不同林齡油松土壤微生物、酶活性和養(yǎng)分特征

范媛媛, 李 懿, 李啟迪

(1.山東師范大學(xué) 濟(jì)南 250000; 2.阿壩師范學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 四川 阿壩 623002; 3.山東職業(yè)學(xué)院生物系，濟(jì)南 250000)

1904年，德國科學(xué)家Lorenz Hiltner最早提出了根際(Rhizosphere)概念，將土壤學(xué)研究擴(kuò)展至根際微域環(huán)境，引發(fā)學(xué)界矚目[1-3]。與此同時(shí)，根際研究的內(nèi)容偏重于土壤中的物質(zhì)循環(huán)、微生物含量及養(yǎng)分的作用、土壤酶含量等方面，并使用了更多、更新的研究方法。這些研究方法的運(yùn)用，對優(yōu)化與調(diào)節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，并為其提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)，為實(shí)踐提供了借鑒[4]。目前，學(xué)界針對土壤退化、土壤修復(fù)、園林綠化、人工造林等領(lǐng)域的植物根際研究比較多，并且大多集中在根際土壤與非根際土壤之間土壤特性的差異性方面[5-6]。如果想了解土壤的質(zhì)量和養(yǎng)分情況，在研究植物的根際土壤與非根際土壤的特性時(shí)，特別要注意土壤酶活性、微生物數(shù)量及養(yǎng)分等特點(diǎn)[7]。瀏覽研究的報(bào)道會發(fā)現(xiàn)，想要探究造林灌木樹種在根際效應(yīng)與土壤特性之間的改良情況，需要考慮灌木樹種間根系活動的規(guī)律、土壤肥力影響機(jī)制等因素[8-9]。要想提高造林后土壤肥力，需要探尋根際土壤和與非根際土壤之間的關(guān)系，挖掘兩者對土壤肥力的影響與作用。作為大陸高原半干旱氣候的代表，岷江流域的土壤情況不良，貧瘠且流失嚴(yán)重，植被綠化率也不理想，迫切需要進(jìn)行人工造林植被恢復(fù)工作，樹種篩選則是其中的重中之重[10]。所以，想要有效篩選與評價(jià)造林樹種，必須要從植物種植后根際和非根際土壤的特性著手，梳理其人工種植植物對土壤的改善效果和影響才能實(shí)現(xiàn)[11-12]。

油松(Pinustabuliformis)常年保持綠色，是一類鄉(xiāng)土樹種，廣泛分布于我國亞熱帶地區(qū)，隸屬于松科Pinaceae松屬Pinus，環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，具有較強(qiáng)的生長發(fā)育特性[13]，對修復(fù)土地具有奇效，往往作為首選樹種出現(xiàn)，能夠在一定程度上使森林保持良好的生態(tài)系統(tǒng)。但是，研究者發(fā)現(xiàn)，多年來油松人工林地力衰退問題日益突出，營造油松人工林作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)而被重視，其目的是提高土壤肥力和酶活性[14]。

林木和土壤在進(jìn)行物質(zhì)與能量交換時(shí)，往往需要借助根部達(dá)成，根部通過吸收周圍土壤中的營養(yǎng)或者分泌各種有機(jī)物與元素，使土壤的性質(zhì)發(fā)生一定的變化[13]。文章的著重點(diǎn)在于分析不同林齡的油松林根際與非根際土壤在酶活性、微生物和養(yǎng)分等方面的異同，從而發(fā)現(xiàn)土壤肥力變化的內(nèi)在規(guī)律，林木與土壤之間互相影響的關(guān)系，為我國人工油松林的培育工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江是長江支流之一，從岷山南麓流出，沿線形成雜谷腦河、大渡河、黑水河、馬邊河等支流，曲折回環(huán)，落差可達(dá)3 560 m，占據(jù)了13.3萬km2的面積，其干流長度為735 km。岷江的上中下游三部分各有特色，上游在都江堰市，中游在都江堰市至樂山市，下游在樂山至宜賓。上游河段多河流峽谷，地形較復(fù)雜，不適宜人類耕種，因此耕地和人口較少；而中游和下游河段的地形單一，多平原，利于開展農(nóng)耕，人口較多，對農(nóng)業(yè)和工業(yè)都有帶動作用，同時(shí)交通較為發(fā)達(dá)，開展研究的主要區(qū)域。該區(qū)域主要為溫帶—亞寒熱帶氣候，從上游至下游，氣溫逐漸升高，年平均氣溫達(dá)17℃左右，最高和最低氣溫分別為-4℃和38℃左右。該區(qū)域的汛期集中在6—9月的夏秋季節(jié)，多暴雨，降水量較大，占全年雨量的80%以上，所以水能資源和自然資源豐富，耕地較多，且多為紫色土。

試驗(yàn)時(shí)間為2018年8月，選取地域范圍為岷江上游，選取對象為(幼林、中林、成熟林和過熟林)油松樣地，針對每種林齡油松，選擇了3個(gè)重復(fù)樣地(50 m×50 m)，并在每個(gè)樣地上設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的小樣方，并各選擇3株油松，采取Riley和Barber的抖落法，在做好標(biāo)記的每株油松附近挖取根際與非根際土壤，在挖取根際土壤時(shí)，必須要保證根系的完整，采取各種辦法，如使用小刷子等盡可能清除外圍土壤，尤其注意防止損害根系。對于采集好的土壤，先去除雜物，之后分為兩部分，分別處理。一部分平鋪風(fēng)干并過篩后，用于測定土壤中養(yǎng)分的情況和酶活性，另一部分在4℃環(huán)境中下貯藏，可測定土壤中微生物的數(shù)量以及pH值。

1.2 測定方法

平板梯度稀釋法是測定土壤微生物數(shù)量的基本方法，往往會選取高氏一號瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和牛肉膏蛋白胨瓊脂等，分別作為放線菌、真菌和細(xì)菌的培養(yǎng)基。還要在每一濃度梯度處進(jìn)行特別設(shè)置，即3個(gè)重復(fù)。而測定有機(jī)碳、土壤pH、有效鉀和有效磷等元素，則要參考包士旦編《土壤農(nóng)化分析》中的標(biāo)準(zhǔn)[15]。

通過在Biolog-Eco下進(jìn)行72 h的溫育處理，能夠得到土壤多樣性的數(shù)據(jù)，然后選取大約10 g烘干土壤的土樣，將其放入NaCl溶液中，調(diào)至濃度為0.145 mol/L，再進(jìn)行30 min左右的振蕩，再選擇其中的100 μl，于Eco板后讀數(shù)，并在25℃下恒溫培養(yǎng)216 h，讀數(shù)間隔為12 h；接著，還要將NaCl溶液稀釋，繼續(xù)進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，做好吸光值記錄。

在分析微生物對碳源的利用情況時(shí)，需要依據(jù)其對碳源的反應(yīng)得出結(jié)論，一般用平均每孔顏色變化率AWCD表示，當(dāng)微生物豐度越高時(shí)，該值的數(shù)額越大，計(jì)算如下方式[7-9]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

式中：Ci，R分別表示第i孔、對照孔的吸光值。

H=-∑Pi(lnPi)

式中：Pi為第i孔的相對吸光值比值，計(jì)算公式:

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

S=被利用碳源的總數(shù)

Ds=1-∑Pi

1.4 數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差檢驗(yàn)，需要采用Excel 2007和SPSS 18.0等軟件，檢驗(yàn)各指標(biāo)之間的相關(guān)性，則采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(Mean±SE)，單因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相關(guān)系數(shù)法等方式。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡油松根際與非根際土壤養(yǎng)分

由表1可知，生長著不同林齡的油松土地上，土壤中的pH值因是否為根際土壤而不同，與根際土壤的pH值較低相比，非根際土壤的pH值較高，這說明油松根際在持續(xù)地分泌有機(jī)化合物，土壤的pH值不穩(wěn)定，處于變化中，呈現(xiàn)弱酸性，并且隨著林齡的增大而增長。土壤中根際和非根際有機(jī)碳含量隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際有機(jī)碳含量顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際有機(jī)碳含量與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際土壤有機(jī)碳含量在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際15.98%，17.63%，10.81%和15.31%。土壤中根際和非根際全氮含量隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際全氮含量顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際全氮含量與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際全氮含量在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際13.95%，12.39%，11.57%和3.33%。土壤中根際和非根際有效磷含量隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際有效磷含量顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際有效磷含量與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際有效磷含量在幼林、中林、成熟林和過熟林中分別高于非根際16.98%，10.90%，24.28%和1.81%。土壤中根際和非根際有效鉀含量隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際有效鉀含量顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際有效鉀含量與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際有效鉀含量在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際20.23%，12.59%，10.14%和6.37%。

表1 不同林齡油松根際與非根際土壤養(yǎng)分

注：R表示根際，S表示非根際，*表示根際與非根際差異顯著(p<0.05)，同列不同小寫字母表示不同林齡差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同林齡油松根際與非根際土壤酶活性

由表2可知，土壤中根際和非根際蔗糖酶活性隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際蔗糖酶活性顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際蔗糖酶活性與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際蔗糖酶活性在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際28.00%，33.73%，27.66%和12.48%。土壤中根際和非根際堿性磷酸酶活性隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際堿性磷酸酶活性顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際堿性磷酸酶活性與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際堿性磷酸酶活性在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際23.53%，12.62%，39.44%和4.69%。土壤中根際和非根際脲酶活性隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際脲酶活性顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際脲酶活性與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際脲酶活性在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際20.97%，41.83%，16.43%和8.47%。土壤中根際和非根際過氧化氫酶活性隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際過氧化氫酶活性顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際過氧化氫酶活性與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際過氧化氫酶活性在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際27.57%，14.73%，9.60%和0.31%。

表2 不同林齡油松根際與非根際土壤酶活性

2.3 不同林齡油松根際與非根際微生物數(shù)量

通過研究比較不同林齡油松的根際和非根際土壤中的微生物數(shù)量后(表3)，可知兩種土壤中的微生物數(shù)量情況不同，并且與林木的生長發(fā)育階段相關(guān)，這是受到根際分泌物影響的結(jié)果。相對而言，根際土壤更能恰如其分地表現(xiàn)微生物的變化規(guī)律，且總量較高。在不同林齡油松的根際土壤中，微生物數(shù)量由多到少為放線菌、真菌和細(xì)菌；在不同林齡油松的非根際土壤中，變化情況與根際土壤趨同。林齡逐漸增大，土壤中微生物總量呈先增加后降低趨勢，在中齡林的根系生長狀況良好，分泌物較多，活力較強(qiáng)，導(dǎo)致土壤中的微生物含量也較多，從而大大促進(jìn)了有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化。

2.4 不同林齡油松根際與非根際土壤微生物群落

結(jié)果表明(表4)，土壤中根際和非根際豐富度指數(shù)(H)隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際豐富度指數(shù)(H)顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際豐富度指數(shù)(H)與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際豐富度指數(shù)(H)在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際63.64%，10.76%，22.22%和11.39%。土壤中根際和非根際均勻度指數(shù)(E)隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際均勻度指數(shù)(E)顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際均勻度指數(shù)(E)與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際均勻度指數(shù)(E)在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際21.57%，16.42%，18.27%和1.02%。土壤中根際和非根際優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際43.33%，26.83%，19.18%和2.90%。土壤中根際和非根際碳源利用豐富度指數(shù)(S)隨著油松林齡的增長表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，在成熟林階段達(dá)到最大值，其中幼林、中林和成熟林根際碳源利用豐富度指數(shù)(S)顯著高于非根際(p<0.05)，過熟林根際碳源利用豐富度指數(shù)(S)與非根際差異并不顯著(p>0.05)；根際碳源利用豐富度指數(shù)(S)在幼林、中林、成熟林和過熟林分別高于非根際9.40%，8.91%，9.89%和3.98%。

表3 不同林齡油松根際與非根際微生物數(shù)量

表4 不同林齡油松根際與非根際土壤微生物群落

2.5 土壤養(yǎng)分與微生物多樣性之間相關(guān)性

土壤養(yǎng)分為微生物提供碳源和氮源，要對土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性進(jìn)行分析(表5)。通過研究可發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落功能多樣性與土壤養(yǎng)分呈正比例關(guān)系，與土壤pH值呈負(fù)比例關(guān)系，還與土壤中的微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)目、蔗糖酶活性、有機(jī)碳和全氮、堿性磷酸酶活性等具有一定的關(guān)聯(lián)性。由此可得出結(jié)論，微生物群落功能多樣性受到微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的直接影響。其中，土壤pH值的作用為負(fù)，微生物數(shù)量、土壤酶活性和土壤養(yǎng)分的作用為正，這種情況引發(fā)了不同土層土壤微生物群落多樣性存在較大差異，而微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)目、蔗糖酶活性、土壤有機(jī)碳和全氮以及堿性磷酸酶活性等，都會對其產(chǎn)生影響。

表5 土壤養(yǎng)分與微生物多樣性之間相關(guān)性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著，ns表示沒有相關(guān)性(p>0.05)。

3 討論與結(jié)論

土壤肥力的現(xiàn)實(shí)狀況與變化情況，可以從微生物的活躍與變化中窺知一二，尤其要注意其數(shù)量、種類、生態(tài)分布及活性等內(nèi)容[16]，在查看微生物的總體數(shù)量時(shí)，要注意由于同種類微生物與植物根系互相作用而產(chǎn)生的效果，一般表現(xiàn)為細(xì)菌和真菌在不同土壤中的數(shù)量是不同的。產(chǎn)生這種情況的原因在于，放線菌的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，不受高溫、干燥、堿性等條件的影響，占據(jù)了優(yōu)勢地位[17]。與此同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，針對不同林齡的油松，非根際土壤中的有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分含量均低于根際土壤，并且出現(xiàn)一些根際聚集的現(xiàn)象[17]。從油松的林齡來看，土壤中的養(yǎng)分含量隨著幼齡林長至中齡林而呈現(xiàn)增加現(xiàn)象，而在中齡林至成熟林期間，養(yǎng)分含量會逐漸降低。從土壤中養(yǎng)分的變化情況來看，在根際聚集的作用和影響下，油松能夠提高以有效磷和有效鉀為主要代表的土壤養(yǎng)分含量。油松處于幼齡時(shí)，由于根際不夠發(fā)達(dá)，所分泌的產(chǎn)物少，轉(zhuǎn)化的有機(jī)物更少，主要以地表枯落物的分解為主，而在中齡林和成熟林中，根際發(fā)達(dá)，根產(chǎn)物的量增加，增加了有機(jī)質(zhì)的含量。而樹木在不同的生長階段，根系所釋放出的有機(jī)物含量會受到光合作用的影響而產(chǎn)生變化，中齡林土壤中的有機(jī)物含量較高，而成熟林土壤中的有機(jī)物含量呈減少趨勢，并且非根際土壤中的有機(jī)質(zhì)含量低于根際土壤中，這種現(xiàn)象與有機(jī)質(zhì)的變化類似，根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量等均會受到植物生長期間根系、枯落物、根毛及根表皮分解等因素的影響[18-19]。而在研究土壤酶活性時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，該種有機(jī)質(zhì)的活性大小與土壤是否處于根際相關(guān)，就不同林齡油松而言，非根際土壤與根際土壤中的有機(jī)物情況不同，這與林木根系分泌酶類物質(zhì)有關(guān)，營造出比較特殊的微生物環(huán)境。一般情況下，土壤根系附近的微生物含量要高于非根際附近，而微生物一旦收到外界的刺激，會分泌大量的酶，從而使根際與非根際土壤中的酶活性產(chǎn)生較大的變化[20-21]。據(jù)研究，脫氫酶、過氧化氫酶及脲酶的活性在根際和非根際土壤中，大部分都會出現(xiàn)“低—高—低”的特征。

土壤是一個(gè)鮮活的、循環(huán)的小生態(tài)系統(tǒng)，無時(shí)無刻都發(fā)生著物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化活動，這都依賴于土壤微生物的作用，不僅能夠促進(jìn)土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與影響，還能增進(jìn)土壤肥力。土壤酶最為突出地反映了土壤的生物活性，使土壤產(chǎn)生生物或化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有機(jī)物，使土壤養(yǎng)分發(fā)生變化[22-23]。而研究也發(fā)現(xiàn)，微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分和酶活性存在一定的關(guān)聯(lián)[22-23]。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤微生物的數(shù)量多少并未受到土壤酶活性的主要作用，兩者未必正相關(guān)。據(jù)推測，土壤微生物的數(shù)量受到多重因素的影響，例如根系分泌和動植物殘?bào)w腐解等，其中的原因還需要深入探究[24]。很多報(bào)道認(rèn)為，土壤養(yǎng)分的變化離不開微生物數(shù)量與酶活性的影響。本研究則發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落功能多樣性的指標(biāo)，與微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)目、蔗糖酶活性、土壤有機(jī)碳和全氮以及堿性磷酸酶活性等因素關(guān)系顯著，而與土壤pH呈負(fù)比例關(guān)系，而土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和微生物數(shù)量對微生物群落功能多樣性具有積極影響，這從側(cè)面反映了不同土層土壤微生物群落多樣性差異的根源。其中，微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)目、蔗糖酶活性、土壤有機(jī)碳和全氮以及堿性磷酸酶活性，都對土壤產(chǎn)生作用，可知土壤養(yǎng)分與微生物、酶活性存在專性作用[25-26]。在進(jìn)行研究時(shí)，要關(guān)注簡單相關(guān)系數(shù)和兩者之間的線性關(guān)系，也會與其他變量產(chǎn)生反應(yīng)，所以需要深入探究，才能真正發(fā)現(xiàn)兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)關(guān)系，再將其運(yùn)用至實(shí)踐中。因此，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)測根際和非根際土壤在不同季節(jié)的變化情況，從而探究在植被恢復(fù)進(jìn)程中，根際和非根際土壤中的養(yǎng)分變化情況。