，残根C/P较高，降解过程中，微生物具有较低的C/P获取比，导致C可利用性的升高和P可利用性的降低，加剧了土壤C、P失衡；而施磷土中生长得水稻，残根C/P低，降解过程中发生C、P的同步释放，维持了土壤C、P平衡（图4）。

图4 水稻残根C/P计量比对残根周际C、P获取酶活性和土壤C、P平衡的调控机制示意图。

引文

Xiaomeng Wei, Bahar S. Razavi, Yajun Hu, Xingliang Xu, Zhenke Zhu, Yuhuai Liu, Yakov Kuzyakov, Yong Li, Jinshui Wu, Tida Ge*. C/P stoichiometry of dying rice root defines the spatial distribution and dynamics of enzyme activities in root-detritusphere. Biology and Fertility of Soils, 2019, doi.org/10.1007/s00374-019-01345-y

链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-019-01345-y

作者简介

葛体达，中国科学院亚热带农业生态研究所研究员，国家优秀青年基金获得者。一直从事土壤碳氮循环与环境效应方面的研究工作，在Geochimica et Cosmochimica Acta, Soil Biology and Biochemistry等国内外相关领域期刊发表论文60余篇。先后荣获中科院广州分院优秀青年科学家奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、中国土壤学会优秀青年学者奖，2015年获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和英国皇家学会“牛顿高级学者”基金。目前担任美国土壤学会会刊《Soil Science Society of America Journal》副主编、《Plant and Soil》客座编辑、《Soil Ecology Letter》和《应用生态学报》编委、中国土壤学会土壤生物与生物化学专业委员会委员等学术兼职。连续主持国家自然科学基金5项。发现水稻土微生物光合固碳功能，确立了稻田土壤有机碳输入的“第二途径”；明确了水稻光合碳的土壤传输与矿化及其在土壤-微生物系统之间再分配过程的定量关系；系统研究了土壤碳氮磷循环的微生物生态机制，发现养分计量比是调控土壤原有有机质矿化的关键因子。为揭示水稻土有机碳长期积累的关键生物地球化学内在机理提供有力的理论支撑。

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