寧夏引黃灌區(qū)不同鹽化程度土壤酶活性及微生物多樣性研究

李鳳霞，王學(xué)琴，郭永忠，許 興

（1．寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川750002；2．寧夏大學(xué)，銀川750021；3．寧夏科技發(fā)展戰(zhàn)略與信息研究所，銀川750001；4．寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠所，銀川750002）

隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，耕地資源日益緊缺，鹽漬土地的開墾利用受到高度重視。調(diào)查資料表明，寧夏銀北鹽漬化面積中重度、中度和輕度鹽漬化面積分別占11．1%，12．2%和25．2%，鹽漬化面積占總面積的50%以上［1］。土壤酶在土壤碳、氮、磷、硫等元素的循環(huán)中起著重要的生物學(xué)催化劑的作用，其活性的強(qiáng)弱直接與土壤肥力密切相關(guān)。土壤酶能夠反映出土壤質(zhì)量在時(shí)間序列或各種不同條件下的變化，其測(cè)定值能合理地估測(cè)某一時(shí)刻土壤質(zhì)量的狀況［2］。人們常把土壤微生物多樣性、土壤酶活性作為評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，但在評(píng)價(jià)土壤的肥力水平時(shí)，不能只著眼于單一酶活性的變化，應(yīng)考慮土壤酶的總體［3－4］。對(duì)松嫩平原和天津鹽堿地土壤酶活性有研究報(bào)道［5－6］，近年來(lái)寧夏引黃灌區(qū)在鹽堿地改良方面已開展了大量的研究工作，但關(guān)于不同程度鹽化土壤酶活性及土壤多樣性特征研究很少［7］。

本文旨在探討不同鹽化程度土壤微生態(tài)變化機(jī)理，為寧夏引黃灌區(qū)鹽化土壤監(jiān)測(cè)、調(diào)控和改良利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2010年在寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)禮和鄉(xiāng)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)域位于寧夏回族自治區(qū)最北端，東經(jīng)105°71′13″，北緯39°09′16″，屬于中溫帶半干旱、干旱區(qū)，年平均氣溫8．4～9．9℃，降水少，蒸發(fā)量大，年平均降水量167．5～188．8mm，年蒸發(fā)量1 708．7～2 512．6mm，晝夜溫差大［8－9］。地下水位高，土壤鹽分含量高、土壤瘠薄，是寧夏鹽漬化分布面積最大的區(qū)域。全年平均相對(duì)濕度為56%，無(wú)霜期192d［10］。環(huán)境因素以及人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，造成了生態(tài)環(huán)境惡化。土壤鹽漬化是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)最大的一項(xiàng)限制因子。

1．2 研究方法

1．2．1 樣區(qū)選擇及取樣 根據(jù)寧夏銀北鹽堿地區(qū)劃分布圖和鹽漬土分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［11］，采用GPS進(jìn)行野外調(diào)查定點(diǎn)取樣并進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試分析，在惠農(nóng)區(qū)禮和鄉(xiāng)鹽漬化土壤區(qū)域按土壤全鹽含量選擇① 輕度鹽漬化土壤（2．0～5．0g／kg）、② 中度鹽漬化土壤（5．0～7．0 g／kg）、③ 強(qiáng)度鹽漬化土壤（7．0～10g／kg）共3個(gè)不同鹽化程度土壤設(shè)立采樣點(diǎn)進(jìn)行取樣。對(duì)每種程度鹽漬化土壤樣點(diǎn)設(shè)立5個(gè)重復(fù)，取樣層次分為土壤剖面0—20cm和20—40cm兩個(gè)深度進(jìn)行分析測(cè)定。土壤酶活性分別在2010年6月、8月和9月取樣，土壤微生物多樣性僅在8月取樣，將所取得的5個(gè)重復(fù)的土樣去除根系和石塊，充分混勻后分為兩份，一份裝入無(wú)菌自封袋帶回放入4℃冰箱保存用于測(cè)定土壤微生物多樣性，一份帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后磨碎過(guò)1 mm篩用于測(cè)定土壤酶活性及土壤理化性質(zhì)。

1．2．2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 土壤微生物多樣性測(cè)定采用有31種碳源的Biolog ECO－plate方法，每個(gè)生態(tài)板上微生物群落活性用平均顏色變化率（Average Well Color Development，AWCD）表達(dá)［12］。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定（1h后每百克土的NH3—N毫克數(shù)表示），反應(yīng)底物為尿素；過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定（以單位土重的0．1 mol／L高錳酸鉀對(duì)照與測(cè)定差值毫升數(shù)表示）；轉(zhuǎn)化酶采用滴定法（以1h后單位土重的0．1mol／L硫代硫酸鈉與對(duì)照測(cè)定差值毫升數(shù)表示）；土壤堿性磷酸酶活性采用苯磷酸二鈉法（以1h后每克干土釋放的酚的毫克數(shù)表示）。有研究表明，這4個(gè)酶活性與土壤質(zhì)量關(guān)系較密切［13］，其測(cè)定方法均見文獻(xiàn)［14］。土壤其它化學(xué)性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)分析法［15］。

1．2．3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和DPS V 9．5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同鹽化程度土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析

隨著現(xiàn)代微生物生態(tài)研究方法的出現(xiàn)，越來(lái)越多的學(xué)者應(yīng)用單一碳源微生物群落（Biolog）技術(shù)來(lái)研究不同農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響［16］。土壤微生物在Biolog Eco微平板反應(yīng)中，其新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的脫氫酶能降解四氮疊茂，使四氮疊茂變成紫色，根據(jù)每孔顏色變化程度可以反映土壤微生物對(duì)31種不同單一碳源的代謝能力高低。

于培養(yǎng)第7天測(cè)定不同鹽化土壤微生物對(duì)不同碳源利用的反應(yīng)孔數(shù)、微生物群落多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)（表1）。由表1可知，0—20cm強(qiáng)度鹽化土壤的反應(yīng)孔數(shù)、Simpson（J）指數(shù)、Shannon（H）多樣性指數(shù)、Brillouin指數(shù)、McIntosh指數(shù)和均勻度指數(shù)都較中度和輕度鹽化土壤低，分別為25，0．972，4．177，3．243，0．922，0．882；其中均勻度指數(shù)表現(xiàn)為輕度＞中度＞強(qiáng)度，McIntosh指數(shù)和Shannon（H）多樣性指數(shù)表現(xiàn)為中度＞輕度＞強(qiáng)度，但Simpson（J）指數(shù)McIntosh指數(shù)和Shannon（H）多樣性指數(shù)在輕度鹽化土壤和中度鹽化土壤之間差異不顯著。20—40cm各程度鹽化土壤之間反應(yīng)孔數(shù)、多樣性指數(shù)及均勻度指標(biāo)都達(dá)到顯著差異水平（P＜0．01）。其中反映孔數(shù)、Shannon（H）多樣性指數(shù)、Brillouin指數(shù)均表現(xiàn)為輕度＞中度＞強(qiáng)度，Simpson（J）指數(shù)和 McIntosh指數(shù)表現(xiàn)為中度鹽化土壤最低。說(shuō)明隨著鹽化程度的增加，土壤微生物多樣性指數(shù)降低，微生物活性也逐漸降低。

表1 不同程度鹽化土壤微生物平均顏色變化率（AWCD）多樣性指數(shù)

2．2 不同鹽化程度土壤酶活性研究

土壤酶參與土壤的許多重要生物化學(xué)過(guò)程和物質(zhì)循環(huán)，可以客觀地反映土壤肥力狀況。土壤微生物與土壤酶密切相關(guān)，土壤酶活性常被作為微生物活性的指示物［17－18］。

2．2．1 過(guò)氧化氫酶 過(guò)氧化氫酶能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫對(duì)各種化合物的氧化，其活性與土壤微生物活動(dòng)相關(guān)，在一定程度上反映了土壤微生物學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度。研究結(jié)果表明（表2），隨著鹽化程度的增加0—20cm和20—40cm土壤過(guò)氧化氫酶活性基本呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在季節(jié)變化方面各個(gè)土層間差異顯著，0—20cm鹽化土壤表現(xiàn)為8月＞6月＞9月。20—40 cm鹽化土壤體現(xiàn)為6月＞8月＞9月。不同程度鹽化土壤之間過(guò)氧化氫酶活性的差異性顯著（p＜0．05），鹽化土壤過(guò)氧化氫酶活性在不同土層深度間差異不顯著。

表2 銀川平原不同程度鹽化土壤酶活性分析結(jié)果

2．2．2 轉(zhuǎn)化酶 土壤的轉(zhuǎn)化酶活性與土壤中的腐殖質(zhì)、水溶性有機(jī)質(zhì)黏粒含量及微生物的數(shù)量及其活動(dòng)成正相關(guān)。常用土壤的轉(zhuǎn)化酶來(lái)表征土壤的熟化程度和肥力水平。研究結(jié)果表明（表2），不同程度鹽化土壤隨著鹽化程度的加劇土壤轉(zhuǎn)化酶呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)。同時(shí)，土壤轉(zhuǎn)化酶活性隨著取樣時(shí)間的推移而逐漸增加，即9月＞8月＞6月。其中，6月和8月的轉(zhuǎn)化酶之間差異不大，而9月的轉(zhuǎn)化酶顯著高于兩者。0—20cm不同程度鹽化土壤之間差異達(dá)到顯著水平（p＜0．05），但20—40cm輕度和中度鹽化土壤之間的差異未達(dá)到顯著水平。

2．2．3 堿性磷酸酶 磷酸酶活性能夠促進(jìn)有機(jī)磷化合物的水解，土壤微生物對(duì)于土壤含磷有機(jī)物質(zhì)的礦化起著主導(dǎo)作用。不同程度鹽漬化土壤堿性磷酸酶活性見表2。由表2可見，隨著土壤鹽化程度的加劇，土壤堿性磷酸酶活性表現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)。除中度和強(qiáng)度鹽化土壤堿性磷酸酶活性在9月的差異沒有達(dá)到顯著水平外，其余0—20cm和20—40cm鹽化土壤的堿性磷酸酶活性在不同鹽化程度土壤之間的差異顯著（p＜0．01），0—20cm 輕度、中度和強(qiáng)度鹽化土壤其堿性磷酸酶活性季節(jié)變化表現(xiàn)為9月＞8月＞6月。20—40cm不同鹽化土壤隨著取樣時(shí)間的推移，堿性磷酸酶活性表現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，即6月＞8月＞9月。

2．2．4 脲酶 土壤脲酶是一種酰胺酶，能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分子中酞鍵的水解。0—20cm和20—40cm不同程度鹽漬化土壤脲酶活性見表2。表2說(shuō)明，不同鹽化程度土壤脲酶活性隨著鹽化程度的加重表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)，0—20cm土壤脲酶活性降低的幅度高于20—40cm。在季節(jié)變化上，0—20cm和20—40cm鹽化土壤脲酶季節(jié)變化波動(dòng)很大，沒有明顯的規(guī)律，20—40cm土層深度輕度和中度鹽漬化土壤脲酶活性為6月＞8月＞9月，而強(qiáng)度鹽化土壤脲酶活性為9月＞6月＞8月。

2．3 土壤不同鹽化程度與土壤酶活性之間的關(guān)系

對(duì)土壤不同鹽化程度與土壤酶活性之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析（表3），結(jié)果表明，土壤不同鹽化程度與土壤不同酶活性之間的關(guān)系不同。不同鹽化程度與土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶活性達(dá)之間達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系，與過(guò)氧化氫酶活性之間成正相關(guān)關(guān)系，但是沒有達(dá)到顯著水平，與土壤脲酶活性之間關(guān)系不明顯。而土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性之間互成顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤微生物多樣性指數(shù)與土壤土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性之間達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤不同鹽化程度、土壤脲酶活性之間達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 銀川平原不同程度鹽化土壤與土壤酶活性關(guān)系

3 結(jié) 論

本研究表明，隨著鹽化程度的降低，土壤微生物群落多樣性指數(shù)降低，強(qiáng)度鹽化土壤的反應(yīng)孔數(shù)、各多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)都較中度和輕度鹽化土壤低，但是Simpson（J）指數(shù)、McIntosh指數(shù)和Shannon（H）多樣性指數(shù)在輕度和中度鹽化土壤之間差異不顯著。另外，土壤過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶和脲酶活性均隨著鹽化程度的增加基本呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。過(guò)氧化氫酶活性季節(jié)變化在不同土層深度不一致，0—20cm表現(xiàn)為8月＞6月＞9月，20—40cm表現(xiàn)為6月＞8月＞9月。土壤轉(zhuǎn)化酶活性隨著取樣時(shí)間的推移而逐漸增加，即9月＞8月＞6月，不同鹽化程度土壤轉(zhuǎn)化酶活性在0—20cm土層內(nèi)的差異達(dá)到顯著水平（p＜0．05）。除中度和強(qiáng)度鹽化土壤堿性磷酸酶活性在9月差異沒有達(dá)到顯著水平外，其余土壤的堿性磷酸酶活性在不同鹽化程度土壤之間的差異性顯著（p＜0．01），不同鹽化程度土壤堿性磷酸酶活性季節(jié)變化在0—20cm土層表現(xiàn)為9月＞8月＞6月，在20—40cm土層表現(xiàn)為6月＞8月＞9月。且0—20cm土壤脲酶活性隨著鹽化程度降低的斜率顯著高于20—40cm土壤，0—20cm和20—40cm鹽化土壤季節(jié)變化波動(dòng)很大且沒有明顯的規(guī)律。土壤不同鹽化程度與土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶活性達(dá)之間達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系，而土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性之間互成顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤微生物多樣性指數(shù)與土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性之間達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤不同鹽化程度、土壤脲酶活性之間達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明土壤酶活性，尤其是土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶及微生物多樣性指數(shù)可以作為鹽堿地退化程度評(píng)價(jià)的生物指標(biāo)。

4 討 論

土壤微生物積極參與陸地生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)及能量轉(zhuǎn)化，與土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件密切相關(guān)，成為表征土壤肥力的重要指標(biāo)之一［18］。土壤中微生物多樣性及酶活性的變化可以從一個(gè)方面反映出土壤性狀的改變，因?yàn)辂}分影響了土壤的理化性狀以及生長(zhǎng)在其間的植物根系、枝葉，反過(guò)來(lái)對(duì)土壤產(chǎn)生一定的影響，包括土壤酶、微生物、腐殖質(zhì)含量、肥力狀況等。土壤是各種植物、土壤動(dòng)物和微生物生長(zhǎng)繁衍的基地，土壤生態(tài)條件直接影響到植物、土壤動(dòng)物和微生物等的生物多樣性。同時(shí)，土壤的形成和演替直接受到植物、土壤動(dòng)物和微生物的控制，直接或間接地影響到土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特征［19］。研究表明，土壤轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性在低鹽脅迫強(qiáng)度時(shí)略高于對(duì)照組，但隨鹽脅迫強(qiáng)度的加重，轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性相應(yīng)降低，鹽含量越高，酶活性越低；土壤鹽脅迫強(qiáng)度與土壤脲酶、蛋白酶、轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性均呈高度線性負(fù)相關(guān)［20］。土壤酶活性不僅與土壤鹽脅迫有關(guān)，還與土壤根系分泌物有關(guān)。另外，有研究表明，土壤酶活性與其它因素如土壤質(zhì)量、地形（坡位）等密切相關(guān)［21－22］。低濃度根系分泌物使土壤酶活性增強(qiáng)，對(duì)鹽脅迫有緩解作用［23］；高濃度根系分泌物抑制土壤酶活性，抑制植物幼苗生長(zhǎng)，加重了鹽分脅迫。相同處理?xiàng)l件下耐鹽品種土壤酶活性較鹽敏感品種受抑制度輕，受鹽害程度低，耐鹽品種可通過(guò)改善土壤微環(huán)境來(lái)加強(qiáng)其自身的耐鹽性。土壤微生物與土壤酶活性對(duì)鹽脅迫反應(yīng)極為敏感，并與棉花產(chǎn)量密切相關(guān)，是鹽脅迫下棉花顯著減產(chǎn)的一個(gè)重要原因，可作為土壤鹽脅迫過(guò)程中的重要指標(biāo)［5］。土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性之間關(guān)系顯著，土壤微生物多樣性指數(shù)與土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性之間達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤不同鹽化程度、土壤脲酶活性之間達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明鹽堿地土壤轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶與鹽漬化程度密切相關(guān)，鹽漬化程度的強(qiáng)弱直接抑制著土壤有機(jī)磷化合物的水解或土壤微生物對(duì)于土壤含磷有機(jī)物質(zhì)的礦化作用和土壤有機(jī)碳、累積、分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程。而且4種酶之間互相影響，互相制約，共同推動(dòng)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程。土壤酶活性越高，微生物作用越活躍，土壤微生物多樣性指數(shù)就越高，加速土壤有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

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