兩種楤木根際土壤碳特征及酶活性

張寶成， 楊春秀， 王 靜

(1遵義師范學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 貴州 遵義 563000; 2遵義師范學(xué)院山地生態(tài)研究所， 貴州 遵義 563000;3 貴州師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550000; 4江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 南昌330045)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者近百年來(lái)，針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤水解酶活性開(kāi)展了大量的研究[1]。發(fā)現(xiàn)植被類(lèi)型等通過(guò)土壤酶影響到土壤可利用養(yǎng)分[2-4]。如水解酶可催化土壤中的大分子和其他難利用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為植物、微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[5-6]。目前關(guān)于土壤酶主要集中在農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)其的影響，如茶園管理措施改變了酶活性、土壤氮、碳及磷的利用態(tài)，影響茶樹(shù)養(yǎng)分供給[7]。不同種植年齡樟子松林改變了土壤酶活性影響到土壤營(yíng)養(yǎng)堿解氮和速效鉀[8]，以及化學(xué)農(nóng)藥和不同農(nóng)作物影響到土壤酶活性[9-10]。

喀斯特區(qū)域占我國(guó)陸地總面積約13.5%，該區(qū)域生態(tài)脆弱，制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。喀斯特區(qū)域土壤瘠薄[11]，生態(tài)脆弱易受外界干擾。土壤有機(jī)碳和土壤酶活性是土壤重要的組分，這影響土壤營(yíng)養(yǎng)[12]。由于土壤中的酶主要來(lái)自動(dòng)植物和微生物，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起重要作用[13-14]。如酶把土壤有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化小分子物質(zhì)，經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為CO2促進(jìn)溫室效應(yīng)，同時(shí)有機(jī)碳分解產(chǎn)生的CO2參與土壤化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化酶為無(wú)機(jī)碳態(tài)儲(chǔ)存于土壤，因此土壤無(wú)機(jī)碳是喀斯特土壤碳庫(kù)的要組分之一。

目前農(nóng)業(yè)碳的研究主要集中在主產(chǎn)糧食作物中，對(duì)經(jīng)濟(jì)作物的研究較少。經(jīng)濟(jì)作物在我國(guó)農(nóng)業(yè)占有較大比例，但是缺乏喀斯特區(qū)經(jīng)濟(jì)作物根際土壤碳和酶的研究。種植多年生經(jīng)濟(jì)植物楤木，減少土壤翻耕，農(nóng)業(yè)耕作與常規(guī)農(nóng)作物耕作模式不同，這對(duì)土壤碳的影響與常規(guī)農(nóng)作物不同。楤木是當(dāng)?shù)刂匾泥l(xiāng)土植物在生態(tài)保護(hù)方面具有重要的作用。另外，楤木作為當(dāng)?shù)厣揭安耍?jīng)濟(jì)價(jià)值高，其嫩芽可治氣滯、食欲不振和抑制各種細(xì)菌的侵染[15]。因此，本文研究大葉型楤木和小葉型楤木兩種類(lèi)型根際土壤的酶活性、有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳進(jìn)行研究。這為喀斯特山區(qū)農(nóng)業(yè)碳吸收提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料采集與處理

研究區(qū)為遵義市匯川區(qū)泗渡鎮(zhèn)的楤木種植基地(東經(jīng)106.962°，北緯27.919°)。遵義地處中亞熱帶氣候區(qū)，年均氣溫13～18℃。通常4月中旬進(jìn)入雨季，雨季結(jié)束，8月進(jìn)入高溫少雨時(shí)期[6]。樣品采集基地大葉型楤木和小葉型楤木(根據(jù)葉形態(tài)初步命名，相續(xù)送外做分子鑒定)根際土壤和對(duì)照土壤根系土壤(對(duì)照為接鄰荒蕪區(qū)域草本植物根際土壤)，分別重復(fù)4次。除去表面的枯枝落葉，輕輕挖取楤木根系，抖落根際土壤放入清潔的塑料袋中，之后分別標(biāo)記好每份土壤。把采集的新鮮土壤立刻帶回實(shí)驗(yàn)室，部分用于測(cè)定土壤微生物呼吸強(qiáng)度。其余樣品放置在室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)100目的土壤篩，裝入密封袋中，避光保存。用于測(cè)定土壤活性有機(jī)碳、有機(jī)碳、活性無(wú)機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳以及土壤酶活性。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤呼吸強(qiáng)度測(cè)定 采用NaOH吸收滴定法，密封培養(yǎng)分別于24 h，48 h，72 h和96 h后，測(cè)定其CO2排放量[10]。

1.2.2 酶活性測(cè)定 土壤微生物群落采用平板梯度法[16]。測(cè)定蔗糖酶和纖維素酶用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定、苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測(cè)定脲酶、用0.1 mol.L-1高錳酸鉀滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶、鄰苯三酚比色法過(guò)氧化物酶活性采用比色法[[9-10,17-18]]。

1.2.3 土壤中碳含量的測(cè)定 活性有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化法，高錳酸鉀濃度分別為0.033 mol/L，0.167 mol/L，0.333 mol/L，分別為活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳、穩(wěn)定性有機(jī)碳[19]。土壤無(wú)機(jī)碳測(cè)定采用酸堿滴定法，重鉻酸鉀容量法測(cè)定根際土壤有機(jī)碳。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2010處理后用SPSSS 17.0分析，作圖用Origin 10軟件。

2 結(jié) 果

2.1 不同型楤木根際土壤種酶活性差異

大葉型楤木和小葉型楤木根際土壤蔗糖酶活性差異顯著(p<0.05)。小葉型楤木根際土壤蔗糖酶活性最大，其次是對(duì)照，大葉型楤木根際土壤酶活性最小；大葉型楤木根際土壤蔗糖酶活性比對(duì)照降低20%，小葉型楤木根際土壤蔗糖酶活性比對(duì)照增加10%。土壤脲酶的變化趨勢(shì)也與蔗糖酶活性呈類(lèi)似趨勢(shì)，在研究組間差異顯著(p<0.001)；大葉型楤木根際土壤脲酶比對(duì)照組降低8.35%，小葉型楤木根際土壤脲酶活性比對(duì)照增加121.30%(圖1)。

圖1 不同楤木型根際土壤酶活性及無(wú)機(jī)碳變化

土壤纖維素酶活性在對(duì)照土壤和2種不同類(lèi)型楤木根際土壤間差異不顯著(p>0.05)，2種楤木根際土壤纖維素酶活性比對(duì)照組降低幅度在11.93%～14.24%。過(guò)氧化氫酶活性在小葉型楤木根際土壤活性最高，其次是對(duì)照組和大葉型楤木。大葉型楤木根際土壤的過(guò)氧化氫酶活性比對(duì)照組降低14.67%，小葉型楤木比對(duì)照增加6.67%。過(guò)氧化物酶活性在2種楤木根際土壤活性比對(duì)照都低，大葉型楤木比對(duì)照降低65.10%，小葉型楤木比對(duì)照降低27.47%。

2.2 不同類(lèi)型楤木根際土壤碳含量

與對(duì)照組相比，根際土壤活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳和穩(wěn)定性有機(jī)碳在2種不同楤木間的含量均呈增加趨勢(shì)(圖2)。活性有機(jī)碳在研究組間差異顯著(p<0.01)，大葉型楤木活性有機(jī)碳比對(duì)照增加8倍，小葉型楤木土壤活性有機(jī)碳比對(duì)照增加5.16倍。中活性有機(jī)碳研究組間差異不顯著(p>0.05)，但是楤木組的根際土壤中活性有機(jī)碳含量高于對(duì)照組；大葉型楤木比對(duì)照組增加6.69%，小葉型楤木比對(duì)照組增加2.33%。穩(wěn)定性有機(jī)碳含量在研究組間差異顯著(p<0.01)，2種楤木的穩(wěn)定性有機(jī)碳比對(duì)照高，大葉型楤木根際穩(wěn)定性有機(jī)碳增加21.86%，小葉型楤木根際穩(wěn)定性有機(jī)碳比對(duì)照增加9.78%。

圖2 不同類(lèi)型楤木根際土壤有機(jī)碳

小葉型楤木根際土壤細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)均最高，其次是大葉型楤木，對(duì)照組的最低。細(xì)菌數(shù)量在3組間為邊緣顯著(p=0.07)，2種楤木根系土壤細(xì)菌與對(duì)照相比呈增加趨勢(shì)，大葉型楤木比對(duì)照增加70.76%，小葉型楤木根際土壤細(xì)菌增加121.01%。小葉型楤木根際土壤真菌數(shù)量也比對(duì)照大，大葉型楤木根際土壤真菌數(shù)量比對(duì)照組增加34.88%，小葉型楤木根際土壤真菌比對(duì)照組增加115.70%。放線(xiàn)菌數(shù)量在這3組中差異顯著(p<0.05)，大葉型楤木根際土壤放線(xiàn)菌數(shù)比對(duì)照組增加122.10%，小葉型楤木根際土壤放線(xiàn)菌比對(duì)照降低21.78%(圖3)。

圖3 不同微生物數(shù)量關(guān)系

2.3 土壤微生物呼吸相關(guān)性

由相關(guān)性表可知(表1)，影響土壤微生物呼吸的因子是土壤脲酶活性和細(xì)菌數(shù)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.65,0.61；土壤微生物呼吸隨著土壤無(wú)機(jī)碳含量的增加呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.67；土壤有機(jī)碳含量與微生物呼吸呈現(xiàn)邊緣顯著(p=0.06)。土壤有機(jī)碳隨土壤脲酶活性的增加而增加(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.80。土壤脲酶活性除與土壤微生物呼吸和土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。細(xì)菌數(shù)量顯著影響到土壤微生物呼吸，相關(guān)系數(shù)為0.61，與土壤無(wú)機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)，系數(shù)為-0.76(p<0.05)。

土壤微生物呼吸隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加(圖4)，在24 h，48 h，72 h時(shí)，對(duì)照組、小葉型楤木和大葉型楤木間土壤微生物呼吸差異均不顯著(p>0.05)。小葉型楤木根際土壤微生物呼吸隨著土壤時(shí)間的增加在72 h和96 h與對(duì)照和大葉型楤木間差異顯著(p<0.05)。大葉型楤木的微生物呼吸與對(duì)照組差異較小，隨著時(shí)間的增加累計(jì)呼吸間差異增加。說(shuō)明不同類(lèi)型楤木根際土壤微生物呼吸影響到土壤碳排放。

表1 土壤呼吸與微生物、碳及酶活性關(guān)系

圖4 土壤微生物不同時(shí)間呼吸碳排放量

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

研究表明，2種不同楤木根際土壤中細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量不同。這支持先前研究，不同類(lèi)型植物根系微生物類(lèi)群和數(shù)量不同[20]。如不同烤煙品種根際微生物群落和數(shù)量不同[21]；不同抗病品種大豆根際微生物群落結(jié)構(gòu)不同。利用高通量測(cè)序研究表明，飼料玉米和鮮食品種間根際微生物類(lèi)群差異明顯[22]。甘蔗和花生的間作顯著改變根際微生物類(lèi)群和微生物數(shù)量[23]。

根際微生物數(shù)量差異可能是由根系分泌物中大量有機(jī)物，如糖、氨基酸和有機(jī)酸等所導(dǎo)致。一方面，不同微生物對(duì)根系分泌物的中某些成分利用有嗜好不同[21]，根系分泌物差異導(dǎo)致根際營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH和溶解氧等物質(zhì)的不同影響微生物類(lèi)群[24]。甚至部分微生物對(duì)根系分泌物的趨同性[25]，造成微生物類(lèi)群的差異。綜上述，不同類(lèi)型或者不同品種農(nóng)作物分泌有機(jī)物組成差異，導(dǎo)致了植物根際土壤微生物群落的不同。

不同類(lèi)型或不同農(nóng)作物根際土壤微生物差異，影響到土壤酶活性。土壤酶活性主要來(lái)自土壤微生物胞外分泌物[17]。植物類(lèi)型不同影響到土壤酶活性[13,26]，本研究2種類(lèi)型楤木根際微生物類(lèi)群細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌差異，導(dǎo)致兩種楤木根際土壤蔗糖酶、脲酶和過(guò)氧化物酶活性發(fā)生顯著變化。

微生物生長(zhǎng)消耗大量的碳水化合物，微生物數(shù)量又影響到土壤微生物呼吸，微生物把土壤中可利用碳水化合通過(guò)分解轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO2。大葉型楤木和小葉型楤木根際土壤微生物數(shù)量大于對(duì)照，因此通過(guò)微生物呼吸排放的碳增加，支持先前研究的微生物與CO2關(guān)系[27-28]。

土壤微生物活躍，土壤有機(jī)碳分解的增加，本研究結(jié)果為土壤微生物呼吸與土壤有機(jī)碳含量邊緣顯著(p=0.06)。由于土壤有機(jī)碳來(lái)源于地表凋落物、植物根系分泌物和微生物[29-30]。從另外一方面說(shuō)明根系土壤微生物比較活躍，提供給根系周?chē)⑸镅a(bǔ)充物質(zhì)較多，根系活躍提供大量的表皮凋落物等進(jìn)行土壤作為土壤有機(jī)碳的補(bǔ)充來(lái)源。同時(shí)微生物殘?bào)w中作為土壤有機(jī)碳的補(bǔ)充，因此土壤有機(jī)碳和土壤碳儲(chǔ)量增加。隨著低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展，今后在農(nóng)作物品種選育在品質(zhì)差異較小的情況下，可以考慮農(nóng)作物品種的碳排放。

3.2 結(jié) 論

楤木的類(lèi)型明顯影響根際土壤脲酶、蔗糖酶和過(guò)氧化物酶活性。楤木類(lèi)型根際脲酶活性呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)；2種楤木根際過(guò)氧化物酶活性都呈降低趨勢(shì)。2種楤木根際活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳、穩(wěn)定性活性有機(jī)碳均增加。2種楤木，明顯促進(jìn)了根際土壤細(xì)菌和真菌數(shù)。大葉楤木根際增加了放線(xiàn)菌數(shù)，小葉楤木抑制了根際真菌數(shù)。