喀斯特山区土地不同利用方式的土壤养分及微生物特征

文小琴，舒英格*，何 欢

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

【研究意义】中国是全球三大岩溶集中分布区中连片裸露碳酸盐岩面积最大、岩溶发育最强烈的地区，其喀斯特面积为344.4万km2，裸露面积为90.7万km2，其中约55万km2喀斯特面积集中在以贵州为中心的西南部[1-2]。贵州喀斯特山区，因其体系复杂，生态系统变异敏感度高，环境容量低，灾害承受阈值低等特征，成为了全国四大生态环境脆弱区之一[3]。因此，在喀斯特地区的植被恢复与重建尤为重要。而土壤微生物量碳/氮、微生物数量、土壤酶等作为土壤质量的生物学指标之一，对植被恢复与重建具有重要的研究意义。【前人研究进展】土壤微生物生物量碳/氮含量虽然仅占土壤有机碳含量的1 %～5 %[4]，却能反映参与调控土壤中能量、养分循环、有机物质转化等，不仅是土壤活性养分的储库，也是植物生长可利用养分的重要来源。 因此，探究不同土地利用方式下的土壤微生物特征差异，对于提高土壤的肥力、土壤资源的合理和可持续利用都有重要作用[5]。土壤微生物数量在一定程度上能够反映土壤质量的好坏[6-7]，而土壤碳循环及土壤的微生物活性，以及土壤养分的累积、分解和矿化等规律则由土壤酶来表征和反映。土地利用方式的改变会引起许多变化(包括生物地球化学循环过程变化)，进而导致土地生产力的改变和土壤养分循环过程的改变；合理的土地利用方式能够改善土壤物理化学结构，增强对外界环境胁迫的抵抗力，不合理的土地利用方式则会致使土壤质量下降，并且加速土壤侵蚀和土壤退化等过程[8]。龙健等[9]针对不同土地利用方式下土壤微生物数量和酶活性进行研究认为，自然恢复对于提高土壤质量的效果优于人工恢复 。【本研究切入点】退耕还林还草模式下土壤微生物特性鲜见报道，针对典型喀斯特地区的微生物特征研究仍相当缺乏。因此，选择贵州晴隆县喀斯特山区5种不同土地利用方式为研究对象，分析不同土地利用方式下的土壤微生物特征，【拟解决的关键问题】以期为贵州喀斯特山区石漠化生态恢复及退耕还林的顺利实施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

晴隆县(25°33′～26°11′N，105°01′～105°25′E)位于云贵高原中段，贵州省西南面，黔西南布依族苗族自治州的东北角。全县总面积1327.3 km2。海拔543～2025 m，海拔差达1482 m。其地形起伏大，具有山高坡陡谷深的特点，地貌类型有低山、低中山、中山和高中山。石山地区岩溶发育强烈，溶洞、落水洞等极为普遍，是贵州岩溶发育、石漠化复杂、类型多样、分布面积较大的区域之一。属温凉湿润的高原亚热带季风气候区，气候温和，光能资源较好，年均日照时数1462 h，雨水充沛，年平均气温14 ℃，总降水量在1500～1650 mm，无霜期约320 d。野生植物种类繁多，主要有龙须草、刺梨、构皮、木油、脂蜡等。通过实地调查发现，土壤类型主要为石灰土、黄壤，植被类型有三叶草、蕨类、青蒿、黄竹草、杉树和楸树等。

1.2 样品采集

于2016年4月至2017年10月，从荒地、耕地、退耕还草地、林草间作地和林地选择具有代表性区域，确定采样地(表1)，在样地中心按蛇形方式采样，采集0～10、10～20 cm混合土壤，装袋运回实验室。部分土样过 2 mm筛后于 4 ℃冰箱保存，用于测定土壤微生物数量，部分土样风干后制样，用于分析土壤酶活性。

1.3 土壤指标的测定

土壤酶活性：土壤蔗糖酶活性采用 3,5-二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶采用滴定法，土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[10]。

土壤微生物：细菌培养为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌培养为马丁-孟加拉红琼脂培养基，放线菌培养为改良高氏1号琼脂培养基。

微生物计算：菌落数(cfu/g)=MD/W。

式中，M为菌落平均数，D为稀释倍数，W为土壤烘干质量。

土壤微生物多样性指数：Shannon-Wiener指数计算：H=-∑(Pk)×(logPk)，其中Pk为类型k在某群落中出现的概率。

土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，土壤理化性质：有机质、pH、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾测定参照文献[11]的方法进行测定。

表1 采样地的基本信息

MBC)，采用CHCl3熏蒸法-K2SO4测量；微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)，采用CHCl3熏蒸-K2SO4提取-凯氏定氮法。

1.4 数据分析

采用Office 2016 Excel进行数据的计算与初步分析，用DPS对数据进行单因素方差分析和相关性分析。变量间的相关关系采用Pearson相关统计方法进行分析，研究中数据表示为平均值±标准差，显著水平为P<0.05，极显著水平为P<0.01。

2 结果与分析

2.1 土地不同利用方式土壤养分的含量

从表2可知，在荒地、耕地、退耕还草地、林草间作地和楸树林地5种土地利用方式下，土壤中各养分的含量差异。有机碳含量：林草间作地>楸树林地>荒地>耕地>退耕还草地，其中，荒地、耕地和楸树林地的土壤有机碳含量差异不显著，均显著低于林草间作地；退耕还草地和林草间作地间差异显著。全氮含量：林草间作地>荒地>楸树林地>耕地>退耕还草地，其中，楸树林地、荒地和林草间作地间差异不显著，但均显著高于耕地和退耕还草地。全磷含量：退耕还草地>耕地=楸树林地>荒地>林草间作地，其中，林草间作地、荒地和楸树林地间差异不显著，三者与退耕还草地差异显著。全钾含量：林草间作地>退耕还草地=楸树林地>耕地>荒地，退耕还草地、林草间作地和楸树林地间无显著差异，三者均与荒地存在显著差异。有效磷含量：耕地>林草间作地>退耕还草地>楸树林地>荒地，其中，退耕还草地与林草间作地间无显著差异，二者均与耕地、荒地和楸树林地差异显著。碱解氮：林草间作地>楸树林地>荒地>耕地>退耕还草地，差异显著。速效钾含量：楸树林地>耕地>林草间作地>退耕还草地>荒地，显著差异。

2.2 土地不同利用方式土壤微生物量碳/氮的含量

从图1可知，5种土地利用方式的土壤微生物量碳含量为林草间作地(1111.53 mg/kg)>退耕还地草(968.49 mg/kg)>楸树林地(575.84 mg/kg)

表2 不同土地利用方式下土壤养分

图1 土地不同利用方式下土壤微生物量碳/氮的含量Fig.1 Microbial biomass carbon/nitrogen content of soil under different land utilization patterns

>耕地(512.67 mg/kg)>荒地(320.85 mg/kg)；荒地的土壤微生物量碳含量显著小于楸树林地、退耕还草地、耕地和林草间作地。与荒地相比，林草间作地和退耕还草地的土壤微生物量碳分别提高2.46和2.02倍。微生物量氮含量为林草间作地(107.76 mg/kg)>退耕还草地(102.08 mg/kg)>楸树林地(87.27 mg/kg)>耕地(79.66 mg/kg)>荒地(57.65 mg/kg)，5种土地利用方式土微生物量氮的平均含量差异显著，荒地的生物量氮含量显著小于其余4种利用方式。与荒地相比，林草间作和退耕还草的土壤微生物量氮分别提高86.92 %和77.07 %。与荒地相比，其余4个土地利用方式的微生物量碳和微生物量氮都呈上升趋势。随着土地利用方式的改变，耕地、退耕还草和林草间作的土壤微生物碳含量不断增加，这可能是因为土壤微生物量碳随土壤地上部分植被凋落物的增加而增加；而楸树林地的微生物量碳降低有可能与植物生长需要消耗大量的碳所致。

2.3 土地不同利用方式土壤微生物的数量变化

由表3可知，土地不同利用方式土壤微生物的数量存在明显差异。土壤细菌、真菌和放线菌类群的组成比例略有不同，但大体一致，在土壤微生物组成中均为细菌占绝对优势，细菌数量为(0.64～2.70)×105cfu/g，其中，林草间作地>退耕还草地>楸树林地>耕地>荒地，且差异显著；放线菌数量为(0.25～2.47)×105cfu/g，依次为楸树林地>林草间作地>耕地>退耕还草地>荒地，林草间作地与耕地间的放线菌数量无显著差异，均显著低于楸树林地；真菌数量为(0.48～0.97)×103cfu/g，依次为耕地>楸树林地>林草间作地>退耕还草地>荒地，荒地与其余4种土地利用方式间的真菌数量差异显著，楸树林地和耕地间无显著差异。

图2 土地不同利用方式土壤酶的活性Fig.2 Soil enzyme activity under different land utilization patterns

2.4 土地不同利用方式土壤酶的活性

由图2可知，土地不同利用方式土壤酶的活性存在较大差异。土壤脲酶活性为3.68～5.08 mg/(g·24h)，依次为林草间作地>楸树林地>耕地>荒地>退耕还草地，其中，林草间作地和楸树林地、荒地和耕地间无显著差异；蔗糖酶活性为8.32～10.56 mg/(g·24h)，依次为荒地>楸树林地>退耕还草地>林草间作地>耕地，其中，退耕还草地和楸树林地间差异不显著，均显著高于林草间作和耕地；磷酸酶活性为8.14～11.19 mg/(g·24h)，依次为林草间作地>荒地>退耕还草地>楸树林地>耕地，林草间作地与其余4种土地利用方式差异显著，退耕还草地、耕地、楸树林地间差异不显著；过氧化氢酶活性变化不大，为1.56～ 1.81 mL/(g·24h)，依次为退耕还草>林草间作>楸树林地>耕地>荒地，差异均不显著。

表3 土地不同利用方式土壤的微生物数量变化

表4 土壤微生物与土壤养分间的相关系数

注：*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01).

Note: * and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

2.5 土地不同利用方式土壤微生物的多样性指数

根据Shannon-Wiener指数计算得出，喀斯特山区土地不同利用方式下土壤微生物的多样性指数相差较大，荒地、耕地、退耕还草地、林草间作地和楸树林地的多样性指数分别为0.462、0.701、0.593、0.693和0.693。耕地的多样性指数最大，其次是楸树林地和林草间作地，荒地最低。这种变化趋势与微生物总数的变化不一致，林草间作地的微生物总数比耕地多，但其多样性指数却略微低，这有可能是施肥、耕作等加强了耕地土壤中的微生物活性。相对于荒地，林草间作地与楸树林地的微生物菌群数较为均衡，生态环境较为稳定，与苏广实[12]研究结果相似。

2.6 土壤微生物与土壤养分之间的相关性

从表5可知，微生物量碳与有机碳含量呈显著正相关；微生物量氮与有机碳、全钾含量呈显著正相关，与全氮含量呈显著负相关；蔗糖酶与全钾、有效磷含量呈显著负相关；磷酸酶与全氮、碱解氮含量呈显著正相关，与全磷含量呈显著负相关；脲酶与有机碳、碱解氮、速效钾含量呈显著正相关，与全磷含量呈显著负相关；过氧化氢酶与全氮含量呈显著负相关；细菌与速效钾含量呈显著负相关；放线菌与有机碳含量呈极显著负相关，与全钾和速效钾含量呈显著负相关；真菌与有机碳、全钾、速效钾含量呈显著正相关。总体上看，土壤酶、微生物数量以及微生物量碳/氮与土壤养分等具有较强的相关性，可以用来指示该区域土地不同利用方式下土壤质量的演变特征[13]。

3 讨 论

研究结果表明，不同土地利用方式对土壤养分具有较大影响，在荒地、耕地、退耕还草地、林草间作地、楸树林地5种土地利用方式下，各养分含量的变化规律不一致，全磷含量为林草间作地最高，有效磷含量为耕地最高，全氮、全钾、有机碳和碱解氮含量均为林草间作地最高，速效钾含量为楸树林地最高。贾松伟等[14-15]的研究发现，退耕还林后，土壤有机碳和全氮含量逐渐提高；张俊华等[16]对黄土高原半湿润地区植被恢复对土壤肥力质量的影响研究结果表明，恢复植被能够显著提高土壤有机质的含量。土地不同利用方式下土壤微生物数量和土壤酶存在较为明显的差异。但总体来看，土壤微生物数量大致是林草间作地最高，这主要是由于土壤养分主要来源于地表枯枝落叶层的积累、分解和矿化，林地植被盖度和生物量相对其他土地利用方式高，受人为干扰的影响也小，有机质积累量多。而耕地则相反，因为其地表几乎没有枯枝落叶层，造成养分循环代谢较低，土壤养分含量也相对较低。与荒地相比，其余土地利用方式的土壤酶活性、微生物量碳/氮、微生物数量均有所增加，这与土地不同利用方式下土壤养分及有机质的变化趋势一致。喀斯特山区土地不同利用方式下土壤微生物数量存在较为明显的差异，尽管土地不同利用方式下土壤3大微生物类群的组成比例略有不同，但与其他非喀斯特地区土壤微生物组成大体一致，土壤微生物组成中细菌占绝对优势，放线菌数量在5种利用方式中均较细菌数量少，但较真菌多。土地利用方式、植被结构类型及土壤表面覆盖程度不同，造成土壤温度和湿度的差异，加上不同植被结构植物的生长发育状况及凋落物多少不同，进而影响了土壤微生物的组成和数量。综合比较5种土地利用方式的土壤酶活性，林草间作地的脲酶、磷酸酶活性最高，这可能是因为退耕还林还草后植物凋落物和根系分泌物较多，土壤养分含量高，使微生物大量繁殖，丰富了土壤酶的来源，这些凋落物的分解和根系的生理代谢过程也向土壤释放多种酶；有研究表明，脲酶、磷酸酶活性与微生物量有较密切的关系，酶活性随着微生物量的增加而不断增强，二者变化基本保持同步[17]；张成娥等[18]研究表明，土壤养分与土壤酶活性间有显著相关性，与本研究结果一致。与荒地相比，其余4种利用方式土壤微生物量碳和微生物量氮都呈上升趋势。徐佳晶等[19]研究发现，灌木林的土壤微生物量最大，表现为灌木林≈原生林>次生林>草丛；孙瑞等[20]研究发现，长期农田施肥和撂荒处理显著增加了土壤微生物量碳/氮的含量，而休闲处理对土壤微生物量碳/氮含量无显著影响，与本研究结果相似。梁月明等[21]研究表明，土壤微生物数量在不同植被恢复阶段间差异显著，并且土壤微生物生物数量随着植被的恢复而增加，即乔木>灌丛>草丛。彭艳等[22]研究显示，次生林土壤SMB显著低于原始森林，表明稳定的生态环境有助于增加土壤微生物碳/氮含量。喀斯特山区土地不同利用方式下的土壤微生物多样性指数相差较大；耕地的多样性指数最大，其次是楸树林地、林草间作地和退耕还草地，荒地最低；这种变化趋势与微生物总数的变化不一致，且本研究的土壤微生物数量相对于一般土壤来说，数量相对较少，这有可能是喀斯特山区脆弱的生态环境所致。相关性分析表明，5种土地利用方式的土壤微生物量碳与有机碳含量呈显著正相关；微生物量氮与有机碳、全钾含量呈显著正相关，与全氮含量呈显著负相关；蔗糖酶与全钾、有效磷含量呈显著负相关；磷酸酶与全氮、碱解氮含量呈显著正相关，与全磷含量呈显著负相关；脲酶与有机碳、碱解氮、速效钾含量呈显著正相关，与全磷含量呈显著负相关；过氧化氢酶与全氮含量呈显著负相关；细菌与速效钾含量呈显著负相关；放线菌与有机碳含量呈极显著负相关，与全钾和速效钾含量呈显著负相关；真菌与有机碳、全钾、速效钾含量呈显著正相关，总体上看，土壤酶、微生物数量以及微生物量碳/氮和土壤养分等具有较强的相关性，可以用来指示该区域土地不同利用方式下土壤质量的演变特征。

4 结 论

在荒地、耕地、退耕还草地、林草间作地、楸树林地5种土地利用方式下，土壤不同养分含量存在差异，全磷含量为退耕还草地最高，有效磷含量为耕地最高，全氮、全钾、有机碳、碱解氮含量均为林草间作地最高，速效钾含量为楸树林地最高。5种土地利用方式土壤微生物量碳含量为林草间作地>退耕还草地>楸树林地>耕地>荒地；荒地的土壤微生物量碳含量显著小于楸树林地、退耕还草、耕地和林草间作，与荒地相比，林草间作和退耕还草的土壤微生物量碳分别提高2.46倍和2.02倍。微生物量氮含量为林草间作地>退耕还草地>楸树林地>耕地>荒地；微生物量氮含量中，荒地的含量显著小于其余4种土地利用方式，且5种土地利用方式的土微生物量氮的平均含量均差异显著。与荒地相比，林草间作地和退耕还草地的土壤微生物量氮分别提高86.92 %和77.07 %。土地不同利用方式土壤微生物数量存在较为明显的差异，表现为细菌>放线菌>真菌。土壤脲酶活性为林草间作地>楸树林地>耕地>荒地>退耕还草地，蔗糖酶活性为荒地>楸树林地>退耕还草地>林草间作地>耕地，磷酸酶活性为林草间作地>荒地>退耕还草地>楸树林地>耕地，过氧化氢酶活性为退耕还草地>林草间作地>楸树林地>耕地>荒地。5种土地利用方式土壤微生物群落的多样性指数以耕第最大，其次是楸树林地、林草间作地、退耕还草地，荒地最低，这种变化趋势与微生物总数的变化不一致。经相关性分析，土壤酶、微生物数量以及微生物量碳氮和土壤养分等具有较强的相关性，可用于表征土壤质量。总的来说，林草间作方式具有较高的土壤微生物活性，说明该土地利用方式能有效改善喀斯特地区的生态环境。