全 文 ：大气 CO2 增加对土壤脲酶、磷酸酶活性的影响 3
陈利军 3 3 　武志杰　黄国宏　周礼恺
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
Effect of elevated atmospheric CO2 on soil urease and phosphatase activities. CHEN Lijun ,WU Zhijie ,HUAN G
Guohong ,ZHOU Likai ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016) . 2
Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (10) :1356～1357.
The response of soil urease and phosphatase activities at different rice growth stages to free air CO2 enrichment
(FACE) was studied. The results showed that comparing with the ambient atmospheric CO2 concentration
(370μmol·mol - 1) , FACE (570μmol·mol - 1) significantly increased the urease activity of 0～5cm soil layer at
the vigorous growth stage of rice , whole that of 5～10cm layer had no significant change during the whole grow2
ing season. Phosphatase activity of 0～5cm and 5～10cm soil layers significantly increased , and the peak incre2
ment was at the vigorous growth stage of rice.
Key words 　Free2air CO2 enrichment ( FACE) , Soil , Urease , Phosphatase , Activities.
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 10 - 1356 - 02 　中图分类号 　S154. 2 　文献标识码 　A
3 中国科学院知识创新重要方向项目 ( KZCX22408)和国家自然科学
基金重大国际合作研究资助项目 (40120140817) .3 3 通讯联系人.
2002 - 06 - 12 收稿 ,2002 - 08 - 18 接受.
1 　引 　　言
自 19 世纪 70 年代工业化革命以来 ,由于化石燃料燃
烧、林草地开垦农用等已引起 CO2 大气排放的不断增加 ,可
能使未来的 50～100 年内 ,全球大气 CO2 将增加 1 倍左右.
许多研究证明 ,大气 CO2 增加可提高植物生长代谢水
平[1 ,8 ] .其结果是植物代谢分泌物的种类和数量发生变化 ,
由植物光合作用强度或速率变化引起的植物枯枝落叶质量
也会改变 ,二者均可能在经泌入土壤或凋落进入土壤分解
后 ,对植物着生的土壤环境产生直接或间接的影响. 植物对
大气 CO2 增加的响应途径还有根圈微生物种群 (植物根圈
大量活性 C 组分将直接作为微生物的 C 源和能源物质) 、土
壤呼吸率等生物或生物化学活性的变化等 [4 ,9 ] . 上述变化中
的植物代谢功能及土壤微生物对大气 CO2 增加的响应 ,均
可对在生态系统营养元素循环与周转中发挥着重要作用的
土壤酶活性 (如脲酶和磷酸酶等)产生影响 ,因为土壤酶的来
源主要为植物和土壤微生物 [10 ] :二者通过生理代谢向土壤
泌出酶 ,二者死亡残体亦可溶出胞内酶进入土壤.
目前已有关于土壤酶对大气 CO2 增加响应的零星报
道 ,但由于供试土壤、植物、CO2 增加方式等的不同 ,研究结
果往往互相矛盾. 如 Korner 等[4 ]证明 CO2 增加使土壤蛋白
酶、木聚糖酶活性增加 ; Kandeler 等[3 ]则证明木聚糖酶、海藻
糖酶活性在 CO2 增加时没有变化. Dhillion 等[2 ]发现在 CO2
增加时土壤脱氢酶、纤维素酶、木聚糖酶、磷酸酶活性均有增
加 ;Moorhead 等[5 ]则证明植物根圈磷酸酶活性增加、纤维素
酶活性减少. Ross 等[6 ,7 ]对不同土壤的试验也得出了一年蔗
糖酶活性增加 ,一年没有变化的结果. 而且 ,上述研究多数是
在自然生态系统中进行的 ,很少涉及人为耕作系统. 土壤酶
对大气 CO2 升高的响应研究很少用到自由空气 CO2 增加
(FACE)的技术平台. 本项目在中国科学院南京土壤研究所
FACE平台上进行 ,开展人为耕作系统种稻下土壤相关酶活
性变化研究 ,为揭示土壤酶对大气 CO2 增加的活性响应机
理提供依据.
2 　材料与方法
　　中国科学院南京土壤研究所 FACE 试验平台位于江苏
省无锡市安镇镇年余农场 ,该区土壤类型为黄泥土. 试验设
3 个 FACE圈和 5 个对照圈 ,不同圈之间间隔大于 90m ,以
减少 CO2 释放对其它圈的影响. FACE 圈为正八角形 ,直径
12. 5m ,通过圈周围管道向 FACE 圈中心喷射纯 CO2 气体 ,
电脑控制 FACE 圈内 CO2 浓度 ,使 FACE 圈全生育期平均
CO2 浓度保持在 570μmol·mol - 1 ,控制误差为 10 %. 对照圈
不设 CO2 气体喷射管道 ,其余处理方式同自然条件. 供试水
稻为高产粳稻新品系 99215. 施肥方式、田间管理按当地常规
方式进行. 在水稻不同生育时期采取 0～5 和 5～10 土层样
品 ,分别用 Tabatabai 提供的尿素残余量法和对硝基苯磷酸
盐法测定土壤脲酶和磷酸单酯酶活性.
3 　结果与讨论
311 　大气 CO2 增加对土壤脲酶活性的影响
　　正常大气 CO2 浓度下 ,水稻生长中期 (8 月) 0～5cm 土
层脲酶活性较低 ,接近该土壤本底 ,盛期 (9 月) 土壤脲酶活
性增加 ,后期 (10 月)活性降低至接近本底 ;水稻各生长时期
5～10cm 土层脲酶活性变化很小 ,基本保持恒定 (图 1a) .
FACE条件下 ,水稻生长中期 (8 月) 、盛期 (9 月) 0～5cm 土
层土壤脲酶活性与对照相比显著增加 ,盛期活性增加最多 ,
应 用 生 态 学 报 　2002 年 10 月 　第 13 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2002 ,13 (10)∶1356～1357
后期 (10 月)活性显著降低至接近本底 ; 5～10cm 土层脲酶
活性与对照相比没有显著差异 (图 1 b) .
　　土壤脲酶是决定土壤中 N 转化的关键酶 ,主要来源于
微生物和植物 ———包括活体分泌和死亡残体分解释放 [10 ] .
目前尚未见大气 CO2 增加对土壤脲酶活性影响的报道. 但
有许多报道证明土壤脲酶的主要来源物质 ———植物和微生
物 ,对大气 CO2 增加有直接的响应. 相关研究表明 ,在大气
CO2 增加时 ,植物生理活性发生变化、凋落物进入土壤的数
量增加、土壤微生物活性增强等 [5 ,6 ] ,这都可增加由植物和
微生物分泌、二者残体分解释放的土壤脲酶数量 ,引起土壤
脲酶活性增加. 本研究中 FACE下水稻不同生育时期土壤脲
图 1 　CO2 增加对土壤脲酶活性的影响
Fig. 1 Effect of elevated CO2 on soil urease activity.
a)正常 CO2 浓度 Ambient CO2 concentration ,b) FACE. 下同 The same
below.
酶活性的变化显然与不同时期水稻生长代谢有关 ;同时
FACE条件下由于微生物活性增加 ,由土壤微生物合成的脲
酶含量也可能增多 ,Ross 等 [6 ]证明大气 CO2 增加后土壤蔗
糖酶活性显著增加 ,其原因就是植物分泌和微生物合成酶增
加的共同结果.
312 　大气 CO2 增加对土壤磷酸酶活性的影响
　　正常大气 CO2 浓度下 ,水稻不同生长时期 0～5cm 和 5
～10cm 土层磷酸酶活性基本保持不变 ,但 0～5cm 土层磷酸
酶活性显著高于 5～10cm 土层的 (图 2 a) . FACE 条件下 ,水
稻各生长时期 0～5cm 和 5～10cm 土层磷酸酶活性与对照
相比显著增加 ,盛期 (9 月) 活性增加最多. 0～5cm 土层比 5
～10cm 土层磷酸酶活性更高 (图 2 b) .
　　磷酸酶在土壤有机磷活化中起决定作用 ,其来源也有植
物和微生物两种 [10 ] . 磷酸酶活性的变化与作物对营养元素
的需求有很大关系 ,有研究发现 ,植物在大气 CO2 增加时 ,
为满足自身营养元素需求 ,要增加土壤中菌根和根表磷酸酶
活性[2 ,5 ] . 资料表明 ,土壤酸性或碱性磷酸酶活性分别与土
壤中的真菌和细菌有关 [10 ] . 相关研究证明 ,大气 CO2 增加时
图 2 　CO2 增加对土壤磷酸酶活性的影响
Fig. 2 Effect of elevated CO2 on soil phosphatase activity.
有更多根系分泌物进入土壤 ,促进真菌和细菌的营养利用 ,
引起土壤中真菌和细菌数量或活性的变化 [2 ] . 本试验供试土
壤为酸性红壤 ,大气 CO2 增加时真菌活性或数量的变化可
能是土壤磷酸酶活性增加的一个原因. 也有研究发现 ,大气
CO2 增加时 ,根圈 P 溶解细菌数量增加 , P 溶解细菌是通过
向土壤中分泌磷酸酶实现溶解有机磷的作用的 ,这也可能是
土壤磷酸酶活性增加的原因.
参考文献
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10 　Zhou L2K (周礼恺) . 1988. Soil Enzymology. Beijing : Science
Press. (in Chinese)
作者简介 　陈利军 ,男 ,1968 年生 ,博士 ,副研究员 ,主要从
事土壤酶学研究 ,发表论文 30 篇.
753110 期 　　　　　　　　　　　陈利军等 :大气 CO2 增加对土壤脲酶、磷酸酶活性的影响