茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)優(yōu)勢(shì)植物的生理代謝及土壤理化性狀

張習(xí)敏，申 剛，張宇斌，陳 玲，洪 鯤，乙 引＊

（1.貴州師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550001；2.貴州省植物生理與發(fā)育調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)550001）

植物需要從土壤溶液中吸收礦質(zhì)元素以維持自身生長(zhǎng)和生理代謝，植物吸收的礦質(zhì)元素從數(shù)量上來說，有的礦質(zhì)元素?cái)?shù)量較大（如N、P、K、Ca、Mg），有的礦質(zhì)元素的數(shù)量較少（如Fe、Cu等）[1－2]。影響植物吸收土壤礦質(zhì)元素的因素很多，如植物生長(zhǎng)狀況、樹木年齡、大氣溫度、光照條件和土壤因素等。從土壤因素來看，影響植物根系吸收礦質(zhì)元素的因素有土壤溫度、土壤通氣狀況、土壤溶液濃度、土壤pH、土壤含水量和土壤微生物等。其中，微生物在土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有重要作用，是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分（如N、P、K、S等）轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力之一。同時(shí)參與土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)和林地枯枝落葉的分解、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的生物地球化學(xué)循環(huán)中的某些生化過程，在生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中也起著重要的作用，是維持和恢復(fù)林地生產(chǎn)力的主要因素之一[3－8]。土壤微生物還影響土壤的理化性質(zhì)，如有機(jī)質(zhì)、pH 等。在森林土壤中，細(xì)菌、真菌和放線菌3大類微生物的數(shù)量通常作為評(píng)價(jià)森林土壤生物活性高低的重要標(biāo)志，其分布廣度、種群和數(shù)量直接影響林地土壤肥力和理化性質(zhì)，進(jìn)而影響林木的生長(zhǎng)[9－13]。

貴州茅臺(tái)酒廠坐落于貴州省仁懷市赤水河畔（E106°21＇，N27°51＇），海拔約423 m，三面環(huán)山。年均溫17.4℃，氣溫年差較大，1月均溫6.9℃，7月均溫27.9℃。夏季最高氣溫達(dá)39.9℃，炎熱季節(jié)持續(xù)半年以上；冬季氣候暖和，溫差小，霜期短，年平均無霜期達(dá)326d，最低氣溫為2.7℃。干熱少雨，年雨量?jī)H有800～1 000 mm，日照豐富，年日照可達(dá)1 400h。土壤為紫色土，土層較厚，一般在50cm左右。該地區(qū)的植被覆蓋率低，群落結(jié)構(gòu)單一，主要優(yōu)勢(shì)物種有狗尾草（Setariaviridis）、箬竹（Indocalamustessellatus）、三葉鬼針草（Bidenspilosa）、復(fù)羽葉欒樹（Koelreuteriabipinnata）、構(gòu)樹（Broussonetiapapyrifera）和青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca）。該地區(qū)主要優(yōu)勢(shì)物種吸收的大量元素是否存在差異，土壤微生物和土壤理化性狀是否對(duì)這些物種吸收礦質(zhì)元素有影響，探明這些問題可以幫助了解該地區(qū)植被的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)代謝的多樣性和生長(zhǎng)狀況。然而，與此相關(guān)的研究未見報(bào)道。因此，需要對(duì)該地區(qū)優(yōu)勢(shì)物種的礦質(zhì)元素吸收及相關(guān)土壤因子進(jìn)行調(diào)查分析。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)該生態(tài)功能區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)茅臺(tái)酒廠生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)與重建具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇

樣地在茅臺(tái)酒廠上游約2 000m 的取水口、茅臺(tái)酒廠河對(duì)岸、茅臺(tái)酒廠下游約1 000m，在每個(gè)樣地中，隨機(jī)設(shè)置2個(gè)20m×20m 的樣方，分別記為MTS－01和MTS－02、MTZ－01和MTZ－02、MTX－01和MTX－02（圖示）。記錄各樣方的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、地貌類型、表層巖石、土壤類型、光照強(qiáng)度、溫度、空氣濕度、風(fēng)速和郁閉度等生境指標(biāo)（表1）。

1.2 植物及土壤樣品采集

在茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)上中下游的調(diào)查樣地內(nèi)，選擇6種優(yōu)勢(shì)樹種青岡櫟、箬竹、三葉鬼針草、狗尾草、復(fù)羽葉欒樹和構(gòu)樹，分別取其根系、莖和葉片，青岡櫟、復(fù)羽葉欒樹、箬竹和構(gòu)樹每個(gè)物種選5株進(jìn)行取樣并混合，三葉鬼針草和狗尾草則選擇5 個(gè)1m×1m 區(qū)域生長(zhǎng)的物種，按根、莖和葉分開采取，并將其混合。分別在每個(gè)樣地中的優(yōu)勢(shì)物種根際周圍取0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土層土樣。

圖示 茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)樣地調(diào)查分布Fig.Sample plots distribution in ecological function area of Moutai distillery

表1 茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)樣地生境的基本情況Table 1 Basic situation of sample plot habitats in ecological function area of Moutai distillery

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1）植物營(yíng)養(yǎng)元素含量。植物樣品置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重后，將根、莖和葉分別粉碎，取其粉末各1g，測(cè)定N、P、K、Ca、Mg的含量?？偟獪y(cè)定采用凱氏定氮法，總磷用鉬銻抗比色法，K、Ca、Mg經(jīng)烘干灰化后以1 mol／LHCl消解，用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。新鮮土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，4℃冰箱保存，一部分樣品用于測(cè)定土壤微生物，另一部分用于測(cè)定理化性狀。

2）土壤理化指標(biāo)。經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過60 目篩后，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳（采用重鉻酸鉀外加熱法）；容重測(cè)定采用環(huán)刀切割法；比重采用排水法測(cè)定、pH 采用酸度計(jì)直接測(cè)定（V（水）：M（土）＝2.5∶1）、總氮測(cè)定采用凱氏定氮法；總磷采用HClO4－H2SO4消解后鉬銻抗比色法；K、Ca、Mg經(jīng)1mol／L HCl消解后，采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[14]。

3）土壤微生物數(shù)量。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌采用馬鈴薯瓊脂糖培養(yǎng)基，放線菌采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基，各處理重復(fù)3次。各類菌接種后置恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，細(xì)菌在28～30℃培養(yǎng)36～72h后采用稀釋平板法計(jì)數(shù)，放線菌置28℃培養(yǎng)7d后計(jì)數(shù)，真菌25℃培養(yǎng)5d后計(jì)數(shù)。土壤微生物數(shù)量均換算成干土中的含菌數(shù)（個(gè)／g）[15－16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)之間進(jìn)行相關(guān)性分析（Pearson檢驗(yàn)，P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要優(yōu)勢(shì)物種的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素含量

在6種優(yōu)勢(shì)植物中，5種主要礦質(zhì)元素含量之間存在極大差異（表2）。K 和Ca含量整體高于P和Mg。N、P、K、Ca和Mg含量基本葉片含量最高、根部含量最低。N 含量最高的是復(fù)羽葉欒樹（3.63%），最低的是狗尾草（1.18%）；P含量最高的是三葉鬼針草（2.35g／kg），最低的為箬竹（0.79g／kg）；K 含量最高的是三葉鬼針草（22.93g／kg），最低的是構(gòu)樹（3.95g／kg）；Ca含量最高的是三葉鬼針草（31.80g／kg），最低的是構(gòu)樹（3.73g／kg）；Mg含量最高的是三葉鬼針草（9.81g／kg），最低的是狗尾草（1.34g／kg）。

表2 茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)優(yōu)勢(shì)物種器官營(yíng)養(yǎng)元素含量Table 2 Nutritive element contents in dominant species in ecological function area of Moutai distillery

2.2 主要優(yōu)勢(shì)物種根際土壤的理化性狀

茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)上游土壤容重、土壤pH和土壤比重較低，中游和下游較高。表明，上游土壤偏酸性，土壤較松弛；中游和下游土壤偏堿性，土壤較堅(jiān)固。同時(shí)，上游土壤有機(jī)質(zhì)的含量均高于中游和下游（表3）。

2.3 主要優(yōu)勢(shì)物種根系土壤微生物數(shù)量

茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)中游土壤的微生物總數(shù)最多。其中，中游細(xì)菌數(shù)量最多，約6×104個(gè)；放線菌下游數(shù)量最多，約為6×103個(gè)；3個(gè)區(qū)域的真菌數(shù)量差異不大（表4）。

2.4 相關(guān)性

幾種優(yōu)勢(shì)植物的礦質(zhì)元素（N，P，K，Ca，Mg）含量均與土壤容重、pH、比重和放線菌呈正相關(guān)。其中，P元素含量與土壤pH 顯著相關(guān)（P＜0.05）。土壤礦質(zhì)元素含量與有機(jī)質(zhì)和真菌數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；N和Ca與細(xì)菌呈負(fù)相關(guān)，P、K 和Mg與細(xì)菌呈正相關(guān)（表5）。

3種微生物中，細(xì)菌和放線菌與容重、比重和pH 呈正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)；真菌與容重和比重呈負(fù)相關(guān)，與pH 和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)（表6）。

表3 茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)主要優(yōu)勢(shì)物種根際土壤的理化性狀Table 3 Physical and chemical properties of rhizosphere soil in ecological function area of Moutai distillery

表4 茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)主要優(yōu)勢(shì)物種根際土壤的微生物數(shù)量Table 4 Microbial Population in ecological function area of Moutai distillery

表5 營(yíng)養(yǎng)元素含量與土壤理化性狀和微生物數(shù)量的相關(guān)性Table 5 Correlation of nutritive element content with soil physicochemical properties and microbial population

表6 土壤微生物數(shù)量與理化性狀的相關(guān)性Table 6 Correlation of soil microbial population with physicochemical properties

3 結(jié)論與討論

在茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)內(nèi)，主要優(yōu)勢(shì)物種有狗尾草（S.viridis）、箬竹（I.tessellatus）、鬼針草（B.pilosa）、復(fù) 羽 葉 欒 樹 （K.bipinnata）、構(gòu) 樹（B.papyrifera）、青岡櫟（C.glauca）。雖然均位于茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)內(nèi)，但是分布的具體位置不同，位于不同的土壤環(huán)境中。因而物種對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的吸收不同，具體表現(xiàn)在不同物種營(yíng)養(yǎng)元素含量之間存在差異。礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)對(duì)植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，每個(gè)物種需要一定比例的營(yíng)養(yǎng)元素含量[17]。

土壤中礦質(zhì)元素的可用性是影響植物對(duì)礦質(zhì)元素吸收的重要因素，礦質(zhì)元素的可用性受土壤母質(zhì)、氣候、風(fēng)化程度和淋溶作用等影響[18]。同時(shí)，土壤理化性質(zhì)也影響土壤中元素活度。席冬梅等研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH 值影響土壤礦物質(zhì)的風(fēng)化強(qiáng)度、土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化、土壤中微生物的活動(dòng)，同時(shí)，pH 還影響土壤溶液中化合物的溶解及沉淀，無機(jī)離子的吸附和交換。因此，植物對(duì)土壤中礦質(zhì)元素的吸收嚴(yán)重受到土壤pH 的影響[19－20]。在茅臺(tái)酒廠生態(tài)功能區(qū)內(nèi)，上游、中游和下游的土壤理化性質(zhì)存在差異，上游土壤呈酸性，pH 值低，上游的物種多樣性優(yōu)于中游和下游，同時(shí)，物種的多樣性加劇了礦質(zhì)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，尤其是土壤中P的吸收。由于礦質(zhì)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)加劇，因而可能影響土壤中微生物的數(shù)量，但研究中發(fā)現(xiàn)，中游土壤的微生物總量高于上游和下游。這可能是中游距離廠區(qū)較近，茅臺(tái)酒廠廠區(qū)大氣中微生物直接侵入土壤，導(dǎo)致土壤中的微生物數(shù)量增加，但是，具體導(dǎo)致土壤微生物差異的原因需要進(jìn)一步研究。

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