石漠化治理區(qū)不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量的關(guān)系1)

鄭武揚(yáng) 王艷霞 王月江 馮剛剛

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明，650224)

根際是指植物根系周圍、受根系影響的數(shù)毫米內(nèi)的區(qū)域[1]，是研究植物、土壤、微生物之間相互聯(lián)系的重要生態(tài)領(lǐng)域[2]。許多學(xué)者在土壤修復(fù)[3]、植被恢復(fù)[4]、農(nóng)作物耕作[5-6]相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了植物根際研究。根際是土壤和植物進(jìn)行物質(zhì)交換的重要區(qū)域，微生物和酶活性在根際土壤中十分活躍。根際微生物作為重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)器，其生物活性、種類特征能反映土壤的肥力和植物的營(yíng)養(yǎng)狀況[7]。土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際上都是在酶的參與下進(jìn)行的[8]，土壤酶活性可以反映土壤質(zhì)量狀況。在土壤中，酶活性與土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量聯(lián)系緊密，許多學(xué)者熱衷于研究他們之間的關(guān)系[9-11]。簡(jiǎn)單的相關(guān)系數(shù)無(wú)法完全表明一個(gè)變量對(duì)另一個(gè)變量的直接作用，而通徑分析能夠?qū)Ω髯兞恐g的相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，將相關(guān)分析和通徑分析相結(jié)合能夠更詳細(xì)地表達(dá)兩個(gè)變量之間的具體關(guān)系。我國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界上面積最大的喀斯特地區(qū)，而石漠化是喀斯特地區(qū)土地退化的極端形式[12]。石漠化地區(qū)土壤性質(zhì)的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)[13-15]，通過(guò)人工造林提高植被覆蓋率和土壤質(zhì)量能夠有效改善石漠化[16-17]。在建水縣小關(guān)村石漠化治理區(qū)，人工造林是其主要治理措施。優(yōu)勢(shì)植物對(duì)土壤酶活性、理化性質(zhì)、微生物數(shù)量具有較大影響。本研究通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的根際土壤酶活性和理化性質(zhì)、微生物數(shù)量進(jìn)行研究，進(jìn)而探討比較不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤環(huán)境的差異以及不同指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，能夠?yàn)槿嬖u(píng)價(jià)該治理區(qū)土壤質(zhì)量以及植被恢復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省建水縣小關(guān)村喀斯特石漠化綜合治理區(qū)(23°23′～23°44′N，102°44′～102°48′E)，該治理區(qū)樣地類型為云南松(Pinusyunnanensis)-油杉(Keteleeriafortunei)混交林和馬尾松(Pinusmassoniana)-干香柏(Cupressusduclouxiana)混交林，郁閉度為25%，樹(shù)齡20 a。海拔1 480～1 780 m，坡度較陡，地勢(shì)南高北低，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。年均降水量為784 mm，年均氣溫為19.8 ℃，年均日照時(shí)間2 322 h。受成土母質(zhì)的影響，治理區(qū)主要土壤類型為紅壤和石灰土，樣地其他情況見(jiàn)表1。

表1 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)樣地基本情況

2 研究方法

2.1 采樣方法

2018年10月下旬，在治理區(qū)內(nèi)分別采集云南松-油杉混交林中的油杉、云南松,馬尾松-干香柏混交林中的馬尾松、干香柏4種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的根際土壤。在2個(gè)林區(qū)各選擇1塊30 m×30 m的調(diào)查樣地。采用抖落法[18]采集根際土壤。在每塊樣地內(nèi)按“S”型采樣法取土，每種優(yōu)勢(shì)植物設(shè)置3個(gè)樣點(diǎn)，共采集12個(gè)土樣，在0～30 cm深度土層中挖取具有完整根系的土體，先輕輕抖落大塊不含根系的土壤，再用軟刷將根表面附著的土壤(根表面上3 mm以內(nèi))刷下，分別裝入自封袋中得到根際土壤。采集的土壤樣品一部分4 ℃保存，用作土壤微生物試驗(yàn)；一部分經(jīng)風(fēng)干、研磨后供土壤酶活性和理化性質(zhì)測(cè)定。

2.2 測(cè)定方法

土壤微生物數(shù)量的測(cè)定采用稀釋平板法，細(xì)菌使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌使用孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌使用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基。過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，結(jié)果以1 g風(fēng)干土壤滴定所需0.002 mol·L-1KMnO4的體積(以mL計(jì))表示；脲酶采用苯酚鈉比色法測(cè)定，酶活性測(cè)定結(jié)果以3 h后100 g土產(chǎn)生的銨態(tài)氮的質(zhì)量(以mg計(jì))表示；蔗糖酶采用滴定法測(cè)定，酶活性測(cè)定結(jié)果以單位土質(zhì)量的0.1 mol·L-1硫代硫酸鈉的體積(以mL計(jì))表示[19-20]。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定[21]；土壤pH采用電位法測(cè)定；土壤全氮采用高氯酸-硫酸消化-蒸餾定氮法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散吸收法測(cè)定；土壤全磷采用高氯酸-硫酸消化-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效磷采用碳酸氫納浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法[22]測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS 23.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行LSD比較、相關(guān)性分析和通徑分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤pH和養(yǎng)分差異

由表2可見(jiàn)，4個(gè)樹(shù)種根際土壤的理化性質(zhì)各指標(biāo)中除速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)外均存在顯著差異(P<0.01)。馬尾松和干香柏根際土壤呈中性，云南松和油杉根際土壤呈酸性。馬尾松和干香柏根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于云南松和油杉，而速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)則小于云南松和油杉，說(shuō)明馬尾松-干香柏混交林根際土壤理化性質(zhì)指標(biāo)總體高于云南松油杉混交林。

表2 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)不同樹(shù)種根際土壤理化性質(zhì)

3.2 不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤微生物數(shù)量差異

由表3可知，4個(gè)樹(shù)種根際土壤微生物數(shù)量中除真菌數(shù)量外均存在顯著性差異(P<0.01)，其中，油杉根際土壤微生物數(shù)量最多。4個(gè)樹(shù)種均以細(xì)菌數(shù)量最多，其次是放線菌和真菌。云南松和油杉根際土壤微生物數(shù)量顯著高于馬尾松和干香柏，說(shuō)明云南松-油杉混交林根際土壤微生物數(shù)量高于馬尾松-干香柏混交林。

表3 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)不同樹(shù)種根際土壤微生物量

3.3 不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤酶活性差異

由表4可知，4種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤酶活性均存在顯著性差異(P<0.05)。干香柏和馬尾松的過(guò)氧化氫酶、脲酶活性顯著高于油杉，而蔗糖酶活性則顯著低于云南松，這說(shuō)明馬尾松-干香柏混交林過(guò)氧化氫酶活性和脲酶活性高于云南松-油杉混交林，蔗糖酶活性則低于云南松-油杉混交林。

3.4 根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量的相關(guān)性

由表5可知，石漠化治理區(qū)4種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤過(guò)氧化氫酶活性與土壤pH、全氮、全磷、全鉀呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤脲酶活性與土壤pH、全鉀呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤全氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤蔗糖酶活性與土壤全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤酶活性與其他土壤理化性質(zhì)指標(biāo)和微生物數(shù)量相關(guān)性較低。其中土壤速效磷和真菌數(shù)量與3種酶活性均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

表4 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)不同樹(shù)種根際土壤酶活性

表5 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)4種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種根際土壤酶活性與理化性質(zhì)和微生物相關(guān)系數(shù)

3.5 根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量的通徑分析

對(duì)土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量進(jìn)行多元回歸分析，得到標(biāo)準(zhǔn)化回歸方程：

Y1=-0.184X1-0.179X2+0.411X3-0.139X4+0.015X5+

0.481X6-0.241X7-0.208X8+0.324X9+0.085X10-0.597X11。

Y2=0.798X1-0.246X2-0.160X3-0.200X4+0.060X5+

0.269X6-0.188X7-0.147X8+0.208X9-0.319X10-0.213X11。

Y3=-0.079X1-0.806X2-0.458X3-0.293X4-0.258X5-

0.296X6+0.093X7-0.600X8+0.106X9-0.296X10+0.044X11。

式中：Y1為過(guò)氧化氫酶活性；Y2為脲酶活性；Y3為蔗糖酶活性；X1為pH；X2為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X3為全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X4為堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X5為全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X6為速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X7為全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X8為速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X9為細(xì)菌數(shù)量；X10為真菌數(shù)量；X11為放線菌數(shù)量。

由表6可知，土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性直接影響系數(shù)大小順序?yàn)橥寥廊?、放線菌數(shù)量、pH、堿解氮、速效鉀、全氮、有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌數(shù)量、全磷。根據(jù)各土壤因子對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的通徑系數(shù)可知，土壤全鉀、放線菌數(shù)量、pH通過(guò)自身的直接作用以及與其他因子的間接作用在很大程度上影響過(guò)氧化氫酶活性，土壤全鉀、放線菌數(shù)量、pH之間的間接作用也影響著過(guò)氧化氫酶活性。其他因子的影響系數(shù)較小，因此，土壤全鉀、放線菌數(shù)量、pH是影響過(guò)氧化氫酶活性的重要因子。

土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量對(duì)脲酶活性直接影響系數(shù)由大到小依次為土壤pH、放線菌數(shù)量、全氮、堿解氮、全鉀、細(xì)菌數(shù)量、全磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)。根據(jù)各土壤因子對(duì)脲酶活性的通徑系數(shù)可知，土壤pH、放線菌數(shù)量、全氮通過(guò)自身的直接作用以及與其他因子的間接作用在很大程度上影響著脲酶活性，土壤pH、放線菌數(shù)量、全氮之間的間接作用對(duì)脲酶活性有很大影響，此外，土壤全鉀、細(xì)菌數(shù)量與pH之間的間接關(guān)系對(duì)脲酶活性也有較大影響，而其他因子對(duì)脲酶活性影響較小，因此，土壤pH、放線菌數(shù)量、全氮是影響脲酶活性的重要因子。

土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量對(duì)蔗糖酶活性直接影響系數(shù)由大到小依次為土壤pH、全鉀、全氮、速效鉀、放線菌數(shù)量、細(xì)菌數(shù)量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷。根據(jù)各土壤因子對(duì)蔗糖酶活性的通徑系數(shù)可知，土壤pH、全鉀、全氮通過(guò)自身的直接作用以及與其他因子的間接作用在很大程度上影響蔗糖酶活性，土壤pH、全鉀、全氮之間的間接作用對(duì)脲酶活性有很大影響，其他因子對(duì)蔗糖酶活性的影響系數(shù)較小，說(shuō)明土壤pH、全鉀、全氮是影響蔗糖酶活性的重要因子。

表6 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)4種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)、微生物數(shù)量間通徑系數(shù)

4 結(jié)論與討論

在4種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種中馬尾松和干香柏根際土壤呈中性，云南松和油杉根際土壤呈酸性。與云南松-油杉混交林相比，馬尾松-干香柏混交林根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。微生物在根際土壤中十分活躍，其活動(dòng)和代謝作用促進(jìn)或抑制根系分泌物的釋放[23]。4個(gè)樹(shù)種根際土壤微生物數(shù)量均是細(xì)菌數(shù)量最多，其次為放線菌和真菌，這與許多學(xué)者[23-25]的研究結(jié)果一致。云南松-油杉混交林根際土壤微生物數(shù)量顯著高于馬尾松-干香柏混交林。馬尾松和干香柏根際土壤蔗糖酶活性低于云南松和油杉，但過(guò)氧化氫酶和脲酶活性高于云南松和油杉。馬尾松和干香柏根際土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于云南松和油杉，主要由于馬尾松和干香柏根際土壤脲酶活性較高，因?yàn)殡迕钢饕?fù)責(zé)催化水解有機(jī)物生成氨和CO2，是氮素的主要來(lái)源[26]。

針葉林土壤酶活性與理化性質(zhì)、微生物數(shù)量相關(guān)性顯著，這與舒樹(shù)淼等[27]在基于結(jié)構(gòu)方程的滇東石漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)與酶活性研究、孫英杰等[28]在廣西十萬(wàn)大山南麓不同植被類型土壤酶活性、魚(yú)海霞等[29]在玉龍雪山土壤酶活性特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系研究結(jié)果一致。微生物分泌物是土壤酶的主要來(lái)源之一，這與范周周[30]在巖溶與非巖溶區(qū)不同林分根際土壤微生物及酶活性研究結(jié)果一致。土壤酶主要來(lái)源于植物根系分泌物、微生物分泌物、土壤動(dòng)物排泄物，不同的植被類型、管理方式、土壤環(huán)境都會(huì)對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到治理區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，因此要對(duì)不同種植模式、不同優(yōu)勢(shì)植物土壤的酶活性、理化性質(zhì)和微生物進(jìn)行更深入地研究。

土壤全鉀、放線菌數(shù)量、pH的直接作用是影響過(guò)氧化氫酶活性的重要因素。過(guò)氧化氫酶能夠分解土壤中的過(guò)氧化氫，土壤微生物數(shù)量的多少與土壤理化性質(zhì)都會(huì)影響這個(gè)過(guò)程。放線菌在土壤中對(duì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化會(huì)起到一定作用[26]，其分泌物是過(guò)氧化氫酶的重要來(lái)源。而土壤全鉀作為植物根系的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，會(huì)影響其分泌物釋放，進(jìn)而影響過(guò)氧化氫酶的產(chǎn)生。pH會(huì)影響土壤酶促反應(yīng)的酸堿環(huán)境，影響其反應(yīng)速率。

土壤脲酶活性主要受pH、全鉀、全氮的直接作用以及他們之間的間接作用影響。土壤pH通過(guò)自身的直接作用以及與全氮、全鉀、微生物數(shù)量之間的間接作用對(duì)脲酶活性產(chǎn)生了極大的影響。脲酶作為一種蛋白質(zhì)，酸堿度的改變會(huì)影響其活性。脲酶可以分解尿素，而尿素是主要由氮組成的有機(jī)化合物，因此土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脲酶活性也有較大影響，全氮、全鉀還可以影響植物根系分泌過(guò)程，而植物根系分泌物和微生物分泌物是土壤酶的主要來(lái)源，也可以促進(jìn)酶促反應(yīng)。

蔗糖酶活性主要受土壤pH、全鉀、全氮的直接作用，以及全鉀、細(xì)菌數(shù)量與土壤pH間接作用的影響。土壤蔗糖酶能夠分解轉(zhuǎn)化土壤中的蔗糖，與土壤中的動(dòng)植物和微生物關(guān)系密切，土壤pH、全鉀、全氮是土壤動(dòng)植物生長(zhǎng)活動(dòng)的重要指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此，它們必然會(huì)影響蔗糖酶的活性。土壤細(xì)菌分泌物是蔗糖酶的重要來(lái)源，土壤酸堿度對(duì)細(xì)菌生存環(huán)境具有重要影響，所以，細(xì)菌數(shù)量與土壤pH的間接作用也會(huì)影響蔗糖酶活性。

建水縣小關(guān)村石漠化治理區(qū)不同樹(shù)種根際土壤酶活性與理化性質(zhì)關(guān)系和微生物數(shù)量之間相關(guān)關(guān)系顯著。土壤全鉀、放線菌數(shù)量、pH是影響過(guò)氧化氫酶活性的重要因子；土壤pH、放線菌數(shù)量、全氮是影響脲酶活性的重要因子；土壤pH、全鉀、全氮是影響蔗糖酶活性的重要因子?？傮w來(lái)看，pH對(duì)3種土壤酶活性都具有重要影響。在石漠化治理區(qū)，土壤酶活性受土壤理化性質(zhì)影響較大，受微生物數(shù)量的影響相對(duì)較小，且土壤養(yǎng)分含量較少，則凸顯了土壤pH對(duì)土壤酶活性的影響。