寧南山區退耕對土壤微生物生物量和酶活性的影響

程 曼,成 毅,安韶山,2

（1.西北農林科技大學資源環境學院,陜西楊陵712100;2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西楊陵 712100）

“退耕還林還草”工程作為“西部大開發”中生態環境建設的關鍵和切入點,經過近十多年的實踐,不僅改變了西部地區的生態環境面貌,有利于我國經濟社會的可持續發展,而且對于人類應對生態環境危機的大業具有積極意義[1]。但是對于土壤生態系統的影響如何則需要進一步探究。在土壤生態系統中,土壤微生物作為土壤有機質和養分(N,P,S等)轉化及循環的動力,參與有機質的分解、腐殖質的形成、養分的轉化和循環等生化過程,在土壤生態系統的能量流動和養分轉化中起著重要作用[2]。而土壤中各種生化反應除受到微生物本身活動的影響外,實際上是在各種相應的酶參與下完成的[3]。微生物和酶都是土壤生態系統中的重要組成部分,是土壤生物活性的綜合表現[4]。退耕地植被恢復對遏制水土流失、提高土壤質量和改善生態環境有著極其重要的作用[5]。本研究通過對農田以及退耕后不同植被恢復下土壤的微生物生物量碳、氮、磷、轉化酶活性、堿性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性和脲酶活性的變化特征進行研究,從土壤微生物學角度探討退耕還林還草對于土壤生態系統的影響,對退耕還林還草的生態效益評估提供土壤微生物學方面的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及樣地設置

研究區位于黃土丘陵區寧夏固原市東部的河川鄉,屬涇河水系支流小川河的中游,地處106°26′-106°30′E,35°59′-36°3′N,海拔 1 534 ～1 822 m,年均降水量420 mm,年均氣溫7℃,干燥度1.55～2.0,屬半干旱中溫帶向暖溫帶過渡季風氣候區。研究區由小川河分為兩部分,東部為梁狀丘陵,地形起伏較大;西部自東向西依次為臺、坪、梁地形。試驗區溝坡地占90%,平緩臺地僅占8%,且51%的土地坡度為15°～ 20°,總土地面積 716 km2。土壤類型主要是黃土母質上發育的黃綿土。

根據黃土高原不同土地利用方式分布情況確定采樣地,所調查樣地的植被類型包括天然草地(N.G)、農地(Cro.)、苜蓿(Alf.)和檸條林地(CK)。調查樣地概況見表1。

1.2 土壤樣品采集與分析

在每個樣地中采取S型路線多點采樣,各采樣地均按0-5 cm、5-20 cm、20-40 cm分別多點采集混合樣品(分別采集21個樣點混合)。樣品經風干去除根系、石塊,研磨過篩分裝備用,各分析項目重復3次,采樣時間為2007年7月。

表1 試驗樣地概況

土壤微生物生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸浸提法[6-7]測定。微生物量碳和氮在水土比 1∶4的K2SO4浸提液中提取30 min,提取液中土壤可溶性有機碳用總有機碳分析儀(Phoenix 8000)測定,可溶性全氮(TSN)采用堿性過硫酸鉀氧化法[8]測定,土壤可溶性有機氮(SON)=TSN-無機氮。土壤微生物生物量磷的測定參照Brookes[9]等的方法,用 0.5 mol/L的NaHCO3(pH8.5)作浸提劑,在1∶20的土水比中提取30 min,提取液中P的測定用鉬銻抗顯色法測定[10]。土壤微生物生物量碳(mg/kg),Cmic=EC/0.45,土壤微生物生物量氮(mg/kg),Nmic=EN/0.45,土壤微生物生物量磷(mg/kg),Pmic=EP/0.4,其中0.45為土壤微生物生物量碳和氮的系數,EC和EN分別為熏蒸和未熏蒸土壤K2SO4浸提液有機碳和全氮含量的差值,EP為熏蒸和未熏蒸NaHCO3浸提液微生物量磷的差值,0.4為土壤微生物生物量磷的系數[9]。其他化學性質均參照文獻[10]進行分析。土壤脲酶活性用靛酚比色法測定,土壤堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定,轉化酶用Na2S2O3滴定法,過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法。所得數據用DPS和Excel進行處理。

2 結果與分析

2.1 土壤養分對植被恢復的響應

認識土壤養分對于植被恢復的響應能夠更加科學地進行植被恢復規劃,進而提高生態恢復的生態效益。由表2可知,農田退耕后不同植被恢復下,表層(0-5 cm土層)土壤有機質、堿解氮、全氮含量均為天然草地最高,苜蓿、檸條次之,農地最低;速效鉀含量為除苜蓿外,其他植被恢復土地均高于農地;速效磷含量為苜蓿最高,農地次之,農地比檸條高出0.6%,比天然草地高出14.2%。由此不難看出,本研究中農田退耕后通過三種不同的植被恢復措施,表層土壤的養分,除速效磷以外,有機質、堿解氮、全氮、速效鉀含量都有所提升。

2.2 農田退耕后不同植被恢復對微生物生物量的影響

2.2.1 農田退耕后不同植被恢復對微生物生物量碳的影響 由圖1可以看出,農田退耕后,不同的植被恢復措施下,表層0-5 cm和5-20 cm土層土壤微生物生物量碳含量均為天然草地＞檸條林地＞苜蓿＞農地,20-40 cm土層則為檸條最高,天然草地和苜蓿居中,農地最低。其中,表層土壤微生物生物量碳含量天然草地、檸條、苜蓿地分別是農地的3.12倍、2.58倍、1.59倍;5-20 cm土層土壤天然草地、檸條、苜蓿地分別是農地的1.73倍、1.63倍、1.05倍;20-40 cm土層檸條、天然草地、苜蓿地分別是農地的2.21倍、1.05倍、1.04倍。通過顯著性分析發現,表層(0-5 cm土層)土壤農地和其他3種植被恢復下微生物量生物量碳含量差異顯著(P＜0.05,n=3);5-20 cm土層除苜蓿,農地和其他植被下微生物生物量碳含量差異顯著(P＜0.05,n=3);20-40 cm土層農地與三種植被恢復下微生物量生物量碳含量都無顯著性差異(P＜0.05,n=3)。

表2 不同植被恢復措施下不同土層土壤養分狀況

圖1 不同土地利用方式土壤微生物碳

2.2.2 農田退耕后不同植被恢復對微生物生物量氮的影響 由圖2可知,農田退耕后土壤微生物生物量氮含量在表層0-5 cm從農地、苜蓿、檸條、天然草地依次遞增,5-20 cm土層為隨苜蓿、農地、天然草地、檸條依次遞減,20-40 cm土層則以農地含量最高,苜蓿地、檸條林地居中,天然草地最低。其中,農田退耕后通過不同的植被恢復措施,表層0-5 cm土壤的微生物生物量氮含量是農地的1.21～1.41倍。顯著性分析表明,農地和退耕后不同植被恢復土地土壤的微生物生物量氮含量差異性表現為:表層和 5-20 cm無顯著性差異(P＜0.05,n=3),20-40 cm土層則存在顯著差異(P＜0.05,n=3)。

圖2 不同土地利用方式土壤微生物氮

2.2.3 農田退耕后不同植被恢復對微生物生物量磷的影響 由圖3可知,農田退耕后不同植被恢復下,表層0-5 cm和5-20 cm土層土壤微生物生物量磷含量隨農地、苜蓿、天然草地、檸條呈現依次遞增的趨勢,20-40 cm土層則為從苜蓿、天然草地、農地、檸條依次遞增。其中,退耕后種植檸條以后,土壤微生物生物量磷含量高出19%～80%。顯著性分析可知:農田退耕后,通過不同的植被恢復措施,表層0-5 cm、5-20 cm土層和20-40 cm土層土壤的微生物生物量磷含量都無顯著差異(P＜0.05,n=3)。可以看出,土壤微生物生物量磷對于植被恢復措施的響應不夠敏感。

圖3 不同土地利用方式土壤微生物磷

2.3 農田退耕后植被恢復對土壤酶活性的影響

2.3.1 農田退耕后植被恢復對土壤轉化酶活性的影響 由圖4可見,農田退耕后不同植被恢復下,土壤轉化酶的活性有所增強,主要表現在表層0-5 cm和5-20 cm土層。表層和5-20 cm土層天然草地、檸條、苜蓿土壤轉化酶活性比農地高出1%～41%,20-40 cm土層則不同,檸條林地最高,為農地的1.49倍,農地高于其他的植被恢復措施。幾種植被恢復下,表層0-5 cm除天然草地外,其他植被恢復措施同農地的土壤轉化酶活性之間無顯著差異(P＜0.05,n=3);5-20 cm土層苜蓿和農地的土壤轉化酶活性差異不顯著(P＜0.05,n=3);20-40 cm土層為除檸條外,其他植被恢復措施同農地之間都無顯著差異(P＜0.05,n=3)。

圖4 不同土地利用方式土壤轉化酶活性

2.3.2 農田退耕后植被恢復對土壤堿性磷酸酶活性的影響 如圖5,同轉化酶一樣,農田退耕后不同植被恢復下,土壤堿性磷酸酶活性有所增強,表現在表層和5-20 cm土層,比農地高出1%～89%,20-40 cm土層的堿性磷酸酶活性隨檸條、天然草地、農地、苜蓿呈依次降低的趨勢。由顯著性分析可以發現,農田退耕后不同植被恢復下,表層0-5 cm和5-20 cm土層土壤的堿性磷酸酶活性均為天然草地、檸條同農地呈顯著性差異(P＜0.05,n=3),苜蓿同農地之間差異不顯著(P＜0.05,n=3);20-40 cm土層則為檸條、天然草地同農地之間差異顯著(P＜0.05,n=3),苜蓿同農地之間差異不顯著(P＜0.05,n=3)。

圖5 不同土地利用方式土壤堿性磷酸酶活性

圖6 不同土地利用方式土壤過氧化氫酶活性

2.3.3 農田退耕后植被恢復對土壤過氧化氫酶活性的影響 由圖6可知,農田退耕后通過不同植被恢復措施,表層土壤過氧化氫酶活性稍微有所增強,天然草地、苜蓿、檸條林地分別是農地的 1.01倍、1.08倍、1.03倍;5-20 cm土層土壤過氧化氫酶活性隨苜蓿、農地、檸條、天然草地呈降低趨勢;20-40 cm土層土壤過氧化氫酶活性隨苜蓿、農地、檸條、天然草地呈降低趨勢。顯著性分析發現:表層土壤天然草地、苜蓿、檸條和農地的過氧化氫酶活性之間均無顯著差異(P＜0.05,n=3);苜蓿和農地的過氧化氫酶活性之間5-20 cm土層、20-40 cm土層都存在顯著差異(P＜0.05,n=3)。

2.3.4 農田退耕后植被恢復對土壤脲酶活性的影響圖7表明,農田退耕后不同植被恢復下,0-5 cm土層土壤脲酶活性有所增強,天然草地、檸條、苜蓿分別是農地的 2.70倍、1.83倍、1.18倍,5-20 cm 土層土壤脲酶活性隨天然草地、檸條、農地、苜蓿呈降低趨勢,20-40 cm土層土壤脲酶活性隨檸條、天然草地、農地、苜蓿依次降低。由顯著性分析可知,農田退耕后通過不同的植被恢復措施,表層、5-20 cm土層、20-40 cm土層土壤脲酶活性差異性相同:苜蓿和農地之間無顯著差異(P＜0.05,n=3),檸條、天然草地和農地之間存在顯著差異(P＜0.05,n=3)。

圖7 不同土地利用方式土壤脲酶活性

2.4 土壤微生物生物量、酶活性及養分的相關分析

由表3可知,土壤微生物生物量碳同土壤有機質、堿解氮、全氮、速效鉀呈極顯著相關,而同土壤速效磷不具有顯著相關性;微生物生物量氮同有機質、堿解氮、速效鉀、速效磷具有極顯著相關性,與全氮具有顯著相關性;微生物生物量磷同有機質、堿解氮具有極顯著相關性,與速效鉀具有顯著相關性;微生物生物量碳、氮、磷含量兩兩之間有極顯著相關性或顯著相關性。這進一步肯定了已有研究中的結論:土壤微生物生物量碳、氮、磷在作為評價土壤質量的生物學指標時具有可行性和協同性[11]。土壤酶活性與土壤養分之間的相關性分析可知:土壤轉化酶同速效鉀、速效磷具有顯著相關性;堿性磷酸酶同有機質、速效鉀、速效磷具有極顯著相關性;土壤過氧化氫酶同有機質、全氮、速效鉀、速效磷具有極顯著相關性,與堿解氮具有顯著相關性;土壤脲酶同土壤速效鉀具有極顯著相關性;除脲酶和過氧化氫酶之間無相關性以外,轉化酶、磷酸酶、過氧化氫酶、脲酶兩兩之間具有顯著相關性或極顯著相關性。

表3 土壤微生物生物量、酶活性及其養分之間的相關性分析

3 討論

土壤微生物直接參與養分的轉化和循環,土壤微生物生物量的大小和轉化能力直接影響植物對養分的吸收[12],同時,植物的生長也對土壤微生物群落產生很大影響,而植被類型、多樣性和蓋度的差異都會對土壤微生物產生不同影響[13-15]。土壤中微生物生物量越高,微生物群落活躍程度越高,在一定程度上反映土壤生態系統具有越強的物質循環能力。土地利用是人類干預土壤質量最重要、最直接的活動,通過對不同物質的時空配置和循環,干擾和調整土壤生物地質循環過程,從而使土壤肥力發生變化,并且導致土壤生物學質量的改變[16]。本研究將農田以及退耕后不同植被恢復下的土壤微生物生物量相比較,討論農田退耕后不同植被恢復對于土壤微生物活性的影響。由以上分析可知,農田退耕后不同植被恢復下表層、5-20 cm土層、20-40 cm土層土壤微生物生物量碳含量是農地的1.04～3.12倍,說明農田退耕有利于土壤微生物生物量碳含量的積累。這與前人的研究報道大概一致。Jenkinson和 Powlson對林地、草地、耕地表層土壤微生物生物量C的測定結果表明,草地和林地土壤微生物生物量C為耕地土壤的2～4倍[7]。其中天然草地和檸條的微生物生物量碳含量提升的幅度很大,這也與已有報道相一致[11]。天然草地相對人工植被恢復而言,存在更加豐富的植物多樣性,另外草本植物不僅地上部分生長量大,為土壤微生物提供大量凋落物,而且根系發達,密集于表層,根系的分泌物和衰亡的根更是微生物豐富的能源物質[17]。對于土壤微生物生物量氮含量而言,本研究中農田退耕后通過不同植被恢復措施,表層稍微有所提升,從相關性分析來看,微生物生物量氮和微生物量碳、微生物生物量磷都有顯著相關,這可能是其他養分的協同作用而導致的;5-20 cm土層和20-40 cm土層微生物生物量氮含量為農地偏高,這可能與農田利用過程中有機無機肥料的施用有關,外源物質的加入為土壤微生物提供了碳源,使得土壤中微生物活動變得更加頻繁,相應地引起土壤微生物生物量氮含量的增多。和微生物生物量碳、氮相比,微生物生物量磷含量對于不同植被恢復措施的響應比較小,差異性比較均無顯著差異就說明微生物生物量磷含量比較穩定。

土壤酶活性是土壤生物活性的總體表現,反映了土壤的綜合肥力特征及土壤養分轉化進程,它可以作為衡量土壤肥力水平高低的較好指標[18]。由酶活性的數據分析可以看出,農田退耕后通過不同植被恢復措施,表層土壤的轉化酶活性、堿性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性以及脲酶活性均有所提高,其中脲酶活性提高的幅度最大,為農地的1.95倍,堿性磷酸酶、轉化酶次之,過氧化氫酶活性變化的幅度最小;5-20 cm土層的土壤轉化酶活性、堿性磷酸酶活性也有一定幅度的提高,但是幅度比較小。植物根系分泌物、殘體(含凋落物和根系脫落物)在土壤分解過程中刺激了微生物活動,從而增加了土壤酶活性[19]。農田退耕后,實施不同的植被恢復措施,進入土壤中的植物凋謝相對農田較多,歸還給土壤的物質多并且豐富,相應地引起土壤中微生物數量的增多,這就使得植物-土壤之間的互動機制得到充分發揮。天然草地可明顯提高土壤的轉化酶活性和堿性磷酸酶活性,這與已有報道結論相一致[20]。天然草地、檸條可明顯提高土壤的堿性磷酸酶活性和脲酶,有研究已明確指出堿性磷酸酶和脲酶可以作為評價土壤肥力的指標[18],這說明天然草地、檸條可以在一定程度上提高土壤肥力。

4 結論

農田退耕后通過天然草地、苜蓿、檸條三種植被恢復措施,表層(0-5 cm土層)土壤的養分,除速效磷以外,有機質、堿解氮、全氮、速效鉀含量都有所提升;土壤微生物生物量碳含量提高幅度比較大,微生物生物量氮含量為農田較高,微生物生物量磷則相對穩定;表層(0-5 cm土層)土壤的脲酶活性提高幅度最大,堿性磷酸酶、轉化酶次之,過氧化氫酶活性變化的幅度最小。可見,從微生物生物量和酶活性變化特征來看,農田退耕后,通過不同的植被恢復措施,使土壤生態系統由以輸出為主的農田生態系統轉變為半封閉的人工生態系統,土壤的生物肥力有所提高。

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