不同森林類型土壤酶活性和微生物數(shù)量特征研究

王鳳娟，秦紹龍，張鴻雁，劉 娜

(1.商洛學(xué)院, 陜西 商洛 726000; 2.商洛市氣象局,陜西 商洛 726000)

油松作為中國(guó)特有的樹種，其種植區(qū)域主要集中在西北、西南、東北以及中原等地，在陜西省商洛市洛南縣分布十分廣泛，對(duì)當(dāng)?shù)貭I(yíng)林產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要影響[1]。因此，本研究選取了分布于洛南縣境內(nèi)的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林三種森林類型為研究對(duì)象，對(duì)其土壤酶活性和微生物數(shù)量特征進(jìn)行了分析研究，以期為實(shí)驗(yàn)區(qū)的營(yíng)林生產(chǎn)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

樣地概況(表1所示)：位于陜西省商洛市洛南縣古城林場(chǎng)油松良種基地，選擇有代表性、生長(zhǎng)正常的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林三個(gè)相鄰的林區(qū)，每個(gè)林區(qū)選擇100 m×100 m的實(shí)驗(yàn)樣地。

表1 樣地概況

供試材料：商洛市洛南縣古城林場(chǎng)油松純林、油松+刺槐混交林和油松+栓皮櫟混交林三種森林類型的林區(qū)土壤為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土樣的采集：分別對(duì)0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm三處土層采用五點(diǎn)采樣法采樣，取樣2～5 kg，裝入無(wú)菌自封袋中，貼上標(biāo)簽[2]。

土壤樣品預(yù)處理：將采取的土壤樣品放在陰涼通風(fēng)處進(jìn)行風(fēng)干處理，處理后挑出其中的砂礫、雜質(zhì)與植物根系等，并用四分法取土，研磨后過(guò)100目篩，于4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

土壤酶活性的測(cè)定[3]：①土壤蔗糖酶活性的測(cè)定，3,5-二硝基水楊酸比色法。②土壤脲酶活性的測(cè)定，苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。③土壤酸性磷酸酶活性的測(cè)定，磷酸苯二鈉測(cè)定法。④土壤多酚氧化酶活性的測(cè)定，鄰苯三酚比色法。⑤土壤過(guò)氧化氫酶活性的測(cè)定，高錳酸鉀滴定法。

土壤微生物數(shù)量的測(cè)定：細(xì)菌、真菌和放線菌均采用稀釋平板涂抹法[4]。細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基，真菌用馬丁氏培養(yǎng)基，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種森林類型土壤酶活性的變化

表2 三種森林類型土壤酶的活性

2.1.1 三種森林類型土壤蔗糖酶活性的變化 圖1可以看出，0～10 cm的土層蔗糖酶活性分別為(油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林)542.55 mg·g-1、680.67 mg·g-1和676.36 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的蔗糖酶活性分別為496.35 mg·g-1、598.20 mg·g-1和528.25 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的蔗糖酶活性分別為243.62 mg·g-1、279.27 mg·g-1和266.40 mg·g-1；在三個(gè)不同深度的土壤中，油松-刺槐混交林的蔗糖酶活性遠(yuǎn)高于油松純林且三種森林類型土壤蔗糖酶的活性都以0～10 cm土層中最高，分別為542.55 mg·g-1、680.67 mg·g-1和676.36 mg·g-1；總體變化趨勢(shì)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

圖1 三種森林類型土壤蔗糖酶活性

2.1.2 三種森林類型土壤脲酶活性的變化 由圖2可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林脲酶活性分別為33.32 mg·g-1、37.62 mg·g-1和35.98 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林脲酶活性分別為30.56 mg·g-1、34.36 mg·g-1和33.26 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林脲酶活性分別為22.98 mg·g-1、28.65 mg·g-1和25.12 mg·g-1；在三個(gè)不同深度的土壤中，三種森林類型土壤的脲酶活性都以0～10 cm土層的最高，分別為35.98 mg·g-1、37.62 mg·g-1和33.32 mg·g-1；且在三個(gè)不同深度的土壤中脲酶活性相差不大，說(shuō)明土壤深度對(duì)土壤脲酶活性影響不顯著；油松-刺槐混交林土壤脲酶的活性始終高于油松純林和油松-栓皮櫟混交林，說(shuō)明混交林對(duì)于提高脲酶活性方面要高于純林；總的變化趨勢(shì)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

圖2 三種森林類型土壤脲酶的活性

2.1.3 三種森林類型土壤酸性磷酸酶的活性變化 由圖3可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性分別為451.37 mg·g-1、678.78 mg·g-1和651.10 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性分別為236.59 mg·g-1、596.70 mg·g-1和563.68 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性分別為156.62 mg·g-1、283.45 mg·g-1和275.32 mg·g-1；在三個(gè)不同深度的土壤中，三種森林類型土壤的酸性磷酸酶活性都以0～10 cm土層的最高，分別為451.37 mg·g-1、678.78 mg·g-1和656.10 mg·g-1，呈現(xiàn)油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林的趨勢(shì)；油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性均顯著高于油松純林，但油松-刺槐混交林與油松-栓皮櫟混交林間差異不顯著；總的變化趨勢(shì)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

圖3 三種森林類型土壤酸性磷酸酶的活性

2.1.4 三種森林類型土壤多酚氧化酶的活性變化 由圖4可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的多酚氧化酶活性分別為123.13 mg·g-1、141.96 mg·g-1和131.94 mg·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的多酚氧化酶活性分別為76.15 mg·g-1、112.01 mg·g-1和92.67 mg·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的多酚氧化酶活性分別為53.24 mg·g-1、91.66 mg·g-1和71.95 mg·g-1；在三個(gè)不同深度的土壤中，三種森林類型土壤的多酚氧化酶活性都以0～10 cm土層的活性最高，分別為123.13 mg·g-1、141.96 mg·g-1和131.94 mg·g-1，并呈現(xiàn)油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林的趨勢(shì)；在三種森林類型土壤中多酚氧化酶酶活性都隨土壤深度增加而減??；總的變化趨勢(shì)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟>油松純林。

圖4 三種森林類型土壤多酚氧化酶的活性

2.1.5 三種森林類型土壤過(guò)氧化氫酶的活性變化 由圖5可知，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的過(guò)氧化氫酶活性分別為7.35 mL·g-1、12.56 mL·g-1和11.34 mL·g-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的過(guò)氧化氫酶活性分別為7.12 mL·g-1、12.10 mL·g-1和11.30 mL·g-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的過(guò)氧化氫酶活性分別為5.62 mL·g-1、10.00 mL·g-1和9.80 mL·g-1；油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林過(guò)氧化氫酶活性始終高于同一深度的油松純林，說(shuō)明混交林對(duì)于提高過(guò)氧化氫酶活性方面要高于純林；土壤深度0～20 cm的土壤過(guò)氧化氫酶活性變化趨勢(shì)表現(xiàn)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟>油松純林，而土壤深度為20～30 cm的土壤過(guò)氧化氫酶活性變化趨勢(shì)表現(xiàn)為油松-栓皮櫟混交林>油松-刺槐混交林>油松純林。

圖5 三種森林類型土壤過(guò)氧化氫酶的活性

2.2 三種森林類型土壤微生物數(shù)量變化

2.2.1 三種森林類型土壤中微生物總數(shù)量的變化 如表3所示，在三種采樣地中，土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(82.98×107cfu·mL-1)的微生物總量為最高，約為同等深度油松純林(48.10×107cfu·mL-1)的1.73倍；油松-栓皮櫟混交林的微生物總數(shù)量次之，且土壤深度為10～20 cm的油松-栓皮櫟混交林(79.94×107cfu·mL-1)的微生物總數(shù)量約為同等深度油松純林(48.10×107cfu·mL-1)的1.66倍；土壤深度為0～10 cm的油松純林(44.00×107cfu·mL-1)的微生物總數(shù)量最低。三種森林類型的土壤微生物數(shù)量變化總趨勢(shì)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。

表3 三種森林類型土壤微生物數(shù)量

2.2.2 三種森林類型土壤細(xì)菌數(shù)量變化 如圖6所示，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的細(xì)菌數(shù)量分別為42.55×107cfu·mL-1、80.65×107cfu·mL-1和76.26×107cfu·mL-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的細(xì)菌數(shù)量分別為46.50×107cfu·mL-1、81.20×107cfu·mL-1和78.25×107cfu·mL-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的細(xì)菌數(shù)量分別為43.62×107cfu·mL-1、79.20×107cfu·mL-1和76.20×107cfu·mL-1，三種森林類型土壤中細(xì)菌數(shù)量變化總體表現(xiàn)為油松-刺槐混交林最高，油松-栓皮櫟混交林次之，油松純林最少；細(xì)菌的數(shù)量在微生物總數(shù)中占有最大比重；土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(81.20×107cfu·mL-1)的細(xì)菌數(shù)為最高，約為同等深度油松純林的(46.50×107cfu·mL-1)1.75倍，占該采樣地微生物總數(shù)量的97.85%；土壤深度為10～20 cm的油松-栓皮櫟混交林(78.25×107cfu·mL-1)的細(xì)菌數(shù)量占該采樣地微生物總數(shù)量的97.89%，比同等深度油松純林的(46.50×107cfu·mL-1)多了1.22%；土壤深度為0～10 cm的油松純林(42.55×107cfu·mL-1)的細(xì)菌數(shù)量最低，占該采樣地微生物總數(shù)的96.70%。

圖6 三種森林類型土壤細(xì)菌的數(shù)量

2.2.3 三種森林類型土壤放線菌數(shù)量變化 如圖7所示，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的放線菌數(shù)量分別為13.75×106cfu·mL-1、15.78×106cfu·mL-1和15.10×106cfu·mL-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的放線菌數(shù)量分別為15.00×106cfu·mL-1、16.70×106cfu·mL-1和15.80×106cfu·mL-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的放線菌數(shù)量分別為13.62×106cfu·mL-1、15.45×106cfu·mL-1和15.20×106cfu·mL-1。不同深度的三種森林類型土壤中放線菌數(shù)量的變化趨勢(shì)和細(xì)菌一致，均表現(xiàn)為油松-刺槐混交林最高，油松-栓皮櫟混交林次之，油松純林最少。土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(16.70×106cfu·mL-1)的放線菌數(shù)量最高，約為同等深度油松純林的(15.00×106cfu·mL-1)1.11倍，占該采樣地微生物總數(shù)量的3.12%；土壤深度為10～20 cm的油松-栓皮櫟混交林(15.8×106cfu·mL-1)的放線菌數(shù)量，占該采樣地微生物總數(shù)量的1.97%，比同等深度油松純林(15.00×106cfu·mL-1)的放線菌數(shù)量多了1.22%；土壤深度為20～30 cm的油松純林(13.62×106cfu·mL-1)的放線菌數(shù)量最低，占該采樣地微生物總數(shù)的3.02%。

圖7 三種森林類型土壤放線菌的數(shù)量

2.2.4 三種森林類型土壤真菌數(shù)量變化 從圖8所示，土壤深度為0～10 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的真菌數(shù)量分別為7.35×105cfu·mL-1、10.20×105cfu·mL-1和8.90×105cfu·mL-1；土壤深度為10～20 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的真菌數(shù)量分別為9.60×105cfu·mL-1、11.50×105cfu·mL-1和11.30×105cfu·mL-1；土壤深度為20～30 cm的油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的真菌數(shù)量分別為8.05×105cfu·mL-1、11.36×105cfu·mL-1和9.80×105cfu·mL-1，不同森林類型土壤中真菌的數(shù)量變化趨勢(shì)同細(xì)菌與放線菌相比有明顯差異，表現(xiàn)為油松-刺槐混交林的真菌數(shù)量最多，明顯多于油松純林和油松-刺槐混交林的真菌數(shù)量。三種采樣地土壤中真菌數(shù)量變化趨勢(shì)總體表現(xiàn)為土壤深度為10～20 cm的油松-刺槐混交林(11.50×105cfu·mL-1)最多，占微生物總量的0.14%；不同深度的油松-栓皮櫟混交林次之，均占該采樣地的微生物總數(shù)的0.14%；土壤深度為0～10 cm的油松純林(7.35×105cfu·mL-1)最少，占該采樣地微生物總數(shù)的0.17%。

圖8 三種森林類型土壤真菌的數(shù)量

3 討論

3.1 三種森林類型對(duì)土壤酶活性的影響

土壤中各種酶活性能夠反應(yīng)出植物體的一系列生理生化過(guò)程，并且土壤酶在土壤的生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用[5]。在筆者研究中土壤深度對(duì)油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林土壤中的酶活性有顯著影響，蔗糖酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性都隨土壤深度增加而減小，這與張金屯等[6]對(duì)黑土的土壤酶活性的研究結(jié)論一致，說(shuō)明酶活性隨土壤深度的增加而降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是土壤通氣狀況隨著土壤深度的增加而變得越來(lái)越差，微生物的數(shù)量及種類也會(huì)呈遞減狀態(tài)，所以土壤酶隨土壤深度的增加而逐級(jí)降低。在筆者研究中，油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性都以0～10 cm的土層的活性最高，而油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的酸性磷酸酶活性與油松純林差異顯著，這與李巖等[7]的研究結(jié)果一致。筆者研究中，油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林的脲酶活性都以0～10 cm土層的活性最高，這與柴旭光等[8]對(duì)土壤脲酶活性變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明淺層土壤中脲酶活性較高。本研究中，油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林土壤過(guò)氧化氫酶均顯著高于油松純林，但油松-刺槐混交林與油松-栓皮櫟混交林間差異不顯著，這與陳立明等[9]對(duì)云冷杉林土壤過(guò)氧化氫酶活性的研究結(jié)論不一致，其原因可能為研究對(duì)象不同、其生長(zhǎng)環(huán)境差異較大、選取土壤深度不同等諸多原因?qū)е峦寥乐羞^(guò)氧化氫酶活性的變化規(guī)律影響較大。研究發(fā)現(xiàn)在三種森林類型土壤中多酚氧化酶活性都隨土壤深度增加而減小，這與陳立明等[9]對(duì)云冷杉林土壤多酚氧化酶活性的研究結(jié)論一致，土壤多酚氧化酶的降低，對(duì)促進(jìn)土壤酚類物質(zhì)向醌類物質(zhì)轉(zhuǎn)化起到一定不利作用，將會(huì)增加酚類物質(zhì)累積，進(jìn)而讓土壤毒素增加。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)混交會(huì)造成土壤有害物質(zhì)過(guò)氧化氫的增加以及對(duì)于氮素的不合理利用從而導(dǎo)致土壤的肥力及熟化程度降低，最終影響作物的質(zhì)量以及產(chǎn)量[10]。劉捷豹等[11]研究表明土壤酶是主要限制森林土壤的物質(zhì)循環(huán)因素，環(huán)境變化將引起水分、土壤pH、營(yíng)養(yǎng)成分變化，這些變化對(duì)土壤酶的穩(wěn)定性和活性起反作用。在未來(lái)研究中，應(yīng)注重加強(qiáng)酶的基本性質(zhì)對(duì)環(huán)境的變化響應(yīng)的研究,更加注重土壤深度、林分類型導(dǎo)致的差異，大范圍內(nèi)強(qiáng)化多種因素之間的作用，且進(jìn)行綜合、長(zhǎng)期觀測(cè)。

3.2 三種森林類型對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物類群在土壤的生態(tài)系統(tǒng)中有著非常重要的作用，其數(shù)量特征可以顯示出土壤肥力的高低[12]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，三種森林類型土壤中的微生物數(shù)量總的變化趨勢(shì)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林，且細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量變化特征和微生物總數(shù)特征變化趨勢(shì)是一致的，這與李巖等[7]探討了兩種林分類型對(duì)林下土壤微生物數(shù)量變化趨勢(shì)的研究結(jié)論一致，說(shuō)明混交林相對(duì)純林在微生物的細(xì)菌、放線菌、真菌都有顯著提高，對(duì)土壤質(zhì)量的改善起到了促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，油松純林、油松-刺槐混交林和油松-栓皮櫟混交林土壤微生物數(shù)量關(guān)系均表現(xiàn)為細(xì)菌>放線菌>真菌，這與彭曉邦[13]對(duì)商洛核桃-桔梗復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量變化趨勢(shì)的研究結(jié)論一致，說(shuō)明放線菌、真菌對(duì)水分、養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)能力比細(xì)菌弱，從而表現(xiàn)為不同根際土壤放線菌、真菌的數(shù)量均比細(xì)菌低。筆者研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的增加細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量均減少，而孫秀山等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著花生田連作年限的增加細(xì)菌和放線菌的數(shù)量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而真菌則表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，這與筆者研究結(jié)果不同，其原因可能為研究對(duì)象不同、作物的生長(zhǎng)環(huán)境差異較大、取材土壤深度等諸多原因?qū)е逻B作年限對(duì)土壤微生物影響的變化規(guī)律差異較大。肖育貴等[15]研究表明植物種類的組成不同,枯落物質(zhì)及其數(shù)量不同，提供給土壤的微生物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不同，導(dǎo)致微生物組成和種類也會(huì)不同，繼而引起土壤的酶活性存在質(zhì)和量差異，所以三種森林類型土壤酶活性和微生物數(shù)量特征還有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

在三種森林類型土壤中，蔗糖酶、酸性磷酸酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過(guò)氧化氫酶活性都以0～10 cm的土層的活性最高；在不同深度(0～30 cm)土壤中，除過(guò)氧化氫酶外，酶活性的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。微生物的三大類群組成比例為細(xì)菌居于多數(shù)，放線菌次之，真菌數(shù)量最少。三種森林類型的土壤微生物數(shù)量變化趨勢(shì)總體表現(xiàn)為油松-刺槐混交林>油松-栓皮櫟混交林>油松純林。油松-刺槐混交林能夠增加土壤微生物數(shù)量，有效提高土壤酶活性。