劉 霜,張心昱,*

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100190

植物根際是植物與土壤微生物相互作用最活躍的界面,是研究根系與土壤微生物養(yǎng)分獲取機(jī)制的熱點(diǎn)場(chǎng)所[1]。在根際,受根系分泌物影響,土壤微生物大量富集,植物和微生物分泌的土壤酶能高效催化土壤有機(jī)質(zhì)分解,如,β-葡萄糖苷酶(βG)降解纖維素,將纖維素二糖水解為葡萄糖,為根際土壤微生物提供能量；N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)降解幾丁質(zhì)和肽聚糖,將殼二糖水解為氨基葡萄糖(葡萄糖胺),為植物和微生物提供氮養(yǎng)分。因?yàn)棣翯在纖維素降解,NAG在幾丁質(zhì)降解中起同樣關(guān)鍵作用,并且是土壤碳、氮循環(huán)過程的代表性指示物研究最多[2- 3],因此本文以這兩種水解酶為代表進(jìn)行根際土壤碳氮水解酶活性熱點(diǎn)區(qū)空間分布特征的研究[1]。植物根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)的分布范圍可以代表根系和根際微生物所需能量和養(yǎng)分的空間范圍,而根際土壤的碳氮酶活性的特征則可用來揭示根系和根際微生物能量和氮養(yǎng)分獲取策略。

土壤酶活性已成為量化陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量和功能的重要指標(biāo),而精確、合理、高效的測(cè)定方法是研究的基礎(chǔ)。常用的土壤酶活性測(cè)定技術(shù)測(cè)得的酶活性僅為土壤的最大潛在酶活性,不能準(zhǔn)確反映原位土壤環(huán)境中的真實(shí)活性。土壤原位酶譜法的出現(xiàn)為研究植物根系和根際微生物的養(yǎng)分獲取策略提供了新方法[4]。利用土壤原位酶譜法,Razavi等發(fā)現(xiàn)酸性土壤種植的玉米和扁豆根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)分布規(guī)律顯著不同,玉米由于根尖分泌物豐富,酶活性熱點(diǎn)區(qū)主要集中在根尖(大約2 mm),而扁豆無論是根尖還是根伸長(zhǎng)區(qū)熱點(diǎn)區(qū)都是均勻分布(1—1.5 mm),這是由于扁豆根系各個(gè)部位都能與根瘤菌共生固氮,所以扁豆根系土壤微生物為了固氮而維持一種潛在的均質(zhì)的根際環(huán)境[5]。Liu等通過土壤原位酶譜法研究了將有機(jī)肥施于青藏土壤表面或與土壤混勻兩種處理方式下青藏大麥根系的養(yǎng)分獲取機(jī)制,結(jié)果發(fā)現(xiàn)根際酶活性在有機(jī)肥施于土壤表面時(shí)比將有機(jī)肥與土壤混勻處理更高。這是因?yàn)橛袡C(jī)肥與土壤混勻后植物和微生物要適應(yīng)新的養(yǎng)分來源,降低根對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收以及土壤微生物的活性[6]。Ma等通過土壤原位酶譜法發(fā)現(xiàn)水稻根際土壤磷酸酶熱點(diǎn)區(qū)范圍(3 mm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氮水解酶熱點(diǎn)區(qū)范圍(1.5 mm)[7],Razavi等也發(fā)現(xiàn)玉米和扁豆磷水解酶的熱點(diǎn)區(qū)范圍(2.5—3.5 mm)大于碳氮水解酶熱點(diǎn)區(qū)范圍(分別為1.5—2 mm和1—1.5 mm),這些結(jié)果也表明土壤中的有效磷相對(duì)匱乏,而磷是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子以及細(xì)胞合成腺苷三磷酸(ATP)、核酸磷脂等的重要組分,所以根系和根際微生物對(duì)不同養(yǎng)分元素的需求不同[5]。

中國(guó)西南喀斯特土壤分布區(qū)是世界三大喀斯特土壤分布區(qū)之一,過去由于人地矛盾突出,坡地開墾為耕地,結(jié)果導(dǎo)致土壤侵蝕、養(yǎng)分淋失、土壤質(zhì)量下降,影響植被恢復(fù)。20世紀(jì)初,中國(guó)政府在該區(qū)域坡度>15°的耕地實(shí)施退耕還林、還草政策,過去耕地以種植玉米為主,退耕后,大量雜草(如莎草)生長(zhǎng),部分農(nóng)田退耕后種植牧草,如苜蓿。中國(guó)西南喀斯特土壤類型為石灰土,pH值7—8[8]。受根系分泌物影響,根際土壤酸化,土壤pH低于非根際土壤[9],根際土壤微生物活性更高,根系和根際微生物的養(yǎng)分獲取更高[10]。但是目前關(guān)于喀斯特植物根際不同部位土壤碳、氮酶活性熱點(diǎn)區(qū)的空間分布特征的研究較少,關(guān)于玉米、苜蓿和莎草根尖區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)獲取碳、氮養(yǎng)分的機(jī)制尚不清楚。

本文采用典型喀斯特坡耕地0—20 cm土壤,選擇玉米、苜蓿和莎草進(jìn)行室內(nèi)根盒培養(yǎng)試驗(yàn),利用土壤原位酶譜法分析技術(shù),分析不同植物根際土壤碳氮水解酶活性熱點(diǎn)區(qū)的空間分布規(guī)律。1)因?yàn)橛衩赘当溶俎：蜕莞l(fā)達(dá),根尖分泌物數(shù)量多,所以我們假設(shè)玉米根尖的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍比莎草和苜蓿大；2)由于植物根尖分泌物比根伸長(zhǎng)區(qū)更豐富,我們假設(shè)根尖的水解酶熱點(diǎn)區(qū)范圍要大于根伸長(zhǎng)區(qū)；3)苜蓿為固氮植物,與非豆科的莎草和玉米相比,苜蓿根際土壤分泌氮水解酶獲取氮的需求較低,所以我們假設(shè)苜蓿氮水解酶的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)小于碳水解酶。本研究將揭示喀斯特植被根際土壤碳氮水解酶活性空間分布規(guī)律,可為喀斯特土壤退耕后植被的選擇、地下養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

土壤采集于貴州省普定縣陳旗小流域(26°15′N-26°16′N,105°46′E—105°47′E),平均海拔為1400 m。研究區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫15.1℃,年降水量1390 mm。最高溫7月,最低溫1月,雨季在5月—10月期間。根據(jù)中國(guó)土壤分類,本研究區(qū)土壤類型為石灰土,是美國(guó)發(fā)生分類的松軟始成土[11]。研究區(qū)主要農(nóng)物是玉米、紅薯、大豆等[12]。

在2018年7月,選取2 m×2 m坡耕地樣方4個(gè),每個(gè)樣方間距大于10 m,每個(gè)樣方采用5點(diǎn)混合的方法,采集0—20 cm土壤,將所有采集土壤樣品混勻。土壤含水量13%,pH值 8.27,土壤總碳含量36.7 g/kg,總氮含量2.78 g/kg,總磷含量487 mg/kg,可溶性有機(jī)碳含量29 mg/kg,銨態(tài)氮含量11 mg/kg,硝態(tài)氮含量12 mg/kg,有效磷含量4 mg/kg。

1.2 根盒培養(yǎng)試驗(yàn)

采用室內(nèi)根盒培養(yǎng)的方法,選擇3種植物,即當(dāng)?shù)丶Z食作物玉米(Zeamays)、牧草苜蓿(Cyperusrotundus)及退耕后常見植物莎草(Medicagosativa),在內(nèi)尺寸為20 cm×20 cm×3 cm的根盒中培養(yǎng),每種植物5次重復(fù),總計(jì)15個(gè)根盒。將根盒能打開的一面向上水平放置,把過2 mm篩的土壤緩慢且均勻地填滿根盒,關(guān)閉根盒并垂直輕輕搖動(dòng)土壤,避免土壤分層。用濾紙?jiān)谑覝赜N72 h,挑選長(zhǎng)勢(shì)良好的種子,移種在根盒能打開面的土體表層距頂端1 cm處。將根盒向能打開面傾斜45°放置,保持室內(nèi)溫度(20±1)℃和光照16 h,培養(yǎng)30 d。在培養(yǎng)期間,每天對(duì)根盒稱重,用蒸餾水補(bǔ)充水分,保持土壤含水量控制在田間持水量的60%左右。

1.3 根際土壤原位酶譜分析

在根盒培養(yǎng)30 d后,進(jìn)行根際土壤原位酶譜分析實(shí)驗(yàn)。主要參考Spohn和Kuzykov的方法[13]。用浸泡了含有甲基傘形酮(MUB)的底物溶液浸泡濾膜,當(dāng)特定底物被專一水解酶分解后會(huì)釋放熒光物質(zhì),可以在紫外燈(Philips, TL-D 18W BLB)下顯色。βG活性采用4-甲基傘形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖苷為底物,NAG活性用4-甲基傘形酮酰-乙?；?β-D-氨基葡萄糖苷為底物。將每種底物分別溶解于10 mmol/L MES(化學(xué)分子式：C6H13NO4SNa0.5)緩沖溶液中,緩沖液的pH為8.27,與土壤pH一致。用尺寸為10 cm×10 cm,孔徑為0.45 μm尼龍濾膜(桃園 N66親水尼龍微孔濾膜)浸滿底物,打開根盒,將浸滿βG、NAG底物的濾膜依次覆蓋在根系表面培養(yǎng)1 h,取出后用鑷子輕輕地剔除濾膜表面土壤顆粒,在紫外燈(455 nm)下激發(fā)1 min后照相,照相時(shí)固定相機(jī)(Leica D-LUX 6)、濾膜與紫外燈的距離。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)[14]確定1 h的培養(yǎng)時(shí)間。

為了定量計(jì)算酶譜圖像的酶活性值大小,擬合了不同濃度MUB酶譜圖像的灰度值與酶活性之間的函數(shù)關(guān)系。參考上述根際土壤原位酶譜分析方法,用2 cm×2 cm的濾膜浸滿100 μL 的0、0.5、1、2、3、4、6、8、10 mmol/L 9個(gè)濃度梯度的MUB,根據(jù)濾膜吸收溶液的量及濾膜尺寸計(jì)算各個(gè)濃度濾膜上MUB的量(10-12mol/cm2)。將膜放在紫外燈下激發(fā)1 min后照相,在軟件中分析酶譜圖像。

1.4 酶譜圖像處理過程與數(shù)據(jù)分析

酶譜圖像中酶活性定量分析的方法主要根據(jù)Razavi等[14]的方法進(jìn)行圖像處理。圖像分析的步驟如下,首先,在Image J中將圖像轉(zhuǎn)化為16 bit灰度圖像；然后,確定土壤背景值校正圖像,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線將灰度值轉(zhuǎn)換為酶活性值；最后在Matlab中將酶譜圖像轉(zhuǎn)換成彩色圖像(圖1)。土壤背景值是基于酶譜圖像中非根際土壤的灰度值的平均值計(jì)算,本研究中為50×10-12mol cm-2h-1。

圖1 根盒培養(yǎng)、與底物結(jié)合培養(yǎng)、紫外光激發(fā)成像與酶活性定量過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of rhizo-box cultivation, substrate-combing incubation, Ultraviolet light excitation imaging and enzyme activity quantification

根據(jù)酶譜圖和標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算所有像素的酶活性值,并計(jì)算所有酶譜圖像根系周圍5 mm(沿根尖向上及根伸長(zhǎng)區(qū)向外)的酶活性數(shù)值,經(jīng)統(tǒng)計(jì)軟件分析符合正態(tài)分布,根據(jù)酶活性正態(tài)分布曲線,將大于30%的酶活性定義為熱點(diǎn)區(qū)[15],在本研究中酶活性大于200×10-12mol cm-2h-1為熱點(diǎn)區(qū)。

根據(jù)不同酶活性熱點(diǎn)值下限(200×10-12mol cm-2h-1),計(jì)算3種植物沿根尖向上(記為X)和沿根伸長(zhǎng)區(qū)向外(記為Y)兩個(gè)方向上的碳氮水解酶活性的熱點(diǎn)區(qū)分布范圍,即根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍。由此可得到3種植物根系兩個(gè)部位的碳氮水解酶的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍,取碳、氮水解酶根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)最大值記為Xn和Yn(n=玉米,苜蓿,莎草)。在酶譜圖像中以每種酶的Xn和Yn為半徑設(shè)置緩沖區(qū),其中由最大(Xn,Yn)值組成的緩沖區(qū)面積為該種植物的最大根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)面積,表示植物根系能夠利用土壤碳和氮的潛在根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)面積。并計(jì)算碳或氮水解酶活性熱點(diǎn)區(qū)面積占每種植物最大根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)面積的比值,表示該植物與根際微生物對(duì)土壤碳氮偏好度。公式如下：

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Levene檢驗(yàn)和Shapiro Wilk W檢驗(yàn)3種植物從根沿根尖向上及根伸長(zhǎng)區(qū)向外兩個(gè)方向分布的酶活性,3種植物根尖、根伸長(zhǎng)區(qū)根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍、根系對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分偏好度符合正態(tài)分布及方差齊性。采用單因素方差分析和LSD檢驗(yàn),分析3種植物根尖、根伸長(zhǎng)區(qū)根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍,同一植物不同酶根尖、根伸長(zhǎng)區(qū)根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍,根系對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分偏好度的顯著性分析,P<0.05為差異顯著。所有統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0軟件中進(jìn)行,用SigmaPlot 10.0軟件作圖。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3)。

2 結(jié)果

2.1 不同植物根際土壤酶活性的空間分布

經(jīng)過30 d根盒培養(yǎng)后,根的半徑大小為玉米根(0.45 mm)>苜蓿(0.3 mm)>莎草(0.2 mm)(圖2)?？傮w上,βG的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍是0.93—1.98 mm,NAG的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍是0.59—1.86 mm(圖2和圖3)。其中,碳水解酶活性熱點(diǎn)區(qū)為苜蓿根伸長(zhǎng)區(qū)(1.98 mm)>玉米在根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)(約為1.14 mm)>莎草根伸長(zhǎng)區(qū)(0.93 mm)(圖4)。氮水解酶活性熱點(diǎn)區(qū)為莎草根尖(1.86 mm)>玉米在根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)(約為1.12 mm)>苜蓿根伸長(zhǎng)區(qū)(0.59 mm)(圖4)。該結(jié)果表明苜蓿根際土壤和微生物可能對(duì)能量的需求最強(qiáng)烈,而莎草根際土壤和微生物可能對(duì)氮養(yǎng)分的需求最強(qiáng)烈。

圖2 不同植物根系土壤β-葡萄糖苷酶活性沿根尖向上和根伸長(zhǎng)區(qū)向外分布Fig.2 The distribution of β-glucosidase activities from the root tip upward and the root elongation outward along different plant roots

圖3 不同植物根系土壤N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性沿根尖向上和根伸長(zhǎng)區(qū)向外分布Fig.3 The distribution of N-acetyl glucoaminosidase activities from the root tip upward and the root elongation outward along different plant roots

圖4 三種植物根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)酶活性熱點(diǎn)區(qū)的范圍Fig.4 The rhizosphere extent of hotspot in root tip and root elongation zones for three plants大寫字母(A、B)表示同種酶在不同植物根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍之間的顯著性差異,小寫字母(a、b)表示同種植物不同酶之間的顯著性差異(P< 0.05 LSD檢驗(yàn));βG：β-葡萄糖苷酶β-glucosidase； NAG ：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶 N-acetyl glucoaminosidase

玉米碳氮水解酶活性熱點(diǎn)區(qū)在根尖與根伸長(zhǎng)區(qū)范圍相近(1.13 mm左右)；而苜蓿在根不同部位對(duì)能量和氮養(yǎng)分的需求不同,體現(xiàn)為βG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍是根伸長(zhǎng)區(qū)(1.98 mm)>根尖(1.19 mm),NAG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍為根尖(0.91 mm)>根伸長(zhǎng)區(qū)(0.59 mm)；莎草根不同部位對(duì)能量和氮養(yǎng)分的需求一致為βG、NAG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍均是根尖(1.38—1.86 mm)>根伸長(zhǎng)區(qū)(0.93—1.16 mm)(圖5)。該結(jié)果表明3種植物根際土壤和微生物對(duì)能量和氮養(yǎng)分的需求不同,玉米對(duì)碳氮需求一致,而苜蓿根尖對(duì)氮的需求大,在根伸長(zhǎng)區(qū)對(duì)碳的需求大；莎草則是對(duì)氮養(yǎng)分的需求更大(圖5)。

圖5 三種植物根際β-葡萄糖苷酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性熱點(diǎn)區(qū)的范圍Fig.5 The rhizosphere extent of β-glucosidase and N-acetyl glucoaminosidase activity for three plants*表示同種酶在根系不同部位根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍之間的顯著性差異(P< 0.05 LSD檢驗(yàn))

2.2 植物根系或根際微生物對(duì)土壤碳氮偏好

玉米根際的根系或土壤微生物對(duì)土壤碳和氮偏好度之間無差異(0.8左右)(P>0.05)(圖6)。苜蓿根際的根系或土壤微生物對(duì)碳偏好(0.85)>氮(0.34)(P<0.05)(圖6)。莎草根際的根系或土壤微生物對(duì)氮偏好(0.82)>碳(0.62)(P<0.05)(圖6)。該結(jié)果同樣表明了玉米根際的根系或土壤微生物對(duì)土壤碳、氮偏好無差異,苜蓿則偏好碳,莎草更偏好氮(圖6)。

圖6 植物根系或根際微生物對(duì)土壤碳氮偏好 Fig.6 Soil carbon and nitrogen preferences for plant root or rhizosphere microorganisms *代表同種植物β-葡萄糖苷酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷之間的顯著性差異(P< 0.05LSD檢驗(yàn))

3 討論

3.1 植物根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)碳氮水解酶活性的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍

與假設(shè)1不同的是3種植物的碳氮水解酶最大根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍為是苜蓿>莎草>玉米。雖然在相同的培養(yǎng)條件下,玉米根系半徑(0.45 mm)最粗、且側(cè)根數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同樣是須根系的苜蓿和根系較少的直根系莎草,但是Frank等的研究認(rèn)為玉米側(cè)根多,擴(kuò)大了根系在土壤中的空間分布范圍和對(duì)土壤接觸的總面積。這不僅增加了植物根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收,而且使得玉米比其他植物根系吸水和養(yǎng)分的效率更高[16],因此可能降低了根系和根際微生物通過酶分解有機(jī)質(zhì)獲得碳、氮養(yǎng)分的需求。而苜蓿和莎草根系與土壤接觸面積小,需要借助土壤酶分解有機(jī)質(zhì),間接獲取碳、氮維持自身生長(zhǎng),所以根際土壤酶分布范圍較廣[17]。另外,Zhang等的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)玉米與豆科植物共同種植時(shí),玉米的根生物量和養(yǎng)分利用效率提高,原因就是豆科根際土壤水解酶含量多、分布廣,供給植物和微生物的有效養(yǎng)分含量高,促進(jìn)植物生長(zhǎng)[18]。這也說明根系作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的礦質(zhì)元素的主要吸收器官,其性狀和功能都具有高度的可塑性[19]。在有效養(yǎng)分貧瘠的喀斯特土壤中,豆科植物根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)的范圍最大,與玉米一起種植可能提高二者的養(yǎng)分利用效率。

與假設(shè)2一致的是莎草βG和NAG的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍均是根尖>根伸長(zhǎng)區(qū),這是因?yàn)橹参锔捣置谖镏饕诟鈁20]。根際土壤微生物的生長(zhǎng)和活性主要受分泌物的限制,所以根尖土壤微生物數(shù)量和代謝活性往往較高[21]。根系在穿透土壤過程中大量的細(xì)胞液和有機(jī)酸被釋放出來[22],供土壤微生物吸收的小分子礦物質(zhì)元素含量豐富[23],因此根尖土壤微生物活性高,βG和NAG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍在根尖>根伸長(zhǎng)區(qū)。

與假設(shè)2部分一致的是本研究發(fā)現(xiàn)苜蓿NAG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍為根尖>根伸長(zhǎng)區(qū),但是βG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍卻相反,為根尖<根伸長(zhǎng)區(qū),這與Razavi等發(fā)現(xiàn)扁豆根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍NAG在根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)無顯著差異不同[5]。因?yàn)槎箍浦参锔档母龆喾植荚诟扉L(zhǎng)區(qū)[24],為了滿足微生物固氮所需的能量,根系和根際微生物分泌碳水解酶較多,這可能是根伸長(zhǎng)區(qū)的βG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)分布范圍大于根尖的原因。相對(duì)地,根尖附近的土壤微生物受土壤氮養(yǎng)分限制[25],微生物分泌更多的NAG酶礦化有機(jī)氮,以滿足根系和根際微生物對(duì)氮養(yǎng)分的需求,所以根尖的NAG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍較大。

與假設(shè)2不一致的是玉米βG和NAG根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)在根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)范圍相近?？赡苁且?yàn)橛衩讉?cè)根發(fā)達(dá),側(cè)根之間的分泌物相互影響降低根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)的空間異質(zhì)性[26],所以根尖和根伸長(zhǎng)區(qū)水解酶根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍差異不顯著。

3.2 植物根系或根際微生物對(duì)土壤碳氮偏好

與假設(shè)3一致的是苜蓿根際對(duì)碳的偏好大于氮,這與Razavi等發(fā)現(xiàn)扁豆根系對(duì)碳的需求高于對(duì)氮的需求一致[5],與土壤微生物分泌酶的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理一致,即苜蓿根系通過與根瘤菌共生來滿足對(duì)氮的需求,那么根際土壤分泌的酶則優(yōu)先滿足其他限制性因素(如碳)的需求[27]。另外,莎草根際對(duì)氮的偏好大于碳,這主要受喀斯特坡耕土壤氮養(yǎng)分限制影響[25]。土壤有效氮含量低,莎草根系和根際微生物分泌大量氮水解酶來獲取氮養(yǎng)分[23]。但是研究發(fā)現(xiàn)玉米根際對(duì)碳氮偏好相近,主要受玉米根分泌物影響。Benizri等發(fā)現(xiàn)玉米根系分泌物能強(qiáng)烈刺激土壤微生物生長(zhǎng),改變微生物進(jìn)化,使得根際微生物能高效利用分泌物中的養(yǎng)分,實(shí)現(xiàn)根系與微生物之間的高利用效率[28]。

4 結(jié)論

在喀斯特農(nóng)田土壤中,玉米、苜蓿和莎草3種植物根系和根際土壤微生物對(duì)能量和氮養(yǎng)分的利用策略不同。玉米碳氮水解酶根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍相近且根際的碳氮養(yǎng)分偏好一致。莎草氮水解酶的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍大于碳水解酶,根際偏好氮養(yǎng)分需求。而苜蓿碳水解酶的根際酶活性熱點(diǎn)區(qū)范圍大于氮水解酶,根際偏好碳需求。因?yàn)榭λ固赝烁赝寥赖B(yǎng)分貧乏,退耕后種植苜?？梢跃徑獾枨?有助于喀斯特生態(tài)恢復(fù)。但是不同植物之間相互作用能否提高植物的養(yǎng)分利用效率、對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響以及植物根分泌物對(duì)根際關(guān)鍵微生物和功能基因的影響尚未可知,本研究的土壤原位酶譜法為在根際尺度上微生物機(jī)制研究提供先進(jìn)技術(shù)。