喀斯特山區(qū)土地不同利用方式的土壤養(yǎng)分及微生物特征

文小琴，舒英格*，何 歡

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】中國是全球三大巖溶集中分布區(qū)中連片裸露碳酸鹽巖面積最大、巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈的地區(qū)，其喀斯特面積為344.4萬km2，裸露面積為90.7萬km2，其中約55萬km2喀斯特面積集中在以貴州為中心的西南部[1-2]。貴州喀斯特山區(qū)，因其體系復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)變異敏感度高，環(huán)境容量低，災(zāi)害承受閾值低等特征，成為了全國四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一[3]。因此，在喀斯特地區(qū)的植被恢復(fù)與重建尤為重要。而土壤微生物量碳/氮、微生物數(shù)量、土壤酶等作為土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)之一，對植被恢復(fù)與重建具有重要的研究意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤微生物生物量碳/氮含量雖然僅占土壤有機(jī)碳含量的1 %～5 %[4]，卻能反映參與調(diào)控土壤中能量、養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化等，不僅是土壤活性養(yǎng)分的儲庫，也是植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源。 因此，探究不同土地利用方式下的土壤微生物特征差異，對于提高土壤的肥力、土壤資源的合理和可持續(xù)利用都有重要作用[5]。土壤微生物數(shù)量在一定程度上能夠反映土壤質(zhì)量的好壞[6-7]，而土壤碳循環(huán)及土壤的微生物活性，以及土壤養(yǎng)分的累積、分解和礦化等規(guī)律則由土壤酶來表征和反映。土地利用方式的改變會(huì)引起許多變化(包括生物地球化學(xué)循環(huán)過程變化)，進(jìn)而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力的改變和土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的改變；合理的土地利用方式能夠改善土壤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對外界環(huán)境脅迫的抵抗力，不合理的土地利用方式則會(huì)致使土壤質(zhì)量下降，并且加速土壤侵蝕和土壤退化等過程[8]。龍健等[9]針對不同土地利用方式下土壤微生物數(shù)量和酶活性進(jìn)行研究認(rèn)為，自然恢復(fù)對于提高土壤質(zhì)量的效果優(yōu)于人工恢復(fù) ?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】退耕還林還草模式下土壤微生物特性鮮見報(bào)道，針對典型喀斯特地區(qū)的微生物特征研究仍相當(dāng)缺乏。因此，選擇貴州晴隆縣喀斯特山區(qū)5種不同土地利用方式為研究對象，分析不同土地利用方式下的土壤微生物特征，【擬解決的關(guān)鍵問題】以期為貴州喀斯特山區(qū)石漠化生態(tài)恢復(fù)及退耕還林的順利實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

晴隆縣(25°33′～26°11′N，105°01′～105°25′E)位于云貴高原中段，貴州省西南面，黔西南布依族苗族自治州的東北角。全縣總面積1327.3 km2。海拔543～2025 m，海拔差達(dá)1482 m。其地形起伏大，具有山高坡陡谷深的特點(diǎn)，地貌類型有低山、低中山、中山和高中山。石山地區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞、落水洞等極為普遍，是貴州巖溶發(fā)育、石漠化復(fù)雜、類型多樣、分布面積較大的區(qū)域之一。屬溫涼濕潤的高原亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，光能資源較好，年均日照時(shí)數(shù)1462 h，雨水充沛，年平均氣溫14 ℃，總降水量在1500～1650 mm，無霜期約320 d。野生植物種類繁多，主要有龍須草、刺梨、構(gòu)皮、木油、脂蠟等。通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤類型主要為石灰土、黃壤，植被類型有三葉草、蕨類、青蒿、黃竹草、杉樹和楸樹等。

1.2 樣品采集

于2016年4月至2017年10月，從荒地、耕地、退耕還草地、林草間作地和林地選擇具有代表性區(qū)域，確定采樣地(表1)，在樣地中心按蛇形方式采樣，采集0～10、10～20 cm混合土壤，裝袋運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。部分土樣過 2 mm篩后于 4 ℃冰箱保存，用于測定土壤微生物數(shù)量，部分土樣風(fēng)干后制樣，用于分析土壤酶活性。

1.3 土壤指標(biāo)的測定

土壤酶活性：土壤蔗糖酶活性采用 3,5-二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶采用滴定法，土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[10]。

土壤微生物：細(xì)菌培養(yǎng)為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)為馬丁-孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)為改良高氏1號瓊脂培養(yǎng)基。

微生物計(jì)算：菌落數(shù)(cfu/g)=MD/W。

式中，M為菌落平均數(shù)，D為稀釋倍數(shù)，W為土壤烘干質(zhì)量。

土壤微生物多樣性指數(shù)：Shannon-Wiener指數(shù)計(jì)算：H=-∑(Pk)×(logPk)，其中Pk為類型k在某群落中出現(xiàn)的概率。

土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，土壤理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)、pH、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀測定參照文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行測定。

表1 采樣地的基本信息

MBC)，采用CHCl3熏蒸法-K2SO4測量；微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)，采用CHCl3熏蒸-K2SO4提取-凱氏定氮法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Office 2016 Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算與初步分析，用DPS對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析。變量間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析，研究中數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，顯著水平為P<0.05，極顯著水平為P<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地不同利用方式土壤養(yǎng)分的含量

從表2可知，在荒地、耕地、退耕還草地、林草間作地和楸樹林地5種土地利用方式下，土壤中各養(yǎng)分的含量差異。有機(jī)碳含量：林草間作地>楸樹林地>荒地>耕地>退耕還草地，其中，荒地、耕地和楸樹林地的土壤有機(jī)碳含量差異不顯著，均顯著低于林草間作地；退耕還草地和林草間作地間差異顯著。全氮含量：林草間作地>荒地>楸樹林地>耕地>退耕還草地，其中，楸樹林地、荒地和林草間作地間差異不顯著，但均顯著高于耕地和退耕還草地。全磷含量：退耕還草地>耕地=楸樹林地>荒地>林草間作地，其中，林草間作地、荒地和楸樹林地間差異不顯著，三者與退耕還草地差異顯著。全鉀含量：林草間作地>退耕還草地=楸樹林地>耕地>荒地，退耕還草地、林草間作地和楸樹林地間無顯著差異，三者均與荒地存在顯著差異。有效磷含量：耕地>林草間作地>退耕還草地>楸樹林地>荒地，其中，退耕還草地與林草間作地間無顯著差異，二者均與耕地、荒地和楸樹林地差異顯著。堿解氮：林草間作地>楸樹林地>荒地>耕地>退耕還草地，差異顯著。速效鉀含量：楸樹林地>耕地>林草間作地>退耕還草地>荒地，顯著差異。

2.2 土地不同利用方式土壤微生物量碳/氮的含量

從圖1可知，5種土地利用方式的土壤微生物量碳含量為林草間作地(1111.53 mg/kg)>退耕還地草(968.49 mg/kg)>楸樹林地(575.84 mg/kg)

表2 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分

圖1 土地不同利用方式下土壤微生物量碳/氮的含量Fig.1 Microbial biomass carbon/nitrogen content of soil under different land utilization patterns

>耕地(512.67 mg/kg)>荒地(320.85 mg/kg)；荒地的土壤微生物量碳含量顯著小于楸樹林地、退耕還草地、耕地和林草間作地。與荒地相比，林草間作地和退耕還草地的土壤微生物量碳分別提高2.46和2.02倍。微生物量氮含量為林草間作地(107.76 mg/kg)>退耕還草地(102.08 mg/kg)>楸樹林地(87.27 mg/kg)>耕地(79.66 mg/kg)>荒地(57.65 mg/kg)，5種土地利用方式土微生物量氮的平均含量差異顯著，荒地的生物量氮含量顯著小于其余4種利用方式。與荒地相比，林草間作和退耕還草的土壤微生物量氮分別提高86.92 %和77.07 %。與荒地相比，其余4個(gè)土地利用方式的微生物量碳和微生物量氮都呈上升趨勢。隨著土地利用方式的改變，耕地、退耕還草和林草間作的土壤微生物碳含量不斷增加，這可能是因?yàn)橥寥牢⑸锪刻茧S土壤地上部分植被凋落物的增加而增加；而楸樹林地的微生物量碳降低有可能與植物生長需要消耗大量的碳所致。

2.3 土地不同利用方式土壤微生物的數(shù)量變化

由表3可知，土地不同利用方式土壤微生物的數(shù)量存在明顯差異。土壤細(xì)菌、真菌和放線菌類群的組成比例略有不同，但大體一致，在土壤微生物組成中均為細(xì)菌占絕對優(yōu)勢，細(xì)菌數(shù)量為(0.64～2.70)×105cfu/g，其中，林草間作地>退耕還草地>楸樹林地>耕地>荒地，且差異顯著；放線菌數(shù)量為(0.25～2.47)×105cfu/g，依次為楸樹林地>林草間作地>耕地>退耕還草地>荒地，林草間作地與耕地間的放線菌數(shù)量無顯著差異，均顯著低于楸樹林地；真菌數(shù)量為(0.48～0.97)×103cfu/g，依次為耕地>楸樹林地>林草間作地>退耕還草地>荒地，荒地與其余4種土地利用方式間的真菌數(shù)量差異顯著，楸樹林地和耕地間無顯著差異。

圖2 土地不同利用方式土壤酶的活性Fig.2 Soil enzyme activity under different land utilization patterns

2.4 土地不同利用方式土壤酶的活性

由圖2可知，土地不同利用方式土壤酶的活性存在較大差異。土壤脲酶活性為3.68～5.08 mg/(g·24h)，依次為林草間作地>楸樹林地>耕地>荒地>退耕還草地，其中，林草間作地和楸樹林地、荒地和耕地間無顯著差異；蔗糖酶活性為8.32～10.56 mg/(g·24h)，依次為荒地>楸樹林地>退耕還草地>林草間作地>耕地，其中，退耕還草地和楸樹林地間差異不顯著，均顯著高于林草間作和耕地；磷酸酶活性為8.14～11.19 mg/(g·24h)，依次為林草間作地>荒地>退耕還草地>楸樹林地>耕地，林草間作地與其余4種土地利用方式差異顯著，退耕還草地、耕地、楸樹林地間差異不顯著；過氧化氫酶活性變化不大，為1.56～ 1.81 mL/(g·24h)，依次為退耕還草>林草間作>楸樹林地>耕地>荒地，差異均不顯著。

表3 土地不同利用方式土壤的微生物數(shù)量變化

表4 土壤微生物與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)系數(shù)

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01).

Note: * and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

2.5 土地不同利用方式土壤微生物的多樣性指數(shù)

根據(jù)Shannon-Wiener指數(shù)計(jì)算得出，喀斯特山區(qū)土地不同利用方式下土壤微生物的多樣性指數(shù)相差較大，荒地、耕地、退耕還草地、林草間作地和楸樹林地的多樣性指數(shù)分別為0.462、0.701、0.593、0.693和0.693。耕地的多樣性指數(shù)最大，其次是楸樹林地和林草間作地，荒地最低。這種變化趨勢與微生物總數(shù)的變化不一致，林草間作地的微生物總數(shù)比耕地多，但其多樣性指數(shù)卻略微低，這有可能是施肥、耕作等加強(qiáng)了耕地土壤中的微生物活性。相對于荒地，林草間作地與楸樹林地的微生物菌群數(shù)較為均衡，生態(tài)環(huán)境較為穩(wěn)定，與蘇廣實(shí)[12]研究結(jié)果相似。

2.6 土壤微生物與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性

從表5可知，微生物量碳與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)；微生物量氮與有機(jī)碳、全鉀含量呈顯著正相關(guān)，與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；蔗糖酶與全鉀、有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；磷酸酶與全氮、堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，與全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；脲酶與有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；過氧化氫酶與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；細(xì)菌與速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；放線菌與有機(jī)碳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀和速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；真菌與有機(jī)碳、全鉀、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。總體上看，土壤酶、微生物數(shù)量以及微生物量碳/氮與土壤養(yǎng)分等具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以用來指示該區(qū)域土地不同利用方式下土壤質(zhì)量的演變特征[13]。

3 討 論

研究結(jié)果表明，不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分具有較大影響，在荒地、耕地、退耕還草地、林草間作地、楸樹林地5種土地利用方式下，各養(yǎng)分含量的變化規(guī)律不一致，全磷含量為林草間作地最高，有效磷含量為耕地最高，全氮、全鉀、有機(jī)碳和堿解氮含量均為林草間作地最高，速效鉀含量為楸樹林地最高。賈松偉等[14-15]的研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林后，土壤有機(jī)碳和全氮含量逐漸提高；張俊華等[16]對黃土高原半濕潤地區(qū)植被恢復(fù)對土壤肥力質(zhì)量的影響研究結(jié)果表明，恢復(fù)植被能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。土地不同利用方式下土壤微生物數(shù)量和土壤酶存在較為明顯的差異。但總體來看，土壤微生物數(shù)量大致是林草間作地最高，這主要是由于土壤養(yǎng)分主要來源于地表枯枝落葉層的積累、分解和礦化，林地植被蓋度和生物量相對其他土地利用方式高，受人為干擾的影響也小，有機(jī)質(zhì)積累量多。而耕地則相反，因?yàn)槠涞乇韼缀鯖]有枯枝落葉層，造成養(yǎng)分循環(huán)代謝較低，土壤養(yǎng)分含量也相對較低。與荒地相比，其余土地利用方式的土壤酶活性、微生物量碳/氮、微生物數(shù)量均有所增加，這與土地不同利用方式下土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的變化趨勢一致。喀斯特山區(qū)土地不同利用方式下土壤微生物數(shù)量存在較為明顯的差異，盡管土地不同利用方式下土壤3大微生物類群的組成比例略有不同，但與其他非喀斯特地區(qū)土壤微生物組成大體一致，土壤微生物組成中細(xì)菌占絕對優(yōu)勢，放線菌數(shù)量在5種利用方式中均較細(xì)菌數(shù)量少，但較真菌多。土地利用方式、植被結(jié)構(gòu)類型及土壤表面覆蓋程度不同，造成土壤溫度和濕度的差異，加上不同植被結(jié)構(gòu)植物的生長發(fā)育狀況及凋落物多少不同，進(jìn)而影響了土壤微生物的組成和數(shù)量。綜合比較5種土地利用方式的土壤酶活性，林草間作地的脲酶、磷酸酶活性最高，這可能是因?yàn)橥烁€林還草后植物凋落物和根系分泌物較多，土壤養(yǎng)分含量高，使微生物大量繁殖，豐富了土壤酶的來源，這些凋落物的分解和根系的生理代謝過程也向土壤釋放多種酶；有研究表明，脲酶、磷酸酶活性與微生物量有較密切的關(guān)系，酶活性隨著微生物量的增加而不斷增強(qiáng)，二者變化基本保持同步[17]；張成娥等[18]研究表明，土壤養(yǎng)分與土壤酶活性間有顯著相關(guān)性，與本研究結(jié)果一致。與荒地相比，其余4種利用方式土壤微生物量碳和微生物量氮都呈上升趨勢。徐佳晶等[19]研究發(fā)現(xiàn)，灌木林的土壤微生物量最大，表現(xiàn)為灌木林≈原生林>次生林>草叢；孫瑞等[20]研究發(fā)現(xiàn)，長期農(nóng)田施肥和撂荒處理顯著增加了土壤微生物量碳/氮的含量，而休閑處理對土壤微生物量碳/氮含量無顯著影響，與本研究結(jié)果相似。梁月明等[21]研究表明，土壤微生物數(shù)量在不同植被恢復(fù)階段間差異顯著，并且土壤微生物生物數(shù)量隨著植被的恢復(fù)而增加，即喬木>灌叢>草叢。彭艷等[22]研究顯示，次生林土壤SMB顯著低于原始森林，表明穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境有助于增加土壤微生物碳/氮含量?？λ固厣絽^(qū)土地不同利用方式下的土壤微生物多樣性指數(shù)相差較大；耕地的多樣性指數(shù)最大，其次是楸樹林地、林草間作地和退耕還草地，荒地最低；這種變化趨勢與微生物總數(shù)的變化不一致，且本研究的土壤微生物數(shù)量相對于一般土壤來說，數(shù)量相對較少，這有可能是喀斯特山區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境所致。相關(guān)性分析表明，5種土地利用方式的土壤微生物量碳與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)；微生物量氮與有機(jī)碳、全鉀含量呈顯著正相關(guān)，與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；蔗糖酶與全鉀、有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；磷酸酶與全氮、堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，與全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；脲酶與有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)；過氧化氫酶與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；細(xì)菌與速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；放線菌與有機(jī)碳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全鉀和速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；真菌與有機(jī)碳、全鉀、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，總體上看，土壤酶、微生物數(shù)量以及微生物量碳/氮和土壤養(yǎng)分等具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以用來指示該區(qū)域土地不同利用方式下土壤質(zhì)量的演變特征。

4 結(jié) 論

在荒地、耕地、退耕還草地、林草間作地、楸樹林地5種土地利用方式下，土壤不同養(yǎng)分含量存在差異，全磷含量為退耕還草地最高，有效磷含量為耕地最高，全氮、全鉀、有機(jī)碳、堿解氮含量均為林草間作地最高，速效鉀含量為楸樹林地最高。5種土地利用方式土壤微生物量碳含量為林草間作地>退耕還草地>楸樹林地>耕地>荒地；荒地的土壤微生物量碳含量顯著小于楸樹林地、退耕還草、耕地和林草間作，與荒地相比，林草間作和退耕還草的土壤微生物量碳分別提高2.46倍和2.02倍。微生物量氮含量為林草間作地>退耕還草地>楸樹林地>耕地>荒地；微生物量氮含量中，荒地的含量顯著小于其余4種土地利用方式，且5種土地利用方式的土微生物量氮的平均含量均差異顯著。與荒地相比，林草間作地和退耕還草地的土壤微生物量氮分別提高86.92 %和77.07 %。土地不同利用方式土壤微生物數(shù)量存在較為明顯的差異，表現(xiàn)為細(xì)菌>放線菌>真菌。土壤脲酶活性為林草間作地>楸樹林地>耕地>荒地>退耕還草地，蔗糖酶活性為荒地>楸樹林地>退耕還草地>林草間作地>耕地，磷酸酶活性為林草間作地>荒地>退耕還草地>楸樹林地>耕地，過氧化氫酶活性為退耕還草地>林草間作地>楸樹林地>耕地>荒地。5種土地利用方式土壤微生物群落的多樣性指數(shù)以耕第最大，其次是楸樹林地、林草間作地、退耕還草地，荒地最低，這種變化趨勢與微生物總數(shù)的變化不一致。經(jīng)相關(guān)性分析，土壤酶、微生物數(shù)量以及微生物量碳氮和土壤養(yǎng)分等具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可用于表征土壤質(zhì)量?？偟膩碚f，林草間作方式具有較高的土壤微生物活性，說明該土地利用方式能有效改善喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。