滇池流域富磷退化山區主要優勢植物對土壤酶活性的影響

黃 娜, 周 苡, 吳曉妮, 付登高, 趙洛琪

(1.云南大學 生態學與環境學院/云南省高原山地生態與退化環境修復重點實驗室, 昆明 650091;2.昆明市第二職業中等專業學校, 昆明 650228; 3.昆明學院 生命科學與技術系, 昆明 650214)

如何選擇對退化山地環境適生的植物,進而有效地構建控制水土流失或面源污染輸出的植物群落是生態修復及水體富營養化治理的重點內容[1]。植物的選擇除了取決于植物本身對退化立地環境的適應性上，植物對立地環境的改良作用也非常重要。一般而言，植物對立地土壤環境的改良主要體現在對土壤性質改善，既包括植物對土壤物化性質上的改良，也包括植物對土壤生物屬性的影響。土壤酶，作為土壤質量的重要生物活性指標[2]，不僅是促進土壤物質轉化的重要物質及土壤養分變化的重要參與者，而且還直接或間接影響著土壤一系列的生物化學反應，對生態系統的物質循環產生重要影響[3-4]。

土壤酶在一定程度上可以表征植物修復措施對土壤的改良作用[5-7]。不同生活型植物在土壤酶的改良效能上表現不同，如對黃土高原丘陵溝壑區的研究表明蔗糖酶和堿性磷酸酶表現為灌木>喬木>草本，而脲酶和過氧化氫酶則表現為喬木>灌木>草本。研究表明土壤有機質和氮含量對土壤酶活性具有重要的促進作用[8]。然而，在土壤磷素，尤其是土壤磷素含量較高的生態退化區域，不同生活型植物對土壤酶的影響目前還少見報道。

滇池是我國富營養化最嚴重的湖泊之一。滇池南岸作為我國著名的磷元素富集區，占據了滇池流域總面積的13%。退化山區土壤中極高的磷負荷極易產生淋溶和侵蝕并隨著地表徑流匯入滇池，進而對滇池水體安全構成了巨大的威脅[9]。有效恢復退化山區植被是控制水土流失及水體富營養化控制的有效措施之一。目前該區域內廣泛分布著許多適生優勢物種，但這些物種對土壤生物性質的影響還未見報道。因此，本研究選取滇池流域富磷退化山區不同生活型的優勢物種云南松(Pinusyunnanensis)，蔗茅(Erianthusrockii)，白茅(Imperatacylindrica)，馬桑(Coriarianepalensis)，紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)為研究對象，分析不同物種根際土與根區土主要土壤酶的活性，比較不同植物對土壤酶活性的根際效應，并綜合評價植物對土壤酶的影響，為富磷區植被的恢復等提供一定數據支持，并為滇池流域群落結構與功能改善及其他類似區域的生態修復、面源污染防治提供一定借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于滇池流域南部的柴河子流域內,該區域是滇池流域富磷區的主要集中分布區,同時也是滇池流域3個面積超過300 km2的子流域之一。柴河子流域(24°36′—24°37′N,102°41′—102°42′E)，海拔1 936～2 236 m，地貌為丘陵山地。河流自東南向西北匯入滇池,流域面積為306.18 km2,全長48 km。該區域干濕兩季分明,年平均氣溫14.6℃,年平均降水量925.4 mm。土壤類型為山地黃紅壤、棕紅壤。該區域內土壤pH值為7.8,土壤全氮為0.71 mg/g,土壤全磷為7.31 mg/g,有機質為3.06%。該區域地帶性植被為亞熱帶半濕潤常綠闊葉林,因人類活動影響,幾乎已沒有成片分布。在受人工擾動的退化山地中，灌草叢及云南松林是該區域主要植物群落類型，馬桑、蔗茅、白茅及外來物種紫莖澤蘭是灌草叢主要優勢物種，云南松是云南松群落的主要建群種。隨后典型外來物種紫莖澤蘭入侵該區域，并成為優勢物種之一。

1.2 樣品采集與處理

在柴河流域富磷退化山區選擇典型的灌草叢及云南松林，并確定坡向、坡位相似的樣地，各樣地設3個樣方，其中灌草叢和云南松林樣方大小均為10 m×10 m，樣地之間的距離不少于100 m。在灌草叢樣方中隨機選擇植株高度相對一致的馬桑、蔗茅、白茅及紫莖澤蘭各9株生長良好的植株，每個樣地各3株；在云南松樣方中，選擇6株高度及胸徑相似且長勢良好的云南松，每個樣方各2株。

采集過程中，首先除去表面的枯枝落葉層，根據不同植物根系的分布空間，在0—20 cm的深度采集馬桑、蔗茅、白茅及紫莖澤蘭的植物根系，輕輕抖落附在根上的土壤作為根區土，剩下的根系和土壤在自封袋中抖動作為根際土。在0—30 cm的深度采集云南松的根區土和根際土，從云南松樹干基部開始逐段、逐層挖去上層覆土，追蹤根系的延伸方向，然后沿側根找到須根部分，剪下分枝，并將須根帶土取出，同樣抖落須根上的土壤作為根區土，把粘附在細根上的土壤收集后作為根際土。土壤樣品放于4℃的車載冰箱內帶回實驗室用于土壤酶活性的測定。

1.3 土壤酶分析

土壤酶活性測定參照《土壤酶及其研究法》[10]。其中土壤脲酶采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法；土壤磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；土壤蛋白酶采用茚三酮比色法；土壤纖維素酶采用二硝基水楊酸比色法。

1.4 數據處理與分析

2 結果與分析

2.1 不同植物根際土與根區土的脲酶活性

不同植物根際土與根區土的脲酶活性見圖1，從圖1可以看出：根區土脲酶含量為0.32～0.99 mg/(g·d)，而根際土含量在1.47～2.60 mg/(g·d)。根際土脲酶含量從大到小順序依次為：云南松>蔗茅>紫莖澤蘭>

白茅>馬桑。根區土脲酶含量從大到小順序依次為：云南松>白茅>馬桑>紫莖澤蘭>蔗茅。方差分析表明根際土脲酶含量均顯著高于根區土。對于根際土與根區土而言，云南松的脲酶含量無論是根際土還是根區土均顯著高于其他4種植物。蔗茅、白茅、馬桑和紫莖澤蘭根際土與根區土之間均未有顯著差異。

注：不同字母表示不同植物根際土與根區土的酶活性在0.05水平上具有顯著差異,PY為云南松,EF為蔗茅,IC為白茅,CN為馬桑,EA為紫莖澤蘭,下圖同。

圖1 不同植物根際土與根區土的脲酶含量

2.2 不同植物根際土與根區土的磷酸酶活性

不同植物根際土與根區土的磷酸酶含量見圖2，酸性磷酸酶含量為2.89～3.57 mg/(g·d)，堿性磷酸酶含量為1.83～2.87 mg/(g·d)。其中根際土酸性磷酸酶含量均高于根區土，但只有蔗茅和馬桑呈現顯著差異，而云南松、白茅和紫莖澤蘭根區土與根際土之間酸性磷酸酶含量并沒有顯著差異。根際土堿性磷酸酶含量也均高于根區土，但只有白茅未呈現顯著差異，而云南松、蔗茅、馬桑和紫莖澤蘭根區土與根際土之間堿性磷酸酶含量都呈現出顯著差異。

圖2 不同植物根際土與根區土酸性及堿性磷酸酶含量

2.3 不同植物根際土與根區土的蛋白酶酶活性

不同植物根際土與根區土的蛋白酶含量見圖3，其中根際土蛋白酶含量均顯著高于根區土。對于根際土而言，紫莖澤蘭的蛋白酶含量最高，為312.39 μg/(g·d)，馬桑的最低，為178.41 μg/(g·d)，但蔗茅、白茅、云南松和紫莖澤蘭之間并未呈現顯著差異，只有馬桑根際土的蛋白酶含量顯著低于蔗茅、白茅和紫莖澤蘭。對于根區土而言，白茅含量最高，為107.55 μg/(g·d)，紫莖澤蘭含量最低，為60.65 μg/(g·d)，其中云南松、蔗茅、白茅和馬桑之間的蛋白酶含量并無顯著差異，但4種植物均顯著高于紫莖澤蘭的根區土蛋白酶含量。

2.4 根際土與根區土的纖維酶活性

不同植物根際土與根區土的纖維素酶含量見圖4，其中紫莖澤蘭根際土纖維素酶含量最高，為2.12 mg/(g·3 d)，云南松根區土含量最高，為0.81 mg/(g·3 d)。根際土纖維素酶含量依次為：紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅>白茅>云南松；根區土纖維素酶含量依次為：云南松>白茅>馬桑>紫莖澤蘭。其中紫莖澤蘭的根際土中的纖維素酶含量顯著高于白茅和云南松，云南松根區土中的纖維素酶含量顯著高于其他4種。整體而言，除云南松外，其他4種植物對根際土纖維素酶的激發效應都比較高。

圖3 不同植物根際土與根區土蛋白酶含量

圖4 不同植物根際土與根區土纖維素酶含量

2.5 不同植物對土壤酶的根際效應

不同植物對土壤酶的根際效應均表現為正的根系效應(表1)。其中蔗茅對脲酶、纖維素酶的根際效應比較明顯，其根際效應為3.91，12.64；紫莖澤蘭對脲酶、蛋白酶及纖維素酶的根際效應也比較明顯，其根際效應分別為3.59，4.15，10.46。植物對酸性磷酸酶及堿性磷酸酶的根際效應都小于1，說明不同植物對磷酸酶的根際效應均不明顯。針對不同土壤酶而言，5種植物對脲酶和纖維素酶的根際效應相對較強，其次為蛋白酶，最弱的為酸性磷酸酶及堿性磷酸酶。

表1 不同植物對土壤酶的根際效應

2.6 植物對土壤酶活性的綜合影響效益

植物對土壤酶活性的綜合影響效益見表2，植物對根區土土壤酶活性的綜合影響效益最高的是云南松，其次依次為白茅、馬桑、蔗茅和紫莖澤蘭；植物對根際土土壤酶活性的綜合影響效益最高的是紫莖澤蘭，其次依次為云南松、蔗茅、白茅和馬桑。綜合根區土和根際土的綜合影響效益，則表現為云南松對土壤酶活性的綜合影響效益最高，蔗茅的最低，高低順序依次為云南松>白茅>紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅。

表2 不同植物對土壤酶活性的綜合影響效益

3 討 論

3.1 不同生活型植物對富磷退化山區土壤酶活性的影響

柴河流域富磷退化山區多分布于上坡位，能夠在該區域存活生長的物種必須能夠適應干旱、高磷、缺氮的環境[11]。通過前期調查發現，該區域大多分布耐旱、抗干擾能力較強的物種，且禾本科和菊科所占比例較大[12]。除此之外，在該區域還廣泛分布著固氮物種馬桑及滇中優勢喬木云南松。分析比較常見優勢物種在富磷退化山區中對土壤的改良作用對該區域的生態修復具有重要意義。

在富磷退化山區，土壤氮是限制因素，植物要生存就必須適應氮缺乏的生境，在這種生境下，植物通常通過根際分泌物以此增強根際土壤微生物的活性，進而增加對氮素的轉化作用，以減少氮素對植物的影響。其中脲酶和蛋白酶都是土壤氮循環的重要組成成分，且均受到土壤氮素含量等因素的影響[13-16]。本研究結果表明不同植物對脲酶及蛋白酶活性的影響表現為云南松影響下的土壤脲酶活性最高，蔗茅、白茅及紫莖澤蘭影響下的土壤蛋白酶活性最高，說明這幾種植物可以通過影響土壤氮循環相關的酶活性來增加根際可利用氮含量，以適應缺氮環境；而馬桑根際土脲酶及蛋白酶活性最低，原因可能是馬桑作為固氮物種，本身生物學屬性決定了可以從大氣中固定氮，來適應低氮生境，故無需過多增加根際酶活性來提高氮的轉化能力。

富磷退化山區土壤另外一個特征就是高磷環境。在較高的土壤磷素背景條件下，研究已表明高磷會限制磷酸酶的活性，減少土壤有機磷向無機磷轉化[13]。本研究發現5種植物對根際土無論是酸性磷酸酶還是堿性磷酸酶的提高改善能力均不明顯，這主要原因是當地富磷環境磷不再是影響植物生長的限制因子，因此植物不需花費能量來改善根際根區磷酸酶含量來增加磷素的轉化[17]，故植物對磷酸酶的影響并未像其他酶一樣顯著。

土壤纖維素酶是在碳素循環過程中一個很重要的酶，可將纖維素逐步分解為葡萄糖，進而提高土壤的碳源，促進其他養分的釋放，從而有助于土壤微生物的生長，對土壤有顯著的改良作用，因此纖維素酶活性是表征土壤微生物和土壤肥力的重要標志[18-19]。纖維素酶的活性主要決定于輸入土壤有機質物料的性質，尤其是其碳氮比[20-21]。相比其他植物，云南松根區土壤纖維素酶活性較高，可能是由于當地云南松林有較厚的凋落物層，增加了土壤的C/N，促進了土壤纖維素分解菌的繁殖[18]。對于根際土，紫莖澤蘭根際土纖維素酶活性最高，說明紫莖澤蘭通過增加纖維素酶提高根際可利用碳，以增加根際微生物生物量，促進土壤養分循環[22]。

3.2 不同生活型植物對土壤酶活性的根際效應

不同植物根際土與根區土的所有酶活性均呈現出根際土高于根區土，即表現出一定的正根際效應。這主要有兩個方面的原因:一是根系能夠分泌酶類物質進入土壤,二是土壤酶活性與微生物是分不開的，根系直接影響的土壤范圍是微生物特殊的生境,根際內微生物數量總是比根際外要高得多,當微生物受到環境因素刺激時,便不斷向周圍介質分泌酶,致使根際內外酶活性存在很大的差異[23-24]。根際土壤酶活性的提高，將有利于可利用性氮養分在根際中累積，進而有助于土壤養分的循環。在5種植物中，紫莖澤蘭作為外來入侵物種，可明顯改變入侵土壤的理化性質，進而影響土壤微生物的群落結構和代謝[23]。研究發現紫莖澤蘭入侵通過改變土壤理化性質和土壤微生物群落結構，進而促進土壤酶活性，顯著提高了土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性，為自身生長創造了有利的土壤環境[25]。在5種土壤酶中，其中脲酶和纖維素酶表現出的根際效應較高，說明在富磷退化山區，氮和碳作為限制因子在一定程度上制約植物的生長，因此，植物通過提高其根際效應來緩解或減少氮、碳對植物生長的限制作用。

通過植物對土壤酶活性的綜合影響效益比較來看，云南松最高，蔗茅的最低。但是蔗茅在對土壤脲酶及纖維素酶上的根際效應明顯。說明其對富磷退化山區具有較高的適應性。因此單從通過酶活性篩選富磷退化山區的修復植物還不夠全面，應結合其他參數，如理化性質、生態水文過程及在群落構建過程中的作用等綜合評價不同植物的修復效能，以期在實際生態修復中達到理想的效果。

4 結 論

(1) 云南松影響下的根區土及根際土脲酶活性最高，分別為0.99，2.60 mg/(g·d)；紫莖澤蘭影響下的土壤蛋白酶活性最高，為312.39 μg/(g·d)；云南松根區土及紫莖澤蘭根際土其纖維素酶活性最高，分別為0.81，2.12 mg/(g·3 d)；5種植物其土壤酸性及堿性磷酸酶活性變化較小。

(2) 通過根際效應比較發現5種植物對脲酶和纖維素酶的根際效應相對較強，其次為蛋白酶，最弱的為酸性磷酸酶及堿性磷酸酶。

(3) 結合植物對根區土及根際土酶活性的影響進行綜合效應比較，5種植物高低順序依次為云南松>白茅>紫莖澤蘭>馬桑>蔗茅。土壤酶活性高低不僅可以反映植物對土壤生物性質的影響，也能反映植物對立地環境的適應方式，因此，評價植物在富磷退化山區的恢復潛力，還應結合植物對土壤理化性質、生態水文過程及在群落構建過程中的作用等進行綜合評價。