黃土高原不同坡位蘋果園土壤生物學特征
——以陜西省淳化縣為例

張 超，張 海，翟 輝，周 旭，李愛梅，張立新

（1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學生命科學學院，陜西 楊凌712100）

黃土高原不同坡位蘋果園土壤生物學特征
——以陜西省淳化縣為例

張 超1，張 海1，翟 輝1，周 旭1，李愛梅2，張立新2

（1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學生命科學學院，陜西 楊凌712100）

為了解坡位因素對黃土高原蘋果園土壤生物學性狀的影響，以陜西省淳化縣坡地富士蘋果園為研究對象，分析了該區(qū)不同坡位（上坡位、中坡位、下坡位）0～20、20～40、40～60 cm的果園土壤有機質、土壤酶活性和土壤微生物量碳、氮之間的差異，同時利用Biolog－ECO平板法研究了土壤微生物群落功能多樣性。結果表明，該區(qū)蘋果園土壤有機質含量普遍較低，且不同坡位之間存在差異，表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位。土壤酶、土壤微生物量在坡位間差異不顯著，其中過氧化氫酶表現(xiàn)為下坡位＞中坡位＞上坡位，土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶均表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位，微生物量碳含量表現(xiàn)為上坡位＞下坡位＞中坡位，微生物量氮含量表現(xiàn)為下坡位＞中坡位＞上坡位。不同坡位碳源平均顏色變化率（AWCD）基本趨勢表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位，微生物多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位；主成分分析結果表明，對主成分1（PC1）和主成分2（PC2）貢獻較大的碳源主要為糖類和羧酸類，下坡位土壤微生物群落穩(wěn)定性優(yōu)于上坡位和中坡位。綜合研究結果表明，該區(qū)下坡位土壤質量較好，適宜種植蘋果等經(jīng)濟作物。

坡位；土壤有機質；土壤酶活性；土壤微生物量；土壤微生物群落

土壤有機質是土壤的重要組成部分，是評價土壤基礎肥力和土壤生產力的重要指標，在改善土壤物理結構、化學性質，穩(wěn)定植物養(yǎng)分供應以及植被的生長狀況等方面有著極為重要的作用［1］，同時能顯著增加土壤中某些有益微生物酶的活性［2］。土壤酶是土壤生物活性和土壤肥力的重要組成成分之一，參與土壤中各種生物化學過程，如腐殖質的分解與合成、動植殘體和微生物殘體的分解、營養(yǎng)物質的循環(huán)等［3］，其活性大小是評價土壤肥力狀況的重要參數(shù)，同時也反映了土壤的污染狀況，在土壤發(fā)育、土壤肥力的產生以及土壤質量的變化過程中起著非常重要的作用［4－5］。土壤微生物參與土壤中養(yǎng)分的轉化和循環(huán)、有機質分解以及腐殖質形成等過程［6］，微生物量雖然只占土壤營養(yǎng)庫的小部分，但它對土壤環(huán)境變化具有較高的敏感性，更能反映微生物在土壤中的作用潛力［7］。土壤酶和土壤微生物共同參與和推動著土壤的生物化學過程，對土壤肥力狀況的變化具有極其重要的影響［8－9］。

陜西渭北黃土高原地區(qū)是我國蘋果最佳優(yōu)生區(qū)域，但由于水土流失、超耕超載，導致了土壤質量、土壤養(yǎng)分含量不斷降低，對該地區(qū)蘋果產業(yè)的持續(xù)發(fā)展極為不利［10］。為此，近年來許多學者對該區(qū)果園的土壤養(yǎng)分、土壤質量的分布特征及變異趨勢做了大量的研究，也提出了很多有意義的見解［11－13］，但對該區(qū)不同坡位之間的土壤生物學特征研究較少。由于坡位和有機質含量對土壤酶和土壤微生物影響較大［14－15］，故本試驗以陜西淳化縣蘋果園為研究對象，對不同坡位土壤有機質、酶活性、微生物量碳氮進行研究，并結合Biolog－ECO微平板法研究該區(qū)域坡位間土壤生物活性的差異，旨在從生物學角度對該區(qū)域不同坡位土壤質量進行評價，以期為該區(qū)坡地資源的有效利用及坡地經(jīng)濟林的合理種植提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于黃土高原溝壑區(qū)南緣的陜西省淳化縣（34°43′～35°03′N，108°18′～108°50′E），海拔 630～1 809m，年均氣溫 9.3℃，無霜期 185 d，年平均降水量610 mm，多集中于 7—9月，占全年降水量的53%，干燥度在 1.10～1.38之間，屬暖溫帶季風氣候區(qū)。該區(qū)地域遼闊，光照充裕、晝夜溫差大、雨熱同季，適宜種植不同類型果樹。試驗樣地位于該縣東南部之大店鄉(xiāng)，坡向東南，土壤以黃綿土為主，前茬種植玉米，土壤 pH值為7.00～8.55，中性偏堿。

1.2 試驗設計

根據(jù)試驗地實際地形，選取同一坡面的蘋果林地（坡度為 15°），分為上坡位（US）、中坡位（MS）和下坡位（LS），每個坡位之間海拔相差約100 m，分別建立試驗區(qū)，每個試驗區(qū)面積約6 670m2，寬20～30 m的平臺梯田。試驗區(qū)基本情況見表1。

表1 試驗區(qū)基本情況Table 1 Basic information of experiment sites

該試驗區(qū)種植果樹為8年生“富士”蘋果，均為常規(guī)化管理。于2014年7月采樣，每個坡位設平行采樣區(qū)3個，用S型布點法分別采集各平行采樣區(qū)0～20、20～40、40～60 cm土層土樣，采樣示意圖如圖1所示?；旌仙鲜鐾黄挛坏母魍翆油翗樱瑤Щ貙嶒炇液蠓譃?份，1份放在4℃冰箱保存，用于土壤微生物群落特征、酶活性及微生物量測定，另1份自然風干后過0.15 mm篩，用于土壤有機質含量的測定。

圖1 采樣示意圖Fig.1 Research area with sampling sites

1.3 測定方法

1.3.1 土壤有機質含量的測定 土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定［16］。

1.3.2 土壤酶活性的測定 土壤脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法；土壤蔗糖酶活性采用3，5—二硝基水楊酸比色法；土壤過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定［17］。

1.3.3 土壤微生物量的測定 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸，硫酸鉀浸提，全自動碳測定儀進行測定［18］。土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸，硫酸鉀浸提，過硫酸鉀氧化法測定［19］。

1.3.4 土壤微生物代謝功能多樣性測定 應用Biolog－ECO生態(tài)板測定［20］：稱取5 g新鮮土樣加入至裝有45ml 0.85%NaCl無菌溶液的100 ml三角瓶中，在搖床上以 150 r·min－1振蕩 30min，將得到的微生物懸浮液采用10倍稀釋法稀釋至濃度為10－3。在無菌工作臺上，接種微生物懸浮液于生態(tài)測試板中，每孔150μL。在25℃生化培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)240 h，每隔24 h在Biolog讀數(shù)器上讀取590 nm波長下的吸光值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 平均顏色變化率（AWCD） 平均顏色變化率用于描述微生物利用單一碳源的能力，其計算公式為：

式中，Ci為各培養(yǎng)基孔的吸光值；Ri為對照孔的吸光值。

1.4.2 群落 Shannon－Wiener指數(shù)（H） Shannon－Wiener指數(shù)（H）用于評估物種的豐富度，計算公式為：

式中，Pi＝（Ci－R）／∑（Ci－R），表示有碳源孔與對照孔光密度值之差與整板總差的比值。

1.4.3 群落 Simpson指數(shù)（D） Simpson指數(shù)用于評估某些最常見種的優(yōu)勢度，計算公式為：

1.4.4 群落Mclntosh指數(shù)（E） Mclntosh指數(shù)用于評估群落物種的均勻度，計算公式為：

式中，S為顏色發(fā)生變化的孔數(shù)（AWCD＞0.25代表該孔碳源被利用）

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003、Origin 9.0以及SPSS 21.0專業(yè)軟件進行圖表制作，運用方差分析、主成分分析等方法進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 不同坡位蘋果園土壤有機質含量

由圖2可知，該地區(qū)不同坡位表層（0～20 cm）土壤有機質含量均值為9.19 g·kg－1，與綠色食品產地土壤肥力分級指標［21］（＞20 g·kg－1為優(yōu)良，15～20 g·kg－1為尚可，＜15 g·kg－1為較差）相比，該區(qū)果園土壤有機質含量普遍較低。0～20 cm土層上坡位與下坡位有機質含量顯著高于中坡位，20～40 cm土層坡位間無顯著性差異，40～60 cm土層下坡位有機質含量顯著高于上、中坡位。坡位間0～60 cm土層土壤有機質平均值依次為 6.61、5.54、6.72 g·kg－1，表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位，下坡位有機質含量高于上坡位和中坡位。

圖2 不同坡位蘋果園土壤有機質Fig.2 The soil organicmatters at different slope positions of apple orchards

2.2 不同坡位蘋果園土壤酶活性

如圖3a，不同坡位0～20 cm土層過氧化氫酶活性上坡位顯著低于中坡位和下坡位，20～40、40～60 cm坡位間差異不大。隨著土層深度的增加，土壤過氧化氫酶活性均顯示出下降的趨勢，且0～20 cm至20～40 cm降低趨勢顯著，說明表層土壤過氧化氫酶受外界因素影響較大。坡位間0～60 cm土層過氧化氫酶活性平均表現(xiàn)為下坡位＞中坡位＞上坡位。

如圖3b，坡位間土壤脲酶活性差異較大，中坡位顯著低于上坡位和下坡位，表層土（0～20 cm）上坡位較高，深層土（20～40、40～60 cm）下坡位較高。從土壤剖面來看，同一坡位不同土層脲酶活性從表層到深層土壤逐漸降低，且遞減量相當。坡位間0～60 cm土層脲酶活性平均表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位。

如圖3c，蔗糖酶活性在坡位間同土層差異不大，0～20 cm呈現(xiàn)出從上坡位至下坡位遞減的趨勢，20～40、40～60 cm有遞增趨勢。同一坡位不同土層中蔗糖酶活性的差異比較明顯，0～20 cm土層高于20～40、40～60 cm土層之和，可見土壤蔗糖酶主要集中在表層土壤中。坡位間0～60 cm土層蔗糖酶活性平均表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位。

如圖3d，堿性磷酸酶活性在不同坡位表層土壤（0～20 cm）差異顯著，下坡位最大，上坡位次之，中坡位最小，20～40 cm和40～60 cm土層坡位間無顯著性差異。堿性磷酸酶在同坡位土壤剖面的變化趨勢與蔗糖酶一致，從表層（0～20 cm）到深層（20～40、40～60 cm）顯著降低。坡位間0～60 cm土層堿性磷酸酶活性平均表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位。

圖3 不同坡位蘋果園土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activities at different slope positions of apple orchards

2.3 不同坡位蘋果園土壤微生物量碳、氮含量

由圖4可知，土壤微生物量碳含量在0～20 cm土層上坡位顯著高于中、下坡位，20～40、40～60 cm土層坡位間差異不大，坡位間不同土層平均含量表現(xiàn)為上坡位＞下坡位＞中坡位，呈現(xiàn)出兩邊大中間小的趨勢，這可能與光照時間及水土流失有關。坡位對土壤微生物量氮的影響不大，不同坡位同土層間差異不顯著，僅表層土壤（0～20 cm）由上坡位至下坡位呈現(xiàn)依次遞增的趨勢，坡位間平均含量表現(xiàn)為下坡位＞中坡位＞上坡位，出現(xiàn)這種差異的原因可能與水土流失和氮素的轉化循環(huán)有關。

2.4 不同坡位土壤微生物群落代謝功能多樣性

2.4.1 平均顏色變化率（AWCD） 作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，AWCD值反映了微生物利用單一碳源的能力，AWCD值越大，表明對碳源利用程度越強，微生物代謝活性越高［26］。圖5中AWCD值曲線反映了土壤微生物在Biolog－ECO微平板中的生長狀況。不同坡位蘋果園土壤微生物均可在ECO微平板中穩(wěn)定持續(xù)增長，192 h后增長趨勢均趨于穩(wěn)定。培養(yǎng)24 h后，三種坡位土壤微生物AWCD值開始出現(xiàn)差異，48 h后差異比較明顯，整體趨勢表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位，說明下坡位土壤微生物代謝活性最強，上坡位次之，中坡位最弱。

2.4.2 土壤微生物多樣性變化 Shannon－Wiener指數(shù)（H）、Simpson指數(shù)（D）、McIntosh指數(shù)（E）別反映土壤微生物物種的豐富度、優(yōu)勢度以及度量群落物種的均勻度。由表2可知，上坡位和下坡位土壤微生物群落的Shannon－Wiener指數(shù)顯著高于中坡位；三個坡位土壤微生物群落的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)差異不明顯，可見坡位對于土壤中的常見菌種影響不大；下坡位土壤微生物群落的McIntosh指數(shù)顯著高于上坡位和中坡位。05 level.

圖4 不同坡位蘋果園土壤微生物量碳、氮含量Fig.4 Soilmicrobial biomass C，D at different slope positions of apple orchards

圖5 不同坡位蘋果園土壤平均顏色變化率Fig.5 AWCD of soil at different slope positions of apple orchards

表2 不同坡位蘋果園土壤微生物群落多樣性指數(shù)Table 2 Diversity indices of soilmicrobial communities at different slope positions of apple orchards

2.4.3 主成分分析 對培養(yǎng)120 h的數(shù)據(jù)進行微生物群落主成分分析，從中提取可以聚集單一碳源變量的數(shù)據(jù)變異（累計方差貢獻率）為44.943%的前2個主成分PC1、PC2（分別解釋初始特征值方差的24.527%和20.415%）進行土壤微生物群落多樣性分析。由圖6可知，不同坡位在主成分坐標體系中差異比較明顯，在PC1軸和PC2軸上，上坡位、中坡位、下坡位在正負方向上均各有分布。整體而言，不同坡位土壤微生物群落變異較大，變異（離散）程度表現(xiàn)為下坡位＞上坡位＞中坡位，下坡位土壤微生物穩(wěn)定性最好，其次為上坡位和中坡位。

圖6 不同坡位土壤微生物碳源利用的主成分分析Fig.6 Principal components analysis of soilmicrobial communities utilizing carbon sources at different slope positions

初始載荷因子反映主成分與碳源利用的相關系數(shù)，載荷因子越高，表示該碳源對主成分的影響越大。如表3所示，對PC1貢獻較大的碳源（系數(shù)≥0.5）有8種，其中多聚物類和羧酸類各占2種，氨基酸類、糖類、多酚類和胺類各占1種，可見這6類碳源均對PC1產生影響；對PC2貢獻較大的碳源有7種，其中糖類占4種，羧酸類占2種，氨基酸類占1種，可見對PC2影響較大的主要是糖類。

3 討 論

土壤有機質是評價土壤肥力和土壤生產力的重要指標，主要指存在于土壤中含碳的有機物質，它包括各種動植物的殘體、微生物體及其分解和合成的各種有機質，一般情況下，微生物的分解作用是原始土壤有機質的主要來源。本試驗研究表明，不同坡位土壤有機質含量下坡位＞上坡位＞中坡位，其原因可能是下坡位由于坡面水土流失、徑流的沖刷等原因，使得大量的有機質等養(yǎng)分在此聚集；而上坡位光照充足，土壤微生物活動較為劇烈，加快了對地表植物葉片等凋落物的分解，從而提高了土壤有機質含量，因而下坡位與上坡位的有機質含量較高。從土壤剖面來看，不同坡位隨著土壤深度的增加，土壤有機質含量有依次降低的趨勢，這主要是上層土壤溫度較高，微生物生長、繁殖較快，活動劇烈，加快了對動植物殘體的分解；下層土壤溫度與上層土壤相比顯著降低，加之土壤容重增大，嚴重抑制了微生物的活動；其次，施肥也能增加土壤有機質的積累，故導致有機質的增加主要集中在表層土壤中［22］。

土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的存在狀況密切相關，是評價土壤肥力大小的重要參數(shù)［23］。本研究中，土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性均在下坡位表現(xiàn)為最高，由于這4種土壤酶的活性大小與土壤有機質關系密切［24］，本研究中下坡位土壤有機質含量最高，加之下坡位積累了大量的養(yǎng)分，因此下坡位土壤酶活性較強，這與秦華軍等［25］、趙汝東等［14］研究結果不同，其原因可能是兩人所研究區(qū)域均為南方林地，其地理環(huán)境與氣候條件均與本研究區(qū)域差異較大，從而導致了土壤酶來源和變化的不同。由于土壤過氧化氫酶活性與土壤微生物活性密切相關，本研究中過氧化氫酶活性表現(xiàn)為下坡位＞中坡位＞上坡位，與之后微生物代謝功能多樣性分析結果中中坡位土壤微生物活性最低相矛盾，這可能與不同坡位間微地形的變化有關，具體原因還有待于進一步研究。土壤酶活性在土壤剖面層次的變化與有機質一致，均隨著土層深度的加深逐漸降低。

土壤微生物量是土壤養(yǎng)分循環(huán)中比較活躍的部分，反映了土壤微生物群落的狀態(tài)和功能，但同時受到氣候因子、地形地勢、施肥狀況等因素的影響［26－27］。微生物量碳、氮是土壤碳素和氮素養(yǎng)分轉化和循環(huán)中的重要參數(shù)，比較直觀地反映了土壤微生物活性和肥力狀況［28］，且微生物量碳是土壤有機碳的重要組成部分，能夠敏感的反應土壤有機質的變化［29］。本研究中，上坡位土壤微生物量碳含量最高，原因主要是上坡位光照時間較長，植物光合作用增強，光合產物增加，導致土壤中有機質的攝入量增加［30］；同時，上坡位土壤微生物對地表植物葉片等凋落物的分解也提高了土壤有機質含量。土壤微生物量氮在不同坡位之間差異不顯著，這可能與土壤中氮素的轉化方式較多以及不同坡位間多重影響因素的綜合作用有關［7，31］。

表3 31種碳源的主成分載荷因子Table 3 Loading factors of principle components of31 carbon sources

Biolog－ECO檢測法是通過測試微生物對單一碳源利用程度來描述微生物群落代謝功能多樣性的分析方法，土壤微生物對Biolog微平板中單一碳源利用能力的差異反映了土壤中微生物群落代謝功能的不同［32］。本試驗結果表明，不同坡位間土壤微生物活性（AWCD）、微生物多樣性指數(shù)均存在一定的差異，導致這種差異的主要因素應與坡位間的土壤理化性狀、水熱狀況等生態(tài)因子有關［33］。整體趨勢來看，下坡位土壤微生物的AWCD高于上坡位和中坡位，說明下坡位土壤微生物活性最大，利用單一碳源的能力最強；微生物豐富度指數(shù)（H）、優(yōu)勢度指數(shù)（D）、均勻度指數(shù)（E）是表征群落多樣性的常用指數(shù)，本研究中下坡位土壤微生物多樣性指數(shù)均為最高，這是因為下坡位是土壤養(yǎng)分、水分的聚集地，且有機質含量高，更有利于土壤微生物生長和代謝。主成分分析（圖5）表明不同坡位土壤微生物碳源利用存在著比較顯著的差異，土壤微生物群落代謝特征發(fā)生改變，說明坡位對土壤微生物群落產生較大影響，下坡位土壤變異（離散）值最小，進一步證明下坡位土壤微生物群落穩(wěn)定性最好。

4 結 論

蘋果園土壤各生物學指標在不同坡位間表現(xiàn)出一定的差異。土壤有機質、脲酶活性、蔗糖酶活性、堿性磷酸酶活性和微生物生物量碳在下坡位和上坡位較高；土壤過氧化氫酶活性和微生物生物量氮在下坡位和中坡位較高。

不同坡位間土壤微生物活性（AWCD值）、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為下坡位高于上坡位和中坡位，下坡位土壤微生物群落穩(wěn)定性最好。

該區(qū)域下坡位土壤質量總體優(yōu)于上坡位和中坡位，更適宜種植蘋果等經(jīng)濟作物。

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Soil biological characteristics at different slope positions of apple orchards on the Loess Plateau——A case study of Chunhua County，Shaanxi Province

ZHANG Chao1，ZHANG Hai1，ZHAIHui1，ZHOU Xu1，LIAi-mei2，ZHANG Li-xin2
（1.College of Nɑturɑl Resourcesɑnd Environment，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；2.College of Life Sciences，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ）

To investigate the effects of slope positions on soil biological characteristics in apple orchards in the Loess Plateau，a field study in Fujiapple orchards in Chunhua County in Shaanxi Provincewas used to explore the soil organic matter content，soil enzyme activities（catalase，urease，invertase and alkaline phosphatase）and soilmicrobial biomass carbon and nitrogen on different slope positions（upper slope，middle slope，lower slope）in the 0～20，20～40 cm and 40～60 cm soil layers，respectively.Biolog－ECO technology was applied to study themetabolic functional diversity of microbial communities.The results showed that the soilorganicmatter contentwas generally poor and deferent in different slope positionswith the order of lower slope（LS）＞upper slope（US）＞middle slope（MS）.Therewas no significance in soil catalase activities and microbial biomasswith different slopes.Soil catalase activity was LS＞MS＞US，urease，invertase and alkaline phosphatase activitieswere in order of LS＞US＞MS，soilmicrobial biomass carbon contentwas in order of US＞LS＞MSand microbial biomass nitrogen contentwas in order of LS＞MS＞US.The AWCD（averagewell color development）of soilmicrobial carbon source on different slope positionswas in order of LS＞US＞MS，microbial diversity indexes generally were in order of LS＞US＞MS.The results of principle component analysis（PCA）showed that carbohydrates and carboxylic acids as the carbon sources held a great contribution to the principal component 1（PC1）and principal component2（PC2）.Soilmicrobial community stability on lower slopewas superior.Finding in thisstudy highlighted that the soil quality on lower slopewas better andmore suitable for planting apple trees and other economic crops.

slope position；soil organicmatter；soil enzyme activities；soilmicrobial biomass；soilmicrobial community

S154.2；S154.3

A

1000-7601（2017）05-0095-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.14

2016-07-06

2016-10-26

陜西省科技成果轉化項目（2017CG2H－HJ－02）；楊凌示范區(qū)農業(yè)科技示范提升項目（TS－2014－40）

張 超（1992—），男，甘肅定西人，碩士研究生，研究方向為環(huán)境生態(tài)恢復。E-mail：1098114260＠qq.com。

張 海（1960—），男，陜西高陵人，教授，主要從事黃土高原植被恢復及生態(tài)治理研究。E-mail：ylzh6＠163.com。