大氣CO2濃度倍增對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物與酶活性的影響

謝 云，郭芳蕓，曹 兵

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川750021）

0 引言

20世紀(jì)以來，全球大氣CO2濃度快速增加，預(yù)測(cè)到21世紀(jì)末大氣中CO2濃度將會(huì)達(dá)到700 μmol/mol左右[1]。CO2是植物進(jìn)行光合作用的重要原料，大氣CO2濃度增加必然會(huì)影響陸地生態(tài)物質(zhì)循環(huán)（植物-土壤-微生物）[2-3]。評(píng)估大氣CO2濃度升高對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，也需要分析其對(duì)土壤微生物的影響研究。

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，細(xì)菌、真菌、放線菌則是土壤中所占比例最大的微生物[4]。土壤微生物對(duì)分解轉(zhuǎn)化有機(jī)物、貯存營養(yǎng)物質(zhì)、保持土壤結(jié)構(gòu)等具有重要作用；而土壤中的酶參與碳氮循環(huán)、硫磷等微量元素的轉(zhuǎn)化、植物養(yǎng)分供應(yīng)等過程，是影響土壤微生物作用發(fā)揮的主要因素之一[5-6]。因此，土壤酶與土壤微生物是反映土壤新陳代謝的重要指標(biāo)，可直接用來評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量、肥力以及能量代謝強(qiáng)弱等[7]。土壤微生物活動(dòng)、土壤酶活性會(huì)影響植物對(duì)土壤中營養(yǎng)元素和水分等的吸收，進(jìn)而影響生長(zhǎng)代謝；而其數(shù)量和活性又受到氣候、土壤環(huán)境、植物種類等的影響。

大氣CO2濃度升高對(duì)植物生理生態(tài)的影響已成為植物非生物脅迫生理的研究熱點(diǎn)之一[8]，但其必然也會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境變化進(jìn)而影響土壤微生物。近年來，國內(nèi)外對(duì)有關(guān)土壤微生物群落對(duì)大氣CO2濃度升高的動(dòng)態(tài)變化仍具有一定的矛盾。Wu等[9]對(duì)大氣CO2濃度升高處理的水稻土壤微生物群落進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，微生物群落顯著增加；Yang等[10]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期CO2濃度升高處理下加利福尼亞草原的土壤微生物多樣性會(huì)顯著降低，也有研究表明大氣CO2升高對(duì)土壤微生物并沒有明顯影響[11]。目前關(guān)于大氣CO2濃度增加對(duì)于土壤酶活性的影響的研究結(jié)果也存在著一定的差異，有研究結(jié)果表明[12]，CO2濃度倍增使土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性顯著降低，但是大多數(shù)研究指出大氣CO2濃度增加能夠明顯提高土壤酶活性[8,13]。因此，大氣CO2濃度增加對(duì)土壤微生物影響因土壤條件、栽培植物種類等而異。本試驗(yàn)以寧夏枸杞(Lycium barbarumL.)為試驗(yàn)材料，在前期研究的基礎(chǔ)上[14-16]，測(cè)定分析CO2濃度倍增處理下寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量以及土壤酶活性的變化，以期為揭示氣候變化對(duì)木本植物根區(qū)土壤微生物的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)永寧縣寧夏大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)(N38°13′50.34′′，E106°14′22.19′′)，海拔116.86 m，隸屬寧夏平原中部地區(qū)，氣候類型為溫帶干旱性氣候，年均溫8.7℃，年降水量201.4 mm，雨季集中于5—8月份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)CO2濃度梯度：自然環(huán)境大氣CO2濃度(CK，400±20 μmol/mol)、0.5倍增大氣CO2濃度(TR1，600±20 μmol/mol)，1倍增大氣CO2濃度(TR2，800±20 μmol/mol)，每處理3重復(fù)，利用開頂氣室(Open top chamber,OTC)控制CO2濃度倍增的環(huán)境[17]，共計(jì)9個(gè)氣室

2019年3月，選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的9株‘寧杞1號(hào)’扦插苗均勻種植于每個(gè)氣室中，供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。病蟲害防治、施肥灌水除草等栽培管理均與大田一致。5月對(duì)氣室進(jìn)行通氣處理，每天通氣12 h(8:00—20:00)，利用CO2傳感器實(shí)現(xiàn)濃度控制。2019年10月試驗(yàn)處理結(jié)束。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 樣品采集及預(yù)處理 分別對(duì)處理后30、60、90、120天的土壤利用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣，利用土鉆取樣，取樣深度為0～40 cm土層，將同一氣室樣品混合后作為一個(gè)樣本，去雜過篩后置于消毒后的聚乙烯自封袋中，利用冰盒將其帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，剩余土壤于4℃冰箱保存。

1.3.2 土壤微生物數(shù)量測(cè)定 土壤微生物數(shù)量均采用稀釋平板法[18]測(cè)定。土壤細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；放線菌采用改良高氏一號(hào)合成培養(yǎng)基；真菌用馬丁培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)。

土壤微生物數(shù)量的計(jì)算見公式(1)。

其中菌數(shù)的單位為CFU/g。

1.3.3 土壤酶活性測(cè)定 本試驗(yàn)測(cè)定2種氧化還原酶（過氧化氫酶、多酚氧化酶）和2種水解酶（轉(zhuǎn)化酶、脲酶），具體測(cè)定方法[19]如下：

過氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法進(jìn)行測(cè)定，酶活性以24 h內(nèi)單位土重消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)(mL)表示，活性單位為mL/(g·d)。

多酚氧化酶活性采用沒食子素比色法測(cè)定，酶活性以24 h內(nèi)單位土重單位時(shí)間產(chǎn)生的紫色沒食子素質(zhì)量(mg)表示，活性單位為mg/(g·d)。

土壤轉(zhuǎn)化酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法，以24 h后每單位土重消耗0.1 mol/L硫代硫酸鈉的毫升數(shù)（對(duì)照與試驗(yàn)測(cè)定之差）表示，活性單位為mL/(g·d)。

脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，以24 h后每單位土重產(chǎn)生NH4+-N的質(zhì)量(mg)表示，活性單位為mg/(g·d)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和通徑分析，SPSS 21.0進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析，Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣CO2濃度倍增對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物對(duì)于揭示全球氣候變化對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響是不可或缺的組成部分之一[20]。由圖1可知，不同時(shí)期CO2濃度倍增處理?xiàng)l件下土壤微生物數(shù)量分布均一致，微生物群落數(shù)目均以細(xì)菌(63.24×106～212.61×106CFU/g)居優(yōu)勢(shì) ，放線菌(104.65×104～208.96×104CFU/g)次之，真菌(4.81×10～63.25×10CFU/g)數(shù)量在土壤微生物總數(shù)量中占有比例最小。圖1顯示，CO2濃度倍增處理的真菌數(shù)量顯著低于對(duì)照，表明隨著CO2濃度的增加，寧夏枸杞根區(qū)土壤真菌數(shù)量在數(shù)量呈遞減趨勢(shì)；而土壤細(xì)菌數(shù)量卻顯著高于對(duì)照；放線菌數(shù)量在處理前期顯著增加，后期差異不顯著；土壤微生物總數(shù)量變化同細(xì)菌。

圖1 CO2濃度倍增對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

在寧夏枸杞根區(qū)土壤中，土壤微生物總數(shù)量在整個(gè)處理期間呈先上升后下降的趨勢(shì)，處理90天時(shí)達(dá)到最大值，30天時(shí)土壤微生物數(shù)量最低。處理60、90、120天時(shí)真菌數(shù)量均表現(xiàn)出CO2處理組顯著低于自然環(huán)境大氣CO2濃度處理，細(xì)菌均顯著高于對(duì)照，放線菌在處理90天、120天時(shí)無顯著性變化。

2.2 大氣CO2濃度倍增對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤酶活性特征的影響

土壤酶來源于動(dòng)植物殘?bào)w的分解與微生物的作用，在反映土壤中能量代謝旺盛程度和土壤肥力水平方面起著重要作用[21]。由圖2可知，不同CO2濃度處理寧夏枸杞根區(qū)土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性各異。CO2濃度倍增處理的3種酶活性均高于對(duì)照，分別為過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶，其中1倍增CO2濃度處理下3種酶活性較對(duì)照分別升高了73.33%、18.27%、39.18%，故變化趨勢(shì)為過氧化氫酶＞轉(zhuǎn)化酶＞脲酶；而多酚氧化酶較對(duì)照降低了29.92%。

圖2 CO2濃度倍增對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤中酶活性的影響

整個(gè)處理時(shí)間內(nèi)，寧夏枸杞根區(qū)過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶變化趨勢(shì)相同，處理30天時(shí)，CO2濃度倍增處理與自然環(huán)境大氣CO2濃度之間土壤過氧化氫酶，脲酶活性差異顯著，轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性差異不顯著。隨著通氣時(shí)間的延長(zhǎng)，過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶3種酶活性CO2濃度倍增處理較對(duì)照顯著增加，多酚氧化酶顯著低于自然環(huán)境大氣CO2濃度。

2.3 寧夏枸杞根區(qū)土壤酶活性與微生物數(shù)量的通徑分析

氣候變化引起植物凋落物及根系分泌物的變化，進(jìn)而影響土壤生物學(xué)多樣性，而土壤酶活性則是評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)多樣性的重要指標(biāo)之一[22]。由表2可知，土壤真菌數(shù)量的影響因素主要是脲酶活性，直接影響力為-0.6990；土壤細(xì)菌數(shù)量主要是通過過氧化氫酶，脲酶，轉(zhuǎn)化酶3種酶活性起作用，直接影響力分別為0.3710，-0.3690，0.3550；而放線菌數(shù)量主要由過氧化氫酶和脲酶起作用，直接影響力均為0.4180。

根據(jù)表2得出，寧夏枸杞根區(qū)土壤酶活性對(duì)真菌數(shù)量的直接影響力為脲酶＞多酚氧化酶＞轉(zhuǎn)化酶＞過氧化氫酶；對(duì)細(xì)菌數(shù)量的直接影響力排序依次為過氧化氫酶＞脲酶＞轉(zhuǎn)化酶＞多酚氧化酶；放線菌數(shù)量排序依次為過氧化氫酶=脲酶＞轉(zhuǎn)化酶＞多酚氧化酶；土壤酶活性對(duì)微生物總數(shù)量的直接影響力排序與細(xì)菌一致。

表2 土壤酶活性對(duì)土壤微生物數(shù)量的通徑系數(shù)

2.4 寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性分析

由于土壤微環(huán)境的特殊性，土壤微生物與酶活性之間關(guān)系復(fù)雜，由表3可知，土壤微生物數(shù)量與脲酶活性呈顯著相關(guān)性，而與其他酶活性均相關(guān)且不顯著。其中，真菌與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)菌在0.5倍增和1倍增處理下與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān)，而放線菌只在0.5倍增處理下與脲酶呈顯著負(fù)相關(guān)。隨著CO2濃度的升高，土壤中微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性也隨之增強(qiáng)。

表3 CO2濃度倍增下寧夏枸杞根區(qū)土壤中酶活性與微生物數(shù)量之間的相關(guān)性

3 討論

植物是影響土壤微環(huán)境結(jié)構(gòu)格局的主導(dǎo)因素，土壤微生物數(shù)量是直接影響土壤的生化活性及肥力的重要指標(biāo)，而植物根系碳輸入則是驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落變化的主要因子[23]。本試驗(yàn)中，大氣CO2濃度倍增使土壤微生物總數(shù)量顯著增加，真菌數(shù)量顯著降低，而放線菌在處理前期會(huì)顯著增加，后期無顯著性變化。究其原因，大氣CO2濃度升高增強(qiáng)寧夏枸杞的光合速率，增加植物生物量，從而固定更多的碳，將這部分同化物通過根際沉積作用運(yùn)送到地下部分，為土壤微生物提供更多碳源，進(jìn)而有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖[11,24]。土壤微生物通過固定氮素、釋放難溶礦質(zhì)中的營養(yǎng)元素、提高植物的抗逆性、降解污染物并減少毒性、促進(jìn)腐殖酸的形成、產(chǎn)生植物激素和提供物理屏障從而減少病原物侵害七個(gè)方面促進(jìn)植物生長(zhǎng)[25]。對(duì)于真菌數(shù)量減少的研究結(jié)果，可能與土壤中二氧化碳濃度增加，從而導(dǎo)致氧氣的含量降低，不足以供應(yīng)真菌的生長(zhǎng)有關(guān)。不同的植物類型，其凋落物及根系分泌物的性狀不同，影響微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及其多樣性[26]。土壤微生物的數(shù)量和組成不同，會(huì)引起土壤酶活性在質(zhì)和量上的差異。

土壤酶的酶促作用對(duì)于土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和礦質(zhì)化作用起著重要作用，而影響土壤酶活性的因素有很多，比如植物種類及群落、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物以及季節(jié)性變化等，并且很多研究均已證實(shí)這一點(diǎn)[27-30]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，寧夏枸杞根區(qū)土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶在不同CO2濃度處理下的活性均不同，CO2濃度倍增顯著提高土壤酶活性，尤其水解酶活性，這與李奕菲等[31]的研究結(jié)果一致，但與Kumar等[23]研究發(fā)現(xiàn)升高CO2濃度對(duì)土壤酶活性并沒有明顯的影響的結(jié)果相反。有研究表明[32-33]，大氣CO2濃度增加顯著提高植物的光合速率，生長(zhǎng)代謝水平，引起植株和根系生物量的增加，根系分泌物種類和數(shù)量的改變，而土壤酶的活性增加與植物根系分泌物的增加顯著相關(guān)。張玉蘭等[34]研究發(fā)現(xiàn)不同植物種類的土壤酶活性應(yīng)對(duì)CO2濃度增加的響應(yīng)方式具有一定差異，從而表明土壤酶活性受植物影響較大。CO2濃度倍增刺激寧夏枸杞根區(qū)土壤過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性增加，而多酚氧化酶的活性卻顯著降低。多酚氧化酶的活性與土壤的腐質(zhì)化程度呈負(fù)相關(guān)，高濃度的大氣CO2濃度影響土壤微生物數(shù)量增加，從而加速土壤的腐質(zhì)化進(jìn)程，多酚氧化酶在微生物轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)時(shí)起著重要作用[35]。任欣偉等[36]，周婭等[37]研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度增加會(huì)顯著影響轉(zhuǎn)化酶、脲酶、脫氫酶以及酸性磷酸酶的活性，這與植物殘?bào)w及根系分泌物以及土壤微生物的活動(dòng)密切相關(guān)。

土壤微生物與土壤酶活性之間相互影響，關(guān)系復(fù)雜[25]，不同類型的土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量之間存在程度不同的相關(guān)性[38]。寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性均呈不同程度的相關(guān)性，其中真菌數(shù)量與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他酶類無顯著相關(guān)性。隨著CO2濃度的升高，土壤中細(xì)菌數(shù)量與脲酶的相關(guān)性也隨之增強(qiáng)，放線菌前后無明顯變化。寧夏枸杞對(duì)不同CO2濃度處理的響應(yīng)不同，產(chǎn)生根系分泌物的組成和數(shù)量也具有差異，對(duì)土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性都會(huì)產(chǎn)生特定的影響。田然等[33]發(fā)現(xiàn)土壤微生物的活動(dòng)與土壤轉(zhuǎn)化酶有著顯著的相關(guān)性，高濃度CO2增加了植物的生長(zhǎng)量、根系生物量和根系分泌物，也為土壤微生物提供基質(zhì)，從而微生物活性增加，間接促進(jìn)土壤酶活性，反之，土壤酶活性的增強(qiáng)加快土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，可促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)[39]。

本試驗(yàn)探討了寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量與酶活性對(duì)于大氣CO2濃度倍增的響應(yīng)，下一步將對(duì)其寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物的遺傳多樣性進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步分析土壤微生物的變化與響應(yīng)特征，為揭示全球氣候變化背景下木本植物根區(qū)土壤微生物群落與酶活性之間的關(guān)系及其響應(yīng)提供參考。

4 結(jié)論

（1）CO2濃度倍增使寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量顯著增加，細(xì)菌占比最高，而土壤真菌數(shù)量顯著降低。其中，試驗(yàn)處理期間，土壤微生物數(shù)量總體呈現(xiàn)先增加再降低趨勢(shì)，處理90天時(shí)土壤微生物總數(shù)量達(dá)到最大值。

（2）土壤酶活性也伴隨著CO2濃度倍增的趨勢(shì)增加，尤其是過氧化氫酶、脲酶以及轉(zhuǎn)化酶，而多酚氧化酶活性卻顯著降低。

（3）脲酶活性對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤真菌數(shù)量影響最大，過氧化氫酶對(duì)細(xì)菌和放線菌的影響最大，脲酶次之。過氧化氫酶、脲酶的活性是決定寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量的重要指標(biāo)。

（4）長(zhǎng)時(shí)間的CO2濃度倍增可能會(huì)加劇對(duì)寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響。