金銀花林地土壤微生物量碳、氮與酶活性的分異特征

李 源，何丙輝，秦華軍，趙旋池，熊興政，毛文韜，于 傳，王 衛(wèi)

(1.重慶高新城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，重慶 401329；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715；3.貴州省生物研究所，貴州 貴陽 550000；4.貴州省遵義市匯川區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 貴陽 563000；5.重慶市林業(yè)投資開發(fā)有限責(zé)任公司，重慶 401120；6.重慶市南岸區(qū)迎龍鎮(zhèn)人民政府，重慶 401336；7.湖南省湘潭市林業(yè)局，湖南 湘潭 411199；8.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610000)

我國(guó)西南喀斯特地區(qū)面積高達(dá)54萬km，由于人為干擾、資源利用不合理，該地區(qū)人地矛盾、植被退化、水土流失、石漠化等生態(tài)問題日益突出，生態(tài)建設(shè)刻不容緩，植被恢復(fù)是改良其脆弱生境最有效的措施之一。金銀花()作為我國(guó)特有的名貴中藥材，經(jīng)濟(jì)效益可觀，適應(yīng)性好，在pH 8.5的鹽堿地上也可枝繁葉茂，其根系發(fā)達(dá)，能包裹固定巖石及土壤的面積大，涵養(yǎng)水源，增加土壤肥力，是固坡護(hù)堤、保持水土的優(yōu)良資源。土壤微生物碳、氮及酶活性是土壤質(zhì)量與環(huán)境變化的重要指標(biāo)，與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)，受坡位和土壤剖面層次的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外喀斯特地區(qū)大多集中于單一坡位或土壤坡面層次對(duì)土壤微生物量和酶活性的影響研究，但將土壤剖面和坡位結(jié)合起來研究土壤微生物量碳氮與酶活性的研究甚少。此外，對(duì)金銀花的研究主要集中在其經(jīng)濟(jì)效益、花色變化、水土保持等方面，而對(duì)其林下土壤的研究較少。且有關(guān)西南喀斯特地區(qū)金銀花林地不同坡位和土壤剖面的微生物量和酶活性分異特征的研究鮮見報(bào)道。

鑒于此，本試驗(yàn)以重慶市秀山縣金銀花林地為研究基地。選擇金銀花地不同坡位(上坡US、中坡MS、下坡BS)和剖面層次(表層0～10 cm，亞表層10～20 cm)的土壤作為研究對(duì)象，欲研究不同坡位和不同土壤剖面層次的微生物量碳氮、土壤酶活性的空間分異特征，探討土壤微生物量碳氮與酶活性對(duì)坡位與土壤剖面的響應(yīng)規(guī)律，揭示土壤微生物量碳氮和酶活性的相關(guān)性，分析影響金銀花林地土壤微生物量碳氮的主要因子。旨在為西南喀斯特山區(qū)金銀花林地土壤微生物量碳氮與酶活性的相關(guān)研究提供理論依據(jù)，并為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)以重慶市秀山縣青場(chǎng)鎮(zhèn)南農(nóng)村金銀花林地土壤為研究對(duì)象，進(jìn)行了采樣研究。研究區(qū)種植金銀花已有10年歷史，規(guī)模在全國(guó)排名第三，僅次于山東、河南。研究區(qū)位于重慶市東南部(N28°21′ ，E108°50′ )，地處武陵山脈中段，四川盆地東南緣的外側(cè)，與湖南省、湖北省、貴州省毗鄰，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，境內(nèi)熱量豐富，年平均氣溫16.5 ℃，且雨量充沛，年平均降水量為1336.2 mm。研究區(qū)土壤為黃壤，土層較薄，由常年地下水對(duì)研究區(qū)碳酸鹽巖(以石灰?guī)r為主)侵蝕而成，土壤呈酸性或中性，礦物養(yǎng)分較貧乏。

1.2 研究方法

..樣方設(shè)置

外業(yè)調(diào)查于2013年8月進(jìn)行，在立地條件基本一致的金銀花林地內(nèi)，將同一坡面分為上坡、中坡和下坡，各設(shè)置5個(gè)相同海拔的1 m×1 m的樣方，坡向東北，坡度23°，土壤為黃壤，pH 6.1，有機(jī)質(zhì)占3.52 %，土壤堿解氮含量145.86 mg/kg，速效磷含量20.81 mg/kg，速效鉀含量72.54 mg/kg，土層厚度10～20 cm。金銀花為四年生扦插苗，造林時(shí)施底肥一致，后期管理一致，株行距2 m×3 m，林下植被以草本為主。樣方基本概況見表1。

表1 不同坡位金銀花樣地的基本情況Tab.1 Basic conditions of quadrats at different slope positions

..樣本采集

選用隨機(jī)抽樣法，在每個(gè)樣方中隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)，去除表層枯枝落葉后測(cè)得各采樣點(diǎn)土層的平均深度為23 cm，所以分兩層采集土樣，表層土(0～10 cm)、亞表層土(10～20 cm)。將每個(gè)樣方的新鮮表層土和亞表層土各自混合均勻后，采用四分法取約500 g密封于滅菌后的自封袋中，置于冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)時(shí)，去除每個(gè)土樣中的雜質(zhì)，過2 mm篩，均分為兩份：一份在常溫下風(fēng)干，用于測(cè)定土壤的常規(guī)性質(zhì)；另一份保存于4 ℃的冰箱中，用于測(cè)定土壤微生物量碳、氮和土壤酶活性。

..樣本測(cè)定和分析

風(fēng)干土樣試驗(yàn)：土壤pH值(土∶水=1∶2.5)由過2 mm篩的土樣采用酸度計(jì)測(cè)定。土壤有機(jī)碳(SOC)由過100目篩的土樣選用重鉻酸鉀外加熱氧化法測(cè)定。全氮(TN)由過100目篩的土樣采用元素分析儀測(cè)定。新鮮土樣試驗(yàn)：土壤含水量(SM)由105 ℃連續(xù)烘干24 h的土樣測(cè)定。土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)選用氯仿熏蒸-KSO法測(cè)定。過氧化氫酶(CAT)選用高錳酸鉀滴定法測(cè)定。蔗糖酶活性(INV)選用二硝基水楊酸比色法測(cè)定。脲酶活性(URE)選用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定。微生物碳熵(MBC)和氮熵(MBN)的計(jì)算公式為：MBC=SMBC/ SOC×100%。MBN=SMBN/ TN×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)，并采用SPSS 18.0和Origin 9.0軟件進(jìn)行方差分析與制圖。不同坡位和剖面層次的土壤微生物量碳氮和土壤酶活性的差異評(píng)價(jià)采用單因素方差分析和Duncan新復(fù)極差法，其相關(guān)性分析采用兩變量相關(guān)分析法(Bivariate Correlations)，其最優(yōu)回歸方程采用逐步回歸法(Stepwise)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡位與剖面層次中土壤微生物量碳氮的分異特征

..坡位與剖面對(duì)土壤微生物量碳(SMBC)及碳熵(MBC)的影響

如圖1所示，金銀花林地同一土壤剖面層次的SMBC隨著坡位的下降呈先增加后減少趨勢(shì)，且中坡表層的SMBC(903.00 mg/kg)極顯著高于上坡和下坡，中坡亞表層的SMBC(669.34 mg/kg)顯著高于上坡和下坡(圖1)。同一坡位的SMBC隨著土壤剖面層次的加深呈減少趨勢(shì)，且上坡表層較亞表層的SMBC極顯著高出341.00 mg/kg，中坡和下坡表層較亞表層的SMBC顯著高出233.67 mg/kg、254.00 mg/kg。金銀花林地表層MBC在1.84 %～3.52 %之間；亞表層MBC在1.55 %～2.87 %之間。同一土壤剖面層次和同一坡位的MBC變化趨勢(shì)與SMBC相同。同一土壤剖面層次，中坡MBC均極顯著高于上坡和下坡；同一坡位，表層MBC均高于亞表層，僅在上坡達(dá)到極顯著水平。

注：同一土壤剖面層次差異顯著性水平：大、小寫字母分別表示P<0.01和P<0.05；不同土壤剖面層次差異顯著性水平:“**”和“*”分別表示P<0.01和P<0.05，下同。圖1 不同坡位與剖面層次的土壤微生物量碳(a)和微生物碳熵(b)Fig.1 Soil microbial biomass carbon and microbial carbon entropy at different slope positions (a) and profile levels (b)

..坡位與剖面對(duì)土壤微生物量氮(SMBN)及氮熵(MBN)的影響

如圖2所示，金銀花林地同一土壤剖面層次和同一坡面的SMBN、MBN的變化趨勢(shì)與SMBN相同，均是中坡值最大。表層MBN在3.53 %～5.78 %之間；亞表層MBN在2.82 %～3.56 %之間。同一土壤剖面層次，不同坡位的亞表層SMBN、MBN無顯著差異，中坡表層SMBN(108.72 mg/kg)、MBN(5.78 %)極顯著高于上坡和下坡。同一坡位，表層SMBN、MBN均高于亞表層，不同坡位的SMBN均達(dá)到顯著水平，MBN中僅有下坡位未達(dá)到顯著水平。

圖2 不同坡位與剖面層次的土壤微生物量氮(a)和微生物氮熵(b)Fig.2 Soil microbial biomass nitrogen and microbial nitrogen entropy at different slope positions (a) and profile levels (b)

2.2 不同坡位與剖面層次中土壤酶活性的分異特征

..坡位與剖面對(duì)土壤過氧化氫酶活性(CAT)的影響

土壤過氧化氫酶(CAT)不僅能促使土壤生化反應(yīng)中的HO分解，減輕對(duì)植物的危害，還能在HO環(huán)境條件下酶促土壤有機(jī)物(如酚、胺類等)氧化生成醌并參與腐殖質(zhì)的合成，其活性與土壤腐殖化強(qiáng)度大小和有機(jī)質(zhì)的積累程度緊密相關(guān)。金銀花林地同一土壤剖面層次的CAT隨著坡位的下降呈先增加后減少趨勢(shì)，表層CAT和亞表層CAT均在中坡達(dá)到最大值，無顯著差異，且中坡表層的CAT最高達(dá)3.65 mL/g。同一坡位的SMBC隨著土壤剖面深度的加深呈減少趨勢(shì)，表層CAT均高于亞表層，無顯著差異(圖3)。

圖3 坡位與剖面對(duì)土壤CAT酶活性的影響Fig.3 Effects of slope position and profile on soil cat enzyme activity

..坡位與剖面對(duì)土壤蔗糖酶活性(INV)的影響

土壤蔗糖酶(INV)直接參與土壤有機(jī)物質(zhì)的代謝過程，其強(qiáng)弱可作為土壤質(zhì)量、熟化程度和肥力水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)。INV在金銀花林地同一土壤剖面層次和同一坡位的變化趨勢(shì)與CAT相同。表層IVN中，中坡(13.60 mg/g)最大，顯著高于下坡(10.45 mg/g)。亞表層IVN中，中坡(11.33 mg/g)最大，不同坡位之間無顯著差異。同一坡位，表層IVN均高于亞表層，均無顯著差異(圖4)。

圖4 坡位與剖面對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響Fig.4 Effects of slope position and profile on soil sucrase enzyme activity

..坡位與剖面對(duì)土壤脲酶活性(URE)的影響

土壤脲酶(URE)是土壤中唯一對(duì)尿素水解起重要作用的關(guān)鍵性酶，可將土壤中的有機(jī)氮水解為氨態(tài)氮，成為植物可以利用的有效態(tài)氮，其活性對(duì)提高氮素的利用率和促進(jìn)土壤氮素循環(huán)具有重要意義。金銀花林地同一土壤剖面層次的URE隨著坡位的下降呈逐漸增加趨勢(shì)，下坡表層URE(3.73 mg/kg)較上坡顯著增加了0.83 mg/kg ；下坡亞表層URE(3.73 mg/kg)較上坡顯著增加了0.71 mg/kg。同一坡位的URE隨著土壤剖面深度的加深呈減少趨勢(shì)，表層URE高于亞表層URE，差異均不顯著(圖5)。

圖5 坡位與剖面對(duì)土壤脲酶活性的影響Fig.5 Effect of slope position and profile on soil ure enzyme activity

2.3 土壤微生物特性與土壤酶活性的相關(guān)性

由土壤微生物特性與土壤酶活性的相關(guān)性分析(表2)可知，SMBC、SMBN、MBC、MBN四個(gè)因素，兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)。CAT與SMBC、SMBN、MBC呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，與MBN呈顯著(<0.05)正相關(guān)。INV與SMBC、SMBN、MBC、MBN均呈極顯著(<0.01)正相關(guān)。URE僅與SMBN呈顯著(<0.05)正相關(guān)。pH與SMBN、CAT、INV呈顯著(<0.05)負(fù)相關(guān)。

表2 土壤微生物特性與土壤酶活性的相關(guān)系數(shù)Tab.2 correlation coefficient between soil microbial characteristics and soil enzyme activity

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤微生物量碳、氮及微生物碳、氮熵對(duì)坡位與剖面層次的響應(yīng)

土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)在土壤中所占比例很小，但它們?cè)谕寥捞嫉h(huán)中，活性最強(qiáng)。土壤微生物量碳氮含量不僅受土壤中有機(jī)碳源和氮源的影響，還受地形、氣候、植物群落、土壤質(zhì)地等因素的影響。土壤微生物碳氮熵(MBC)、氮熵(MBN)分別是SMBC、SMBN積累或損失的一個(gè)重要指標(biāo)，是反映生態(tài)系統(tǒng)變化及應(yīng)變狀況的可靠微生物參數(shù)，能夠避免在使用絕對(duì)量進(jìn)行研究分析時(shí)出現(xiàn)偏差問題。

本研究結(jié)果表明，西南喀斯特地區(qū)金銀花林地同一剖面層次，SMBC、SMBN、MBC、MBN隨著坡位的下降呈先增加后減少趨勢(shì)，均在中坡達(dá)到最大值，僅表層SMBC的變化趨勢(shì)與胡宗達(dá)等在川滇高山櫟林中研究的結(jié)論相一致。這可能是因?yàn)檠芯炕氐耐寥婪柿Σ煌?，進(jìn)而影響了土壤微生物量碳、氮的含量，本研究的試驗(yàn)地區(qū)土壤質(zhì)地為酸性黃壤、礦物養(yǎng)分較貧乏，而胡宗達(dá)等的研究土質(zhì)為肥力高中性的山地棕壤。中坡表層的SMBC、SMBN、MBC、MBN均極顯著高于上坡和下坡，可能是因?yàn)橹衅碌慕疸y花郁閉度和草本植物郁閉度最高，參與養(yǎng)分循環(huán)的枯枝落葉量大，導(dǎo)致形成的SMBC、SMBN、MBC、MBN較上坡和下坡多。此外，中坡亞表層SMBC和MBC僅顯著高于上坡和下坡，中坡亞表層SMBN和MBN對(duì)坡位響應(yīng)不顯著。說明坡位對(duì)表層SMBC、SMBN、MBC、MBN的影響極顯著，對(duì)亞表層SMBC、SMBN、MBC、MBN的影響次之。

金銀花林地同一坡位，SMBC、SMBN、MBC、MBN隨著土壤剖面層次的加深呈減少趨勢(shì)。其表層值均高于亞表層，土壤養(yǎng)分在剖面層次中遵循的表聚特征，這與王帥等的研究結(jié)論相一致。SMBC、SMBN與剖面層次響應(yīng)顯著，而MBC僅在下坡達(dá)極顯著水平；MBN在下坡達(dá)顯著水平，在中坡達(dá)極顯著水平。說明剖面層次對(duì)SMBC、SMBN的影響顯著，對(duì)MBC、MBN的影響次之。

有研究指出微生物碳、氮熵能夠表明土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)變化，其值越大，則有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率越快。本研究中坡位和剖面均對(duì)MBC、MBN有明顯影響，且MBC在1.55 %～3.52 %之間，MBN在2.82 %～5.78 %之間。MBC和MBN的值均較大，則能作為喀斯特地區(qū)土壤質(zhì)量變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本研究中土壤微生物量碳、氮及碳、氮熵變化顯著，可能是多重因素綜合作用的結(jié)果，與樣點(diǎn)的空間異質(zhì)性較大有關(guān)。

3.2 土壤酶活性對(duì)坡位與剖面層次的響應(yīng)

土壤中一切生化反應(yīng)都是在土壤酶的參與下完成的，土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程中最為活躍的生物活性之一，其活性與土壤的理化性質(zhì)和其他生物學(xué)特征緊密相關(guān)，常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。

金銀花林地同一土壤剖面層次，土壤過氧化氫酶(CAT)和壤蔗糖酶(INV)均隨著坡位的下降呈先增加后減少的趨勢(shì)，但無顯著差異，且在中坡達(dá)到最大值，這可能因?yàn)橹衅掠糸]度高，積累的枯枝落葉和腐殖質(zhì)較上坡和下坡多，其有機(jī)質(zhì)含量高，在同一環(huán)境中，為土壤酶提供了更多的底物。土壤脲酶(URE)則隨著坡位的下降先增加，且中坡與下坡值無顯著差異。這說明不同坡位的CAT、INV、URE相差甚小，可見喀斯特地區(qū)坡位對(duì)土壤酶活性的影響不顯著，與嚴(yán)令斌等對(duì)寧夏固原黃土丘陵區(qū)天然草地坡位對(duì)土壤酶活性的研究結(jié)論一致。

金銀花林地同一坡位，表層CAT、INV、URE均大于亞表層，這主要是因?yàn)楸韺油寥赖目葜β淙~量、有機(jī)質(zhì)以及通透性等因素較亞表層更高，隨著土壤剖面的加深，微生物量的生長(zhǎng)環(huán)境變差，進(jìn)而使土壤酶活性降低。表層和亞表層的CAT、INV、URE均無顯著差異，表明喀斯特地區(qū)土壤剖面對(duì)土壤酶活性的影響不顯著，這與劉璐的研究不一致，這可能是因?yàn)榻疸y花林地的黃壤土層太薄，導(dǎo)致土壤酶活性隨剖面層次的加深無顯著變化。

3.3 土壤微生物量碳氮與土壤酶活性的相關(guān)性

土壤微生物量碳氮與土壤酶密切相關(guān)，土壤酶活性常被作為微生物活性的指示物。由西南喀斯特地區(qū)金銀花林地土壤微生物量碳氮和土壤酶的相關(guān)性分析可知，SMBC、SMBN、MBC、MBN四個(gè)因素，兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)。SMBC、SMBN、MBC、MBN與土壤CAT、INV呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，SMBN與URE呈顯著(<0.01)正相關(guān)，與pH呈顯著(<0.01)負(fù)相關(guān)，說明SMBC主要受INV和CAT的影響，SMBN則主要受CAT、INV、URE、pH共同影響。

金銀花林地不同坡位與土壤剖面層次的微生物量碳、氮和碳、氮熵與土壤酶活性存在著復(fù)雜且密切的聯(lián)系。不能簡(jiǎn)單的說土壤微生物碳氮、碳氮熵的增加或減少有助于提高土壤酶的活性。但可以明確的是表層微生物量碳、氮和碳、氮熵與土壤酶活性均高于亞表層。本研究在對(duì)西南喀斯特山區(qū)金銀花林地不同坡位和土壤剖面的微生物量碳氮與酶活性分異特征的研究中未考慮金銀花林郁閉度和林下草本郁閉度及豐富度對(duì)土壤微生物碳氮、碳氮熵和土壤酶活性的影響。而它們之間也存在緊密相關(guān)。因此，以后的研究將把植物郁閉度和植物群落特征因素納入研究，旨在完善不同坡位和土壤剖面對(duì)土壤微生物量碳氮與酶活性影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)林的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)論據(jù)。

坡位與土壤坡面層次是影響土壤微生物和酶活性的重要因素，隨坡位下降，土壤脲酶活性增強(qiáng)，土壤微生物量碳、氮、碳熵、氮熵、過氧化氫酶及蔗糖酶活性先增加后降低，且在中坡時(shí)值達(dá)最大。表層土壤微生物量碳、氮、碳熵、氮熵、過氧化氫酶、蔗糖酶及脲酶活性高于亞表層。土壤微生物量碳、氮、碳熵、氮熵、過氧化氫酶、蔗糖酶及脲酶間存在極顯著(<0.01)或顯著(<0.05)的相關(guān)關(guān)系。