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    海南島黎母山國家自然保護(hù)區(qū)熱帶云霧林土壤酶活性的根際效應(yīng)

    2021-08-09 13:24:48涂志華周凌峰黃艷萍陳夙怡陳金輝李勝男
    水土保持通報 2021年3期
    關(guān)鍵詞:青岡脲酶根際

    涂志華, 周凌峰, 黃艷萍, 陳夙怡, 陳金輝, 李勝男

    (1.海南大學(xué) 林學(xué)院 熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點實驗室, 海南 ???570228;2.海南省熱帶珍稀名貴樹種工程研究中心, 海南 ???570228; 3.海南五指山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 海南 海口 570228; 4.海南省建設(shè)項目規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 海南 ???570203)

    德國微生物學(xué)家Lorenz Hiltner于1904年提出根際(rhizosphere)是指植物根系周圍距根系表面數(shù)毫米的微土壤區(qū)域,受根系活動強(qiáng)烈影響[1-3],是根系—土壤—微生物三者相互作用圍繞根系進(jìn)行生物地球化學(xué)循環(huán)最活躍的區(qū)域[4-6]。植物根系分泌物及根系凋落物持續(xù)輸入根際土壤,改變根際區(qū)營養(yǎng)環(huán)境,根際土壤生物學(xué)特征區(qū)別于非根際土壤,存在明顯的“根際效應(yīng)”[7-9]。研究表明,根際土壤酶作為根際效應(yīng)重要的驅(qū)動者,影響根際養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與利用[3-4,10]。土壤酶作為土壤中的生物催化劑,是土壤生物化學(xué)過程中的重要參與者,直接影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動[11-12]。土壤酶調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)的分解,是評價土壤質(zhì)量變化的重要生物指標(biāo)之一[10-12],其活性與土壤物理生物化學(xué)性質(zhì)及水熱條件密切相關(guān)[12-13],對環(huán)境變化比較敏感,不同植被類型其季節(jié)動態(tài)特征具有很大差異[13-14]。因此,開展土壤酶活性及其根際效應(yīng)對認(rèn)識區(qū)域土壤質(zhì)量變化以及土壤酶介導(dǎo)的根際生態(tài)過程具有重要意義。

    熱帶云霧林是陸地生態(tài)系統(tǒng)熱帶森林的重要組成部分,僅占世界熱帶森林面積的2.5%,具有生物多樣性價值高,保持水土、涵養(yǎng)水源等重要生態(tài)服務(wù)功能[15-16],在維持全球碳氮平衡和應(yīng)對氣候變化等方面都發(fā)揮重要的作用[17]。海南島熱帶云霧林主要分布在海拔1 200 m以上的林區(qū),常被云霧縈繞且土壤含水量常處于飽和狀態(tài)[18],是海南中西部地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。該區(qū)域熱帶云霧林是水生態(tài)安全的重要保障,隨著水環(huán)境安全問題的重視,從土壤酶學(xué)角度分析熱帶云霧林不同植被發(fā)揮水土保持功能對認(rèn)識如何提升水源涵養(yǎng)林的生態(tài)功能保護(hù)和建設(shè)具有重要意義。近年來,針對海南云霧林的研究主要集中在群落結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境特征、植物多樣性、植物功能性狀分異規(guī)律、植物葉片養(yǎng)分特征等方面開展研究[18-21],而對根際土壤酶如何介導(dǎo)根際生態(tài)過程中養(yǎng)分循環(huán)與轉(zhuǎn)化的作用鮮見報道,制約著熱帶云霧林發(fā)揮保育土壤、水源涵養(yǎng)功能的準(zhǔn)確評估。因此,本研究以海南島黎母山林區(qū)熱帶云霧林為研究對象,分析嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃3種主要優(yōu)勢樹種根際與非根際土壤酶活性差異及其季節(jié)動態(tài)變化特征,探討土壤酶活性季節(jié)變化的影響因子,以期更加深入揭示熱帶云霧林土壤酶在根際生態(tài)過程中碳、氮養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制中的作用,為準(zhǔn)確評估熱帶云霧林發(fā)揮保育土壤、水源涵養(yǎng)功能及區(qū)域水源涵養(yǎng)林管理和建設(shè)提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于海南黎母山國家自然保護(hù)區(qū)(109°39′05″—109°48′31″E,19°07′22″—19°14′03″N),是海南島保存較好的熱帶原始林地區(qū)之一,該區(qū)屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候,四季不明顯氣候,終年溫暖濕潤,雨量充沛。主峰黎母嶺海拔1 411.7 m。區(qū)內(nèi)年平均氣溫23.1 ℃,年平均降雨量為2 343.1 mm,年平均相對濕度84%,平均年蒸發(fā)量為1 617.8 mm。土壤類型主要為磚紅壤、赤紅壤和山地黃壤。區(qū)域內(nèi)植物資源豐富,野生維管植物190科759屬1 490種。在保護(hù)區(qū)內(nèi)熱帶云霧林內(nèi)各布設(shè)3塊50 m×50 m樣地(109°45′58″—109°46′00″E,19°10′58″—19°11′07″N),海拔為1 340~1 350 m,樣地土壤類型為山地黃壤,優(yōu)勢樹種主要有:嶺南青岡(Cyclobalanopsischampionii),羅浮錐(Castanopsisfabri),細(xì)枝柃(Euryaloquaiana)[20]。

    1.2 樣品采集

    在樣地內(nèi)每個優(yōu)勢樹種(嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃)選擇標(biāo)準(zhǔn)木5株,根際土壤樣品采集采用抖落法[22],具體方法:除去地表枯落物,挖取有主根及須根的土體,先輕輕抖落不含根系的大塊土壤,用小刀刮下附著在根系周圍的土壤為非根際土壤(non-rhizosphere soil,用S表示);用毛刷收集經(jīng)抖落后依然黏附在根系周圍的土壤(0—5 mm)為根際土即(rhizosphere soil,用R表示),將收集的根際土與非根際土充分混勻并裝入無菌自封袋內(nèi)。新鮮土壤樣品分兩份,一份放置于裝有冰袋的保溫箱內(nèi),立即帶回實驗室,用于測定土壤酶活性;另一份帶回實驗室后風(fēng)干,過篩用于測定土壤理化性質(zhì)。樣品采集時間為2019年2—12月,每月采集樣品一次,每次取樣在每個樣地相同的樣點進(jìn)行,即在前一次采樣點附近取樣,盡量保持土壤樣本的一致性。

    1.3 分析測定

    土壤化學(xué)性質(zhì)采用魯如坤的分析方法[23],土壤含水量采用105 ℃烘干恒重法測定,土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定,土壤全氮用凱氏定氮法測定,速效氮堿解擴(kuò)散法法,土壤全磷、速效磷采用鉬銻抗比色法,全鉀、速效鉀采用火焰光度計法。土壤酶活性采用關(guān)松蔭的分析方法[24]。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕;土壤脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定,以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕;土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定,以1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示〔mL/(g·h)〕;土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定,以24 h后1 g土壤釋放酚的毫克數(shù)表示〔mg/(g·d)〕。

    土壤酶根際效應(yīng)(rhizosphere effect,RE)采用如下公式進(jìn)行分析:

    RE=〔(根際土壤含量—非根際土壤含量)/

    非根際土壤含量〕×100%

    根際效應(yīng)可反映植物根際酶活性富集效應(yīng)的強(qiáng)弱,RE>0為根際正效應(yīng),RE<0為根際負(fù)效應(yīng)。

    1.4 數(shù)據(jù)分析

    利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析不同優(yōu)勢樹種土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶含量以及根際效應(yīng)的差異顯著性,并利用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較分析(α=0.05),采用Origin 8.0軟件制圖。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 土壤蔗糖酶活性季節(jié)動態(tài)變化

    嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與根際土壤蔗糖酶活性的動態(tài)變化明顯,2—7月逐漸增大,8月達(dá)到峰值,而后9—12月逐漸降低,均呈現(xiàn)單峰型曲線變化趨勢,動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖1)。

    注:圖中不同小寫字母表示同一時間不同樹種之間差異顯著(p<0.05)。下同。

    如圖1所示,在5—10月嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃差異顯著;而在2,3,4,11,12月,嶺南青岡、羅浮錐差異不顯著,但顯著大于細(xì)枝柃。不同樹種根際土壤蔗糖酶活性存在顯著差異(p<0.05)。嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際土壤蔗糖酶活性動態(tài)變幅分別為:33.82~79.73,32.61~77.06,30.20~64.39 mg/(g·d),其均值表現(xiàn)為:嶺南青岡〔51.49±15.76 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔48.34±14.98 mg/(g·d)〕>細(xì)枝柃〔42.45±12.35 mg/(g·d)〕,嶺南青岡顯著大于細(xì)枝柃(p<0.05)。3個樹種根際土壤蔗糖酶活性均顯著高于非根際(p<0.05),不同月份動態(tài)變化中,嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤蔗糖酶活性變幅分別為27.27~65.21,26.45~63.53,23.71~56.86 mg/(g·d),其根際比變幅分別為:1.05~1.26,1.08~1.29,1.10~1.33。

    2.2 土壤脲酶活性季節(jié)動態(tài)變化

    嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與非根際土壤脲酶活性的動態(tài)變化趨勢與土壤蔗糖酶活性相似,從2月始逐漸增大,8月上升至峰值后逐漸下降,均呈現(xiàn)單峰型變化,月際動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖2)。不同樹種根際土壤脲酶活性月份變幅分別為1.01~2.54,0.99~2.50,0.60~2.05 mg/(g·d),最大值分別為最小值的2.51,2.52,3.11倍;其均值表現(xiàn)為:嶺南青岡〔1.48±0.53 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔1.43±0.50 mg/(g·d)〕>細(xì)枝柃〔1.09±0.48 mg/(g·d)〕,嶺南青岡與羅浮錐差異不顯著,但顯著大于細(xì)枝柃(p<0.05),分別是羅浮錐、細(xì)枝柃的1.03,1.36倍。3個樹種根際土壤脲酶活性均顯著高于非根際(p<0.05),不同月份動態(tài)變化中,嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤脲酶活性變幅分別為0.48~1.83,0.45~1.81,0.28~1.70 mg/(g·d),其根際比變幅分別為:1.39~2.10,1.38~2.21,1.20~2.15。

    圖2 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤脲酶活性動態(tài)變化

    2.3 土壤過氧化氫酶酶活性季節(jié)動態(tài)變化

    嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與非根際土壤過氧化氫酶活性的動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰型變化,月份動態(tài)變化顯著(p<0.05)(圖3),從2月開始逐漸增大,8月上升至峰值后逐漸下降。不同樹種根際土壤過氧化氫酶活性月際變幅分別為16.08~33.19,16.07~31.69,8.44~24.20 ml/(g·h);其均值表現(xiàn)為:嶺南青岡〔22.65±5.81 ml/(g·h)〕>羅浮錐〔21.50±5.43 ml/(g·h)〕>細(xì)枝柃〔13.99±5.45 ml/(g·h)〕,嶺南青岡與羅浮錐差異不顯著,但顯著大于細(xì)枝柃(p<0.05),分別是羅浮錐、細(xì)枝柃的1.05,1.62倍。3個樹種根際土壤過氧化氫酶活性均顯著高于非根際(p<0.05),不同月份動態(tài)變化中,嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤過氧化氫酶活性變幅分別為9.45~19.60,8.71~19.17,6.79~16.75 ml/(g·h),其根際比分別為:1.73±0.10,1.76±0.08,1.36±0.12。

    圖3 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤過氧化氫酶動態(tài)變化

    2.4 土壤酸性磷酸酶活性季節(jié)動態(tài)變化

    由圖4可知,嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃根際與非根際土壤酸性磷酸酶活性的動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰型變化,月際動態(tài)變化顯著(p<0.05),2—7月逐漸增大,8月達(dá)到峰值,而后9—12月逐漸降低。不同樹種根際土壤酸性磷酸酶活性月際變幅分別為2.36~6.46,1.62~5.71,1.86~4.96 〔mg/(g·d)〕,最大值分別為最小值的2.74,3.52,2.67倍;其均值表現(xiàn)為:嶺南青岡〔4.09±1.34 mg/(g·d)〕>羅浮錐〔3.57±1.32 mg/(g·d)〕>細(xì)枝柃〔3.08±0.98 mg/(g·d)〕,嶺南青岡顯著與大于羅浮錐、細(xì)枝柃(p<0.05),分別是羅浮錐、細(xì)枝柃的1.14,1.33倍。

    圖4 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤酸性磷酸酶活性動態(tài)變化

    3個樹種根際土壤酸性磷酸酶活性均顯著高于非根際(p<0.05),不同月份動態(tài)變化中,嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃非根際土壤酸性磷酸酶活性變幅分別為1.22~4.09,0.85~4.07,0.93~3.84 mg/(g·d),其根際比分別為:1.86±0.25,1.88±0.29,1.83±0.30。

    2.5 土壤酶活性根際效應(yīng)

    土壤酶活性的根際效應(yīng)動態(tài)變化趨勢總體呈“U”字型變化(圖5),從2月開始逐漸下降,7—8月降至谷值后逐漸增大。土壤酶活性根際效應(yīng)均為正效應(yīng)(根際效應(yīng)>0)。嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃土壤蔗糖酶活性根際效應(yīng)變幅分別:4.66%~25.86%,7.54%~28.76%,10.11%~32.81%;其均值分別為18.15±6.94%,17.49±6.46%,19.90±8.89%,3個樹種差異不顯著(p>0.05);土壤脲酶活性根際效應(yīng)變幅分別:50.28%~112.97%,37.61%~121.26%,20.44%~115.47%;其均值分別為72.26±26.06%,71.52±24.04%,67.65±27.01%,3個樹種差異不顯著(p>0.05);土壤過氧化氫酶活性根際效應(yīng)變幅分別:60.68%~91.56%,65.31%~91.20%,24.28%~64.17%;其均值分別為73.95±9.65%,76.28±8.45%,36.25±12.16%,嶺南青岡、羅浮錐差異不顯著,但顯著大于細(xì)枝柃(p>0.05);土壤酸性磷酸酶活性根際效應(yīng)變幅分別:57.67%~121.65%,34.30%~122.49%,29.12%~116.11%;其均值分別為85.73±24.54%,88.01±29.26%,83.97±29.67%,3個樹種差異不顯著(p>0.05)。

    圖5 海南島黎母山熱帶云霧林土壤酶活性根際效應(yīng)動態(tài)變化

    2.6 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

    由表1可知,在根際與非根際土壤中,土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶與有機(jī)碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀呈極顯著相關(guān)(p<0.01),土壤酶活性總體與速效養(yǎng)分的相關(guān)性大于全氮、全磷、全鉀;但與土壤含水量、pH值相關(guān)性不顯著(p>0.05)。

    表1 海南島黎母山熱帶云霧林根際與非根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

    3 討 論

    3.1 土壤酶活性的動態(tài)變化

    土壤酶活性季節(jié)動態(tài)變化是一個復(fù)雜的生物化學(xué)生態(tài)過程,受到了氣候因子、土壤水熱條件、土壤理化性質(zhì)、植被類型等的影響[10-14],本研究中,不同樹種根際與非根際土壤酶活性月際動態(tài)變化顯著,峰值出現(xiàn)在雨季8月。這與前人研究結(jié)果一致,例如,韓國君等[11]研究表明土壤酶活性在6月相對高于3月與12月,不同植物與季節(jié)交互作用顯著影響著土壤酶活性。裴丙等[13]研究表明太行山南麓5個林齡側(cè)柏人工林土壤酶活性季節(jié)變化明顯,峰值在夏季,谷值在冬季。朱海強(qiáng)等[14]研究也表明濕地不同植物群落類型土壤酶活性具有明顯季節(jié)變化,峰值在旺盛期的8月。Dien等[25]研究認(rèn)為土壤酶活性高峰值出現(xiàn)在7—8月。這可能是夏季氣溫穩(wěn)定在較高水平,本研究區(qū)5—10月為雨季,降雨較多,水熱條件較為適宜,植物生長旺盛,根系生長活力增強(qiáng),根際分泌物水平增大[7],土壤微生物生長繁殖旺盛[13-14,25],從而促進(jìn)了土壤酶活性的提高。而在11月至翌年4月為干旱季,水分條件處于較低水平,溫度較低,有機(jī)質(zhì)分解減弱,根系生長活力下降,土壤微生物活性受到一定的抑制,因此土壤酶活性降低[13,25]。本研究表明3中優(yōu)勢植物土壤酶活性存在差異,主要是由于土壤酶來源于植物根系、微生物及動植物殘體的分泌或釋放[13,25],不同植物細(xì)根產(chǎn)量及根系分泌物存在差異,土壤微生物區(qū)系不一且數(shù)量與質(zhì)量差異較大,加之凋落物分解提供碳源和能源存在差異,導(dǎo)致不同植被土壤酶活性不同[10-11,14,26]。

    3.2 土壤酶活性根際效應(yīng)的動態(tài)變化

    植物通過根系攝取生長所需的養(yǎng)分,在根土界面層根際微環(huán)境由于根系與微生物活動的強(qiáng)烈影響,根際區(qū)物質(zhì)和能量交換十分頻繁,具有明顯的根際效應(yīng)[1-2,6]。研究表明植物類型差異與根際吸收養(yǎng)分速率有關(guān),受到根際吸收影響,土壤養(yǎng)分可表現(xiàn)為富集或虧缺[3-4]。本研究3種樹種根際土壤酶活性大于非根際土壤,呈顯著的根際效應(yīng),表現(xiàn)為根際富集作用。這與范周周等[3]、田平雅等[4]、王小平等[7]、李麗娟等[10]研究結(jié)果一致,這主要是根系不斷的分泌化合物以及細(xì)根凋落物分泌或釋放酶類物質(zhì)進(jìn)入根際土壤,同時向根際區(qū)輸入易于被土壤微生物利用的有機(jī)物[3-4],為土壤微生物提供大量碳源和能量,微生物的代謝活動增強(qiáng)[7,10],進(jìn)而促進(jìn)土壤酶活性。有研究表明,根際區(qū)土壤微生物數(shù)量是非根際區(qū)的19~32倍以上,根際區(qū)土壤微生物活性是非根際區(qū)的10倍以上[1-2],微生物不斷的向周圍介質(zhì)分泌酶,極大的提高根際土壤酶活性[7]。土壤酶活性的提高,有利于土壤速效養(yǎng)分的在根際區(qū)積累,影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[10]。本研究表明土壤酶根際效應(yīng)表現(xiàn)為:酸性磷酸酶>脲酶>過氧化氫酶>蔗糖酶,這與黃娜等[26]研究結(jié)果土壤脲酶根際效應(yīng)>蛋白酶>酸性磷酸酶不一致,這主要可能是不同植被根系分泌物的組成、數(shù)量與質(zhì)量差異,且不同植物根系分布特征、細(xì)根的發(fā)達(dá)程度及根系凋落物的分解存在明顯的差異,加之根系穿插影響土壤團(tuán)聚體粒徑及細(xì)根的根際沉積,進(jìn)而影響土壤酶活性根際效應(yīng)[3-4,10,27]。有研究指出土壤酶活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)有直接關(guān)系[10],相關(guān)分析可知,在根際和非根際土壤酶活性與土壤C,N,P養(yǎng)分具有顯著相關(guān)性,說明了土壤酶活性與C,N,P養(yǎng)分具有協(xié)同作用,可以在一定程度上反映養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與周轉(zhuǎn)效率的生物學(xué)指標(biāo)[25-27]。這主要是因為酶活性的提高,加速了有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化,增加了土壤營養(yǎng)成分的有效性[7-9]。

    4 結(jié) 論

    熱帶云霧林嶺南青岡、羅浮錐、細(xì)枝柃3個樹種對土壤酶活性的影響顯著,其根際與非根際酶活性具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化,呈單峰型變化趨勢。根際土壤酶活性均高于非根際土壤,表現(xiàn)為根際正根際效應(yīng),且根際效應(yīng)顯著,土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶根際效應(yīng)大于蔗糖酶根際效應(yīng),表明在根際區(qū)有利于土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶富集,截留效應(yīng)更大。本研究區(qū)土壤酶活性及其季節(jié)變化的主導(dǎo)控制因子可能與土壤有機(jī)質(zhì)和N,P,K養(yǎng)分限制有關(guān),而不同植物生長特性、凋落物分解歸還、根系分泌物等也可能影響土壤C,N,P養(yǎng)分的可利用特性,導(dǎo)致不同植物類型土壤酶活性及其季節(jié)變化的差異,雨季旱季的降雨格局變化及臺風(fēng)雨的干擾也影響著土壤微生物進(jìn)而影響著土壤酶活性,因而對于降雨格局變化、凋落物特性、根系分泌物及土壤微生物區(qū)系對土壤酶活性的影響有待進(jìn)一步深入研究。

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