马缨杜鹃的花叶凋落物配比对土壤微生物量与酶活性的影响

吴 迪，李良良，张红军，张建利，李苇洁*

(1.贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；2.贵州百里杜鹃管理区城乡建设规划局，贵州 大方 551500)

【研究意义】土壤微生物和土壤酶都是土壤的重要组成部分，森林凋落物分解归还到土壤中的养分是植物和土壤微生物所需养分的主要来源，而土壤微生物又制约着枯枝落叶和土壤有机质的分解转化及循环利用[1-2]。土壤酶来源于土壤中动物、植物根系和微生物的细胞分泌物以及残体的分解物，催化土壤中各类生物化学的反应，常被用作反应土壤肥力状况及土壤生态变化的敏感指标[3-4]。然而，森林凋落物的数量和组成受气候变化和人为干扰的影响，这些变化均可能导致土壤微生物及土壤酶活性的改变[5-6]。因此，探明森林凋落物的数量和组成一方面可对森林资源进行合理有效利用，另一方面对改善和提高森林土壤质量具有指导意义。【前人研究进展】胡亚林等[7]研究表明，调节凋落物组成后，土壤微生物碳会发生明显变化。王清奎等[8]研究表明，添加叶凋落物能显著增加土壤微生物碳、氮及土壤呼吸强度和可溶性有机碳含量。李鑫等[9]研究认为，植物茎叶的分解显著提高土壤细菌和真菌的丰度及多样性，且不同植物茎叶分解下土壤酶活性的差异也较为显著。DILLY 等[10]对温带地区农田土壤酶活性的研究表明，土壤酶活性与枯落物性质、分解时间的相关性远大于与分解环境的相关性。温明章等[11]研究发现，草原上凋落物增加，土壤的水热条件和团粒结构改善，增加孔隙度，利于微生物的呼吸，但当凋落物层达到一定厚度时，土壤温度降低，通透性变差，不利于土壤微生物的生长。然而以上基于不同地带及不同生态系统的研究结论是否适用于百里杜鹃森林生态系统，还需进一步验证。【本研究切入点】百里杜鹃生态旅游区是迄今为止发现的地球同纬度范围内中低海拔区面积最大(延绵125.8 km2)的天然杜鹃林[12]，是世界罕见的具有特殊保护价值的森林生态系统。马缨杜鹃(Rhododendrondelavayi)是百里杜鹃景区杜鹃花群落的建群种和优势种，在景区有纯林分布，且面积较大，其新鲜的凋落花朵占每年林分凋落物总量的20%左右，是百里杜鹃森林凋落物的重要组成[13]。当前，百里杜鹃景区的花朵除观赏外并没有进行其他利用，而凋落杜鹃花是具有很大药用经济价值的资源，可作为新的经济收入点。如何在不影响旅游功能及生态功能的前提下，掌握好凋落花朵的利用强度阈值是凋落花朵得以再利用的关键。【拟解决的关键问题】通过研究马缨杜鹃林花叶凋落物分解对土壤微生物种群数量与酶活性的影响，旨在了解凋落花朵在百里杜鹃天然林养分循环及维持土壤生物性质中所起的作用，为景区合理利用凋落花朵、平衡资源保护与利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地自然概况

百里杜鹃生态旅游区位于贵州省西北部大方县与黔西县交界处，海拔1300～1800 m，总面积12 580 hm2[14-16]，属亚热带湿润季风气候，年均气温11.8 ℃，年降雨量1180 mm；4月份平均相对湿度最小(79%)，12月份平均相对湿度最大(89%)，呈冬湿春干特点[17-19]。试验选择景区内马缨杜鹃的纯林地1块，林龄超过30年，密度2500株/hm2，郁闭度0.85，枯落物厚度3～4 cm，未分解层1 cm，半分解层2 cm，已分解层0～1 cm。土壤类型为黄壤，pH为4.8～5.5，土层厚度为20～25 cm。

1.2 试验设计

于2017年3—4月每2 d收集1次凋落物，分别收集马缨杜鹃当年花和叶凋落物，取回实验值置于烘箱中，60 ℃烘干至恒量待用。采用凋落物分解袋法[20-21]，将采回的马缨杜鹃花叶凋落物按不同比例混合后置于300 目的尼龙分解袋，并将之放置于试验样地，经不同时段分解后，分析花叶凋落物分解对土壤微生物种群数量与酶活性的影响。以凋落物不同花叶质量配比为处理对象，共设置5个处理，T1:花叶配比为0∶10，即纯叶处理；T2：花叶配比为1∶9；T3:花叶配比为3∶7；T4:花叶配比为5∶5；T5:花叶配比为10∶0，即纯花处理。每处理60个重复，每袋凋落物总量20 g。

1.3 试验过程

选择景区内1块纯马缨杜鹃林地，清理干净地上植被及地表枯落物，样地上方用网拦截枯枝落叶，并用铁丝网将样地围起，防止人和动物的干扰，在同一等高线上按试验设计放置已配制好的花叶凋落物混合样品，每个处理60个重复，共放置300个样品袋。放置处理样品时将尼龙网袋紧贴地面，用少量土壤压住分解袋四角。按不同放置时间段测定土壤养分含量、土壤微生物量与酶活性，测定时间分别2017年4月(土壤初始养分值)、6月、8月、10月、12月中旬及2018年2月、4月中旬，即在分解时间分别为0、60、120、180、240、320和360 d各取土1次，测量土壤微生物种群数量与酶活性。取土时将分解袋移开，剔除枯枝落叶层，取0～10 cm层土壤置于密封袋中，在4 ℃冰箱保存，待测土壤微生物和土壤酶。每次取完土后将分解袋继续放回原处。

1.4 测定项目

土壤微生物采用平板涂抹法及四分法进行测定，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基进行选择性培养并计数，真菌采用马丁氏培养基进行选择性培养并计数，放线菌采用高氏1号培养基进行选择性培养并计数[22]。土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法进行测定，纤维素酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定[23]。土壤全氮采用半微量凯氏定氮法进行测定，全磷采用酸溶-钼锑抗比色法进行测定，全钾采用HF-HClO4消解，火焰光度法进行测定，碱解氮采用碱解扩散法进行测定，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提比色法进行测定，速效钾采用NH4OAc浸提火焰光度法进行测定，有机质采用重铬酸钾-外加热法进行测定[24]。

1.5 统计分析

采用Excel 2013对数据进行整理及绘图，采用Spss20.0对数据进行差异显著性检验及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同花叶配比处理土壤的微生物变化

由图1可知，随着马缨杜鹃花叶混合物分解时间推延，土壤细菌、真菌以及放线菌的数量均呈先升后降趋势，且在分解240 d时达最大值。但不同花叶质量配比处理对土壤微生物的影响较大，T3处理的土壤细菌和真菌的数量最多，其中细菌数为150×105个/g，比T1即纯叶片的处理高16.92%；真菌数为165.57×103个/g，比T1高40.48%，且均与其他处理差异显著(P<0.05)。T1处理的土壤放线菌数量最多，为21.89×103个/g，显著高于其余处理。

2.2 不同花叶配比处理土壤的酶活性变化

由图2可知，随着马缨杜鹃花叶混合物分解时间推延，土壤脲酶活性大致呈M型变化，分解0 d和分解360 d的数值差异不大，在分解180 d时明显降低，其中T1处理的土壤脲酶活性最高，为2.605 mg/g，与其他处理差异显著(P<0.05)。土壤纤维素酶在分解过程中各处理的变化规律不一致，但各处理在分解120 d时均出峰值，在分解360 d时纤维素酶活性均降低，其中，T1处理的土壤纤维素酶活性最高，为1.059 mg/g。土壤碱性磷酸酶活性随分解时间推延整体呈先升后降趋势，在分解240 d时达最大值，其中T3处理的土壤碱性磷酸酶活性最高，为122.7 mg/g，且与其他处理差异显著(P<0.05)。土壤蔗糖酶活性在分解过程中整体呈先升后降趋势，除T4外的其余处理在分解120 d时达最大值，其中T2处理的土壤蔗糖酶活性最高，为54.49 mg/g，且与其他处理差异显著(P<0.05)。

2.3 土壤初始养分与凋落物分解360 d后土壤微生物及酶活性的相关性

由表1可知，土壤养分初始含量与凋落物分解360 d以后的土壤微生物及酶活性的含量相关性不高，仅土壤初始碱解氮的含量与土壤真菌呈显著负相关，土壤速效磷初始含量与土壤维生素含量显著正相关，其余养分元素初始含量对凋落物长期(360 d)分解后土壤微生物及酶活性含量无明显影响。

表1 土壤养分初始含量与凋落物分解360 d 时土壤微生物及酶活性的相关系数

3 讨 论

土壤微生物在土壤生态系统循环中起着重要作用，其最显著的成效就是分解有机质如植物残根败叶和施入土壤中的有机肥料等，通过本研究可知，土壤养分的初始含量并未对凋落物分解造成影响，只有经过土壤微生物作用，凋落物才能腐烂分解，释放出营养元素，形成腐殖质，改善土壤结构。不同植物类型其土壤微生物多样性呈较大差异[25-26]，本研究发现，马缨杜鹃不同花叶配比对土壤微生物的数量有较大影响，其中，花叶质量配比为3∶7时土壤微生物细菌和真菌的数量最多，而纯叶处理的土壤放线菌数量最多。由于土壤细菌、真菌数量受温度、湿度以及营养物质等因素的影响，土壤中养分浓度过高或过低都不利于细菌和真菌的生长[27-28]，另外，由于马缨杜鹃的叶片属于革质，叶片比花更难分解，释放养分的速度缓慢，因此，需要更多的放线菌对其进行降解。在整个花叶凋落物分解过程中，土壤微生物数量在12月(分解240 d时)最多，与宋影等[29-30]的研究结果不一致，可能是因为百里杜鹃属于亚热带高原温凉气候所至。

土壤酶参与土壤中复杂的生物化学反应过程，如枯枝落叶的分解及催化有机物的矿化，释放无机养分，土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等水解酶活性能够表征土壤碳、氮、磷等养分的循环状况，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用。目前，国内外研究者对土壤酶活性和外界环境因子的关系作了大量研究，发现水肥气热条件与土壤酶活性密切相关[31-33]，本研究表明，不同花叶配比处理土壤酶活性的变化趋势基本一致，但不同的土壤酶之间呈现出不同的变化规律，说明外界环境对土壤酶活性的影响较大。由于凋落物分解速率、分解程度受其自身物质组成及土壤理化性状的影响，分解过程中营养物质在植物-土壤生态系统中不断循环和传递，因此凋落物的组成及土壤理化性状都有可能影响土壤酶的变化。本研究中，纯花处理的土壤脲酶活性及纤维素酶活性最高，这可能与其初始土壤全氮含量和有机碳含量较高有关，侯彦会等[34-35]研究发现，土壤脲酶活性与有机碳、全氮、碱解氮及速效磷呈显著正相关，且全氮是影响土壤脲酶活性的最主要因子[36]，李鑫等[9]研究发现，土壤纤维素酶活性与土壤有机碳和全氮呈显著正相关，且纯花处理的土壤放线菌数量是最多的，也可能造成土壤纤维素酶活性的升高。而土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶活性分别以花叶配比为3∶7和1∶9的处理最高，说明此时决定土壤酶活性的因素更多与马缨杜鹃凋落物自身的组成相关，花叶混合的协同促进效应比单一凋落物更能引起土壤微生境的变化，使土壤微生物数量及多样性增加，促进了土壤酶活性的提高，这与陈法霖等[8,37]的研究结果相似。

4 结 论

在自然状态下，百里杜鹃生态旅游区马缨杜鹃林的新鲜凋落花朵本身占林分凋落物总量的比例没有叶片高，其叶片仍然是凋落物的主要构成。试验结果证明，减少凋落物组分中花朵的量对马缨杜鹃林区土壤生物活性的影响并不大。总体看，当马缨杜鹃花叶凋落物中花的质量占比小于30%时，其土壤微生物量和土壤酶的活性较高，推荐该比例为马缨杜鹃林花叶凋落物的最佳利用配比。