渾河上游河岸帶土壤微生物數量及酶活性特征

孔 濤， 吳祥云， 趙雪淞， 劉 民， 黃 靜， 張 丹

(1.遼寧工程技術大學 理學院， 遼寧 阜新 123000； 2.中國科學院 沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110016； 3.遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院， 遼寧 阜新 123000)

河岸帶是指陸地上同河水發生作用的植被區域[1]，是河水—陸地交界處的兩邊, 直至河水影響消失為止的地帶[2]，是陸地生態系統和水生生態系統的過渡區，具有明顯的邊緣效應[3]。河岸帶具備了植物截流納污的緩沖帶功能和植物根系護土的護岸功能，并且具有強大的生態保護功能，與相鄰的生態系統相比,河岸帶生態系統具有很強的生物多樣性[4-5]。河岸帶土壤質量決定了在其上生長的植被量，從而影響了河岸帶的生態功能。土壤微生物和土壤酶是土壤生態系統的重要組成成分，其中土壤微生物是土壤生化反應的推動者和參與者，是土壤有機無機復合體的重要組成部分，被認為是表征土壤質量變化最敏感最有潛力的指標[6-7]，土壤酶是土壤生物化學過程的主要調節者，活性指示了土壤總生物學活性，表征了土壤的綜合肥力特征及養分轉化進程，可作為衡量生態系統土壤質量變化的預警和敏感指標[8]。目前，對于渾河流域的研究主要集中在水體污染及修復[9-11]、河岸帶對污染物的去除等方面[12]，在河岸帶土壤微生物和酶活性方面，尚未見報道。本文選取了渾河上游4種典型植被河岸帶土壤，探討土壤微生物數量和土壤酶活性的差異及兩者之間的關系，這對了解它們與當地生態環境關系，對研究和保護渾河上游河岸帶生態資源具有重要意義。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

渾河為遼寧省東部河流，源于清原縣滾馬嶺，流經撫順、沈陽等市，在海城古城子附近納太子河，向南流至營口市附近入遼東灣，全長415 km，河寬100～200 m,流域面積 1.14×104km2，年徑流量3.05×109m3。渾河為不對稱水系，東側支流密集，坡陡谷深，水量豐富；西側支流很少，水量不大。渾河流域屬中溫帶大陸性季風氣候，其特點是春季短回暖快，風大干旱，夏季長而炎熱多雨，秋季短干燥涼爽，冬季長且較寒冷多風雪。年溫差較大，年平均氣溫5.3 ℃，此區雨熱同期，年均降雨量806.5 mm，多集中在6,7,8月，年蒸發量為1 275 mm。

本試驗采樣地點地處清原縣最南端，以山地為主，坡度 15～35°,海拔 330～1 116 m。最高峰為龍崗山，海拔1 116 m,站區內的主要河流有大蘇河、長沙屯河和平嶺后河，均發源于龍崗山下，由南向北匯入渾河，是渾河的上游支流，地理坐標為41°51′10″—41°51′13″N，124°54′43″—124°54′55″E。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點布置及樣品采集 在渾河上游支流大蘇河沿岸選擇4個典型植被區域取樣。樣地基本概況見表1。每個典型區域內選擇坡度、坡向基本一致的地段設置5個重復樣地，每個樣地土壤均為棕壤，橫向寬4 m，縱向垂直溪流方向沿坡向上，長5 m,設置于河岸植被帶內(距離水體4～10 m)。每個樣地用土鉆按S形取10個土樣，深度為0—20和20—40 cm，混勻。

表1 不同植被類型河岸帶基本概況

1.2.2 測試項目及方法 參照《土壤理化分析》[13]分別測定土壤的物理、化學性質。土壤密度、孔隙度采用環刀法，pH值采用電位法，有機質采用重鉻酸鉀法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用鉬銻抗比色法，土壤基本理化性質見表2。土壤微生物數量測定方法參照《土壤微生物研究法》[14]，細菌、真菌和放線菌數量測定采用最大或然法(MPN)，相應的培養基分別采用牛肉膏蛋白胨培養基、馬丁氏—孟加拉紅培養基加鏈霉素和改良高氏1號培養基，細菌于36 ℃培養箱內培養24 h，放線菌于28 ℃培養箱內培養3～4 d；真菌于30 ℃培養5～7 d。

土壤酶活性參照關松蔭[15]的方法：脲酶采用次氯酸鈉比色法，蛋白酶采用茚三酮比色法，蔗糖酶采用3,5—二硝基水楊酸比色法，磷酸酶采用對硝基苯磷酸二鈉法，多酚氧化酶采用沒食子酸法，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法。

1.2.3 數據分析 采用 Microsoft Office Excel 2007 軟件及SPSS 16.0對數據進行整理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型河岸帶土壤微生物數量的變化

試驗結果表明(表3)，土壤細菌、放線菌、真菌和微生物總數量在相同土壤層次大體表現出：灌木草地>次生林>人工松林>玉米地的規律。4種植被類型河岸帶土壤細菌數量在灌木草地和次生林中最高，兩者之間無顯著差異，但都與人工松林和玉米地差異顯著，灌木草地土壤表層和深層細菌數量分別達1.057×109和6.52×108cfu/g，比最低的玉米地細菌數量分別高了330.55%和341.07%。表層土壤放線菌數量在次生林和人工松林之間差異不顯著，而兩者與灌木草地和玉米地之間差異皆顯著。深層土壤放線菌數量在次生林、人工松林和玉米地之間差異不顯著，三者卻都與灌木草地之間具有顯著差異，以灌木草地最多，表層和深層分別達7.01×105和5.25×105cfu/g，比最低的玉米地放線菌數量分別高了182.97%和189.46%。

表層和深層土壤真菌數量在人工松林和玉米地之間差異不顯著，卻都與灌木草地和次生林之間有顯著差異，表現出了相同規律。土壤真菌數量以灌木草地最多，表層和深層分別達7.04×104和3.19×104cfu/g，比最低的玉米地真菌數量分別高了557.94%和275.29%。

表2 不同植被類型河岸帶土壤理化性質

表3 不同植被類型河岸帶土壤微生物數量

4種植被類型河岸帶中，土壤微生物均以細菌占絕對優勢，表層和深層細菌數量分別占微生物總數量的99.89%～99.94%和99.87%～99.94%，放線菌數量次之，表層和深層分別占0.06%～0.10%和0.05%～0.12%，真菌最少，表層和深層分別占0.003%～0.007%和0.004%～0.006%。

在土壤的不同層次中，4種植被類型河岸帶土壤微生物均隨著土層的加深而急劇減少，表層(0—20 cm)明顯大于深層(20—40 cm)，各類微生物數量在表層與深層之間都具有顯著差異(p<0.05)，表現出非常明顯的表聚性。

2.2 不同植被類型河岸帶土壤酶活性的變化

研究結果表明(表4)，4種植被類型河岸帶土壤酶活性大體表現為灌木草地和次生林最高，人工松林次之，玉米地最低。表層和深層土壤蔗糖酶和脲酶活性在4種植被類型河岸帶中呈現相同的規律，在灌木草地和次生林中最高，之間無顯著差異，但都與落葉松人工林和玉米地之間差異顯著，灌木草地表層和深層土壤蔗糖酶分別比最低的玉米地高出369.58%和228.80%，脲酶比玉米地高出133.77%和262.86%。磷酸酶活性在4種植被類型河岸帶表層和深層土壤之間均具有顯著差異，以灌木草地中最高，比最低的玉米地高出282.63%和130.30%。多酚氧化酶在4種植被類型河岸帶表層土壤之間差異均顯著，而在深層土壤中人工松林和玉米地之間差異不顯著，其活性在灌木草地中最高，表層和深層分別比最低的玉米地高了182.46%和108.57%。表層和深層土壤過氧化氫酶活性在灌木草地和次生林中最高，之間差異不顯著，但都與玉米地之間具有顯著差異，其在灌木草地的活性比最低的玉米地分別高了82.68%和67.74%。

在土壤的不同層次中，4種植被類型河岸帶土壤酶活性表現出了與土壤微生物數量相同的規律，隨著土層的加深而急劇減少，表層明顯大于深層，各種酶活性在表層與深層之間都具有顯著差異(p<0.05)，同樣表現出非常明顯的表聚性。

表4 不同植被類型河岸帶土壤酶活性

2.3 土壤微生物數量、酶活性和養分之間的相關性

相關分析表明(表5)，細菌數量與蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶5種酶之間具有顯著或極顯著的相關關系。放線菌與除了過氧化氫酶之外的其他4種酶具有顯著或極顯著的相關性，而真菌僅和蔗糖酶、磷酸酶和多酚氧化酶具有顯著的相關性。土壤微生物數量與土壤酶活性呈現了較好的正相關性，原因在于土壤酶主要來源于土壤微生物。有機質和總氮含量與細菌數量以及5種酶活性呈顯著或極顯著的相關性，總磷含量與5種酶活性呈顯著或極顯著的相關性。

土壤養分含量與土壤細菌數量和土壤酶活性之間呈現顯著正相關，表明土壤養分的增加會促進微生物的生長繁殖，同時提高了土壤酶的底物供應水平，刺激了酶活性的提高。5種酶活性之間也呈現了極顯著的正相關關系，表明酶在促進各自底物分解的同時，其活性既受底物濃度高低影響，也受到其他酶的影響。

表5 土壤微生物數量、酶活性與土壤主要養分間的相關系數

3 討 論

土壤微生物是土壤系統中極其重要和最為活躍的部分，在土壤有機物的降解、礦化釋放無機元素供其他生物吸收，營養物質轉化如碳氮循環、系統穩定性及抗干擾能力中居于支配地位，控制著土壤生態系統功能的關鍵過程[16-17]。高質量的土壤應具有穩定的微生物群落組成和結構、高微生物數量及良好的微生物活性。本文的4種植被類型河岸帶土壤微生物中細菌占絕對優勢，放線菌次之，真菌最少，表明在河岸帶條件下，細菌的繁殖力、競爭力、土壤養分轉化能力以及抗干擾能力強于其他類群，放線菌與真菌數量上不及細菌,但其絕對數量也較多,反映其對于河岸帶條件下的物質循環和系統穩定也具有一定的作用，這與陸梅等[18]研究幾種針葉林中的微生物數量的結果，呂可等[19]研究農田土壤微生物數量的結果是一致的。4種植被類型河岸帶同層土壤微生物數量在灌木草地和次生林中最多，人工松林次之，玉米地最少。微生物的生長代謝是多維環境因子綜合作用的結果，土壤微生物的營養主要來源于植物殘體，在有機質豐富的土壤中，微生物數量相應偏多，而在缺乏有機質的土壤中其數量較少[20]。灌木草地由于植被類型多樣且極為豐富，地上部分生物量大，凋落物非常豐富且易于分解，使其土壤表層有機質含量高，表層達到了92.69 g/kg，且地下根系發達，密集于土壤表層，根系的分泌物促進了微生物的生長繁殖，因而，微生物總數最高，這與趙聰等[21]研究森林次生演替群落的土壤微生物數量的結果是一致的。次生林內枯枝落葉豐富，且成分較復雜，使其林內表層土壤有機質豐富，表層達到了98.42 g/kg，并且土壤疏松，透氣性好，為微生物生長提供了充足的養分和良好的生存環境，因而，次生林中微生物數量也非常多。人工松林中地面積累的枯枝落葉較少，且其針葉不易分解，表層土壤有機質含量較低，土壤孔隙度較低，通氣性不如灌木草地和次生林，故微生物數量不如前兩者。玉米地由于幾乎沒有積累枯枝落葉層，因而土壤表層有機質含量最低，微生物數量也最少。細菌、放線菌和真菌的數量分布都表現出了明顯的表聚效應，這是由于土壤表層有機質含量較深層豐富，且通氣狀況良好，有利于微生物的生長，同時由于深層土壤溫度較低，不利于微生物的繁殖，這與許多學者的研究結果一致[21-22]。

土壤酶是土壤組分中最活躍的有機成分之一，是土壤生物化學過程的主要調節者, 對土壤中碳、氮、磷、硫等元素的循環與遷移有著重要作用[23]，主要來源于微生物[24]。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性能夠表征土壤碳、氮、磷等養分的循環狀況。蔗糖酶是表征土壤生物學活性的重要水解酶，與土壤中的腐殖質、水溶性有機質和土壤微生物的數量有關,常用于評價土壤熟化程度和肥力水平[25]。灌木草地和次生林由于枯枝落葉層厚，土壤有機質含量高，同時人為對土壤的擾動少，改善了土壤環境，土壤微生物數量最多，使得土壤蔗糖酶活性最高，而落葉松人工林和玉米地有機質含量少，人工擾動卻最多，微生物數量少，尤以玉米地為甚，因此其蔗糖酶活性遠小于前兩者。脲酶是決定土壤氮素轉化的關鍵，與土壤的微生物數量、有機質含量、氮含量呈正相關[26]。灌木草地和次生林由于土壤有機質、全氮含量高，土壤微生物數量也最多，從而顯著提高了脲酶水平，落葉松人工林次之，玉米地最少。磷酸酶活性受土壤堅實度影響較小,但受土壤通氣狀況影響很大。灌木草地和次生林由于減少了土壤翻動，根系在土壤中盤根錯節，以及枯枝落葉覆蓋等原因，改善了土壤通氣，使土壤中水分、空氣和熱量比例較為合理，從而使磷酸酶活性提高，其中灌木草地效果最好，落葉松人工林和玉米地由于人為對土壤的擾動，使得土壤通氣狀況及水熱比例不合適，因而磷酸酶活性較低，以玉米地為最低。多酚氧化酶能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，醌與土壤中其他物質反應生成有機質和色素，從而完成對芳香族物質的轉化，可以表征對土壤中污染物的凈化能力[27]。多酚氧化酶活性在灌木草地中最高，接著依次為次生林、人工松林，玉米地最低，表明灌木草地土壤對污染水體的修復能力是最強的，可將吸附在土壤中渾河水污染物轉化，而玉米地則對渾河水體的修復能力最低。過氧化氫酶的作用在于破壞對生物體有毒的過氧化氫，可以表示土壤氧化過程的強度,與土壤有機質轉化速度密切相關，其活性與土壤有機質含量和微生物數量有關[25]。灌木草地和次生林由于土壤有機質含量最高，同時適宜的營養、水熱條件有利于微生物的生長,從而提高了土壤中的過氧化氫酶活性，保護了其上植物免受過氧化氫的毒害，表明這兩種河岸帶植被土壤對河流污水具有一定的清除能力，而玉米地的土壤過氧化氫酶活性則最低。4種植被類型河岸帶土壤各種酶活性均具有明顯的土體層次差異，在表層活性最高，這主要是由于表層積累了較多的枯落物和腐殖質，有機質含量高，營養狀況和水熱條件好，微生物的代謝能力強，使土壤表層聚積了較高的土壤酶活性。

4 結 論

由于灌木草地和次生林這兩種河岸帶植被類型土壤具有最高的微生物數量和土壤酶活性，有利于碳氮磷轉化和渾河水質的凈化，土壤質量高，是渾河生態型發展的很好的河岸帶形式。而人工松林和玉米地土壤質量較低，對污染物去除能力較差，尤其玉米地的施肥措施會污染渾河水質，不適宜作為河岸帶的植被類型，所以應減少對河岸帶植被的人為擾動。

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