张 超，张 海，翟 辉，周 旭，李爱梅，张立新

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学生命科学学院，陕西 杨凌712100）

黄土高原不同坡位苹果园土壤生物学特征
——以陕西省淳化县为例

张 超1，张 海1，翟 辉1，周 旭1，李爱梅2，张立新2

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学生命科学学院，陕西 杨凌712100）

为了解坡位因素对黄土高原苹果园土壤生物学性状的影响，以陕西省淳化县坡地富士苹果园为研究对象，分析了该区不同坡位（上坡位、中坡位、下坡位）0～20、20～40、40～60 cm的果园土壤有机质、土壤酶活性和土壤微生物量碳、氮之间的差异，同时利用Biolog－ECO平板法研究了土壤微生物群落功能多样性。结果表明，该区苹果园土壤有机质含量普遍较低，且不同坡位之间存在差异，表现为下坡位＞上坡位＞中坡位。土壤酶、土壤微生物量在坡位间差异不显著，其中过氧化氢酶表现为下坡位＞中坡位＞上坡位，土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶均表现为下坡位＞上坡位＞中坡位，微生物量碳含量表现为上坡位＞下坡位＞中坡位，微生物量氮含量表现为下坡位＞中坡位＞上坡位。不同坡位碳源平均颜色变化率（AWCD）基本趋势表现为下坡位＞上坡位＞中坡位，微生物多样性指数均表现为下坡位＞上坡位＞中坡位；主成分分析结果表明，对主成分1（PC1）和主成分2（PC2）贡献较大的碳源主要为糖类和羧酸类，下坡位土壤微生物群落稳定性优于上坡位和中坡位。综合研究结果表明，该区下坡位土壤质量较好，适宜种植苹果等经济作物。

坡位；土壤有机质；土壤酶活性；土壤微生物量；土壤微生物群落

土壤有机质是土壤的重要组成部分，是评价土壤基础肥力和土壤生产力的重要指标，在改善土壤物理结构、化学性质，稳定植物养分供应以及植被的生长状况等方面有着极为重要的作用［1］，同时能显著增加土壤中某些有益微生物酶的活性［2］。土壤酶是土壤生物活性和土壤肥力的重要组成成分之一，参与土壤中各种生物化学过程，如腐殖质的分解与合成、动植残体和微生物残体的分解、营养物质的循环等［3］，其活性大小是评价土壤肥力状况的重要参数，同时也反映了土壤的污染状况，在土壤发育、土壤肥力的产生以及土壤质量的变化过程中起着非常重要的作用［4－5］。土壤微生物参与土壤中养分的转化和循环、有机质分解以及腐殖质形成等过程［6］，微生物量虽然只占土壤营养库的小部分，但它对土壤环境变化具有较高的敏感性，更能反映微生物在土壤中的作用潜力［7］。土壤酶和土壤微生物共同参与和推动着土壤的生物化学过程，对土壤肥力状况的变化具有极其重要的影响［8－9］。

陕西渭北黄土高原地区是我国苹果最佳优生区域，但由于水土流失、超耕超载，导致了土壤质量、土壤养分含量不断降低，对该地区苹果产业的持续发展极为不利［10］。为此，近年来许多学者对该区果园的土壤养分、土壤质量的分布特征及变异趋势做了大量的研究，也提出了很多有意义的见解［11－13］，但对该区不同坡位之间的土壤生物学特征研究较少。由于坡位和有机质含量对土壤酶和土壤微生物影响较大［14－15］，故本试验以陕西淳化县苹果园为研究对象，对不同坡位土壤有机质、酶活性、微生物量碳氮进行研究，并结合Biolog－ECO微平板法研究该区域坡位间土壤生物活性的差异，旨在从生物学角度对该区域不同坡位土壤质量进行评价，以期为该区坡地资源的有效利用及坡地经济林的合理种植提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于黄土高原沟壑区南缘的陕西省淳化县（34°43′～35°03′N，108°18′～108°50′E），海拔 630～1 809m，年均气温 9.3℃，无霜期 185 d，年平均降水量610 mm，多集中于 7—9月，占全年降水量的53%，干燥度在 1.10～1.38之间，属暖温带季风气候区。该区地域辽阔，光照充裕、昼夜温差大、雨热同季，适宜种植不同类型果树。试验样地位于该县东南部之大店乡，坡向东南，土壤以黄绵土为主，前茬种植玉米，土壤 pH值为7.00～8.55，中性偏碱。

1.2 试验设计

根据试验地实际地形，选取同一坡面的苹果林地（坡度为 15°），分为上坡位（US）、中坡位（MS）和下坡位（LS），每个坡位之间海拔相差约100 m，分别建立试验区，每个试验区面积约6 670m2，宽20～30 m的平台梯田。试验区基本情况见表1。

表1 试验区基本情况Table 1 Basic information of experiment sites

该试验区种植果树为8年生“富士”苹果，均为常规化管理。于2014年7月采样，每个坡位设平行采样区3个，用S型布点法分别采集各平行采样区0～20、20～40、40～60 cm土层土样，采样示意图如图1所示。混合上述同一坡位的各土层土样，带回实验室后分为2份，1份放在4℃冰箱保存，用于土壤微生物群落特征、酶活性及微生物量测定，另1份自然风干后过0.15 mm筛，用于土壤有机质含量的测定。

图1 采样示意图Fig.1 Research area with sampling sites

1.3 测定方法

1.3.1 土壤有机质含量的测定 土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定［16］。

1.3.2 土壤酶活性的测定 土壤脲酶活性采用苯酚钠—次氯酸钠比色法；土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法；土壤蔗糖酶活性采用3，5—二硝基水杨酸比色法；土壤过氧化氢酶活性采用紫外分光光度法测定［17］。

1.3.3 土壤微生物量的测定 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸，硫酸钾浸提，全自动碳测定仪进行测定［18］。土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸，硫酸钾浸提，过硫酸钾氧化法测定［19］。

1.3.4 土壤微生物代谢功能多样性测定 应用Biolog－ECO生态板测定［20］：称取5 g新鲜土样加入至装有45ml 0.85%NaCl无菌溶液的100 ml三角瓶中，在摇床上以 150 r·min－1振荡 30min，将得到的微生物悬浮液采用10倍稀释法稀释至浓度为10－3。在无菌工作台上，接种微生物悬浮液于生态测试板中，每孔150μL。在25℃生化培养箱中连续培养240 h，每隔24 h在Biolog读数器上读取590 nm波长下的吸光值。

1.4 数据处理

1.4.1 平均颜色变化率（AWCD） 平均颜色变化率用于描述微生物利用单一碳源的能力，其计算公式为：

式中，Ci为各培养基孔的吸光值；Ri为对照孔的吸光值。

1.4.2 群落 Shannon－Wiener指数（H） Shannon－Wiener指数（H）用于评估物种的丰富度，计算公式为：

式中，Pi＝（Ci－R）／∑（Ci－R），表示有碳源孔与对照孔光密度值之差与整板总差的比值。

1.4.3 群落 Simpson指数（D） Simpson指数用于评估某些最常见种的优势度，计算公式为：

1.4.4 群落Mclntosh指数（E） Mclntosh指数用于评估群落物种的均匀度，计算公式为：

式中，S为颜色发生变化的孔数（AWCD＞0.25代表该孔碳源被利用）

所有数据采用Microsoft Office Excel 2003、Origin 9.0以及SPSS 21.0专业软件进行图表制作，运用方差分析、主成分分析等方法进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同坡位苹果园土壤有机质含量

由图2可知，该地区不同坡位表层（0～20 cm）土壤有机质含量均值为9.19 g·kg－1，与绿色食品产地土壤肥力分级指标［21］（＞20 g·kg－1为优良，15～20 g·kg－1为尚可，＜15 g·kg－1为较差）相比，该区果园土壤有机质含量普遍较低。0～20 cm土层上坡位与下坡位有机质含量显著高于中坡位，20～40 cm土层坡位间无显著性差异，40～60 cm土层下坡位有机质含量显著高于上、中坡位。坡位间0～60 cm土层土壤有机质平均值依次为 6.61、5.54、6.72 g·kg－1，表现为下坡位＞上坡位＞中坡位，下坡位有机质含量高于上坡位和中坡位。

图2 不同坡位苹果园土壤有机质Fig.2 The soil organicmatters at different slope positions of apple orchards

2.2 不同坡位苹果园土壤酶活性

如图3a，不同坡位0～20 cm土层过氧化氢酶活性上坡位显著低于中坡位和下坡位，20～40、40～60 cm坡位间差异不大。随着土层深度的增加，土壤过氧化氢酶活性均显示出下降的趋势，且0～20 cm至20～40 cm降低趋势显著，说明表层土壤过氧化氢酶受外界因素影响较大。坡位间0～60 cm土层过氧化氢酶活性平均表现为下坡位＞中坡位＞上坡位。

如图3b，坡位间土壤脲酶活性差异较大，中坡位显著低于上坡位和下坡位，表层土（0～20 cm）上坡位较高，深层土（20～40、40～60 cm）下坡位较高。从土壤剖面来看，同一坡位不同土层脲酶活性从表层到深层土壤逐渐降低，且递减量相当。坡位间0～60 cm土层脲酶活性平均表现为下坡位＞上坡位＞中坡位。

如图3c，蔗糖酶活性在坡位间同土层差异不大，0～20 cm呈现出从上坡位至下坡位递减的趋势，20～40、40～60 cm有递增趋势。同一坡位不同土层中蔗糖酶活性的差异比较明显，0～20 cm土层高于20～40、40～60 cm土层之和，可见土壤蔗糖酶主要集中在表层土壤中。坡位间0～60 cm土层蔗糖酶活性平均表现为下坡位＞上坡位＞中坡位。

如图3d，碱性磷酸酶活性在不同坡位表层土壤（0～20 cm）差异显著，下坡位最大，上坡位次之，中坡位最小，20～40 cm和40～60 cm土层坡位间无显著性差异。碱性磷酸酶在同坡位土壤剖面的变化趋势与蔗糖酶一致，从表层（0～20 cm）到深层（20～40、40～60 cm）显著降低。坡位间0～60 cm土层碱性磷酸酶活性平均表现为下坡位＞上坡位＞中坡位。

图3 不同坡位苹果园土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activities at different slope positions of apple orchards

2.3 不同坡位苹果园土壤微生物量碳、氮含量

由图4可知，土壤微生物量碳含量在0～20 cm土层上坡位显著高于中、下坡位，20～40、40～60 cm土层坡位间差异不大，坡位间不同土层平均含量表现为上坡位＞下坡位＞中坡位，呈现出两边大中间小的趋势，这可能与光照时间及水土流失有关。坡位对土壤微生物量氮的影响不大，不同坡位同土层间差异不显著，仅表层土壤（0～20 cm）由上坡位至下坡位呈现依次递增的趋势，坡位间平均含量表现为下坡位＞中坡位＞上坡位，出现这种差异的原因可能与水土流失和氮素的转化循环有关。

2.4 不同坡位土壤微生物群落代谢功能多样性

2.4.1 平均颜色变化率（AWCD） 作为土壤生态系统的重要组成部分，AWCD值反映了微生物利用单一碳源的能力，AWCD值越大，表明对碳源利用程度越强，微生物代谢活性越高［26］。图5中AWCD值曲线反映了土壤微生物在Biolog－ECO微平板中的生长状况。不同坡位苹果园土壤微生物均可在ECO微平板中稳定持续增长，192 h后增长趋势均趋于稳定。培养24 h后，三种坡位土壤微生物AWCD值开始出现差异，48 h后差异比较明显，整体趋势表现为下坡位＞上坡位＞中坡位，说明下坡位土壤微生物代谢活性最强，上坡位次之，中坡位最弱。

2.4.2 土壤微生物多样性变化 Shannon－Wiener指数（H）、Simpson指数（D）、McIntosh指数（E）别反映土壤微生物物种的丰富度、优势度以及度量群落物种的均匀度。由表2可知，上坡位和下坡位土壤微生物群落的Shannon－Wiener指数显著高于中坡位；三个坡位土壤微生物群落的Simpson优势度指数差异不明显，可见坡位对于土壤中的常见菌种影响不大；下坡位土壤微生物群落的McIntosh指数显著高于上坡位和中坡位。05 level.

图4 不同坡位苹果园土壤微生物量碳、氮含量Fig.4 Soilmicrobial biomass C，D at different slope positions of apple orchards

图5 不同坡位苹果园土壤平均颜色变化率Fig.5 AWCD of soil at different slope positions of apple orchards

表2 不同坡位苹果园土壤微生物群落多样性指数Table 2 Diversity indices of soilmicrobial communities at different slope positions of apple orchards

2.4.3 主成分分析 对培养120 h的数据进行微生物群落主成分分析，从中提取可以聚集单一碳源变量的数据变异（累计方差贡献率）为44.943%的前2个主成分PC1、PC2（分别解释初始特征值方差的24.527%和20.415%）进行土壤微生物群落多样性分析。由图6可知，不同坡位在主成分坐标体系中差异比较明显，在PC1轴和PC2轴上，上坡位、中坡位、下坡位在正负方向上均各有分布。整体而言，不同坡位土壤微生物群落变异较大，变异（离散）程度表现为下坡位＞上坡位＞中坡位，下坡位土壤微生物稳定性最好，其次为上坡位和中坡位。

图6 不同坡位土壤微生物碳源利用的主成分分析Fig.6 Principal components analysis of soilmicrobial communities utilizing carbon sources at different slope positions

初始载荷因子反映主成分与碳源利用的相关系数，载荷因子越高，表示该碳源对主成分的影响越大。如表3所示，对PC1贡献较大的碳源（系数≥0.5）有8种，其中多聚物类和羧酸类各占2种，氨基酸类、糖类、多酚类和胺类各占1种，可见这6类碳源均对PC1产生影响；对PC2贡献较大的碳源有7种，其中糖类占4种，羧酸类占2种，氨基酸类占1种，可见对PC2影响较大的主要是糖类。

3 讨 论

土壤有机质是评价土壤肥力和土壤生产力的重要指标，主要指存在于土壤中含碳的有机物质，它包括各种动植物的残体、微生物体及其分解和合成的各种有机质，一般情况下，微生物的分解作用是原始土壤有机质的主要来源。本试验研究表明，不同坡位土壤有机质含量下坡位＞上坡位＞中坡位，其原因可能是下坡位由于坡面水土流失、径流的冲刷等原因，使得大量的有机质等养分在此聚集；而上坡位光照充足，土壤微生物活动较为剧烈，加快了对地表植物叶片等凋落物的分解，从而提高了土壤有机质含量，因而下坡位与上坡位的有机质含量较高。从土壤剖面来看，不同坡位随着土壤深度的增加，土壤有机质含量有依次降低的趋势，这主要是上层土壤温度较高，微生物生长、繁殖较快，活动剧烈，加快了对动植物残体的分解；下层土壤温度与上层土壤相比显著降低，加之土壤容重增大，严重抑制了微生物的活动；其次，施肥也能增加土壤有机质的积累，故导致有机质的增加主要集中在表层土壤中［22］。

土壤酶活性与土壤养分的存在状况密切相关，是评价土壤肥力大小的重要参数［23］。本研究中，土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性均在下坡位表现为最高，由于这4种土壤酶的活性大小与土壤有机质关系密切［24］，本研究中下坡位土壤有机质含量最高，加之下坡位积累了大量的养分，因此下坡位土壤酶活性较强，这与秦华军等［25］、赵汝东等［14］研究结果不同，其原因可能是两人所研究区域均为南方林地，其地理环境与气候条件均与本研究区域差异较大，从而导致了土壤酶来源和变化的不同。由于土壤过氧化氢酶活性与土壤微生物活性密切相关，本研究中过氧化氢酶活性表现为下坡位＞中坡位＞上坡位，与之后微生物代谢功能多样性分析结果中中坡位土壤微生物活性最低相矛盾，这可能与不同坡位间微地形的变化有关，具体原因还有待于进一步研究。土壤酶活性在土壤剖面层次的变化与有机质一致，均随着土层深度的加深逐渐降低。

土壤微生物量是土壤养分循环中比较活跃的部分，反映了土壤微生物群落的状态和功能，但同时受到气候因子、地形地势、施肥状况等因素的影响［26－27］。微生物量碳、氮是土壤碳素和氮素养分转化和循环中的重要参数，比较直观地反映了土壤微生物活性和肥力状况［28］，且微生物量碳是土壤有机碳的重要组成部分，能够敏感的反应土壤有机质的变化［29］。本研究中，上坡位土壤微生物量碳含量最高，原因主要是上坡位光照时间较长，植物光合作用增强，光合产物增加，导致土壤中有机质的摄入量增加［30］；同时，上坡位土壤微生物对地表植物叶片等凋落物的分解也提高了土壤有机质含量。土壤微生物量氮在不同坡位之间差异不显著，这可能与土壤中氮素的转化方式较多以及不同坡位间多重影响因素的综合作用有关［7，31］。

表3 31种碳源的主成分载荷因子Table 3 Loading factors of principle components of31 carbon sources

Biolog－ECO检测法是通过测试微生物对单一碳源利用程度来描述微生物群落代谢功能多样性的分析方法，土壤微生物对Biolog微平板中单一碳源利用能力的差异反映了土壤中微生物群落代谢功能的不同［32］。本试验结果表明，不同坡位间土壤微生物活性（AWCD）、微生物多样性指数均存在一定的差异，导致这种差异的主要因素应与坡位间的土壤理化性状、水热状况等生态因子有关［33］。整体趋势来看，下坡位土壤微生物的AWCD高于上坡位和中坡位，说明下坡位土壤微生物活性最大，利用单一碳源的能力最强；微生物丰富度指数（H）、优势度指数（D）、均匀度指数（E）是表征群落多样性的常用指数，本研究中下坡位土壤微生物多样性指数均为最高，这是因为下坡位是土壤养分、水分的聚集地，且有机质含量高，更有利于土壤微生物生长和代谢。主成分分析（图5）表明不同坡位土壤微生物碳源利用存在着比较显著的差异，土壤微生物群落代谢特征发生改变，说明坡位对土壤微生物群落产生较大影响，下坡位土壤变异（离散）值最小，进一步证明下坡位土壤微生物群落稳定性最好。

4 结 论

苹果园土壤各生物学指标在不同坡位间表现出一定的差异。土壤有机质、脲酶活性、蔗糖酶活性、碱性磷酸酶活性和微生物生物量碳在下坡位和上坡位较高；土壤过氧化氢酶活性和微生物生物量氮在下坡位和中坡位较高。

不同坡位间土壤微生物活性（AWCD值）、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数均表现为下坡位高于上坡位和中坡位，下坡位土壤微生物群落稳定性最好。

该区域下坡位土壤质量总体优于上坡位和中坡位，更适宜种植苹果等经济作物。

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Soil biological characteristics at different slope positions of apple orchards on the Loess Plateau——A case study of Chunhua County，Shaanxi Province

ZHANG Chao1，ZHANG Hai1，ZHAIHui1，ZHOU Xu1，LIAi-mei2，ZHANG Li-xin2
（1.College of Nɑturɑl Resourcesɑnd Environment，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；2.College of Life Sciences，Northwest A＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ）

To investigate the effects of slope positions on soil biological characteristics in apple orchards in the Loess Plateau，a field study in Fujiapple orchards in Chunhua County in Shaanxi Provincewas used to explore the soil organic matter content，soil enzyme activities（catalase，urease，invertase and alkaline phosphatase）and soilmicrobial biomass carbon and nitrogen on different slope positions（upper slope，middle slope，lower slope）in the 0～20，20～40 cm and 40～60 cm soil layers，respectively.Biolog－ECO technology was applied to study themetabolic functional diversity of microbial communities.The results showed that the soilorganicmatter contentwas generally poor and deferent in different slope positionswith the order of lower slope（LS）＞upper slope（US）＞middle slope（MS）.Therewas no significance in soil catalase activities and microbial biomasswith different slopes.Soil catalase activity was LS＞MS＞US，urease，invertase and alkaline phosphatase activitieswere in order of LS＞US＞MS，soilmicrobial biomass carbon contentwas in order of US＞LS＞MSand microbial biomass nitrogen contentwas in order of LS＞MS＞US.The AWCD（averagewell color development）of soilmicrobial carbon source on different slope positionswas in order of LS＞US＞MS，microbial diversity indexes generally were in order of LS＞US＞MS.The results of principle component analysis（PCA）showed that carbohydrates and carboxylic acids as the carbon sources held a great contribution to the principal component 1（PC1）and principal component2（PC2）.Soilmicrobial community stability on lower slopewas superior.Finding in thisstudy highlighted that the soil quality on lower slopewas better andmore suitable for planting apple trees and other economic crops.

slope position；soil organicmatter；soil enzyme activities；soilmicrobial biomass；soilmicrobial community

S154.2；S154.3

A

1000-7601（2017）05-0095-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.14

2016-07-06

2016-10-26

陕西省科技成果转化项目（2017CG2H－HJ－02）；杨凌示范区农业科技示范提升项目（TS－2014－40）

张 超（1992—），男，甘肃定西人，硕士研究生，研究方向为环境生态恢复。E-mail：1098114260＠qq.com。

张 海（1960—），男，陕西高陵人，教授，主要从事黄土高原植被恢复及生态治理研究。E-mail：ylzh6＠163.com。