紫色土丘陵坡地恢復(fù)過程中土壤微生物及生化特性

紫色土丘陵坡地恢復(fù)過程中土壤微生物及生化特性

楊 斌，張 曙

(湖南省祁陽(yáng)縣大江林場(chǎng)，湖南祁陽(yáng) 426131)

摘要[目的]為了研究湖南省衡陽(yáng)市紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過程中土壤微生物及生化特征的演變。[方法]以典型的紫色土丘陵坡地不同植被恢復(fù)階段為研究對(duì)象，采用空間代替時(shí)間序列的方法，選用立地條件基本相似的裸荒地階段(Ⅰ)、草地階段(Ⅱ)、灌叢階段(Ⅲ)、灌木階段(Ⅳ)和喬木階段(Ⅴ)。通過調(diào)查取樣和試驗(yàn)分析，分析不同恢復(fù)階段土壤微生物、土壤酶活性以及生化作用強(qiáng)度的變化。[結(jié)果]隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤微生物總數(shù)顯著上升(P<0.05)，細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物優(yōu)勢(shì)類群的比例也發(fā)生變化，氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、纖維素分解菌和固氮菌等土壤微生物主要生理類群數(shù)量顯著上升(P<0.05)；隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性顯著增強(qiáng)(P<0.05)；隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤氨化作用、硝化作用、固氮作用、纖維素分解強(qiáng)度和呼吸作用等生化強(qiáng)度顯著升高(P<0.05)。[結(jié)論]土壤微生物活性是表征湖南省衡陽(yáng)市紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過程中生態(tài)功能的重要標(biāo)志之一。

關(guān)鍵詞土壤微生物；土壤生化活性；植被恢復(fù)；紫色土；湖南省衡陽(yáng)市

中圖分類號(hào)S154；Q938.1

基金項(xiàng)目湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(XLK201341)。

作者簡(jiǎn)介楊斌(1982-)，男，湖南祁陽(yáng)人，助理工程師，從事林業(yè)技術(shù)的研究與推廣工作。

收稿日期2015-06-05

PropertiesofSoilMicrobesandBiochemicalActivityalongRe-vegetationonHillslopeLandwithPurpleSoils

YANGBin,ZHANGShu(QiyangCountyDajiangForestFarm,Qiyang,Hunan426131)

Abstract[Objective] The purpose of this study was to study the dynamic changes of soil microbes and biochemical activity along re-vegetation on hillslope with purple soils in Hengyang City of Hunan Province, south-central China. [Method] By using the spatial series to replace time series, five typical sampling plots, bare land(Ⅰ), grass land(Ⅱ), bushwood land(Ⅲ), shrubby land(Ⅳ) and arborea land(Ⅴ), were selected to explore the changes of soil microbes, soil enzyme activity and soil biochemical action intensity along re-vegetation. The ecological factors of the five stages were similar and typical, and denoted five different successive stages. [Result] The results showed that: FromⅠ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ to Ⅴ, the total number of soil microbes significantly increased(P<0.05), the percentage of bacteria, fungi and actinomyces et al advantageous group changed, and the amount of major physiological group including ammonifiers, nitrifying bacteria, cellulose decomposing microbes, nitrogen-fixing bacteria significantly increased(P<0.05); The activities of soil URE(Urease), INV(Invertase), PRE(Proteinase), ALP(Alkaline phosphatase), CAT(Catalase) and PPO(Polyphenol oxidase) significantly increased in the process of re-vegetation(P<0.05); The biochemical intensity including ammonification, nitrification, nitrogen fixation, cellulose decomposition, respiration significantly increased along re-vegetation(P<0.05). [Conclusion] All the results indicated that the soil microbial activities were regarded as one of the major properties of ecological functions along re-vegetation on hillslope with purple soils in Hengyang City of Hunan Province, south-central China.

KeywordsSoilmicrobes;Soilbiochemicalactivities;Re-vegetation;Purplesoils;HengyangCityofHunanProvince

湖南省衡陽(yáng)市紫色土丘陵坡地面積達(dá)1.625×105hm2。這類土壤以其特別的色澤、優(yōu)良的自然肥力等而成為我國(guó)一種特有的、具有發(fā)展農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)的寶貴土地資源。但是，紫色土丘陵坡地生態(tài)問題和本身的生產(chǎn)性問題特別突出。紫色土丘陵坡地生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候干旱，水土流失嚴(yán)重；紫色土耐旱性差，土壤養(yǎng)分含量不協(xié)調(diào)，紫色土本身不耐侵蝕。在植被遭到破壞后，紫色土丘陵坡地表土很快流失，土地大量荒蕪，恢復(fù)林草植被十分困難，農(nóng)林牧生產(chǎn)受到很大制約[1-3]。該區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)與重建已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境改善、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們脫貧致富的迫切要求。

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)最活躍的成分之一，與植被生長(zhǎng)的關(guān)系密切[4-6]。不少學(xué)者對(duì)土壤微生物多樣性進(jìn)行了卓有成效的研究[7-9]，但過去人們?cè)谘芯可鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)較多地考慮植被指標(biāo)以及土壤理化性質(zhì)[10-11]，對(duì)土壤微生物特性的研究較少，尤其對(duì)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過程中土壤微生物特性缺乏系統(tǒng)的研究[12]。以湖南省衡陽(yáng)市紫色土丘陵坡地不同植被恢復(fù)階段為研究對(duì)象，采用“空間序列代替時(shí)間序列”的方法[13-15]，筆者研究了土壤微生物特性的變化，以期為揭示該區(qū)域退化群落恢復(fù)機(jī)理、構(gòu)建恢復(fù)技術(shù)體系提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)設(shè)置在湖南省衡陽(yáng)市譚子山鎮(zhèn)，是“湖南省紫色土山丘綜合治理配套技術(shù)研究示范”項(xiàng)目的試驗(yàn)示范區(qū)之一。該區(qū)域總面積4 882.4hm2，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，多年來年均溫為17.9 ℃，年均降雨量為1 324.5mm，年均蒸發(fā)量為1 425.0mm，年均相對(duì)濕度為80%,無(wú)霜期為285d。

1.2樣地設(shè)置該區(qū)域退化群落自然恢復(fù)過程為裸荒地階段(Ⅰ)→草地階段(Ⅱ)→灌叢階段(Ⅲ)→灌木階段(Ⅳ)→喬木階段(Ⅴ)[1-3]。在2012年7月5日～9月15日，在研究區(qū)內(nèi)選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態(tài)因子基本一致的坡中下部沿等高線有代表性的、按照植被恢復(fù)階段從低到高的順序的樣地5個(gè)(每個(gè)樣地面積>1hm2，前期均為撂荒地)(表1)。在每個(gè)樣地內(nèi)分別設(shè)置3塊間距大于20 m的20 m×20 m的樣方，按S型或梅花型混合取樣法采集土層為0～20 cm的樣品，3次重復(fù)。在冰箱中進(jìn)行4 ℃冷藏保鮮48 h，測(cè)定土壤微生物及其生化活性指標(biāo)。供試土壤的基本情況見表2。

表1　樣地概況

表2　供試土壤基本情況

1.3測(cè)定方法土壤微生物(包括細(xì)菌、真菌、放線菌，氨化細(xì)菌，固N(yùn)細(xì)菌、纖維素分解菌以及硝化細(xì)菌)的分離計(jì)數(shù)方法參考文獻(xiàn)[16]。土壤生化作用強(qiáng)度(包括土壤氨化作用強(qiáng)度、固N(yùn)作用強(qiáng)度、硝化作用強(qiáng)度、纖維素分解強(qiáng)度以及土壤呼吸作用)的測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[16]。土壤酶活性包括脲酶(URE)、蛋白酶(PRE)、過氧化氫酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)、堿性磷酸酶(ALP)與蔗糖酶(INV)，分別采用苯酚—次氯酸鈉比色法、銅鹽比色法、KMnO4滴定法、鄰苯三酚比色法、對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法和3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[17]。

1.4數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析法(one-wayANOVA)和最小顯著差異法，比較不同數(shù)據(jù)間的差異。所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2結(jié)果與分析

2.1不同恢復(fù)階段土壤微生物

2.1.1土壤微生物區(qū)系。表3表明，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量和土壤微生物總數(shù)顯著增加(P<0.05)。與恢復(fù)階段 Ⅰ 相比，恢復(fù)階段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的細(xì)菌數(shù)量分別增加26.67%、48.33%、53.33%和191.67%，真菌數(shù)量分別增加7.24%、14.47%、28.95%和97.37%，土壤微生物總數(shù)分別增加26.42%、48.95%、54.94%和189.30%?；謴?fù)階段Ⅲ和Ⅳ的放線菌數(shù)量明顯高于其他植被恢復(fù)階段(P<0.05)，恢復(fù)階段Ⅲ的放線菌數(shù)量分別為恢復(fù)階段 Ⅰ 、 Ⅱ 和Ⅴ的5.48、3.59和2.13倍，分別為恢復(fù)階段Ⅳ的7.95、5.22和3.09倍。這可能與恢復(fù)階段Ⅲ和Ⅳ中的凋落物含有較多的木質(zhì)化纖維成分，從而刺激分解木質(zhì)化纖維成分的放線菌的增加有關(guān)[18-19]。在恢復(fù)階段Ⅴ，細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別占微土壤微生物總數(shù)的98.04%、1.68%和0.30%，暗示細(xì)菌在恢復(fù)階段Ⅴ凋落物的分解中起重要作用。由此可知，土壤微生物三大類群的總量與其發(fā)揮的生態(tài)功能密切相關(guān)；數(shù)量的增加反映隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤微生物活性明顯上升。

表3　不同恢復(fù)階段土壤微生物數(shù)量

注:同列不同字母表示不同恢復(fù)階段差異顯著(P<0.05)。

2.1.2土壤微生物主要生理類群。表3表明，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤微生物主要生理類群均顯著增加(P<0.05)。與恢復(fù)階段 Ⅰ 相比，恢復(fù)階段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的氨化細(xì)菌分別增加136.36%、181.82%、200.00%和572.73%，硝化細(xì)菌分別增加40.00%、67.50%、97.50%和190.00%，纖維素分解菌分別增加211.58%、228.42%、314.73%和504.21%，固氮菌分別增加21.43%、59.52%、126.19%和226.19%。由此可知，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤生態(tài)系統(tǒng)的腐殖質(zhì)數(shù)量增加，品質(zhì)上升，土壤中易分解物質(zhì)(特別是C、N等)的貯量增加，參與C、N轉(zhuǎn)化的氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)量明顯升高，土壤pH降低，導(dǎo)致固氮菌、纖維素分解菌數(shù)量的增加，使得土壤中大量的難于分解的植物殘?bào)w得到及時(shí)分解[20-21]。因此，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤環(huán)境越來越有益于土壤微生物的繁殖和活動(dòng)，大大地提高了C、N營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)速度和能量流動(dòng)。

2.2土壤酶活性

2.2.1土壤水解酶活性。表4表明，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤中的URE、INV、PRE和ALP活性顯著增加(P<0.05)。與恢復(fù)階段 Ⅰ 相比，恢復(fù)階段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的URE活性分別增加35.29%、42.16%、59.80%和132.35%，INV活性分別增加59.52%、88.10%、116.67%和157.14%，PRE活性分別增加39.56%、48.35%、69.23%和84.62%，ALP活性分別增加84.38%、90.18%、120.98%和200.00%。由于INV直接參與土壤C素循環(huán)，URE和PRE直接參與土壤含N有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，ALP能促進(jìn)加速土壤有機(jī)磷的脫磷速度，提高P的有效性[22-23]。因此，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤的C和N的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)顯著提高，土壤的供P能力增強(qiáng)。

2.2.2土壤氧化還原酶活性。表4表明，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，CAT和PPO活性均顯著上升(P<0.05)。與恢復(fù)階段 Ⅰ 相比，恢復(fù)階段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的CAT活性分別增加125.00%、200.00%、225.00%和300.00%，PPO活性分別增加55.65%、70.97%、121.77%和170.97%。

隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤有機(jī)殘?bào)w分解速度和腐殖質(zhì)再合成能力明顯上升，增加了酶促反應(yīng)底物的濃度，土壤腐殖質(zhì)的品質(zhì)上升，土壤容重下降，pH降低，土壤微生物數(shù)量增加，導(dǎo)致其酶活性增加[24-25]。

表4　不同恢復(fù)階段土壤酶活性

注:同列不同字母表示不同恢復(fù)階段差異顯著(P<0.05)。

2.3土壤生化作用強(qiáng)度表5表明，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤的氨化作用、硝化作用、固氮作用、纖維素分解強(qiáng)度和呼吸作用顯著上升(P<0.05)。與恢復(fù)階段 Ⅰ 相比，恢復(fù)階段 Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的氨化作用分別增加了37.62%、60.48%、83.33%和194.29%，硝化作用分別增加了25.29%、43.68%、91.95%和173.56%，固氮作用分別增加了38.73%、61.97%、89.44%和240.85%，纖維素分解強(qiáng)度分別增加了21.85%、41.12%、58.16%和146.79%，呼吸作用分別增加了48.67%、116.81%、161.95%和193.81%。由此可知，隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤生化強(qiáng)度明顯上升，土壤有效養(yǎng)分的供應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致生物養(yǎng)分循環(huán)的上升。

表5　土壤生化作用強(qiáng)度

注:同列不同字母表示不同恢復(fù)階段差異顯著(P<0.05)。

3 小結(jié)

在恢復(fù)階段 Ⅰ →恢復(fù)階段 Ⅱ →恢復(fù)階段Ⅲ→恢復(fù)階段Ⅳ→恢復(fù)階段Ⅴ的過程中，在湖南省衡陽(yáng)市紫色土丘陵坡地土壤微生物總數(shù)顯著增加(P<0.05)，細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物優(yōu)勢(shì)類群的比例也隨之發(fā)生變化，氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、纖維素分解菌和固氮菌等土壤微生物主要生理類群數(shù)量顯著上升(P<0.05)，URE、INV、PRE、ALP、CAT和PPO活性顯著增強(qiáng)(P<0.05)，土壤氨化作用、硝化作用、固氮作用、纖維素分解強(qiáng)度和呼吸作用等生化強(qiáng)度顯著升高(P<0.05)。由此可知，土壤微生物活性的升高是表征衡陽(yáng)紫色土丘陵坡地植被恢復(fù)過程中生態(tài)功能上升的重要標(biāo)志之一。

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