稻田土壤有机磷酶学转化对有机肥输入的响应与归趋模拟

土壤有机磷转化与有机肥输入之间的内在响应关系是目前土壤环境学领域关注的焦点之一。稻田土壤有机磷生物转化复杂，阐明有机肥输入下稻田土壤有机磷酶学转化规律，对合理利用有机肥、减排农田污染物至关重要，但目前仍然缺乏基于田间数据的机理与模拟研究。本项目拟选取典型水稻土，以猪粪腐熟堆置的有机肥为试材，采用田间试验与模型构建相结合的方法，借助微生物酶学、PCR-DGGE、31PNMR以及14C-P同位素示踪等先进技术，分析有机肥输入对土壤有机磷循环主要功能微生物群落多样性及关键酶活性的影响，挖掘稻田土壤中有机磷动力学周转及量化分配对有机肥输入的响应信息，明确有机肥输入后水稻不同生长时期土壤有机磷关键酶转化速率参数的动态变化，进而建立适用于有机肥输入下的稻田有机磷多维通量周转模型，为农田土壤磷素优化管理以及有机废弃物循环利用的深入发展提供前瞻性理论依据。

土壤施用有机肥造成的土壤有机磷库富集问题，已成为目前“农业生态稳定与安全”领域关注的世界性焦点。稻田土壤水旱交替频繁，微生物活性变化活跃，阐明稻田有机肥输入下土壤关键的微生物酶学特性对磷素的周转及影响机制，对合理利用有机肥，降低磷素在循环过程中释放进入毗邻水体的风险将起到重要作用。本项目按照2011-2013年研究计划，顺利完成三个水稻生长周期采样分析工作和相应的研究任务。通过稻田长期定位试验研究，获得了以下发现：在中低水平有机肥输入下（如按磷输入量计：0~39 kg P ha-1），稻田土壤理化性质有显著改善，水稻产量也有显著提高，但过高有机肥（如39 kg P ha-1增加到52 kg P ha-1）对水稻增产及土壤理化性质改善没有明显效果；土壤酸性磷酸单酯酶是供试土壤的主要磷酸单酯酶，活性的分布主要与土壤全碳和全氮的含量有显著正相关关系；从酶学特性上分析，有机肥的输入推动了土壤磷酸酶酶促反应的过程，有机肥输入水平越高，土壤磷酸酶酶促反应初速度、最大反应速度和酶活化度值越高，而米氏常数, 温度系数，活化能和活化焓值等均越低；有机肥输入后稻田土壤表层磷库（主要为正磷酸盐）显著增加，即使在中等有机肥输入水平下，0 - 5 cm表层土壤正磷酸盐的含量可增加4倍左右，而耕作层以下增加不明显，且正磷酸盐所占比例随土层深度增加而递减。土壤有机磷库方面，通过核磁共振分析发现土壤有机磷以磷酸单酯为主，其中肌醇六磷脂所占比重最大，Pearson相关分析表明，单酯和正磷酸盐与土壤全磷很好的相关性。通过稻田土水界面磷素动态变化及迁移通量研究，田面水和土壤溶液中磷的变化基本符合指数关系，可以作为稻田磷素迁移模拟模型构建的基础；稻田磷素迁移具有多维通量迁移的特征，其中侧渗是有机肥输入后磷素流失的一个重要途径，磷素侧渗流失通量与有机肥输入水平呈现明显的正相关；本研究中由于稻田田埂的阻挡和田面浅层水节水管理的特殊性，使得磷素地表流失和地下淋溶的风险比较小。以上研究结论，为稻田有机肥管理优化措施的制定提供了科学依据。