田 磊

(商丘市園林綠化中心，河南 商丘 476000)

根系是植物的主要器官之一，不僅能從根際環(huán)境吸收養(yǎng)分和水分維持植物體的正常生長[1-2]，同時還向根際環(huán)境釋放大量有機物，包含碳水化合物、氨基酸、有機酸和多種酶等物質[3-4]。這些根系分泌物是植物根際環(huán)境物質循環(huán)的重要組成部分，也是保持根際微生物生態(tài)系統(tǒng)活力的關鍵因素[5]。根系分泌物通過改變根際環(huán)境土壤的理化性質，增加各種養(yǎng)分的生物有效性，促進養(yǎng)分的轉化和傳遞，有助于提高土壤酶活性和微生物含量，緩解設施土壤連作障礙，從而促進植物的生長發(fā)育[6-8]。土壤酶和微生物數(shù)量是土壤肥力和質量的生物活性指標，決定根際土壤各種物質的循環(huán)和代謝速率，對森林生態(tài)系統(tǒng)能量轉化和生態(tài)平衡具有重要作用[9]。根系分泌物中的氨基酸和維生素等物質可為根際微生物提供大量的能量，影響土壤微生物的種類和數(shù)量及土壤酶的活性[10-12]。研究表明，不同脅迫環(huán)境、植物種類、根際環(huán)境的理化性質和氣候環(huán)境等因素均會影響根系分泌物的數(shù)量和性質，但有關不同林齡根系分泌物對土壤微生物和酶活性的研究相對較少[13]，為此，試驗在野外原位條件下獲取根系分泌物，分析不同林齡下泡桐根系分泌物對土壤酶活性及微生物的影響，旨在進一步了解不同林齡土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，為泡桐天然林和人工林撫育提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗在商丘市應天公園進行，該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，年均溫14.2 ℃，夏季多雨，全年降雨量623 mm，無霜期211 d，年均日照時間1 944 h。因該地處于黃河沖積平原，地勢平坦，海拔30～70 m。植被主要以人工林為主，優(yōu)勢樹種主要有楊樹、落葉松、泡桐、榆樹、槐樹等。土壤肥沃，土質屬于中壤土和重壤土，偏弱堿性。土壤有機質含量為15.3 g/kg，堿解氮含量為189 mg/kg，速效磷含量為20.8 mg/kg，速效鉀含量為142 mg/kg。

1.2 試驗設計

1.2.1 根系分泌物提取

2019年8月1日收集根系分泌物，選擇5 a、10 a和15 a的泡桐人工林作為研究對象，每個處理選擇5株泡桐進行根系分泌物提取。采用Dessureault-Rompre 等[14-15]設計的帶有真空微吸管的根管，用于原位抽提根際土壤溶液。選取直徑小于5 mm的細根放入裝有營養(yǎng)液的微吸管中。微吸管在使用前用去離子水沖洗管徑，蓋上筒帽并用保鮮膜包裹針筒，防治土壤內的小分子物質流入針筒。將處理好的根系分泌物收集微吸管埋入土中，試驗全程保持泡桐根系不脫離植株，并保證其完整性。為保證根系分泌物收集完全，每隔24 h用真空泵抽濾1次，注入10 mL營養(yǎng)液培養(yǎng)，連續(xù)收集3 d后，將收集液過濾后進行低溫保存。

1.2.2土壤處理

取樹冠范圍內0～20 cm土層深度的土壤500 g，清除雜質后進行陰干、過篩，每個處理取土壤50 g放入250 mL的三角瓶內。取收集的泡桐根系分泌物5 mL加入10 mL去離子水進行土壤處理，設置5 a、10 a、15 a 3個處理，以不進行根系分泌物處理的土壤作為對照(CK)，重復3次。將處理好的土壤放在25 ℃人工培養(yǎng)箱培養(yǎng)15 d，每天根據(jù)土壤水分散失情況及時補充去離子水，使土壤保持濕潤，各處理重量保持不變。

1.3 測定項目與方法

培養(yǎng)15 d后，將各處理土壤過2 mm篩后測定速效氮磷鉀、土壤有機質含量，土壤脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶、轉化酶活性和細菌、放線菌、真菌數(shù)量[16-18]。土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，堿解氮含量采用簡介擴散法測定，速效鉀含量采用火焰光度法測定，速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定，轉化酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板分離計數(shù)法測定，放線菌數(shù)量采用高氏1號培養(yǎng)基培養(yǎng)法測定，細菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)法測定，真菌數(shù)量采用孟加拉紅培養(yǎng)基培養(yǎng)法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 Excel 2013和SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，采用單因素方差分析(ANOVA)各指標的顯著性，對數(shù)據(jù)進行相關性分析，并采用回歸模型擬合微生物數(shù)量與土壤酶活性的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同林齡泡桐根系分泌物對土壤肥力的影響

泡桐根系分泌物對土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的影響較大，并隨著林齡的增加呈先增加后降低趨勢。與CK處理相比，5 a、10 a、15 a泡桐根系分泌物對土壤有機質含量增加效果顯著，分別增加了27.75%、61.27%、47.50%，差異均達到顯著水平。土壤堿解氮含量以10 a處理最高，達到225.59 mg/kg，比CK處理增加了57.48%，差異顯著；5 a和15 a處理分別比CK處理增加了13.91%、23.40%，但差異不顯著。5 a和10 a處理的土壤速效磷含量分別比CK處理增加了16.44%、22.22%，差異顯著；15 a處理的速效磷含量比CK處理增加了2.44%，但差異不顯著。土壤速效鉀含量以10 a處理最高，比CK處理增加了40.38%；其次是5 a處理，比CK處理中增加了15.24%，差異顯著。15 a處理的土壤速效鉀含量雖比CK處理增加了8.00%，但差異不顯著(圖1)。

圖1 不同處理對土壤肥力的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil fertility

由此可見，不同林齡根系分泌物在一定程度上增加了土壤有機質含量，提高了堿解氮、速效磷和速效鉀含量，并隨著泡桐林齡的增加呈先增加后降低趨勢，試驗條件下以10 a處理效果最佳。

2.2 不同林齡泡桐根系分泌物對土壤酶活性的影響

不同林齡泡桐根系分泌物對土壤酶活性具有不同程度的促進作用。土壤脲酶活性隨著泡桐林齡的增加呈先增加后降低趨勢，與CK處理相比，5 a、10 a、15 a處理分別增加了19.67%、37.56%、13.46%，差異顯著。土壤過氧化氫酶活性以10 a處理最高，比CK處理增加了31.64%；其次是15 a處理，過氧化氫酶活性比CK處理增加了29.23%；5 a處理的過氧化氫酶活性比CK處理增加了18.10%，差異均達到顯著水平。土壤轉化酶活性隨著泡桐林齡的增加變化不大，與CK處理相比，5 a、10 a和15 a處理的轉化酶分別增加了5.78%、7.88%、4.14%，但差異均不顯著。土壤磷酸酶活性隨著泡桐樹齡的增加呈逐漸降低趨勢，與CK處理相比，5 a、10 a、15 a泡桐根系分泌物土壤磷酸酶活性分別增加了41.49%、25.05%、9.62%，其中5 a和10 a處理與CK處理的差異達到顯著水平，15 a處理與CK處理差異不顯著(圖2)。

圖2 不同處理對土壤酶活性的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil enzyme activity

由此可見，不同林齡泡桐根系分泌物有助于增加土壤脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶的活性，土壤轉化酶的活性變化不顯著。試驗條件下以10 a處理效果較佳。

2.3 不同林齡泡桐根系分泌物對土壤微生物數(shù)量的影響

根系分泌物能增加土壤微生物數(shù)量，并隨著泡桐樹齡呈先增加后降低趨勢。與CK處理相比，5 a、10 a、15 a泡桐根系分泌物處理的土壤細菌數(shù)量分別增加了14.67%、60.37%、38.43%，差異顯著；土壤放線菌數(shù)量分別增加了15.97%、94.56%、60.66%，除5 a處理外，其余處理與CK處理差異均達到顯著水平；土壤真菌數(shù)量分別增加了13.29%、53.72%、49.22%，其中10 a和15 a處理與CK處理差異達到顯著水平(圖3)。

圖3 不同處理對土壤微生物數(shù)量的影響Fig.3 Effects of different treatments on the number of soil microorganisms

從土壤細菌、放線菌和真菌所占比例來看，隨著泡桐林齡的增加，不同處理土壤細菌比例逐漸降低，CK、5 a、10 a和15 a處理細菌數(shù)量的比例分別為74.45%、74.54%、73.68%、72.51%；土壤放線菌的比例呈先增加后降低趨勢，CK、5 a、10 a和15 a處理放線菌數(shù)量的比例分別為8.26%、8.36%、9.92%、9.34%；土壤真菌的比例呈增加趨勢，CK、5 a、10 a和15 a處理真菌數(shù)量的比例分別為17.29%、17.10%、16.40%、18.15%(圖4)。

圖4 不同處理的土壤微生物比例Fig.4 Proportion of soil microorganisms of different treatments

由此可見，不同林齡泡桐根系分泌物可以增加土壤真菌、細菌和放線菌的數(shù)量，并隨著泡桐林齡的增加呈先增加后降低趨勢，并以10 a處理的土壤微生物數(shù)量最多。在試驗條件下，細菌比例為72.51%～74.54%，放線菌比例為8.26%～9.92%，真菌比例為16.40%～18.15%。

2.4 土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性、肥力的相關性

土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性、有機質、速效氮磷鉀之間存在一定的相關性，其中土壤細菌、放線菌和真菌與土壤有機質的相關性達到極顯著水平；細菌和放線菌與堿解氮的相關性達到極顯著水平；細菌與脲酶、過氧化氫酶和速效鉀的相關性達到顯著水平；放線菌數(shù)量與脲酶、過氧化氫酶的相關性達到顯著水平；真菌數(shù)量與過氧化氫酶和堿解氮含量達到顯著水平(表1)。

表1 土壤微生物與土壤酶活性和肥力的相關系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient of soil microorganism,soil enzyme activities and soil fertility

土壤酶活性與土壤有機質、速效氮磷鉀之間存在一定的相關性。其中土壤脲酶與堿解氮、速效磷和速效鉀達到極顯著水平，與有機質達到顯著水平；過氧化氫酶與有機質含量的相關性顯著；土壤轉化酶與土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量相關性達到顯著水平；磷酸酶與速效磷的相關性達到顯著水平(表2)。

表2 土壤酶活性與土壤肥力的相關系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of soil enzyme activity and soil fertility

由此可見，土壤微生物、酶活性和土壤有機質、速效氮磷鉀之間的相關系數(shù)均呈正相關，且相關性較高，即土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量可以作為土壤肥力高低的重要指標。

3 結論與討論

林木根系分泌物能夠促進土壤養(yǎng)分的釋放，提高養(yǎng)分有效性，增加土壤中速效養(yǎng)分的含量[19]。本研究結果表明，不同林齡泡桐根系分泌物均能不同程度地增加土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量，5 a、10 a、15 a處理泡桐根系分泌物均可促進土壤中速效氮磷鉀的釋放，并以10 a處理效果較佳，與CK處理相比，土壤有機質含量增加了61.27%，土壤速效氮、磷、鉀分別增加了57.48%、22.22%、40.38%，差異顯著。這與易艷靈等[20]研究結果一致，說明林木根系分泌物能夠增加土壤有機質，促進速效養(yǎng)分的釋放。

土壤酶是土壤最活躍的有機成分，參與土壤中各種生物化學過程，對土壤肥力的演化具有重要作用[21]。研究結果表明，泡桐根系分泌物能夠促進土壤酶活性，且隨著泡桐林齡的增加呈先增加后降低趨勢，并以10 a處理效果最佳。與CK處理相比，土壤脲酶活性增加了37.56%、過氧化氫酶活性增加了31.64%、磷酸酶活性增加了25.05%，差異顯著；土壤轉化酶活性增加了7.88%，但差異不顯著。土壤酶活性與土壤有機質、速效氮磷鉀之間呈正相關關系，其中土壤脲酶與堿解氮、速效磷和速效鉀相關性達到極顯著水平，與有機質相關性達到顯著水平；過氧化氫酶與有機質含量的相關性顯著；土壤轉化酶與土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量相關性達到顯著水平；磷酸酶與速效磷的相關性達到顯著水平。這說明土壤酶直接參與土壤中養(yǎng)分的釋放和固定，與土壤肥力狀況密切相關，這與劉巖[22]的研究結果基本一致。表明根際環(huán)境土壤酶活性與土壤有機質、速效氮磷鉀等營養(yǎng)元素密切相關，根際土壤酶研究對于探討植物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。

植物根系分泌物決定根際微生物的種類和分布，而根際微生物的群落結構對植株生長發(fā)育具有重要作用[23-24]。研究結果表明，泡桐根系分泌物均能不同程度地提高土壤微生物群落的數(shù)量，并隨著泡桐林齡的增加呈先增加后降低趨勢。試驗條件下以10 a處理效果最佳，與CK處理相比，土壤細菌數(shù)量增加了60.37%，土壤放線菌數(shù)量增加了94.56%，土壤真菌數(shù)量增加了53.72%，差異顯著；從土壤真菌、細菌和放線菌所占比例來看，土壤細菌占73.68%、放線菌占9.92%、真菌占16.40%，放線菌比例明顯增加，說明根系分泌物為根際微生物的生長和繁殖提供了能源，直接影響土壤微生物的數(shù)量和種群結構。土壤微生物與土壤有機質、速效氮磷鉀之間存在顯著的正相關關系，土壤細菌、放線菌和真菌與土壤有機質的相關性達到極顯著水平，細菌和放線菌與堿解氮的相關性達到極顯著水平；細菌與速效鉀的相關性達到顯著水平，土壤真菌數(shù)量和堿解氮含量相關性達到顯著水平，說明根系分泌物對土壤養(yǎng)分的釋放與土壤微生物的結構和數(shù)量密切相關，根系分泌物中的氨基酸、酚類、有機酸等代謝產(chǎn)物作為營養(yǎng)物質促進了土壤細菌、真菌和放線菌的繁殖[25-27]，土壤中的固氮菌、解磷菌、解鉀菌等可促進難溶態(tài)氮、磷、鉀的釋放，從而提高土壤肥力，因此，土壤微生物數(shù)量可作為土壤肥力的重要指標。

綜上所述，泡桐根系分泌物對提高土壤酶活性，增加土壤微生物數(shù)量，培肥地力具有重要作用，并隨著林齡的增加呈先增加后降低趨勢，試驗以10 a樹齡效果最佳，而關于根系分泌物與微生物群落結構和數(shù)量的關系和機理需要進一步研究。