伊犁大小西溝野生櫻桃李下發(fā)育土壤 微生物、養(yǎng)分及酶活性

崔 東，夏振華，朱成剛,陳 晨，夏倩倩

(1.伊犁師范大學(xué)生物與地理科學(xué)學(xué)院資源與生態(tài)研究所，新疆伊寧 835000； 2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830011)

生態(tài)系統(tǒng)中幾乎所有的有機(jī)物質(zhì)和生物元素循環(huán)均在微生物群落及其分泌的酶的作用下進(jìn)行，土壤生態(tài)系統(tǒng)的微生物數(shù)量和酶活性強(qiáng)烈影響?zhàn)B分的循環(huán)[1-2].近年來將土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)組成、土壤微生物生物量和土壤酶活性等作為土壤健康狀況的生物指標(biāo)來指導(dǎo)土壤生態(tài)系統(tǒng)管理已逐漸作為研究熱點(diǎn)[3].肖燁等[4]認(rèn)為土壤中細(xì)菌、真菌、纖維素酶與土壤養(yǎng)分各指標(biāo)有顯著的相關(guān)性.付剛等[5]研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物量和土壤酶活性可以反映土壤養(yǎng)分變化趨勢.呂桂芬等[6]研究得出土壤中各因子之間的相關(guān)關(guān)系較好，更能體現(xiàn)出復(fù)雜的土壤環(huán)境的結(jié)論.總之，土壤養(yǎng)分、酶活性、微生物個數(shù)、粒度與土壤肥力、分解有機(jī)質(zhì)能力、涵養(yǎng)水源能力以及抗侵蝕能力有密切關(guān)系，質(zhì)地良好的土壤不僅對植被生長和水土保持有重要作用，更與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性相關(guān).

櫻桃李(Prunusdivaricata)也稱櫻李，本地俗名野酸梅，薔薇科李屬，多年生落葉灌木或小喬木，花期一般在4月下旬至5月初，約8月初果實(shí)成熟，成熟果實(shí)的顏色以黃色、紅色及紫黑色為主.野生櫻桃李是世界上瀕危滅絕且極為罕見的原始野生林果[7-8]，主要分布在天山、小亞細(xì)亞、中亞、巴爾干蘭島等地，在我國僅分布在新疆伊犁霍城縣大西溝鄉(xiāng)山區(qū)，這里的櫻桃李是目前全世界僅存的野生櫻桃李純林，面積約700 hm2[9].以往對野生櫻桃李的研究主要集中在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,如張士康等[10]論述了野生櫻桃李的生態(tài)習(xí)性和生態(tài)條件;周龍[11]對野生櫻桃李群落物種多樣性及種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行了研究；針對野生櫻桃李下發(fā)育土壤微生物、養(yǎng)分及酶活性的相關(guān)研究還不多.野生櫻桃李林是大西溝鄉(xiāng)的主要植被，對野生櫻桃李林進(jìn)行有效的生態(tài)保護(hù)有助于該片山區(qū)的水土保持.因此，筆者通過對大小西溝野生櫻桃李下發(fā)育土壤的速效氮、速效磷、過氧化氫酶、蔗糖酶、微生物個數(shù)及土壤粒度的研究，以期對野生櫻桃李的生長及其野果林資源保護(hù)提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大西溝鄉(xiāng)(又名“中國野生櫻桃李之鄉(xiāng)”)地處新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州霍城縣北部(81°30′～81°40′E，44°30′～44°35′N)，面積252.7 km2，采樣地平均海拔1 300 m.研究區(qū)內(nèi)野生櫻桃李林下土壤多為有機(jī)質(zhì)含量豐富的黑鈣土，平均土層厚度約40 cm，以下土層為碎石、砂礫含量較多的沙壤，母質(zhì)為黃土狀坡積母質(zhì).研究區(qū)內(nèi)以野杏、野蘋果、野生櫻桃李等野生果樹為主要建群種，物種組成主要有菊科、忍冬科、禾本科、豆科、唇形科、薔薇科等，種群豐富度較高[8].大西溝鄉(xiāng)境內(nèi)有切德克蘇河、大西溝河、小西溝河三條河流，年降雨量約500 mm，年日照時(shí)數(shù)3 150 h，太陽輻射總量為5 600～5 800 MJ·m-2，土壤表面平均氣溫約7 ℃.

1.2 材料與方法

1.2.1 土壤樣品采集方法 在伊犁霍城縣大小西溝野生櫻桃李林下GPS定位隨機(jī)確定6個2.5 m×2.5 m樣方，在所選取的樣方中掘取6個土壤剖面，每個土壤剖面間隔20 cm采集一層土壤樣品，在挖掘土壤剖面之前，清除地表植物凋落物等殘?bào)w，共采集6個土層，共計(jì)36個土壤樣品.將采集的土壤樣品裝入自封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，平鋪在干凈的牛皮紙上去除土樣中的石塊與植物根系，置于陰涼通風(fēng)環(huán)境下自然風(fēng)干，過20目(0.85 mm)篩,儲存于容量瓶中待用.采樣點(diǎn)信息見表1.

表1 采樣點(diǎn)信息

1.2.2 土壤測定項(xiàng)目、方法與數(shù)據(jù)處理 1)土壤微生物的測定.平板稀釋法測定[12],即數(shù)出培養(yǎng)基上的菌落數(shù)，然后再乘以稀釋倍數(shù)，就是1 g該土壤中微生物的數(shù)量.

2)土壤速效氮的測定.擴(kuò)散吸收法測定[13]45:

其中，N為H2SO4標(biāo)準(zhǔn)液的濃度；V為滴定樣品用去的H2SO4毫升數(shù)；V0為滴定空白用去的H2SO4毫升數(shù)；W為樣品質(zhì)量.

3)土壤速效磷的測定.NaHCO3浸提-鉬銻抗顯色法測定[14]524,[15]140:

其中，W為樣品質(zhì)量.

4)土壤過氧化氫酶的測定.紫外分光光度法測定[16]2986:

其中，A240=A0-(A1+A2)/2，A0為加入的煮死酶液的對照管吸光值，A1,A2為樣品管吸光值；VT為粗酶提取液總體積(mL)；V1為測定用粗酶液體積(mL)；WF為樣品鮮重(g)；t為加過氧化氫的最后一次讀數(shù)時(shí)間(min).

5)土壤蔗糖酶的測定.3,5-二硝基水楊酸比色法測定[17]180,[18]78:

葡萄糖/mg=a×4,

其中,a為顯色液中葡萄糖濃度.

6)土壤粒度的測定.采用EASY SIZER20測定樣品粒度，其粒度范圍為0.5～500 μm.采用美國粒徑分法：小于2 μm為粘粒，2～50 μm為粉粒，50～2 000 μm為砂粒.土壤樣品粒度參數(shù)特征值(中值、平均粒徑[19]，標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度[20]，偏度[21]等)依據(jù)?？?沃德公式[22]計(jì)算.

中值(Md)是指累積曲線上顆粒含量為50%處對應(yīng)的粒徑，即Md=φ50.

其中,φx為累積曲線上百分含量為x%處的粒徑，下同.

標(biāo)準(zhǔn)偏差(顆粒大小均勻程度)δ:

分選級別見表2.

峰度(粒度頻率曲線尖銳程度)KG:

等級界限見表3.

偏度(頻率曲線對稱性)SK實(shí)質(zhì)上反映粒度分布不對稱的程度，按其形態(tài)可分為正態(tài)、正偏態(tài)、負(fù)偏態(tài).

偏度分級見表4.

表2 標(biāo)準(zhǔn)偏差分選級別

表3 峰度等級界限

表4 偏度分級

每層土樣所測得項(xiàng)目值均使用3個平行樣的算術(shù)平均值.應(yīng)用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理和繪圖，SPSS 19.0 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)描述兩個變量間線性相關(guān)強(qiáng)弱的程度.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層中土壤微生物(以細(xì)菌為例)數(shù)量的特征

由圖1可知，野生櫻桃李下發(fā)育土壤細(xì)菌數(shù)量在0～5 000個，大致表現(xiàn)出隨著土層深度的增加細(xì)菌個數(shù)遞減的趨勢.從第二層(21～40 cm)到第三層(41～60 cm)細(xì)菌個數(shù)變化最顯著，個數(shù)差異達(dá)到2 233個；從第三層(41～60 cm)到第五層(81～100 cm)細(xì)菌個數(shù)變化較小，穩(wěn)定在約1 479個；在土壤采集剖面的最深層(101～120 cm)處細(xì)菌個數(shù)減少至0個.

圖1 不同深度下土壤細(xì)菌數(shù)目

2.2 不同土層中土壤養(yǎng)分的特征

從圖2可以看出,野生櫻桃李下發(fā)育土壤的速效氮含量集中0.541～14.384 mg·kg-1，明顯地表現(xiàn)出隨著土層深度的增加速效氮含量遞減的規(guī)律.第一層(0～20 cm)與第二層(21～40 cm)相比，速效氮含量差異最顯著，達(dá)到9.457 mg·kg-1；第四層(61～80 cm)與第五層(81～100 cm)的差值最弱.

由圖3可以發(fā)現(xiàn),野生櫻桃李下發(fā)育土壤的速效磷含量集中在14.744～24.783 mg·kg-1，也明顯表現(xiàn)出隨著土層深度的增加速效磷含量遞減的規(guī)律.結(jié)合圖2-3可以發(fā)現(xiàn),同一土層深度下，速效磷含量的變化強(qiáng)度較速效氮而言更穩(wěn)定.

圖2 不同層次土壤速效氮含量

圖3 不同層次土壤速效磷含量

查閱土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[9]可知，野生櫻桃李下發(fā)育土壤的速效氮含量非常貧乏，大致為3.869 mg·kg-1；速效磷含量的分等表現(xiàn)出,隨著土層深度的增加，等級由豐富向中等過渡，均值穩(wěn)定在17.888 mg·kg-1.

2.3 不同土層中土壤酶活性的特征

通過測定不同土壤剖面下不同深度土壤中所含有的過氧化氫酶、蔗糖酶的活性來間接反映研究區(qū)土壤酶活性的總體特征.由圖4中可知，野生櫻桃李下發(fā)土壤的過氧化氫酶活性活性集中在6.476～13.052 mg·g-1·min-1,表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，過氧化氫酶活性遞減的規(guī)律.第一層(0～20 cm)與第二層(21～40 cm)之間的差值最大(約4.63 mg·g-1·min-1)，其余各層之間的差值穩(wěn)定在0.487 mg·g-1·min-1.

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，野生櫻桃李下發(fā)育土壤的蔗糖酶活性含量變化范圍大致在0.021～0.954 mg·g-1，表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，蔗糖酶的活性遞減的規(guī)律.

圖4 不同層次土壤過氧化氫酶活性

圖5 不同層次土壤蔗糖酶活性

2.4 不同土層中土壤粒度特征

從圖6可以看出，野生櫻桃李下發(fā)育土壤的粒級以粉粒居多(約80.57%)，砂粒次之(18.71%)，黏粒含量僅為0.72%.

圖6 不同層次土壤粒級百分含量

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，野生櫻桃李下土壤的最小粒徑約0.65 μm，最大粒徑高達(dá)500.00 μm，平均粒徑約50.01 μm；各土層標(biāo)準(zhǔn)偏差均大于4，表明研究區(qū)下土壤分選性極差；隨著土層深度的增加，峰度變小，表明粒度頻率分布曲線更平坦；偏度的變化范圍在0.002～0.747，表明研究區(qū)內(nèi)土壤粒度分布在近對稱到極正偏之間.

2.5 土壤微生物、養(yǎng)分以及酶活性之間的相關(guān)性分析

應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，文中采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)r描述兩個變量間線性相關(guān)強(qiáng)弱的程度.r的絕對值越大則表明相關(guān)性越強(qiáng)，|r|≥0.8時(shí)，可認(rèn)為兩變量間高度相關(guān)；0.5≤|r|<0.8時(shí)，可認(rèn)為兩變量中度相關(guān)；0.3≤|r|<0.5時(shí)，可認(rèn)為兩變量低度相關(guān)；|r|<0.3說明兩變量相關(guān)程度弱，基本不相關(guān).

表5 野生櫻桃下不同深度土壤粒度特征

由表6可知，野生櫻桃李下土壤速效氮與蔗糖酶之間的相關(guān)性為0.990；與速效磷、過氧化氫酶之間的相關(guān)性為0.983；以上均在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).速效磷與蔗糖酶相關(guān)性最高為0.992；與過氧化氫酶次之；與細(xì)菌個數(shù)只在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).過氧化氫酶與蔗糖酶之間的相關(guān)性達(dá)到0.983；蔗糖酶與細(xì)菌個數(shù)之間的相關(guān)性只在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

表6 土壤微生物個數(shù)、速效氮、磷以及 酶活性之間的相關(guān)性分析

注：**在0.01 水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)，*在 0.05 水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)，n=28.

3 討論

成片的野生櫻桃李純林主要分布在大小西溝谷底，近年來由于受到自然因素，如氣候變暖、變干，以及人為因素，如無序的開墾和過度放牧等的影響，野生櫻桃李林面積在逐漸縮小.由于近年來當(dāng)?shù)貧夂蜃兊门?，使得野生櫻桃李的生存環(huán)境發(fā)生了變化，過于干燥的的生境對野生櫻桃李的生長起到了限制作用.在筆者采樣過程中發(fā)現(xiàn)林下幾乎無法找到枯枝落葉層，這與林間過度放牧存在一定的聯(lián)系.雖然當(dāng)?shù)卦O(shè)立了保護(hù)區(qū)，但在采樣期間仍能看見私家車隨意進(jìn)入，林中亦能看見野炊后留下的生活垃圾，保護(hù)力度仍有待提高.我國僅存于此地的野生櫻桃李資源若得不到有效的保護(hù)，最終也難逃滅絕的惡果[23].

微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，對生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化起著不可替代的作用，被譽(yù)為生態(tài)系統(tǒng)的“調(diào)節(jié)器”[24]，土壤中的微生物對有機(jī)質(zhì)的腐化、分解、礦化有重要影響[25].本實(shí)驗(yàn)表明野生櫻桃李下發(fā)育土壤細(xì)菌主要分布在土壤上層.筆者等[26]研究指出該地隨土壤深度變大，有機(jī)質(zhì)的含量呈減少趨勢.可以認(rèn)為，由于研究區(qū)土壤為林地土壤，上層土壤中含有較多的枯枝敗葉經(jīng)過土壤微生物的分解其腐殖質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)較下層土壤更豐富，為微生物的生長、繁殖提供了養(yǎng)分，其次上層土壤質(zhì)地較為松軟土壤間空隙較大能與空氣之間進(jìn)行較好的氣體交換，有利于耗氧菌的生長，故上層土壤更加適宜細(xì)菌的生長.

土壤的肥力主要表現(xiàn)為土壤中氮、磷、鉀等的含量，而速效氮、速效磷、速效鉀指的是土壤中的水溶性與交換態(tài)的養(yǎng)分能夠被植物直接吸收利用，通常用來反映土壤中氮、磷、鉀的有效供應(yīng)情況，從而用來判定這一時(shí)期內(nèi)的土壤肥力狀況.有研究者認(rèn)為喬木能夠使得林下土壤氮素富集有效改善土壤養(yǎng)分狀況，且有顯著的表聚作用[27].通常認(rèn)為植物的凋落葉對土壤的理化性質(zhì)及肥力影響重大.由于凋落葉的分解土壤中的養(yǎng)分元素及礦物質(zhì)元素得到了有效的補(bǔ)充.王清奎等[28]認(rèn)為森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分主要來源于凋落葉，同時(shí)也是土壤有機(jī)碳的主要積累方式.研究區(qū)內(nèi)凋落葉做為土壤速效養(yǎng)分的主要來源以及微生物的主要碳源在不斷地減少，由于濫砍濫發(fā)、過度放牧、人口密度增加毀林開荒[29]導(dǎo)致凋落葉很少一部分作為養(yǎng)分和碳源回到土壤中，進(jìn)而使得土壤養(yǎng)分減少肥力下降.土壤中速效氮、速效磷通常用來反映土壤中氮、磷有效供應(yīng)的情況，因而用于評判土壤在一定時(shí)期內(nèi)的肥力狀況[26].通過測定不同土壤剖面下不同深度土壤中所含有的速效氮、速效磷含量來反映土壤中氮、磷的有效供應(yīng)情況進(jìn)而反映研究區(qū)土壤養(yǎng)分的總體特征.野生櫻桃李林下的土壤中速效氮含量約3.869 mg·kg-1、速效磷含量約17.888 mg·kg-1，屬于極缺乏，由此可知野生櫻桃李林的土壤肥力十分貧乏，這也許也是導(dǎo)致野生櫻桃李退化的原因之一[23,25].本實(shí)驗(yàn)表明,伊犁大小西溝野生櫻桃李下發(fā)育土壤的養(yǎng)分較貧乏,土壤養(yǎng)分的缺乏很可能是野生櫻桃李生長受到限制，瀕危滅絕的原因之一.

土壤酶活性作為表征生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在評價(jià)土壤肥力、土地利用和環(huán)境監(jiān)測等方面有重要意義[30].酶活性受季節(jié)變換影響較大，此外還受植被類型、土壤養(yǎng)分、土壤動物、海拔等的影響[31].周禮愷等[32]認(rèn)為土壤酶的數(shù)量和種類上的差異性由土壤的異質(zhì)性決定.土壤酶系統(tǒng)作為土壤中生物活性最強(qiáng)的成分，與植物的生長之間存在必然聯(lián)系，通過多種方式直接或間接影響植物的生長發(fā)育過程.隨著土層的加深,土壤環(huán)境(土壤水分、溫度、空氣、pH 值、團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素)發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了土壤酶活性的變化.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表層土壤的酶活性強(qiáng)于底層土壤，這可能是表層土壤接受到的太陽輻射更多，與空氣中的氧氣、水蒸氣等有更直接的接觸，從而為各種土壤酶的發(fā)育奠定了基礎(chǔ).

土壤中的各種養(yǎng)分是土壤微生物的C,N來源，因此土壤養(yǎng)分的多少影響著土壤微生物的數(shù)量，土壤微生物種類的豐富度和密集度在一定程度上又決定這土壤酶來源與活性，在土壤微生物和土壤酶活性的共同作用下推動著土壤中的生物與化學(xué)過程，從而影響土壤養(yǎng)分的含量.土壤養(yǎng)分、土壤微生物含量、土壤酶活性這三要素在某種程度上相互影響，共同作用于土壤環(huán)境.

4 結(jié)束語

1)土壤中的微生物個數(shù)、速效氮、速效磷含量以及過氧化氫酶、蔗糖酶的活性在不同深度土層下均顯示出明顯的差異性，表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而減少的趨勢.

2)伊犁大小西溝野生櫻桃李下發(fā)育土壤的粒級以粉粒、砂粒居多，最小粒徑約0.65 μm，最大粒徑高達(dá)500.00 μm，平均粒徑約50.01 μm.

3)研究區(qū)土壤下的養(yǎng)分、酶活性、微生物個數(shù)之間，具有一定的相關(guān)性.速效氮與速效磷、過氧化氫酶、蔗糖酶的相關(guān)性依次為0.983,0.983,0.990(P< 0.01).

4)為了進(jìn)一步保護(hù)日益被破壞的野生櫻桃李資源，維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)減少該地區(qū)的牲畜數(shù)量，禁止濫砍濫發(fā)，毀林開荒.