謝 云，郭芳蕓，曹 兵

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川750021）

0 引言

20世紀以來，全球大氣CO2濃度快速增加，預(yù)測到21世紀末大氣中CO2濃度將會達到700 μmol/mol左右[1]。CO2是植物進行光合作用的重要原料，大氣CO2濃度增加必然會影響陸地生態(tài)物質(zhì)循環(huán)（植物-土壤-微生物）[2-3]。評估大氣CO2濃度升高對整個生態(tài)系統(tǒng)的影響，也需要分析其對土壤微生物的影響研究。

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，細菌、真菌、放線菌則是土壤中所占比例最大的微生物[4]。土壤微生物對分解轉(zhuǎn)化有機物、貯存營養(yǎng)物質(zhì)、保持土壤結(jié)構(gòu)等具有重要作用；而土壤中的酶參與碳氮循環(huán)、硫磷等微量元素的轉(zhuǎn)化、植物養(yǎng)分供應(yīng)等過程，是影響土壤微生物作用發(fā)揮的主要因素之一[5-6]。因此，土壤酶與土壤微生物是反映土壤新陳代謝的重要指標，可直接用來評價土壤質(zhì)量、肥力以及能量代謝強弱等[7]。土壤微生物活動、土壤酶活性會影響植物對土壤中營養(yǎng)元素和水分等的吸收，進而影響生長代謝；而其數(shù)量和活性又受到氣候、土壤環(huán)境、植物種類等的影響。

大氣CO2濃度升高對植物生理生態(tài)的影響已成為植物非生物脅迫生理的研究熱點之一[8]，但其必然也會導(dǎo)致土壤環(huán)境變化進而影響土壤微生物。近年來，國內(nèi)外對有關(guān)土壤微生物群落對大氣CO2濃度升高的動態(tài)變化仍具有一定的矛盾。Wu等[9]對大氣CO2濃度升高處理的水稻土壤微生物群落進行測定發(fā)現(xiàn)，微生物群落顯著增加；Yang等[10]發(fā)現(xiàn)長期CO2濃度升高處理下加利福尼亞草原的土壤微生物多樣性會顯著降低，也有研究表明大氣CO2升高對土壤微生物并沒有明顯影響[11]。目前關(guān)于大氣CO2濃度增加對于土壤酶活性的影響的研究結(jié)果也存在著一定的差異，有研究結(jié)果表明[12]，CO2濃度倍增使土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性顯著降低，但是大多數(shù)研究指出大氣CO2濃度增加能夠明顯提高土壤酶活性[8,13]。因此，大氣CO2濃度增加對土壤微生物影響因土壤條件、栽培植物種類等而異。本試驗以寧夏枸杞(Lycium barbarumL.)為試驗材料，在前期研究的基礎(chǔ)上[14-16]，測定分析CO2濃度倍增處理下寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量以及土壤酶活性的變化，以期為揭示氣候變化對木本植物根區(qū)土壤微生物的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)永寧縣寧夏大學(xué)實驗農(nóng)場試驗點(N38°13′50.34′′，E106°14′22.19′′)，海拔116.86 m，隸屬寧夏平原中部地區(qū)，氣候類型為溫帶干旱性氣候，年均溫8.7℃，年降水量201.4 mm，雨季集中于5—8月份。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗采用單因素實驗設(shè)計，設(shè)置3個CO2濃度梯度：自然環(huán)境大氣CO2濃度(CK，400±20 μmol/mol)、0.5倍增大氣CO2濃度(TR1，600±20 μmol/mol)，1倍增大氣CO2濃度(TR2，800±20 μmol/mol)，每處理3重復(fù)，利用開頂氣室(Open top chamber,OTC)控制CO2濃度倍增的環(huán)境[17]，共計9個氣室

2019年3月，選擇長勢均勻的9株‘寧杞1號’扦插苗均勻種植于每個氣室中，供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。病蟲害防治、施肥灌水除草等栽培管理均與大田一致。5月對氣室進行通氣處理，每天通氣12 h(8:00—20:00)，利用CO2傳感器實現(xiàn)濃度控制。2019年10月試驗處理結(jié)束。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.3 測定指標與方法

1.3.1 樣品采集及預(yù)處理 分別對處理后30、60、90、120天的土壤利用五點取樣法進行取樣，利用土鉆取樣，取樣深度為0～40 cm土層，將同一氣室樣品混合后作為一個樣本，去雜過篩后置于消毒后的聚乙烯自封袋中，利用冰盒將其帶回實驗室進行測定土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性，剩余土壤于4℃冰箱保存。

1.3.2 土壤微生物數(shù)量測定 土壤微生物數(shù)量均采用稀釋平板法[18]測定。土壤細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；放線菌采用改良高氏一號合成培養(yǎng)基；真菌用馬丁培養(yǎng)基進行培養(yǎng)。

土壤微生物數(shù)量的計算見公式(1)。

其中菌數(shù)的單位為CFU/g。

1.3.3 土壤酶活性測定 本試驗測定2種氧化還原酶（過氧化氫酶、多酚氧化酶）和2種水解酶（轉(zhuǎn)化酶、脲酶），具體測定方法[19]如下：

過氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法進行測定，酶活性以24 h內(nèi)單位土重消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)(mL)表示，活性單位為mL/(g·d)。

多酚氧化酶活性采用沒食子素比色法測定，酶活性以24 h內(nèi)單位土重單位時間產(chǎn)生的紫色沒食子素質(zhì)量(mg)表示，活性單位為mg/(g·d)。

土壤轉(zhuǎn)化酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法，以24 h后每單位土重消耗0.1 mol/L硫代硫酸鈉的毫升數(shù)（對照與試驗測定之差）表示，活性單位為mL/(g·d)。

脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，以24 h后每單位土重產(chǎn)生NH4+-N的質(zhì)量(mg)表示，活性單位為mg/(g·d)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和通徑分析，SPSS 21.0進行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析，Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣CO2濃度倍增對寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物對于揭示全球氣候變化對于陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響是不可或缺的組成部分之一[20]。由圖1可知，不同時期CO2濃度倍增處理條件下土壤微生物數(shù)量分布均一致，微生物群落數(shù)目均以細菌(63.24×106～212.61×106CFU/g)居優(yōu)勢 ，放線菌(104.65×104～208.96×104CFU/g)次之，真菌(4.81×10～63.25×10CFU/g)數(shù)量在土壤微生物總數(shù)量中占有比例最小。圖1顯示，CO2濃度倍增處理的真菌數(shù)量顯著低于對照，表明隨著CO2濃度的增加，寧夏枸杞根區(qū)土壤真菌數(shù)量在數(shù)量呈遞減趨勢；而土壤細菌數(shù)量卻顯著高于對照；放線菌數(shù)量在處理前期顯著增加，后期差異不顯著；土壤微生物總數(shù)量變化同細菌。

圖1 CO2濃度倍增對寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

在寧夏枸杞根區(qū)土壤中，土壤微生物總數(shù)量在整個處理期間呈先上升后下降的趨勢，處理90天時達到最大值，30天時土壤微生物數(shù)量最低。處理60、90、120天時真菌數(shù)量均表現(xiàn)出CO2處理組顯著低于自然環(huán)境大氣CO2濃度處理，細菌均顯著高于對照，放線菌在處理90天、120天時無顯著性變化。

2.2 大氣CO2濃度倍增對寧夏枸杞根區(qū)土壤酶活性特征的影響

土壤酶來源于動植物殘體的分解與微生物的作用，在反映土壤中能量代謝旺盛程度和土壤肥力水平方面起著重要作用[21]。由圖2可知，不同CO2濃度處理寧夏枸杞根區(qū)土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性各異。CO2濃度倍增處理的3種酶活性均高于對照，分別為過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶，其中1倍增CO2濃度處理下3種酶活性較對照分別升高了73.33%、18.27%、39.18%，故變化趨勢為過氧化氫酶＞轉(zhuǎn)化酶＞脲酶；而多酚氧化酶較對照降低了29.92%。

圖2 CO2濃度倍增對寧夏枸杞根區(qū)土壤中酶活性的影響

整個處理時間內(nèi)，寧夏枸杞根區(qū)過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶變化趨勢相同，處理30天時，CO2濃度倍增處理與自然環(huán)境大氣CO2濃度之間土壤過氧化氫酶，脲酶活性差異顯著，轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性差異不顯著。隨著通氣時間的延長，過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶3種酶活性CO2濃度倍增處理較對照顯著增加，多酚氧化酶顯著低于自然環(huán)境大氣CO2濃度。

2.3 寧夏枸杞根區(qū)土壤酶活性與微生物數(shù)量的通徑分析

氣候變化引起植物凋落物及根系分泌物的變化，進而影響土壤生物學(xué)多樣性，而土壤酶活性則是評價土壤生物學(xué)多樣性的重要指標之一[22]。由表2可知，土壤真菌數(shù)量的影響因素主要是脲酶活性，直接影響力為-0.6990；土壤細菌數(shù)量主要是通過過氧化氫酶，脲酶，轉(zhuǎn)化酶3種酶活性起作用，直接影響力分別為0.3710，-0.3690，0.3550；而放線菌數(shù)量主要由過氧化氫酶和脲酶起作用，直接影響力均為0.4180。

根據(jù)表2得出，寧夏枸杞根區(qū)土壤酶活性對真菌數(shù)量的直接影響力為脲酶＞多酚氧化酶＞轉(zhuǎn)化酶＞過氧化氫酶；對細菌數(shù)量的直接影響力排序依次為過氧化氫酶＞脲酶＞轉(zhuǎn)化酶＞多酚氧化酶；放線菌數(shù)量排序依次為過氧化氫酶=脲酶＞轉(zhuǎn)化酶＞多酚氧化酶；土壤酶活性對微生物總數(shù)量的直接影響力排序與細菌一致。

表2 土壤酶活性對土壤微生物數(shù)量的通徑系數(shù)

2.4 寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性分析

由于土壤微環(huán)境的特殊性，土壤微生物與酶活性之間關(guān)系復(fù)雜，由表3可知，土壤微生物數(shù)量與脲酶活性呈顯著相關(guān)性，而與其他酶活性均相關(guān)且不顯著。其中，真菌與脲酶呈顯著負相關(guān)，細菌在0.5倍增和1倍增處理下與脲酶呈顯著負相關(guān)，而放線菌只在0.5倍增處理下與脲酶呈顯著負相關(guān)。隨著CO2濃度的升高，土壤中微生物數(shù)量與酶活性的相關(guān)性也隨之增強。

表3 CO2濃度倍增下寧夏枸杞根區(qū)土壤中酶活性與微生物數(shù)量之間的相關(guān)性

3 討論

植物是影響土壤微環(huán)境結(jié)構(gòu)格局的主導(dǎo)因素，土壤微生物數(shù)量是直接影響土壤的生化活性及肥力的重要指標，而植物根系碳輸入則是驅(qū)動土壤微生物群落變化的主要因子[23]。本試驗中，大氣CO2濃度倍增使土壤微生物總數(shù)量顯著增加，真菌數(shù)量顯著降低，而放線菌在處理前期會顯著增加，后期無顯著性變化。究其原因，大氣CO2濃度升高增強寧夏枸杞的光合速率，增加植物生物量，從而固定更多的碳，將這部分同化物通過根際沉積作用運送到地下部分，為土壤微生物提供更多碳源，進而有利于微生物的生長繁殖[11,24]。土壤微生物通過固定氮素、釋放難溶礦質(zhì)中的營養(yǎng)元素、提高植物的抗逆性、降解污染物并減少毒性、促進腐殖酸的形成、產(chǎn)生植物激素和提供物理屏障從而減少病原物侵害七個方面促進植物生長[25]。對于真菌數(shù)量減少的研究結(jié)果，可能與土壤中二氧化碳濃度增加，從而導(dǎo)致氧氣的含量降低，不足以供應(yīng)真菌的生長有關(guān)。不同的植物類型，其凋落物及根系分泌物的性狀不同，影響微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及其多樣性[26]。土壤微生物的數(shù)量和組成不同，會引起土壤酶活性在質(zhì)和量上的差異。

土壤酶的酶促作用對于土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和礦質(zhì)化作用起著重要作用，而影響土壤酶活性的因素有很多，比如植物種類及群落、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物以及季節(jié)性變化等，并且很多研究均已證實這一點[27-30]。本試驗結(jié)果顯示，寧夏枸杞根區(qū)土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶在不同CO2濃度處理下的活性均不同，CO2濃度倍增顯著提高土壤酶活性，尤其水解酶活性，這與李奕菲等[31]的研究結(jié)果一致，但與Kumar等[23]研究發(fā)現(xiàn)升高CO2濃度對土壤酶活性并沒有明顯的影響的結(jié)果相反。有研究表明[32-33]，大氣CO2濃度增加顯著提高植物的光合速率，生長代謝水平，引起植株和根系生物量的增加，根系分泌物種類和數(shù)量的改變，而土壤酶的活性增加與植物根系分泌物的增加顯著相關(guān)。張玉蘭等[34]研究發(fā)現(xiàn)不同植物種類的土壤酶活性應(yīng)對CO2濃度增加的響應(yīng)方式具有一定差異，從而表明土壤酶活性受植物影響較大。CO2濃度倍增刺激寧夏枸杞根區(qū)土壤過氧化氫酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性增加，而多酚氧化酶的活性卻顯著降低。多酚氧化酶的活性與土壤的腐質(zhì)化程度呈負相關(guān)，高濃度的大氣CO2濃度影響土壤微生物數(shù)量增加，從而加速土壤的腐質(zhì)化進程，多酚氧化酶在微生物轉(zhuǎn)化有機質(zhì)時起著重要作用[35]。任欣偉等[36]，周婭等[37]研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度增加會顯著影響轉(zhuǎn)化酶、脲酶、脫氫酶以及酸性磷酸酶的活性，這與植物殘體及根系分泌物以及土壤微生物的活動密切相關(guān)。

土壤微生物與土壤酶活性之間相互影響，關(guān)系復(fù)雜[25]，不同類型的土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量之間存在程度不同的相關(guān)性[38]。寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性均呈不同程度的相關(guān)性，其中真菌數(shù)量與脲酶活性呈顯著負相關(guān)，與其他酶類無顯著相關(guān)性。隨著CO2濃度的升高，土壤中細菌數(shù)量與脲酶的相關(guān)性也隨之增強，放線菌前后無明顯變化。寧夏枸杞對不同CO2濃度處理的響應(yīng)不同，產(chǎn)生根系分泌物的組成和數(shù)量也具有差異，對土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性都會產(chǎn)生特定的影響。田然等[33]發(fā)現(xiàn)土壤微生物的活動與土壤轉(zhuǎn)化酶有著顯著的相關(guān)性，高濃度CO2增加了植物的生長量、根系生物量和根系分泌物，也為土壤微生物提供基質(zhì)，從而微生物活性增加，間接促進土壤酶活性，反之，土壤酶活性的增強加快土壤中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，可促進土壤微生物活動[39]。

本試驗探討了寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量與酶活性對于大氣CO2濃度倍增的響應(yīng)，下一步將對其寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物的遺傳多樣性進行深入研究，進一步分析土壤微生物的變化與響應(yīng)特征，為揭示全球氣候變化背景下木本植物根區(qū)土壤微生物群落與酶活性之間的關(guān)系及其響應(yīng)提供參考。

4 結(jié)論

（1）CO2濃度倍增使寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量顯著增加，細菌占比最高，而土壤真菌數(shù)量顯著降低。其中，試驗處理期間，土壤微生物數(shù)量總體呈現(xiàn)先增加再降低趨勢，處理90天時土壤微生物總數(shù)量達到最大值。

（2）土壤酶活性也伴隨著CO2濃度倍增的趨勢增加，尤其是過氧化氫酶、脲酶以及轉(zhuǎn)化酶，而多酚氧化酶活性卻顯著降低。

（3）脲酶活性對寧夏枸杞根區(qū)土壤真菌數(shù)量影響最大，過氧化氫酶對細菌和放線菌的影響最大，脲酶次之。過氧化氫酶、脲酶的活性是決定寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量的重要指標。

（4）長時間的CO2濃度倍增可能會加劇對寧夏枸杞根區(qū)土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響。