伊犁大小西沟野生樱桃李下发育土壤微生物、养分及酶活性

2018-10-22夏振华朱成刚夏倩倩

西北师范大学学报（自然科学版） 2018年5期

崔东，夏振华，朱成刚,陈晨，夏倩倩

(1.伊犁师范大学生物与地理科学学院资源与生态研究所，新疆伊宁 835000； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011)

生态系统中几乎所有的有机物质和生物元素循环均在微生物群落及其分泌的酶的作用下进行，土壤生态系统的微生物数量和酶活性强烈影响养分的循环[1-2].近年来将土壤微生物群落的结构组成、土壤微生物生物量和土壤酶活性等作为土壤健康状况的生物指标来指导土壤生态系统管理已逐渐作为研究热点[3].肖烨等[4]认为土壤中细菌、真菌、纤维素酶与土壤养分各指标有显著的相关性.付刚等[5]研究发现土壤微生物量和土壤酶活性可以反映土壤养分变化趋势.吕桂芬等[6]研究得出土壤中各因子之间的相关关系较好，更能体现出复杂的土壤环境的结论.总之，土壤养分、酶活性、微生物个数、粒度与土壤肥力、分解有机质能力、涵养水源能力以及抗侵蚀能力有密切关系，质地良好的土壤不仅对植被生长和水土保持有重要作用，更与生态系统的稳定性相关.

樱桃李(Prunusdivaricata)也称樱李，本地俗名野酸梅，蔷薇科李属，多年生落叶灌木或小乔木，花期一般在4月下旬至5月初，约8月初果实成熟，成熟果实的颜色以黄色、红色及紫黑色为主.野生樱桃李是世界上濒危灭绝且极为罕见的原始野生林果[7-8]，主要分布在天山、小亚细亚、中亚、巴尔干兰岛等地，在我国仅分布在新疆伊犁霍城县大西沟乡山区，这里的樱桃李是目前全世界仅存的野生樱桃李纯林，面积约700 hm2[9].以往对野生樱桃李的研究主要集中在生态学领域,如张士康等[10]论述了野生樱桃李的生态习性和生态条件;周龙[11]对野生樱桃李群落物种多样性及种质资源的遗传多样性进行了研究；针对野生樱桃李下发育土壤微生物、养分及酶活性的相关研究还不多.野生樱桃李林是大西沟乡的主要植被，对野生樱桃李林进行有效的生态保护有助于该片山区的水土保持.因此，笔者通过对大小西沟野生樱桃李下发育土壤的速效氮、速效磷、过氧化氢酶、蔗糖酶、微生物个数及土壤粒度的研究，以期对野生樱桃李的生长及其野果林资源保护提供理论依据.

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

大西沟乡(又名“中国野生樱桃李之乡”)地处新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州霍城县北部(81°30′～81°40′E，44°30′～44°35′N)，面积252.7 km2，采样地平均海拔1 300 m.研究区内野生樱桃李林下土壤多为有机质含量丰富的黑钙土，平均土层厚度约40 cm，以下土层为碎石、砂砾含量较多的沙壤，母质为黄土状坡积母质.研究区内以野杏、野苹果、野生樱桃李等野生果树为主要建群种，物种组成主要有菊科、忍冬科、禾本科、豆科、唇形科、蔷薇科等，种群丰富度较高[8].大西沟乡境内有切德克苏河、大西沟河、小西沟河三条河流，年降雨量约500 mm，年日照时数3 150 h，太阳辐射总量为5 600～5 800 MJ·m-2，土壤表面平均气温约7 ℃.

1.2 材料与方法

1.2.1 土壤样品采集方法在伊犁霍城县大小西沟野生樱桃李林下GPS定位随机确定6个2.5 m×2.5 m样方，在所选取的样方中掘取6个土壤剖面，每个土壤剖面间隔20 cm采集一层土壤样品，在挖掘土壤剖面之前，清除地表植物凋落物等残体，共采集6个土层，共计36个土壤样品.将采集的土壤样品装入自封袋内带回实验室，平铺在干净的牛皮纸上去除土样中的石块与植物根系，置于阴凉通风环境下自然风干，过20目(0.85 mm)筛,储存于容量瓶中待用.采样点信息见表1.

表1 采样点信息

1.2.2 土壤测定项目、方法与数据处理 1)土壤微生物的测定.平板稀释法测定[12],即数出培养基上的菌落数，然后再乘以稀释倍数，就是1 g该土壤中微生物的数量.

2)土壤速效氮的测定.扩散吸收法测定[13]45:

其中，N为H2SO4标准液的浓度；V为滴定样品用去的H2SO4毫升数；V0为滴定空白用去的H2SO4毫升数；W为样品质量.

3)土壤速效磷的测定.NaHCO3浸提-钼锑抗显色法测定[14]524,[15]140:

其中，W为样品质量.

4)土壤过氧化氢酶的测定.紫外分光光度法测定[16]2986:

其中，A240=A0-(A1+A2)/2，A0为加入的煮死酶液的对照管吸光值，A1,A2为样品管吸光值；VT为粗酶提取液总体积(mL)；V1为测定用粗酶液体积(mL)；WF为样品鲜重(g)；t为加过氧化氢的最后一次读数时间(min).

5)土壤蔗糖酶的测定.3,5-二硝基水杨酸比色法测定[17]180,[18]78:

葡萄糖/mg=a×4,

其中,a为显色液中葡萄糖浓度.

6)土壤粒度的测定.采用EASY SIZER20测定样品粒度，其粒度范围为0.5～500 μm.采用美国粒径分法：小于2 μm为粘粒，2～50 μm为粉粒，50～2 000 μm为砂粒.土壤样品粒度参数特征值(中值、平均粒径[19]，标准偏差、峰度[20]，偏度[21]等)依据福克-沃德公式[22]计算.

中值(Md)是指累积曲线上颗粒含量为50%处对应的粒径，即Md=φ50.

其中,φx为累积曲线上百分含量为x%处的粒径，下同.

标准偏差(颗粒大小均匀程度)δ:

分选级别见表2.

峰度(粒度频率曲线尖锐程度)KG:

等级界限见表3.

偏度(频率曲线对称性)SK实质上反映粒度分布不对称的程度，按其形态可分为正态、正偏态、负偏态.

偏度分级见表4.

表2 标准偏差分选级别

表3 峰度等级界限

表4 偏度分级

每层土样所测得项目值均使用3个平行样的算术平均值.应用Excel 2007 进行数据统计处理和绘图，SPSS 19.0 软件进行相关性分析，采用皮尔逊相关系数描述两个变量间线性相关强弱的程度.

2 结果与分析

2.1 不同土层中土壤微生物(以细菌为例)数量的特征

由图1可知，野生樱桃李下发育土壤细菌数量在0～5 000个，大致表现出随着土层深度的增加细菌个数递减的趋势.从第二层(21～40 cm)到第三层(41～60 cm)细菌个数变化最显著，个数差异达到2 233个；从第三层(41～60 cm)到第五层(81～100 cm)细菌个数变化较小，稳定在约1 479个；在土壤采集剖面的最深层(101～120 cm)处细菌个数减少至0个.

图1 不同深度下土壤细菌数目

2.2 不同土层中土壤养分的特征

从图2可以看出,野生樱桃李下发育土壤的速效氮含量集中0.541～14.384 mg·kg-1，明显地表现出随着土层深度的增加速效氮含量递减的规律.第一层(0～20 cm)与第二层(21～40 cm)相比，速效氮含量差异最显著，达到9.457 mg·kg-1；第四层(61～80 cm)与第五层(81～100 cm)的差值最弱.

由图3可以发现,野生樱桃李下发育土壤的速效磷含量集中在14.744～24.783 mg·kg-1，也明显表现出随着土层深度的增加速效磷含量递减的规律.结合图2-3可以发现,同一土层深度下，速效磷含量的变化强度较速效氮而言更稳定.

图2 不同层次土壤速效氮含量

图3 不同层次土壤速效磷含量

查阅土壤养分分级标准[9]可知，野生樱桃李下发育土壤的速效氮含量非常贫乏，大致为3.869 mg·kg-1；速效磷含量的分等表现出,随着土层深度的增加，等级由丰富向中等过渡，均值稳定在17.888 mg·kg-1.

2.3 不同土层中土壤酶活性的特征

通过测定不同土壤剖面下不同深度土壤中所含有的过氧化氢酶、蔗糖酶的活性来间接反映研究区土壤酶活性的总体特征.由图4中可知，野生樱桃李下发土壤的过氧化氢酶活性活性集中在6.476～13.052 mg·g-1·min-1,表现出随着土层深度的增加，过氧化氢酶活性递减的规律.第一层(0～20 cm)与第二层(21～40 cm)之间的差值最大(约4.63 mg·g-1·min-1)，其余各层之间的差值稳定在0.487 mg·g-1·min-1.

从图5中可以发现，野生樱桃李下发育土壤的蔗糖酶活性含量变化范围大致在0.021～0.954 mg·g-1，表现出随着土层深度的增加，蔗糖酶的活性递减的规律.

图4 不同层次土壤过氧化氢酶活性

图5 不同层次土壤蔗糖酶活性

2.4 不同土层中土壤粒度特征

从图6可以看出，野生樱桃李下发育土壤的粒级以粉粒居多(约80.57%)，砂粒次之(18.71%)，黏粒含量仅为0.72%.

图6 不同层次土壤粒级百分含量

从表5中可以发现，野生樱桃李下土壤的最小粒径约0.65 μm，最大粒径高达500.00 μm，平均粒径约50.01 μm；各土层标准偏差均大于4，表明研究区下土壤分选性极差；随着土层深度的增加，峰度变小，表明粒度频率分布曲线更平坦；偏度的变化范围在0.002～0.747，表明研究区内土壤粒度分布在近对称到极正偏之间.

2.5 土壤微生物、养分以及酶活性之间的相关性分析

应用SPSS 19.0软件进行相关性分析，文中采用皮尔逊相关系数r描述两个变量间线性相关强弱的程度.r的绝对值越大则表明相关性越强，|r|≥0.8时，可认为两变量间高度相关；0.5≤|r|<0.8时，可认为两变量中度相关；0.3≤|r|<0.5时，可认为两变量低度相关；|r|<0.3说明两变量相关程度弱，基本不相关.

表5 野生樱桃下不同深度土壤粒度特征

由表6可知，野生樱桃李下土壤速效氮与蔗糖酶之间的相关性为0.990；与速效磷、过氧化氢酶之间的相关性为0.983；以上均在0.01 水平(双侧)上显著相关.速效磷与蔗糖酶相关性最高为0.992；与过氧化氢酶次之；与细菌个数只在 0.05 水平(双侧)上显著相关.过氧化氢酶与蔗糖酶之间的相关性达到0.983；蔗糖酶与细菌个数之间的相关性只在 0.05 水平(双侧)上显著相关.

表6 土壤微生物个数、速效氮、磷以及酶活性之间的相关性分析

注：**在0.01 水平上(双侧)显著相关，*在 0.05 水平上(双侧)显著相关，n=28.

3 讨论

成片的野生樱桃李纯林主要分布在大小西沟谷底，近年来由于受到自然因素，如气候变暖、变干，以及人为因素，如无序的开垦和过度放牧等的影响，野生樱桃李林面积在逐渐缩小.由于近年来当地气候变得暖干，使得野生樱桃李的生存环境发生了变化，过于干燥的的生境对野生樱桃李的生长起到了限制作用.在笔者采样过程中发现林下几乎无法找到枯枝落叶层，这与林间过度放牧存在一定的联系.虽然当地设立了保护区，但在采样期间仍能看见私家车随意进入，林中亦能看见野炊后留下的生活垃圾，保护力度仍有待提高.我国仅存于此地的野生樱桃李资源若得不到有效的保护，最终也难逃灭绝的恶果[23].

微生物作为生态系统中的重要组成部分，对生态系统中物质循环与养分的转化起着不可替代的作用，被誉为生态系统的“调节器”[24]，土壤中的微生物对有机质的腐化、分解、矿化有重要影响[25].本实验表明野生樱桃李下发育土壤细菌主要分布在土壤上层.笔者等[26]研究指出该地随土壤深度变大，有机质的含量呈减少趋势.可以认为，由于研究区土壤为林地土壤，上层土壤中含有较多的枯枝败叶经过土壤微生物的分解其腐殖质等有机物质较下层土壤更丰富，为微生物的生长、繁殖提供了养分，其次上层土壤质地较为松软土壤间空隙较大能与空气之间进行较好的气体交换，有利于耗氧菌的生长，故上层土壤更加适宜细菌的生长.

土壤的肥力主要表现为土壤中氮、磷、钾等的含量，而速效氮、速效磷、速效钾指的是土壤中的水溶性与交换态的养分能够被植物直接吸收利用，通常用来反映土壤中氮、磷、钾的有效供应情况，从而用来判定这一时期内的土壤肥力状况.有研究者认为乔木能够使得林下土壤氮素富集有效改善土壤养分状况，且有显著的表聚作用[27].通常认为植物的凋落叶对土壤的理化性质及肥力影响重大.由于凋落叶的分解土壤中的养分元素及矿物质元素得到了有效的补充.王清奎等[28]认为森林生态系统土壤的有机质和速效养分主要来源于凋落叶，同时也是土壤有机碳的主要积累方式.研究区内凋落叶做为土壤速效养分的主要来源以及微生物的主要碳源在不断地减少，由于滥砍滥发、过度放牧、人口密度增加毁林开荒[29]导致凋落叶很少一部分作为养分和碳源回到土壤中，进而使得土壤养分减少肥力下降.土壤中速效氮、速效磷通常用来反映土壤中氮、磷有效供应的情况，因而用于评判土壤在一定时期内的肥力状况[26].通过测定不同土壤剖面下不同深度土壤中所含有的速效氮、速效磷含量来反映土壤中氮、磷的有效供应情况进而反映研究区土壤养分的总体特征.野生樱桃李林下的土壤中速效氮含量约3.869 mg·kg-1、速效磷含量约17.888 mg·kg-1，属于极缺乏，由此可知野生樱桃李林的土壤肥力十分贫乏，这也许也是导致野生樱桃李退化的原因之一[23,25].本实验表明,伊犁大小西沟野生樱桃李下发育土壤的养分较贫乏,土壤养分的缺乏很可能是野生樱桃李生长受到限制，濒危灭绝的原因之一.

土壤酶活性作为表征生态环境优劣和土壤质量的重要指标，在评价土壤肥力、土地利用和环境监测等方面有重要意义[30].酶活性受季节变换影响较大，此外还受植被类型、土壤养分、土壤动物、海拔等的影响[31].周礼恺等[32]认为土壤酶的数量和种类上的差异性由土壤的异质性决定.土壤酶系统作为土壤中生物活性最强的成分，与植物的生长之间存在必然联系，通过多种方式直接或间接影响植物的生长发育过程.随着土层的加深,土壤环境(土壤水分、温度、空气、pH 值、团聚体、有机质和矿质元素)发生了变化，进而影响了土壤酶活性的变化.本实验结果表明，表层土壤的酶活性强于底层土壤，这可能是表层土壤接受到的太阳辐射更多，与空气中的氧气、水蒸气等有更直接的接触，从而为各种土壤酶的发育奠定了基础.

土壤中的各种养分是土壤微生物的C,N来源，因此土壤养分的多少影响着土壤微生物的数量，土壤微生物种类的丰富度和密集度在一定程度上又决定这土壤酶来源与活性，在土壤微生物和土壤酶活性的共同作用下推动着土壤中的生物与化学过程，从而影响土壤养分的含量.土壤养分、土壤微生物含量、土壤酶活性这三要素在某种程度上相互影响，共同作用于土壤环境.