晋西黄土区典型人工植被对土壤球囊霉素和团聚体稳定性的影响

朱兴菲, 刘小芳, 赵勇钢, 刘新春, 高 冉, 栗文玉

(山西师范大学 生命科学学院, 山西 临汾 041000)

晋西黄土丘陵沟壑区植被退化，地形破碎，土壤结构稳定性差，是我国水土流失最严重的地区之一。人工植被恢复是该地区生态环境建设的重要举措，通过植被—土壤系统间的互馈效应，有利于改善土壤质量，提升土壤功能，调控水土流失。土壤团聚体是矿物颗粒与有机物质相互作用而组成的土壤结构的基本单元，其形成过程和稳定性与土壤有机碳储存于固定密切相关，也是评价土壤质量和健康的重要指标[1]。研究[2]表明，黄土高原的土地利用类型、植被恢复方式及进程等都会影响土壤团聚体稳定性。例如，张社奇[3]研究发现不同林龄的人工油松和刺槐都降低了土壤颗粒的分形维数，这是由于在凋落物和植物根系的作用下，土壤腐殖化程度较好且土壤黏结介质具有较好的持久性，提升土壤团聚能力。球囊霉素相关土壤蛋白(glomalin-related soil protein， GRSP)是由丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi， AMF)的菌丝壁分泌产生的一种可溶性糖蛋白，可作为胶结剂增强土壤颗粒黏附力，促进土壤团聚体形成，提高土壤结构稳定性[4]。GRSP是土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)的重要组成部分，占SOC总量的7%～37%[5]，根据其在土壤中的可利用性和周转时间方面的差异可将其组分分为易提取球囊霉素(easily extracted GRSP， EE-GRSP)和总球囊霉素(Total GRSP，T-GRSP)[6]。GRSP对土壤环境变化的反应可能不同，并受土地利用方式和植被类型的影响。对免耕、传统耕作和休闲地的研究表明，由于AMF真菌受人为活动的影响，使得植物根系中的真菌菌丝减少，致使免耕及休闲地土壤GRSP含量高于传统耕作[7-8]。对黄土高原林区皆伐油松幼林地、灌木地、撂荒地的研究发现，灌木林土壤团聚体GRSP含量显著大于其他处理，这主要是由于灌木地优势物种虎榛子的根系发达，根瘤菌容易进入植物根系，形成较多菌丝促进GRSP含量的形成[9-10]。

在晋西黄土丘陵沟壑区，人工植被(如刺槐、侧柏和苜蓿等)和人工经济林(如核桃、苹果等)大范围种植，其对土壤功能的影响一直是关注的重要问题[11]。目前，关于该地区植被恢复对表层(<40 cm)土壤碳储量与固定和结构稳定性等方面的研究已有较多[12-14]，但对深剖面(0—100 cm)GRSP组分对SOC的贡献及其与团聚体稳定性关系的研究较少，这对于深入理解人工植被恢复对土壤团聚体稳定性的影响机制有所不足。因此，本文以5种不同人工植被为研究对象，分析其GRSP组分和SOC在剖面的分布特征，阐明GRSP对有机碳的贡献，揭示GRSP组分与土壤结构稳定性的关系，以期为黄土高原地区人工植被建设与管理提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验区位于山西省吕梁市离石区三川河流域的大土河和徐家沟区域(北纬37°21′—37°42′，东经110°55′—111°35′)，属于典型黄土丘陵沟壑区，温带大陆性气候，海拔920～940 m，无霜期110～170 d，年平均气温为8.9 ℃，年日照时数为2 633.8 h，有效积温达3 298 ℃，年平均降水量为450～550 mm，主要集中在7—9月。灌木植被主要有荆条(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，草本植物主要有蒿类、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 样品采集和分析

2017年7月，选取4种该区域典型人工植被类型，包括核桃(Juglansregia)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、侧柏(Platycladusorientalis)和苜蓿(Medicagosativa)，并以农地为对照。农地一般为玉米和杂粮作物轮作，仅施入少量农家肥，无化肥施入。农地种植年限大于20 a，苜蓿种植3 a，核桃、刺槐和侧柏的林龄分别为16,17，8 a。在预先选好的样地上，每个样地沿坡面布置3条长50 m、宽10 m的样带，在样带上沿坡面布置3个样方(草地1 m×1 m，乔木10 m×10 m)，每个样地共9个样方。将每个样方的腐殖质去除后，挖100 cm深的土壤剖面，按(0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm，40—70 cm，70—100 cm)土层进行采样。按两部分采集土样，一部分为混合样，另外一部分为原状土样。混合样以四分法取适量土样置于塑料袋中，带回实验室，风干，去除植物根系、石块等杂质，研磨过筛后，待测。原状土样去除植物根系等杂质后，轻掰成小块，风干后待测。

GRSP的提取和测定过程按照修改后Wright等[15]的方法进行测定。EE-GRSP测定：风干土样过2 mm的筛，称取1.00 g土样倒于试管中，加入8 ml(20 mmol/L，pH=7.0)的柠檬酸钠浸提剂，在121 ℃，103 kpa条件下灭菌60 min，冷却后以10 000 r/min离心5 min，收集上清液。T-GRSP测定：称取1.00 g土样倒于试管中，加入8 ml(50 mmol/L，pH=8.0)的柠檬酸钠浸提剂，在121 ℃,103 kPa条件下灭菌60 min，冷却后以10 000 r/min离心5 min，收集上清液，反复浸提3次。吸取上清液1 mL加入5 ml考马斯亮蓝G-250染色剂，用紫外分光光度计(759型)在595 nm波长下比色。制作牛血清蛋白标准液，并用考马斯亮蓝法显色，根据绘制的标准曲线，求出EE-GRSP和T-GRSP的含量。本研究依据Wang等人[5]的研究结果，采用土壤生态系统提取的球囊霉素中SOC约占36.8%这一数值，以此计算SOC在EE-GRSP和T-GRSP中的含量，分析GRSP对SOC的贡献。

土壤团聚体的测定采用干筛法[16]测定。准确称取风干土样200.0 g，放入孔径为2,0.25,0.053 mm的套筛，在8411型电动振筛机(浙江上虞区道墟张兴纱厂)上振动10 min(转速1 400 r/min)，将留在套筛上的风干土进行称重，计算各粒级团聚体含量占总土重的重量百分比，并以此计算平均重量直径(mean weight diameter， MWD)，计算公式为：

式中：Xi——某极别团聚体直径(mm)的中值，Wi——团聚体的百分含量。

土壤pH值的测定采用pHS-3C型酸度计测定(土水比为1∶2.5)，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法进行测定[16]。

1.3 处理数据

采用SPSS17.0软件对不同人工植被类型和不同土层进行双因素方差分析，基于最小显著性差异法(Least significant difference， LSD)进行多重比较(p<0.05)。在Origin软件中采用线性拟合函数分析T-GRSP,EE-GRSP与有机碳和MWD的关系。

2 结果与分析

2.1 不同人工植被土壤球囊霉素与有机碳剖面分布

由图1可以看出，不同人工植被的T-GRSP和EE-GRSP含量随着土层深度的增加而降低，不同植被类型之间在0—30 cm土层存在显著性差异(p<0.05)，但30 cm以下土层无显著差异(p>0.05)。苜蓿T-GRSP含量在0—30 cm土层均最低，在0—20 cm显著低于其他样地(p<0.05)，在20—30 cm则显著低于核桃(p<0.05)。与农地0—30 cm土层T-GRSP平均含量相比，苜蓿降低了8.63%，核桃、刺槐和侧柏分别增加了2.73%，1.49%，1.03%。苜蓿EE-GRSP含量在0—30 cm土层也均最低，核桃则最高。核桃EE-GRSP含量在0—10 cm土层显著高于其他样地(p<0.05)，在10—30 cm则显著高于刺槐和苜蓿(p<0.05)。与农地0—30 cm土层EE-GRSP平均含量相比，刺槐、苜蓿分别降低了1.61%和8.63%，核桃、侧柏分别增加了25.04%和8.04%。农地、核桃和侧柏样地SOC含量随着土层增加而逐渐降低，且在0—40 cm剖面分布上有显著性差异(p<0.05)，而刺槐和苜蓿则无显著性差异(p>0.05)。其中，农地和核桃0—20 cm土层SOC显著高于较深土层(>30 cm)，侧柏0—10 cm土层SOC显著高于40 cm以下土层。不同样地间的SOC含量在0—20 cm土层具有显著性差异(p<0.05)，而20 cm以下土层则无显著性差异(p>0.05)。农地和核桃SOC含量显著高于其他样地，但二者之间并无显著差异(p>0.05)。与农地相比，刺槐、侧柏和苜蓿0—20 cm平均含量分别降低了45.31%,47.85%和65.18%。农地、核桃和侧柏样地土壤EE-GRSP/T-GRSP比值随着土层的增加逐渐降低，在0—20 cm土壤剖面有显著性差异(p<0.05)。在10—20 cm土层核桃显著高于苜蓿(p<0.05)。在20—100 cm土层各样地间无显著性差异(p>0.05)。与农地相比，侧柏、刺槐和苜蓿在0—20 cm土层的EE-GRSP/T-GRSP平均值分别降低了2.88%,14.62%,19.46%，核桃则增加了4.23%。

注：不同小写字母表示相同土层不同植被类型之间差异显著(p<0.05)。

2.2 不同人工植被土壤球囊霉素与有机碳关系

图2为不同人工植被类型球囊霉素与有机碳的关系。由图2可知，不同人工植被类型EE-GRSP和T-GRSP含量随着有机碳含量的增加而呈线性增加(p<0.01)，EE-GRSP/T-GRSP的比值也与SOC含量具有极显著正相关关系(p<0.01)。

图2 不同人工植被类型球囊霉素与有机碳的关系

不同人工植被EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC比值均随着土层的增加而呈现增加，说明EE-GRSP和T-GRSP对SOC的贡献率均逐渐增加(表1)。不同样地在0—100 cm土层EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC分别为1.78～6.77，4.07～19.11，且样地间和土层间存在显著差异(p<0.05)。所有样地中，核桃其值最低，与农地相比，EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC在30—40 cm，70—100 cm土层的有显著差异(p<0.05)，两个土层分别降低了55.6%，60.4%和56.52%,51.1%。侧柏、刺槐和苜蓿样地的EE-GRSP/SOC和T-GRSP/SOC在各土层间没有显著差异(p>0.05)，其中侧柏的EE-GRSP/SOC和苜蓿的T-GRSP/SOC数值较高，与农地相比，分别增加了39.7%,36.5%。

表1 不同人工植被土壤球囊霉素对有机碳的贡献

注：不同小写字母表示相同土层不同植被类型之间差异显著(p<0.05); 不同大写字母表示相同植被类型不同土层之间差异显著(p<0.05)。

2.3 不同人工植被类型土壤团聚体分布及其稳定性

不同样地的团聚体主要分布在大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(0.25～0.053 mm)中，而粉黏粒级(<0.053 mm)最少(表2)。

表2 不同人工植被土壤团聚体含量分布及其稳定性

注：不同小写字母表示相同土层同一粒级不同植被类型之间差异显著(p<0.05)。

大于2 mm团聚体含量的范围在17.60%～46.50%，除10—20 cm土层外，各土层不同样地间有显著性差异(p< 0.05)。2～0.25 mm团聚体含量范围在19.60%～37.40%，除20—30 cm土层外，各土层不同样地间有显著性差异(p<0.05)。0.25～0.053 mm团聚体含量的范围在26.0%～44.9%，除10—20 cm土层外，各土层不同人工植被类型之间有显著性差异(p<0.05)。<0.053 mm团聚体含量的范围在0.90%～9.00%，仅在40—70 cm土层各样地间有显著性差异(p<0.05)，其中侧柏显著低于刺槐和农地。

由表2可知，不同人工植被类型的MWD值随着土层的增加而逐渐降低，除10—20 cm土层外，各土层不同样地间有显著差异(p<0.05)，且苜蓿较高。与农地相比，苜蓿在20—100 cm土层显著(p<0.05)增加了30.54%～57.26%，侧柏在40—100 cm土层显著(p<0.05)增加了37.87%～38.40%，核桃在20—100 cm土层无显著差异(p>0.05)，刺槐仅在30—40 cm土层显著(p<0.05)增加了31.05%。

2.4 GRSP，SOC以及团聚体稳定性之间的关系

由图3可知，T-GRSP和SOC与MWD有显著正相关关系(p<0.05)，但EE-GRSP与MWD无显著关系(p>0.05)。EE-GRSP/SOC与MWD有显著负相关关系(p<0.05)，但T-GRSP/SOC与MWD无显著关系(p>0.05)。

图3 土壤球囊霉素和有机碳及其比值与平均重量直径之间的关系

3 讨 论

本研究中EE-GRSP和T-GRSP含量、EE-GRSP/T-GRSP比值随着土层增加而逐渐下降，不同人工植被类型间仅在0—30 cm土层有显著差异(p<0.05，图1)。这与前人的研究结果一致，这种变化可能与土壤有机质和蛋白质的空间分布和异质性有关[17]。表层土壤由于枯枝落叶、根系分泌物和微生物生物量等输入较多[18]，导致土壤养分较高，AMF活性强，AMF的侵染率和孢子密度大，会释放更多的球囊霉素[19]。本研究中的核桃GRSP组分要高于其他样地，这可能与适当施肥有关。施肥可以增加根系生物量，AMF能和大部分植物根系形成互惠共生体，进而增加GRSP含量。有研究表明，多年生植物丛植菌根真菌的侵染率很高[20]。李博文[21]对青藏高原高寒草甸土壤施加氮肥，发现可以增加AMF的生物量和球囊霉素(EE-GRSP和T-GRSP)含量。本研究中，不同人工植被EE-GRSP和T-GRSP与有机碳呈极显著正相关关系(p<0.01，图2)，这是由于球囊霉素本身就是有机碳的重要组成部分，其含量与有机碳的变化密切相关。

5种不同人工植被类型的EE-GRSP/SOC、T-GRSP/SOC贡献均随着土层加深而逐渐增加，且深层(40—100 cm)GRSP对SOC的贡献大约是土壤表层(0—40 cm)的1.4～1.9倍(表1)。前人对不同土地利用方式和植被类型下的研究也有相似结果[22-23]。土壤剖面中GRSP组分对SOC贡献率取决于EE-GRSP，T-GRSP和SOC三者的变化。SOC含量与枯枝落叶、根系分泌物和微生物等因子有关，与表层土壤有机质相比，深层有机物质来源较少，影响新的有机物质形成，因此随着土层增加SOC含量降低幅度较大[24]。GRSP具有丰富的蛋白质和碳水化合物，这是对土壤有机碳贡献的基础[25]。但其含量会随着土壤深度的增加而降低，主要是由于GRSP在土壤剖面的分布受土壤理化性质变化的影响较大[22]。表层的GRSP主要受到SOC和土壤养分的影响，而深层GRSP主要受到土壤理化性质如容重、pH值等的影响，土壤养分越高，容重越低，GRSP会累积的越多[22]。有研究表明，土壤深度增加对EE-GRSP减少的影响较大，但对T-GRSP的影响却小得多[22]。因此表现出深层GRSP对SOC的贡献比土壤表层要高很多。

不同人工植被类型土壤团聚体分布中以>2，2～0.25 mm粒级大团聚体含量为主，粉黏粒(<0.053 mm)含量最少，苜蓿、刺槐和侧柏的MWD值较农地要大(表2)。这与前人[26-27]的研究结果相似。AMF分泌的GRSP是由碳水化合物组成的糖蛋白，有研究发现在土壤团聚体中测得的GRSP碳水化合物含量是其它物质的3～10倍[28]。GRSP还从AMF的菌丝中脱落分泌到土壤当中，并通过其独特的黏结性质，将土壤中的细小颗粒黏结在一起，形成大团聚体[23]。研究表明，土壤中的球囊霉素粘附土壤颗粒的能力比其他糖类物质高3～10倍[29]。GRSP还可以识别和保护有助于团聚体稳定性的多糖和微生物等[30]，能够保护SOC不会被分解，促进土壤中SOC的累积，提升团聚体稳定性[31]。本研究中，T-GRSP与MWD值有显著正相关关系(p<0.05，图3)，这是由于EE-GRSP被认为是新产生的或几乎分解的部分，易发生变化，而T-GRSP性质相对比较稳定不容易改变，因此与土壤团聚体稳定性表现出更好地相关性。

4 结 论

晋西黄土区不同人工植被类型对EE-GRSP，T-GRSP和EE-GRSP/T-GRSP的影响主要在0—30 cm，且各土层间的含量存在差异显著，并与SOC有显著正相关关系。EE-GRSP和T-GRSP对SOC的贡献具有重要影响，其贡献率分别为1.78～6.77，4.03～19.11。人工植被恢复对T-GRSP含量的增加提高了其对SOC的贡献作用，能够促进土壤大团聚体(>0.25 mm)的形成和MWD的增加，提升土壤团聚体稳定性。这对于深入理解黄土区人工植被恢复措施下SOC与土壤结构稳定性的关系提供了一定的科学依据。