石漠化治理區(qū)不同優(yōu)勢樹種根際土壤酶活性與土壤理化性質和微生物數量的關系1)

鄭武揚 王艷霞 王月江 馮剛剛

(西南林業(yè)大學，昆明，650224)

根際是指植物根系周圍、受根系影響的數毫米內的區(qū)域[1]，是研究植物、土壤、微生物之間相互聯系的重要生態(tài)領域[2]。許多學者在土壤修復[3]、植被恢復[4]、農作物耕作[5-6]相關領域進行了植物根際研究。根際是土壤和植物進行物質交換的重要區(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轉化調節(jié)器，其生物活性、種類特征能反映土壤的肥力和植物的營養(yǎng)狀況[7]。土壤中的一切生物化學反應，實際上都是在酶的參與下進行的[8]，土壤酶活性可以反映土壤質量狀況。在土壤中，酶活性與土壤理化性質和微生物數量聯系緊密，許多學者熱衷于研究他們之間的關系[9-11]。簡單的相關系數無法完全表明一個變量對另一個變量的直接作用，而通徑分析能夠對各變量之間的相互關系進行詳細分析，將相關分析和通徑分析相結合能夠更詳細地表達兩個變量之間的具體關系。我國西南喀斯特地區(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)土壤性質的研究一直是一個熱點[13-15]，通過人工造林提高植被覆蓋率和土壤質量能夠有效改善石漠化[16-17]。在建水縣小關村石漠化治理區(qū)，人工造林是其主要治理措施。優(yōu)勢植物對土壤酶活性、理化性質、微生物數量具有較大影響。本研究通過對區(qū)域內不同優(yōu)勢樹種的根際土壤酶活性和理化性質、微生物數量進行研究，進而探討比較不同優(yōu)勢樹種根際土壤環(huán)境的差異以及不同指標間的內在聯系，能夠為全面評價該治理區(qū)土壤質量以及植被恢復提供依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省建水縣小關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%，樹齡20 a。海拔1 480～1 780 m，坡度較陡，地勢南高北低，屬亞熱帶季風氣候區(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 ℃，年均日照時間2 322 h。受成土母質的影響，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)勢樹種的根際土壤。在2個林區(qū)各選擇1塊30 m×30 m的調查樣地。采用抖落法[18]采集根際土壤。在每塊樣地內按“S”型采樣法取土，每種優(yōu)勢植物設置3個樣點，共采集12個土樣，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)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；一部分經風干、研磨后供土壤酶活性和理化性質測定。

2.2 測定方法

土壤微生物數量的測定采用稀釋平板法，細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培養(yǎng)基。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，結果以1 g風干土壤滴定所需0.002 mol·L-1KMnO4的體積(以mL計)表示；脲酶采用苯酚鈉比色法測定，酶活性測定結果以3 h后100 g土產生的銨態(tài)氮的質量(以mg計)表示；蔗糖酶采用滴定法測定，酶活性測定結果以單位土質量的0.1 mol·L-1硫代硫酸鈉的體積(以mL計)表示[19-20]。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[21]；土壤pH采用電位法測定；土壤全氮采用高氯酸-硫酸消化-蒸餾定氮法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散吸收法測定；土壤全磷采用高氯酸-硫酸消化-鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷采用碳酸氫納浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法[22]測定。

2.3 數據分析

采用Excel 2010對數據進行整理，SPSS 23.0對試驗數據進行LSD比較、相關性分析和通徑分析。

3 結果與分析

3.1 不同優(yōu)勢樹種根際土壤pH和養(yǎng)分差異

由表2可見，4個樹種根際土壤的理化性質各指標中除速效磷質量分數外均存在顯著差異(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質、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效鉀質量分數大于云南松和油杉，而速效磷質量分數則小于云南松和油杉，說明馬尾松-干香柏混交林根際土壤理化性質指標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)不同樹種根際土壤理化性質

3.2 不同優(yōu)勢樹種根際土壤微生物數量差異

由表3可知，4個樹種根際土壤微生物數量中除真菌數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量最多。4個樹種均以細菌數量最多，其次是放線菌和真菌。云南松和油杉根際土壤微生物數量顯著高于馬尾松和干香柏，說明云南松-油杉混交林根際土壤微生物數量高于馬尾松-干香柏混交林。

表3 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)不同樹種根際土壤微生物量

3.3 不同優(yōu)勢樹種根際土壤酶活性差異

由表4可知，4種優(yōu)勢樹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，這說明馬尾松-干香柏混交林過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、微生物數量的相關性

由表5可知，石漠化治理區(qū)4種優(yōu)勢樹種根際土壤過氧化氫酶活性與土壤pH、全氮、全磷、全鉀呈極顯著正相關關系，與細菌數量、放線菌數量呈極顯著負相關關系；土壤脲酶活性與土壤pH、全鉀呈極顯著正相關關系，與土壤全氮呈顯著正相關關系，與土壤細菌數量、放線菌數量呈極顯著負相關關系；土壤蔗糖酶活性與土壤全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著負相關關系。土壤酶活性與其他土壤理化性質指標和微生物數量相關性較低。其中土壤速效磷和真菌數量與3種酶活性均無顯著相關關系。

表4 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)不同樹種根際土壤酶活性

表5 喀斯特石漠化綜合治理區(qū)4種優(yōu)勢樹種根際土壤酶活性與理化性質和微生物相關系數

3.5 根際土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、微生物數量的通徑分析

對土壤酶活性與土壤養(yǎng)分、微生物數量進行多元回歸分析，得到標準化回歸方程：

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為有機質質量分數；X3為全氮質量分數；X4為堿解氮質量分數；X5為全磷質量分數；X6為速效磷質量分數；X7為全鉀質量分數；X8為速效鉀質量分數；X9為細菌數量；X10為真菌數量；X11為放線菌數量。

由表6可知，土壤理化性質和微生物數量對土壤過氧化氫酶活性直接影響系數大小順序為土壤全鉀、放線菌數量、pH、堿解氮、速效鉀、全氮、有機質、細菌數量、全磷。根據各土壤因子對過氧化氫酶活性的通徑系數可知，土壤全鉀、放線菌數量、pH通過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氧化氫酶活性，土壤全鉀、放線菌數量、pH之間的間接作用也影響著過氧化氫酶活性。其他因子的影響系數較小，因此，土壤全鉀、放線菌數量、pH是影響過氧化氫酶活性的重要因子。

土壤理化性質和微生物數量對脲酶活性直接影響系數由大到小依次為土壤pH、放線菌數量、全氮、堿解氮、全鉀、細菌數量、全磷、速效鉀、有機質。根據各土壤因子對脲酶活性的通徑系數可知，土壤pH、放線菌數量、全氮通過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、放線菌數量、全氮之間的間接作用對脲酶活性有很大影響，此外，土壤全鉀、細菌數量與pH之間的間接關系對脲酶活性也有較大影響，而其他因子對脲酶活性影響較小，因此，土壤pH、放線菌數量、全氮是影響脲酶活性的重要因子。

土壤理化性質和微生物數量對蔗糖酶活性直接影響系數由大到小依次為土壤pH、全鉀、全氮、速效鉀、放線菌數量、細菌數量、有機質、堿解氮、全磷。根據各土壤因子對蔗糖酶活性的通徑系數可知，土壤pH、全鉀、全氮通過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脲酶活性有很大影響，其他因子對蔗糖酶活性的影響系數較小，說明土壤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)勢樹種土壤酶活性與土壤理化性質、微生物數量間通徑系數

4 結論與討論

在4種優(yōu)勢樹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質、全氮、堿解氮、全磷、全鉀、速效鉀質量分數更高。微生物在根際土壤中十分活躍，其活動和代謝作用促進或抑制根系分泌物的釋放[23]。4個樹種根際土壤微生物數量均是細菌數量最多，其次為放線菌和真菌，這與許多學者[23-25]的研究結果一致。云南松-油杉混交林根際土壤微生物數量顯著高于馬尾松-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量分數高于云南松和油杉，主要由于馬尾松和干香柏根際土壤脲酶活性較高，因為脲酶主要負責催化水解有機物生成氨和CO2，是氮素的主要來源[26]。

針葉林土壤酶活性與理化性質、微生物數量相關性顯著，這與舒樹淼等[27]在基于結構方程的滇東石漠化地區(qū)土壤理化性質與酶活性研究、孫英杰等[28]在廣西十萬大山南麓不同植被類型土壤酶活性、魚海霞等[29]在玉龍雪山土壤酶活性特征及其與土壤養(yǎng)分的關系研究結果一致。微生物分泌物是土壤酶的主要來源之一，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果一致。土壤酶主要來源于植物根系分泌物、微生物分泌物、土壤動物排泄物，不同的植被類型、管理方式、土壤環(huán)境都會對土壤酶活性產生影響，進而影響到治理區(qū)生態(tài)系統，因此要對不同種植模式、不同優(yōu)勢植物土壤的酶活性、理化性質和微生物進行更深入地研究。

土壤全鉀、放線菌數量、pH的直接作用是影響過氧化氫酶活性的重要因素。過氧化氫酶能夠分解土壤中的過氧化氫，土壤微生物數量的多少與土壤理化性質都會影響這個過程。放線菌在土壤中對物質的轉化會起到一定作用[26]，其分泌物是過氧化氫酶的重要來源。而土壤全鉀作為植物根系的重要營養(yǎng)物質，會影響其分泌物釋放，進而影響過氧化氫酶的產生。pH會影響土壤酶促反應的酸堿環(huán)境，影響其反應速率。

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通過自身的直接作用以及與全氮、全鉀、微生物數量之間的間接作用對脲酶活性產生了極大的影響。脲酶作為一種蛋白質，酸堿度的改變會影響其活性。脲酶可以分解尿素，而尿素是主要由氮組成的有機化合物，因此土壤全氮質量分數對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程，而植物根系分泌物和微生物分泌物是土壤酶的主要來源，也可以促進酶促反應。

蔗糖酶活性主要受土壤pH、全鉀、全氮的直接作用，以及全鉀、細菌數量與土壤pH間接作用的影響。土壤蔗糖酶能夠分解轉化土壤中的蔗糖，與土壤中的動植物和微生物關系密切，土壤pH、全鉀、全氮是土壤動植物生長活動的重要指標和營養(yǎng)物質，因此，它們必然會影響蔗糖酶的活性。土壤細菌分泌物是蔗糖酶的重要來源，土壤酸堿度對細菌生存環(huán)境具有重要影響，所以，細菌數量與土壤pH的間接作用也會影響蔗糖酶活性。

建水縣小關村石漠化治理區(qū)不同樹種根際土壤酶活性與理化性質關系和微生物數量之間相關關系顯著。土壤全鉀、放線菌數量、pH是影響過氧化氫酶活性的重要因子；土壤pH、放線菌數量、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。總體來看，pH對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影響較大，受微生物數量的影響相對較小，且土壤養(yǎng)分含量較少，則凸顯了土壤pH對土壤酶活性的影響。