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 550000; 4江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 南昌330045)

國內(nèi)外學(xué)者近百年來，針對不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤水解酶活性開展了大量的研究[1]。發(fā)現(xiàn)植被類型等通過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)濟的發(fā)展?？λ固貐^(qū)域土壤瘠薄[11]，生態(tài)脆弱易受外界干擾。土壤有機碳和土壤酶活性是土壤重要的組分，這影響土壤營養(yǎng)[12]。由于土壤中的酶主要來自動植物和微生物，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起重要作用[13-14]。如酶把土壤有機碳分解轉(zhuǎn)化小分子物質(zhì)，經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為CO2促進溫室效應(yīng)，同時有機碳分解產(chǎn)生的CO2參與土壤化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化酶為無機碳態(tài)儲存于土壤，因此土壤無機碳是喀斯特土壤碳庫的要組分之一。

目前農(nóng)業(yè)碳的研究主要集中在主產(chǎn)糧食作物中，對經(jīng)濟作物的研究較少。經(jīng)濟作物在我國農(nóng)業(yè)占有較大比例，但是缺乏喀斯特區(qū)經(jīng)濟作物根際土壤碳和酶的研究。種植多年生經(jīng)濟植物楤木，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)保護方面具有重要的作用。另外，楤木作為當(dāng)?shù)厣揭安耍?jīng)濟價值高，其嫩芽可治氣滯、食欲不振和抑制各種細菌的侵染[15]。因此，本文研究大葉型楤木和小葉型楤木兩種類型根際土壤的酶活性、有機碳、活性有機碳和無機碳進行研究。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月中旬進入雨季，雨季結(jié)束，8月進入高溫少雨時期[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)根際土壤和對照土壤根系土壤(對照為接鄰荒蕪區(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驗室，部分用于測定土壤微生物呼吸強度。其余樣品放置在室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細、過100目的土壤篩，裝入密封袋中，避光保存。用于測定土壤活性有機碳、有機碳、活性無機碳、無機碳以及土壤酶活性。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤呼吸強度測定 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，測定其CO2排放量[10]。

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

1.2.3 土壤中碳含量的測定 活性有機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，分別為活性有機碳、中活性有機碳、穩(wěn)定性有機碳[19]。土壤無機碳測定采用酸堿滴定法，重鉻酸鉀容量法測定根際土壤有機碳。

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，其次是對照，大葉型楤木根際土壤酶活性最?。淮笕~型楤木根際土壤蔗糖酶活性比對照降低20%，小葉型楤木根際土壤蔗糖酶活性比對照增加10%。土壤脲酶的變化趨勢也與蔗糖酶活性呈類似趨勢，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照組降低8.35%，小葉型楤木根際土壤脲酶活性比對照增加121.30%(圖1)。

圖1 不同楤木型根際土壤酶活性及無機碳變化

土壤纖維素酶活性在對照土壤和2種不同類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照組降低幅度在11.93%～14.24%。過氧化氫酶活性在小葉型楤木根際土壤活性最高，其次是對照組和大葉型楤木。大葉型楤木根際土壤的過氧化氫酶活性比對照組降低14.67%，小葉型楤木比對照增加6.67%。過氧化物酶活性在2種楤木根際土壤活性比對照都低，大葉型楤木比對照降低65.10%，小葉型楤木比對照降低27.47%。

2.2 不同類型楤木根際土壤碳含量

與對照組相比，根際土壤活性有機碳、中活性有機碳和穩(wěn)定性有機碳在2種不同楤木間的含量均呈增加趨勢(圖2)?；钚杂袡C碳在研究組間差異顯著(p<0.01)，大葉型楤木活性有機碳比對照增加8倍，小葉型楤木土壤活性有機碳比對照增加5.16倍。中活性有機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碳含量高于對照組；大葉型楤木比對照組增加6.69%，小葉型楤木比對照組增加2.33%。穩(wěn)定性有機碳含量在研究組間差異顯著(p<0.01)，2種楤木的穩(wěn)定性有機碳比對照高，大葉型楤木根際穩(wěn)定性有機碳增加21.86%，小葉型楤木根際穩(wěn)定性有機碳比對照增加9.78%。

圖2 不同類型楤木根際土壤有機碳

小葉型楤木根際土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)均最高，其次是大葉型楤木，對照組的最低。細菌數(shù)量在3組間為邊緣顯著(p=0.07)，2種楤木根系土壤細菌與對照相比呈增加趨勢，大葉型楤木比對照增加70.76%，小葉型楤木根際土壤細菌增加121.01%。小葉型楤木根際土壤真菌數(shù)量也比對照大，大葉型楤木根際土壤真菌數(shù)量比對照組增加34.88%，小葉型楤木根際土壤真菌比對照組增加115.70%。放線菌數(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菌數(shù)比對照組增加122.10%，小葉型楤木根際土壤放線菌比對照降低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機碳含量的增加呈負相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.67；土壤有機碳含量與微生物呼吸呈現(xiàn)邊緣顯著(p=0.06)。土壤有機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碳含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。細菌數(shù)量顯著影響到土壤微生物呼吸，相關(guān)系數(shù)為0.61，與土壤無機碳呈顯著負相關(guān)，系數(shù)為-0.76(p<0.05)。

土壤微生物呼吸隨著時間的延長而增加(圖4)，在24 h，48 h，72 h時，對照組、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間的增加在72 h和96 h與對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照組差異較小，隨著時間的增加累計呼吸間差異增加。說明不同類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菌、真菌和放線菌數(shù)量不同。這支持先前研究，不同類型植物根系微生物類群和數(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。利用高通量測序研究表明，飼料玉米和鮮食品種間根際微生物類群差異明顯[22]。甘蔗和花生的間作顯著改變根際微生物類群和微生物數(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物，如糖、氨基酸和有機酸等所導(dǎo)致。一方面，不同微生物對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)致根際營養(yǎng)物質(zhì)、pH和溶解氧等物質(zhì)的不同影響微生物類群[24]。甚至部分微生物對根系分泌物的趨同性[25]，造成微生物類群的差異。綜上述，不同類型或者不同品種農(nóng)作物分泌有機物組成差異，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。土壤酶活性主要來自土壤微生物胞外分泌物[17]。植物類型不同影響到土壤酶活性[13,26]，本研究2種類型楤木根際微生物類群細菌、真菌和放線菌差異，導(dǎo)致兩種楤木根際土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化物酶活性發(fā)生顯著變化。

微生物生長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)量大于對照，因此通過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碳含量邊緣顯著(p=0.06)。由于土壤有機碳來源于地表凋落物、植物根系分泌物和微生物[29-30]。從另外一方面說明根系土壤微生物比較活躍，提供給根系周圍微生物補充物質(zhì)較多，根系活躍提供大量的表皮凋落物等進行土壤作為土壤有機碳的補充來源。同時微生物殘體中作為土壤有機碳的補充，因此土壤有機碳和土壤碳儲量增加。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

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