烏蘭布和綠洲區(qū)土壤生物學(xué)質(zhì)量及其綜合評(píng)價(jià)

包耀賢，肖晶晶，劉曉威，孫艷芳

(北京北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

土壤微生物對(duì)驅(qū)動(dòng)和維系陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，微生物數(shù)量可敏感地反映土壤質(zhì)量變化[1]，土壤酶是促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要物質(zhì)[2]。土壤微生物和酶活性關(guān)系復(fù)雜但相輔相成，共同降解和轉(zhuǎn)化土壤各類(lèi)物質(zhì)，均能敏感反映生態(tài)系統(tǒng)的變化和土壤演變趨勢(shì)[2-5]，一定程度上微生物和酶活性可作為沙漠化演變過(guò)程中土壤質(zhì)量特征變化的重要輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。有關(guān)單一利用方式下土壤微生物和酶活性的研究頗多[4-8]，但集土壤微生物和酶活性綜合對(duì)土壤質(zhì)量的影響評(píng)價(jià)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。土壤質(zhì)量包括土壤物理質(zhì)量、化學(xué)質(zhì)量和生物質(zhì)量[9]，而土壤生物質(zhì)量能夠敏感反映土壤質(zhì)量的微小變化[6,10]。烏蘭布和綠洲區(qū)因黃河灌溉便利并歷經(jīng)30多年建設(shè)，已形成喬灌農(nóng)結(jié)合、灌溉配套、防護(hù)林網(wǎng)密集的人工綠洲6 000 hm2之多，生境本來(lái)脆弱、敏感的綠洲區(qū)建成以來(lái)不同利用類(lèi)型土地的生物學(xué)指標(biāo)狀況怎樣，綜合土壤生物質(zhì)量改善程度如何都不得而知。為此，本研究基于綠洲區(qū)不同利用方式下各類(lèi)林地和農(nóng)地的土壤生物和酶活性指標(biāo)特征，進(jìn)行土壤生物質(zhì)量綜合定量評(píng)價(jià)，以供綠洲后續(xù)營(yíng)林和農(nóng)耕參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在內(nèi)蒙古磴口縣烏蘭布和沙漠東北緣中國(guó)林科院沙林中心第二、三、四實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(106°09′-107°10′E，40°09′-40°55′N(xiāo))，屬溫帶荒漠氣候。年均溫7.8 ℃，大于等于10 ℃有效積溫3 290 ℃；年降水量150 mm，蒸發(fā)量2 381 mm；盛行西南風(fēng)，年均風(fēng)速4.1 m·s-1，風(fēng)沙災(zāi)害是主要自然災(zāi)害；土壤以風(fēng)沙土和地帶性灰漠土為主，pH均值9.08，有機(jī)質(zhì)(g·kg-1)平均農(nóng)地4.14、喬木地4.07、灌木地2.73。天然植被以白刺(Nitrariatangutorum)、沙竹(Psammochloamongolica)、油蒿(Artemisiaordosica)等居多，因黃灌便利，歷經(jīng)30多a已在原固定、半固定沙丘形成人工綠洲3 333 hm2，綠洲內(nèi)墾耕地533 hm2，主要人造林為小美旱楊(Populussimonii×(P.pyramidalis+Salixmatsudana)cv.poplaris)、新疆楊(P.albavar.pyramidalisBunge.)、二白楊(P.gansuensis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)、花棒(Hedysarumscoparium)、檉柳(Tamarixchinensis)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)、沙木蓼(Atraphaxismandshurica)等；農(nóng)地主要種植玉米(Zeamays)、籽瓜(Citrulluslanatus)、油葵和花葵(Helianthusannuus)、番茄(Lycopersiconesculentum)、苜蓿(Medicagosativa)等。

農(nóng)地多年輪作平均施肥量(kg·hm-2)：油葵與花葵(二銨300+尿素563+碳銨1 125)，番茄(二銨375+尿素563+碳銨1 125)，籽瓜(二銨375+尿素563+碳銨1 500)，玉米(二銨375+尿素750+碳銨2 250)；底肥為二銨和尿素，追肥為尿素和碳銨，苜蓿地不施肥；農(nóng)地墾種13～38 a。

1.2 研究方法

樣地設(shè)置：2018年11月，選取10類(lèi)林地(表1)和6類(lèi)農(nóng)地采集0～20 cm土樣(表2)，林地和荒漠對(duì)照按“X”型在區(qū)域設(shè)置5 m×5 m樣方采樣；農(nóng)地不設(shè)樣方，但按“X”型取樣。

土樣采集：為了代表性和廣譜性，每個(gè)樣方內(nèi)選擇2個(gè)采樣點(diǎn)分別采集0～20 cm土樣并在現(xiàn)場(chǎng)混勻取500 g作為1個(gè)測(cè)試土樣，每類(lèi)林地和農(nóng)地至少采集5個(gè)混合樣(X型)，取荒漠景觀4個(gè)混合樣為對(duì)照，共采集混合土樣172個(gè)(林地96+農(nóng)地72+對(duì)照4)；留少許(約100 g)鮮樣去雜后放4 ℃冰箱供測(cè)土壤微生物數(shù)量，其他土樣處理后供測(cè)其他指標(biāo)。同時(shí)，隨機(jī)選取20株樣株測(cè)定相關(guān)指標(biāo)并計(jì)算均值(表1)。

表1 人工林概況

指標(biāo)測(cè)定[2,11-12]：機(jī)械組成-自動(dòng)激光粒度儀分析法；有機(jī)質(zhì)-重鉻酸鉀容量法；陽(yáng)離子交換量(CEC)-NH4Cl-NH4Ac交換法；細(xì)菌-牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基稀釋平板法；放線(xiàn)菌-高氏1號(hào)培養(yǎng)基稀釋平板法；真菌-馬鈴薯PDA培養(yǎng)基稀釋平板法；過(guò)氧化氫酶-KMnO4滴定法(24 h 0.1 mol·L-1KMnO4mL·g-1)；蛋白酶-茚三酮比色法(24 h NH2-N mg·g-1)；堿性磷酸酶-磷酸苯二鈉比色法(2 h P2O5mg·g-1)；脲酶-靛酚比色法(24 h NH3-N mg·g-1)；蔗糖酶-Na2S2O3滴定法(24 h 0.1 mol·L-1Na2S2O3mL·g-1)；多酚氧化酶-碘量滴定法(0.01 mol·L-1I2mL·g-1)；纖維素酶-硝基水楊酸比色法(72 h葡萄糖mg·10 g-1)。

數(shù)據(jù)計(jì)算：具有模糊性和連續(xù)性的隸屬函數(shù)被廣泛用于各評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，即隸屬度計(jì)算，由此將量綱不同、取值各異的實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)化為0～1無(wú)量綱值，隸屬度計(jì)算借鑒并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際[7,9,13]：

物理性黏粒用降型隸屬函數(shù)：

F(X)=0.9×(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)+0.1

(1)

其他指標(biāo)用S型簡(jiǎn)化隸屬函數(shù)：

S(X)=X/X0(X

(2)

式中：X、Xmin、Xmax、X0分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值、最小值、最大值、上臨界值(并非最大值)。同時(shí)，使用Excel 2007和統(tǒng)計(jì)軟件DPS7.55進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、多重差異性比較和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地類(lèi)土壤微生物數(shù)量特征

土壤微生物數(shù)量敏感反映土壤變化。由表2可見(jiàn)，微生物數(shù)量細(xì)菌(107)最多，其次為放線(xiàn)菌(105)，最后為真菌(103)，數(shù)量差異大，也體現(xiàn)了細(xì)菌和放線(xiàn)菌更適宜堿性環(huán)境而真菌更適宜微酸性環(huán)境[3]。地類(lèi)間3種菌平均變異系數(shù)表明植被種類(lèi)、凋落物、施肥、水分等均明顯影響微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量[8-14]。相比對(duì)照，細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)分別高出1.7～25.2倍和1.4～10.1倍(霸王和檸條除外)，二者數(shù)量整體喬木地近于農(nóng)地、略高于灌木地，與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)喬木地(4.07 g·kg-1)、農(nóng)地(4.14 g·kg-1)和灌木(2.73 g·kg-1)趨勢(shì)一致，也與表3中有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌、放線(xiàn)菌呈顯著或極顯著正相關(guān)一致。研究區(qū)喬木回歸給土壤微生物更多的碳源和能源凋落物，加之土壤孔隙度增加，為微生物提供了更好的生存條件，農(nóng)地外源養(yǎng)分補(bǔ)給促進(jìn)微生物滋生。灌木中，沙木蓼地的細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量明顯較高，這可能與其根系發(fā)達(dá)并能長(zhǎng)出許多不定根而形成稠密根系網(wǎng)有關(guān)，根系分泌物增多能夠?yàn)槲⑸锾峁┴S富營(yíng)養(yǎng)源，促進(jìn)微生物活性增強(qiáng)、數(shù)量增多[14]；沙棘林地細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量在苜蓿、沙棗、沙棘、花棒、檸條5種固氮植物中明顯較高。

與細(xì)菌和放線(xiàn)菌不同，真菌數(shù)量灌木地較對(duì)照高，喬木地和農(nóng)地整體卻略低于對(duì)照，表現(xiàn)出土壤愈貧瘠真菌數(shù)愈多趨勢(shì)，表3中真菌和有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)也說(shuō)明此。整體看，在沙區(qū)生境造林和耕作對(duì)提高土壤細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量正效應(yīng)明顯，對(duì)灌木林地三大菌的正效應(yīng)更明顯。

2.2 不同地類(lèi)土壤酶活性特征

土壤酶來(lái)自微生物、植物或動(dòng)物的活體或殘?bào)w，既是生物體又是生物過(guò)程的產(chǎn)物，直接參與土壤物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化與養(yǎng)分的固定釋放[4,15]。由表2可見(jiàn)，7種酶活性的整體變異系數(shù)較大(42%～73%)，地類(lèi)間除了蛋白酶和纖維素酶表現(xiàn)為2級(jí)(a、b)顯著差異性，其他酶均表現(xiàn)為3級(jí)(a、b、c)；所有地類(lèi)蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶顯著高于對(duì)照，說(shuō)明這4種酶對(duì)土地利用方式等環(huán)境變化最敏感；纖維素酶和絕大多數(shù)多酚氧化酶活性高于對(duì)照但差異不顯著。說(shuō)明造林和農(nóng)耕活動(dòng)不同程度提高了土壤酶活性，即土壤熟化程度和肥力有所提升。

表2 0～20 cm土層生物指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

整體看，除了蛋白酶的其他6種酶活性固氮植物顯著高于非固氮植物，計(jì)算可知，酶活性苜蓿、沙棗、沙棘、檸條、花棒5種固氮植物(均值)高于檉柳、霸王、沙木蓼3種非固氮植物(均值)，依次為蔗糖酶2.2倍、脲酶1.7倍、過(guò)氧化氫酶1.4倍、堿性磷酸酶1.9倍、多酚氧化酶1.2倍、纖維素酶1.7倍。作為土壤酶重要來(lái)源的根瘤菌可釋放較多酶，留給土壤更多富氮有機(jī)殘?bào)w，促進(jìn)生物活性和有機(jī)氮轉(zhuǎn)化[16]，蔗糖酶也主要來(lái)自植物根系分泌物，說(shuō)明固氮植物是很好的養(yǎng)地植物，其土壤熟化程度和肥力水平高于非固氮灌木林地。研究區(qū)絕大多數(shù)地類(lèi)蛋白酶活性低于對(duì)照且與對(duì)照差異不顯著，說(shuō)明造林和農(nóng)作活動(dòng)抑制了蛋白酶水解為氮素的酶促反應(yīng)，表3中蛋白酶與有機(jī)質(zhì)、其他酶呈負(fù)相關(guān)也說(shuō)明此。

多酚氧化酶反映土壤腐殖質(zhì)狀況和有機(jī)質(zhì)積累程度，纖維素酶與凋落物、秸稈等的腐解關(guān)系密切。研究區(qū)各地類(lèi)間2種酶活性低且差異小，說(shuō)明多酚氧化酶酶促酚類(lèi)氧化為醌類(lèi)形成土壤腐殖質(zhì)的過(guò)程有限且緩慢，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)極度缺乏足以體現(xiàn)，返土凋落物少限制了纖維素酶的腐解酶促反應(yīng)。

2.3 土壤生物學(xué)指標(biāo)與主要理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤酶主要來(lái)自微生物，酶促反應(yīng)揭示微生物活性，土壤酶活性密切反映土壤養(yǎng)分和理化特性。表3顯示：有機(jī)質(zhì)與蛋白酶呈極顯著負(fù)相關(guān)，與真菌和纖維素酶相關(guān)性差，與其他指標(biāo)均呈顯著或極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)是土壤微生物和酶的能源和營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)酶代謝和轉(zhuǎn)化，是土壤肥力的核心；CEC起著貯存和釋放速效養(yǎng)分兩方面作用，與有機(jī)質(zhì)一樣體現(xiàn)土壤肥力狀況，表現(xiàn)出與有機(jī)質(zhì)相似的相關(guān)性。

細(xì)菌和放線(xiàn)菌呈極顯著正相關(guān)，真菌與二者相關(guān)性差甚至呈負(fù)相關(guān)；三大微生物與部分酶活性呈顯著相關(guān)，但整體相關(guān)性差。各種酶活性間，纖維素酶、蛋白酶與其他酶之間整體呈弱相關(guān)性，尤其是蛋白酶對(duì)其他酶表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)拮抗效應(yīng)；其他5種酶之間協(xié)同效應(yīng)較好，大多呈顯著或極顯著正相關(guān)。物理性粘粒與其他指標(biāo)表現(xiàn)出相對(duì)較好的相關(guān)性，黏粒多代表有機(jī)質(zhì)含量和土壤水分高，利于生化反應(yīng)。

2.4 不同地類(lèi)土壤生物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

衡量區(qū)域整體土壤生物質(zhì)量并非單一指標(biāo)所能體現(xiàn)，而應(yīng)通過(guò)多個(gè)生物評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合呈現(xiàn)。為此，引入土壤生物質(zhì)量指數(shù)(soil biological quality index,SBQI)綜合定量評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤生物質(zhì)量。

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選、權(quán)重確定和隸屬度計(jì)算 利用DPS軟件對(duì)表3中13個(gè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析以篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，按貢獻(xiàn)率大于80%和載荷矩陣值大(表4下劃線(xiàn)數(shù)值)為原則篩選被保留6個(gè)主

表3 土壤生物和主要理化指標(biāo)相關(guān)矩陣(n=172)

成分和除細(xì)菌、纖維素酶外的11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(表4下劃線(xiàn)指標(biāo))。

權(quán)重是各因子的重要程度。利用上述因子分析得13個(gè)指標(biāo)共同度，各指標(biāo)共同度與共同度總和比為該指標(biāo)權(quán)重(0～1數(shù)值)，同樣對(duì)篩選出的11個(gè)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)再次進(jìn)行因子分析得相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重(表4)。

2.4.2 評(píng)價(jià)模型和綜合評(píng)價(jià) 加權(quán)綜合法指數(shù)評(píng)價(jià)模型同時(shí)考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)值、權(quán)重、評(píng)價(jià)指標(biāo)間的交互作用和最小因子限制率(連乘運(yùn)算∏)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的共同影響，較符合實(shí)際[7,9,13]。土壤生物質(zhì)量指數(shù)(SBQI，公式中用SBQI表示)模型如下：

(3)

式中：Ci和Ki為各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度和權(quán)重；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

根據(jù)評(píng)價(jià)模型、隸屬度和權(quán)重計(jì)算出所有樣地SBQI值。從表4可知，因子分析法所篩選11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)能很好解釋SBQI 82%的變異量和影響程度，代表性高，而其他18%的影響因素較小。

表4 主成分因子載荷、權(quán)重及貢獻(xiàn)率

從圖1數(shù)據(jù)檢驗(yàn)看出，11個(gè)篩選指標(biāo)的SBQI11值和所有13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的SBQI13值呈極顯著線(xiàn)性正相關(guān)(R2≤1)，說(shuō)明用篩選指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤生物質(zhì)量具有高度代表性、可靠性和檢驗(yàn)性。

因隸屬度和權(quán)重均為0～1數(shù)值，故計(jì)算SBQI值也在0～1范圍內(nèi)。從圖2中172個(gè)樣點(diǎn)頻率累積曲線(xiàn)和計(jì)算可知，SBQI值在0.1～0.6，高達(dá)97.7%的SBQI<0.5(中間值)，SBQI整體很低，說(shuō)明在沙區(qū)干旱和土壤貧瘠條件下，提高土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性過(guò)程極其漫長(zhǎng)。

從圖3按統(tǒng)計(jì)均值可知，各地類(lèi)SBQI有不同程度的差異性，沙棗SBQI最大，且顯著高出對(duì)照2.7倍，新疆楊SBQI最小，高出對(duì)照1.5倍，但差異不顯著；SBQI均值由大到小為：農(nóng)地(0.31)、喬木地(0.28)、灌木地(0.27)；各地類(lèi)SBQI均值在0.14～0.38，整體很低(SBQI≤1)。說(shuō)明造林和農(nóng)耕活動(dòng)普遍正向改善區(qū)域土壤生物質(zhì)量，但整體水平低，需改善，也揭示出研究區(qū)綜合土壤生物質(zhì)量影響因子的差異性和復(fù)雜性。

喬木林地SBQI：小美旱楊和二白楊明顯高于新疆楊，這與新疆楊林帶窄、密度小、凋落物少、土壤熟化程度差于前二者有關(guān)。灌木林地SBQI：沙棗、沙棘顯著高于其他5種灌木，而后5者小灌木間無(wú)顯著差異。固氮根瘤菌促進(jìn)更多酶促反應(yīng)而整體改善土壤生物學(xué)質(zhì)量，特別是大灌木固氮植物沙棗和沙棘，而小灌木固氮植物花棒、檸條不明顯。

農(nóng)地SBQI：苜蓿、籽瓜、番茄低耗氧作物高于玉米、油葵、花葵高耗氧作物，尤其顯著高于花葵(株高大于2 m)。豆科苜蓿在固氮、多年不翻耕擾動(dòng)且不施肥情況下，SBQI仍高于常年施肥其他農(nóng)地，說(shuō)明種植固氮牧草、休耕等措施有利于改善土壤生物質(zhì)量，最終整體提高土壤質(zhì)量。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

烏蘭布和沙區(qū)綠洲體系形成30多年來(lái)，土地利用方式和生境條件等顯著影響土壤微生物數(shù)量及其結(jié)構(gòu)、酶活性，進(jìn)而影響區(qū)域整體土壤生物質(zhì)量。

相比對(duì)照，喬木林地、農(nóng)地的細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量明顯增加，而真菌數(shù)量反呈降勢(shì)；灌木林地3種菌均呈明顯增勢(shì)；相比對(duì)照，蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶活性增加顯著，纖維素酶和多酚氧化酶次之，蛋白酶活性卻呈降勢(shì)。

11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)SBQI貢獻(xiàn)達(dá)82%，評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)可靠；SBQI平均高出對(duì)照1.5～2.7倍，區(qū)域土壤生物質(zhì)量整體得以改善，但97.7%的樣點(diǎn)SBQI<0.5，整體很低；從大地類(lèi)看SBQI均值由大到小為：農(nóng)地(0.31)、喬木地(0.28)、灌木地(0.27)；細(xì)類(lèi)SBQI由大到小排序?yàn)椋荷硹?0.38)、苜蓿(0.35)、籽瓜(0.34)=番茄(0.34)=小美旱楊(0.34)、沙棘(0.33)、二白楊(0.30)=玉米(0.30)、油葵(0.27)、花葵(0.25)=檉柳(0.25)=沙木蓼(0.25)、花棒(0.24)=檸條(0.24)、霸王(0.23)、新疆楊(0.21)、對(duì)照(0.14)。

建議根據(jù)研究區(qū)實(shí)際種植“養(yǎng)地”“加酶”植物有灌溉條件時(shí)密植二白楊、小美旱楊等喬木；無(wú)灌溉條件時(shí)優(yōu)推沙棗、沙棘等固氮灌木；農(nóng)地選種苜蓿等豆科牧草和低矮經(jīng)濟(jì)作物。

3.2 討論

3.2.1 土壤微生物對(duì)外界因素的響應(yīng) 微生物敏感反映土壤變化。本研究地(pH9.08)微生物數(shù)量級(jí)表現(xiàn)為：細(xì)菌(107)最多，其次為放線(xiàn)菌(105)，最后為真菌(103)，細(xì)菌數(shù)量平均占三者總數(shù)量的99.7%以上，是絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群；有學(xué)者研究退化高寒濕地(pH8.54)微生物數(shù)量級(jí)表現(xiàn)為：細(xì)菌(106)和放線(xiàn)菌(106)一樣，其次為真菌(104)[3]，碳氮比對(duì)土壤生物學(xué)特征具有微弱抑制作用；J.Rousketal[17]研究表明酸性土壤中微生物群落通常以真菌為主。這些說(shuō)明在堿性環(huán)境下，細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量居多，而真菌最少，隨堿性降低，細(xì)菌數(shù)量降低，而放線(xiàn)菌和真菌數(shù)量增加。楊寧等[18]、鄧嬌嬌等[19]研究證明植被類(lèi)型顯著影響土壤微生物多樣性，且證實(shí)楊樹(shù)顯著降低C/N比；施肥影響土壤微生物結(jié)構(gòu)及功能類(lèi)群[16]，但土壤微生物對(duì)施肥響應(yīng)有的敏感、有的不敏感[19]；本研究發(fā)現(xiàn)沙木蓼等密根植物及苜蓿、沙棗、沙棘、花棒、檸條5種固氮植物土壤細(xì)菌和放線(xiàn)菌數(shù)量明顯較高，根系分泌物增多和固氮根瘤菌的增加均能為微生物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)源而促進(jìn)微生物活性增強(qiáng)、數(shù)量增多[14]。F.T.D.Vriesetal[20]指出在小尺度區(qū)域范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)增加會(huì)降低土壤真菌豐富度，趙興鴿等[21]研究表明土壤真菌豐富度與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，與本研究一致。上述揭示出微生物數(shù)量及結(jié)構(gòu)受土地利用方式影響大[8,13]，土地利用方式、植被類(lèi)型和結(jié)構(gòu)、土壤表面覆蓋度、凋落物多少均導(dǎo)致土壤溫度和濕度差異進(jìn)而影響土壤微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)[9,13]。鑒于此，研究區(qū)應(yīng)推廣能生出不定根的密根植物和固氮植物。

3.2.2 土壤酶活性對(duì)外界因素的響應(yīng) 微生物是土壤酶最主要來(lái)源，研究區(qū)地類(lèi)間微生物數(shù)量變異系數(shù)大決定了土壤酶活性也有較大差異，造林和農(nóng)耕活動(dòng)明顯提高了蔗糖酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶活性，如各地類(lèi)脲酶均高出對(duì)照1.1～2.9倍，其中6種農(nóng)作物高出1.8(花葵)～2.8倍(苜蓿)；對(duì)多酚氧化酶和纖維素酶也有所改善，但對(duì)蛋白酶活性受抑，也表現(xiàn)為蛋白酶與有機(jī)質(zhì)、其他酶均呈負(fù)相關(guān)。徐欣等[22]研究農(nóng)田黑土蛋白酶活性隨有機(jī)質(zhì)含量增加而遞增，孫瑞蓮[23]等發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施肥下蛋白酶活性受抑制或不變，徐瑾等[24]對(duì)楊樹(shù)加入外源生物炭而降低土壤蛋白酶活性。研究區(qū)喬木林地有機(jī)質(zhì)(C源)含量高，但無(wú)外源N輸入，農(nóng)地外施大量N肥使C/N比失衡，微生物對(duì)喬木林地N或農(nóng)地C的更激烈競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致部分微生物數(shù)量和蛋白酶活性降低。根瘤菌可釋放較多酶促進(jìn)酶活性和有機(jī)氮轉(zhuǎn)化[16]，除了蛋白酶的其他6種酶均表現(xiàn)固氮植物酶活性較好。以脲酶為例，沙棘、沙棗、檸條和花棒4種固氮植物的脲酶活性高出對(duì)照1.4倍(花棒)～2.2倍(沙棗)，且明顯高出檉柳、霸王和沙木蓼非固氮樹(shù)種，也證實(shí)了郭志明等[25]研究認(rèn)為脲酶活性與氮素呈極顯著相關(guān)；喬木林地中，二白楊和小美旱楊脲酶活性顯著高于新疆楊，與二者密度明顯高于后者有關(guān)。說(shuō)明沙區(qū)造林更適宜耐旱固氮灌木，灌溉允許時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大喬木造林密度以提高凋落物回歸量和脲酶轉(zhuǎn)氮活性。多酚氧化酶和纖維素酶均與有機(jī)質(zhì)累積有關(guān)，在研究區(qū)表現(xiàn)活性低、差異小，一方面與研究區(qū)凋落物普遍返土量少、有機(jī)質(zhì)底物量低有關(guān)，一方面與研究區(qū)氣候寒冷致2種酶活性顯著降低有關(guān)[26-27]。綜上，作為酶最主要來(lái)源的微生物受植被種類(lèi)、有機(jī)質(zhì)、pH、C/N比、養(yǎng)分、環(huán)境等多因素影響，故應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度綜合考慮和探究酶指標(biāo)的變化、作用機(jī)理和方式，因此也表現(xiàn)出微生物數(shù)量、酶活性、有機(jī)質(zhì)、CEC、物理性黏粒等指標(biāo)間既存在正向協(xié)調(diào)交互作用，又存在負(fù)向拮抗作用，土壤酶專(zhuān)性反映土壤中各種轉(zhuǎn)化進(jìn)程，共性一定程度上綜合反映土壤生物質(zhì)量，但有機(jī)質(zhì)與絕大多數(shù)指標(biāo)呈顯著或極顯著相關(guān)表明其作為微生物碳源、酶促反應(yīng)、土壤肥力的核心紐帶作用，設(shè)法提高有機(jī)質(zhì)含量是“加酶”改土措施。

3.2.3 土壤微生物和酶活性對(duì)土壤生物質(zhì)量的響應(yīng) 細(xì)菌和纖維素酶對(duì)土壤生物質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)影響小而被篩除，細(xì)菌雖然占研究區(qū)微生物數(shù)量的99%以上，但其產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)抑制其他微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)[28]，研究區(qū)凋落物少限制了纖維素酶的腐解酶促反應(yīng)，且其含量(活性)很低。對(duì)SBQI貢獻(xiàn)最大(36.9%)的指標(biāo)為有機(jī)質(zhì)、CEC、過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶和物理性粘黏5個(gè)指標(biāo)，其次為蔗糖酶和堿性磷酸酶，后依次為脲酶、蛋白酶、真菌和放線(xiàn)菌，SBQI評(píng)價(jià)結(jié)果可解釋82%的總體變異率，同時(shí)經(jīng)得起極顯著正相關(guān)檢驗(yàn)。微生物和酶活性大的變異系數(shù)決定了各地類(lèi)間SBQI值3級(jí)(a、b、c)的差異性，SBQI平均高出對(duì)照1.5(新疆楊)～2.7倍(沙棗)，97.7%的樣點(diǎn)SBQI<0.5(中間值，最大值為1)，整體很低。綜上，造林和農(nóng)耕活動(dòng)雖然對(duì)土壤生物質(zhì)量的影響程度復(fù)雜，但整體正向改善了區(qū)域土壤生物質(zhì)量，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量低、凋落物少、沙區(qū)生境等條件決定了SBQI的整體水平低和改善過(guò)程緩慢，需根據(jù)研究區(qū)實(shí)際種植“養(yǎng)地”“加酶”植物：有灌溉條件時(shí)，種植二白楊、小美旱楊等多行稠密防護(hù)林喬木；灌木造林優(yōu)選沙棗、沙棘等固氮植物；農(nóng)地采用種苜蓿等豆科牧草和休耕措施，同時(shí)種植短小、低耗經(jīng)濟(jì)作物。