沙柳沙障腐爛過程對土壤微生物生物量及酶活性的影響

梁鈺鎂，高 永，王瑞東，段曉婷，郭 鑫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010020)

土壤微生物生物量及酶活性在陸地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用，是土壤有機(jī)質(zhì)分解的關(guān)鍵因子。在沙柳沙障的腐爛分解過程中土壤微生物能夠分泌并釋放大量不同功能的催化酶，促使障體碳的分解與轉(zhuǎn)化，而酶活性的大小反過來又能夠表示土壤微生物活性的強(qiáng)弱與土壤演變過程發(fā)生的方向。在許多生態(tài)系統(tǒng)中，通常由多種酶來共同響應(yīng)生物代謝過程。脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性可以分別作為調(diào)控土壤氮動態(tài)、反映碳循環(huán)強(qiáng)度與速度及表征有機(jī)磷礦化和生物活性的指標(biāo)。此外，土壤微生物生物量是有機(jī)質(zhì)中最活躍的組分，微生物生物量碳、氮分別是土壤中活躍的碳庫和氮庫，微生物生物量碳主要表征有機(jī)物在分解過程中活體微生物的生物量大小及數(shù)量，而微生物生物量氮是反映微生物在有機(jī)物的腐爛分解過程中氮利用特性的重要指標(biāo)。

沙柳沙障是我國西北干旱區(qū)荒漠化防治領(lǐng)域中廣為采用的半隱蔽式機(jī)械沙障，運(yùn)用平茬的沙柳枝條設(shè)置為多種規(guī)格的沙障形式以改變過境風(fēng)沙流的速度和方向。然而，長期受到沙埋環(huán)境的影響，障體穩(wěn)定沙埋部因水分波動及分布不均容易引起頻繁膨脹和收縮，同時陰暗較潮濕的環(huán)境為土壤微生物活動及分解障體有機(jī)質(zhì)提供了有利條件，從而導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和功能受損。以往的學(xué)者大多側(cè)重于沙柳沙障大氣暴露段的相關(guān)研究，表明其能夠改變風(fēng)速流場并增加沙丘表層土壤細(xì)顆粒物質(zhì)和土壤有機(jī)碳，能夠改變土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。近來，部分學(xué)者開始關(guān)注沙柳沙障沙埋部的分解特征及降解規(guī)律，研究表明，沙柳沙障在分解過程中質(zhì)量損失率增加，木質(zhì)纖維素等化學(xué)成分降低，且隨腐爛程度的增加，真菌群落物種數(shù)量及多樣性增大，群落結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。然而，在沙柳沙障腐爛過程中與土壤微生物密切相關(guān)的酶活性和土壤微生物生物量的研究尚顯不足，且二者與土壤基本性質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系尚不明確。

基于此，本研究以鋪設(shè)10年為沙柳沙障的腐爛期限，分別選取了1～10年的10塊樣地為研究對象，采用野外原位取樣和室內(nèi)指標(biāo)測定的方法，分析沙柳沙障腐爛過程對土壤微生物生物量碳、氮和磷以及酶活性的影響，同時結(jié)合土壤基本理化性質(zhì)，運(yùn)用生態(tài)學(xué)多元數(shù)據(jù)排序手段，揭示沙柳沙障腐爛過程中土壤微生物生物量和酶活性與環(huán)境因子的相互關(guān)系，對明晰沙柳沙障分解特征及荒漠生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)過程具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)境內(nèi)(40°36′N，108°42′E)。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，高空常年受西風(fēng)環(huán)流控制，近地面受季風(fēng)環(huán)流的影響。夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥，年均降水量258.3 mm，集中于7—8月，年均日照時間為3 193 h，年均氣溫6.1 ℃，平均風(fēng)速4.4 m/s，年風(fēng)沙活動天數(shù)為45～75天，主要集中在3—5月。地貌類型為流動沙丘、半流動沙丘及固定沙丘。植被類型主要包括：沙柳()、油蒿()、檸條錦雞兒()、沙米()等。由于受到荒漠地區(qū)大風(fēng)或沙塵暴等極端天氣的影響，該地區(qū)穿沙公路兩側(cè)均采用半隱蔽式沙柳沙障控制過境流沙。

1.2 土壤樣品采集

樣品采集于2021年5月下旬，試驗(yàn)區(qū)均位于庫布齊沙漠(獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)境內(nèi))的穿沙公路兩側(cè)，地勢皆平緩且受到外界相近的自然因素。樣地分別選取鋪設(shè)1～10年、規(guī)格均為1 m×1 m的沙柳沙障10塊樣地。每塊樣地以“S”形線上選取間隔為5 m的3個障格，每個障格的每條障邊上(東、西、南、北)等間距選取2根(直徑為(1.8±0.02)cm，沙埋深度約為20 cm)沙柳沙障枝條，依次采集其周圍的土壤樣品，每個障格共計(jì)取樣8處。具體操作方法為：將單枝沙柳沙障取出后，首先使用已滅菌處理的刷子將(20±1)cm處的覆土清刷并采集，然后使用滅菌小鏟取其周圍1 cm厚度的覆土，每個障格中以“8個點(diǎn)”采集的沙障周圍土樣充分混勻?yàn)?個樣品，每組共計(jì)3個重復(fù)，分別裝入無菌密封袋中，編號并標(biāo)記，置于4 ℃冷藏箱中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。去除土樣中殘留根系、礫石等雜質(zhì)物后，使用2 mm土篩過篩處理。將過篩后的土樣等分為2份：一份為新鮮樣品，用于土壤微生物生物量碳、氮和磷含量以及土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性的測定；另一份自然陰干后，進(jìn)行土壤理化指標(biāo)測定。

1.3 土壤基本性質(zhì)測定及分析

土壤pH使用便攜式pH計(jì)測定，在105 ℃條件下采用烘干法測定土壤含水率，采用解堿擴(kuò)散法測定土壤堿解氮含量，土壤速效磷與速效鉀含量分別采用0.5 mol/L NaHCO法與火焰光度法測定。土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定，土壤總碳與全氮含量分別采用重鉻酸鉀氧化法和全自動凱氏半微量定氮儀(FOSS2200)測定。此外，土壤C∶N采用總碳與全氮含量的比值來表示；C∶P采用總碳與全磷含量的比值來表示；N∶P采用全氮與全磷含量的比值來表示。

1.4 土壤微生物生物量及酶活性測定

土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L KSO浸提法，分別使用碳—自動分析儀(Phoenix 8000)與流動注射分析儀(FIAStar 5000)測定有機(jī)碳和有機(jī)氮的含量。土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L NaHCO浸提法測定，使用分光光度計(jì)(UV8500Ⅱ型)在880 nm波長下比色。以熏蒸與未熏蒸的土壤樣品中有機(jī)碳、氮和磷含量的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)，系數(shù)、和取值分別為0.45，0.45和0.40。

土壤蔗糖酶(Suc)活性采用3，5—二硝基比色法測定，以24 h后1 g土壤生成的葡萄糖的毫克數(shù)(mg)表示蔗糖酶活性；堿性磷酸酶(APh)采用磷酸苯二鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中釋放出來的酚的毫克數(shù)(mg)表示堿性磷酸酶活性；脲酶(Ure)活性運(yùn)用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH—N的毫克數(shù)(mg)表示土壤脲酶活性。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行土壤基本性質(zhì)、土壤微生物生物量碳氮磷及酶活性的單因素方差分析(One-way ANOVA)，并使用Duncan法進(jìn)行組間顯著性差異檢驗(yàn)(顯著水平為0.05)；運(yùn)用GraphPad Prism 8.0軟件進(jìn)行折線圖、柱狀圖及小提琴圖的繪制；采用Canoco 5.0軟件以土壤微生物生物量碳氮磷及酶活性作為響應(yīng)變量，土壤物理化學(xué)基本性質(zhì)作為解釋變量進(jìn)行RDA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)的變化特征

沙柳沙障的腐爛分解對荒漠生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的循環(huán)與補(bǔ)給起著十分重要的作用。從表1可以看出，隨鋪設(shè)時間的增加，土壤中的C∶N與C∶P整體呈現(xiàn)上升趨勢，10年土壤中的C∶N最大，約為1年的16.14倍，而C∶P在9年達(dá)到最大值，較1年增加2.86倍；N∶P含量整體呈下降趨勢，沙柳沙障鋪設(shè)10年后下降83.96%。土壤速效鉀與含水率隨鋪設(shè)時間的增加呈先上升后下降的趨勢，均于7年達(dá)到最大，分別為1年的1.39，2.73倍。土壤堿解氮含量變化介于1.84～3.74 mg/kg，沙柳沙障鋪設(shè)的前4年各分組之間的土壤堿解氮含量均無顯著性差異(>0.05)，但與6～10年的5個分組之間均具有顯著性(<0.05)。土壤速效磷含量變化介于1.30～2.15 mg/kg，整體呈先降低后增加的趨勢，1年的速效磷含量最大(2.15 mg/kg)，與9年無顯著性差異(2.02 mg/kg，>0.05)，但與其他各組含量均存在顯著性(<0.05)。

表1 不同鋪設(shè)年限沙柳沙障周圍土壤理化性質(zhì)

2.2 土壤微生物生物量碳、氮、磷的變化特征

隨著沙柳沙障腐爛程度的加劇，障體周圍土壤中的微生物生物量發(fā)生規(guī)律性變化。由圖1a和圖1b可知，土壤MBC的變化范圍為25.80～68.93 mg/kg，土壤MBN的變化范圍為4.62～10.08 mg/kg。MBC與MBN的變化均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，7年的沙柳沙障土壤MBC(68.93 mg/kg)和MBN(10.08 mg/kg)均顯著高于其他各組(<0.05)，但沙柳沙障鋪設(shè)后前4年的各組之間MBN均無顯著性差異(>0.05)，7年土壤的MBC與MBN分別是1年的2.67，2.18倍。由圖1c可知，土壤MBP整體呈先波動式緩慢增長后急劇降低的趨勢，7年的沙柳沙障土壤MBP(9.30 mg/kg)最大，為1年的1.43倍。由小提琴圖(圖1d)中的土壤MBC、MBN和MBP的分布特征可知，沙柳沙障鋪設(shè)10年的過程中，對土壤MBC的影響最大，且對MBN的影響最小。

注：圖中不同字母表示同一指標(biāo)在不同鋪設(shè)年限之間存在顯著性差異(P<0.05)。下同。

2.3 土壤酶活性的變化規(guī)律

不同鋪設(shè)年限的沙柳沙障周圍土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律(圖2)。脲酶與蔗糖酶活性隨鋪設(shè)時間的增加整體呈先下降后上升再下降趨勢，而堿性磷酸酶活性呈先上升后下降趨勢。由圖2a可知，脲酶活性的變化范圍為4.97～11.94 mg/(g·d)，1年的脲酶活性最大，且與其他各組均存在顯著性差異(<0.05)；5年的脲酶活性最小，較1年降低58.38%。由圖2b可知，蔗糖酶活性的變化范圍為0.21～1.78 mg/(g·d)，1年的蔗糖酶活性最大，且與其他各組均具有顯著性差異(<0.05)，10年的脲酶活性最小，較1年降低88.20 %。由圖2c可知，1年的堿性磷酸酶活性最小(0.013 mg/(g·d))，而6年的活性最大(0.045 mg/(g·d))，其值為1年的3.46倍，6年的堿性磷酸酶活性顯著大于其他各組(<0.05)。

圖2 不同鋪設(shè)年限沙柳沙障周圍土壤酶活性的動態(tài)變化規(guī)律

2.4 土壤微生物生物量與酶活性變化的RDA分析

采用冗余分析方法(redundancy analysis, RDA)探究沙柳沙障腐爛過程土壤微生物生物量及酶活性變化與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系。由表2可知，4個排序軸可累積解釋土壤環(huán)境因子與微生物量及酶活性變化關(guān)系的80.50%。其中，RDA1特征值為77.56%，RDA2特征值為1.59%，前2個排序軸可累積解釋變化關(guān)系的79.15%。蒙特卡洛檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤環(huán)境因子與微生物生物量及酶活性變化具有顯著相關(guān)性(<0.05)，即存在空間上的有序關(guān)系。

表2 土壤環(huán)境變量解釋的RDA分析結(jié)果

由圖3可知，土壤速效鉀、含水率、堿解氮、C∶P、C∶N及pH與RDA1軸呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.848 8，-0.818 3，-0.710 4，-0.663 3，-0.497 4，-0.419 8；N∶P及速效磷與RDA1軸呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.588 9，0.183 9。其中，土壤含水率與速效鉀的影響程度最大。此外，土壤N∶P含量對脲酶和蔗糖酶的正相關(guān)影響最大，但卻對堿性磷酸酶的負(fù)相關(guān)作用最大；N∶P對土壤MBP為主要的正相關(guān)影響，但對MBC的負(fù)相關(guān)作用最大；MBN主要受到速效鉀的正相關(guān)影響。由表3可知，土壤環(huán)境因子對微生物生物量及酶活性影響的大小順序?yàn)樗傩р?含水率>碳氮比>堿解氮>酸堿度>速效磷>氮磷比>碳磷比，其中，速效鉀與含水率顯著影響二者之間的關(guān)系。由此可見，沙柳沙障腐爛過程中土壤微生物生物量及酶活性的變化受多種土壤環(huán)境因子的復(fù)合影響，速效鉀與含水率是影響兩者關(guān)系的主要環(huán)境因子。

注：MC為土壤含水率；AK為速效鉀；AP為速效磷；AN為堿解氮；pH為酸堿度；C∶N為碳氮比；C∶P為碳磷比；N∶P為氮磷比；Ure為脲酶；Suc為蔗糖酶；APh為堿性磷酸酶；MBC為微生物生物量碳；MBN為微生物生物量氮；MBP為微生物生物量磷。

表3 土壤環(huán)境變量解釋的重要性排序與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

3 討 論

3.1 沙柳沙障腐爛過程對土壤基本性質(zhì)的影響

鋪設(shè)在沙丘上的沙柳沙障在使用前期可以有效發(fā)揮生態(tài)防護(hù)效益，但隨著年限的增加，長期沙埋部腐化程度加劇，障體抗彎強(qiáng)度損失率增加，外界強(qiáng)烈的風(fēng)沙運(yùn)動增加了沙柳沙障的倒伏破損率。沙漠地區(qū)的土壤養(yǎng)分及營養(yǎng)元素極為匱乏，腐爛的沙柳沙障可作為腐化有機(jī)物補(bǔ)給沙土中的營養(yǎng)元素，且其在沙漠土壤中的分解是養(yǎng)分循環(huán)所必須的生態(tài)過程。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤堿解氮與速效鉀含量隨著年限的增加，整體呈上升趨勢，而速效磷含量呈先減少后增加趨勢，與前人研究結(jié)果基本一致，這可能是因?yàn)樯痴细纸膺^程中對營養(yǎng)元素的釋放。此外，C∶N與C∶P隨著年限的增加呈上升趨勢，即總碳增加的速度大于全氮，這可能與障體的木質(zhì)纖維素被降解為多糖化合物有關(guān)，其碳含量大于氮。鋪設(shè)7年的沙柳沙障周圍土壤含水率顯著大于其他各組(<0.05)，主要是因?yàn)殡S障體質(zhì)量損失率的增加，基本密度下降，其吸取沙漠表層大氣降水或空氣凝結(jié)水的能力上升，以致周圍土壤的含水率增加，而當(dāng)基本密度減小到一定程度時，吸水能力趨于穩(wěn)定，周圍土壤含水率小范圍減小。

3.2 沙柳沙障腐爛過程對土壤微生物生物量碳、氮和磷的影響

土壤MBC和MBN均隨鋪設(shè)年限的增加呈先上升后下降的趨勢，且7年的沙柳沙障周圍的土壤MBC和MBN均顯著大于其他各組(<0.05)，與盧勝旭等和張艷等研究結(jié)果相似，凋落物的添加可以增加MBC和MBN的含量。主要是因?yàn)殡S沙障腐爛程度的加劇，進(jìn)入土壤中的腐化物可作為一種激發(fā)底物，激發(fā)土壤中原有的有機(jī)碳分解，促使可利用性有機(jī)碳增加，進(jìn)而增加土壤微生物生物量。然而沙柳沙障鋪設(shè)7年以后降解速率減緩，生物間的相互作用和木材基質(zhì)質(zhì)量的變化，引起微生物群落在分解過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變，腐化障體中底物質(zhì)量的降低影響真菌和細(xì)菌的豐度，導(dǎo)致可供正常生長繁殖的微生物數(shù)量及種類降低，從而使土壤微生物生物量下降。本研究還發(fā)現(xiàn)，沙柳沙障腐爛過程對土壤MBC的影響程度較MBN和MBP更大，由RDA分析結(jié)果顯示，其受到C∶N的正相關(guān)作用，這與胡宗達(dá)等研究結(jié)果類似，MBC和MBN與總碳和全氮具有顯著相關(guān)關(guān)系。還有研究表明，MBC和MBN與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的變化規(guī)律一致，土壤養(yǎng)分的豐富程度直接影響微生物的生存條件，決定土壤中微生物生物量的大小。此外，土壤MBP含量亦為7年達(dá)到最大值，隨后趨于下降。綜上，本研究表明，沙柳沙障腐爛過程中土壤MBC、MBN和MBP均表現(xiàn)為先增加后減少的規(guī)律，與本課題組前期研究沙柳沙障分解特征結(jié)果一致，7年為沙柳沙障降解過程的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

3.3 沙柳沙障腐爛過程對土壤酶活性的影響

土壤酶作為許多生化反應(yīng)的催化物，能夠介導(dǎo)和催化生化反應(yīng)過程，包括元素循環(huán)和有機(jī)質(zhì)合成、分解及轉(zhuǎn)化等。本研究表明，隨著沙柳沙障腐爛程度的增加，土壤堿性磷酸酶活性呈先上升后下降趨勢，但脲酶與蔗糖酶的活性整體呈先下降后上升再下降趨勢，與前人的研究結(jié)果略有不同。1年的脲酶與蔗糖酶活性最大，均顯著大于其他各組(<0.05)，原因可能為1年的沙柳沙障分解程度較低，土壤中源于障體的分解物質(zhì)較少，酶活性的強(qiáng)弱主要受到原有土壤條件的影響，包括土壤pH、水分、溫度、鹽堿度、植被類型以及底物可利用性等。土壤pH不僅影響微生物的種類及活性，而且直接影響土壤酶參與生化反應(yīng)的速率，RDA分析結(jié)果顯示，土壤pH對堿性磷酸酶具有正相關(guān)影響，但對蔗糖酶與脲酶活性的負(fù)相關(guān)作用最大。綜合分析表明，速效鉀與含水率是影響土壤微生物生物量與酶活性的主要因子，土壤中含水率的大小直接影響氧氣的含量，從而間接決定微生物種類和數(shù)量對水分的響應(yīng)，而微生物數(shù)量的多少直接決定土壤中微生物量的大小，且其與土壤養(yǎng)分的有效性均影響土壤酶活性，此外，有研究表明，土壤微生物生物量的變化趨勢與土壤養(yǎng)分的變化相一致，本研究中土壤速效鉀含量對土壤微生物生物量和酶活性的調(diào)控作用最大，可能是由于土壤中可利用養(yǎng)分的多少影響微生物代謝繁殖的速度與種類，從而影響微生物生物量與酶活性。不同水分條件對土壤酶活性的激活效應(yīng)不同，本研究中，土壤含水率對蔗糖酶與脲酶的活性為負(fù)相關(guān)影響。

4 結(jié) 論

沙柳沙障腐爛過程對土壤各項(xiàng)指標(biāo)均具有顯著影響，隨鋪設(shè)年限的增加，土壤C∶P和C∶N含量呈上升趨勢，但N∶P含量呈下降趨勢，10年后下降83.96%；隨腐爛程度的加劇，土壤MBC、MBN與MBP均呈先上升后下降的趨勢，7年為重要的拐點(diǎn)；土壤堿性磷酸酶活性隨鋪設(shè)年限的增加呈先上升后下降趨勢，但脲酶與蔗糖酶的活性整體呈先下降后上升再下降趨勢；本研究表明，沙柳沙障腐爛過程中土壤速效鉀與含水率是影響土壤微生物生物量及酶活性的主要驅(qū)動因子。