滇池西岸4种针叶林的土壤微生物与酶活性1)

陆 梅 卫 捷 韩智亮

(西南林业大学，昆明，650224)

滇池西岸4种针叶林的土壤微生物与酶活性1)

陆 梅 卫 捷 韩智亮

(西南林业大学，昆明，650224)

采用实地调查与室内实验分析相结合，对位于高原湿地滇池西岸森林公园现存4种针叶林:云南松、华山松+云南油杉混交、云南油杉、柏树的林下土壤微生物特征及酶活性进行研究。结果表明:4种针叶林中，土壤微生物数量差异性显著，呈现出从混交林到纯林逐渐减少趋势。在微生物区系组成中，细菌占绝对优势，放线菌次之，真菌最少，且均随着土层的加深而逐渐减少。华山松+油杉混交林表层土壤蔗糖酶、脲酶活性均大于其它纯林，而蛋白酶和过氧化氢酶活性则分别是油杉纯林和柏树林最大，4种酶均随着土层的加深而逐渐减少。相关性分析表明:细菌与蔗糖酶、过氧化氢酶呈正相关关系，而与蛋白酶、脲酶呈负相关关系;真菌与4种酶均呈显著及极显著正相关关系;放线菌与蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶显著相关，而与蛋白酶相关性不显著。细菌与放线菌呈现正相关关系，而与真菌呈现负相关关系，蔗糖酶与过氧化氢酶和脲酶存在极显著或显著正相关关系。4种针叶林中，华山松+油杉混交林在当地具有明显的优势，可以明显地改善林地内土壤微生物状况和酶活性，提高林地肥力。

针叶林;土壤微生物;土壤酶活性;相关性

土壤养分、微生物和酶都是土壤生态系统的重要组成成分[1]，其中土壤微生物数量反映土壤中能量循环和养分转移、运输的情况，在区别土壤性状方面较养分因子敏感[2]。土壤酶是土壤质量、生态环境效应评价中极为重要的指标之一，土壤酶活性大小反映土壤中各种生物化学过程的强度和方向，其变化是一种较理化性质变化更加敏感的反映土壤质量演变的指标[3]。众多学者通过大量研究，证实土壤酶活性、微生物和养分之间相关性显著，在不同林分、利用方式下土壤微生物种群数量和组成及酶活性存在差异，这种差异反过来对土壤结构和肥力的改善与维持产生影响[4-8]。昆明西山森林公园位于高原湖泊滇池西岸，属喜马拉雅造山运动中形成的断裂带区域，自元代以来，一直是著名旅游风景区，使其森林植被受到良好保护。随海拔高度的不同，公园内依次大面积分布云南油杉、华山松、干香柏、云南松等植被类型，成为滇中地区天然植被的缩影，这里是研究探讨该地区生物多样性的良好场所。通过对森林公园内4种主要针叶林下土壤微生物和酶活性进行研究，探讨不同针叶林类型下微生物、酶活性的差异以及两者之间的关系，了解它们与该地生态环境变化之间的关系，对研究和保护西山森林公园现有针叶植被资源有着非常重要的意义。

1 研究区概况

昆明西山森林公园位于高原湖泊滇池西岸，距昆明市区约15km，北纬24°23′～26°22′，东经 102°10′～103°40′，是碧鸡山的中间部分，属喜马拉雅造山运动中形成的断裂带区域，南北长6km，东西宽2km，面积12km2。海拔高度从滇池水面的1 884m到龙门绝壁2 600m，接近1 000m高差，从山脚至山顶随着海拔依次生长着云南油杉(Keteleeria evelyniana Mast)、云南松(pinus yunnanensis faranch)、华山松(Pinusarmandii Franch.)、干香柏(Cupressus duclouxiana Hichel)等针叶树种，同时伴生有滇青冈(Cyclobalanopsis glaucoides Schotky)、箭竹(Fargesia spathacea Franch.)等，零星分布珙桐(Davidia Involucrata Baill)、桫椤(Alsophila spinulosa(Hook.)Tryon)等国家重点保护珍稀植物。该区属于低纬度高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖湿气流的影响，气候温和，夏无酷暑，冬无严寒，四季如春，年平均气温15℃，自元代以来一直是著名旅游风景区。因此其森林植被也受到良好保护，森林覆盖率达 91.5％。

2 研究方法

2.1 样地选择与样品采集

采取野外采样和室内实验分析方法相结合，于2010年5月对西山森林公园进行全面踏查，分别选择现存4种针叶林植被类型:云南松、华山松+云南油杉混交、云南油杉和柏树的林下土壤作为研究对象，同时对样地基本情况进行调查和记录(见表1)。在每一类型下选择具有典型代表性地段设3～4个采样点，在采样点上铲除表层枯枝落叶，挖掘土壤剖面，分别在0＜h≤20cm和20cm＜h≤40cm土层采集土样于灭菌布袋中，带回实验室，放入4℃冰箱内保存，用于分析土壤酶活性和分离培养微生物种类。

表1 样地概况

2.2 实验方法

参照中国分析标准方法[9]、中国科学院南京土壤研究所《土壤理化分析》[10]、《土壤微生物研究法》[11]和许光辉等编著的《土壤微生物分析方法手册》[12]，分别测定土壤密度、孔隙度、有机质、pH值、速效氮、速效钾、速效磷、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、过氧化氢酶、细菌、真菌和放线菌。土壤密度、孔隙度采用环刀法;有机质采用重铬酸钾容量法;pH值采用电位法;速效氮采用碱解扩散法;速效钾采用火焰光度计法;速效磷采用氟化铵—盐酸法。酶活性测定，以甲苯作为抑菌剂，在加有各相应酶底物和相应pH值的磷酸盐缓冲溶液中，加入定量土样，置于不同条件下培养。脲酶采用靛酚比色法;蛋白酶采用茚三酮比色法;蔗糖酶采用Hofmann与Seeger法;过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法。细菌、真菌和放线菌培养分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、PDA培养基加抗生素和天门冬酰胺—甘油培养基加入抗生素。细菌接种后于30～32℃下培养4～7d记数;真菌于27～28℃下培养8～9d记数;放线菌于28～29℃下培养10～15d记数。每克鲜土(干土)中菌数量=(菌落平均数量×稀释倍数)/鲜土(干土)质量。数据应用Excel2003、Spass13.0等分析软件进行统计分析和处理。

3 结果与分析

3.1 4种针叶林土壤微生物特征

3.1.1 土壤微生物总数量变化

土壤是微生物生存和繁衍的自然载体，而微生物又是土壤生态系统中不可缺少的成员，一方面以有机质作为碳素和能量来源，另一方面又以有机质作为氮和其他矿质养料的储藏库，其类群和数量反映了土壤有机质与氮素营养的释放与吸收[13]。

表2 4种针叶林土壤肥力状况

表3 4种针叶林土壤微生物数量特征

研究结果表明:4种针叶林土壤中，土壤微生物总数量存在着明显差异，具体表现为:柏木林＞华山松+油杉混交林＞油杉林＞云南松林(表3)。其中柏木林微生物数量(以鲜土计)最多，达112.32×105个·g-1，最低的云南松林仅为22.81×105个·g-1，两者相差89.51×105个·g-1。出现这样的变化趋势主要是由土壤养分和外部环境状况差异引起的。不同针叶林中，土壤微生物以细菌为主，占微生物总数量的98.22％～99.81％。可见，细菌在该地区土壤生态系统中有着极为重要的作用，在分解各种有机质方面占有绝对优势，并且个体小，代谢能力强，繁殖速度快，与土壤接触的表面积较大，可以说是土壤中最活跃的生物。其次为放线菌，真菌最少，且所占比例非常低，仅分别为微生物总数量的0.05％～1.02％和0.08％～0.72％(表3)。这与崔芳芳[14]等人对秦岭山区锐齿栎、楸树、油松和日本落叶松4种典型林地土壤微生物数量进行研究所得到的研究结果一致。

在土壤的不同层次中，由于水分、养分、通气性、温度、pH值等因子的差异及不同微生物的特异性，导致微生物在土壤中的垂直分布也不均匀[1]。4种针叶林中，微生物均随着土层的加深而急剧减少，表层(0＜h≤20cm)明显大于下层(20cm＜h≤40cm)，其数量分布的表聚性非常明显。这是由于土壤表层枯枝落叶丰富，分解、转化形成腐殖质层，聚集了大约60％以上的土壤营养，为微生物提供丰富的营养物质，且林木根系绝大多数分布于表层，根系分泌的可溶性糖类、蛋白质等刺激了微生物的活动。下层土壤紧实，通气性差，不能提供给微生物良好的生存和繁殖空间，许多好气性微生物不能生存和繁殖，因此其微生物数量大大减少。

3.1.2 三大类群土壤微生物数量变化

生活在土壤中的微生物主要为细菌、放线菌和真菌，它们影响土壤的生物化学活性和土壤养分的组成与转化，是土壤肥力的重要指标之一[15]。4种针叶林中，土壤细菌数量(以鲜土计)差异性显著，表现为:华山松+油杉混交林＞柏木林＞云南油杉林＞云南松林(表3)，总体呈现出从混交林到纯林逐渐减少的趋势。其中细菌数量最多的混交林达到111.69×105个·g-1，最少的云南松林为22.4×105个·g-1，两者相差6.45倍，其余依次为柏木林和油杉林。土壤细菌的主要营养来源是植物残体，在肥沃土壤和有机质丰富的土壤中，细菌数量相应偏多，而在缺乏有机质的土壤中其数量较少[16]。混交林内枯枝落叶丰富，且成分较复杂，使其林内表层土壤有机质丰富，为85.2g·kg-1(表2)，加上土壤疏松、通气性好，为细菌生长提供了充足的养分和良好的生存环境。云南松林和油杉林地面上所积累的枯枝落叶较少，且以不容易分解的针叶为主，致使其表层土壤有机质质量分数偏低，使得细菌生活环境较差，故细菌数量最少。土壤放线菌数量(以干土计)变化与细菌基本一致，同样表现为混交林大于单一纯林，其中华山松+油杉混交林最大，其次是柏木林和油杉林，云南松林最少。

真菌呈现出与细菌不同的变化规律，总体趋势为:华山松+油杉混交林＞云南松林＞云南油杉林＞柏木林。其中华山松+油杉混交林真菌数量(以鲜土计)最多，柏木林最少(表3)。真菌的生长离不开适宜的水分状况，在最适水分以下，菌丝体减少，孢子增多，而在最适水分以上，随着水分的增多，氧气量减少，生长受到限制[17]。混交林丰富的枯枝落叶，使表层土壤密度与孔隙度较适宜，为真菌生长和繁殖提供适宜水分生长条件，因而其真菌数量在4种针叶林中最多。柏木林虽细菌数量较多，但其真菌数量却最少，这可能是因为过多细菌使真菌生长受到一定程度抑制。

3.2 4种针叶林土壤酶活性

土壤酶是土壤生物化学反应的催化剂，它参与土壤物质转化与循环，促进有机质分解，反映土壤生物活性的大小[1]。

土壤脲酶是一种水解性酶，可以分解含氮有机物，促其水解生成氨和CO2。它是决定土壤中N素转化的关键，主要来源于微生物和植物，包括活体分泌和死亡残体分解释放[18]。研究结果表明:4种针叶表层(0＜h≤20cm)土壤脲酶活性表现为华山松+油杉混交林＞柏树林＞云南松林＞云南油杉林(表4)。这是因为华山松+油杉混交林丰富的土壤有机质和速效氮为脲酶提供了大量的酶促底物，使其脲酶活性最大(表2)。柏树林有机质和速效氮质量分数也较高，且其较好的物理性质为脲酶创造了良好环境，故其脲酶活性也相对较高。而云南松林和油杉林的脲酶活性较小，这是因为二者表层养分状况较差，使其酶促底物缺乏，导致脲酶活性较低。安韶山[19]等人分析了黄土丘陵区土壤酶活性与土壤肥力因子之间的关系，结果表明:土壤脲酶酶活性依赖于有机质，当有机质质量分数增加时，脲酶积极参与其转化分解过程，活性提高。

表4 4种针叶林土壤酶活性

蔗糖酶是表征土壤生物学活性的重要水解酶，与土壤中腐殖质、有机质和黏粒的质量分数、微生物数量及呼吸强度呈正相关，对丰富土壤中能被植物和微生物利用的可溶性营养物质起着重要作用。随着土壤熟化程度的提高，蔗糖酶的活性亦增强，常用于评价土壤熟化程度和肥力水平[20]。由表4可以看出，4种针叶林表层土壤蔗糖酶活性大小顺序为华山松+油杉混交林＞柏树林＞云南油杉林＞云南松林，其值分别为6.10、5.45、4.57、3.32mL·g-1。这种变化趋势与林地内的光照条件、湿度条件以及微生物数量有关。适宜的光照条件和湿度有利于有机质的分解和微生物的活动，生物活性高，有助于促进有机残体的分解，提高土壤肥力水平，促进林木生长。

蛋白酶能促进土壤中植物残体和微生物体内的蛋白物质水解成肽或氨基酸，与脲酶一起参与土壤中的氮素转化，对土壤中生物和植物生长起着重要作用。研究结果表明，4种针叶林内表层土壤蛋白酶活性存在显著差异(表4)，呈现出云南油杉林＞华山松+油杉混交林＞柏树林＞云南松林。华山松+油杉混交林和柏树林表层(0＜h≤20cm)土壤有机质和速效氮都较丰富(表2)，所以有充足的氮源来作为酶促底物，导致其蛋白酶活性较高。反之，云南松林表层土壤的有机质和速效氮质量分数均为最低，所以其蛋白酶活性最低。油杉林的蛋白酶活性远远高于其它3个样地，但是影响其活性的有机质、速效氮等指标却都不高，可能是油杉林的某种特殊外在环境或土壤中的某项因子提高了蛋白酶活性，具体原因有待进一步研究。过氧化氢酶是在生物呼吸过程中和由于有机物各种生物化学氧化反应的结果而形成的。在生物体(包括土壤)中，过氧化氢酶的作用在于促进土壤中的过氧化氢对各种化合物的氧化，又能消除由于过氧化氢的积累造成的对土壤的毒害作用。从表4可以看出4种植被类型的过氧化氢酶活性差异不显著，其中柏树林最高，云南松林最低，二者之间的差距仅为0.03mL·g-1。

4种针叶林内4种土壤酶均具有明显的土体层次差异，表现为随土壤深度加深而递减(表4)。这主要是由于土壤表层积累了较多的枯落物和腐殖质，有充足的营养和良好的水热条件，土壤生物代谢活跃，使表层土壤积聚了较高的酶活性。随着土层的加深，有机质质量分数下降、土壤密度增加、地下生物量减少、土壤温度降低、土壤水分减少等因子限制土壤生物的代谢产酶能力，土壤酶活性随之降低。可见，土壤酶活性与土壤肥力关系密切，土壤养分充足是土壤酶活性增强的前提。

3.3 相关性

3.3.1 土壤微生物与酶活性关系

土壤是一个不断进行着复杂生物化学反应的生态系统，土壤酶催化这些生化反应，而土壤酶绝大多数来自微生物，因此土壤微生物数量与酶活性有较好的相关关系[8，21]。相关性分析表明(表5):细菌与蔗糖酶、过氧化氢酶呈正相关关系，而与蛋白酶、脲酶呈现负相关关系，但相关性不显著;真菌与蛋白酶呈现极显著正相关性，与其他3种酶也都有正相关关系;放线菌与蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶显著相关，而蛋白酶呈正相关关系不显著。

表5 土壤微生物与酶活性关系

3.3.2 土壤微生物间、酶活性间关系

相关性分析表明(表6)，细菌与放线菌呈现出正相关关系，而与真菌呈现出负相关关系，表明细菌的大量繁殖会在一定程度上抑制真菌的生长繁殖，而与放线菌具互利关系。各种酶之间均存在正相关关系，表明酶在促进各自底物分解的同时，其活性既受底物浓度高低影响，也受到其它酶的影响。4种酶之间，蔗糖酶与过氧化氢酶和脲酶之间存在极显著或显著正相关关系，相关系数分别达0.874＊＊和0.723*，表明土壤中多糖的转化与过氧化氢的水解产物有着密切的关系，与氮的转化之间关系密切并且相互影响。蛋白酶与其他3种酶之间的相关性不显著，再次说明蛋白酶的专有特性。过氧化氢酶与脲酶有较显著正相关关系，相关系数为0.635*，表明土壤孔隙度与微生物活动密切相关。由上可知，各种酶在促进土壤有机质的转化及参与土壤物质转化和能量交换中，不尽显示其专有特性，同时还存在着共性关系，这与前人对森林土壤的研究结果相一致[22]。

表6 土壤微生物间、酶活性间相关系数

4 结论

4种针叶林中，土壤微生物总数量以及3大类群微生物数量差异性显著，总体呈现出从混交林到纯林逐渐减少的趋势。在微生物区系组成中，细菌占绝对优势，放线菌次之，真菌最少，且均随着土层的加深而逐渐减少。

4种针叶林中，华山松+油杉混交林表层土壤蔗糖酶、脲酶活性均大于其他纯林，而蛋白酶和过氧化氢酶活性则分别是油杉林和柏树林最大。4种酶中土壤蔗糖酶活性差异最显著，说明蔗糖酶对外界环境条件反应最为敏感，比其它土壤酶活性能较快地反映出生物学活性强度的变化，因此土壤蔗糖酶的活性大小可以作为评价敏感指标。

相关性分析表明:细菌与蔗糖酶、过氧化氢酶呈正相关关系，而与蛋白酶、脲酶呈负相关关系;真菌与4种酶均呈显著及极显著正相关关系;放线菌与蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶显著相关，而与蛋白酶正相关关系不显著。

相关性分析表明:细菌与放线菌呈现出正相关关系，而与真菌呈现出负相关关系，表明细菌的大量繁殖会在一定程度上抑制真菌的生长繁殖，而与放线菌具互利关系。蔗糖酶与过氧化氢酶和脲酶存在极显著或显著正相关关系，相关系数分别达0.874＊＊和0.723*，说明各种酶在促进土壤有机质的转化及参与土壤物质转化和能量交换中，不尽显示其专有特性，同时还存在着共性关系。

4种针叶林中，华山松+油杉混交林在当地具有明显的优势，可以明显地改善林地内土壤微生物状况和酶活性，提高林地肥力。

[1] 陈文新.土壤和环境微生物学[M].北京:北京农业大学出版社，1989:10-43.

[2] Droan J W.Defining soil quality for a sustainable environment[J].Soil Society of America Publication，1994，35:3-234.

[3] 兰雪，戴全厚，喻理飞，等.喀斯特退化森林不同恢复阶段土壤酶活性研究[J].农业现代化研究，2009，30(5):620-624.

[4] 许景伟，王卫东，李成.不同类型黑松混交林土壤微生物、酶及其与土壤养分关系的研究[J].北京林业大学学报，2000，22(1):51-55.

[5] 张成娥，杜社妮，白岗栓，等.黄土源区果园套种对土壤微生物及酶活性的影响[J].土壤与环境，2001，10(2):121-123.

[6] 章家恩，刘文高，胡刚.不同土地利用方式下土壤微生物数量与土壤肥力的关系[J].土壤与环境，2002，11(2):140-143.

[7] 刘建新，侯振华，赵国顺.不同农田中水解酶活性和微生物组成的比较研究[J].甘肃农业大学学报，2002，37(3):342-345.

[8] 薛立，邱立刚，陈红跃，等.不同林分土壤养分、微生物与酶活性的研究[J].土壤学报，2003，40(2):280-285.

[9] 刘光崧.土壤理化分析与剖面描述[M].北京:中国标准出版社，1996

[10] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析手册[M].上海:上海科学技术出版社，1978:62-140.

[11] 中国科学院南京土壤研究所.土壤微生物研究法[M].北京:科学出版社，1985:40-50.

[12] 许光辉，郑洪元.土壤微生物分析方法手册[M].北京:中国农业出版社，1986:1-70.

[13] 曹志平.土壤生态学[M].北京:化学工业出版社，2007:40-74.

[14] 崔芳芳，刘曾文，付刚，等.秦岭山区几种典型森林的土壤微生物特征及其对人为干扰的响应[J].西北林学院学报，2008，23(2):129-134.

[15] 薛立，陈红跃，邝立刚.湿地松混交林地土壤养分、微生物和酶活性的研究[J].应用生态学报，2003，14(1):157-159.

[16] 郑诗樟，肖青亮，吴蔚东，等.丘陵红壤不同人工林型土壤微生物类群、酶活性与土壤理化性状关系的研究[J].中国生态农业学报，2008，16(1):57-61.

[17] 金继运.土壤养分状况系统研究法及其运用初报[J].土壤学报，1995，32(1):84-90.

[18] 和文祥，朱铭莪.陕西土壤脲酶与土壤肥力关系研究[J].土壤学报，1997，34(1):42-52.

[19] 安韶山，黄懿梅，刘梦云，等.宁南山区土壤酶活性特征及其与肥力因子的关系[J].中国生态农业学报，2007，15(5):55-58.

[20] 关松荫，张德生，张志明.土壤酶及其研究法[M].北京:中国农业出版社，1986.

[21] 李跃林，李志辉，彭少磷.典范相关分析在桉树人工林地土壤酶活性与营养元素关系研究中的应用[J].应用与环境生物学报，2002，8(5):544-549.

[22] 何斌，温远光，袁霞，等.广西英罗港不同红树植物群落土壤理化性质与酶活性的研究[J].林业科学，2002，38(2):21-26.

Soil Microbes and Enzyme Activities in Four Types of Coniferous Forests in West Bank of Dianchi Lake，Kunming

/Lu Mei，Wei Jie，Han Zhiliang(Department of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-56～59

Coniferous;Soil microbes;Soil enzyme activities;Correlations

S153.6:S154.3

1)国家自然科学基金(40971285)，西南林业大学水土保持与荒漠化防治重点学科建设项目。

陆梅，女，1978年8月生，西南林业大学环境科学与工程系，讲师 E-mail:lumeizx@yahoo.com.cn。

2011年月1月20日。

责任编辑:戴芳天。

An experiment was conducted to study the soil microbes and enzyme activities of four types of coniferous forests in Dianchi Forest Park，Kunming through field investigation and laboratory analysis.A significant difference in the quantity of soil microbes was observed，indicating a gradually decreasing trend from the mixed forest to the pure forest.In the microbial composition，bacteria are dominated，followed by actinomyces and fungi in order.The quantities of soil microbes all decrease with soil depth.The activities of invertase and urease in the surface soil in Pinus armandii+Keteleeria evelyniana mixed forest are higher than those in other pure forests，while protease activity and catalase activity are the highest in K.evelyniana forest and Cupressus duclouxiana forest，respectively.Correlation analysis shows that bacteria are positively correlated with invertase and catalase，but negatively correlated with protease and urease.A significant or highly significant positive correlation was found between fungi and the four enzymes.Actinomyces are significantly correlated with invertase，urease and catalase，but weakly correlated with protease.Bacteria are positively related to actinomyces，but negatively related to fungi.There is an extremely significant or significant positive correlation between invertase，catalase and urease.P.armandii+K.evelyniana forest has obvious advantages in increasing soil microbes and enzyme activities;thereby it can improve soil fertility of forest land.