酶是土壤元素循環(huán)的動力。生態(tài)計量學理論指出，土壤酶的合成和分泌由微生物能量（C）、養(yǎng)分元素（N、P等）需求與環(huán)境供應之間的不平衡所導致。微生物生物量的C/N/P為42:6:1~60:7:1，而作為微生物的主要底物，土壤有機質(zhì)（SOM）和植物殘體的C/N/P分別為186:31:1和3000:46:1。因此，在對有機質(zhì)的利用過程中，微生物分泌大量胞外酶用于養(yǎng)分元素挖掘，以滿足自身營養(yǎng)需求。
陸地生態(tài)系統(tǒng)中存在著普遍的磷限制。熱帶、亞熱帶地區(qū)是水稻的主產(chǎn)區(qū)，由于長期的風化、淋溶，該地區(qū)土壤缺磷現(xiàn)象尤為突出。為了維持高產(chǎn)，磷肥在該地區(qū)水稻生產(chǎn)中廣泛施用，改變了土壤和水稻組織的C/P。水稻將光合碳的10~55%輸送到根部，這部分碳在水稻收割后幾乎完全留在地下，為微生物提供了大量易利用碳源，在其周圍形成了撂荒期稻田的主要微生物活性熱區(qū)。磷肥施用引起死亡根系周際微環(huán)境C/P的變化，影響微生物胞外酶的合成和分泌，可能對土壤元素循環(huán)和肥力維持有重要調(diào)控意義。然而，到目前為止，相關研究仍少見報道。酶活在土壤中的分布具有高度異質(zhì)性。殘根周際作為重要的酶活熱區(qū)，其范圍通常為根中心向外數(shù)毫米，面積狹小，取樣困難。傳統(tǒng)的取樣方法把酶活熱區(qū)與非熱區(qū)土壤混合，掩蓋了熱區(qū)土壤酶的真實活性和空間分布特征。
為此，中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究人員以缺磷水稻土（Olsen- P < 5 mg kg-1）和亞洲栽培稻（Oryza Sativa L.）為材料，采用土壤酶譜技術研究了施磷（80mg kg-1的磷肥，P80）與不施磷（P0）根系C/P對水稻收割后的150 d內(nèi)，殘根周際β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖水解酶（CBH）酸性磷酸酶（ACP）和堿性磷酸酶（ALP）活性空間分布動態(tài)特征的影響，并計算C獲取酶（BG、CBH）與P獲取酶（ACP、ALP）的活性比（CP獲取比，C/P acquisition ratio），計算方法如下：
C/P acquisition ratio = ln(BG + CBH) : ln(ACP + ALP)
其中，BG、CBH、ACP和ALP分別為這四種酶在熱區(qū)的總活性（Total enzyme activity in hotspots, TEH）
TEH = EH × AH × S
其中，EH為熱區(qū)的平均酶活，AH為酶活熱區(qū)相對面積，S為根窗面土壤表面積?！ ?/p>
結(jié)果表明，在地上部剪除前（0d）和剪除后的第7，21，42，90，150d時進行BG、CBH、ACP和ALP活性的原位酶譜圖像采集。結(jié)果表明，地上部剪除前，四種酶的活性熱區(qū)均沿根分布。地上部剪除后的150d內(nèi)，BG和CBH的活性熱區(qū)依然維持沿根分布特性，ACP和ALP活性熱區(qū)則分散于殘根周際和非周際（圖1）。培養(yǎng)7天后，BG和CBH的活性熱區(qū)面積與地上部剪除前相比有所降低，但僅在P0中差異顯著，而后升高，并分別在21和90d后達到峰值（圖1）。在150 d的培養(yǎng)過程中，與P0相比，施磷使BG和CBH的活性熱區(qū)面積分別增加了2.8-11.4和1.8-48倍。剪除地上部后的前21d，ACP和ALP活性熱區(qū)面積在P0中不斷增大，而在P80中不斷減小，21d時，P0中磷酸酶活性熱區(qū)面積大于P80。而后磷酸酶活性熱區(qū)在P0中持續(xù)降低，150d時顯著低于峰值，而在P80中持續(xù)升高，到達最大值后（第90d）后急劇下降。施磷未影響B(tài)G和CBH活性熱區(qū)面積隨時間的變化規(guī)律，卻推遲了ACP和ALP活性熱區(qū)面積最大值的出現(xiàn)（圖1）。
剪除地上部前，酶活熱區(qū)CP獲取比 在P0和P80間無顯著差異。剪除地上部后前21d，CP獲取比先降低后升高，并于21d時達到峰值。而后，P0中CP獲取比維持在1.0左右，直到150d顯著降低；P80處理的CP獲取比在第21d時為1.56，隨著培養(yǎng)的繼續(xù)逐漸降低，42-90d時約為1.1，150d時降低至0.42。整個培養(yǎng)過程中，P80的CP獲取比 顯著低于P0，即低底物C/P引發(fā)高CP獲取比。
綜上，水稻殘根周際BG、CBH、ACP和ALP活性時空分布對殘根C/P的響應具有酶特異性。施磷增大了殘根周際C獲取酶的活性熱區(qū)面積，但未影響其隨降解時間的變化特征。與P0相比，P80中磷酸酶的活性熱區(qū)面積在前21d顯著較小，且熱區(qū)面積最大值的出現(xiàn)推遲，可能是由于低C/P根系降解過程中殘根內(nèi)P的釋放導致土壤有效磷升高，抑制和土壤磷酸酶活性。在缺磷土中生長的水稻，殘根C/P較高，降解過程中，微生物具有較低的C/P獲取比 ，導致C可利用性的升高和P可利用性的降低，加劇了土壤C、P失衡；而施磷土中生長得水稻，殘根C/P低，降解過程中發(fā)生C、P的同步釋放，維持了土壤C、P平衡（圖2）。
該項研究近期以題為C/P stoichiometry of dying rice root defines the spatial distribution and dynamics of enzyme activities in root-detritusphere發(fā)表在Biology and Fertility of Soils上。該研究得到了國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金、中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所青年創(chuàng)新團隊項目的資助。
圖1 碳獲取酶（BG、CBH）與磷獲取酶（ACP、ALP）的酶譜動態(tài)圖
圖2 水稻殘根C/P計量比對殘根周際C、P獲取酶活性和土壤C、P平衡的調(diào)控機制示意圖