沈育伊, 滕秋梅, 徐廣平 , 孫英杰, 張德楠, 牟芝熠, 周龍武

1)廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所, 廣西桂林 541006;2)廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所, 廣西桂林 541006;3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西桂林 541004;4)廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 廣西桂林 541004

球囊霉素(Glomalin)被認(rèn)為由土壤叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)分泌的一種疏水性糖蛋白質(zhì)(Rosier et al., 2006), 是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分和重要來源(賀海升等, 2015)。由于目前尚未有特定的提取高純度球囊霉素的方法,Rillig(2004)進(jìn)一步建議采用球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Glomalin-related soil protein, GRSP)的新術(shù)語來定義從土壤中提取的以球囊霉素為主的蛋白質(zhì)混合物,用“球囊霉素相關(guān)土壤蛋白”代替球囊霉素更為合適。根據(jù)提取條件可分為總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Total-related soil protein, T-GRSP)和易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Easily extracted-related soil protein,EE-GRSP)(Gillespie et al., 2011)。有研究表明GRSP在土壤團(tuán)聚體形成和土壤碳存儲(chǔ)中存在重要作用(Spohn and Giani, 2011), 有利于提高土壤有機(jī)碳固定能力(吳陽等, 2018)。因此, 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白常被作為表征土壤質(zhì)量和土壤碳庫變化的重要指標(biāo)(張夢(mèng)歌等, 2020)。球囊霉素相關(guān)土壤蛋白廣泛分布于不同的生態(tài)系統(tǒng)中(王健等, 2016), 由于球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的重要生態(tài)功能, 使其在各種生態(tài)系統(tǒng)土壤中的含量和分布引起了人們的廣泛關(guān)注(劉瑾等, 2017)。

生態(tài)系統(tǒng)的波動(dòng), 如全球氣候變暖(Rillig et al.,2002, 2003)以及各種農(nóng)業(yè)管理措施(Wright et al.,1999)對(duì)球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的含量均會(huì)造成影響。土地利用方式的改變可影響土壤結(jié)構(gòu)及土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程, 并顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能(Dayamba et al., 2016; 李強(qiáng), 2021)。唐宏亮等(2009)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn), 土地利用方式不同而導(dǎo)致了球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量的明顯不同。不同土地利用方式變化下, 土壤中球囊霉素相關(guān)土壤蛋白比有機(jī)質(zhì)降解的慢(Preger et al.,2007), 使得球囊霉素相關(guān)土壤蛋白在生態(tài)系統(tǒng)中可以更好地固定碳元素(Quiquampoix and Burns,2007)。GRSP對(duì)不同土壤環(huán)境變化的反應(yīng)可能有所不同, 并受到土地利用方式和植被類型等的影響。不同土壤類型會(huì)導(dǎo)致 GRSP含量顯著差異(賀海生等, 2015), 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量在不同生態(tài)系統(tǒng)中, 可能具有不同的分布特征。

碳封存是實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑之一。濕地土壤中儲(chǔ)存了約550 Pg C, 占陸地土壤碳庫的20%～30%, 是陸地生態(tài)系統(tǒng)極其重要的碳庫之一(Mitsch et al., 2013)。土壤總碳含量是評(píng)價(jià)固碳能力的重要指標(biāo), 但其中球囊霉素相關(guān)土壤蛋白作為有機(jī)碳的重要組成部分, 具有指示有機(jī)碳在濕地固碳能力中的作用。GRSP作為土壤碳組成中不可缺少的一部分, 有助于凝聚土壤顆粒以形成土壤團(tuán)聚體來實(shí)現(xiàn)碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存(Rosier et al., 2006)。土地利用變化對(duì)濕地碳循環(huán)有重要的影響(Edenhofer et al., 2014),土地利用變化是土壤碳庫變化的重要因素之一, 研究濕地不同土地利用方式下 GRSP的分布特征, 對(duì)于評(píng)價(jià)濕地固碳和長(zhǎng)期碳封存能力具有重要的科學(xué)意義。

桂林會(huì)仙巖溶濕地是中國(guó)最大的巖溶濕地之一, 生態(tài)系統(tǒng)脆弱, 在調(diào)節(jié)地區(qū)氣候、涵養(yǎng)水源等方面發(fā)揮著重要作用, 具有特殊的生態(tài)意義和科研價(jià)值(徐廣平等, 2019)。近年來由于人類活動(dòng)的加劇,會(huì)仙巖溶濕地被人們通過排水圍欄等方式開墾為耕地或魚塘等, 土地利用方式的變化對(duì)濕地環(huán)境造成了一定的影響(李世杰等, 2009; 黃科朝等, 2018)。會(huì)仙巖溶濕地的典型水生植物具有一定的碳匯效應(yīng)(沈育伊等, 2021), 會(huì)仙巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱,在受到人為墾殖活動(dòng)等影響下, 不同土地利用方式下球囊霉素相關(guān)土壤蛋白分布特征及其影響因素尚不清楚。因此, 本研究提出以下科學(xué)問題: (1)會(huì)仙巖溶濕地不同土地利用方式下土壤中 GRSP(TGRSP、EE- GRSP)有怎樣的分布特征; (2)探索GRSP與SOC的關(guān)系及不同土地利用方式對(duì)GRSP含量的影響。鑒于此, 本研究選擇會(huì)仙巖溶濕地 5種有代表性的土地利用方式, 通過分析球囊霉素相關(guān)土壤蛋白、土壤SOC和土壤蛋白酶等相關(guān)指標(biāo)在不同土層中的分布特征, 闡明 GRSP對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn), 揭示土地利用方式對(duì)濕地球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的影響, 為巖溶濕地碳封存的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

會(huì)仙巖溶濕地位于廣西桂林市臨桂區(qū)會(huì)仙鎮(zhèn),東至雁山區(qū), 西至臨桂區(qū)四塘鄉(xiāng), 地理坐標(biāo)為北緯25°01′30″—25°11′15″,東經(jīng)110°08′15″—110°18′00″, 海拔 150～160 m, 總面積約 120 km2,是以草本沼澤和湖泊為主的巖溶濕地, 是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的中低海拔大型巖溶濕地之一, 現(xiàn)已規(guī)劃為我國(guó)最大的喀斯特濕地公園。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 年均氣溫 16.5～20.5℃, 極高溫度達(dá) 38.80℃,極低溫度為-3.30℃, 年均降雨量為1 890.4 mm。降雨時(shí)空分布不均, 多集中在每年的3—8月, 形成了春夏雨多而集中, 秋冬少雨干旱的特點(diǎn)。土壤以紅黃壤和紅壤為主, 集中分布于洼地、平原和緩坡,土壤層薄甚至基巖裸露。濕地植被以挺水植被和沉水植被為主, 植物種類較多, 且生長(zhǎng)茂盛, 蓋度常可達(dá) 80%～95%, 主要建群種有蘆葦(Phragmites communis)、華克拉莎(Cladium chinense)、五刺金魚藻(Ceratophyllum demersumvar. oryzelorum)、石龍尾(Limnophila sessiliflora)等(沈育伊等, 2021)。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置和樣品的采集

2020年9月, 選擇會(huì)仙巖溶沼澤濕地, 并由其轉(zhuǎn)變而來的4種不同土地利用方式(水稻田、旱地、果園和棄耕地)為研究對(duì)象, 各選擇3塊40 m×40 m的樣地作為3個(gè)重復(fù), 按照S型方法分別在各樣地中選取5個(gè)代表性樣點(diǎn)采樣土壤樣品, 按0-10 cm,10-20 cm 和 20-40 cm 層次用土壤取樣器(直徑5 cm)分層取土, 同層土壤混勻?yàn)?個(gè)土樣。將采集的樣品1 kg裝入無菌自封袋, 帶回實(shí)驗(yàn)室, 自然風(fēng)干, 去掉土壤中可見植物根系和殘?bào)w等雜物, 過2 mm孔徑的土壤分析篩, 一部分常溫保存用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定, 另一部分在冰箱 4℃保存用于測(cè)定球囊霉素相關(guān)土壤蛋白。

2.2 土壤理化性質(zhì)及GRSP的分析

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤 pH值采用電位法測(cè)定(水土質(zhì)量比為 2.5:l)。土壤有機(jī)碳(SOC)采用TOC儀(島津 5000A, 日本)測(cè)定。全氮(TN)通過德國(guó)Vario ELIII元素分析儀測(cè)定。將采集的新鮮土壤仔細(xì)剔除動(dòng)植物殘?bào)w, 自然風(fēng)干后過2 mm土壤篩,用英國(guó)Malvern公司Mastersize 2000型激光粒度儀測(cè)定土壤粒徑組成。按照土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤分為3個(gè)等級(jí): 粘粒(Clay, ＜0.002 mm)、粉粒(Silt,0.002～0.05 mm)、砂粒(Sand, 0.05～2 mm)。速效氮(AN)用堿解擴(kuò)散法, 速效磷(AP)用碳酸氫鈉浸提,鉬銻抗比色法(鮑士旦, 2000)。土壤蛋白酶(Soil protease, SP)活性用茚三酮比色法測(cè)定(關(guān)松蔭,1986)。

總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白和易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量按照Wright and Upadhyaya(1996)和改進(jìn)后的Janos et al. (2008)方法測(cè)定。總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白提取: 將 0.25 g土樣與 2 mL 50 mmol/L、pH 8.0的檸檬酸鈉加入塑料離心管, 放入高壓滅菌鍋, 于121℃提取1 h后, 9710 r/min離心5 min, 收集上清液; 重復(fù)提取直至離心管內(nèi)上清液不再呈紅棕色為止, 將收集到的上清液在4000 r/min下離心20 min, 置于 4℃下保存?zhèn)淞舴治?。易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白提取: 將 0.25 g土樣與2 mL 20 mmol/L、pH 7.0的檸檬酸鈉溶液加入塑料離心管, 放入高壓滅菌鍋, 于 121℃提取0.5 h 后, 在9710 r/min 條件下離心5 min, 收集上清液, 置于 4℃保存?zhèn)淞舴治?。球囊霉素蛋白的定量分析采用Brad-ford法(Janos et al., 2008; 闕弘等,2015), 考馬斯亮藍(lán)染色液實(shí)驗(yàn)方法主要如下: 稱取0.1 g考馬斯亮藍(lán)G250溶于50 mL 95%的乙醇, 加入100 mL 85%的磷酸, 定容至1000 mL, 使用前需過濾, 用牛血清蛋白BSA作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在Mcrosoft Excel 2007上進(jìn)行, 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析, 采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)比較不同數(shù)據(jù)間差異(α=0.05), 并進(jìn)行 Person法兩兩相關(guān)分析和主成分分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)的變化特征

從表1可知, 土壤理化性質(zhì)在不同土地利用方式及土層間均顯著差異(P＜0.05)。隨著土層深度的增加, 除了pH值、粘粒和砂礫呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)之外, 土壤蛋白酶、有機(jī)碳、全氮、速效氮、速效磷和粉粒均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)(P＜0.05)。在相同土層, 與水稻田、旱地、果園和棄耕地比較, 沼澤的土壤蛋白酶、SOC、TN、AN、AP、pH值和粉粒含量最高(P＜0.05), 砂礫含量最低。

表1 不同土地利用方式下蛋白酶與土壤理化性質(zhì)的變化Table 1 Changes in protease and soil phy-chemical properties under different land use types

總體上, 從0-40 cm土層各指標(biāo)的平均值來看,土壤蛋白酶、SOC、TN、AN、AP、pH值和粉粒含量的大小關(guān)系依次為沼澤＞水稻田＞旱地＞果園＞棄耕地(P＜0.05)。砂礫含量在0-40 cm土層的平均值表現(xiàn)為棄耕地＞果園＞旱地＞水稻田＞沼澤(P＜0.05), 粘粒沒有明顯的變化規(guī)律。雙因素方差分析表明土壤蛋白酶及土壤理化性質(zhì)在不同土地利用方式和土層之間均有差異顯著(P＜0.05), 并且除AP外, 它們之間有顯著的交互作用(表2)。

表2 不同土地利用方式下土壤中球囊霉素相關(guān)土壤蛋白、蛋白酶及土壤因子的二元方差分析Table 2 Two-way analysis of variance (ANOVA) for glomalin-related soil protein, protease content and properties under different land use types

3.2 不同土地利用方式球囊霉素相關(guān)蛋白的分布特征

如表3所示, 隨著土層深度的增加, 不同土地利用方式土壤T-GRSP和EE-GRSP含量均趨于減小(P＜0.05)。沼澤濕地的土壤 T-GRSP和 EE-GRSP含量最高, 棄耕地則最低, 大小關(guān)系依次表現(xiàn)為沼澤濕地＞水稻田＞旱地＞果園＞棄耕地(P＜0.05)。雙因素方差分析表明: T-GRSP和EE-GRSP含量在不同土地利用方式和土層之間均差異顯著, 并且它們之間有顯著的交互作用(表2)。

表3 不同土地利用方式下土壤中球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(GRSP)的分布Table 3 Distributions of glomalin-related soil protein(GRSP) in soils under different land use types

土壤 T-GRSP的含量為 1.08～3.35 mg/g, 0-40 cm土層T-GRSP的平均含量在1.41～2.70 mg/g之間; E-GRSP的含量為0.30～1.17 mg/g, 0-40 cm土層E-GRSP的平均含量在0.40～0.95 mg/g之間。EE-GRSP/T-GRSP百分比為 25.37%～38.82%, 0-40 cm土層EE-GRSP/T-GRSP的平均值大小關(guān)系依次表現(xiàn)為沼澤濕地(35.17%)＞水稻田(32.25%)＞旱地(32.14%)＞棄耕地(28.12%)＞果園(26.85%)。

T-GRSP/SOC的百分比為 12.33%～19.73%,0-40 cm土層T-GRSP/SOC的平均值大小關(guān)系依次表現(xiàn)為棄耕地(18.12%)＞水稻田(14.68%)＞果園(14.48%)＞旱地(14.19%)＞沼澤濕地(13.13%)。EE-GRSP/SOC的百分比為 3.47%～5.43%, 0-40 cm土層EE-GRSP/SOC的平均值大小關(guān)系依次表現(xiàn)為棄耕地(5.05%)＞水稻田(4.7%)＞沼澤濕地(4.6%)＞旱地(4.54%)＞果園(3.85%)。5種不同土地方式的T-GRSP/SOC、EE-GRSP/SOC貢獻(xiàn)隨著土層加深而沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律?？梢? 盡管棄耕地的土壤有機(jī)碳較低, 但是T-GRSP和EE-GRSP占據(jù)了其 SOC較大的比例, 略高于其它土地利用方式,GRSP起到了積極的固碳作用。

3.3 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白、蛋白酶與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表4可以看出, T-GRSP分別與蛋白酶、SOC和TN呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 分別與AN、AP、pH值、粘粒和粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。土壤EE-GRSP與SOC和TN呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 分別與蛋白酶、pH值和粘粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。蛋白酶分別與SOC和TN呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 分別與AN、pH值、粘粒和粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

表4 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白、蛋白酶與土壤理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)性分析Table 4 Pearson’s correlation analysis among glomalin-related soil protein, protease content and soil properties

SOC分別與 TN和 AP呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 分別與AN、pH值、粘粒和粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。TN分別與AN、pH值和粘粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。AN與粘粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。AP與pH值呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。pH值與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。粘粒與粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 粉粒與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。

表5是主成分分析的載荷矩陣特征值及貢獻(xiàn)率。對(duì) 9個(gè)土壤因子進(jìn)行了主成分分析, 根據(jù)相關(guān)矩陣特征值大于1、方差累積貢獻(xiàn)率大于86%的原則, 選擇了2個(gè)主成分。第1主成分反映的信息量占總體信息量的60.23%, 第2主成分僅占26. 25%?？梢? 第1主成分所含信息量在2個(gè)主成分中較高,因此粉粒、SOC、AN和 TN(權(quán)重在 0.865～0.902)是影響球囊霉素相關(guān)蛋白分布特征的主要生態(tài)因子,并且反映了會(huì)仙巖溶濕地不同土地利用方式下土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況。

表5 土壤因子主成分載荷矩陣、特征值及貢獻(xiàn)率Table 5 The principal component loading matrix,eigenvalue, contribution rate for soil factors

4 討論

4.1 不同土地利用方式球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的變化特征

土地利用是自然和人類活動(dòng)相互作用的綜合過程, 土地利用方式的變化可以改變土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)以及土壤環(huán)境狀況(孔祥斌等,2003)。本研究中, 在同一土層不同土地利用方式之間和同一土地利用方式不同土層之間, 土壤有機(jī)碳、全氮、pH、速效氮、速效磷、蛋白酶和球囊霉素土壤相關(guān)蛋白均表現(xiàn)出一定的差異性, 這可能是由濕地墾殖方式、管理措施、施肥和經(jīng)營(yíng)水平等不同而引起。5種土地利用方式下土壤中總球囊霉素土壤相關(guān)蛋白含量均隨著土層深度增加而減小, 這是由于表層土壤中 AMF更為豐富, 能夠產(chǎn)生更多的球囊霉素并在表層積累。前人研究表明, 球囊霉素土壤相關(guān)蛋白含量在不同生態(tài)系統(tǒng)之間變化較大,處于 2.0～14.8 mg/g之間(Wright and Upadhyaya,1996; Rillig et al., 2001; Nie et al., 2007)。在會(huì)仙濕地, 不同土層總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量為1.08～3.35 mg/g, 占土壤有機(jī)碳的12.33%～19.73%,0-40 cm土層 T-GRSP的平均含量在 1.41～2.70 mg/g之間, 在不同土地利用方式和土層之間均存在顯著差異。接近于唐宏亮等(2009)報(bào)道的河北省中部不同土地利用方式下球囊霉素平均含量(1.41～3.18 mg/g)和闕弘等(2015)報(bào)道的江蘇省南京市浦口區(qū)土壤中總球囊霉素含量(1.96～3.12 mg/g)范圍。在會(huì)仙濕地, 沼澤各土層的總球囊霉素土壤相關(guān)蛋白含量均顯著高于其它4種土地利用方式, 表明相比受人為擾動(dòng)大的耕作土壤, 沼澤濕地更易產(chǎn)生和積累球囊霉素土壤相關(guān)蛋白。此外,5種土地利用方式下土壤中球囊霉素土壤相關(guān)蛋白含量均隨著土層深度增加而減小, 這是由于表層土壤有機(jī)碳含量較高, AMF數(shù)量更為豐富, 能夠產(chǎn)生更多的球囊霉素并積累在表層土壤。而在水稻田、旱地、果園和棄耕地這 4種耕作土壤, 由于人為耕作過程(如過量施用化肥、農(nóng)藥等)降低了AMF數(shù)量和活性, 減少了土壤中球囊霉素的產(chǎn)生, 并加速了球囊霉素的分解, 進(jìn)而減小了球囊霉素土壤相關(guān)蛋白的積累量。由于濕地的墾殖導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分含量的降低(黃科朝等, 2018), 所以水稻田、旱地、果園和棄耕地的球囊霉素占土壤全碳的含量有所提高,也表明GRSP是會(huì)仙巖溶濕地土壤碳庫的重要來源和組成部分, 尤其是在濕地墾殖為其它土地利用方式后, GRSP對(duì)土壤碳庫有重要的貢獻(xiàn)。

球囊霉素土壤相關(guān)蛋白是一類產(chǎn)生于AM菌絲體和孢子壁的糖蛋白(Purin and Rillig, 2007), 能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定, 進(jìn)而影響土壤碳儲(chǔ)量和有效防止土壤碳的流失(Rillig and Mummey,2006)。前人研究表明, 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白作為土壤活性有機(jī)碳庫中最重要的碳來源, 在土壤中的周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 6～24年, 是穩(wěn)定性有機(jī)碳庫的重要組成部分(Rillig et al., 2001)。球囊霉素土壤相關(guān)蛋白與土壤碳庫關(guān)系密切, 并且球囊霉素土壤相關(guān)蛋白的含量是土壤腐殖質(zhì)含量的 2～24倍, 可占到土壤有機(jī)碳的27%(Comis, 2002)。本研究表明球囊霉素土壤相關(guān)蛋白與有機(jī)碳極顯著正相關(guān), 這與Wright and Upadhyaya(1996)的研究涉及12種土壤類型的研究結(jié)果相類似, 說明球囊霉素土壤相關(guān)蛋白能夠提高會(huì)仙巖溶濕地土壤碳庫的含量。研究結(jié)果與Lovelock et al.(2004), Nie et al.(2007)和唐宏亮等(2009)的研究結(jié)果不同, 其均表明球囊霉素土壤相關(guān)蛋白與有機(jī)碳呈負(fù)相關(guān), 這可能因?yàn)樵诓煌鷳B(tài)系統(tǒng)中, 由于其試驗(yàn)樣地和土壤類型不同, 不同的氣候條件和地理環(huán)境等, 導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳和球囊霉素土壤相關(guān)蛋白積累結(jié)果的差異性。

前人研究表明, EE-GRSP庫包含的是土壤中新鮮的GRSP, T- GRSP反映了土壤中累積GRSP的水平(Halvorson and Gonzalez, 2006; Nichols and Wright, 2006)。本試驗(yàn)中, T-GRSP和 EE-GRSP含量均隨土層的增加而遞減, 這主要是由于表層土壤通透性好、營(yíng)養(yǎng)豐富, 有利于促進(jìn) AMF活性, 進(jìn)而釋放的球囊霉素較多。0-40 cm土層中EE-GRSP/T-GRSP百分比的平均值沼澤濕地最高,棄耕地和果園較小, 這是由于沼澤濕地土壤受人為干擾相對(duì)較小, 土壤生態(tài)功能良好, AMF豐富且易產(chǎn)生和積累球囊霉素土壤相關(guān)蛋白所致。而且沼澤歸還到土壤中的凋落物較多, 增加了土壤 SOC和TN含量, 改善了土壤結(jié)構(gòu), 提高了土壤中AMF的數(shù)量及其侵染能力, 同樣也有利于 GRSP的產(chǎn)生。另外, 磷是影響植物和 AMF生長(zhǎng)發(fā)育的重要元素,顯著影響AMF對(duì)植物的侵染(高秀兵等, 2016), 土壤速效磷含量的增加或減少會(huì)通過抑制或促進(jìn)AMF生長(zhǎng)發(fā)育從而引起 GRSP含量的增加或減少(劉靈等, 2008)。本研究中土壤速效磷與T-GRSP含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05), 沼澤土壤速效磷較高, 可能促進(jìn)了土壤中的菌絲降解, 在土壤中產(chǎn)生大量GRSP, 因此其T-GRSP含量較高。易提取的組分由新近或分解部分產(chǎn)生, EE-GRSP與T-GRSP的比值在一定程度上可以衡量 AMF的活躍程度,EE-GRSP/T-GRSP比值越大, 說明易提取部分所占比例越大。本研究中沼澤表現(xiàn)出較高EE-GRSP/T-GRSP比值, 說明沼澤中AMF的活躍程度高, 這與其EE-GRSP相對(duì)高于其他4種土地利用方式是一致的。

4.2 不同土地利用方式球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的影響因素

GRSP被證明是叢枝菌根真菌的代謝產(chǎn)物(Wright and Upadhyaya, 1996), 其含量和組成受包括氣候條件、植被類型、土壤特性、AMF組成等眾多因素的影響。在會(huì)仙巖溶濕地, 由沼澤墾殖轉(zhuǎn)變而來的4種土地利用方式(水稻田, 旱地, 果園和撂荒地), 由于幾十年不同土地利用方式的作用, 其土壤質(zhì)地、有機(jī)碳、GRSP均發(fā)生了較大變化, 與沼澤土壤相比有顯著差異, 這與人類活動(dòng)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的干擾有關(guān), 種植方式、管理水平、施肥情況等均能改變土壤的理化性質(zhì)。黃科朝等(2018)的研究結(jié)果表明, 墾殖顯著降低了土壤的微生物活性,土壤質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 對(duì)旱地土壤影響較為嚴(yán)重。本研究中, 從不同土地利用方式 T-GRSP、EE-GRSP和有機(jī)碳的含量來看, 沼澤最高, 說明在目前農(nóng)業(yè)耕作方式下土壤質(zhì)量呈一定的下降趨勢(shì),其中表土流失較嚴(yán)重的棄耕地土壤肥力下降最多,這進(jìn)一步支持了黃科朝等(2018)的結(jié)論。表明土地利用方式能影響 GRSP的積累, 天然沼澤濕地更有利于土壤碳的封存, 濕地被墾殖為其它不同土地利用方式后則降低了土壤碳的固定。前人研究表明,能影響叢枝菌根真菌生長(zhǎng)的因子均會(huì)影響GRSP含量的變化(王建等, 2016)。GRSP具有豐富的蛋白質(zhì)和碳水化合物, 這是對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)(Rillig et al., 2001)。GRSP含量會(huì)隨著土壤深度的增加而降低, 主要是由于 GRSP在土壤剖面的分布受土壤理化性質(zhì)變化的影響較大(Wang et al., 2017)。表層的GRSP主要受到SOC和土壤養(yǎng)分的影響, 而深層GRSP主要受到土壤理化性質(zhì), 如容重、pH值等的影響, 土壤養(yǎng)分越高, 容重越低, GRSP會(huì)累積的越多(Wang et al., 2017)。

本研究表明沼澤相對(duì)有較高的有機(jī)碳含量, 主要是因?yàn)橄鄬?duì)人為干擾較小, 而其它土地利用方式下干擾較大, 加速了其土壤中有機(jī)質(zhì)的分解, 導(dǎo)致有機(jī)碳含量降低。相比于沼澤中的土壤, 旱地, 果園有較低的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白, 這主要是人為耕作過程加劇了球囊霉素土壤相關(guān)蛋白的分解。已有研究顯示(Wright and Upadhyaya, 1998), 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白是難溶于水, 含有金屬離子的糖蛋白, 這種糖蛋白不為蛋白酶水解, 在自然狀態(tài)下極為穩(wěn)定。本研究中, T-GRSP分別與蛋白酶呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), EE-GRSP與蛋白酶和粘粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 表明土壤蛋白酶活性的增加可能引起T-GRSP和EE-GRSP含量的增加, 這從另一方面也說明會(huì)仙巖溶濕地球囊霉素土壤相關(guān)蛋白可能受蛋白酶水解作用的影響較小, 蛋白酶并未導(dǎo)致會(huì)仙巖溶濕地球囊霉素土壤相關(guān)蛋白的水解, 這與其他研究結(jié)論相一致(Wright and Upadhyaya,1998; 唐宏亮等, 2009)。王建等(2016)的研究發(fā)現(xiàn)耕地及果園等長(zhǎng)期耕作土壤中的球囊霉素土壤相關(guān)蛋白含量低于林地、草地。Preger et al.(2007)的研究表明持續(xù)性的耕作會(huì)導(dǎo)致土壤球囊霉素相關(guān)土壤蛋白流失, 土壤肥力下降。有研究表明, 中性至微酸性土壤有利于AMF發(fā)育, 而pH繼續(xù)減小則不利于AMF生長(zhǎng)(賀學(xué)禮等, 2008), 進(jìn)而導(dǎo)致總球囊霉素產(chǎn)生量下降。本研究中, 5種土地利用方式下土壤pH隨土層深度增加而增大, 土壤pH與球囊霉素相關(guān)蛋白含量呈顯著正相關(guān)。在0-40 cm土層各指標(biāo)的平均值, 土壤 pH值的大小關(guān)系依次為沼澤濕地＞水稻田＞旱地＞果園＞棄耕地(P＜0.05), 土壤T-GRSP和EE-GRSP含量大小關(guān)系依次表現(xiàn)為沼澤濕地＞水稻田＞旱地＞果園＞棄耕地(P＜0.05),這表明, 沼澤濕地墾殖為其它不同土地利用方式后,隨著土壤 pH降低, 導(dǎo)致了球囊霉素相關(guān)蛋白產(chǎn)生量的下降。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Preger et al.(2007)、闕弘等(2015)和王建等(2016)的研究結(jié)果相似。會(huì)仙濕地沼澤中易提取球囊霉素土壤蛋白占總球囊霉素土壤蛋白的比例高于其它 4種土地利用方式, 這是由于易提取球囊霉素土壤蛋白主要表征土壤中新近產(chǎn)生的與土壤結(jié)合不緊密的球囊霉素(Lovelock et al.,2004), 沼澤中易提取球囊霉素土壤蛋白的產(chǎn)生量較多, 向總提取球囊霉素土壤蛋白的轉(zhuǎn)化較少。由此推測(cè), 隨著近年來會(huì)仙巖溶濕地的生態(tài)保護(hù)工程,人為擾動(dòng)的減少, 加之植被恢復(fù)的增加, 通過EE-GRSP含量的增加, 會(huì)仙巖溶濕地土壤中的GRSP累積量將會(huì)增加, 并將促進(jìn)土壤有機(jī)碳的固持。而在人為干擾較大的果園和撂荒地中, 易提取球囊霉素土壤蛋白的產(chǎn)生量較少, AMF的活躍程度較低, 人為干擾活動(dòng)驅(qū)動(dòng)了表層土壤中易提取球囊霉素土壤蛋白向總提取球囊霉素土壤蛋白的轉(zhuǎn)化。

GRSP對(duì)退化土壤和作物的生態(tài)改造有十分重要的影響(Wright and Upadhyaya, 1996; Rillig et al.,2001), 對(duì)植物生長(zhǎng)起到明顯的促進(jìn)作用(李曉林等,1995)。對(duì)免耕、傳統(tǒng)耕作和休閑地的研究表明, 由于 AMF受人為活動(dòng)的影響, 使得植物根系中的真菌菌絲減少, 致使免耕及休閑地土壤 GRSP含量高于傳統(tǒng)耕作(Liang, 2010)。闕弘等(2015)通過研究5種不同利用類型土壤的 GRSP含量, 表明林地和草地的球囊霉素含量高于水稻田、茶園土和菜園土。本研究中, 水稻田、旱地、果園和撂荒地的T-GRSP和EE-GRSP與其對(duì)應(yīng)土地利用方式的SOC含量相比較, T-GRSP/SOC和EE-GRSP/SOC比值要高于沼澤, 這是因?yàn)楸M管其自身SOC較低, 但GRSP發(fā)揮了積極地固碳作用; 而如果水稻田、旱地、果園和撂荒地的T-GRSP和 EE-GRSP分別與沼澤的 SOC來比較(原始對(duì)照地), 結(jié)果則顯示其 T-GRSP/SOC和EE-GRSP/SOC較低; 這也說明, 濕地墾殖后, 水稻田、旱地、果園和撂荒地這4種土地利用方式對(duì)濕地土壤碳庫的貢獻(xiàn)較低, 而沼澤的貢獻(xiàn)則較高。T-GRSP/SOC 的大小范圍介于 12.33%～19.73%, 高于 Rillig et al.(2001)所研究的在熱帶山地雨林中T-GRSP/SOC的比值(4%～5%)?？傮w上, GRSP對(duì)會(huì)仙巖溶濕地土壤碳封存有積極的貢獻(xiàn)和正效應(yīng)。會(huì)仙巖溶濕地土壤pH與T-GRSP、EE-GRSP、蛋白酶、SOC和TN呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05), 可能是因?yàn)樘崛∏蚰颐顾赝寥老嚓P(guān)蛋白時(shí)浸提劑對(duì) pH有要求, 盡管測(cè)定T-GRSP和EE-GRSP時(shí)浸提了多次,但酸性土壤對(duì)T-GRSP和EE-GRSP的測(cè)定還是存在一定的影響。墾殖降低了會(huì)仙巖溶濕地土壤的pH(黃科朝等, 2018), 因此推測(cè)會(huì)仙巖溶濕地的酸化土壤環(huán)境, 影響了植物與叢枝菌根真菌間的共生關(guān)系, 降低了球囊霉素土壤相關(guān)蛋白的分泌。

本研究中, T-GRSP與粘粒和粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),EE-GRSP與粘粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 與砂礫呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。SOC與粘粒和粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 蛋白酶與粘粒和粉粒呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。這表明, 相對(duì)于壤土, 黏土更有利于GRSP的累積。T-GRSP和EE-GRSP與有機(jī)碳、全氮呈極顯著正相關(guān), 說明 GRSP能夠提高土壤碳庫的含量, 這與在毛烏素沙地的研究結(jié)論相似(Bai et al., 2009), 也與張夢(mèng)歌等(2020)在海南尖峰嶺熱帶雨林的研究結(jié)果一致, 進(jìn)一步說明球囊霉素土壤相關(guān)蛋白是土壤有機(jī)碳、氮的一個(gè)重要來源。前人(Rillig et al., 2001; Qian et al., 2012)研究認(rèn)為GRSP是土壤有機(jī)碳庫的重要組成部分, 本研究中 GRSP與 SOC之間的正相關(guān)關(guān)系也證實(shí)這一結(jié)論。因此,保護(hù)天然沼澤濕地不被破壞, 有利于保護(hù)沼澤土壤碳庫。球囊霉素土壤相關(guān)蛋白的積累和組成受多種生態(tài)環(huán)境因子, 如氣候條件、植被類型、土壤特性、AMF組成等的影響(Rillig et al., 2001; Preger et al.,2007)?？偳蚰颐顾赝寥老嚓P(guān)蛋白和易提取球囊霉素土壤相關(guān)蛋白能綜合反映土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)、養(yǎng)分循環(huán)及土壤健康狀況, 因此有必要將其作為土壤質(zhì)量及功能評(píng)價(jià)的指示指標(biāo), 包括植物根系的叢枝菌根真菌的侵染狀況, 來進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

(1) 會(huì)仙巖溶濕地天然沼澤土壤總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白和易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量較高, 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白是會(huì)仙巖溶濕地土壤中的一個(gè)重要碳庫。球囊霉素相關(guān)土壤蛋白在不同土地利用方式及各土層間均表現(xiàn)出顯著差異, 具有明顯的垂直分布特征。

(2) 會(huì)仙巖溶濕地天然沼澤土壤中易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白占總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白比例高于其它耕作土壤。土地利用方式影響了會(huì)仙巖溶濕地土壤中 GRSP的積累, 表層土壤(0-10 cm)中GRSP含量受濕地墾殖的影響顯著。T-GRSP和EE-GRSP對(duì)SOC的貢獻(xiàn)具有重要影響, T-GRSP對(duì)SOC的貢獻(xiàn)相對(duì)較高。

(3)總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白、易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白分別與有機(jī)碳和全氮極顯著正相關(guān),與土壤pH顯著正相關(guān)。粉粒、SOC、AN和TN是影響球囊霉素相關(guān)蛋白分布特征和反映會(huì)仙喀斯特濕地土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的主要因子, 黏土更有利于會(huì)仙巖溶濕地GRSP的累積。

(4)球囊霉素相關(guān)蛋白對(duì)會(huì)仙巖溶濕地土壤質(zhì)量和土壤碳庫有著重要的指示作用, 可用 GRSP的含量來評(píng)價(jià)濕地土壤質(zhì)量狀況, 沼澤濕地墾殖為其它土地利用方式后, 降低了 GRSP的含量。隨著桂林會(huì)仙喀斯特濕地國(guó)家公園的建設(shè), 天然沼澤濕地的恢復(fù), 有利于促進(jìn) GRSP的產(chǎn)生量和積累量, 進(jìn)而提高了濕地對(duì)土壤SOC的封存作用。

致謝: 感謝蘭州大學(xué)于倩倩, 田壘, 程桂霞等在實(shí)驗(yàn)樣品分析方面提供的幫助, 感謝審稿專家提出的寶貴意見, 特此一并謝意!

Acknowledgements:

This study was supported by Natural Science Foundation of Guangxi (Nos. 2018GXNSFAA050069 and 2020GXNSFBA297048), National Natural Science Foundation of China (Nos. 31760162 and 41361057), Guangxi Key Science and Technology Innovation Base on Karst Dynamics (No. KDL＆Guangxi202004), Key Research and Development Program of Guangxi (No. Guike AB21220057), and Guangxi Key Laboratory of Landscape Resources Conservation and Sustainable Utilization in Lijiang River Basin (No. LRCSU21K0203).