滇池西岸4種針葉林的土壤微生物與酶活性1)

陸 梅 衛 捷 韓智亮

(西南林業大學，昆明，650224)

滇池西岸4種針葉林的土壤微生物與酶活性1)

陸 梅 衛 捷 韓智亮

(西南林業大學，昆明，650224)

采用實地調查與室內實驗分析相結合，對位于高原濕地滇池西岸森林公園現存4種針葉林:云南松、華山松+云南油杉混交、云南油杉、柏樹的林下土壤微生物特征及酶活性進行研究。結果表明:4種針葉林中，土壤微生物數量差異性顯著，呈現出從混交林到純林逐漸減少趨勢。在微生物區系組成中，細菌占絕對優勢，放線菌次之，真菌最少，且均隨著土層的加深而逐漸減少。華山松+油杉混交林表層土壤蔗糖酶、脲酶活性均大于其它純林，而蛋白酶和過氧化氫酶活性則分別是油杉純林和柏樹林最大，4種酶均隨著土層的加深而逐漸減少。相關性分析表明:細菌與蔗糖酶、過氧化氫酶呈正相關關系，而與蛋白酶、脲酶呈負相關關系;真菌與4種酶均呈顯著及極顯著正相關關系;放線菌與蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶顯著相關，而與蛋白酶相關性不顯著。細菌與放線菌呈現正相關關系，而與真菌呈現負相關關系，蔗糖酶與過氧化氫酶和脲酶存在極顯著或顯著正相關關系。4種針葉林中，華山松+油杉混交林在當地具有明顯的優勢，可以明顯地改善林地內土壤微生物狀況和酶活性，提高林地肥力。

針葉林;土壤微生物;土壤酶活性;相關性

土壤養分、微生物和酶都是土壤生態系統的重要組成成分[1]，其中土壤微生物數量反映土壤中能量循環和養分轉移、運輸的情況，在區別土壤性狀方面較養分因子敏感[2]。土壤酶是土壤質量、生態環境效應評價中極為重要的指標之一，土壤酶活性大小反映土壤中各種生物化學過程的強度和方向，其變化是一種較理化性質變化更加敏感的反映土壤質量演變的指標[3]。眾多學者通過大量研究，證實土壤酶活性、微生物和養分之間相關性顯著，在不同林分、利用方式下土壤微生物種群數量和組成及酶活性存在差異，這種差異反過來對土壤結構和肥力的改善與維持產生影響[4-8]。昆明西山森林公園位于高原湖泊滇池西岸，屬喜馬拉雅造山運動中形成的斷裂帶區域，自元代以來，一直是著名旅游風景區，使其森林植被受到良好保護。隨海拔高度的不同，公園內依次大面積分布云南油杉、華山松、干香柏、云南松等植被類型，成為滇中地區天然植被的縮影，這里是研究探討該地區生物多樣性的良好場所。通過對森林公園內4種主要針葉林下土壤微生物和酶活性進行研究，探討不同針葉林類型下微生物、酶活性的差異以及兩者之間的關系，了解它們與該地生態環境變化之間的關系，對研究和保護西山森林公園現有針葉植被資源有著非常重要的意義。

1 研究區概況

昆明西山森林公園位于高原湖泊滇池西岸，距昆明市區約15km，北緯24°23′～26°22′，東經 102°10′～103°40′，是碧雞山的中間部分，屬喜馬拉雅造山運動中形成的斷裂帶區域，南北長6km，東西寬2km，面積12km2。海拔高度從滇池水面的1 884m到龍門絕壁2 600m，接近1 000m高差，從山腳至山頂隨著海拔依次生長著云南油杉(Keteleeria evelyniana Mast)、云南松(pinus yunnanensis faranch)、華山松(Pinusarmandii Franch.)、干香柏(Cupressus duclouxiana Hichel)等針葉樹種，同時伴生有滇青岡(Cyclobalanopsis glaucoides Schotky)、箭竹(Fargesia spathacea Franch.)等，零星分布珙桐(Davidia Involucrata Baill)、桫欏(Alsophila spinulosa(Hook.)Tryon)等國家重點保護珍稀植物。該區屬于低緯度高原山地季風氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴寒，四季如春，年平均氣溫15℃，自元代以來一直是著名旅游風景區。因此其森林植被也受到良好保護，森林覆蓋率達 91.5％。

2 研究方法

2.1 樣地選擇與樣品采集

采取野外采樣和室內實驗分析方法相結合，于2010年5月對西山森林公園進行全面踏查，分別選擇現存4種針葉林植被類型:云南松、華山松+云南油杉混交、云南油杉和柏樹的林下土壤作為研究對象，同時對樣地基本情況進行調查和記錄(見表1)。在每一類型下選擇具有典型代表性地段設3～4個采樣點，在采樣點上鏟除表層枯枝落葉，挖掘土壤剖面，分別在0＜h≤20cm和20cm＜h≤40cm土層采集土樣于滅菌布袋中，帶回實驗室，放入4℃冰箱內保存，用于分析土壤酶活性和分離培養微生物種類。

表1 樣地概況

2.2 實驗方法

參照中國分析標準方法[9]、中國科學院南京土壤研究所《土壤理化分析》[10]、《土壤微生物研究法》[11]和許光輝等編著的《土壤微生物分析方法手冊》[12]，分別測定土壤密度、孔隙度、有機質、pH值、速效氮、速效鉀、速效磷、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶、過氧化氫酶、細菌、真菌和放線菌。土壤密度、孔隙度采用環刀法;有機質采用重鉻酸鉀容量法;pH值采用電位法;速效氮采用堿解擴散法;速效鉀采用火焰光度計法;速效磷采用氟化銨—鹽酸法。酶活性測定，以甲苯作為抑菌劑，在加有各相應酶底物和相應pH值的磷酸鹽緩沖溶液中，加入定量土樣，置于不同條件下培養。脲酶采用靛酚比色法;蛋白酶采用茚三酮比色法;蔗糖酶采用Hofmann與Seeger法;過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法。細菌、真菌和放線菌培養分別采用牛肉膏蛋白胨培養基、PDA培養基加抗生素和天門冬酰胺—甘油培養基加入抗生素。細菌接種后于30～32℃下培養4～7d記數;真菌于27～28℃下培養8～9d記數;放線菌于28～29℃下培養10～15d記數。每克鮮土(干土)中菌數量=(菌落平均數量×稀釋倍數)/鮮土(干土)質量。數據應用Excel2003、Spass13.0等分析軟件進行統計分析和處理。

3 結果與分析

3.1 4種針葉林土壤微生物特征

3.1.1 土壤微生物總數量變化

土壤是微生物生存和繁衍的自然載體，而微生物又是土壤生態系統中不可缺少的成員，一方面以有機質作為碳素和能量來源，另一方面又以有機質作為氮和其他礦質養料的儲藏庫，其類群和數量反映了土壤有機質與氮素營養的釋放與吸收[13]。

表2 4種針葉林土壤肥力狀況

表3 4種針葉林土壤微生物數量特征

研究結果表明:4種針葉林土壤中，土壤微生物總數量存在著明顯差異，具體表現為:柏木林＞華山松+油杉混交林＞油杉林＞云南松林(表3)。其中柏木林微生物數量(以鮮土計)最多，達112.32×105個·g-1，最低的云南松林僅為22.81×105個·g-1，兩者相差89.51×105個·g-1。出現這樣的變化趨勢主要是由土壤養分和外部環境狀況差異引起的。不同針葉林中，土壤微生物以細菌為主，占微生物總數量的98.22％～99.81％?？梢姡毦谠摰貐^土壤生態系統中有著極為重要的作用，在分解各種有機質方面占有絕對優勢，并且個體小，代謝能力強，繁殖速度快，與土壤接觸的表面積較大，可以說是土壤中最活躍的生物。其次為放線菌，真菌最少，且所占比例非常低，僅分別為微生物總數量的0.05％～1.02％和0.08％～0.72％(表3)。這與崔芳芳[14]等人對秦嶺山區銳齒櫟、楸樹、油松和日本落葉松4種典型林地土壤微生物數量進行研究所得到的研究結果一致。

在土壤的不同層次中，由于水分、養分、通氣性、溫度、pH值等因子的差異及不同微生物的特異性，導致微生物在土壤中的垂直分布也不均勻[1]。4種針葉林中，微生物均隨著土層的加深而急劇減少，表層(0＜h≤20cm)明顯大于下層(20cm＜h≤40cm)，其數量分布的表聚性非常明顯。這是由于土壤表層枯枝落葉豐富，分解、轉化形成腐殖質層，聚集了大約60％以上的土壤營養，為微生物提供豐富的營養物質，且林木根系絕大多數分布于表層，根系分泌的可溶性糖類、蛋白質等刺激了微生物的活動。下層土壤緊實，通氣性差，不能提供給微生物良好的生存和繁殖空間，許多好氣性微生物不能生存和繁殖，因此其微生物數量大大減少。

3.1.2 三大類群土壤微生物數量變化

生活在土壤中的微生物主要為細菌、放線菌和真菌，它們影響土壤的生物化學活性和土壤養分的組成與轉化，是土壤肥力的重要指標之一[15]。4種針葉林中，土壤細菌數量(以鮮土計)差異性顯著，表現為:華山松+油杉混交林＞柏木林＞云南油杉林＞云南松林(表3)，總體呈現出從混交林到純林逐漸減少的趨勢。其中細菌數量最多的混交林達到111.69×105個·g-1，最少的云南松林為22.4×105個·g-1，兩者相差6.45倍，其余依次為柏木林和油杉林。土壤細菌的主要營養來源是植物殘體，在肥沃土壤和有機質豐富的土壤中，細菌數量相應偏多，而在缺乏有機質的土壤中其數量較少[16]?；旖涣謨瓤葜β淙~豐富，且成分較復雜，使其林內表層土壤有機質豐富，為85.2g·kg-1(表2)，加上土壤疏松、通氣性好，為細菌生長提供了充足的養分和良好的生存環境。云南松林和油杉林地面上所積累的枯枝落葉較少，且以不容易分解的針葉為主，致使其表層土壤有機質質量分數偏低，使得細菌生活環境較差，故細菌數量最少。土壤放線菌數量(以干土計)變化與細菌基本一致，同樣表現為混交林大于單一純林，其中華山松+油杉混交林最大，其次是柏木林和油杉林，云南松林最少。

真菌呈現出與細菌不同的變化規律，總體趨勢為:華山松+油杉混交林＞云南松林＞云南油杉林＞柏木林。其中華山松+油杉混交林真菌數量(以鮮土計)最多，柏木林最少(表3)。真菌的生長離不開適宜的水分狀況，在最適水分以下，菌絲體減少，孢子增多，而在最適水分以上，隨著水分的增多，氧氣量減少，生長受到限制[17]。混交林豐富的枯枝落葉，使表層土壤密度與孔隙度較適宜，為真菌生長和繁殖提供適宜水分生長條件，因而其真菌數量在4種針葉林中最多。柏木林雖細菌數量較多，但其真菌數量卻最少，這可能是因為過多細菌使真菌生長受到一定程度抑制。

3.2 4種針葉林土壤酶活性

土壤酶是土壤生物化學反應的催化劑，它參與土壤物質轉化與循環，促進有機質分解，反映土壤生物活性的大小[1]。

土壤脲酶是一種水解性酶，可以分解含氮有機物，促其水解生成氨和CO2。它是決定土壤中N素轉化的關鍵，主要來源于微生物和植物，包括活體分泌和死亡殘體分解釋放[18]。研究結果表明:4種針葉表層(0＜h≤20cm)土壤脲酶活性表現為華山松+油杉混交林＞柏樹林＞云南松林＞云南油杉林(表4)。這是因為華山松+油杉混交林豐富的土壤有機質和速效氮為脲酶提供了大量的酶促底物，使其脲酶活性最大(表2)。柏樹林有機質和速效氮質量分數也較高，且其較好的物理性質為脲酶創造了良好環境，故其脲酶活性也相對較高。而云南松林和油杉林的脲酶活性較小，這是因為二者表層養分狀況較差，使其酶促底物缺乏，導致脲酶活性較低。安韶山[19]等人分析了黃土丘陵區土壤酶活性與土壤肥力因子之間的關系，結果表明:土壤脲酶酶活性依賴于有機質，當有機質質量分數增加時，脲酶積極參與其轉化分解過程，活性提高。

表4 4種針葉林土壤酶活性

蔗糖酶是表征土壤生物學活性的重要水解酶，與土壤中腐殖質、有機質和黏粒的質量分數、微生物數量及呼吸強度呈正相關，對豐富土壤中能被植物和微生物利用的可溶性營養物質起著重要作用。隨著土壤熟化程度的提高，蔗糖酶的活性亦增強，常用于評價土壤熟化程度和肥力水平[20]。由表4可以看出，4種針葉林表層土壤蔗糖酶活性大小順序為華山松+油杉混交林＞柏樹林＞云南油杉林＞云南松林，其值分別為6.10、5.45、4.57、3.32mL·g-1。這種變化趨勢與林地內的光照條件、濕度條件以及微生物數量有關。適宜的光照條件和濕度有利于有機質的分解和微生物的活動，生物活性高，有助于促進有機殘體的分解，提高土壤肥力水平，促進林木生長。

蛋白酶能促進土壤中植物殘體和微生物體內的蛋白物質水解成肽或氨基酸，與脲酶一起參與土壤中的氮素轉化，對土壤中生物和植物生長起著重要作用。研究結果表明，4種針葉林內表層土壤蛋白酶活性存在顯著差異(表4)，呈現出云南油杉林＞華山松+油杉混交林＞柏樹林＞云南松林。華山松+油杉混交林和柏樹林表層(0＜h≤20cm)土壤有機質和速效氮都較豐富(表2)，所以有充足的氮源來作為酶促底物，導致其蛋白酶活性較高。反之，云南松林表層土壤的有機質和速效氮質量分數均為最低，所以其蛋白酶活性最低。油杉林的蛋白酶活性遠遠高于其它3個樣地，但是影響其活性的有機質、速效氮等指標卻都不高，可能是油杉林的某種特殊外在環境或土壤中的某項因子提高了蛋白酶活性，具體原因有待進一步研究。過氧化氫酶是在生物呼吸過程中和由于有機物各種生物化學氧化反應的結果而形成的。在生物體(包括土壤)中，過氧化氫酶的作用在于促進土壤中的過氧化氫對各種化合物的氧化，又能消除由于過氧化氫的積累造成的對土壤的毒害作用。從表4可以看出4種植被類型的過氧化氫酶活性差異不顯著，其中柏樹林最高，云南松林最低，二者之間的差距僅為0.03mL·g-1。

4種針葉林內4種土壤酶均具有明顯的土體層次差異，表現為隨土壤深度加深而遞減(表4)。這主要是由于土壤表層積累了較多的枯落物和腐殖質，有充足的營養和良好的水熱條件，土壤生物代謝活躍，使表層土壤積聚了較高的酶活性。隨著土層的加深，有機質質量分數下降、土壤密度增加、地下生物量減少、土壤溫度降低、土壤水分減少等因子限制土壤生物的代謝產酶能力，土壤酶活性隨之降低。可見，土壤酶活性與土壤肥力關系密切，土壤養分充足是土壤酶活性增強的前提。

3.3 相關性

3.3.1 土壤微生物與酶活性關系

土壤是一個不斷進行著復雜生物化學反應的生態系統，土壤酶催化這些生化反應，而土壤酶絕大多數來自微生物，因此土壤微生物數量與酶活性有較好的相關關系[8，21]。相關性分析表明(表5):細菌與蔗糖酶、過氧化氫酶呈正相關關系，而與蛋白酶、脲酶呈現負相關關系，但相關性不顯著;真菌與蛋白酶呈現極顯著正相關性，與其他3種酶也都有正相關關系;放線菌與蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶顯著相關，而蛋白酶呈正相關關系不顯著。

表5 土壤微生物與酶活性關系

3.3.2 土壤微生物間、酶活性間關系

相關性分析表明(表6)，細菌與放線菌呈現出正相關關系，而與真菌呈現出負相關關系，表明細菌的大量繁殖會在一定程度上抑制真菌的生長繁殖，而與放線菌具互利關系。各種酶之間均存在正相關關系，表明酶在促進各自底物分解的同時，其活性既受底物濃度高低影響，也受到其它酶的影響。4種酶之間，蔗糖酶與過氧化氫酶和脲酶之間存在極顯著或顯著正相關關系，相關系數分別達0.874＊＊和0.723*，表明土壤中多糖的轉化與過氧化氫的水解產物有著密切的關系，與氮的轉化之間關系密切并且相互影響。蛋白酶與其他3種酶之間的相關性不顯著，再次說明蛋白酶的專有特性。過氧化氫酶與脲酶有較顯著正相關關系，相關系數為0.635*，表明土壤孔隙度與微生物活動密切相關。由上可知，各種酶在促進土壤有機質的轉化及參與土壤物質轉化和能量交換中，不盡顯示其專有特性，同時還存在著共性關系，這與前人對森林土壤的研究結果相一致[22]。

表6 土壤微生物間、酶活性間相關系數

4 結論

4種針葉林中，土壤微生物總數量以及3大類群微生物數量差異性顯著，總體呈現出從混交林到純林逐漸減少的趨勢。在微生物區系組成中，細菌占絕對優勢，放線菌次之，真菌最少，且均隨著土層的加深而逐漸減少。

4種針葉林中，華山松+油杉混交林表層土壤蔗糖酶、脲酶活性均大于其他純林，而蛋白酶和過氧化氫酶活性則分別是油杉林和柏樹林最大。4種酶中土壤蔗糖酶活性差異最顯著，說明蔗糖酶對外界環境條件反應最為敏感，比其它土壤酶活性能較快地反映出生物學活性強度的變化，因此土壤蔗糖酶的活性大小可以作為評價敏感指標。

相關性分析表明:細菌與蔗糖酶、過氧化氫酶呈正相關關系，而與蛋白酶、脲酶呈負相關關系;真菌與4種酶均呈顯著及極顯著正相關關系;放線菌與蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶顯著相關，而與蛋白酶正相關關系不顯著。

相關性分析表明:細菌與放線菌呈現出正相關關系，而與真菌呈現出負相關關系，表明細菌的大量繁殖會在一定程度上抑制真菌的生長繁殖，而與放線菌具互利關系。蔗糖酶與過氧化氫酶和脲酶存在極顯著或顯著正相關關系，相關系數分別達0.874＊＊和0.723*，說明各種酶在促進土壤有機質的轉化及參與土壤物質轉化和能量交換中，不盡顯示其專有特性，同時還存在著共性關系。

4種針葉林中，華山松+油杉混交林在當地具有明顯的優勢，可以明顯地改善林地內土壤微生物狀況和酶活性，提高林地肥力。

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Soil Microbes and Enzyme Activities in Four Types of Coniferous Forests in West Bank of Dianchi Lake，Kunming

/Lu Mei，Wei Jie，Han Zhiliang(Department of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming 650224，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-56～59

Coniferous;Soil microbes;Soil enzyme activities;Correlations

S153.6:S154.3

1)國家自然科學基金(40971285)，西南林業大學水土保持與荒漠化防治重點學科建設項目。

陸梅，女，1978年8月生，西南林業大學環境科學與工程系，講師 E-mail:lumeizx@yahoo.com.cn。

2011年月1月20日。

責任編輯:戴芳天。

An experiment was conducted to study the soil microbes and enzyme activities of four types of coniferous forests in Dianchi Forest Park，Kunming through field investigation and laboratory analysis.A significant difference in the quantity of soil microbes was observed，indicating a gradually decreasing trend from the mixed forest to the pure forest.In the microbial composition，bacteria are dominated，followed by actinomyces and fungi in order.The quantities of soil microbes all decrease with soil depth.The activities of invertase and urease in the surface soil in Pinus armandii+Keteleeria evelyniana mixed forest are higher than those in other pure forests，while protease activity and catalase activity are the highest in K.evelyniana forest and Cupressus duclouxiana forest，respectively.Correlation analysis shows that bacteria are positively correlated with invertase and catalase，but negatively correlated with protease and urease.A significant or highly significant positive correlation was found between fungi and the four enzymes.Actinomyces are significantly correlated with invertase，urease and catalase，but weakly correlated with protease.Bacteria are positively related to actinomyces，but negatively related to fungi.There is an extremely significant or significant positive correlation between invertase，catalase and urease.P.armandii+K.evelyniana forest has obvious advantages in increasing soil microbes and enzyme activities;thereby it can improve soil fertility of forest land.