晉西黃土區(qū)典型人工植被對土壤球囊霉素和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

朱興菲, 劉小芳, 趙勇鋼, 劉新春, 高 冉, 栗文玉

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

晉西黃土丘陵溝壑區(qū)植被退化，地形破碎，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。人工植被恢復(fù)是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要舉措，通過植被—土壤系統(tǒng)間的互饋效應(yīng)，有利于改善土壤質(zhì)量，提升土壤功能，調(diào)控水土流失。土壤團(tuán)聚體是礦物顆粒與有機(jī)物質(zhì)相互作用而組成的土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其形成過程和穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳儲存于固定密切相關(guān)，也是評價土壤質(zhì)量和健康的重要指標(biāo)[1]。研究[2]表明，黃土高原的土地利用類型、植被恢復(fù)方式及進(jìn)程等都會影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。例如，張社奇[3]研究發(fā)現(xiàn)不同林齡的人工油松和刺槐都降低了土壤顆粒的分形維數(shù)，這是由于在凋落物和植物根系的作用下，土壤腐殖化程度較好且土壤黏結(jié)介質(zhì)具有較好的持久性，提升土壤團(tuán)聚能力。球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(glomalin-related soil protein， GRSP)是由叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi， AMF)的菌絲壁分泌產(chǎn)生的一種可溶性糖蛋白，可作為膠結(jié)劑增強(qiáng)土壤顆粒黏附力，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[4]。GRSP是土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)的重要組成部分，占SOC總量的7%～37%[5]，根據(jù)其在土壤中的可利用性和周轉(zhuǎn)時間方面的差異可將其組分分為易提取球囊霉素(easily extracted GRSP， EE-GRSP)和總球囊霉素(Total GRSP，T-GRSP)[6]。GRSP對土壤環(huán)境變化的反應(yīng)可能不同，并受土地利用方式和植被類型的影響。對免耕、傳統(tǒng)耕作和休閑地的研究表明，由于AMF真菌受人為活動的影響，使得植物根系中的真菌菌絲減少，致使免耕及休閑地土壤GRSP含量高于傳統(tǒng)耕作[7-8]。對黃土高原林區(qū)皆伐油松幼林地、灌木地、撂荒地的研究發(fā)現(xiàn)，灌木林土壤團(tuán)聚體GRSP含量顯著大于其他處理，這主要是由于灌木地優(yōu)勢物種虎榛子的根系發(fā)達(dá)，根瘤菌容易進(jìn)入植物根系，形成較多菌絲促進(jìn)GRSP含量的形成[9-10]。

在晉西黃土丘陵溝壑區(qū)，人工植被(如刺槐、側(cè)柏和苜蓿等)和人工經(jīng)濟(jì)林(如核桃、蘋果等)大范圍種植，其對土壤功能的影響一直是關(guān)注的重要問題[11]。目前，關(guān)于該地區(qū)植被恢復(fù)對表層(<40 cm)土壤碳儲量與固定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的研究已有較多[12-14]，但對深剖面(0—100 cm)GRSP組分對SOC的貢獻(xiàn)及其與團(tuán)聚體穩(wěn)定性關(guān)系的研究較少，這對于深入理解人工植被恢復(fù)對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響機(jī)制有所不足。因此，本文以5種不同人工植被為研究對象，分析其GRSP組分和SOC在剖面的分布特征，闡明GRSP對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，揭示GRSP組分與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系，以期為黃土高原地區(qū)人工植被建設(shè)與管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省呂梁市離石區(qū)三川河流域的大土河和徐家溝區(qū)域(北緯37°21′—37°42′，東經(jīng)110°55′—111°35′)，屬于典型黃土丘陵溝壑區(qū)，溫帶大陸性氣候，海拔920～940 m，無霜期110～170 d，年平均氣溫為8.9 ℃，年日照時數(shù)為2 633.8 h，有效積溫達(dá)3 298 ℃，年平均降水量為450～550 mm，主要集中在7—9月。灌木植被主要有荊條(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，草本植物主要有蒿類、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 樣品采集和分析

2017年7月，選取4種該區(qū)域典型人工植被類型，包括核桃(Juglansregia)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)和苜蓿(Medicagosativa)，并以農(nóng)地為對照。農(nóng)地一般為玉米和雜糧作物輪作，僅施入少量農(nóng)家肥，無化肥施入。農(nóng)地種植年限大于20 a，苜蓿種植3 a，核桃、刺槐和側(cè)柏的林齡分別為16,17，8 a。在預(yù)先選好的樣地上，每個樣地沿坡面布置3條長50 m、寬10 m的樣帶，在樣帶上沿坡面布置3個樣方(草地1 m×1 m，喬木10 m×10 m)，每個樣地共9個樣方。將每個樣方的腐殖質(zhì)去除后，挖100 cm深的土壤剖面，按(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—70 cm，70—100 cm)土層進(jìn)行采樣。按兩部分采集土樣，一部分為混合樣，另外一部分為原狀土樣。混合樣以四分法取適量土樣置于塑料袋中，帶回實驗室，風(fēng)干，去除植物根系、石塊等雜質(zhì)，研磨過篩后，待測。原狀土樣去除植物根系等雜質(zhì)后，輕掰成小塊，風(fēng)干后待測。

GRSP的提取和測定過程按照修改后Wright等[15]的方法進(jìn)行測定。EE-GRSP測定：風(fēng)干土樣過2 mm的篩，稱取1.00 g土樣倒于試管中，加入8 ml(20 mmol/L，pH=7.0)的檸檬酸鈉浸提劑，在121 ℃，103 kpa條件下滅菌60 min，冷卻后以10 000 r/min離心5 min，收集上清液。T-GRSP測定：稱取1.00 g土樣倒于試管中，加入8 ml(50 mmol/L，pH=8.0)的檸檬酸鈉浸提劑，在121 ℃,103 kPa條件下滅菌60 min，冷卻后以10 000 r/min離心5 min，收集上清液，反復(fù)浸提3次。吸取上清液1 mL加入5 ml考馬斯亮藍(lán)G-250染色劑，用紫外分光光度計(759型)在595 nm波長下比色。制作牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)液，并用考馬斯亮藍(lán)法顯色，根據(jù)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，求出EE-GRSP和T-GRSP的含量。本研究依據(jù)Wang等人[5]的研究結(jié)果，采用土壤生態(tài)系統(tǒng)提取的球囊霉素中SOC約占36.8%這一數(shù)值，以此計算SOC在EE-GRSP和T-GRSP中的含量，分析GRSP對SOC的貢獻(xiàn)。

土壤團(tuán)聚體的測定采用干篩法[16]測定。準(zhǔn)確稱取風(fēng)干土樣200.0 g，放入孔徑為2,0.25,0.053 mm的套篩，在8411型電動振篩機(jī)(浙江上虞區(qū)道墟張興紗廠)上振動10 min(轉(zhuǎn)速1 400 r/min)，將留在套篩上的風(fēng)干土進(jìn)行稱重，計算各粒級團(tuán)聚體含量占總土重的重量百分比，并以此計算平均重量直徑(mean weight diameter， MWD)，計算公式為：

式中：Xi——某極別團(tuán)聚體直徑(mm)的中值，Wi——團(tuán)聚體的百分含量。

土壤pH值的測定采用pHS-3C型酸度計測定(土水比為1∶2.5)，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測定[16]。

1.3 處理數(shù)據(jù)

采用SPSS17.0軟件對不同人工植被類型和不同土層進(jìn)行雙因素方差分析，基于最小顯著性差異法(Least significant difference， LSD)進(jìn)行多重比較(p<0.05)。在Origin軟件中采用線性擬合函數(shù)分析T-GRSP,EE-GRSP與有機(jī)碳和MWD的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工植被土壤球囊霉素與有機(jī)碳剖面分布

由圖1可以看出，不同人工植被的T-GRSP和EE-GRSP含量隨著土層深度的增加而降低，不同植被類型之間在0—30 cm土層存在顯著性差異(p<0.05)，但30 cm以下土層無顯著差異(p>0.05)。苜蓿T-GRSP含量在0—30 cm土層均最低，在0—20 cm顯著低于其他樣地(p<0.05)，在20—30 cm則顯著低于核桃(p<0.05)。與農(nóng)地0—30 cm土層T-GRSP平均含量相比，苜蓿降低了8.63%，核桃、刺槐和側(cè)柏分別增加了2.73%，1.49%，1.03%。苜蓿EE-GRSP含量在0—30 cm土層也均最低，核桃則最高。核桃EE-GRSP含量在0—10 cm土層顯著高于其他樣地(p<0.05)，在10—30 cm則顯著高于刺槐和苜蓿(p<0.05)。與農(nóng)地0—30 cm土層EE-GRSP平均含量相比，刺槐、苜蓿分別降低了1.61%和8.63%，核桃、側(cè)柏分別增加了25.04%和8.04%。農(nóng)地、核桃和側(cè)柏樣地SOC含量隨著土層增加而逐漸降低，且在0—40 cm剖面分布上有顯著性差異(p<0.05)，而刺槐和苜蓿則無顯著性差異(p>0.05)。其中，農(nóng)地和核桃0—20 cm土層SOC顯著高于較深土層(>30 cm)，側(cè)柏0—10 cm土層SOC顯著高于40 cm以下土層。不同樣地間的SOC含量在0—20 cm土層具有顯著性差異(p<0.05)，而20 cm以下土層則無顯著性差異(p>0.05)。農(nóng)地和核桃SOC含量顯著高于其他樣地，但二者之間并無顯著差異(p>0.05)。與農(nóng)地相比，刺槐、側(cè)柏和苜蓿0—20 cm平均含量分別降低了45.31%,47.85%和65.18%。農(nóng)地、核桃和側(cè)柏樣地土壤EE-GRSP/T-GRSP比值隨著土層的增加逐漸降低，在0—20 cm土壤剖面有顯著性差異(p<0.05)。在10—20 cm土層核桃顯著高于苜蓿(p<0.05)。在20—100 cm土層各樣地間無顯著性差異(p>0.05)。與農(nóng)地相比，側(cè)柏、刺槐和苜蓿在0—20 cm土層的EE-GRSP/T-GRSP平均值分別降低了2.88%,14.62%,19.46%，核桃則增加了4.23%。

注：不同小寫字母表示相同土層不同植被類型之間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同人工植被土壤球囊霉素與有機(jī)碳關(guān)系

圖2為不同人工植被類型球囊霉素與有機(jī)碳的關(guān)系。由圖2可知，不同人工植被類型EE-GRSP和T-GRSP含量隨著有機(jī)碳含量的增加而呈線性增加(p<0.01)，EE-GRSP/T-GRSP的比值也與SOC含量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

圖2 不同人工植被類型球囊霉素與有機(jī)碳的關(guān)系

不同人工植被EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC比值均隨著土層的增加而呈現(xiàn)增加，說明EE-GRSP和T-GRSP對SOC的貢獻(xiàn)率均逐漸增加(表1)。不同樣地在0—100 cm土層EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC分別為1.78～6.77，4.07～19.11，且樣地間和土層間存在顯著差異(p<0.05)。所有樣地中，核桃其值最低，與農(nóng)地相比，EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC在30—40 cm，70—100 cm土層的有顯著差異(p<0.05)，兩個土層分別降低了55.6%，60.4%和56.52%,51.1%。側(cè)柏、刺槐和苜蓿樣地的EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC在各土層間沒有顯著差異(p>0.05)，其中側(cè)柏的EE-GRSP/SOC和苜蓿的T-GRSP/SOC數(shù)值較高，與農(nóng)地相比，分別增加了39.7%,36.5%。

表1 不同人工植被土壤球囊霉素對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)

注：不同小寫字母表示相同土層不同植被類型之間差異顯著(p<0.05); 不同大寫字母表示相同植被類型不同土層之間差異顯著(p<0.05)。

2.3 不同人工植被類型土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性

不同樣地的團(tuán)聚體主要分布在大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(0.25～0.053 mm)中，而粉黏粒級(<0.053 mm)最少(表2)。

表2 不同人工植被土壤團(tuán)聚體含量分布及其穩(wěn)定性

注：不同小寫字母表示相同土層同一粒級不同植被類型之間差異顯著(p<0.05)。

大于2 mm團(tuán)聚體含量的范圍在17.60%～46.50%，除10—20 cm土層外，各土層不同樣地間有顯著性差異(p< 0.05)。2～0.25 mm團(tuán)聚體含量范圍在19.60%～37.40%，除20—30 cm土層外，各土層不同樣地間有顯著性差異(p<0.05)。0.25～0.053 mm團(tuán)聚體含量的范圍在26.0%～44.9%，除10—20 cm土層外，各土層不同人工植被類型之間有顯著性差異(p<0.05)。<0.053 mm團(tuán)聚體含量的范圍在0.90%～9.00%，僅在40—70 cm土層各樣地間有顯著性差異(p<0.05)，其中側(cè)柏顯著低于刺槐和農(nóng)地。

由表2可知，不同人工植被類型的MWD值隨著土層的增加而逐漸降低，除10—20 cm土層外，各土層不同樣地間有顯著差異(p<0.05)，且苜蓿較高。與農(nóng)地相比，苜蓿在20—100 cm土層顯著(p<0.05)增加了30.54%～57.26%，側(cè)柏在40—100 cm土層顯著(p<0.05)增加了37.87%～38.40%，核桃在20—100 cm土層無顯著差異(p>0.05)，刺槐僅在30—40 cm土層顯著(p<0.05)增加了31.05%。

2.4 GRSP，SOC以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系

由圖3可知，T-GRSP和SOC與MWD有顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，但EE-GRSP與MWD無顯著關(guān)系(p>0.05)。EE-GRSP/SOC與MWD有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，但T-GRSP/SOC與MWD無顯著關(guān)系(p>0.05)。

圖3 土壤球囊霉素和有機(jī)碳及其比值與平均重量直徑之間的關(guān)系

3 討 論

本研究中EE-GRSP和T-GRSP含量、EE-GRSP/T-GRSP比值隨著土層增加而逐漸下降，不同人工植被類型間僅在0—30 cm土層有顯著差異(p<0.05，圖1)。這與前人的研究結(jié)果一致，這種變化可能與土壤有機(jī)質(zhì)和蛋白質(zhì)的空間分布和異質(zhì)性有關(guān)[17]。表層土壤由于枯枝落葉、根系分泌物和微生物生物量等輸入較多[18]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分較高，AMF活性強(qiáng)，AMF的侵染率和孢子密度大，會釋放更多的球囊霉素[19]。本研究中的核桃GRSP組分要高于其他樣地，這可能與適當(dāng)施肥有關(guān)。施肥可以增加根系生物量，AMF能和大部分植物根系形成互惠共生體，進(jìn)而增加GRSP含量。有研究表明，多年生植物叢植菌根真菌的侵染率很高[20]。李博文[21]對青藏高原高寒草甸土壤施加氮肥，發(fā)現(xiàn)可以增加AMF的生物量和球囊霉素(EE-GRSP和T-GRSP)含量。本研究中，不同人工植被EE-GRSP和T-GRSP與有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01，圖2)，這是由于球囊霉素本身就是有機(jī)碳的重要組成部分，其含量與有機(jī)碳的變化密切相關(guān)。

5種不同人工植被類型的EE-GRSP/SOC、T-GRSP/SOC貢獻(xiàn)均隨著土層加深而逐漸增加，且深層(40—100 cm)GRSP對SOC的貢獻(xiàn)大約是土壤表層(0—40 cm)的1.4～1.9倍(表1)。前人對不同土地利用方式和植被類型下的研究也有相似結(jié)果[22-23]。土壤剖面中GRSP組分對SOC貢獻(xiàn)率取決于EE-GRSP，T-GRSP和SOC三者的變化。SOC含量與枯枝落葉、根系分泌物和微生物等因子有關(guān)，與表層土壤有機(jī)質(zhì)相比，深層有機(jī)物質(zhì)來源較少，影響新的有機(jī)物質(zhì)形成，因此隨著土層增加SOC含量降低幅度較大[24]。GRSP具有豐富的蛋白質(zhì)和碳水化合物，這是對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)[25]。但其含量會隨著土壤深度的增加而降低，主要是由于GRSP在土壤剖面的分布受土壤理化性質(zhì)變化的影響較大[22]。表層的GRSP主要受到SOC和土壤養(yǎng)分的影響，而深層GRSP主要受到土壤理化性質(zhì)如容重、pH值等的影響，土壤養(yǎng)分越高，容重越低，GRSP會累積的越多[22]。有研究表明，土壤深度增加對EE-GRSP減少的影響較大，但對T-GRSP的影響卻小得多[22]。因此表現(xiàn)出深層GRSP對SOC的貢獻(xiàn)比土壤表層要高很多。

不同人工植被類型土壤團(tuán)聚體分布中以>2，2～0.25 mm粒級大團(tuán)聚體含量為主，粉黏粒(<0.053 mm)含量最少，苜蓿、刺槐和側(cè)柏的MWD值較農(nóng)地要大(表2)。這與前人[26-27]的研究結(jié)果相似。AMF分泌的GRSP是由碳水化合物組成的糖蛋白，有研究發(fā)現(xiàn)在土壤團(tuán)聚體中測得的GRSP碳水化合物含量是其它物質(zhì)的3～10倍[28]。GRSP還從AMF的菌絲中脫落分泌到土壤當(dāng)中，并通過其獨特的黏結(jié)性質(zhì)，將土壤中的細(xì)小顆粒黏結(jié)在一起，形成大團(tuán)聚體[23]。研究表明，土壤中的球囊霉素粘附土壤顆粒的能力比其他糖類物質(zhì)高3～10倍[29]。GRSP還可以識別和保護(hù)有助于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的多糖和微生物等[30]，能夠保護(hù)SOC不會被分解，促進(jìn)土壤中SOC的累積，提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性[31]。本研究中，T-GRSP與MWD值有顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05，圖3)，這是由于EE-GRSP被認(rèn)為是新產(chǎn)生的或幾乎分解的部分，易發(fā)生變化，而T-GRSP性質(zhì)相對比較穩(wěn)定不容易改變，因此與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)出更好地相關(guān)性。

4 結(jié) 論

晉西黃土區(qū)不同人工植被類型對EE-GRSP，T-GRSP和EE-GRSP/T-GRSP的影響主要在0—30 cm，且各土層間的含量存在差異顯著，并與SOC有顯著正相關(guān)關(guān)系。EE-GRSP和T-GRSP對SOC的貢獻(xiàn)具有重要影響，其貢獻(xiàn)率分別為1.78～6.77，4.03～19.11。人工植被恢復(fù)對T-GRSP含量的增加提高了其對SOC的貢獻(xiàn)作用，能夠促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的形成和MWD的增加，提升土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。這對于深入理解黃土區(qū)人工植被恢復(fù)措施下SOC與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系提供了一定的科學(xué)依據(jù)。