青藏高原牦牛粪便的施用对原位土壤酶活性空间分布的影响机制研究

Animal manure, an important organic fertilizer, has been widely applied in agricultural production practice. The impact of its application on soil microbial and enzyme activities has also been thoroughly investigated. However, the analysis of enzyme activities will interrupt undisturbed soil, destroy plant rhizosphere environment and therefore cannot completely unravel the interaction between soil and plant root under undisturbed condition. This proposal will select an agriculture field in the eastern Tibetan Plateau and grow barley in the field. Yak manure will be applied with different application rate and strategies. The objective of this proposal is to develop an in situ zymography which can visualize the spatial distribution of undisturbed soil enzyme activities. The effect of yak manure application on soil organic carbon and nutrients (nitrogen and phosphorus) as well as plant growth will be identified. The spatial distribution of in situ soil enzyme activities as affected by the application of yak manure will be investigated, including the vertical distribution along soil profile and distribution in the plant rhizosphere. This proposal will not only provide evidence for analysis of in situ soil enzyme activities, but also offer a new idea to consider yak manure as an organic fertilizer. This has important ecological significance for the sustainable development of population, natural resources and the environment at Tibetan Plateau.

畜禽粪便作为一种重要的有机肥料，已被广泛地应用于农业生产实践中。它的施用对土壤微生物和酶活性的影响也已得到了较为深入的研究，但常规酶活性的测定通常需要扰动原状土壤，这就破坏了植物根际环境，难以完全揭示未受干扰条件下土壤和植物根部的相互作用关系。本项目拟选取青藏高原东缘的农田样地为研究对象，种植青稞，以牦牛粪便为试验材料并设置不同的施用量和施用方式，旨在建立能将田间未受干扰条件下的土壤酶活性空间分布可视化的原位酶谱法，分析不同的牦牛粪便的施用量和施用方式对土壤有机碳及氮磷等营养元素和作物生长的影响，旨在详细阐明牦牛粪便的施用对原位土壤酶活性空间分布的影响机制（包括土壤垂直剖面上的分布和植物根际的分布）。本研究不仅为原位分析土壤酶活性提供了依据，而且为牦牛粪便作为有机肥料来使用提供一种新的思路，对青藏高原地区人口、资源和环境的可持续健康稳定发展也有重要的生态学意义。

有机肥料已被广泛地应用于农业生产实践中以促进植物生长，增强土壤肥力并修复受污染土壤。其施用对根际土壤酶活性的影响也已进行了较为深入研究，但常规酶活性测定难以完全揭示未受干扰条件下土壤和植物根部的相互作用关系。近年来原位酶谱法被引入土壤学领域以分析植物根箱中未扰动土壤剖面酶活性的空间分布规律。本项目研究过程中，将我国广泛存在的土壤污染问题纳入研究范围，旨在基于原位酶谱法探究有机肥料及其生物炭对植物根际土壤酶活性空间分布、植物生长和重金属形态的影响；探究纳米金属氧化物污染对根际土壤酶活性空间分布和植物生长的影响；基于数据整合与荟萃分析，探明有机肥料的施用对土壤生物化学性质的影响机理，揭示植物根际效应对根际土壤酶活性的影响机制。本项目研究成果强调了土壤pH对土壤酶活性和重金属可利用性的巨大影响，并说明有机肥料源生物炭的添加对修复重金属污染土壤的效果优于有机肥料本身。酶谱分析结果表明，重金属污染使根际土壤β-葡糖苷酶和几丁质酶活性下降，进而导致酶活性扩展范围降低13-44%，说明可利用态重金属含量的提高显著抑制了微生物的活性。纳米CuO添加后，可交换态Cu的含量不断提高，但总含量仅为添加CuSO4土壤的一半。相似地，CuSO4添加组的根区酶活性显著低于纳米CuO处理组，表明CuSO4对微生物活性的抑制作用更强。这说明，与Cu的粒径尺寸相比，可利用态Cu含量对其毒性的影响更显著。另外，荟萃分析结果表明，根际土壤酶活性比非根际土壤平均高出3-52%。有机肥料的添加使β-葡糖苷酶、脱氢酶、酸性和碱性磷酸单酯酶、几丁质酶、脲酶和硫酸酯酶的活性分别提高了147%、114%、39%、112%、58%、104%和228%。有机肥料的施用相对于矿质肥料，对土壤肥力的提升更有优势。但有机肥料中可能含有一些污染物、抗生素残留物等有害物质。在施用之前，对这些潜在威胁进行识别显得更为重要。总之，有机肥料的施用促进了有机碳在土壤中的累积，通过提供易降解有机质并提高酶活性加速了元素循环。