紫色土丘陵坡地恢复过程中土壤微生物及生化特性

紫色土丘陵坡地恢复过程中土壤微生物及生化特性

杨 斌，张 曙

(湖南省祁阳县大江林场，湖南祁阳 426131)

摘要[目的]为了研究湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地植被恢复过程中土壤微生物及生化特征的演变。[方法]以典型的紫色土丘陵坡地不同植被恢复阶段为研究对象，采用空间代替时间序列的方法，选用立地条件基本相似的裸荒地阶段(Ⅰ)、草地阶段(Ⅱ)、灌丛阶段(Ⅲ)、灌木阶段(Ⅳ)和乔木阶段(Ⅴ)。通过调查取样和试验分析，分析不同恢复阶段土壤微生物、土壤酶活性以及生化作用强度的变化。[结果]随着植被恢复的进行，土壤微生物总数显著上升(P<0.05)，细菌、真菌和放线菌等微生物优势类群的比例也发生变化，氨化细菌、硝化细菌、纤维素分解菌和固氮菌等土壤微生物主要生理类群数量显著上升(P<0.05)；随着植被恢复的进行，土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性显著增强(P<0.05)；随着植被恢复的进行，土壤氨化作用、硝化作用、固氮作用、纤维素分解强度和呼吸作用等生化强度显著升高(P<0.05)。[结论]土壤微生物活性是表征湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地植被恢复过程中生态功能的重要标志之一。

关键词土壤微生物；土壤生化活性；植被恢复；紫色土；湖南省衡阳市

中图分类号S154；Q938.1

基金项目湖南省林业科技创新计划项目(XLK201341)。

作者简介杨斌(1982-)，男，湖南祁阳人，助理工程师，从事林业技术的研究与推广工作。

收稿日期2015-06-05

PropertiesofSoilMicrobesandBiochemicalActivityalongRe-vegetationonHillslopeLandwithPurpleSoils

YANGBin,ZHANGShu(QiyangCountyDajiangForestFarm,Qiyang,Hunan426131)

Abstract[Objective] The purpose of this study was to study the dynamic changes of soil microbes and biochemical activity along re-vegetation on hillslope with purple soils in Hengyang City of Hunan Province, south-central China. [Method] By using the spatial series to replace time series, five typical sampling plots, bare land(Ⅰ), grass land(Ⅱ), bushwood land(Ⅲ), shrubby land(Ⅳ) and arborea land(Ⅴ), were selected to explore the changes of soil microbes, soil enzyme activity and soil biochemical action intensity along re-vegetation. The ecological factors of the five stages were similar and typical, and denoted five different successive stages. [Result] The results showed that: FromⅠ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ to Ⅴ, the total number of soil microbes significantly increased(P<0.05), the percentage of bacteria, fungi and actinomyces et al advantageous group changed, and the amount of major physiological group including ammonifiers, nitrifying bacteria, cellulose decomposing microbes, nitrogen-fixing bacteria significantly increased(P<0.05); The activities of soil URE(Urease), INV(Invertase), PRE(Proteinase), ALP(Alkaline phosphatase), CAT(Catalase) and PPO(Polyphenol oxidase) significantly increased in the process of re-vegetation(P<0.05); The biochemical intensity including ammonification, nitrification, nitrogen fixation, cellulose decomposition, respiration significantly increased along re-vegetation(P<0.05). [Conclusion] All the results indicated that the soil microbial activities were regarded as one of the major properties of ecological functions along re-vegetation on hillslope with purple soils in Hengyang City of Hunan Province, south-central China.

KeywordsSoilmicrobes;Soilbiochemicalactivities;Re-vegetation;Purplesoils;HengyangCityofHunanProvince

湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地面积达1.625×105hm2。这类土壤以其特别的色泽、优良的自然肥力等而成为我国一种特有的、具有发展农业优势的宝贵土地资源。但是，紫色土丘陵坡地生态问题和本身的生产性问题特别突出。紫色土丘陵坡地生态环境脆弱，气候干旱，水土流失严重；紫色土耐旱性差，土壤养分含量不协调，紫色土本身不耐侵蚀。在植被遭到破坏后，紫色土丘陵坡地表土很快流失，土地大量荒芜，恢复林草植被十分困难，农林牧生产受到很大制约[1-3]。该区域的生态恢复与重建已成为农业生产环境改善、区域经济发展及人们脱贫致富的迫切要求。

土壤微生物是生态系统最活跃的成分之一，与植被生长的关系密切[4-6]。不少学者对土壤微生物多样性进行了卓有成效的研究[7-9]，但过去人们在研究生态系统恢复时较多地考虑植被指标以及土壤理化性质[10-11]，对土壤微生物特性的研究较少，尤其对紫色土丘陵坡地植被恢复过程中土壤微生物特性缺乏系统的研究[12]。以湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地不同植被恢复阶段为研究对象，采用“空间序列代替时间序列”的方法[13-15]，笔者研究了土壤微生物特性的变化，以期为揭示该区域退化群落恢复机理、构建恢复技术体系提供参考。

1材料与方法

1.1研究区概况研究区设置在湖南省衡阳市谭子山镇，是“湖南省紫色土山丘综合治理配套技术研究示范”项目的试验示范区之一。该区域总面积4 882.4hm2，气候为亚热带季风湿润气候，多年来年均温为17.9 ℃，年均降雨量为1 324.5mm，年均蒸发量为1 425.0mm，年均相对湿度为80%,无霜期为285d。

1.2样地设置该区域退化群落自然恢复过程为裸荒地阶段(Ⅰ)→草地阶段(Ⅱ)→灌丛阶段(Ⅲ)→灌木阶段(Ⅳ)→乔木阶段(Ⅴ)[1-3]。在2012年7月5日～9月15日，在研究区内选择坡度、坡向、坡位和裸岩率等生态因子基本一致的坡中下部沿等高线有代表性的、按照植被恢复阶段从低到高的顺序的样地5个(每个样地面积>1hm2，前期均为撂荒地)(表1)。在每个样地内分别设置3块间距大于20 m的20 m×20 m的样方，按S型或梅花型混合取样法采集土层为0～20 cm的样品，3次重复。在冰箱中进行4 ℃冷藏保鲜48 h，测定土壤微生物及其生化活性指标。供试土壤的基本情况见表2。

表1　样地概况

表2　供试土壤基本情况

1.3测定方法土壤微生物(包括细菌、真菌、放线菌，氨化细菌，固N细菌、纤维素分解菌以及硝化细菌)的分离计数方法参考文献[16]。土壤生化作用强度(包括土壤氨化作用强度、固N作用强度、硝化作用强度、纤维素分解强度以及土壤呼吸作用)的测定方法参考文献[16]。土壤酶活性包括脲酶(URE)、蛋白酶(PRE)、过氧化氢酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)、碱性磷酸酶(ALP)与蔗糖酶(INV)，分别采用苯酚—次氯酸钠比色法、铜盐比色法、KMnO4滴定法、邻苯三酚比色法、对硝基苯磷酸二钠比色法和3，5-二硝基水杨酸比色法测定[17]。

1.4数据处理采用SPSS13.0软件，进行数据处理与统计分析。采用单因素方差分析法(one-wayANOVA)和最小显著差异法，比较不同数据间的差异。所有数据均为3次重复的平均值。

2结果与分析

2.1不同恢复阶段土壤微生物

2.1.1土壤微生物区系。表3表明，随着植被恢复的进行，土壤细菌、真菌数量和土壤微生物总数显著增加(P<0.05)。与恢复阶段 Ⅰ 相比，恢复阶段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的细菌数量分别增加26.67%、48.33%、53.33%和191.67%，真菌数量分别增加7.24%、14.47%、28.95%和97.37%，土壤微生物总数分别增加26.42%、48.95%、54.94%和189.30%。恢复阶段Ⅲ和Ⅳ的放线菌数量明显高于其他植被恢复阶段(P<0.05)，恢复阶段Ⅲ的放线菌数量分别为恢复阶段 Ⅰ 、 Ⅱ 和Ⅴ的5.48、3.59和2.13倍，分别为恢复阶段Ⅳ的7.95、5.22和3.09倍。这可能与恢复阶段Ⅲ和Ⅳ中的凋落物含有较多的木质化纤维成分，从而刺激分解木质化纤维成分的放线菌的增加有关[18-19]。在恢复阶段Ⅴ，细菌、真菌和放线菌数量分别占微土壤微生物总数的98.04%、1.68%和0.30%，暗示细菌在恢复阶段Ⅴ凋落物的分解中起重要作用。由此可知，土壤微生物三大类群的总量与其发挥的生态功能密切相关；数量的增加反映随着植被恢复的进行，土壤微生物活性明显上升。

表3　不同恢复阶段土壤微生物数量

注:同列不同字母表示不同恢复阶段差异显著(P<0.05)。

2.1.2土壤微生物主要生理类群。表3表明，随着植被恢复的进行，土壤微生物主要生理类群均显著增加(P<0.05)。与恢复阶段 Ⅰ 相比，恢复阶段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的氨化细菌分别增加136.36%、181.82%、200.00%和572.73%，硝化细菌分别增加40.00%、67.50%、97.50%和190.00%，纤维素分解菌分别增加211.58%、228.42%、314.73%和504.21%，固氮菌分别增加21.43%、59.52%、126.19%和226.19%。由此可知，随着植被恢复的进行，土壤生态系统的腐殖质数量增加，品质上升，土壤中易分解物质(特别是C、N等)的贮量增加，参与C、N转化的氨化细菌、硝化细菌数量明显升高，土壤pH降低，导致固氮菌、纤维素分解菌数量的增加，使得土壤中大量的难于分解的植物残体得到及时分解[20-21]。因此，随着植被恢复的进行，土壤环境越来越有益于土壤微生物的繁殖和活动，大大地提高了C、N营养元素的循环速度和能量流动。

2.2土壤酶活性

2.2.1土壤水解酶活性。表4表明，随着植被恢复的进行，土壤中的URE、INV、PRE和ALP活性显著增加(P<0.05)。与恢复阶段 Ⅰ 相比，恢复阶段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的URE活性分别增加35.29%、42.16%、59.80%和132.35%，INV活性分别增加59.52%、88.10%、116.67%和157.14%，PRE活性分别增加39.56%、48.35%、69.23%和84.62%，ALP活性分别增加84.38%、90.18%、120.98%和200.00%。由于INV直接参与土壤C素循环，URE和PRE直接参与土壤含N有机化合物的转化，ALP能促进加速土壤有机磷的脱磷速度，提高P的有效性[22-23]。因此，随着植被恢复的进行，土壤的C和N的营养循环显著提高，土壤的供P能力增强。

2.2.2土壤氧化还原酶活性。表4表明，随着植被恢复的进行，CAT和PPO活性均显著上升(P<0.05)。与恢复阶段 Ⅰ 相比，恢复阶段 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的CAT活性分别增加125.00%、200.00%、225.00%和300.00%，PPO活性分别增加55.65%、70.97%、121.77%和170.97%。

随着植被恢复的进行，土壤有机残体分解速度和腐殖质再合成能力明显上升，增加了酶促反应底物的浓度，土壤腐殖质的品质上升，土壤容重下降，pH降低，土壤微生物数量增加，导致其酶活性增加[24-25]。

表4　不同恢复阶段土壤酶活性

注:同列不同字母表示不同恢复阶段差异显著(P<0.05)。

2.3土壤生化作用强度表5表明，随着植被恢复的进行，土壤的氨化作用、硝化作用、固氮作用、纤维素分解强度和呼吸作用显著上升(P<0.05)。与恢复阶段 Ⅰ 相比，恢复阶段 Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的氨化作用分别增加了37.62%、60.48%、83.33%和194.29%，硝化作用分别增加了25.29%、43.68%、91.95%和173.56%，固氮作用分别增加了38.73%、61.97%、89.44%和240.85%，纤维素分解强度分别增加了21.85%、41.12%、58.16%和146.79%，呼吸作用分别增加了48.67%、116.81%、161.95%和193.81%。由此可知，随着植被恢复的进行，土壤生化强度明显上升，土壤有效养分的供应强度增强，导致生物养分循环的上升。

表5　土壤生化作用强度

注:同列不同字母表示不同恢复阶段差异显著(P<0.05)。

3 小结

在恢复阶段 Ⅰ →恢复阶段 Ⅱ →恢复阶段Ⅲ→恢复阶段Ⅳ→恢复阶段Ⅴ的过程中，在湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地土壤微生物总数显著增加(P<0.05)，细菌、真菌和放线菌等微生物优势类群的比例也随之发生变化，氨化细菌、硝化细菌、纤维素分解菌和固氮菌等土壤微生物主要生理类群数量显著上升(P<0.05)，URE、INV、PRE、ALP、CAT和PPO活性显著增强(P<0.05)，土壤氨化作用、硝化作用、固氮作用、纤维素分解强度和呼吸作用等生化强度显著升高(P<0.05)。由此可知，土壤微生物活性的升高是表征衡阳紫色土丘陵坡地植被恢复过程中生态功能上升的重要标志之一。

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