南岭小坑常绿阔叶林土壤脱落酸分解特征

陈传胜，黄从军,，赵厚本*，周光益，邱治军，梁瑞友

1. 中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004；2. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520；3. 韶关市曲江区国营小坑林场，广东 韶关 512162

南岭小坑常绿阔叶林土壤脱落酸分解特征

陈传胜1，黄从军1,2，赵厚本2*，周光益2，邱治军2，梁瑞友3

1. 中南林业科技大学林学院，湖南 长沙 410004；2. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520；3. 韶关市曲江区国营小坑林场，广东 韶关 512162

植物产生的脱落酸（ABA）可进入土壤并在土壤溶液中保持一定浓度，对植物生长、种子萌发、群落组成和演替具有重要意义。研究土壤ABA的分解过程有助于了解ABA在土壤中的循环过程，揭示土壤ABA和植物生长的相互关系。以广东南岭小坑常绿阔叶林为研究对像，分析了土壤理化性质和土壤ABA质量浓度的关系，并通过室内培养法结合灭菌处理研究土壤ABA的分解过程和土壤微生物在ABA分解过程中的作用。结果表明，土壤ABA质量浓度在29.8～167.0 ng·mL-1间，均值为91.5 ng·mL-1，且存在较大的空间异质性；土壤全N含量和ABA质量浓度存在正相关关系；在培养过程中，土壤微生物能够在短时间内（7 d）快速分解掉平均33.5%的土壤ABA，之后土壤ABA缓慢线性自然分解，分解速率平均为0.24%·d-1；在前期快速分解过程中，土壤ABA含量和分解速度间存在正相关关系，而在后期缓慢分解过程中则是负相关关系；土壤微生物一方面可以造成土壤ABA的快速分解，另一方面还具有防止土壤ABA质量浓度过低的作用。

脱落酸；土壤溶液；培养；灭菌；分解过程；土壤微生物

脱落酸（ABA）是植物体内产生的一种重要生长调节剂，在植物的生长发育（Weyers和Paterson，2001；姜卫兵等，2009）、种子成熟和休眠（Graeber等，2012；Ma等，2010）、对环境胁迫的响应（Finkelstein等，2002；Leung和Giraudat，1998；Weyers和Paterson，2001）等方面具有重要调节作用。植物体内产生的ABA可以通过凋落物、根系分泌、树干流等途径进入林下土壤并在土壤中具有一定的浓度。目前关于土壤中ABA的浓度、动态、作用方面的研究还较少。Hartung等（1990）测定出沙漠植物含生草（Anastatica hierochuntica）根系周围土壤ABA浓度高达40 nmol·L-1且土壤ABA能够刺激含生草根毛的产生（Hartung和Heilmeier，1992）；Hartung等（1996）测定了种植有不同农作物的石灰质土壤中ABA含量，结果表明表层土壤ABA质量浓度最高，含量在0.4～3.9 nmol·L-1范围；Zhao等（2011）测定了中国几种不同森林类型不同演替阶段林型土壤ABA浓度，结果表明土壤中ABA的含量随着森林的演替过程而升高。

土壤中的植物激素对植物生长具有重要意义，土壤中ABA和细胞分裂素、生长素共同作用影响植物的根系和枝条生长（Weyers和Paterson，2001）。土壤中的ABA还起着维持植物体内ABA浓度在正常水平的作用，有研究表明土壤ABA浓度需要保持在1 nmol·L-1以上以维持土壤和根系间脱落酸浓度的平衡，当土壤缺乏足够量的ABA时，根系中的ABA会向土壤释放从而导致植物体内ABA浓度不足，影响植物的正常生长发育（Slovik等，1995）。此外，也有研究表明ABA是一种重要的化感作用物质（Buta和Spaulding，1989；Tseng等，2003），植物通过向土壤中释放ABA而影响其他植物的生长。ABA是植物种子休眠的重要调节因子（Graeber等，2012；Ma等，2010；刘一灵等，2014），而土壤中的ABA在低浓度时能促进种子的萌发而浓度较高则能抑制种子的正常萌发（Zhao等，2011；郭栋梁等，2008；王熹等，2004）。不同植物的种子萌发对外源ABA的响应不同。一般来讲，先锋种的种子较小，萌发过程更容易受到较低浓度外源ABA的抑制，演替中后期树种种子较大其萌发过程对外源ABA相对不敏感。因此，森林土壤中的ABA会对森林结构产生影响并在森林群落演替过程中具有一定的促进作用（Zhao等，2011）。

尽管土壤ABA对植物生长和森林群落结构影响已有相关研究，但目前对土壤中ABA的输入来源和输出过程的研究还不足。Hartung等（1996）利用C14标记堆肥土中的ABA并在经过72 h培养后测得放射性ABA减少了30%～40%并且检测到了ABA的分解产物红花菜豆酸（PA）和二氢红花菜豆酸（DPA），该研究的培养周期过短不能较好说明 ABA在土壤中的分解过程和速率，且放射性ABA的减少并不能完全说明土壤ABA的减少，因为土壤微生物特别是真菌已被证明能产生 ABA（Bučková等，2000；Hartung，2010）。因而，有必要对土壤中ABA的分解特征展开进一步的研究。

本文选择广东南岭地区分布较广的常绿阔叶林为研究对象，分析了土壤理化性质和土壤 ABA含量间的关系，通过较长时间的室内培养并连续取样深入研究土壤中ABA的分解过程，并通过灭菌处理探讨土壤微生物在ABA分解过程中的作用，研究结果将对全面理解ABA在土壤中的动态过程具有重要意义，并为构建生态系统中ABA和植物相互关系模型提供数据基础。

1 研究方法

1.1 实验地概况

研究地位于广东省韶关市曲江区东南部的国营小坑林场（113°52′20.5″E，24°39′18.4″N），以中山和丘陵为主，成土母岩为变质花岗岩，地带性土壤为山地红壤。该地区属中亚热带季风气候区，年均气温18.8～21.6℃，年日照时数1473～1925 h，全年无霜期约350 d。年降雨量1400～2400 mm。试验点海拔高度为550～580 m之间，坡向为西南坡，坡度为26～33°，林龄约30 a，乔木层优势树种主要以壳斗科的藜蒴栲（Castanopsis fissa）、小红栲（Castanopsis carlesii）和樟科的黄樟（Cinnamomum porrectum）、鸭公树（Neolitsea chui）、广东润楠（Machilus kwangtungensis）等树种为主。

1.2 土壤样品采集

土壤样品于2014年5月采自我们在该地区设置的12块固定植物样地，样地面积为20 m×20 m，样地间隔在20～100 m间，在每样地的4个角距样地两侧边缘5 m处用土钻采集0～10 cm土样，每个采样点取5钻土样混合，同一个样地的4份土壤样品混合成1个样品，共获得12份土壤样品。所采土样挑出根系、石砾和植物体碎屑后过2 mm分样筛，分成2份，一份放入冰盒带回实验室用于室内培养，一份带回实验室风干、研磨、过筛后用于土壤理化性质分析。

1.3 土壤理化性质分析

土壤pH测定采用电位法，土水比为1∶2.5；土壤含水量测定采用烘干法，土壤有机碳（SOC）测定采用重铬酸钾外加热氧化法；土壤全氮含量用半微量开氏法测定；土壤全磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法；土壤速效氮含量采用碱解扩散法；土壤速效磷含量采用双酸浸提-钼锑抗比色法（鲁如坤，2000）。

1.4 室内培养实验

室内培养土壤分灭菌和非灭菌两种处理。将所采集用于培养的12份土壤样品分成2份，分别置入250 mL三角瓶中，每瓶内装约200 g土样，灭菌处理土壤用滤纸封口后置入高压蒸汽灭菌锅内120 ℃灭菌0.5 h，另取标准ABA溶液同时灭菌测定高温处理下ABA的分解率。所有土壤样品统一调节含水率至 30%，用滤纸封口后置入培养箱25 ℃避光培养，每2 d称质量一次并用灭菌去离子水补充蒸发水分。培养共计进行112 d，前期每隔7 d取5 g土壤用于ABA含量测试，共计取8次，之后每隔14 d取1次，共取4次。

土壤ABA含量采用ELISA酶联免疫法（Hocher等，1991）。土壤样品（5 g）加15 mL含1 mmol·L-1二叔丁基对甲苯酚（BHT）的80%质量分数甲醇溶液，摇匀后于4 ℃下提取4 h后于3500转离心8 min，取上清液1 mL用0.2 μm的针式过滤器过滤后过C18Sep-Pack小柱，过柱后的样品浓缩干燥后用ELISA酶联免疫法测定ABA含量。

1.5 数据分析

土壤理化性质和ABA含量间的相关性及土壤ABA含量和ABA分解速率间的相关性采用皮尔逊相关系数表示，利用统计软件SPSS13.0进行计算，采用Excel软件做图。

2 结果与分析

2.1 土壤ABA含量与土壤理化性质

所采集土壤为南岭地区常见的酸性土，因所有样地均在同一区域，土壤理化性质各样地间差异不大，其中土壤pH和水分含量样地间均一性较好，而土壤速效P样地间差异稍大。土壤溶液中ABA质量浓度在 29.8～167.0 ng·mL-1间，平均为 91.5 ng·mL-1，且样地间差异较大，表明土壤中ABA含量存在较大的空间异质性。

所测土壤理化指标中，pH、全P、速效N、速效P含量与土壤ABA浓度存在一定的负相关关系，但并不显著，相关性大小依次为速效 P>全 P>pH>速效N；水分、土壤有机碳（SOC）、全N与土壤ABA质量浓度存在正相关关系，其中SOC和全N含量与土壤ABA质量浓度相关性明显，全N含量与土壤 ABA质量浓度的相关性达到了显著水平（r=0.60，P=0.038）（表1）。

表1 土壤理化性质与土壤溶液ABA质量浓度Table 1 Soil physicochemical properties and ABA concentration in soil solution

2.2 土壤ABA分解特征

未经灭菌处理的土壤中ABA分解过程可分解为前期迅速分解和后期缓慢分解两个阶段，在培养的前7 d内ABA累计分解率为16.1%～45.8%，平均值为33.5%，之后的分解过程可以用直线函数描述，分解速率平均为0.24%·d-1，至培养周期结束累计分解率为37.7%～71.3%，平均值为58.6%。灭菌过程总计造成ABA约4%的损失，表明ABA的高温稳定性较好。灭菌处理土壤的分解过程可以用直线函数描述，整体过程较缓慢，分解速率为0.36%·d-1，在经过 112 d的培养周期后，累计分解10.7%～46.8%，平均值为31.0%（图1）。对比未灭菌和灭菌处理土壤ABA分解过程可以发现，未灭菌土壤ABA分解有明显前期快速的过程，表明土壤微生物在培养前期快速分解消耗土壤中的ABA，之后则表现出和灭菌处理类似的缓慢线性过程，表明土壤微生物在快速分解使土壤ABA质量浓度降低至一定水平后不再消耗 ABA，后期的分解过程主要是自然分解主导，且分解速率小于灭菌处理土壤。

图1 室内培养条件下ABA分解过程Fig. 1 ABA decomposition process under incubated in laboratory

将土壤ABA含量和ABA的分解速率进行相关分析后发现，土壤中ABA的含量对其分解速率有一定的影响。灭菌处理土壤溶液ABA质量浓度与其分解速率相关系数r=-0.38，说明土壤ABA含量越高自然分解速率越慢，但未达到显著相关水平（P=0.111）（图2a）。将未灭菌土壤ABA的分解过程拆分成前期快速分解阶段（0～7 d）和后期缓慢分解阶段（8～112 d）分别和土壤溶液ABA质量浓度进行相关分析发现，未灭菌土壤ABA分解速度和 ABA质量浓度在分解的前期阶段有不显著（P=0.066）的正相关关系，相关系数r=0.46（图2b），在后期阶段呈显著（P=0.011）负相关关系，相关系数r=-0.65（图2c）。

图2 土壤溶液ABA质量浓度和分解速率间的关系Fig. 2 Interactions between concentration of ABA in soil solution and the rate of decomposition

3 讨论

植物体内的 ABA主要通过根尖和叶合成（Hocher等，1991）。植物合成的ABA在体内可通过氧化失活和结合失活两条途径进行分解代谢，其中8′位甲基羟基化途径是高等植物ABA分解代谢的主要途径（Nambara和Marion-Poll，2005；李茜茜和汪晓峰，2009）。植物内源ABA可通过根系分泌、凋落物输入、树干流等方式进入土壤（Hartung等，1996）。此外，土壤微生物，特别是真菌也被认为是土壤ABA的重要来源（Bučková等，2000；Cohen等，2009；Dobbelaere等，2003；Hartung，2010；Hartung和Gimmler，1994）。ABA在土壤中可被根系吸收、微生物分解、随水渗透或流出等方式输出，因此，土壤中ABA含量是多个输入输出因子共同作用动态平衡的结果。

通过将本研究测得的南岭小坑常绿阔叶林土壤ABA含量和Zhao等（2011）测得的鼎湖山常绿阔叶林不同演替阶段森林土壤ABA含量比较发现，研究区域土壤ABA含量处于较低的水平，这与该地区森林群落处于演替中前期阶段的事实相符。此外，由于本研究取样时间在5月份，南岭地区雨量开始增多，加速了ABA随地表径流和土壤渗透的流失，因此取样时间也可能是土壤ABA含量较低的原因之一。

土壤中ABA浓度受地上植被类型、植物生长季节、土壤理化性质、土层厚度等多种因素影响（Hartung等，1996）。土壤ABA浓度在酸性土壤和较干旱土壤中最高（Hartung等，1996）。本研究中土壤均为酸性土，土壤ABA含量与pH有较弱的负相关关系，可能是因为土壤pH差异较小，未能体现出pH对土壤ABA含量的影响。本研究中土壤水分含量差异也较小，且水分较充足，植物细根未受到干旱协迫，可能是土壤ABA浓度较低的一个原因。本研究中全N含量与ABA表现出显著的正相关关系，而与有效N则关系不明显，原因未知，尚需开展进一步研究。

一般认为土壤微生物是ABA的主要分解者，之前研究也表明土壤中微生物代谢ABA的途径和植物类似，均产生 PA和 DPA两种代谢产物（Hartung等，1996）。本研究中，ABA在培养前期被微生物迅速降解约33.5%，和之前报道结果相符。这可能是因为土壤在离开森林群落后，土壤 ABA失去了细根分泌、凋落物输入等多个输入过程，ABA被土壤微生物快速分解利用。在经历快速分解后，土壤ABA缓慢分解，且分解速率小于灭菌处理土壤的自然分解过程，表明当土壤ABA浓度下降后，土壤微生物合成ABA的作用增强，且超过了分解作用，抵消了部分自然分解过程，在该阶段土壤微生物起到了土壤ABA源的作用。可见，土壤微生物在土壤ABA含量快速下降后具有一定的防止土壤ABA浓度过低的作用。

通过对土壤ABA含量和分解速率的比较分析表明，ABA含量较高的土壤中微生物的分解作用和合成补偿作用也较强。在ABA快速分解阶段，土壤中ABA的浓度越高则微生物降解速度越快，而在ABA缓慢分解阶段，土壤中ABA质量浓度越高则分解速度越慢，这表明ABA含量高的土壤中微生物对ABA的作用更强烈。

当土壤中ABA失去植物输入源后浓度迅速下降至较低水平后趋于稳定，该结论可部分阐述森林群落在受到人为或自然灾害干扰后的恢复过程。我们在对受到 2008年冰雪灾害损伤的南岭森林恢复过程的监测结果表明，冰灾发生后林内先锋种大量萌发，之后随着受损森林的恢复先锋种逐渐减少（未发表数据）。森林在受到损伤后，叶片、细根生长量和凋落物产生量均减少，ABA在植物体内合成减少，造成向土壤中释放的ABA量减少，由于根系的吸收和微生物的分解，土壤ABA质量浓度降至较低的水平。低浓度水平的土壤ABA解除了对土壤中部分先锋种种子萌发的抑制作用，导致森林在受到干扰后先锋种大量入侵而发生一定程度的逆向演替，之后随着恢复过程的进行土壤 ABA质量浓度也逐渐恢复至较高水平，恢复了对先锋种种子萌发和幼苗生长的抑制作用，森林恢复正向演替过程。

4 结论

南岭小坑常绿阔叶林林下土壤溶液中ABA的质量浓度在 29.8～167.0 ng·mL-1，平均为 91.5 ng·mL-1，处于较低的水平，该浓度能够部分抑制先锋种的自然更新，和森林尚处于演替中前期阶段的事实相符。森林土壤中ABA含量与土壤全N呈显著正相关关系，其内在联系机理尚不明确。在室内培养条件下，土壤微生物能够在数天内快速分解掉部分（16.1%～45.8%）土壤 ABA，之后土壤 ABA表现为缓慢的线性分解过程，分解速率为0.24%·d-1。在土壤微生物的作用下，土壤中 ABA质量浓度高则快速分解阶段分解速率也较高，而后期缓慢分解阶段分解速率则较低。土壤微生物具有一定防止土壤ABA含量过低的作用。

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The Decomposition Process of Abscisic Acid in Soils from Evergreen Broadleaf Forest in Xiaokeng, Nanling

CHEN Chuansheng1, HUANG Congjun1,2, ZHAO Houben2*, ZHOU Guangyi2, QIU Zhijun2, LIANG Ruiyou3
1. Central south university of forestry and technology, Changsha 410004, China; 2. Research Institute of Tropical Forestry Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, China 3. Xiaokeng Forestry Station of Qujiang District, Shaoguan City, Guangdong 512162, China

Abscisic acid (ABA), a hormone synthesized by plants, can enter the soil solution and affect plant growth, seed germination, community composition and succession. Understanding the decomposition process of ABA in soil can help us to reveal the circulation of ABA in soils and its implication on plant growth. Soils were collected from an evergreen broadleaf forest in Xiaokeng, Nanling moutians, and soil physical and chemical properties and ABA concentration were measured. Additionally, an incubation experiment was conducted to measure soil ABA decomposition rate and the role of soil microorganism play in this process. Results showed that the concentration of ABA in soil solution was heterogeneous in space ranging from 29.8 ng·mL-1to 167.0 ng·mL-1(averaged at 91.5 ng·mL-1), and positively correlated with soil total nitrogen. About 33.5% of soil ABA was quickly decomposed by soil microorganisms during the first week of incubation, and then was decomposed slowly and linearly with a decomposition rate of about 0.24% per day afterwards. Soil ABA concentration and decomposition rate was positively correlated during the initial fast-decomposition period but was negatively correlated at the late slow-decomposition period. Soil microorganisms accelerated ABA decomposition on one hand and avoided the depletion of ABA in soil on the other hand.

abscisic acid; soil solution; incubation; sterilization; decomposition process; soil microorganism

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.007

Q948

A

1674-5906（2015）05-0767-05

陈传胜，黄从军，赵厚本，周光益，邱治军，梁瑞友. 南岭小坑常绿阔叶林土壤脱落酸分解特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 767-771.

CHEN Chuansheng, HUANG Congjun, ZHAO Houben, ZHOU Guangyi, QIU Zhijun, LIANG Ruiyou. The Decomposition Process of Abscisic Acid in Soils from Evergreen Broadleaf Forest in Xiaokeng, Nanling [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 767-771.

国家自然科学基金项目（31200418）；中国林业科学研究院热林所基本科研业务费专项资金项目（RITFYWZX201201；RITFYWZX201504）

陈传胜（1970年生），男，副教授，博士，主要从事森林水文与生态恢复方面的研究。E-mail：65394814@qq.com *通信作者：赵厚本，男，助理研究员。E-mail：zhaohouben@163.com

2015-01-13