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    金银花林地土壤微生物量碳、氮与酶活性的分异特征

    时间：2023-01-26 16:00:07来源：百花范文网本文已影响人

    李 源，何丙辉，秦华军，赵旋池，熊兴政，毛文韬，于 传，王 卫

    (1.重庆高新城市建设集团有限公司，重庆 401329；
    2.西南大学 资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715；
    3.贵州省生物研究所，贵州 贵阳 550000；
    4.贵州省遵义市汇川区农业农村局，贵州 贵阳 563000；
    5.重庆市林业投资开发有限责任公司，重庆 401120；
    6.重庆市南岸区迎龙镇人民政府，重庆 401336；
    7.湖南省湘潭市林业局，湖南 湘潭 411199；
    8.四川省林业科学研究院，四川 成都 610000)

    我国西南喀斯特地区面积高达54万km，由于人为干扰、资源利用不合理，该地区人地矛盾、植被退化、水土流失、石漠化等生态问题日益突出，生态建设刻不容缓，植被恢复是改良其脆弱生境最有效的措施之一。金银花()作为我国特有的名贵中药材，经济效益可观，适应性好，在pH 8.5的盐碱地上也可枝繁叶茂，其根系发达，能包裹固定岩石及土壤的面积大，涵养水源，增加土壤肥力，是固坡护堤、保持水土的优良资源。土壤微生物碳、氮及酶活性是土壤质量与环境变化的重要指标，与植被生长密切相关，受坡位和土壤剖面层次的影响。

    目前，国内外喀斯特地区大多集中于单一坡位或土壤坡面层次对土壤微生物量和酶活性的影响研究，但将土壤剖面和坡位结合起来研究土壤微生物量碳氮与酶活性的研究甚少。此外，对金银花的研究主要集中在其经济效益、花色变化、水土保持等方面，而对其林下土壤的研究较少。且有关西南喀斯特地区金银花林地不同坡位和土壤剖面的微生物量和酶活性分异特征的研究鲜见报道。

    鉴于此，本试验以重庆市秀山县金银花林地为研究基地。选择金银花地不同坡位(上坡US、中坡MS、下坡BS)和剖面层次(表层0～10 cm，亚表层10～20 cm)的土壤作为研究对象，欲研究不同坡位和不同土壤剖面层次的微生物量碳氮、土壤酶活性的空间分异特征，探讨土壤微生物量碳氮与酶活性对坡位与土壤剖面的响应规律，揭示土壤微生物量碳氮和酶活性的相关性，分析影响金银花林地土壤微生物量碳氮的主要因子。旨在为西南喀斯特山区金银花林地土壤微生物量碳氮与酶活性的相关研究提供理论依据，并为该地区的生态环境恢复重建提供科学依据，促进该地区的可持续发展。

    1.1 研究区概况

    本试验以重庆市秀山县青场镇南农村金银花林地土壤为研究对象，进行了采样研究。研究区种植金银花已有10年历史，规模在全国排名第三，仅次于山东、河南。研究区位于重庆市东南部(N28°21′ ，E108°50′ )，地处武陵山脉中段，四川盆地东南缘的外侧，与湖南省、湖北省、贵州省毗邻，属亚热带湿润季风气候，境内热量丰富，年平均气温16.5 ℃，且雨量充沛，年平均降水量为1336.2 mm。研究区土壤为黄壤，土层较薄，由常年地下水对研究区碳酸盐岩(以石灰岩为主)侵蚀而成，土壤呈酸性或中性，矿物养分较贫乏。

    1.2 研究方法

    ..样方设置

    外业调查于2013年8月进行，在立地条件基本一致的金银花林地内，将同一坡面分为上坡、中坡和下坡，各设置5个相同海拔的1 m×1 m的样方，坡向东北，坡度23°，土壤为黄壤，pH 6.1，有机质占3.52 %，土壤碱解氮含量145.86 mg/kg，速效磷含量20.81 mg/kg，速效钾含量72.54 mg/kg，土层厚度10～20 cm。金银花为四年生扦插苗，造林时施底肥一致，后期管理一致，株行距2 m×3 m，林下植被以草本为主。样方基本概况见表1。

    表1 不同坡位金银花样地的基本情况Tab.1 Basic conditions of quadrats at different slope positions

    ..样本采集

    选用随机抽样法，在每个样方中随机选取3个采样点，去除表层枯枝落叶后测得各采样点土层的平均深度为23 cm，所以分两层采集土样，表层土(0～10 cm)、亚表层土(10～20 cm)。将每个样方的新鲜表层土和亚表层土各自混合均匀后，采用四分法取约500 g密封于灭菌后的自封袋中，置于冰盒带回实验室。试验时，去除每个土样中的杂质，过2 mm筛，均分为两份：一份在常温下风干，用于测定土壤的常规性质；
    另一份保存于4 ℃的冰箱中，用于测定土壤微生物量碳、氮和土壤酶活性。

    ..样本测定和分析

    风干土样试验：土壤pH值(土∶水=1∶2.5)由过2 mm筛的土样采用酸度计测定。土壤有机碳(SOC)由过100目筛的土样选用重铬酸钾外加热氧化法测定。全氮(TN)由过100目筛的土样采用元素分析仪测定。新鲜土样试验：土壤含水量(SM)由105 ℃连续烘干24 h的土样测定。土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)选用氯仿熏蒸-KSO法测定。过氧化氢酶(CAT)选用高锰酸钾滴定法测定。蔗糖酶活性(INV)选用二硝基水杨酸比色法测定。脲酶活性(URE)选用靛酚蓝比色法测定。微生物碳熵(MBC)和氮熵(MBN)的计算公式为：MBC=SMBC/ SOC×100%。MBN=SMBN/ TN×100%。

    1.3 数据处理

    试验数据均为平均值±标准差(mean±SD)，并采用SPSS 18.0和Origin 9.0软件进行方差分析与制图。不同坡位和剖面层次的土壤微生物量碳氮和土壤酶活性的差异评价采用单因素方差分析和Duncan新复极差法，其相关性分析采用两变量相关分析法(Bivariate Correlations)，其最优回归方程采用逐步回归法(Stepwise)。

    2.1 不同坡位与剖面层次中土壤微生物量碳氮的分异特征

    ..坡位与剖面对土壤微生物量碳(SMBC)及碳熵(MBC)的影响

    如图1所示，金银花林地同一土壤剖面层次的SMBC随着坡位的下降呈先增加后减少趋势，且中坡表层的SMBC(903.00 mg/kg)极显著高于上坡和下坡，中坡亚表层的SMBC(669.34 mg/kg)显著高于上坡和下坡(图1)。同一坡位的SMBC随着土壤剖面层次的加深呈减少趋势，且上坡表层较亚表层的SMBC极显著高出341.00 mg/kg，中坡和下坡表层较亚表层的SMBC显著高出233.67 mg/kg、254.00 mg/kg。金银花林地表层MBC在1.84 %～3.52 %之间；
    亚表层MBC在1.55 %～2.87 %之间。同一土壤剖面层次和同一坡位的MBC变化趋势与SMBC相同。同一土壤剖面层次，中坡MBC均极显著高于上坡和下坡；
    同一坡位，表层MBC均高于亚表层，仅在上坡达到极显著水平。

    注：同一土壤剖面层次差异显著性水平：大、小写字母分别表示P<0.01和P<0.05；
    不同土壤剖面层次差异显著性水平:“**”和“*”分别表示P<0.01和P<0.05，下同。图1 不同坡位与剖面层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)

    ..坡位与剖面对土壤微生物量氮(SMBN)及氮熵(MBN)的影响

    如图2所示，金银花林地同一土壤剖面层次和同一坡面的SMBN、MBN的变化趋势与SMBN相同，均是中坡值最大。表层MBN在3.53 %～5.78 %之间；
    亚表层MBN在2.82 %～3.56 %之间。同一土壤剖面层次，不同坡位的亚表层SMBN、MBN无显著差异，中坡表层SMBN(108.72 mg/kg)、MBN(5.78 %)极显著高于上坡和下坡。同一坡位，表层SMBN、MBN均高于亚表层，不同坡位的SMBN均达到显著水平，MBN中仅有下坡位未达到显著水平。

    图2 不同坡位与剖面层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 不同坡位与剖面层次中土壤酶活性的分异特征

    ..坡位与剖面对土壤过氧化氢酶活性(CAT)的影响

    土壤过氧化氢酶(CAT)不仅能促使土壤生化反应中的HO分解，减轻对植物的危害，还能在HO环境条件下酶促土壤有机物(如酚、胺类等)氧化生成醌并参与腐殖质的合成，其活性与土壤腐殖化强度大小和有机质的积累程度紧密相关。金银花林地同一土壤剖面层次的CAT随着坡位的下降呈先增加后减少趋势，表层CAT和亚表层CAT均在中坡达到最大值，无显著差异，且中坡表层的CAT最高达3.65 mL/g。同一坡位的SMBC随着土壤剖面深度的加深呈减少趋势，表层CAT均高于亚表层，无显著差异(图3)。

    图3 坡位与剖面对土壤CAT酶活性的影响Fig.3 Effects of slope position and profile on soil cat enzyme activity

    ..坡位与剖面对土壤蔗糖酶活性(INV)的影响

    土壤蔗糖酶(INV)直接参与土壤有机物质的代谢过程，其强弱可作为土壤质量、熟化程度和肥力水平的评价指标。INV在金银花林地同一土壤剖面层次和同一坡位的变化趋势与CAT相同。表层IVN中，中坡(13.60 mg/g)最大，显著高于下坡(10.45 mg/g)。亚表层IVN中，中坡(11.33 mg/g)最大，不同坡位之间无显著差异。同一坡位，表层IVN均高于亚表层，均无显著差异(图4)。

    图4 坡位与剖面对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.4 Effects of slope position and profile on soil sucrase enzyme activity

    ..坡位与剖面对土壤脲酶活性(URE)的影响

    土壤脲酶(URE)是土壤中唯一对尿素水解起重要作用的关键性酶，可将土壤中的有机氮水解为氨态氮，成为植物可以利用的有效态氮，其活性对提高氮素的利用率和促进土壤氮素循环具有重要意义。金银花林地同一土壤剖面层次的URE随着坡位的下降呈逐渐增加趋势，下坡表层URE(3.73 mg/kg)较上坡显著增加了0.83 mg/kg ；
    下坡亚表层URE(3.73 mg/kg)较上坡显著增加了0.71 mg/kg。同一坡位的URE随着土壤剖面深度的加深呈减少趋势，表层URE高于亚表层URE，差异均不显著(图5)。

    图5 坡位与剖面对土壤脲酶活性的影响Fig.5 Effect of slope position and profile on soil ure enzyme activity

    2.3 土壤微生物特性与土壤酶活性的相关性

    由土壤微生物特性与土壤酶活性的相关性分析(表2)可知，SMBC、SMBN、MBC、MBN四个因素，两两之间均呈极显著正相关。CAT与SMBC、SMBN、MBC呈极显著(<0.01)正相关，与MBN呈显著(<0.05)正相关。INV与SMBC、SMBN、MBC、MBN均呈极显著(<0.01)正相关。URE仅与SMBN呈显著(<0.05)正相关。pH与SMBN、CAT、INV呈显著(<0.05)负相关。

    表2 土壤微生物特性与土壤酶活性的相关系数Tab.2 correlation coefficient between soil microbial characteristics and soil enzyme activity

    3.1 土壤微生物量碳、氮及微生物碳、氮熵对坡位与剖面层次的响应

    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，但它们在土壤碳氮循环中，活性最强。土壤微生物量碳氮含量不仅受土壤中有机碳源和氮源的影响，还受地形、气候、植物群落、土壤质地等因素的影响。土壤微生物碳氮熵(MBC)、氮熵(MBN)分别是SMBC、SMBN积累或损失的一个重要指标，是反映生态系统变化及应变状况的可靠微生物参数，能够避免在使用绝对量进行研究分析时出现偏差问题。

    本研究结果表明，西南喀斯特地区金银花林地同一剖面层次，SMBC、SMBN、MBC、MBN随着坡位的下降呈先增加后减少趋势，均在中坡达到最大值，仅表层SMBC的变化趋势与胡宗达等在川滇高山栎林中研究的结论相一致。这可能是因为研究基地的土壤肥力不同，进而影响了土壤微生物量碳、氮的含量，本研究的试验地区土壤质地为酸性黄壤、矿物养分较贫乏，而胡宗达等的研究土质为肥力高中性的山地棕壤。中坡表层的SMBC、SMBN、MBC、MBN均极显著高于上坡和下坡，可能是因为中坡的金银花郁闭度和草本植物郁闭度最高，参与养分循环的枯枝落叶量大，导致形成的SMBC、SMBN、MBC、MBN较上坡和下坡多。此外，中坡亚表层SMBC和MBC仅显著高于上坡和下坡，中坡亚表层SMBN和MBN对坡位响应不显著。说明坡位对表层SMBC、SMBN、MBC、MBN的影响极显著，对亚表层SMBC、SMBN、MBC、MBN的影响次之。

    金银花林地同一坡位，SMBC、SMBN、MBC、MBN随着土壤剖面层次的加深呈减少趋势。其表层值均高于亚表层，土壤养分在剖面层次中遵循的表聚特征，这与王帅等的研究结论相一致。SMBC、SMBN与剖面层次响应显著，而MBC仅在下坡达极显著水平；
    MBN在下坡达显著水平，在中坡达极显著水平。说明剖面层次对SMBC、SMBN的影响显著，对MBC、MBN的影响次之。

    有研究指出微生物碳、氮熵能够表明土壤碳氮动态变化，其值越大，则有机碳周转速率越快。本研究中坡位和剖面均对MBC、MBN有明显影响，且MBC在1.55 %～3.52 %之间，MBN在2.82 %～5.78 %之间。MBC和MBN的值均较大，则能作为喀斯特地区土壤质量变化的评价指标，本研究中土壤微生物量碳、氮及碳、氮熵变化显著，可能是多重因素综合作用的结果，与样点的空间异质性较大有关。

    3.2 土壤酶活性对坡位与剖面层次的响应

    土壤中一切生化反应都是在土壤酶的参与下完成的，土壤酶是生态系统中物质循环和能量流动过程中最为活跃的生物活性之一，其活性与土壤的理化性质和其他生物学特征紧密相关，常被作为评价土壤质量的重要指标。

    金银花林地同一土壤剖面层次，土壤过氧化氢酶(CAT)和壤蔗糖酶(INV)均随着坡位的下降呈先增加后减少的趋势，但无显著差异，且在中坡达到最大值，这可能因为中坡郁闭度高，积累的枯枝落叶和腐殖质较上坡和下坡多，其有机质含量高，在同一环境中，为土壤酶提供了更多的底物。土壤脲酶(URE)则随着坡位的下降先增加，且中坡与下坡值无显著差异。这说明不同坡位的CAT、INV、URE相差甚小，可见喀斯特地区坡位对土壤酶活性的影响不显著，与严令斌等对宁夏固原黄土丘陵区天然草地坡位对土壤酶活性的研究结论一致。

    金银花林地同一坡位，表层CAT、INV、URE均大于亚表层，这主要是因为表层土壤的枯枝落叶量、有机质以及通透性等因素较亚表层更高，随着土壤剖面的加深，微生物量的生长环境变差，进而使土壤酶活性降低。表层和亚表层的CAT、INV、URE均无显著差异，表明喀斯特地区土壤剖面对土壤酶活性的影响不显著，这与刘璐的研究不一致，这可能是因为金银花林地的黄壤土层太薄，导致土壤酶活性随剖面层次的加深无显著变化。

    3.3 土壤微生物量碳氮与土壤酶活性的相关性

    土壤微生物量碳氮与土壤酶密切相关，土壤酶活性常被作为微生物活性的指示物。由西南喀斯特地区金银花林地土壤微生物量碳氮和土壤酶的相关性分析可知，SMBC、SMBN、MBC、MBN四个因素，两两之间均呈极显著正相关。SMBC、SMBN、MBC、MBN与土壤CAT、INV呈极显著(<0.01)正相关，SMBN与URE呈显著(<0.01)正相关，与pH呈显著(<0.01)负相关，说明SMBC主要受INV和CAT的影响，SMBN则主要受CAT、INV、URE、pH共同影响。

    金银花林地不同坡位与土壤剖面层次的微生物量碳、氮和碳、氮熵与土壤酶活性存在着复杂且密切的联系。不能简单的说土壤微生物碳氮、碳氮熵的增加或减少有助于提高土壤酶的活性。但可以明确的是表层微生物量碳、氮和碳、氮熵与土壤酶活性均高于亚表层。本研究在对西南喀斯特山区金银花林地不同坡位和土壤剖面的微生物量碳氮与酶活性分异特征的研究中未考虑金银花林郁闭度和林下草本郁闭度及丰富度对土壤微生物碳氮、碳氮熵和土壤酶活性的影响。而它们之间也存在紧密相关。因此，以后的研究将把植物郁闭度和植物群落特征因素纳入研究，旨在完善不同坡位和土壤剖面对土壤微生物量碳氮与酶活性影响的评价指标，并为该地区经济林的生态环境恢复重建和可持续发展提供科学论据。

    坡位与土壤坡面层次是影响土壤微生物和酶活性的重要因素，随坡位下降，土壤脲酶活性增强，土壤微生物量碳、氮、碳熵、氮熵、过氧化氢酶及蔗糖酶活性先增加后降低，且在中坡时值达最大。表层土壤微生物量碳、氮、碳熵、氮熵、过氧化氢酶、蔗糖酶及脲酶活性高于亚表层。土壤微生物量碳、氮、碳熵、氮熵、过氧化氢酶、蔗糖酶及脲酶间存在极显著(<0.01)或显著(<0.05)的相关关系。

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