湖南崀山森林公園不同植被條件下土壤微生物量及酶活性研究

楊賢均，王業社，段林東，陳立軍，晏雪晴

(邵陽學院城市建設系，湖南邵陽422004)

微生物量、酶活性等土壤生物學參數是常用的表征土壤質量變化及其動態的參數。土壤微生物生物量是表征土壤肥力特征和土壤生態系統中物質和能量流動的一個重要參數，是土壤養分的儲存庫和植物生長可利用養分的重要來源［1-4］。而土壤酶作為土壤組分之一，以穩定蛋白質形態存在于土壤中，是具有蛋白質性質的高分子催化分解有機物，是一類生物催化劑。由于植被類型以及土壤、土層深度的不同，使土壤微生物量、土壤酶活性呈現不一樣的變化規律［5-8］。如魏亞偉等［2］、楊成德等［4］報道土壤微生物量隨植被類型、土層深度的變化而變化。于方明等［5］、李為等［6］、符裕紅等［7］研究結果表明不同植被類型、不同土壤類型及不同土層深度其土壤酶活性表現出不一樣的變化特征。

崀山位于湖南省南部跟廣西交界的新寧縣。目前，該地區因旅游與生態發展矛盾突出，植被恢復成為該地區的首要任務之一［9］。而對不同階段植物群落的研究主要集中在物種組成及生態位變化上［10-11］，有關于崀山森林公園不同恢復階段植物群落土壤酶活性以及微生物量的研究還尚未報道，因此本研究擬通過對崀山森林公園植物群落的灌木階段、喬灌階段和喬木階段3個不同恢復階段0～20 cm，20～40 cm土層中的土壤酶活性及微生物量進行研究，以揭示崀山森林公園植物群落恢復過程土壤環境變化、土壤酶活性及微生物量變化規律，為崀山森林公園生態系統植被恢復和重建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域自然概況

研究區域位于湖南省邵陽市，年平均氣溫17.1℃，7月最熱，月平均氣溫28.5℃;1月最冷，月平均氣溫4.7℃，≥10℃年積溫為5000～5400℃，無霜期271～309 d。市境內全年日照時數為1350～1670 h，年日照百分率為31% ～38%，太陽年輻射總量為4131～4519 MJ/m2。全市年降雨量1000～1300 mm，年內各月降雨量以5月最多，達200～230 mm，12月最少，為43～53 mm。崀山景區氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候［10-11］。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣的采集與處理 植物群落不同恢復階段樣方概況見表1。本研究于2012年8月進行了實地考察，采用典型取樣法選擇立地條件基本一致的地段設置樣方，植物群落灌木階段(A)、喬灌階段(B)和喬木階段(C)3種類型各設置重復樣方5個，每個樣方面積為20 m×20 m，每個樣方內再設置4個面積為5 m×5 m的小樣方，在已建立的標準樣地中心與四角為采樣點進行采樣，分別采集土層深度為0～20 cm(分別標記為A1，B1，C1)、20～40 cm(分別標記為A2，B2，C2)2個層次的土壤，每層采集土樣約1 kg，將同一樣方內同一土層所采集的土樣充分混勻，再利用四分法的方式收集土壤1 kg左右帶回實驗室。帶回實驗室后，將一部分新鮮土壤過10目(2.00 mm)篩后存放于－4℃用于土壤酶活性測定;另取一部分土壤經自然風干后，過20目(0.90 mm)、100目(0.15 mm)篩，用密封袋封好后用于土壤理化性質的測定。

表1 植物群落樣方基本情況Table 1 Basic conditions of sampling sites of phytocoenosis communities

1.2.2 土壤基本性質測定 土壤pH值采用中國農業行業標準(NY/T1121.2-2006)的方法［12］，水土之比為2.5∶1。土壤中有機碳含量的測定采用K2Cr2O7外加熱法［13］。土壤中全磷采用鉬銻抗比色法測定［13］，土壤全氮用半微量凱氏定氮法測定［13］。

1.2.3 土壤水溶性鹽含量的測定 土壤水溶性鹽含量的測定采用電導法［3］，通過測定待測液電導率的高低即可測出土壤水溶性鹽含量。稱取過1 mm篩風干土20.00 g，置于250 mL干燥三角瓶中，加入蒸餾水100 mL(水土比5∶1)，振蕩5 min，過濾于干燥三角瓶中，需得到清殼濾液，吸取土壤浸出液30 mL放在50 mL小燒杯中，測量溶液溫度，然后用電導儀測定待測液的電導度。

1.2.4 微生物量測定 微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷用氯仿熏蒸浸提法［4］。稱取30 g經7 d預培養的土樣于100 mL燒杯中，并和盛有50 mL氯仿及50 mL 1 mol/L NaOH的燒杯同時置入干燥器，用真空泵抽至氯仿沸騰并保持5 min后，密封置于25℃恒溫箱中熏蒸24 h。待熏蒸結束后，取出氯仿和NaOH，用真空泵反復抽氣直至土壤無氯仿氣味后用于微生物量的測定。將熏蒸土樣用0.5 mol/L K2SO4溶液振蕩浸提用于微生物量碳和微生物量氮測定，或用0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)溶液振蕩浸提用于微生物量磷的測定。在進行熏蒸的同時稱取同樣質量的土樣3份立即浸提和測定，以不熏蒸為對照。

1.2.5 土壤酶的測定 脲酶采用苯酚鈉比色法［14］，脲酶活性以37℃培養24 h后以1 g土壤NH3-N的mg數表示。蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，蔗糖酶活性以37℃培養24 h后1 g土壤葡萄糖的mg數表示。過氧化氫酶活性采用0.10 mol/L KMnO4滴定法，過氧化氫酶活性以振蕩20 min后，滴定1 g土壤所消耗的KMnO4的mg數表示。磷酸酶活性采用氯代二氯對溴苯醌亞胺比色法，磷酸酶活性以37℃培養24 h后1 g土壤中釋放的酚的mg數表示。蛋白酶活性采用茚三酮比色法，蛋白酶活性以30℃培養24 h后1 g土壤NH3-N的mg數表示。

1.3 數據處理

實驗結果均為3次實驗值的平均值，所得數據采用Excel 2003和SPSS 13.0處理。

2 結果與分析

2.1 不同恢復階段不同土層土壤基本性質

由表2可知，不同恢復階段、不同土層土壤的基本理化性質存在一定的差異，其中A、C階段土壤pH呈中性，而B階段呈酸性。土壤有機質、全磷、全氮0～20 cm均高于20～40 cm，且0～20 cm土層中有機質和全氮含量均顯著高于20～40 cm(P＜0.05)，在A、B、C三個階段中，以C階段的有機質、全磷、全氮含量最高。

表2 不同恢復階段土壤基本性質Table 2 Physico-chemical properties of tested soil

2.2 土壤微生物量碳、氮和磷及對土壤營養庫的貢獻率

從圖1中可以看出不同恢復階段的微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷含量均表現為0～20 cm顯著高于20～40 cm(P＜0.05)。微生物量碳以C階段最高，且與A、B兩階段差異顯著 (P＜0.05)。0～20 cm土層中的微生物量氮以B階段最低，A、C階段差異不顯著 (P＞0.05)，20～40 cm土層中的微生物量氮在A、B、C三階段無顯著性差異 (P＞0.05)。微生物量磷以C階段含量最高，且在0～20 cm、20～40 cm均表現為C＞A＞B。微生物量碳、氮、磷對土壤有機質、全氮、全磷的貢獻率均表現為0～20 cm大于20～40 cm。從土壤微生物量碳對土壤有機質的貢獻率來看，0～20 cm土壤微生物量碳對土壤有機質的貢獻率為0.69% ～1.02%，20～40 cm為0.41% ～0.53%，其中C階段最高，分別達到1.02%和0.53%。相對于微生物量碳來說，微生物量氮的貢獻率高于微生物量碳，0～20 cm土壤微生物量氮對土壤全氮的貢獻率為1.27% ～1.75%，20～40 cm為0.73% ～0.85%。0～20 cm微生物量磷對全磷的貢獻率為2.96% ～3.32%，20～40 cm為1.89% ～2.18%。

2.3 不同恢復階段土壤酶活性的變化

從表3可以看出，0～20 cm土層中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性顯著高于20～40 cm(P＜0.05)。不同恢復階段0～20 cm 土層中蔗糖酶活性分別高出20～40 cm 35.69%，15.14%，15.14%;在 A、B、C三階段中，0～20 cm土層的脲酶活性表現為C＞B＞A，且差異顯著(P＜0.05)，其中A、B恢復階段的酶活分別是C的42.93%，84.29%;20～40 cm土層中，A階段脲酶活性顯著小于B、C恢復階段的活性(P＜0.05)。在3個不同恢復階段中，A恢復階段蛋白酶活性最高，且顯著高于B、C階段的(P＜0.05)，分別是B、C階段的1.244，1.442倍和1.680，1.713倍;中性磷酸酶以B恢復階段的活性最高，堿性磷酸酶則以A階段的最高。不同恢復階段土壤中過氧化氫酶活性在不同土層之間具有一定的差異，0～20 cm層3個不同恢復階段的過氧化氫酶活性差異不顯著(P ＞0.05)，其中20 ～40 cm 土層的酶活是0 ～20 cm 土層的95.48%，92.72%，94.33%。

圖1 土壤微生物量碳、氮和磷及對土壤營養庫的貢獻率Fig.1 Changes of the soil soil microbial biomass C，soil microbial biomass N，soil microbial biomass P and the ratios of soil microbial biomass C/soil organic carbon，soil microbial biomass N/soil organic nitrogen，soil microbial biomass P/soil organic phosphorus

3 討論

土壤微生物量碳作為土壤有機碳中最活躍和最易變化的部分，直接參與養分循環轉化等生物化學過程，同時又與土壤中的C、N、P、S等元素生物地化循環密切相關，是反映土壤微生物活性強度及有機質分解過程的重要指標，加之對環境變化敏感性高，常被作為土壤有機碳動態的早期響應指標［15-16］。本研究結果表明，崀山植物群落不同恢復階段土壤微生物量碳均表現為0～20 cm土層高于20～40 cm土層，這與前人的研究結果一致［17-18］，且在喬木階段顯著高于灌木階段和喬灌階段，這可能是由于地表覆蓋物以及植被類型對土壤微生物量碳的影響較大的原因所致。土壤微生物量P是土壤有機P中最為活躍的部分，是土壤P養分的重要源和庫［17］，本研究結果表明，微生物量磷以C階段含量最高，這與從農田到喬木演替各階段中微生物量P呈上升變化趨勢的結果一致［17］，表明同一群落類型的不同階段對微生物量P的影響差異較大，可能歸因于土壤環境與植物生長等的復雜交互作用［1］。

表3 不同恢復階段土壤酶活性的變化Table 3 The activity of soil enzyme in the soil of the three different recovery stages

土壤微生物量對土壤營養庫的貢獻率反映了土壤單位營養所負載的微生物量。本研究結果表明檵木群落不同恢復階段的微生物量碳、氮、磷對土壤有機質、全氮、全磷的貢獻率分別為0.41% ～1.01%，0.73% ～1.74%，1.89% ～3.32%，且均表現為0～20 cm大于20～40 cm，低于人工種植刺槐林后土壤微生物量碳、氮占有機碳、全氮的比例［19］，這可能是由于喀斯特地貌土層發育較淺土壤有機碳和氮素貧瘠，微生物代謝功能期短，要維持植物生長所需要的碳源、氮源和營養物質，則必須提高微生物量在有機碳和全氮中所占比例來維持高的物質代謝能力有關［19］。20～40 cm土層貢獻率較0～20 cm雖低，但還是有一定的貢獻率，表明20～40 cm的微生物還是具有潛在固定礦物質的能力，是一種潛在的營養庫，對生態系統能量流動和物質轉化具有一定作用［4，20-22］。

土壤酶是一類能加速土壤生化反應的生物催化劑，在物質循環、能量轉化、加速生物化學反應等方面起著非常重要的作用。本研究結果表明，崀山森林公園植物群落不同恢復階段土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶(中性和堿性)、蛋白酶和過氧化氫酶的活性，在不同恢復階段土壤酶活性均表現為0～20 cm土層高于20～40 cm土層。這主要是因為在不同恢復階段土壤的表層積累了大量枯枝落葉，經過微生物分解形成腐殖質，使得表層土壤中的有機質含量相對較高，再加上土壤表層水熱條件和通氣性能好，為微生物的生長提供了有利的環境與物質能源，有利于微生物的活動，使得土壤酶活性也較高［20］。而20～40 cm土層酶活性較低，有可能與該區域屬于典型的巖溶地區，土壤貧瘠，土層厚度較薄有關。隨著土層深度的不斷增加，土壤孔隙變小，植物根系不發達，同時土壤的水熱條件和通氣性能差，不利于微生物的活動，使得土壤酶活性降低。

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