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岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性

范周周 卢舒瑜 王娇 郭东矗 庞丹波 周金星 彭霞薇

范周周, 卢舒瑜, 王娇, 郭东矗, 庞丹波, 周金星, 彭霞薇. 岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
引用本文: 范周周, 卢舒瑜, 王娇, 郭东矗, 庞丹波, 周金星, 彭霞薇. 岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
Fan Zhouzhou, Lu Shuyu, Wang Jiao, Guo Dongchu, Pang Danbo, Zhou Jinxing, Peng Xiawei. Microbial and enzyme activities in rhizosphere soil of different forest stand in karst and non karst areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
Citation: Fan Zhouzhou, Lu Shuyu, Wang Jiao, Guo Dongchu, Pang Danbo, Zhou Jinxing, Peng Xiawei. Microbial and enzyme activities in rhizosphere soil of different forest stand in karst and non karst areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011

岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2016YFC0502500

国家自然科学基金项目 31500583

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 CAFYBB2016QB020

国家重点研发计划项目 2016YFC0502504

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 CAFYBB2014ZD006

详细信息
    作者简介:

    范周周。主要研究方向:资源与环境微生物。Email: 18932689670@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生物科学与技术学院

    通讯作者:

    彭霞薇,博士,副教授。主要研究方向:资源与环境微生物。Email: xiaweipeng@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S718.8

Microbial and enzyme activities in rhizosphere soil of different forest stand in karst and non karst areas

  • 摘要: 目的为明确不同地质条件下、不同林分对根际土壤微生物及土壤酶活性的影响,该研究为今后深入探究岩溶自然生态系统的恢复提供理论依据。方法本文以云南建水岩溶与非岩溶区人工桉树林、人工云南松林和天然次生林根际土壤为研究对象,通过对根际土壤微生物数量和土壤酶活性的测定,探究不同地质、不同林分对根际土壤微生物及土壤酶活性的影响,及其微生物与土壤酶间的相关性。结果本研究表明,在相同地质背景条件下,两种不同人工林土壤中桉树(阔叶林)与云南松(针叶林)放线菌的数量存在显著性差异,天然次生林微生物数量为18.2×105 cfu/g。受地质条件、植被恢复模式等影响,各样地土壤酶活性各异。相关分析表明,脲酶、过氧化氢酶活性与放线菌数量呈显著正相关,脲酶、酸性磷酸酶、碳酸酐酶、过氧化氢酶4种酶活之间存在相互联系。结论土壤微生物群落及土壤物质的转化受地质条件、林分差异和恢复模式的影响。
  • 图  1  各个样地过氧化氢酶酶活

    KE.岩溶桉树;NE.非岩溶桉树;KP.岩溶云南松;NP.非岩溶云南松;KS.岩溶次生林;NS.非岩溶次生林。下同。

    Figure  1.  Catalase activity in each sample plot

    KE, eucalyptus in karst area; NE, eucalyptus in non-karst area; KP, Yunnan pine in karst area; NP, Yunnan pine in non-karst area; KS, secondary forest in karst area; NS, secondary forest in non-karst area.The same below.

    图  2  各个样地脲酶酶活

    Figure  2.  Urease activity in each sample plot

    图  3  各个样地酸性磷酸酶酶活

    Figure  3.  Acid phosphatase activity in each sample plot

    图  4  各个样地碳酸酐酶酶活

    Figure  4.  Carbonic anhydrase activity in each sample plot

    表  1  各个样地土壤基本理化性质的测定

    Table  1.   General basic physical and chemical properties of various samples

    变量Variable 林分类型Stand type
    桉树Eucalyptus robusta 云南松Pinus yunnanensis 次生林Secondary forest
    岩溶区Karst area 非岩溶区Non-karst area 岩溶区Karst area 非岩溶区Non-karst area 岩溶区Karst area 非岩溶区Non-karst area
    速效钾Available potassium/(mg·kg-1) 124.77±2.37d 230.17±6.12c 117.5±0.35e 68.85±7.88f 335.23±1.66b 442.13±3.55a
    全氮Total nitrogen/(g·kg-1) 12.94±0.06b 6.31±0.20d 9.64±0.45c 9.42±0.57c 5.74±0.22d 14.60±0.09a
    全磷Total phosphorus/(g·kg-1) 2.14±0.11c 0.82±0.03e 1.20±0.05d 3.88±0.08a 0.77±0.01e 2.78±0.05b
    有机质Organic matter/(g·kg-1) 123.76±0.00a 63.09±0.13ab 80.16±2.21ab 44.03±0.67c 119.85±0.00a 78.36±0.67c
    pH 5.59±0.03b 5.69±0.11b 5.64±0.02b 4.76±0.02c 6.59±0.11a 5.60±0.01b
    电导率Electrical conductivity/(μS·cm-1) 2.29±0.16c 1.71±0.01c 1.25±0.03c 3.64±0.04a 2.87±0.13b 2.79±0.51b
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    表  2  各个样地的微生物数量

    Table  2.   Microbe number in each sample plot

    cfu·g-1
    土壤类型Soil type 细菌Bacteria 放线菌Actinomycetes 真菌Fungus 总计Sum
    岩溶区桉树(Eucalyptus in karst areas, KE) 4.35×105±0.2a 13.67×105±1a 2.37×104±0.8b 18.2×105±1a
    非岩溶区桉树(Eucalyptus in non-karst area, NE) 4.43×105±0.1a 10.30×105±1b 1.98×104±0.2b 14.9×105±1a
    岩溶区云南松(Yunnan pine in karst area, KP) 4.39×105±0.2a 11.90×105±0.1ab 2.17×104±0.1b 16.5×105±1a
    非岩溶区云南松(Yunnan pine in non-karst area, NP) 1.83×105±0b 4.50×105±0.3c 1.62×104±0.1b 6.5×105±0.7b
    岩溶区次生林(Secondary forest in karst area, KS) 4.18×105±0ab 13.70×105±0.7a 3.58×104±0.1a 18.2×105±0a
    非岩溶区次生林(Secondary forest in non-karst area, NS) 3.32×105±0ab 12.60×105±0.8ab 1.80×104±0.3b 16.1×105±0.5a
    地质类型Geological type * ** NS ***
    林分类型Stand type NS *** NS ***
    注:***、**、*分别表示在P<0.001、P<0.01、P<0.05水平上差异显著,NS表示差异不显著。Notes:***, **, * represent significant difference at P<0.001,P<0.01,P<0.05 level, respectively. NS means difference is not significant.
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    表  3  土壤微生物数量与土壤酶的相关性

    Table  3.   Correlations between soil microbial biomass and soil enzyme

    指标Index 细菌Bacteria 真菌Fungus 放线菌Actinomycetes 脲酶Urease 磷酸酶Phosphatase 碳酸酐酶Carbonic anhydrase 过氧化氢酶Catalase
    细菌Bacteria 1 0.050 0.181 0.474* 0.589* 0.410 0.515*
    真菌Fungus 1 0.321 0.066 -0.058 -0.058 0.000
    放线菌Actinomycetes 1 0.554* 0.300 0.141 0.518*
    脲酶Urease 1 0.600** 0.582* 0.930**
    磷酸酶Phosphatase 1 0.564* 0.781**
    碳酸酐酶Carbonic anhydrase 1 0.662**
    过氧化氢酶Catalase 1
    注:***分别表示在P<0.01,P<0.05水平上差异显著。Notes:** and * represent significant difference at P < 0.01 and P < 0.05 levels, respectively.
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    , 王建中, 刘艳, 林善枝, 王玉春, 孙建华, 丁霞, 张庆, 沈应柏, 李凤兰, 王民中, 陶凤杰, 呼晓姝, 李镇宇, 杨伟光, 陈卫平, 张兴杰, 刘玉军, 汪植, 蒋平, 付瑞海, 马建海, 赵新丽.  新疆天然胡杨林土壤微生物多样性的研究 . 北京林业大学学报, 2007, 29(5): 127-131.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-09
  • 修回日期:  2018-03-27
  • 刊出日期:  2018-07-01

岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
    基金项目:

    国家重点研发计划项目 2016YFC0502500

    国家自然科学基金项目 31500583

    中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 CAFYBB2016QB020

    国家重点研发计划项目 2016YFC0502504

    中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 CAFYBB2014ZD006

    作者简介:

    范周周。主要研究方向:资源与环境微生物。Email: 18932689670@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生物科学与技术学院

    通讯作者: 彭霞薇,博士,副教授。主要研究方向:资源与环境微生物。Email: xiaweipeng@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S718.8

摘要: 目的为明确不同地质条件下、不同林分对根际土壤微生物及土壤酶活性的影响,该研究为今后深入探究岩溶自然生态系统的恢复提供理论依据。方法本文以云南建水岩溶与非岩溶区人工桉树林、人工云南松林和天然次生林根际土壤为研究对象,通过对根际土壤微生物数量和土壤酶活性的测定,探究不同地质、不同林分对根际土壤微生物及土壤酶活性的影响,及其微生物与土壤酶间的相关性。结果本研究表明,在相同地质背景条件下,两种不同人工林土壤中桉树(阔叶林)与云南松(针叶林)放线菌的数量存在显著性差异,天然次生林微生物数量为18.2×105 cfu/g。受地质条件、植被恢复模式等影响,各样地土壤酶活性各异。相关分析表明,脲酶、过氧化氢酶活性与放线菌数量呈显著正相关,脲酶、酸性磷酸酶、碳酸酐酶、过氧化氢酶4种酶活之间存在相互联系。结论土壤微生物群落及土壤物质的转化受地质条件、林分差异和恢复模式的影响。

English Abstract

范周周, 卢舒瑜, 王娇, 郭东矗, 庞丹波, 周金星, 彭霞薇. 岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
引用本文: 范周周, 卢舒瑜, 王娇, 郭东矗, 庞丹波, 周金星, 彭霞薇. 岩溶与非岩溶区不同林分根际土壤微生物及酶活性[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
Fan Zhouzhou, Lu Shuyu, Wang Jiao, Guo Dongchu, Pang Danbo, Zhou Jinxing, Peng Xiawei. Microbial and enzyme activities in rhizosphere soil of different forest stand in karst and non karst areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
Citation: Fan Zhouzhou, Lu Shuyu, Wang Jiao, Guo Dongchu, Pang Danbo, Zhou Jinxing, Peng Xiawei. Microbial and enzyme activities in rhizosphere soil of different forest stand in karst and non karst areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 55-61. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180011
  • 根际是植物、土壤、微生物三者进行物质、能量交换的活跃区域[1],植物根系分泌物为根际土壤微生物生长繁殖提供了C源和其他养分来源,使之成为微生物生长旺盛的区域。同时,土壤微生物的生命代谢为植物生长提供营养物质,分泌植物生长需要的维生素和生长激素,促进植物的正常生长,与植物互利共生。植物根际形成的固定微生物群落,是长期适应土壤环境的结果,其对土壤环境的变化较为敏感,可以表征土壤质量和生态功能的变化,影响植物养分的吸收及对不良环境的抵抗能力[2]。土壤酶活性在一定程度上表征着土壤微生物活性、数量等,直接影响土壤养分的组成与转化,共同参与土壤有机质的转化、物质循环、能量流动等过程,影响土壤结构和土壤肥力[3]。因此,充分了解我国西南岩溶与非岩溶区土壤酶活性、微生物数量等特征,有利于当地生态环境的修复与治理。

    目前,针对岩溶地区土壤微生物活性方面的研究较多。陈家瑞等[4]曾指出岩溶区细菌数量占绝对优势,且存在时间上的差异性;高喜等[5]利用涂布计数的方法对比研究岩溶区与非岩溶区非根际土壤微生物活性,结果表明对于同一种土地利用方式,土壤微生物总数表现为岩溶区>非岩溶区;赵维娜等[6]探索天然林土壤理化性质、土壤微生物数量与根际土壤酶的相互作用。但关于岩溶区与非岩溶区天然林与人工林、阔叶林与针叶林不同林分根际土壤可培养微生物活性与酶活性的变化在当前岩溶生态系统退化和恢复研究中尚未见报道。因此,本研究利用传统的平板计数方法,综合分析不同地质条件、天然林与人工林、阔叶林与针叶林根际土壤酶活性、可培养微生物数量以及两者之间的相关性,直接或间接反映对土壤的改良作用。为今后可培养微生物在岩溶地区植被恢复过程中的利用奠定基础,同时为岩溶地区植被的恢复与重建提供理论依据。

    • 研究区位于云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站(102°54′12″E、23°37′13″N),海拔1 396 m,属南亚热带季风气候,年降水相对比较集中,年降雨量796.3 mm,年蒸发2 296.5 mm,极为缺水。该区地势呈南高北低、西高东低的态势,全县总面积为3 940 km2,岩溶面积占全县土地总面积的68.77%。

    • 2017年9月采取云南建水地区岩溶与非岩溶区6个样地土壤,由于土壤形成的母质存在差异,岩溶地区主要为石灰土,非岩溶地区的土壤以红土为主。样地设置分别为岩溶区桉树(Eucalyptus robusta)人工林,云南松(Pinus yunnanensis)人工林,天然次生林;非岩溶区桉树人工林,云南松人工林,天然次生林。两种地质背景的天然次生林均为20世纪70年代采取自然恢复模式对人为破坏地区进行恢复;两种地质背景的云南松人工林是对人为砍伐后的荒山地种植纯林的恢复模式,种植时间均为1996年;两种地质背景的桉树人工林是对人为砍伐后的荒山地种植纯林的恢复模式,种植时间均为2009年。选取长势相近的乔木(云南松胸径10 cm,株高8 m;桉树胸径7 cm,株高7 m;次生林胸径6 cm,株高4 m),采取抖落法,抖落植物根际附近1~2 mm土壤样品,每个样地采集15个点,充分混匀。一部分土样风干,用于测定土壤的基本理化性质;另一部分4 ℃保藏,用于微生物及土壤酶研究。

    • 参照《土壤农业化学分析方法》[7],pH值用酸度计法;含水量用烘干法;电导率用电极法;有机质用重铬酸钾热稀释法;全氮用半微量凯氏法;全磷用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法;速效钾用醋酸铵法。

    • 稀释平板表面涂布法,细菌采用LB培养基,真菌采用PDA培养基,放线菌采用高氏一号培养基。

    • 参照《土壤微生物生态学及其实验技术》[8],碳酸酐酶用pH计法;过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法;脲酶用靛酚比色法;酸性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法。

    • 实验数据采用Excel 2007统计分析,Origin 2016软件进行作图,SPSS 19.0对数据进行相关性分析。

    • 表 1可以看出,不同样地土壤基本理化性质不同。在相同植被条件下,岩溶区与非岩溶地区土壤基本理化性质存在显著差异。同一地质条件下,受植被的影响,土壤基本理化也存在显著差异。其中,速效钾、全氮、全磷、有机质含量及电导率最高为442.13 mg/kg、14.6 g/kg、3.88 g/kg、123.76 g/kg、3.64 μS/cm。非岩溶区云南松土壤速效钾含量、有机质含量以及土壤pH最低,分别为68.85 mg/kg、44.03 g/kg、4.76。

      表 1  各个样地土壤基本理化性质的测定

      Table 1.  General basic physical and chemical properties of various samples

      变量Variable 林分类型Stand type
      桉树Eucalyptus robusta 云南松Pinus yunnanensis 次生林Secondary forest
      岩溶区Karst area 非岩溶区Non-karst area 岩溶区Karst area 非岩溶区Non-karst area 岩溶区Karst area 非岩溶区Non-karst area
      速效钾Available potassium/(mg·kg-1) 124.77±2.37d 230.17±6.12c 117.5±0.35e 68.85±7.88f 335.23±1.66b 442.13±3.55a
      全氮Total nitrogen/(g·kg-1) 12.94±0.06b 6.31±0.20d 9.64±0.45c 9.42±0.57c 5.74±0.22d 14.60±0.09a
      全磷Total phosphorus/(g·kg-1) 2.14±0.11c 0.82±0.03e 1.20±0.05d 3.88±0.08a 0.77±0.01e 2.78±0.05b
      有机质Organic matter/(g·kg-1) 123.76±0.00a 63.09±0.13ab 80.16±2.21ab 44.03±0.67c 119.85±0.00a 78.36±0.67c
      pH 5.59±0.03b 5.69±0.11b 5.64±0.02b 4.76±0.02c 6.59±0.11a 5.60±0.01b
      电导率Electrical conductivity/(μS·cm-1) 2.29±0.16c 1.71±0.01c 1.25±0.03c 3.64±0.04a 2.87±0.13b 2.79±0.51b
    • 土壤微生物是土壤的重要组成部分,在土壤形成,养分循环等方面起着重要作用[9-10]。从表 2可以看出,岩溶区植被根际土壤微生物数量大于非岩溶区,与高喜等[5]研究结果一致。其中岩溶地区桉树阔叶林、次生林微生物数量均最高,为18.2×105 cfu/g,非岩溶地区云南松针叶林微生物数量最低,为6.5×105 cfu/g,且岩溶区次生林表现为较大的真菌/细菌比值。在岩溶区与非岩溶区,微生物数量由高到低依次为放线菌>细菌>真菌,细菌、放线菌、真菌三大类群的微生物数量存在显著性差异,说明根际土壤微生物的数量受地质背景、林分差异的影响较大,同时表明在当地土壤中,放线菌可能是土壤中对物质分解起决定作用的主要微生物类群。通过方差分析结果表明,林分、地质背景等影响根际土壤微生物的群落组成。

      表 2  各个样地的微生物数量

      Table 2.  Microbe number in each sample plot

      cfu·g-1
      土壤类型Soil type 细菌Bacteria 放线菌Actinomycetes 真菌Fungus 总计Sum
      岩溶区桉树(Eucalyptus in karst areas, KE) 4.35×105±0.2a 13.67×105±1a 2.37×104±0.8b 18.2×105±1a
      非岩溶区桉树(Eucalyptus in non-karst area, NE) 4.43×105±0.1a 10.30×105±1b 1.98×104±0.2b 14.9×105±1a
      岩溶区云南松(Yunnan pine in karst area, KP) 4.39×105±0.2a 11.90×105±0.1ab 2.17×104±0.1b 16.5×105±1a
      非岩溶区云南松(Yunnan pine in non-karst area, NP) 1.83×105±0b 4.50×105±0.3c 1.62×104±0.1b 6.5×105±0.7b
      岩溶区次生林(Secondary forest in karst area, KS) 4.18×105±0ab 13.70×105±0.7a 3.58×104±0.1a 18.2×105±0a
      非岩溶区次生林(Secondary forest in non-karst area, NS) 3.32×105±0ab 12.60×105±0.8ab 1.80×104±0.3b 16.1×105±0.5a
      地质类型Geological type * ** NS ***
      林分类型Stand type NS *** NS ***
      注:***、**、*分别表示在P<0.001、P<0.01、P<0.05水平上差异显著,NS表示差异不显著。Notes:***, **, * represent significant difference at P<0.001,P<0.01,P<0.05 level, respectively. NS means difference is not significant.
    • 过氧化氢酶是一种氧化还原酶,可以反映土壤的腐殖化强度、有机质的积累程度以及土壤生态环境受胁迫程度。土壤过氧化氢酶能够在土壤基质条件下促进土壤中的多种化合物进行氧化作用,有利于防止过氧化氢在土壤中过度积累对微生物造成的毒害作用[11]。从图 1可以看出,相同植被条件下,岩溶地区过氧化氢酶的活性均大于非岩溶地区,且差异性显著。同一地质条件下的土壤过氧化氢酶活性,次生林>人工针叶林(云南松)>人工阔叶林(桉树),岩溶地区次生林土壤过氧化氢酶的活性最高,说明生态系统的稳定性影响土壤酶的积累[10]

      图  1  各个样地过氧化氢酶酶活

      Figure 1.  Catalase activity in each sample plot

    • 土壤脲酶是酰胺酶的一种,在土壤氮元素的转化过程中起着关键作用,主要来源于微生物以及植物根系的分泌物等,其活性可反映土壤中有机态氮向无机氮转化的能力[12]。由图 2可知,该酶受地质背景、林分差异的影响,岩溶地区土壤脲酶活性均显著大于非岩溶地区,次生林土壤脲酶显著大于人工林,岩溶区次生林脲酶活性最高,为23.59 mg/g,比非岩溶区脲酶活性高6.1 mg/g。同一地质背景下,两种人工林土壤脲酶无显著性差异,说明地质背景对脲酶的影响大于林分差异的影响。

      图  2  各个样地脲酶酶活

      Figure 2.  Urease activity in each sample plot

    • 磷酸酶主要来源于植物根系和土壤微生物的分泌[13]。磷酸酶在土壤有机磷转化为无机磷的过程中起关键作用,影响土壤有机磷的水解。从图 3可以看出,岩溶地区,针叶人工林酸性磷酸酶活性大于桉树阔叶林根际土壤酶活性;次生林非岩溶地区酸性磷酸酶的活性大于岩溶地区,其酶活为37.19 mg/g。不同林分土壤酸性磷酸酶的活性差异较大,岩溶区桉树阔叶林和云南松针叶林酸性磷酸酶的活性均略大于非岩溶地区的桉树阔叶林和云南松针叶林0.95~5.74 mg/g,分别是非岩溶地区的1.12和1.19倍,且差异达到显著性水平;其中非岩溶地区云南松针叶林酸性磷酸酶的活性最低为30.85 mg/g。

      图  3  各个样地酸性磷酸酶酶活

      Figure 3.  Acid phosphatase activity in each sample plot

    • 碳酸酐酶是一种含锌的金属酶,可以加速CO2与HCO3-的相互转换过程,其反应速度与反应方向显著影响碳酸盐岩的风化[14]。从图 4可以看出岩溶地区桉树阔叶林、云南松针叶林和次生林土壤碳酸酐酶活性分别为2.19、2.35、2.18 U/g,显著高于非岩溶地区,表明碳酸酐酶在促进岩石风化过程中起着至关重要的作用。同一地质背景下,不同林分差异碳酸酐酶活性差异不显著,说明碳酸酐酶受林分差异的影响较小,主要受地质背景的影响,岩溶区富含钙的环境促进了碳酸酐酶基因的表达,增强了碳酸酐酶的活性[15]

      图  4  各个样地碳酸酐酶酶活

      Figure 4.  Carbonic anhydrase activity in each sample plot

    • 综合分析土壤微生物数量与土壤酶活性之间的关系(表 3)。三大微生物数量与土壤酶活性均呈现不同程度的相关性,其中细菌数量与脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶,放线菌数量与脲酶、过氧化氢酶均呈显著正相关。脲酶、酸性磷酸酶、碳酸酐酶、过氧化氢酶4种酶之间存在相互联系,说明在土壤生态系统中,各种酶活性并不是孤立存在,而是密切配合,相互作用,对土壤肥力的形成和物质的转化起着十分重要的作用,共同为植被的生长及微生物的繁殖提供充足的营养物质和良好的生存环境。

      表 3  土壤微生物数量与土壤酶的相关性

      Table 3.  Correlations between soil microbial biomass and soil enzyme

      指标Index 细菌Bacteria 真菌Fungus 放线菌Actinomycetes 脲酶Urease 磷酸酶Phosphatase 碳酸酐酶Carbonic anhydrase 过氧化氢酶Catalase
      细菌Bacteria 1 0.050 0.181 0.474* 0.589* 0.410 0.515*
      真菌Fungus 1 0.321 0.066 -0.058 -0.058 0.000
      放线菌Actinomycetes 1 0.554* 0.300 0.141 0.518*
      脲酶Urease 1 0.600** 0.582* 0.930**
      磷酸酶Phosphatase 1 0.564* 0.781**
      碳酸酐酶Carbonic anhydrase 1 0.662**
      过氧化氢酶Catalase 1
      注:***分别表示在P<0.01,P<0.05水平上差异显著。Notes:** and * represent significant difference at P < 0.01 and P < 0.05 levels, respectively.
    • 本实验结果表明,岩溶地区土壤微生物数量、及土壤酶活性大于非岩溶地区,王静等[16]研究比较植物凋落物分解时,指出岩溶地区人类活动较少,植被凋落物、动植物残体等保留完整,使得土壤有机质等营养物质含量较高,土壤处于自然理化状态,为微生物提供丰富的物质来源。同时,Li等[15]认为岩溶地区的岩石风化会促使土壤形成,增强土壤基质中各种微量元素的含量,从而有利于维持土壤微生物的生长,刺激胞外酶的分泌。在植物根系附近,土壤微生物会形成固定的群落,可以维持其正常生长,同时加强根系生态环境的稳定性。阔叶人工林根际微生物数量大于针叶林,由于不同林分差异的凋落物及其凋落物的数量存在差异,从而影响进入土壤内动植物残体的数量和速率[17]。天然林微生物的数量大于人工林。康冰等[18]研究次生林、人工林和混交林的土壤理化性质时发现,天然次生林凋落物较多,土壤中较大的根系密度导致输入土壤中有机质的含量增多,导致较高的土壤有机碳和总氮含量,有利于土壤有机质积累,改善土壤养分状况,促进土壤微生物生长,土壤微生物的代谢过程中,会与根系分泌物发生互作,共同参与植物—土壤—微生物促进营养元素的循环过程[19],与本文研究结果一致。从生态学角度上来说,天然次生林生物多样性较高,生态系统的抵抗力和稳定性较强,植物已适应当地生长环境,导致植物根际微生物群落结构相对完善,物种类群丰富[6]。本研究中由于天然次生林属于自然恢复模式,每年大量草本植物根系死亡并归还土壤,特别是一年生植物补给土壤;同时生物多样性及恢复年限较长,土壤生态系统稳定,表现为较大的真菌/细菌比值、最高的土壤酶活性,从而有利于土壤真菌数量以及真菌菌丝体的增多,增大了与土壤养分的接触,减少土壤养分元素的流失[20]。因此,在岩溶地区生态修复时,应采用自然恢复为主,人工恢复为辅的恢复模式。

      岩溶地区真菌、放线菌和细菌在岩溶生态系统碳循环中,相互促进和相互依赖,三者相互作用[21]。本实验发现,各个样地放线菌数量大于细菌、真菌,与栾丽英等[22]研究结果一致,可能是由于土壤组成的基质成分不同,并且土壤理化性质等存在差异。相关研究表明,土壤pH的降低对细菌和真菌生长的影响较大[23]。云南建水地区土壤整体呈现酸性环境,不利于细菌、真菌、放线菌的生长、繁殖。在酸性环境下,放线菌可能表现出较强的适应能力,其分枝状的菌丝体能够分泌胞外水解酶,降解土壤中不溶性有机物质,从而获得细胞代谢、微生物生长所需的营养物质,促进有机物的矿化,参与自然界物质循环,净化环境、改良土壤。此外,植被凋落物含有较多的木质化纤维成分,刺激了参与难分解物质转化的放线菌数量的增加[24]

      土壤酶是土壤生物化学特征的重要组成部分,参与土壤各种代谢过程和能量转化,与土壤微生物的数量、种类等存在相互联系。土壤微生物在陆地生态系统中代谢活跃,对动、植物残体的分解起着关键作用[24]。本研究结果表明,岩溶地区的脲酶活性大于非岩溶地区,微生物数量由高到低依次为放线菌>细菌>真菌,与高喜等[5]研究不同;原因可能是放线菌是产脲酶的主要菌种,其数量与脲酶活性呈显著正相关。细菌数量与脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶,放线菌数量与脲酶、过氧化氢酶均呈显著正相关;而倪斌[2]研究结果指出放线菌与脲酶不存在显著相关性,可能与土壤的基本性质相关。同一地质条件下,不同植被根际土壤碳酸酐酶、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶的活性各异,可能是由于不同植被分泌物的组成和分泌量不同,且根区范围内的植物根系量、发达程度因植被的不同存在明显的差异,进而影响根际土壤中微生物数量及土壤酶活性。不同植被的树冠的大小存在差异,对地表的遮阴程度存在差异,间接影响地表微生物的代谢活动及土壤酶的分泌活动[25]。此外,土壤酶活性是生物与非生物活性的总和,除受土壤微生物的影响外,还受环境等非生物因素的影响[26],因此在后续研究中应进一步对比研究岩溶与非岩溶土壤酶的变化与环境因子的关系,为岩溶地区的植被恢复提供理论依据。同时,在岩溶地区的植被恢复、建立完善的森林生态系统时,应充分考虑植被、土壤微生物、土壤肥力三者之间构成反馈循环[27]

    • (1) 在云南建水岩溶与非岩溶地区,植物根际土壤微生物数量由高到低依次为放线菌>细菌>真菌,各个样地中细菌、放线菌、真菌三大类群的微生物数量存在显著性差异,其中天然林大于人工林、阔叶林大于针叶林,岩溶次生林的放线菌、真菌数量及其微生物总量均达到最大值。

      (2) 综合土壤酶活性表明,岩溶地区土壤酶活性大于非岩溶地区,更有利于土壤微生物的繁殖与生长。同时,土壤酶与微生物数量的相关性分析表明,三大微生物数量与土壤酶活性均呈现不同程度的相关性。本研究为揭示云南建水地区不同植被恢复模式土壤微生物、酶活性变化提供依据,对岩溶生态系统可持续发展提供指导。

参考文献 (27)

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