馬纓杜鵑的花葉凋落物配比對土壤微生物量與酶活性的影響

吳 迪，李良良，張紅軍，張建利，李葦潔*

(1.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；2.貴州百里杜鵑管理區城鄉建設規劃局，貴州 大方 551500)

【研究意義】土壤微生物和土壤酶都是土壤的重要組成部分，森林凋落物分解歸還到土壤中的養分是植物和土壤微生物所需養分的主要來源，而土壤微生物又制約著枯枝落葉和土壤有機質的分解轉化及循環利用[1-2]。土壤酶來源于土壤中動物、植物根系和微生物的細胞分泌物以及殘體的分解物，催化土壤中各類生物化學的反應，常被用作反應土壤肥力狀況及土壤生態變化的敏感指標[3-4]。然而，森林凋落物的數量和組成受氣候變化和人為干擾的影響，這些變化均可能導致土壤微生物及土壤酶活性的改變[5-6]。因此，探明森林凋落物的數量和組成一方面可對森林資源進行合理有效利用，另一方面對改善和提高森林土壤質量具有指導意義。【前人研究進展】胡亞林等[7]研究表明，調節凋落物組成后，土壤微生物碳會發生明顯變化。王清奎等[8]研究表明，添加葉凋落物能顯著增加土壤微生物碳、氮及土壤呼吸強度和可溶性有機碳含量。李鑫等[9]研究認為，植物莖葉的分解顯著提高土壤細菌和真菌的豐度及多樣性，且不同植物莖葉分解下土壤酶活性的差異也較為顯著。DILLY 等[10]對溫帶地區農田土壤酶活性的研究表明，土壤酶活性與枯落物性質、分解時間的相關性遠大于與分解環境的相關性。溫明章等[11]研究發現，草原上凋落物增加，土壤的水熱條件和團粒結構改善，增加孔隙度，利于微生物的呼吸，但當凋落物層達到一定厚度時，土壤溫度降低，通透性變差，不利于土壤微生物的生長。然而以上基于不同地帶及不同生態系統的研究結論是否適用于百里杜鵑森林生態系統，還需進一步驗證。【本研究切入點】百里杜鵑生態旅游區是迄今為止發現的地球同緯度范圍內中低海拔區面積最大(延綿125.8 km2)的天然杜鵑林[12]，是世界罕見的具有特殊保護價值的森林生態系統。馬纓杜鵑(Rhododendrondelavayi)是百里杜鵑景區杜鵑花群落的建群種和優勢種，在景區有純林分布，且面積較大，其新鮮的凋落花朵占每年林分凋落物總量的20%左右，是百里杜鵑森林凋落物的重要組成[13]。當前，百里杜鵑景區的花朵除觀賞外并沒有進行其他利用，而凋落杜鵑花是具有很大藥用經濟價值的資源，可作為新的經濟收入點。如何在不影響旅游功能及生態功能的前提下，掌握好凋落花朵的利用強度閾值是凋落花朵得以再利用的關鍵。【擬解決的關鍵問題】通過研究馬纓杜鵑林花葉凋落物分解對土壤微生物種群數量與酶活性的影響，旨在了解凋落花朵在百里杜鵑天然林養分循環及維持土壤生物性質中所起的作用，為景區合理利用凋落花朵、平衡資源保護與利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

百里杜鵑生態旅游區位于貴州省西北部大方縣與黔西縣交界處，海拔1300～1800 m，總面積12 580 hm2[14-16]，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫11.8 ℃，年降雨量1180 mm；4月份平均相對濕度最小(79%)，12月份平均相對濕度最大(89%)，呈冬濕春干特點[17-19]。試驗選擇景區內馬纓杜鵑的純林地1塊，林齡超過30年，密度2500株/hm2，郁閉度0.85，枯落物厚度3～4 cm，未分解層1 cm，半分解層2 cm，已分解層0～1 cm。土壤類型為黃壤，pH為4.8～5.5，土層厚度為20～25 cm。

1.2 試驗設計

于2017年3—4月每2 d收集1次凋落物，分別收集馬纓杜鵑當年花和葉凋落物，取回實驗值置于烘箱中，60 ℃烘干至恒量待用。采用凋落物分解袋法[20-21]，將采回的馬纓杜鵑花葉凋落物按不同比例混合后置于300 目的尼龍分解袋，并將之放置于試驗樣地，經不同時段分解后，分析花葉凋落物分解對土壤微生物種群數量與酶活性的影響。以凋落物不同花葉質量配比為處理對象，共設置5個處理，T1:花葉配比為0∶10，即純葉處理；T2：花葉配比為1∶9；T3:花葉配比為3∶7；T4:花葉配比為5∶5；T5:花葉配比為10∶0，即純花處理。每處理60個重復，每袋凋落物總量20 g。

1.3 試驗過程

選擇景區內1塊純馬纓杜鵑林地，清理干凈地上植被及地表枯落物，樣地上方用網攔截枯枝落葉，并用鐵絲網將樣地圍起，防止人和動物的干擾，在同一等高線上按試驗設計放置已配制好的花葉凋落物混合樣品，每個處理60個重復，共放置300個樣品袋。放置處理樣品時將尼龍網袋緊貼地面，用少量土壤壓住分解袋四角。按不同放置時間段測定土壤養分含量、土壤微生物量與酶活性，測定時間分別2017年4月(土壤初始養分值)、6月、8月、10月、12月中旬及2018年2月、4月中旬，即在分解時間分別為0、60、120、180、240、320和360 d各取土1次，測量土壤微生物種群數量與酶活性。取土時將分解袋移開，剔除枯枝落葉層，取0～10 cm層土壤置于密封袋中，在4 ℃冰箱保存，待測土壤微生物和土壤酶。每次取完土后將分解袋繼續放回原處。

1.4 測定項目

土壤微生物采用平板涂抹法及四分法進行測定，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基進行選擇性培養并計數，真菌采用馬丁氏培養基進行選擇性培養并計數，放線菌采用高氏1號培養基進行選擇性培養并計數[22]。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法進行測定，纖維素酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[23]。土壤全氮采用半微量凱氏定氮法進行測定，全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法進行測定，全鉀采用HF-HClO4消解，火焰光度法進行測定，堿解氮采用堿解擴散法進行測定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法進行測定，速效鉀采用NH4OAc浸提火焰光度法進行測定，有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法進行測定[24]。

1.5 統計分析

采用Excel 2013對數據進行整理及繪圖，采用Spss20.0對數據進行差異顯著性檢驗及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同花葉配比處理土壤的微生物變化

由圖1可知，隨著馬纓杜鵑花葉混合物分解時間推延，土壤細菌、真菌以及放線菌的數量均呈先升后降趨勢，且在分解240 d時達最大值。但不同花葉質量配比處理對土壤微生物的影響較大，T3處理的土壤細菌和真菌的數量最多，其中細菌數為150×105個/g，比T1即純葉片的處理高16.92%；真菌數為165.57×103個/g，比T1高40.48%，且均與其他處理差異顯著(P<0.05)。T1處理的土壤放線菌數量最多，為21.89×103個/g，顯著高于其余處理。

2.2 不同花葉配比處理土壤的酶活性變化

由圖2可知，隨著馬纓杜鵑花葉混合物分解時間推延，土壤脲酶活性大致呈M型變化，分解0 d和分解360 d的數值差異不大，在分解180 d時明顯降低，其中T1處理的土壤脲酶活性最高，為2.605 mg/g，與其他處理差異顯著(P<0.05)。土壤纖維素酶在分解過程中各處理的變化規律不一致，但各處理在分解120 d時均出峰值，在分解360 d時纖維素酶活性均降低，其中，T1處理的土壤纖維素酶活性最高，為1.059 mg/g。土壤堿性磷酸酶活性隨分解時間推延整體呈先升后降趨勢，在分解240 d時達最大值，其中T3處理的土壤堿性磷酸酶活性最高，為122.7 mg/g，且與其他處理差異顯著(P<0.05)。土壤蔗糖酶活性在分解過程中整體呈先升后降趨勢，除T4外的其余處理在分解120 d時達最大值，其中T2處理的土壤蔗糖酶活性最高，為54.49 mg/g，且與其他處理差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤初始養分與凋落物分解360 d后土壤微生物及酶活性的相關性

由表1可知，土壤養分初始含量與凋落物分解360 d以后的土壤微生物及酶活性的含量相關性不高，僅土壤初始堿解氮的含量與土壤真菌呈顯著負相關，土壤速效磷初始含量與土壤維生素含量顯著正相關，其余養分元素初始含量對凋落物長期(360 d)分解后土壤微生物及酶活性含量無明顯影響。

表1 土壤養分初始含量與凋落物分解360 d 時土壤微生物及酶活性的相關系數

3 討 論

土壤微生物在土壤生態系統循環中起著重要作用，其最顯著的成效就是分解有機質如植物殘根敗葉和施入土壤中的有機肥料等，通過本研究可知，土壤養分的初始含量并未對凋落物分解造成影響，只有經過土壤微生物作用，凋落物才能腐爛分解，釋放出營養元素，形成腐殖質，改善土壤結構。不同植物類型其土壤微生物多樣性呈較大差異[25-26]，本研究發現，馬纓杜鵑不同花葉配比對土壤微生物的數量有較大影響，其中，花葉質量配比為3∶7時土壤微生物細菌和真菌的數量最多，而純葉處理的土壤放線菌數量最多。由于土壤細菌、真菌數量受溫度、濕度以及營養物質等因素的影響，土壤中養分濃度過高或過低都不利于細菌和真菌的生長[27-28]，另外，由于馬纓杜鵑的葉片屬于革質，葉片比花更難分解，釋放養分的速度緩慢，因此，需要更多的放線菌對其進行降解。在整個花葉凋落物分解過程中，土壤微生物數量在12月(分解240 d時)最多，與宋影等[29-30]的研究結果不一致，可能是因為百里杜鵑屬于亞熱帶高原溫涼氣候所至。

土壤酶參與土壤中復雜的生物化學反應過程，如枯枝落葉的分解及催化有機物的礦化，釋放無機養分，土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等水解酶活性能夠表征土壤碳、氮、磷等養分的循環狀況，對增加土壤中易溶性營養物質起著重要作用。目前，國內外研究者對土壤酶活性和外界環境因子的關系作了大量研究，發現水肥氣熱條件與土壤酶活性密切相關[31-33]，本研究表明，不同花葉配比處理土壤酶活性的變化趨勢基本一致，但不同的土壤酶之間呈現出不同的變化規律，說明外界環境對土壤酶活性的影響較大。由于凋落物分解速率、分解程度受其自身物質組成及土壤理化性狀的影響，分解過程中營養物質在植物-土壤生態系統中不斷循環和傳遞，因此凋落物的組成及土壤理化性狀都有可能影響土壤酶的變化。本研究中，純花處理的土壤脲酶活性及纖維素酶活性最高，這可能與其初始土壤全氮含量和有機碳含量較高有關，侯彥會等[34-35]研究發現，土壤脲酶活性與有機碳、全氮、堿解氮及速效磷呈顯著正相關，且全氮是影響土壤脲酶活性的最主要因子[36]，李鑫等[9]研究發現，土壤纖維素酶活性與土壤有機碳和全氮呈顯著正相關，且純花處理的土壤放線菌數量是最多的，也可能造成土壤纖維素酶活性的升高。而土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶活性分別以花葉配比為3∶7和1∶9的處理最高，說明此時決定土壤酶活性的因素更多與馬纓杜鵑凋落物自身的組成相關，花葉混合的協同促進效應比單一凋落物更能引起土壤微生境的變化，使土壤微生物數量及多樣性增加，促進了土壤酶活性的提高，這與陳法霖等[8,37]的研究結果相似。

4 結 論

在自然狀態下，百里杜鵑生態旅游區馬纓杜鵑林的新鮮凋落花朵本身占林分凋落物總量的比例沒有葉片高，其葉片仍然是凋落物的主要構成。試驗結果證明，減少凋落物組分中花朵的量對馬纓杜鵑林區土壤生物活性的影響并不大。總體看，當馬纓杜鵑花葉凋落物中花的質量占比小于30%時，其土壤微生物量和土壤酶的活性較高，推薦該比例為馬纓杜鵑林花葉凋落物的最佳利用配比。