滇池流域富磷退化山區(qū)主要優(yōu)勢(shì)植物對(duì)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(xué) 生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院/云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650091;2.昆明市第二職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校, 昆明 650228; 3.昆明學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)系, 昆明 650214)

如何選擇對(duì)退化山地環(huán)境適生的植物,進(jìn)而有效地構(gòu)建控制水土流失或面源污染輸出的植物群落是生態(tài)修復(fù)及水體富營(yíng)養(yǎng)化治理的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。植物的選擇除了取決于植物本身對(duì)退化立地環(huán)境的適應(yīng)性上，植物對(duì)立地環(huán)境的改良作用也非常重要。一般而言，植物對(duì)立地土壤環(huán)境的改良主要體現(xiàn)在對(duì)土壤性質(zhì)改善，既包括植物對(duì)土壤物化性質(zhì)上的改良，也包括植物對(duì)土壤生物屬性的影響。土壤酶，作為土壤質(zhì)量的重要生物活性指標(biāo)[2]，不僅是促進(jìn)土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要物質(zhì)及土壤養(yǎng)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(xué)反應(yīng)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生重要影響[3-4]。

土壤酶在一定程度上可以表征植物修復(fù)措施對(duì)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(xiàn)不同，如對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)的研究表明蔗糖酶和堿性磷酸酶表現(xiàn)為灌木>喬木>草本，而脲酶和過(guò)氧化氫酶則表現(xiàn)為喬木>灌木>草本。研究表明土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量對(duì)土壤酶活性具有重要的促進(jìn)作用[8]。然而，在土壤磷素，尤其是土壤磷素含量較高的生態(tài)退化區(qū)域，不同生活型植物對(duì)土壤酶的影響目前還少見(jiàn)報(bào)道。

滇池是我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的湖泊之一。滇池南岸作為我國(guó)著名的磷元素富集區(qū)，占據(jù)了滇池流域總面積的13%。退化山區(qū)土壤中極高的磷負(fù)荷極易產(chǎn)生淋溶和侵蝕并隨著地表徑流匯入滇池，進(jìn)而對(duì)滇池水體安全構(gòu)成了巨大的威脅[9]。有效恢復(fù)退化山區(qū)植被是控制水土流失及水體富營(yíng)養(yǎng)化控制的有效措施之一。目前該區(qū)域內(nèi)廣泛分布著許多適生優(yōu)勢(shì)物種，但這些物種對(duì)土壤生物性質(zhì)的影響還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究選取滇池流域富磷退化山區(qū)不同生活型的優(yōu)勢(shì)物種云南松(Pinusyunnanensis)，蔗茅(Erianthusrockii)，白茅(Imperatacylindrica)，馬桑(Coriarianepalensis)，紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)為研究對(duì)象，分析不同物種根際土與根區(qū)土主要土壤酶的活性，比較不同植物對(duì)土壤酶活性的根際效應(yīng)，并綜合評(píng)價(jià)植物對(duì)土壤酶的影響，為富磷區(qū)植被的恢復(fù)等提供一定數(shù)據(jù)支持，并為滇池流域群落結(jié)構(gòu)與功能改善及其他類(lèi)似區(qū)域的生態(tài)修復(fù)、面源污染防治提供一定借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于滇池流域南部的柴河子流域內(nèi),該區(qū)域是滇池流域富磷區(qū)的主要集中分布區(qū),同時(shí)也是滇池流域3個(gè)面積超過(guò)300 km2的子流域之一。柴河子流域(24°36′—24°37′N(xiāo),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(zhǎng)48 km。該區(qū)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(lèi)型為山地黃紅壤、棕紅壤。該區(qū)域內(nèi)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(jī)質(zhì)為3.06%。該區(qū)域地帶性植被為亞熱帶半濕潤(rùn)常綠闊葉林,因人類(lèi)活動(dòng)影響,幾乎已沒(méi)有成片分布。在受人工擾動(dòng)的退化山地中，灌草叢及云南松林是該區(qū)域主要植物群落類(lèi)型，馬桑、蔗茅、白茅及外來(lái)物種紫莖澤蘭是灌草叢主要優(yōu)勢(shì)物種，云南松是云南松群落的主要建群種。隨后典型外來(lái)物種紫莖澤蘭入侵該區(qū)域，并成為優(yōu)勢(shì)物種之一。

1.2 樣品采集與處理

在柴河流域富磷退化山區(qū)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(shè)3個(gè)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(jī)選擇植株高度相對(duì)一致的馬桑、蔗茅、白茅及紫莖澤蘭各9株生長(zhǎng)良好的植株，每個(gè)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(zhǎng)勢(shì)良好的云南松，每個(gè)樣方各2株。

采集過(guò)程中，首先除去表面的枯枝落葉層，根據(jù)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(qū)土，剩下的根系和土壤在自封袋中抖動(dòng)作為根際土。在0—30 cm的深度采集云南松的根區(qū)土和根際土，從云南松樹(shù)干基部開(kāi)始逐段、逐層挖去上層覆土，追蹤根系的延伸方向，然后沿側(cè)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(qū)土，把粘附在細(xì)根上的土壤收集后作為根際土。土壤樣品放于4℃的車(chē)載冰箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤酶活性的測(cè)定。

1.3 土壤酶分析

土壤酶活性測(cè)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(shù)據(jù)處理與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物根際土與根區(qū)土的脲酶活性

不同植物根際土與根區(qū)土的脲酶活性見(jiàn)圖1，從圖1可以看出：根區(qū)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(qū)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(qū)土。對(duì)于根際土與根區(qū)土而言，云南松的脲酶含量無(wú)論是根際土還是根區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)土的脲酶含量

2.2 不同植物根際土與根區(qū)土的磷酸酶活性

不同植物根際土與根區(qū)土的磷酸酶含量見(jiàn)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(qū)土，但只有蔗茅和馬桑呈現(xiàn)顯著差異，而云南松、白茅和紫莖澤蘭根區(qū)土與根際土之間酸性磷酸酶含量并沒(méi)有顯著差異。根際土堿性磷酸酶含量也均高于根區(qū)土，但只有白茅未呈現(xiàn)顯著差異，而云南松、蔗茅、馬桑和紫莖澤蘭根區(qū)土與根際土之間堿性磷酸酶含量都呈現(xiàn)出顯著差異。

圖2 不同植物根際土與根區(qū)土酸性及堿性磷酸酶含量

2.3 不同植物根際土與根區(qū)土的蛋白酶酶活性

不同植物根際土與根區(qū)土的蛋白酶含量見(jiàn)圖3，其中根際土蛋白酶含量均顯著高于根區(qū)土。對(duì)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(xiàn)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(duì)于根區(qū)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(wú)顯著差異，但4種植物均顯著高于紫莖澤蘭的根區(qū)土蛋白酶含量。

2.4 根際土與根區(qū)土的纖維酶活性

不同植物根際土與根區(qū)土的纖維素酶含量見(jiàn)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(qū)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(qū)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(qū)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(duì)根際土纖維素酶的激發(fā)效應(yīng)都比較高。

圖3 不同植物根際土與根區(qū)土蛋白酶含量

圖4 不同植物根際土與根區(qū)土纖維素酶含量

2.5 不同植物對(duì)土壤酶的根際效應(yīng)

不同植物對(duì)土壤酶的根際效應(yīng)均表現(xiàn)為正的根系效應(yīng)(表1)。其中蔗茅對(duì)脲酶、纖維素酶的根際效應(yīng)比較明顯，其根際效應(yīng)為3.91，12.64；紫莖澤蘭對(duì)脲酶、蛋白酶及纖維素酶的根際效應(yīng)也比較明顯，其根際效應(yīng)分別為3.59，4.15，10.46。植物對(duì)酸性磷酸酶及堿性磷酸酶的根際效應(yīng)都小于1，說(shuō)明不同植物對(duì)磷酸酶的根際效應(yīng)均不明顯。針對(duì)不同土壤酶而言，5種植物對(duì)脲酶和纖維素酶的根際效應(yīng)相對(duì)較強(qiáng)，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(duì)土壤酶的根際效應(yīng)

2.6 植物對(duì)土壤酶活性的綜合影響效益

植物對(duì)土壤酶活性的綜合影響效益見(jiàn)表2，植物對(duì)根區(qū)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(duì)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(qū)土和根際土的綜合影響效益，則表現(xiàn)為云南松對(duì)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(duì)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(duì)富磷退化山區(qū)土壤酶活性的影響

柴河流域富磷退化山區(qū)多分布于上坡位，能夠在該區(qū)域存活生長(zhǎng)的物種必須能夠適應(yīng)干旱、高磷、缺氮的環(huán)境[11]。通過(guò)前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域大多分布耐旱、抗干擾能力較強(qiáng)的物種，且禾本科和菊科所占比例較大[12]。除此之外，在該區(qū)域還廣泛分布著固氮物種馬桑及滇中優(yōu)勢(shì)喬木云南松。分析比較常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)物種在富磷退化山區(qū)中對(duì)土壤的改良作用對(duì)該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

在富磷退化山區(qū)，土壤氮是限制因素，植物要生存就必須適應(yīng)氮缺乏的生境，在這種生境下，植物通常通過(guò)根際分泌物以此增強(qiáng)根際土壤微生物的活性，進(jìn)而增加對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化作用，以減少氮素對(duì)植物的影響。其中脲酶和蛋白酶都是土壤氮循環(huán)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(jié)果表明不同植物對(duì)脲酶及蛋白酶活性的影響表現(xiàn)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(shuō)明這幾種植物可以通過(guò)影響土壤氮循環(huán)相關(guān)的酶活性來(lái)增加根際可利用氮含量，以適應(yīng)缺氮環(huán)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(xué)屬性決定了可以從大氣中固定氮，來(lái)適應(yīng)低氮生境，故無(wú)需過(guò)多增加根際酶活性來(lái)提高氮的轉(zhuǎn)化能力。

富磷退化山區(qū)土壤另外一個(gè)特征就是高磷環(huán)境。在較高的土壤磷素背景條件下，研究已表明高磷會(huì)限制磷酸酶的活性，減少土壤有機(jī)磷向無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)化[13]。本研究發(fā)現(xiàn)5種植物對(duì)根際土無(wú)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(dāng)?shù)馗涣篆h(huán)境磷不再是影響植物生長(zhǎng)的限制因子，因此植物不需花費(fèi)能量來(lái)改善根際根區(qū)磷酸酶含量來(lái)增加磷素的轉(zhuǎn)化[17]，故植物對(duì)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(huán)過(guò)程中一個(gè)很重要的酶，可將纖維素逐步分解為葡萄糖，進(jìn)而提高土壤的碳源，促進(jìn)其他養(yǎng)分的釋放，從而有助于土壤微生物的生長(zhǎng)，對(duì)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(biāo)志[18-19]。纖維素酶的活性主要決定于輸入土壤有機(jī)質(zhì)物料的性質(zhì)，尤其是其碳氮比[20-21]。相比其他植物，云南松根區(qū)土壤纖維素酶活性較高，可能是由于當(dāng)?shù)卦颇纤闪钟休^厚的凋落物層，增加了土壤的C/N，促進(jìn)了土壤纖維素分解菌的繁殖[18]。對(duì)于根際土，紫莖澤蘭根際土纖維素酶活性最高，說(shuō)明紫莖澤蘭通過(guò)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(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)[22]。

3.2 不同生活型植物對(duì)土壤酶活性的根際效應(yīng)

不同植物根際土與根區(qū)土的所有酶活性均呈現(xiàn)出根際土高于根區(qū)土，即表現(xiàn)出一定的正根際效應(yīng)。這主要有兩個(gè)方面的原因:一是根系能夠分泌酶類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入土壤,二是土壤酶活性與微生物是分不開(kāi)的，根系直接影響的土壤范圍是微生物特殊的生境,根際內(nèi)微生物數(shù)量總是比根際外要高得多,當(dāng)微生物受到環(huán)境因素刺激時(shí),便不斷向周?chē)橘|(zhì)分泌酶,致使根際內(nèi)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(yǎng)分在根際中累積，進(jìn)而有助于土壤養(yǎng)分的循環(huán)。在5種植物中，紫莖澤蘭作為外來(lái)入侵物種，可明顯改變?nèi)肭滞寥赖睦砘再|(zhì)，進(jìn)而影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和代謝[23]。研究發(fā)現(xiàn)紫莖澤蘭入侵通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)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(zhǎng)創(chuàng)造了有利的土壤環(huán)境[25]。在5種土壤酶中，其中脲酶和纖維素酶表現(xiàn)出的根際效應(yīng)較高，說(shuō)明在富磷退化山區(qū)，氮和碳作為限制因子在一定程度上制約植物的生長(zhǎng)，因此，植物通過(guò)提高其根際效應(yīng)來(lái)緩解或減少氮、碳對(duì)植物生長(zhǎng)的限制作用。

通過(guò)植物對(duì)土壤酶活性的綜合影響效益比較來(lái)看，云南松最高，蔗茅的最低。但是蔗茅在對(duì)土壤脲酶及纖維素酶上的根際效應(yīng)明顯。說(shuō)明其對(duì)富磷退化山區(qū)具有較高的適應(yīng)性。因此單從通過(guò)酶活性篩選富磷退化山區(qū)的修復(fù)植物還不夠全面，應(yīng)結(jié)合其他參數(shù)，如理化性質(zhì)、生態(tài)水文過(guò)程及在群落構(gòu)建過(guò)程中的作用等綜合評(píng)價(jià)不同植物的修復(fù)效能，以期在實(shí)際生態(tài)修復(fù)中達(dá)到理想的效果。

4 結(jié) 論

(1) 云南松影響下的根區(qū)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(qū)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(guò)根際效應(yīng)比較發(fā)現(xiàn)5種植物對(duì)脲酶和纖維素酶的根際效應(yīng)相對(duì)較強(qiáng)，其次為蛋白酶，最弱的為酸性磷酸酶及堿性磷酸酶。

(3) 結(jié)合植物對(duì)根區(qū)土及根際土酶活性的影響進(jìn)行綜合效應(yīng)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(duì)土壤生物性質(zhì)的影響，也能反映植物對(duì)立地環(huán)境的適應(yīng)方式，因此，評(píng)價(jià)植物在富磷退化山區(qū)的恢復(fù)潛力，還應(yīng)結(jié)合植物對(duì)土壤理化性質(zhì)、生態(tài)水文過(guò)程及在群落構(gòu)建過(guò)程中的作用等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。