氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性及微生物功能多樣性的影響

李 娜，程 楠，馬春靈，韓雅茹，陸 暉，宋麗華

氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性及微生物功能多樣性的影響

李 娜，程 楠，馬春靈，韓雅茹，陸 暉，宋麗華*

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

全球大氣溫度的不斷升高帶來(lái)大范圍的降水不平衡。為探究氣溫升高和干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性和土壤微生物的影響，以6年生靈武長(zhǎng)棗為對(duì)象，采用開頂氣室（OTC）控制大氣溫度環(huán)境和水肥一體自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)控制土壤含水量，測(cè)定了靈武長(zhǎng)棗當(dāng)年生長(zhǎng)發(fā)育期結(jié)束后樹體根區(qū)土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性和土壤微生物數(shù)量，并分析其功能多樣性。結(jié)果表明，大氣溫度升高2 ℃時(shí)顯著提高了靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性，而隨著干旱程度的加劇酶活性顯著下降，且干旱抑制了氣溫升高對(duì)酶活性的提升作用，土壤微生物數(shù)量隨著土壤酶活性的增加而增加。溫度升高2 ℃時(shí)，靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物碳源代謝活性顯著提高，干旱的加劇則降低其活性，土壤微生物 Shannon 指數(shù)、McIntosh 指數(shù)和Simpson 指數(shù)增加，而隨著干旱程度的進(jìn)一步加劇，這些指數(shù)卻出現(xiàn)減少的趨勢(shì)。六大類碳源中，糖類、酸類和氨基酸類碳源是靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落利用并轉(zhuǎn)化的主要碳源。大氣溫度升高2 ℃對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性及微生物數(shù)量均有促進(jìn)作用，并且微生物群落多樣性、活性及碳源利用率均明顯增加，而干旱則起到抑制作用。大氣溫度與干旱交互處理下，干旱緩解了氣溫升高對(duì)土壤微生物活性及其功能多樣性的影響。對(duì)土壤微生物群落代謝特征起分異作用的主要碳源類型是糖類、酸類和氨基酸類，其中以糖類最為突出。

氣溫升高；干旱；靈武長(zhǎng)棗；土壤酶；土壤微生物

IPCC第5次評(píng)估報(bào)告（Fifth assessment report, AR5）指出，根據(jù)最新的全球表面溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)集估計(jì)，1900—2017年全球陸地平均氣溫升高趨勢(shì)每100年增加（1.00±0.06）℃[1-3]。在全球氣溫升高的同時(shí)，極端天氣出現(xiàn)的頻率與之劇增。中國(guó)西北地區(qū)是我國(guó)生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)，隨著氣溫升高，空氣越來(lái)越干燥，水汽的飽和含量不斷降低，很難形成降水，使土壤干旱化趨勢(shì)更加嚴(yán)重而成為植物生長(zhǎng)的限制性因之一，從而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育[4-6]。植物對(duì)高溫與干旱協(xié)同作用的響應(yīng)機(jī)制的研究結(jié)果表明，高溫和干旱共同作用的結(jié)果比單一因子對(duì)植物直接或間接的傷害都更為嚴(yán)重[7-9]。

土壤酶是由微生物、動(dòng)植物活體分泌及動(dòng)植物殘?bào)w、遺骸分解釋放于土壤中的一類具有催化能力的生物活性物。酶促作用對(duì)于土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和礦化有著重要意義，而影響土壤酶活性的因素有很多，包括植物種類及群落、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物以及季節(jié)性變化等[10]。土壤微生物數(shù)量是直接影響土壤生化活性及肥力的重要指標(biāo)，而環(huán)境因子是驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落變化的重要因子[11]。土壤微生物對(duì)溫度和水分的響應(yīng)較同一環(huán)境中的動(dòng)、植物更敏感，能及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分及環(huán)境質(zhì)量的變化，反映出土壤的養(yǎng)分狀況，是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分質(zhì)量最有潛力的指標(biāo)[12-14]。

靈武長(zhǎng)棗（Mill cv.‘Lingwu- changzao’）是寧夏靈武特有的經(jīng)濟(jì)樹種，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，具有極其重要的種植意義，是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)收入的重要來(lái)源之一。然而，目前高溫和水分脅迫下靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性和微生物功能多樣性作用的研究較少，開展該研究對(duì)揭示靈武長(zhǎng)棗-土壤-微生物系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制有重要意義。

本試驗(yàn)通過(guò)模擬大氣溫度和干旱互作環(huán)境下，研究氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤關(guān)鍵酶(脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶)活性及作用的影響，并采用 Biolog-ECO 生態(tài)板探討氣溫升高與干旱互作對(duì)土壤微生物群落功能的差異和對(duì)碳源特異利用的情況，以期為靈武長(zhǎng)棗應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于寧夏大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)（38°47′07″ N，106°04′00″ E，海拔高度為1 116.8 m）。地處寧夏銀川市，屬西北內(nèi)陸黃河沖積平原地區(qū)，中溫帶干旱氣候區(qū)，無(wú)霜期140 ～ 160 d，年均氣溫8.5 ℃，年降雨量180 ～ 200 nm，年均日照時(shí)數(shù)3 000 h。

1.2 試驗(yàn)材料

選用寧夏特色經(jīng)濟(jì)林棗品種-靈武長(zhǎng)棗6年生嫁接苗為試驗(yàn)對(duì)象。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，大氣溫度為主處理，設(shè)置兩個(gè)水平：對(duì)照大氣溫度T1（自然環(huán)境大氣溫度）及升高的大氣溫度T2（T1+（2℃±0.5℃））；干旱水平為副處理，設(shè)置3個(gè)土壤水分水平：對(duì)照土壤供水條件D1（土壤含水量為田間最大持水量的70% ～ 75%）、D2（田間最大持水量的50% ～ 55%）和D3（田間最大持水量的30% ～ 35%）。主處理重復(fù)3次，每個(gè)主處理區(qū)內(nèi)設(shè)置3個(gè)副處理，每個(gè)副處理種植3株棗樹，每個(gè)開頂氣室種植9株6年生靈武長(zhǎng)棗幼樹（株行距為1 m×1 m）。每土壤水分水平處理3株，重復(fù)3次，共6個(gè)開頂氣室，54株棗樹。供試驗(yàn)棗樹的施肥、修剪等管理與大田管理相同；棗樹萌芽前開始升溫和干旱處理，至果實(shí)成熟采收后停止。

1.4 試驗(yàn)控制

采用自制開頂氣室（OTC）控制大氣溫度環(huán)境，開頂氣室由鋁合金框架和若干塊無(wú)色高透光玻璃組成，通過(guò)控制開頂氣室四周安裝的無(wú)色高透光玻璃數(shù)量多少以達(dá)到正常大氣溫度和升溫2 ℃的差異效果，不同梯度的大氣溫度環(huán)境分別采用3個(gè)氣室模擬試驗(yàn)控制環(huán)境。氣室內(nèi)均種植9株靈武長(zhǎng)棗，東西走向每3株設(shè)置一個(gè)土壤水分水平，每處理重復(fù)3次。

6個(gè)氣室內(nèi)每水分梯度處理均采用基于土壤含水量變化的水肥一體自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)由土壤水分傳感器、紫藤科技系列農(nóng)用溫室型多路無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備（ZWSN-C-A）、電磁閥和滴灌設(shè)備組成。在紫藤精準(zhǔn)灌溉控制器操作界面設(shè)置土壤含水量閾值，土壤含水量低于設(shè)置最小值時(shí)，電磁閥自動(dòng)打開進(jìn)行灌水，土壤含水量達(dá)到設(shè)置最大值時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉停止灌水。滴灌出水毛管每株樹2邊各插1個(gè)，以保證棗樹根系四周土壤濕度均勻一致，土壤溫濕度傳感器探頭埋入距樹干20 cm處，深度位于棗樹根系集中分布層，傳感器與紫藤精準(zhǔn)灌溉控制器（北京紫藤連線科技有限公司）連接，移動(dòng)端可實(shí)時(shí)手機(jī)APP監(jiān)測(cè)，以保證電磁閥等控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。每株棗樹之間地下根系四周及底部采用耐熱板隔離以防土壤水分干擾，底部打孔若干用于排水，氣室上方50 cm高處加高透光材料 PC-陽(yáng)光板防雨棚，以防降雨影響土壤含水量，具體見圖1。

A：開頂氣室；B：多路無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備；C：精準(zhǔn)灌溉控制器；D：自動(dòng)灌溉電磁閥。

Figure 1 Instruments and equipment in the experimental field

1.5 土樣采集與處理

采樣時(shí)間：靈武長(zhǎng)棗果實(shí)采收后；采樣深度：樹冠投影范圍下深度約40 cm左右。

采樣方法：每個(gè)處理內(nèi)每重復(fù)采用五點(diǎn)法采樣之后混合進(jìn)行測(cè)定。

1.6 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤相關(guān)酶活性的測(cè)定：堿性磷酸酶，磷酸苯二鈉比色法；過(guò)氧化氫酶，高錳酸鉀測(cè)定法；脲酶，苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定；轉(zhuǎn)化酶，采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定。

土壤微生物數(shù)量測(cè)定采用稀釋平板涂布法。

土壤微生物碳源代謝特征的測(cè)定采用Biolog-ECO微平板法[15-16]。

1.7 數(shù)據(jù)處理

微生物代謝強(qiáng)度用孔的平均顏色變化率( average well color development，AWCD)[17]表示：

= Σ(﹣)/31 （1）

Shannon指數(shù)= 1-∑(ln) （2）

Simpson指數(shù)= 1-∑2（3）

Mc Intosh多樣性指數(shù)= ∑()2（4）

式（1）—（4）中：表示每種碳源孔的OD值；表示對(duì)照孔的OD值；表示第個(gè)非對(duì)照孔中的吸光值與所有非對(duì)照孔吸光值總和的比值[18]。

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用 Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)計(jì)算，采用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行方差分析，并用Duncan 法（= 0.05）進(jìn)行多重比較，利用Excel和Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步的處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度及水分控制結(jié)果

由圖2可知，試驗(yàn)溫度和水分控制自4月份靈武長(zhǎng)棗萌芽前開始，到10月份結(jié)束。在此期間，升溫處理（T2）與常溫處理（T1）具有相同的變化趨勢(shì)，溫差在1.95 ～ 2.05 ℃之間。正常土壤供水條件（D1）土壤含水量預(yù)設(shè)值為19.0% ～ 20.0%，實(shí)際波動(dòng)值為19.0% ～ 20.2%；中度干旱水平（D2）土壤含水量預(yù)設(shè)值為14.0% ～ 15.0%，實(shí)際波動(dòng)值為13.7% ～ 14.8%；重度干旱水平（D3）土壤含水量預(yù)設(shè)值為8.0% ～ 9.0%，實(shí)際波動(dòng)值為8.2% ～ 9.3%。由此可見，對(duì)于大氣溫度和土壤含水量控制均達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖2 溫度環(huán)境、干旱水平土壤含水量動(dòng)態(tài)變化分析

Figure 2 Analysis on the dynamic change of soil water content in temperature environment and drought level

表1 試驗(yàn)處理下土壤酶活性的方差分析（P值）

注：*表示差異在0.05顯著，**表示差異在0.01水平顯著。下同。

不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。下同。

Figure 3 The interaction of atmospheric temperature increase and drought on soil enzyme activities in the root zone of ‘Lingwuchangzao’

表2 試驗(yàn)處理下微生物數(shù)量的方差分析（P值）

2.2 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性的影響

由表1和圖3可以看出：在靈武長(zhǎng)棗成熟期時(shí)，氣溫升高對(duì)根區(qū)土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和過(guò)氧化氫酶活性的影響均呈極顯著差異（= 0.000 < 0.01），在不同干旱處理下，土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和過(guò)氧化氫酶活性在氣溫升高環(huán)境下均高于常溫環(huán)境，說(shuō)明氣溫升高提高了酶活性；不同干旱對(duì)土壤脲酶活性和過(guò)氧化氫酶活性的影響呈顯著差異（脲酶= 0.030 < 0.05，過(guò)氧化氫酶= 0.033 < 0.05），對(duì)堿性磷酸酶活性呈極顯著差異（堿性磷酸酶= 0.000 < 0.01）。由圖3還可以看出，在常溫和升溫環(huán)境處理下，隨著干旱的加劇，根區(qū)土壤酶活性從大到小均呈現(xiàn)為：正常土壤供水>中度干旱>重度干旱，說(shuō)明正常土壤供水更有利于提升靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性。

由表1可知，溫度和干旱的交互作用只對(duì)堿性磷酸酶活性有顯著影響（堿性磷酸酶= 0.040 < 0.05）。在成熟期，正常氣溫環(huán)境下的干旱處理使堿性磷酸酶活性分別減少43.2%和57.1%，氣溫升高與干旱互作處理使堿性磷酸酶活性分別減少30.4%和71.0%，說(shuō)明氣溫升高加劇干旱對(duì)堿性磷酸酶活性的抑制作用。

圖4 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

Figure 4 The effect of the interaction of atmospheric warming and drought on the number of soil microorganisms in the root zone of ‘Lingwuchangzao’

圖5 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物AWCD的變化

Figure 5 Changes of soil microbial AWCD in the root zone of ‘Lingwuchangzao’ by the interaction of atmospheric warming and drought

2.3 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

由表2和圖4可以看出，在靈武長(zhǎng)棗成熟期時(shí)，大氣溫度對(duì)根區(qū)土壤細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量、放線菌數(shù)量和總菌數(shù)量的影響均無(wú)顯著差異，在不同干旱處理下，真菌數(shù)量在氣溫升高環(huán)境下高于常溫環(huán)境，說(shuō)明氣溫升高提高了靈武長(zhǎng)棗根區(qū)真菌的數(shù)量，而細(xì)菌和放線菌的數(shù)量在氣溫升高環(huán)境下低于常溫環(huán)境，說(shuō)明氣溫升高減少了靈武長(zhǎng)棗根區(qū)細(xì)菌和放線菌的數(shù)量。不同干旱對(duì)根區(qū)土壤細(xì)菌、放線菌和總菌的數(shù)量影響均呈極顯著差異（細(xì)菌= 0.000 < 0.01，放線菌= 0.003 < 0.01，總菌= 0.002 < 0.01），對(duì)真菌的數(shù)量影響呈顯著性差異（真菌= 0.025 < 0.05）。由圖4還可以看出，在常溫和升溫環(huán)境處理下，隨著干旱的加劇，根區(qū)土壤微生物數(shù)量從大到小均呈現(xiàn)為：正常土壤供水>中度干旱>重度干旱，說(shuō)明正常土壤供水更有利于提升靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物數(shù)量。

2.4 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物功能多樣性的影響

2.4.1 對(duì)微生物群落代謝活性的影響 AWCD值體現(xiàn)了微生物群落對(duì)碳源利用的總體狀況。由圖5可知：同一大氣溫度處理下的AWCD值隨干旱程度的增加而逐漸增大；同一干旱處理下的AWCD隨溫度升高而減小。不同處理下根區(qū)土壤AWCD值隨著時(shí)間的增加而不斷升高，而且呈“S”型趨勢(shì)變化，均在24 h內(nèi)緩慢增加；24 ～ 96 h迅速增加，表明在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，24 h后土壤中的微生物對(duì)31種碳源開始利用；96 h后增加速度減慢，逐漸呈平緩狀態(tài)遞增。對(duì)比處理的AWCD值發(fā)現(xiàn)，大氣溫度升高2 ℃的靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落對(duì)底物碳源的總體利用能力最強(qiáng)，正常水分處理下的靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落對(duì)底物碳源的總體利用能力最強(qiáng)。

表3 土壤微生物功能多樣性指數(shù)

注：同一列不同小寫字母表示差異顯著（＜0.05）。下同。

表4 Biology ECO板碳源位置及代號(hào)

圖6 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落對(duì)碳源的利用能力

Figure 6 The interaction of atmospheric warming and drought on the carbon source utilization capacity of soil microbial communities in the root zone of ‘Lingwuchangzao’

圖7 氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物碳源利用的主成分分析

Figure 7 Principal component analysis of the interaction of atmospheric warming and drought on the soil microbial carbon source utilization in the root zone of ‘Lingwuchangzao’

2.4.2 對(duì)微生物群落功能多樣性指數(shù)的影響 多樣性指數(shù)越大，表明土壤微生物群落多樣性越高。由表3可知，不同處理之間土壤微生物群落代謝活性差異顯著，對(duì)碳源利用能力的順序?yàn)門1D1＞T2D1＞T1D2＞T2D2＞T1D3＞T2D3。而土壤微生物物種豐富度 Shannon 指數(shù)為T1D1＞T2D1＞T1D2＞T2D2＞T1D3＞T2D3，T1D1相比于T2D1差異不顯著。優(yōu)勢(shì)度Simpson 指數(shù)均為T1D1＞T2D1＞T2D2＞T1D2＞T2D3＞T1D3 ，T1D1相比于T2D1差異不顯著，且T1D2、T1D3和T2D2 3個(gè)處理間也未表現(xiàn)顯著差異。McIntosh 指數(shù)為T2D1＞T2D2＞T1D1＞T1D2＞T2D3＞T1D3。以上結(jié)果表明，大氣溫度升高2 ℃處理下的靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落多樣性顯著高于正常大氣溫度，干旱程度的加深會(huì)降低靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落多樣性。

2.4.3 微生物群落碳代謝指紋圖譜分析 Biolog-ECO微平板上31種碳源，分屬于6大類碳源，分別為糖類、氨基酸類、酯類、醇類、酸類和胺類。如圖6所示，氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物對(duì)不同碳源吸光率不同，但靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤均表現(xiàn)出對(duì)氨基酸類和酯類碳源利用的偏好性，占總碳原利用率的23.55% ～ 28.51%和17.68% ～ 23.89%；而對(duì)糖類表現(xiàn)較低的利用能力，占總碳原利用率的5.24% ～ 11.98%。與常溫大氣環(huán)境相比，升高2 ℃時(shí)，土壤對(duì)胺類及酸類碳源具有更好的利用偏好性，分別占總碳原利用率的10.19% ～ 12.47%和25.33% ～ 27.61%；與輕度干旱處理相比，中度干旱處理的土壤對(duì)胺類及酸類碳源具有更好的利用偏好性，分別占總碳原利用率的8.62% ～ 12.47%和21.62% ～ 30.09%；重度干旱處理的土壤對(duì)糖類及酯類碳源具有更好的利用偏好性，分別占總碳原利用率的5.24% ～ 11.98%和17.68% ～ 23.89%。

表5 碳源主成分荷載因子

2.4.4 微生物群落代謝多樣性類型主成分分析 為進(jìn)一步探討氣溫升高與干旱互作對(duì)靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物碳源利用變化情況，微生物培養(yǎng)96 h后，對(duì)測(cè)定的AWCD數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA），共提取了5個(gè)主成分，其中前3個(gè)主成分方差貢獻(xiàn)率為：49.2%、17.2%和14.2%，累積方差貢獻(xiàn)率為80.6%。提取前3個(gè)主成分作PCA圖(圖7)，以表征各組微生物群落碳源代謝特征。

表4列出了31種碳源與3個(gè)主成分之間的相關(guān)系數(shù)。從表4中可看出，微生物代謝基質(zhì)主成分1相關(guān)系數(shù) 0.80 以上的基質(zhì)有21種，其中糖類相關(guān)系數(shù) 0.80，占糖類總數(shù)71.4％，氨基酸類100.0％，酯類50.0％，醇類66.7％，胺類33.3％，酸類62.5％；主成分2相關(guān)系數(shù) 0.80以上的基質(zhì)有15種，其中糖類、氨基酸類、酯類、醇類、胺類和酸類分別為42.9％、33.3％、50.0％、16.7％、33.3％和75.0％；主成分3相關(guān)系數(shù) 0.80以上的基質(zhì)有8種，其中糖類、氨基酸類、酯類、醇類、胺類和酸類分別為28.6％、16.7％、25.0％、33.3％、33.3％和12.5％。

由圖7和表5可以看出，正軸方向分布的T1D2碳源利用主要為糖類、氨基酸類和酸類。以上結(jié)果表明，對(duì)土壤微生物群落代謝特征起分異作用的主要碳源類型是糖類、酸類和氨基酸類，其中以糖類最為突出。

表6 土壤酶活性與微生物數(shù)量相關(guān)性分析

2.5 氣溫升高與干旱互作下靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性與微生物數(shù)量相關(guān)性分析

由表6可知，試驗(yàn)處理后靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物數(shù)量與不同酶活性具有一定相關(guān)性。其中細(xì)菌數(shù)量與轉(zhuǎn)化酶具有顯著正相關(guān)性(< 0.05)，真菌和總菌數(shù)量與脲酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶及過(guò)氧化氫酶均呈顯著正相關(guān)性(< 0.05)或極顯著正相關(guān)(< 0.01)，而放線菌數(shù)量與酶活性無(wú)顯著相關(guān)性。表明在一般情況下，酶活性含量越高，土壤微生物數(shù)量和微生物群落多樣性越豐富。

3 討論與結(jié)論

土壤酶是土壤中的生物催化劑，參與土壤中的某些無(wú)機(jī)物的氧化與還原、動(dòng)植物殘?bào)w的分解及其合成有機(jī)化合物的水解與轉(zhuǎn)化以及腐殖物質(zhì)的合成與分解。土壤酶活性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要生物指標(biāo), 起到不可缺少的作用[19]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤酶活性對(duì)溫度和水分的變化均有不同程度的響應(yīng)，其中相對(duì)于正常大氣溫度而言，升高2 ℃左右的大氣溫度提高了土壤酶活性，但隨著干旱的加劇，酶活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。高麗莉等[20]模擬增溫顯著增加了小麥根區(qū)土壤呼吸和土壤酶活性，增加了處理下土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性，這與本試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。可能因?yàn)橄噍^于正常大氣溫度來(lái)說(shuō)，升高2 ℃更適宜靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶的生存[21]。王梓軒[22]在對(duì)甘蔗的研究中證明根際土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、酸性磷酸酶和酸性蛋白酶含量在干旱脅迫下均發(fā)生了下降；楊昌鈺等[23]在對(duì)葡萄的研究中發(fā)現(xiàn)中度和輕度水分脅迫對(duì)葡萄全生育期根際土壤過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著性影響，而對(duì)果實(shí)膨大期和著色成熟期的脲酶、蔗糖酶含量均呈現(xiàn)不同程度的抑制效果，這同樣與本試驗(yàn)結(jié)論具有一致性。這可能因?yàn)楦H土壤狀況因水分含量的減少變?yōu)閰捬跣臀⒂?，?dǎo)致底物擴(kuò)散和氧氣含量的限制使脲酶和蔗糖酶的活性受到抑制。

Biolog-ECO平板中的AWCD值反映了微生物群落利用不同單一碳源的整體能力和偏好，在碳源種類相同的條件下，對(duì)不同微生物利用碳源情況進(jìn)行比較，可以反映出不同處理下靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物對(duì)不同類型碳源的利用強(qiáng)度存在差異。AWCD值越大，微生物活性越高，AWCD值由大到小的處理依次為：T1D1、T2D1、T1D2、T2D2、T1D3和T2D3，即大氣溫度升高2 ℃左右時(shí)，相較于大氣常溫環(huán)境下，其微生物活性更高，而隨干旱程度加重，微生物活性受到抑制。周桂香等[24]研究了不同溫度(15、25和35 ℃)和水分（40%、70%和90%田間持水量）條件下小麥和玉米秸稈腐解過(guò)程中微生物碳源代謝多樣性的差異，結(jié)果表明不同處理的AWCD隨培育溫度升高而降低。本試驗(yàn)中，氣溫升高2 ℃相較于正常大氣溫度環(huán)境下，其微生物總體活性更高，結(jié)果具有一致性。這可能是因?yàn)椴煌⑸锶郝溆兄涮囟ǖ臏囟冗m應(yīng)范圍, 土壤微生物呼吸溫度會(huì)隨著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生變化[25]。劉亞軍等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)組土壤微生物平均光密度值（AWCD）在處理的第72天是干燥組3.95倍；張超宇等[26]在研究中也證實(shí)了高水分處理下（白漿土相對(duì)含水量為80%），物種豐富度指數(shù)、AWCD值和碳源利用豐富度指數(shù)最高。本試驗(yàn)中，隨著干旱的加深，靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物的物種豐富度指數(shù)、AWCD值和碳源利用豐富度指數(shù)下降。有研究表明，水分含量與AWCD值呈顯著正相關(guān)[27-28]，但本研究中各處理間AWCD值差異不顯著，一方面可能是由于本研究中溫度處理間設(shè)置差值只有2 ℃，差異較??；另一方面，水分對(duì)AWCD值的強(qiáng)烈影響會(huì)在一定程度上掩蓋溫度對(duì)AWCD值的影響，具體還有待于進(jìn)一步研究證實(shí)。

與正常大氣溫度相比，氣溫升高2 ℃左右時(shí)，靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤酶活性和根區(qū)土壤微生物數(shù)量均有提高；隨著干旱程度的加劇，根區(qū)土壤酶活性和根區(qū)土壤微生物數(shù)量則下降。對(duì)土壤酶活性與微生物數(shù)量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤微生物數(shù)量隨著土壤酶活性的增加而增加。

氣溫升高2 ℃環(huán)境下，土壤微生物群落對(duì)31種碳源的平均利用率和4種多樣性指數(shù)均最高，但隨著干旱程度的加劇，土壤微生物碳源的平均利用率減弱。升溫處理后靈武長(zhǎng)棗根區(qū)土壤微生物群落對(duì)氨基酸類、糖類和酸類碳源利用率較高，其中以糖類最為突出。

[1] DUAN H L, DUURSMA R A, HUANG G M, et al. Elevated CO2does not ameliorate the negative effects of elevated temperature on drought-induced mortality inseedlings[J]. Plant Cell Environ, 2014, 37(7): 1598-1613.

[2] WAY D A, OREN R, KRONER Y. The space-time continuum: the effects of elevated CO2and temperature on trees and the importance of scaling[J]. Plant Cell Environ, 2015, 38(6): 991-1007.

[3] 嚴(yán)中偉, 丁一匯, 翟盤茂, 等. 近百年中國(guó)氣候變暖趨勢(shì)之再評(píng)估[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2020, 78(3): 370-378.

[4] 任國(guó)玉, 袁玉江, 柳艷菊, 等. 我國(guó)西北干燥區(qū)降水變化規(guī)律[J]. 干旱區(qū)研究, 2016, 33(1): 1-19.

[5] KRONER Y, WAY D A. Carbon fluxes acclimate more strongly to elevated growth temperatures than to elevated CO2concentrations in a northern conifer[J]. Glob Chang Biol, 2016, 22(8): 2913-2928.

[6] 張麗萍, 張銳波. 全球氣候變化趨勢(shì)下西北生態(tài)環(huán)境建設(shè)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J]. 水土保持研究, 2003, 10(4): 120-123.

[7] http://www.nxforestry.gov.cn/show.asp?ID=7457&ClassID=34.

[8] 王惠聰, 黃旭明, 胡桂兵, 等. 荔枝果皮花青苷合成與相關(guān)酶的關(guān)系研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 37(12): 2028-2032.

[9] 楊喜盟. 氣溫升高與干旱脅迫對(duì)靈武長(zhǎng)棗果實(shí)糖分積累與著色的影響[D]. 銀川: 寧夏大學(xué), 2019.

[10] 黃劍. 生物炭對(duì)土壤微生物量及土壤酶的影響研究[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2012.

[11] 肖玲. 土壤微生物和酶對(duì)大氣CO2濃度與溫度升高的響應(yīng)[D]. 成都: 中國(guó)科學(xué)院研究生院(成都生物研究所), 2006.

[12] 劉磊, 李彩鳳, 郭廣昊, 等. NaCl+Na2SO4脅迫對(duì)甜菜根際土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2016, 30(10): 2033-2040.

[13] KARBIN S, GUILLET C, KAMMANN C I, et al. Effects of long-term CO2enrichment on soil-atmosphere CH4fluxes and the spatial micro-distribution of methanotrophic bacteria[J]. PLoS One, 2015, 10(7): e0131665.

[14] 王雪琳, 劉金福, 何中聲, 等. 格氏栲林窗土壤微生物群落功能多樣性季節(jié)動(dòng)態(tài)特征[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 42(7): 77-88.

[15] 劉亞軍, 蔡潤(rùn)發(fā), 李赟璟, 等. 濕地土壤微生物碳源代謝活性對(duì)不同水分條件的動(dòng)態(tài)響應(yīng): 以鄱陽(yáng)湖為例[J]. 土壤, 2018, 50(4): 705-711.

[16] 張杰, 胡維, 劉以珍, 等. 鄱陽(yáng)湖濕地不同土地利用方式下土壤微生物群落功能多樣性[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(4): 965-971.

[17] GARAU G, CASTALDI P, SANTONA L, et al. Influence of red mud, zeolite and lime on heavy metal immobilization, culturable heterotrophic microbial populations and enzyme activities in a contaminated soil[J]. Geoderma, 2007, 142(1/2): 47-57.

[18] WEI Y, YU L F, ZHANG J C, et al. Relationship between vegetation restoration and soil microbial characteristics in degraded Karst regions: a case study[J]. Pedosphere, 2011, 21(1): 132-138.

[19] 劉朝陽(yáng). 我國(guó)典型農(nóng)田土壤酶和有機(jī)碳分解對(duì)升溫的響應(yīng)及機(jī)理探究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2020.

[20] 高麗莉, 李鳳丹. 模擬增溫對(duì)小麥生長(zhǎng)、土壤酶活性和呼吸的影響[J]. 水土保持研究, 2019, 26(6): 359-363, 371.

[21] 劉水. 土壤酶活性影響因子綜述[J]. 北京農(nóng)業(yè), 2014(21): 249.

[22] 王梓軒. 干旱脅迫下不同品種甘蔗根際土壤環(huán)境差異性研究[D]. 南寧: 廣西大學(xué), 2020.

[23] 楊昌鈺, 張芮, 藺寶軍, 等. 水分脅迫對(duì)設(shè)施延遲栽培葡萄根際土壤有機(jī)氮及土壤酶活性的影響[J]. 干旱區(qū)研究, 2021, 38(5): 1376-1384.

[24] 周桂香, 陳林, 張叢志, 等. 溫度水分對(duì)秸稈降解微生物群落功能多樣性影響[J]. 土壤, 2015, 47(5): 911-918.

[25] 王杰, 李剛, 修偉明, 等. 貝加爾針茅草原土壤微生物功能多樣性對(duì)氮素和水分添加的響應(yīng)[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(4): 343-350.

[26] 張超宇, 程林, 韓梅, 等. 不同水分處理對(duì)白漿參地土壤微生物群落功能多樣性和土壤狀況的影響[J]. 北方園藝, 2017(17): 132-138.

[27] 王蕓, 歐陽(yáng)志云, 鄭華, 等. 中國(guó)亞熱帶典型天然次生林土壤微生物碳源代謝功能影響因素[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(6): 1839-1845.

[28] 米亮, 王光華, 金劍, 等. 黑土微生物呼吸及群落功能多樣性對(duì)溫度的響應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(6): 1485-1491.

Soil enzyme activity and microbial functional diversity in root zone ofMill cv. ‘Lingwuchangzao’ under the interaction of elevated temperature and drought

LI Na, CHENG Nan, MA Chunling, HAN Yaru, LU Hui, SONG Lihua

(School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021)

The increasing global atmospheric temperature has brought about large-scale of precipitation imbalance. In order to explore the effect of temperature rise and drought on soil enzyme activity and soil microorganism in the root zone of ‘Lingwuchangzao’, 6-year-old ‘Lingwuchangzao’ plants were used, taking an open-top-chamber (OTC) to control the air temperature, the automatic irrigation control system and the soil water level, the activities of soil urease, invertase, alkaline phosphatase, catalase and the number of soil microorganisms in the root zone of ‘Lingwuchangzao’ were measured after the growth development period of the same year, and the functional diversity were analyzed. The results showed that the soil enzyme activities in root zone of ‘Lingwuchangzao’ were significantly increased by elevated air-temperature of 2 ℃, but which were decreased with the aggravation of drought degree, and drought inhibited the improvement of soil enzyme activities by increasing of the air temperature. The number of soil microorganisms was increased with the increase of soil enzyme activity. When the air temperature was increased by 2 °C, the metabolic activity of soil microbial carbon source in the root zone of ‘Lingwuchangzao’ was significantly increased. However, the activity was decreased with the aggravation of drought, and the Shannon index, McIntosh index and Simpson index were increased, while the indexes tended to decrease with the aggravation of drought. Among the six types of carbon sources, carbohydrates, acids and amino acids carbon were the main cabon sources used and transformed by the soil microbial community in the root zone of ‘Lingwuchangzao’. The increase of air temperature by 2 °C promoted the activities of soil enzymes and microbial population, and the diversity, activity and carbon source utilization of microbial community were increased significantly, while drought inhibited the activities. Under the interaction of air temperature and drought, drought alleviated the effects of temperature increase on the soil microbial activity and functional diversity. Carbohydrate, acid and amino acid were the main carbon sources that differentiated the metabolic characteristics of soil microbial community, and carbohydrate was the most prominent.

elevated temperature; drought;Mill cv. ‘Lingwuchangzao’; soil enzyme; soil microorganism

S665.106.1

A

1672-352X (2023)02-0326-09

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230511.018

2023-05-12 10:26:21

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20230511.1337.036.html

2022-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金（32160360）資助。

李 娜，碩士研究生。E-mail：2456769411@qq.com

通信作者:宋麗華，教授。 E-mail：slh382@126.com