研究揭示磷肥施用和外源碳添加對水稻根際酶活熱區範圍的影響機制

由於碳源、養分元素等環境要素的不均勻分布，土壤微生物活性具有很強的空間異質性。在微生物「熱區」內，活性微生物比例高，生化過程發生迅速；而在非熱區中，大部分微生物處於休眠狀態，生化過程發生緩慢。根際是土壤中最重要的微生物熱區之一。根際土占土壤總體積的10%以下，卻對土壤元素循環和植物養分供應起決定性作用。準確識別根際熱區範圍是排除非熱區干擾，研究土壤微生物過程的真實速率及其環境效應的前提。土壤酶活性受微生物代謝和底物可利用性等環境因子的共同調控，對微生物熱區有良好的指示作用。

為此，中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究人員通過藉助近年引入土壤學的原位酶譜（Soil Zymography）技術，原位獲取了高解析度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添加的響應機制。結果表明，酸性磷酸酶（ACP）和鹼性磷酸酶（ALP）的活性熱區均沿根分布，活性熱區為根中心向外1-4mm的狹窄區域（圖2）。水稻移栽45d後，根際ACP熱區面積與35d時相比顯著減小，而ALP無顯著變化。這可能與兩種磷酸酶來源的差異有關。ALP主要由微生物分泌，而ACP由植物和微生物共同分泌。45d時水稻生長到分櫱期後期，根系活力下降，ACP的分泌量減少，導致熱區面積下降。施磷促進了根系發育，引髮根源磷酸酶分泌量的增加，同時，大量根際沉積碳的投入有利於促進微生物代謝和微生物源磷酸酶的分泌，使熱區內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面積顯著減小。這可能是由於施磷條件下，較快的水稻生長速率消耗了大量氮素，導致根際微生物活性的氮源限制。磷酸酶活性表現了微生物對磷素獲取的能量投入，受微生物養分需求和底物的元素計量關係，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，從而促進了磷酸酶的分泌，增大了根際磷酸酶活性熱區（圖2）。較大的磷酸酶活性熱區意味著根系能從更廣泛的土壤區域獲取磷素。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制及水稻土的可持續管理提供理論基礎和數據支撐。

該項研究近期以Expansion of rice enzymatic rhizosphere: temporal dynamics in response to phosphorus and cellulose application為題發表在Plant and Soil上。該研究得到國家重點研發項目、國家自然科學基金、亞熱帶生態所青年創新團隊項目的資助。

圖1 水稻移栽後第35、45d時酸性磷酸酶和鹼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範圍的影響機制

來源：中國科學院亞熱帶農業生態研究所

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