茅臺酒廠生態功能區優勢植物的生理代謝及土壤理化性狀

張習敏，申 剛，張宇斌，陳 玲，洪 鯤，乙 引＊

（1.貴州師范大學 生命科學學院，貴州 貴陽550001；2.貴州省植物生理與發育調控重點實驗室，貴州 貴陽550001）

植物需要從土壤溶液中吸收礦質元素以維持自身生長和生理代謝，植物吸收的礦質元素從數量上來說，有的礦質元素數量較大（如N、P、K、Ca、Mg），有的礦質元素的數量較少（如Fe、Cu等）[1－2]。影響植物吸收土壤礦質元素的因素很多，如植物生長狀況、樹木年齡、大氣溫度、光照條件和土壤因素等。從土壤因素來看，影響植物根系吸收礦質元素的因素有土壤溫度、土壤通氣狀況、土壤溶液濃度、土壤pH、土壤含水量和土壤微生物等。其中，微生物在土壤養分和有機質轉化中具有重要作用，是土壤有機質和土壤養分（如N、P、K、S等）轉化和循環的動力之一。同時參與土壤有機質、腐殖質和林地枯枝落葉的分解、養分的轉化和礦質營養的生物地球化學循環中的某些生化過程，在生態系統能量流動和養分轉化中也起著重要的作用，是維持和恢復林地生產力的主要因素之一[3－8]。土壤微生物還影響土壤的理化性質，如有機質、pH 等。在森林土壤中，細菌、真菌和放線菌3大類微生物的數量通常作為評價森林土壤生物活性高低的重要標志，其分布廣度、種群和數量直接影響林地土壤肥力和理化性質，進而影響林木的生長[9－13]。

貴州茅臺酒廠坐落于貴州省仁懷市赤水河畔（E106°21＇，N27°51＇），海拔約423 m，三面環山。年均溫17.4℃，氣溫年差較大，1月均溫6.9℃，7月均溫27.9℃。夏季最高氣溫達39.9℃，炎熱季節持續半年以上；冬季氣候暖和，溫差小，霜期短，年平均無霜期達326d，最低氣溫為2.7℃。干熱少雨，年雨量僅有800～1 000 mm，日照豐富，年日照可達1 400h。土壤為紫色土，土層較厚，一般在50cm左右。該地區的植被覆蓋率低，群落結構單一，主要優勢物種有狗尾草（Setariaviridis）、箬竹（Indocalamustessellatus）、三葉鬼針草（Bidenspilosa）、復羽葉欒樹（Koelreuteriabipinnata）、構樹（Broussonetiapapyrifera）和青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca）。該地區主要優勢物種吸收的大量元素是否存在差異，土壤微生物和土壤理化性狀是否對這些物種吸收礦質元素有影響，探明這些問題可以幫助了解該地區植被的礦質營養代謝的多樣性和生長狀況。然而，與此相關的研究未見報道。因此，需要對該地區優勢物種的礦質元素吸收及相關土壤因子進行調查分析。為進一步評價該生態功能區森林生態系統的現狀和發展趨勢，對茅臺酒廠生態系統的維護與重建具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇

樣地在茅臺酒廠上游約2 000m 的取水口、茅臺酒廠河對岸、茅臺酒廠下游約1 000m，在每個樣地中，隨機設置2個20m×20m 的樣方，分別記為MTS－01和MTS－02、MTZ－01和MTZ－02、MTX－01和MTX－02（圖示）。記錄各樣方的經緯度、海拔、坡度、坡向、地貌類型、表層巖石、土壤類型、光照強度、溫度、空氣濕度、風速和郁閉度等生境指標（表1）。

1.2 植物及土壤樣品采集

在茅臺酒廠生態功能區上中下游的調查樣地內，選擇6種優勢樹種青岡櫟、箬竹、三葉鬼針草、狗尾草、復羽葉欒樹和構樹，分別取其根系、莖和葉片，青岡櫟、復羽葉欒樹、箬竹和構樹每個物種選5株進行取樣并混合，三葉鬼針草和狗尾草則選擇5 個1m×1m 區域生長的物種，按根、莖和葉分開采取，并將其混合。分別在每個樣地中的優勢物種根際周圍取0～20cm、20～40cm 和40～60cm 土層土樣。

圖示 茅臺酒廠生態功能區樣地調查分布Fig.Sample plots distribution in ecological function area of Moutai distillery

表1 茅臺酒廠生態功能區樣地生境的基本情況Table 1 Basic situation of sample plot habitats in ecological function area of Moutai distillery

1.3 測定指標及方法

1）植物營養元素含量。植物樣品置于80℃烘箱內烘干至恒重后，將根、莖和葉分別粉碎，取其粉末各1g，測定N、P、K、Ca、Mg的含量。總氮測定采用凱氏定氮法，總磷用鉬銻抗比色法，K、Ca、Mg經烘干灰化后以1 mol／LHCl消解，用原子吸收分光光度計測定。新鮮土樣帶回實驗室后，4℃冰箱保存，一部分樣品用于測定土壤微生物，另一部分用于測定理化性狀。

2）土壤理化指標。經風干、磨細、過60 目篩后，用于測定土壤有機碳（采用重鉻酸鉀外加熱法）；容重測定采用環刀切割法；比重采用排水法測定、pH 采用酸度計直接測定（V（水）：M（土）＝2.5∶1）、總氮測定采用凱氏定氮法；總磷采用HClO4－H2SO4消解后鉬銻抗比色法；K、Ca、Mg經1mol／L HCl消解后，采用原子吸收分光光度計測定[14]。

3）土壤微生物數量。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用馬鈴薯瓊脂糖培養基，放線菌采用高氏1號培養基，各處理重復3次。各類菌接種后置恒溫培養箱中培養，細菌在28～30℃培養36～72h后采用稀釋平板法計數，放線菌置28℃培養7d后計數，真菌25℃培養5d后計數。土壤微生物數量均換算成干土中的含菌數（個／g）[15－16]。

1.4 數據分析

采用SPSS18.0軟件對數據進行分析處理，對土壤理化性質、微生物和礦質營養之間進行相關性分析（Pearson檢驗，P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 主要優勢物種的礦質營養元素含量

在6種優勢植物中，5種主要礦質元素含量之間存在極大差異（表2）。K 和Ca含量整體高于P和Mg。N、P、K、Ca和Mg含量基本葉片含量最高、根部含量最低。N 含量最高的是復羽葉欒樹（3.63%），最低的是狗尾草（1.18%）；P含量最高的是三葉鬼針草（2.35g／kg），最低的為箬竹（0.79g／kg）；K 含量最高的是三葉鬼針草（22.93g／kg），最低的是構樹（3.95g／kg）；Ca含量最高的是三葉鬼針草（31.80g／kg），最低的是構樹（3.73g／kg）；Mg含量最高的是三葉鬼針草（9.81g／kg），最低的是狗尾草（1.34g／kg）。

表2 茅臺酒廠生態功能區優勢物種器官營養元素含量Table 2 Nutritive element contents in dominant species in ecological function area of Moutai distillery

2.2 主要優勢物種根際土壤的理化性狀

茅臺酒廠生態功能區上游土壤容重、土壤pH和土壤比重較低，中游和下游較高。表明，上游土壤偏酸性，土壤較松弛；中游和下游土壤偏堿性，土壤較堅固。同時，上游土壤有機質的含量均高于中游和下游（表3）。

2.3 主要優勢物種根系土壤微生物數量

茅臺酒廠生態功能區中游土壤的微生物總數最多。其中，中游細菌數量最多，約6×104個；放線菌下游數量最多，約為6×103個；3個區域的真菌數量差異不大（表4）。

2.4 相關性

幾種優勢植物的礦質元素（N，P，K，Ca，Mg）含量均與土壤容重、pH、比重和放線菌呈正相關。其中，P元素含量與土壤pH 顯著相關（P＜0.05）。土壤礦質元素含量與有機質和真菌數量呈負相關；N和Ca與細菌呈負相關，P、K 和Mg與細菌呈正相關（表5）。

3種微生物中，細菌和放線菌與容重、比重和pH 呈正相關，與有機質呈負相關；真菌與容重和比重呈負相關，與pH 和有機質呈正相關（表6）。

表3 茅臺酒廠生態功能區主要優勢物種根際土壤的理化性狀Table 3 Physical and chemical properties of rhizosphere soil in ecological function area of Moutai distillery

表4 茅臺酒廠生態功能區主要優勢物種根際土壤的微生物數量Table 4 Microbial Population in ecological function area of Moutai distillery

表5 營養元素含量與土壤理化性狀和微生物數量的相關性Table 5 Correlation of nutritive element content with soil physicochemical properties and microbial population

表6 土壤微生物數量與理化性狀的相關性Table 6 Correlation of soil microbial population with physicochemical properties

3 結論與討論

在茅臺酒廠生態功能區內，主要優勢物種有狗尾草（S.viridis）、箬竹（I.tessellatus）、鬼針草（B.pilosa）、復 羽 葉 欒 樹 （K.bipinnata）、構 樹（B.papyrifera）、青岡櫟（C.glauca）。雖然均位于茅臺酒廠生態功能區內，但是分布的具體位置不同，位于不同的土壤環境中。因而物種對土壤營養元素的吸收不同，具體表現在不同物種營養元素含量之間存在差異。礦質營養對植物的生長至關重要，每個物種需要一定比例的營養元素含量[17]。

土壤中礦質元素的可用性是影響植物對礦質元素吸收的重要因素，礦質元素的可用性受土壤母質、氣候、風化程度和淋溶作用等影響[18]。同時，土壤理化性質也影響土壤中元素活度。席冬梅等研究發現，土壤pH 值影響土壤礦物質的風化強度、土壤有機質的轉化、土壤中微生物的活動，同時，pH 還影響土壤溶液中化合物的溶解及沉淀，無機離子的吸附和交換。因此，植物對土壤中礦質元素的吸收嚴重受到土壤pH 的影響[19－20]。在茅臺酒廠生態功能區內，上游、中游和下游的土壤理化性質存在差異，上游土壤呈酸性，pH 值低，上游的物種多樣性優于中游和下游，同時，物種的多樣性加劇了礦質元素的生物地球化學循環，尤其是土壤中P的吸收。由于礦質元素的生物地球化學循環加劇，因而可能影響土壤中微生物的數量，但研究中發現，中游土壤的微生物總量高于上游和下游。這可能是中游距離廠區較近，茅臺酒廠廠區大氣中微生物直接侵入土壤，導致土壤中的微生物數量增加，但是，具體導致土壤微生物差異的原因需要進一步研究。

[1]Agren G I.Stoichiometry and nutrition of plant growth in natural communities[J].Annual Review of Ecology Evolution and Systematics，2008，39：153-170.

[2]White P J，Brown P H.Plant nutrition for sustainable development and global health[J].Annals of Botany，2010，105：1073－1080.

[3]胡嬋娟，傅伯杰，劉國華，等.黃土丘陵溝壑區典型人工林下土壤微生物功能多樣性[J].生態學報，2009，29（2）：727－733.

[4]Harris J A，Birch P.Soil microbial activity in opencast coal mine restoration[J].Soil Use and Management，1989，5：155－160.

[5]王銳萍，劉 強，彭少麟，等.尖峰嶺不同樹種枯落物分解過程中微生物動態[J].浙江林學院學報，2006，23（3）：255－258.

[6]李延茂，胡江春，汪思龍，等.森林生態系統中土壤微生物的作用與應用[J].應用生態學報，2004，15（10）：1943－1946.

[7]Schipper L A，Degens B P，Sparling G P.Changes in microbiai heterotrophic diversity along five plant successional sequences[J].Soil Biology and Biochemistry，2001，33：2093－2103.

[8]趙 萌，方 晰，田大倫.第2代杉木人工林地土壤微生物數量與土壤因子的關系[J].林業科學，2007，43（6）：7－12.

[9]宋 漳，朱錦懋，楊玉盛.閩北常綠闊葉林土壤微生物學特性的研究[J].福建林學院學報，2000，20（4）：317－320.

[10]徐秋芳，姜培坤，陸貽通.不同施肥對雷竹林土壤微生物功能多樣性影響初報[J].浙江林學院學報，2008，25（5）：548－552.

[11]馬曉梅，尹林克，陳 理.塔里木河干流胡楊和檉柳根際土壤微生物及其垂直分布[J].干旱區研究，2008，5（2）：183－189.

[12]Torsrik V L，Goksoyr J，Daae F L.High diversity in DNA of soil bacterial[J].Applied and environmental Microbiology，1999，56（3）：782－787.

[13]Sonu S，Nandita G，Singh K P.Variations in soil microbial biomass and crop roots due to differ in resource quality inputs in a tropical dry land agroecosystem[J].Soil Biology and Biochemistry，2007，39：76－86.

[14]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000.

[15]許光輝，鄭洪元.土壤微生物分析方法手冊[M].北京：農業出版社，1986.

[16]中國科學院南京土壤研究所微生物室.土壤微生物研究法[M].北京：科學出版社，1985.

[17]賈文龍，邢國明.土壤礦質元素含量與古側柏生存狀態的相關性[J].山西農業科學，2010，38（9）：45－47.

[18]連玉武.朱小龍，李利峰.三明小湖赤枝栲林地部分礦質元素及土壤理化性質研究[J].福建林業科技，2002，29（3）：10－13.

[19]席冬梅，鄧衛東，高宏光，等.云南省主要地質背景區土壤理化性質及礦物質元素豐度分析[J].土壤，2008，40（1）：114－120.

[20]潘瓊蓉.馬尾松一代種子園土壤診斷研究[J].山地農業生物學報，2014（5）：13－18.