荒漠草原區(qū)土壤粒徑組成對檸條根際土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響

劉秉儒, 牛宋芳, 張文文

1 北方民族大學生物科學與工程學院, 銀川 750021 2 寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,參與土壤中有機物質(zhì)的分解,碳氮循環(huán)等重要的生理生態(tài)過程[1]。細菌、真菌、放線菌是土壤中存在最多的三大類微生物,通過它們的數(shù)量能夠反映土壤各因素對土壤微生物的影響[2]。土壤酶參與土壤中大多的物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量流動,能夠表征土壤中碳、氮、磷等養(yǎng)分的循環(huán)狀況,被作為衡量根際微生態(tài)環(huán)境的速效指標之一[3]。根際作為植物根系-土壤-微生物三者之間進行物質(zhì)交換的主要場所,受到植物根系、分泌物及微生物活動的影響,具有較高的生物酶活性,并對生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的動態(tài)分布、循環(huán)等發(fā)揮著重要作用[4,5]。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),在不同的植物種類、生態(tài)型、化學型和基因型以及不同的發(fā)育階段,根際微生物群落特征、土壤酶活性存在差異[6],也有研究表明土壤類型影響根際微生物數(shù)量和酶活性[7]、微生物活性[8]、微生物的密度和活性[9],不同的土壤類型在土壤顆粒組成之間存在很大的差異,但土壤顆粒組成對荒漠草原區(qū)固沙植物根際土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響卻未見報道。

檸條(Caraganakorshinskii)是豆科灌木,抗逆性強,多種植于荒漠區(qū)用以防風固沙。本文選擇寧夏鹽池縣荒漠草原區(qū)灰鈣土、紅黏土及風沙土種植的檸條為研究對象,研究不同土壤粒徑組成對檸條根際土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響,探討土壤顆粒組分與微生物數(shù)量、土壤酶活性之間的關系,為荒漠草原土壤退化及恢復提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣(106°30′—107°47′E,37°04′—38°10′N)荒漠草原區(qū),地處黃土高原與鄂爾多斯臺地的交界地帶,屬于典型的大陸性季風氣候,氣候干燥,年降水約250—350 mm,年蒸發(fā)量約2500 mm,年平均氣溫在8℃左右。由于該區(qū)域惡劣的環(huán)境條件,當?shù)氐耐寥喇愘|(zhì)性大,主要土壤類型有風沙土、灰鈣土、紅黏土和黃綿土等,研究區(qū)灰鈣土屬于干旱土綱,灰鈣土類,而風沙土與紅粘土均屬于初育土綱,其中研究區(qū)的紅粘土屬于積鈣紅粘土亞類,是發(fā)育在第四季更新世老黃土上的紅黏土,土壤顆粒組成細砂含量占40%左右,黏粉粒含量在20%—30%之間。優(yōu)勢植物除了人工栽植的檸條,天然生長的主要有苦豆子(Sophoraalopecuroides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、短花針茅(Stipabreviflora)、牛心樸子(Cynanchumkomarovii)等。檸條于2000年通過機播種子種植,用以防風固沙,種植模式為條帶狀播種,帶寬6 m,株距1.0 m左右。由于土壤質(zhì)地不同,檸條長勢差別較大,灌叢冠幅、高度、株高存在顯著性差異?；意}土質(zhì)地的檸條冠幅在1.32—1.65 m之間,株高0.7—1.4 m之間,紅黏土質(zhì)地的檸條長勢最差,較為低矮,冠幅在0.62—1.35m之間,株高0.45—0.9 m之間,風沙土質(zhì)地的檸條長勢最好,冠幅在1.85—3.12 m之間,株高1.2—1.9 m之間。

1.2 樣地設置與樣品采集

土壤樣品采集時間為2017年7月?；意}土、紅黏土和風沙土區(qū)域均為平地,每個樣地選取3個30 m×30 m的樣方(樣地信息見表1),每個樣方中隨機選9株檸條,采集深度為5—20 cm[5],使用抖落法[10-11]采集根際土和非根際土(將根先挖出來,用枝剪將5—20 cm的根部剪下,過程中灑落的及之后抖落的土壤為非根際土,根上附著的土壤為根際土),采樣的過程中每株檸條采集完后將采集工具用無菌水清洗,并用75%的酒精消毒以防土樣被污染,將每3株的土壤混合后作為一份樣品,每種土壤類型根際、非根際土壤樣品各9個重復。將剛采集到的新鮮土壤立即放入4℃的保溫箱內(nèi)后立即帶回室內(nèi),一部分自然風干,風干后過2 mm篩用于土壤酶活性的測定；一部分鮮土進行土壤微生物數(shù)量的測定。

表1 研究區(qū)采樣點地理位置信息

1.3 土壤理化性質(zhì)及土壤微生物數(shù)量的測定方法

土壤顆粒粒徑組成用馬爾文激光粒度儀測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法,以1 h內(nèi)消耗的0.1 mol/L高錳酸鉀體積數(shù)表示；土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法,以24 h每克土中產(chǎn)生的銨態(tài)氮毫克數(shù)表示；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法,以24 h每克土中釋放的酚毫克數(shù)表示；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法,以24 h每克土中產(chǎn)生的葡萄糖毫克數(shù)表示[12]；土壤中細菌、真菌及放線菌數(shù)量采用稀釋平板法[13],其中土壤細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,真菌采用玫瑰紅培養(yǎng)基,放線菌用高氏一號培養(yǎng)基。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)保存在Excel 2010,SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析,配對T檢驗分析根際與非根際土壤之間各指標的差異性,最小顯著差異法(LSD)分析3種土壤之間的差異性,顯著水平0.05,Pearson雙尾檢驗相關性,Excel 2010作表,Origin 19.1作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤粒徑組成特征

不同土壤類型的顆粒組成有很大的差異(表2)。土壤顆粒百分比在不同的土壤類型中有著明顯的不同,其中粉粒和細砂粒在3種土壤中所占的比例較大,灰鈣土、紅黏土、風沙土的粉粒百分比含量分別為45.59%、23.95%、6.20%,而細砂的體積含量分別為44.60%、64.26%、82.03%。粘粒、粉粒在灰鈣土、紅黏土、風沙土中所占的比例逐漸降低,細砂和中砂含量逐漸增加(表2)。

2.2 土壤微生物數(shù)量特征

土壤微生物主要包含細菌、真菌和放線菌三大類,本文中三類微生物的數(shù)量表現(xiàn)為細菌>放線菌>真菌(表4)。根際土壤中的細菌、真菌數(shù)量顯著高于非根際(P<0.05),放線菌數(shù)量在根際與非根際土壤中沒有顯著差異(P>0.05)。隨著細砂粒的增多,根際土壤真菌和放線菌數(shù)量逐漸減小,細菌數(shù)量在紅黏土中最高其中,與風沙土具有顯著性差異；真菌數(shù)量在3種土壤均具有明顯的差異。

表2 土壤顆粒的體積百分比含量

數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標準差

表3 不同類型土壤中檸條根際與非根際土壤有機碳含量

數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標準差

表4 土壤微生物數(shù)量特征

每一行大寫字母不同表示三種類型土壤之間具有顯著性差異,每一列小寫字母不同表示根際與非根際土壤之間具有顯著性差異

2.3 土壤酶活性特征

土壤酶主要來源于植物根系及微生物的活動[14],在不同土壤中其根際及非根際土壤酶活性之間存在顯著性差異(P<0.05)(圖1)。脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶的根際酶活性高于非根際,除風沙土中堿性磷酸酶根際與非根際之間差異不顯著外,均存在顯著性差異(P<0.05),過氧化氫酶活性表現(xiàn)為非根際土壤高于根際土壤,但差異不顯著(P>0.05)。在3種土壤中,根際與非根際土壤的蔗糖酶、堿性磷酸酶及過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)出灰鈣土>紅黏土>風沙土的趨勢,紅黏土根際土壤中的脲酶活性顯著高于灰鈣土與風沙土(P<0.05)。

圖1 檸條根際土壤酶活性特征Fig.1 The characteristic of enzyme activities of C. korshinskii in different soil types圖中大寫字母不同表示3種土壤之間具有顯著性差異,小寫字母不同表示根際與非根際之間具有顯著性差異

2.4 相關性分析

為進一步了解土壤酶活性與微生物數(shù)量之間的相互關系,對土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性之間作了Pearson相關性分析,由表5可知,微生物數(shù)量與酶活性呈正相關關系,細菌與蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶之間存在極顯著的正相關(P<0.01),相關系數(shù)分別為0.88、0.771、0.769；真菌與蔗糖酶、堿性磷酸酶極顯著正相關(P<0.05),與脲酶呈顯著正相關(P<0.05)；放線菌與蔗糖酶、堿性磷酸酶具有極顯著的相關性(0.637、0.655)；過氧化氫酶與3種微生物數(shù)量之間均不存在顯著的相關關系。土壤酶之間具有相互促進的關系,堿性磷酸酶對土壤中的其他酶活性均具有明顯的正相關關系。

不同土壤粒徑組成對土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的相關性分析如表6所示。微生物數(shù)量與土壤顆粒分布之間沒有顯著的相關性,而土壤酶活性與土壤顆粒組成相關性較大。脲酶與活性與土壤中的粉粒呈顯著正相關,與細砂呈先顯著負相關,與中砂呈極顯著負相關關系；過氧化氫酶與粘粒、粉粒含量呈極顯著正相關,與細砂、中砂含量呈極顯著負相關；蔗糖酶與粘粒、粉粒呈顯著正相關,與細砂呈顯著負相關；堿性磷酸酶與粉粒呈極顯著正相關,與細砂呈極顯著負相關關系。

表5 土壤酶活性與微生物數(shù)量的相關性分析

*表示在0.05水平顯著；**表示在0.01水平顯著

3 討論

3.1 根際與非根際土壤微生物數(shù)量及酶活性分析

大量根際土壤研究表明,土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量、酶活性在根際與非根際土壤之間差異較大,存在明顯的根際效應,即根際土壤相對富營養(yǎng)化,這可能是因為根系分泌物誘導微生物活動并釋放生物酶[15],或是不同的植物在根系形態(tài),根誘導的化學、生物化學及生物學的變化,根與土壤的相互作用等方面都有很大的差異[16],楊陽等[17]認為是由于根系從外界不斷攝取養(yǎng)分及根系分泌物向根表面遷移,使根周圍的微環(huán)境中土壤養(yǎng)分情況變得復雜；Dakora等[18]認為是根由于根系分泌物的活動,提高植物對養(yǎng)分的吸收并間接刺激有益細菌群落介導過程,使根際微生物數(shù)量及生物量增加。本研究中得出檸條根際土壤中細菌、真菌數(shù)量,脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶及土壤呼吸強度與非根際土壤存在較大的差異,可能原因是由于檸條是豆科灌木,根部的根瘤菌固定空氣中游離的氮,增加土壤氮含量,促進氮素的循環(huán)[19],使土壤中脲酶活性較高,而根際土壤中容納了大部分的根系分泌物及根表皮的脫落物,能夠為微生物提供更多的營養(yǎng),使根際土壤中微生物數(shù)量較多[20]。另一方面,已有研究證明,高的酶活性能夠使底物更好的分解,導致根際中的營養(yǎng)物質(zhì)具有更高的可利用性[21],本研究中除過氧化氫酶活性表現(xiàn)為非根際土略高于根際土,蔗糖酶、脲酶及磷酸酶活性均表現(xiàn)為根際土壤較高且差異顯著,表明植物可以從根際土壤中吸收更多可利用的養(yǎng)分,有助于植物生長及其對生長環(huán)境的適應。因此,根際土壤中含有更高的酶活性,能夠為植物及微生物提供更多的營養(yǎng)。

表6 土壤粒徑組成與微生物數(shù)量及酶活性的相關性分析

3.2 土壤粒徑組成對土壤微生物數(shù)量與酶活性的影響分析

土壤粒徑組成決定土壤中水分及養(yǎng)分的貯存與轉(zhuǎn)運[22]。不同類型土壤在土壤粒徑組成上差異很大,灰鈣土中所含的粉粒和細砂最多,紅黏土中細砂粒占60%左右,風沙土中細砂含量最高,可能與每種土壤的起源有關[3],造成土壤有機質(zhì)含量、土壤中生物體的種類等方面有差別[23]。本研究中可以看出隨著粉粒的增多,細砂含量下降,過氧化氫酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性呈遞增趨勢。這可能是由于土壤中細顆粒的越多,土壤膠體越豐富,吸收的養(yǎng)分就越多,使土壤中碳、氮等養(yǎng)分增加[24-25],有研究表明,土壤中較高的有機質(zhì)含量可以使土壤酶保持在較高的水平[26],水解酶活性與有機質(zhì)、全氮、全磷之間呈顯著正相關[27],土壤中的酶活性才會隨之增加。本研究中脲酶在紅粘土中的活性高于風沙土與灰鈣土,可能是由于紅粘土的質(zhì)地較硬,植物為了適應環(huán)境,通過根系的作用,改變根周圍的土壤環(huán)境,脲酶的作用比在灰鈣土及紅粘土中更大,活性更高。除了粒徑外,影響微生物和酶活性的土壤因素還有其他,其中有機質(zhì)含量是非常重要的,本研究中不同類型土壤中檸條根際與非根際土壤有機碳含量研究表明,紅粘土檸條根際土壤有機碳含量增加最顯著,說明通過根系的作用,改變根周圍的土壤環(huán)境,使土壤酶保持在紅粘土較高的水平,使其活性提高。

本研究中發(fā)現(xiàn)在3種不同類型的土壤中隨著細砂粒的增多,真菌和放線菌數(shù)量逐漸降低,而細菌數(shù)量呈先增大后減小的趨勢,可能是由于根際分泌物在土壤與根的交界面造成物質(zhì)運輸?shù)乃俣炔煌?養(yǎng)分存在一定的差異,影響微生物的數(shù)量；另一方面,土壤細菌對土壤碳循環(huán)有重要作用,體現(xiàn)在對不穩(wěn)定碳源的響應,促進植物快速生長和適應不同環(huán)境的能力上[28],在3種土壤中,紅黏土質(zhì)地較硬,細菌的快速增加,利于植物在惡劣環(huán)境中生存；本研究中,隨著細砂含量的增多,土壤中脲酶活性與細菌數(shù)量表現(xiàn)為一致性,土壤中脲酶活性較高,有利于提高土壤中氮素的利用率,并促進土壤氮素循環(huán)[12],土壤中有很多細菌參與了土壤氮循環(huán),如疣微菌門與土壤氮含量之間存在負相關關系[29],作為土壤細菌中的優(yōu)勢菌種放線菌門和變形菌門,土壤放線菌門參與了土壤中的碳氮循環(huán)[30],因此,土壤脲酶活性高可能也會造成土壤細菌含量增加。Zhou等[31]認為土壤微生物數(shù)量的差異可能與土壤孔隙度、含水量及顆粒組成有關,但本研究的相關性分析表明土壤顆粒組成與細菌、真菌及放線菌之間的相關性并不明顯。何芳蘭等[32]研究沙化對土壤微生物數(shù)量的研究表明,土壤中粘粒、粉粒的含量能夠影響微生物的數(shù)量,但是也會受到土壤理化性質(zhì)與植被的影響,顯然,本研究中,荒漠草原區(qū)土壤顆粒組成對微生物數(shù)量的影響并不顯著,這說明在荒漠草原區(qū)水分應該是重點關注對象,在土壤理化性質(zhì)中除了土壤有機碳,哪些或哪個指標對其影響更為顯著還有待于進一步研究。

4 結(jié)論

通過對荒漠草原區(qū)不同土壤顆粒組成對根際土壤酶活性及微生物數(shù)量的影響及相互關系的研究,有如下重要結(jié)論：土壤微生物的數(shù)量表現(xiàn)為細菌>放線菌>真菌。根際土壤中的細菌、真菌數(shù)量顯著高于非根際,且在3種不同類型的土壤中隨著細砂粒的增多,真菌和放線菌數(shù)量逐漸降低,而細菌數(shù)量呈先增大后減小的趨勢；根際與非根際土壤的蔗糖酶、堿性磷酸酶及過氧化氫酶活性均呈現(xiàn)出灰鈣土>紅黏土>風沙土的趨勢,紅黏土根際土壤中的脲酶活性顯著高于灰鈣土與風沙土。除過氧化氫酶外,土壤酶活性表現(xiàn)為根際高于非根際,在3種不同類型的土壤中隨著細砂含量的增加,土壤酶活性均呈遞減趨勢；土壤顆粒組成與微生物數(shù)量之間沒有明顯的相關性,而與土壤酶活性之間顯著相關,土壤酶活性與粘粒、粉粒呈正相關,與細砂、中砂呈負相關關系。根際土壤中酶活性更高,能夠為植物及微生物提供更多的營養(yǎng)。