由于碳源、養(yǎng)分元素等環(huán)境要素的不均勻分布，土壤微生物活性具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性。在微生物“熱區(qū)”內(nèi)，活性微生物比例高，生化過程發(fā)生迅速；而在非熱區(qū)中，大部分微生物處于休眠狀態(tài)，生化過程發(fā)生緩慢。根際是土壤中最重要的微生物熱區(qū)之一。根際土占土壤總體積的10%以下，卻對土壤元素循環(huán)和植物養(yǎng)分供應(yīng)起決定性作用。準(zhǔn)確識別根際熱區(qū)范圍是排除非熱區(qū)干擾，研究土壤微生物過程的真實(shí)速率及其環(huán)境效應(yīng)的前提。土壤酶活性受微生物代謝和底物可利用性等環(huán)境因子的共同調(diào)控，對微生物熱區(qū)有良好的指示作用。
為此，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究人員通過借助近年引入土壤學(xué)的原位酶譜（Soil Zymography）技術(shù)，原位獲取了高分辨率的土壤表面磷酸酶活性二維分布圖譜（圖1），通過對酶活與離根中心距離的邏輯回歸直接分析磷酸酶活性從根到土壤的變化趨勢及其對C、P添加的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明，酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（ALP）的活性熱區(qū)均沿根分布，活性熱區(qū)為根中心向外1-4 mm的狹窄區(qū)域（圖2）。水稻移栽45 d后，根際ACP熱區(qū)面積與35d時(shí)相比顯著減小，而ALP無顯著變化。這可能與兩種磷酸酶來源的差異有關(guān)。ALP主要由微生物分泌，而ACP由植物和微生物共同分泌。45d時(shí)水稻生長到分蘗期后期，根系活力下降，ACP的分泌量減少，導(dǎo)致熱區(qū)面積下降。施磷促進(jìn)了根系發(fā)育，引發(fā)根源磷酸酶分泌量的增加，同時(shí)，大量根際沉積碳的投入有利于促進(jìn)微生物代謝和微生物源磷酸酶的分泌，使熱區(qū)內(nèi)的磷酸酶活性顯著提高。然而，與缺磷處理相比，施磷條件下水稻根際磷酸酶的活性熱區(qū)面積顯著減小。這可能是由于施磷條件下，較快的水稻生長速率消耗了大量氮素，導(dǎo)致根際微生物活性的氮源限制。磷酸酶活性表現(xiàn)了微生物對磷素獲取的能量投入，受微生物養(yǎng)分需求和底物的元素計(jì)量關(guān)系，特別是C:P的直接影響。纖維素添加顯著提高了根際土壤溶液C:P，使根際微生物代謝磷限制增強(qiáng)，從而促進(jìn)了磷酸酶的分泌，增大了根際磷酸酶活性熱區(qū)（圖2）。較大的磷酸酶活性熱區(qū)意味著根系能從更廣泛的土壤區(qū)域獲取磷素。因此，纖維素等外源碳添加可能是提高磷利用效率的有效手段。該研究可為深入解析稻田碳磷耦合機(jī)制及水稻土的可持續(xù)管理提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
該項(xiàng)研究近期以題為Expansion of rice enzymatic rhizosphere: temporal dynamics in response to phosphorus and cellulose application發(fā)表在Plant and Soil上。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。
圖1 水稻移栽后第35、45 d時(shí)酸性磷酸酶和堿性堿性磷酸酶的空間分布
圖 2 磷肥施用和外源碳添加對水稻根際酶活熱區(qū)范圍的影響機(jī)制