不同林龄泡桐根系分泌物对土壤酶活性和微生物的影响①

田 磊

(商丘市园林绿化中心，河南 商丘 476000)

根系是植物的主要器官之一，不仅能从根际环境吸收养分和水分维持植物体的正常生长[1-2]，同时还向根际环境释放大量有机物，包含碳水化合物、氨基酸、有机酸和多种酶等物质[3-4]。这些根系分泌物是植物根际环境物质循环的重要组成部分，也是保持根际微生物生态系统活力的关键因素[5]。根系分泌物通过改变根际环境土壤的理化性质，增加各种养分的生物有效性，促进养分的转化和传递，有助于提高土壤酶活性和微生物含量，缓解设施土壤连作障碍，从而促进植物的生长发育[6-8]。土壤酶和微生物数量是土壤肥力和质量的生物活性指标，决定根际土壤各种物质的循环和代谢速率，对森林生态系统能量转化和生态平衡具有重要作用[9]。根系分泌物中的氨基酸和维生素等物质可为根际微生物提供大量的能量，影响土壤微生物的种类和数量及土壤酶的活性[10-12]。研究表明，不同胁迫环境、植物种类、根际环境的理化性质和气候环境等因素均会影响根系分泌物的数量和性质，但有关不同林龄根系分泌物对土壤微生物和酶活性的研究相对较少[13]，为此，试验在野外原位条件下获取根系分泌物，分析不同林龄下泡桐根系分泌物对土壤酶活性及微生物的影响，旨在进一步了解不同林龄土壤生态系统功能，为泡桐天然林和人工林抚育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验在商丘市应天公园进行，该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年均温14.2 ℃，夏季多雨，全年降雨量623 mm，无霜期211 d，年均日照时间1 944 h。因该地处于黄河冲积平原，地势平坦，海拔30～70 m。植被主要以人工林为主，优势树种主要有杨树、落叶松、泡桐、榆树、槐树等。土壤肥沃，土质属于中壤土和重壤土，偏弱碱性。土壤有机质含量为15.3 g/kg，碱解氮含量为189 mg/kg，速效磷含量为20.8 mg/kg，速效钾含量为142 mg/kg。

1.2 试验设计

1.2.1 根系分泌物提取

2019年8月1日收集根系分泌物，选择5 a、10 a和15 a的泡桐人工林作为研究对象，每个处理选择5株泡桐进行根系分泌物提取。采用Dessureault-Rompre 等[14-15]设计的带有真空微吸管的根管，用于原位抽提根际土壤溶液。选取直径小于5 mm的细根放入装有营养液的微吸管中。微吸管在使用前用去离子水冲洗管径，盖上筒帽并用保鲜膜包裹针筒，防治土壤内的小分子物质流入针筒。将处理好的根系分泌物收集微吸管埋入土中，试验全程保持泡桐根系不脱离植株，并保证其完整性。为保证根系分泌物收集完全，每隔24 h用真空泵抽滤1次，注入10 mL营养液培养，连续收集3 d后，将收集液过滤后进行低温保存。

1.2.2土壤处理

取树冠范围内0～20 cm土层深度的土壤500 g，清除杂质后进行阴干、过筛，每个处理取土壤50 g放入250 mL的三角瓶内。取收集的泡桐根系分泌物5 mL加入10 mL去离子水进行土壤处理，设置5 a、10 a、15 a 3个处理，以不进行根系分泌物处理的土壤作为对照(CK)，重复3次。将处理好的土壤放在25 ℃人工培养箱培养15 d，每天根据土壤水分散失情况及时补充去离子水，使土壤保持湿润，各处理重量保持不变。

1.3 测定项目与方法

培养15 d后，将各处理土壤过2 mm筛后测定速效氮磷钾、土壤有机质含量，土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、转化酶活性和细菌、放线菌、真菌数量[16-18]。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮含量采用简介扩散法测定，速效钾含量采用火焰光度法测定，速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定，转化酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤微生物数量采用稀释平板分离计数法测定，放线菌数量采用高氏1号培养基培养法测定，细菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基培养法测定，真菌数量采用孟加拉红培养基培养法测定[12]。

1.4 数据统计与分析

采用 Excel 2013和SPSS 22.0 软件进行数据统计与分析，采用单因素方差分析(ANOVA)各指标的显著性，对数据进行相关性分析，并采用回归模型拟合微生物数量与土壤酶活性的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同林龄泡桐根系分泌物对土壤肥力的影响

泡桐根系分泌物对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的影响较大，并随着林龄的增加呈先增加后降低趋势。与CK处理相比，5 a、10 a、15 a泡桐根系分泌物对土壤有机质含量增加效果显著，分别增加了27.75%、61.27%、47.50%，差异均达到显著水平。土壤碱解氮含量以10 a处理最高，达到225.59 mg/kg，比CK处理增加了57.48%，差异显著；5 a和15 a处理分别比CK处理增加了13.91%、23.40%，但差异不显著。5 a和10 a处理的土壤速效磷含量分别比CK处理增加了16.44%、22.22%，差异显著；15 a处理的速效磷含量比CK处理增加了2.44%，但差异不显著。土壤速效钾含量以10 a处理最高，比CK处理增加了40.38%；其次是5 a处理，比CK处理中增加了15.24%，差异显著。15 a处理的土壤速效钾含量虽比CK处理增加了8.00%，但差异不显著(图1)。

图1 不同处理对土壤肥力的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil fertility

由此可见，不同林龄根系分泌物在一定程度上增加了土壤有机质含量，提高了碱解氮、速效磷和速效钾含量，并随着泡桐林龄的增加呈先增加后降低趋势，试验条件下以10 a处理效果最佳。

2.2 不同林龄泡桐根系分泌物对土壤酶活性的影响

不同林龄泡桐根系分泌物对土壤酶活性具有不同程度的促进作用。土壤脲酶活性随着泡桐林龄的增加呈先增加后降低趋势，与CK处理相比，5 a、10 a、15 a处理分别增加了19.67%、37.56%、13.46%，差异显著。土壤过氧化氢酶活性以10 a处理最高，比CK处理增加了31.64%；其次是15 a处理，过氧化氢酶活性比CK处理增加了29.23%；5 a处理的过氧化氢酶活性比CK处理增加了18.10%，差异均达到显著水平。土壤转化酶活性随着泡桐林龄的增加变化不大，与CK处理相比，5 a、10 a和15 a处理的转化酶分别增加了5.78%、7.88%、4.14%，但差异均不显著。土壤磷酸酶活性随着泡桐树龄的增加呈逐渐降低趋势，与CK处理相比，5 a、10 a、15 a泡桐根系分泌物土壤磷酸酶活性分别增加了41.49%、25.05%、9.62%，其中5 a和10 a处理与CK处理的差异达到显著水平，15 a处理与CK处理差异不显著(图2)。

图2 不同处理对土壤酶活性的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil enzyme activity

由此可见，不同林龄泡桐根系分泌物有助于增加土壤脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性，土壤转化酶的活性变化不显著。试验条件下以10 a处理效果较佳。

2.3 不同林龄泡桐根系分泌物对土壤微生物数量的影响

根系分泌物能增加土壤微生物数量，并随着泡桐树龄呈先增加后降低趋势。与CK处理相比，5 a、10 a、15 a泡桐根系分泌物处理的土壤细菌数量分别增加了14.67%、60.37%、38.43%，差异显著；土壤放线菌数量分别增加了15.97%、94.56%、60.66%，除5 a处理外，其余处理与CK处理差异均达到显著水平；土壤真菌数量分别增加了13.29%、53.72%、49.22%，其中10 a和15 a处理与CK处理差异达到显著水平(图3)。

图3 不同处理对土壤微生物数量的影响Fig.3 Effects of different treatments on the number of soil microorganisms

从土壤细菌、放线菌和真菌所占比例来看，随着泡桐林龄的增加，不同处理土壤细菌比例逐渐降低，CK、5 a、10 a和15 a处理细菌数量的比例分别为74.45%、74.54%、73.68%、72.51%；土壤放线菌的比例呈先增加后降低趋势，CK、5 a、10 a和15 a处理放线菌数量的比例分别为8.26%、8.36%、9.92%、9.34%；土壤真菌的比例呈增加趋势，CK、5 a、10 a和15 a处理真菌数量的比例分别为17.29%、17.10%、16.40%、18.15%(图4)。

图4 不同处理的土壤微生物比例Fig.4 Proportion of soil microorganisms of different treatments

由此可见，不同林龄泡桐根系分泌物可以增加土壤真菌、细菌和放线菌的数量，并随着泡桐林龄的增加呈先增加后降低趋势，并以10 a处理的土壤微生物数量最多。在试验条件下，细菌比例为72.51%～74.54%，放线菌比例为8.26%～9.92%，真菌比例为16.40%～18.15%。

2.4 土壤微生物数量与土壤酶活性、肥力的相关性

土壤微生物数量与土壤酶活性、有机质、速效氮磷钾之间存在一定的相关性，其中土壤细菌、放线菌和真菌与土壤有机质的相关性达到极显著水平；细菌和放线菌与碱解氮的相关性达到极显著水平；细菌与脲酶、过氧化氢酶和速效钾的相关性达到显著水平；放线菌数量与脲酶、过氧化氢酶的相关性达到显著水平；真菌数量与过氧化氢酶和碱解氮含量达到显著水平(表1)。

表1 土壤微生物与土壤酶活性和肥力的相关系数Tab.1 Correlation coefficient of soil microorganism,soil enzyme activities and soil fertility

土壤酶活性与土壤有机质、速效氮磷钾之间存在一定的相关性。其中土壤脲酶与碱解氮、速效磷和速效钾达到极显著水平，与有机质达到显著水平；过氧化氢酶与有机质含量的相关性显著；土壤转化酶与土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量相关性达到显著水平；磷酸酶与速效磷的相关性达到显著水平(表2)。

表2 土壤酶活性与土壤肥力的相关系数Tab.2 Correlation coefficient of soil enzyme activity and soil fertility

由此可见，土壤微生物、酶活性和土壤有机质、速效氮磷钾之间的相关系数均呈正相关，且相关性较高，即土壤酶活性和土壤微生物数量可以作为土壤肥力高低的重要指标。

3 结论与讨论

林木根系分泌物能够促进土壤养分的释放，提高养分有效性，增加土壤中速效养分的含量[19]。本研究结果表明，不同林龄泡桐根系分泌物均能不同程度地增加土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量，5 a、10 a、15 a处理泡桐根系分泌物均可促进土壤中速效氮磷钾的释放，并以10 a处理效果较佳，与CK处理相比，土壤有机质含量增加了61.27%，土壤速效氮、磷、钾分别增加了57.48%、22.22%、40.38%，差异显著。这与易艳灵等[20]研究结果一致，说明林木根系分泌物能够增加土壤有机质，促进速效养分的释放。

土壤酶是土壤最活跃的有机成分，参与土壤中各种生物化学过程，对土壤肥力的演化具有重要作用[21]。研究结果表明，泡桐根系分泌物能够促进土壤酶活性，且随着泡桐林龄的增加呈先增加后降低趋势，并以10 a处理效果最佳。与CK处理相比，土壤脲酶活性增加了37.56%、过氧化氢酶活性增加了31.64%、磷酸酶活性增加了25.05%，差异显著；土壤转化酶活性增加了7.88%，但差异不显著。土壤酶活性与土壤有机质、速效氮磷钾之间呈正相关关系，其中土壤脲酶与碱解氮、速效磷和速效钾相关性达到极显著水平，与有机质相关性达到显著水平；过氧化氢酶与有机质含量的相关性显著；土壤转化酶与土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量相关性达到显著水平；磷酸酶与速效磷的相关性达到显著水平。这说明土壤酶直接参与土壤中养分的释放和固定，与土壤肥力状况密切相关，这与刘岩[22]的研究结果基本一致。表明根际环境土壤酶活性与土壤有机质、速效氮磷钾等营养元素密切相关，根际土壤酶研究对于探讨植物对土壤生态系统的影响具有重要意义。

植物根系分泌物决定根际微生物的种类和分布，而根际微生物的群落结构对植株生长发育具有重要作用[23-24]。研究结果表明，泡桐根系分泌物均能不同程度地提高土壤微生物群落的数量，并随着泡桐林龄的增加呈先增加后降低趋势。试验条件下以10 a处理效果最佳，与CK处理相比，土壤细菌数量增加了60.37%，土壤放线菌数量增加了94.56%，土壤真菌数量增加了53.72%，差异显著；从土壤真菌、细菌和放线菌所占比例来看，土壤细菌占73.68%、放线菌占9.92%、真菌占16.40%，放线菌比例明显增加，说明根系分泌物为根际微生物的生长和繁殖提供了能源，直接影响土壤微生物的数量和种群结构。土壤微生物与土壤有机质、速效氮磷钾之间存在显著的正相关关系，土壤细菌、放线菌和真菌与土壤有机质的相关性达到极显著水平，细菌和放线菌与碱解氮的相关性达到极显著水平；细菌与速效钾的相关性达到显著水平，土壤真菌数量和碱解氮含量相关性达到显著水平，说明根系分泌物对土壤养分的释放与土壤微生物的结构和数量密切相关，根系分泌物中的氨基酸、酚类、有机酸等代谢产物作为营养物质促进了土壤细菌、真菌和放线菌的繁殖[25-27]，土壤中的固氮菌、解磷菌、解钾菌等可促进难溶态氮、磷、钾的释放，从而提高土壤肥力，因此，土壤微生物数量可作为土壤肥力的重要指标。

综上所述，泡桐根系分泌物对提高土壤酶活性，增加土壤微生物数量，培肥地力具有重要作用，并随着林龄的增加呈先增加后降低趋势，试验以10 a树龄效果最佳，而关于根系分泌物与微生物群落结构和数量的关系和机理需要进一步研究。