天山北坡退化草地土壤环境与微生物数量的关系

顾爱星,范燕敏,武红旗,朱进忠,靳瑰丽,热孜万古丽

(1.新疆农业大学农学院,新疆 乌鲁木齐830052;2.新疆草地资源与生态实验室,新疆 乌鲁木齐830052)

新疆地处中温带极端干旱的荒漠地带,可利用草地面积4 800.68万hm2,其中属于四、五等的低劣退化草地约占34%[1]。昌吉州地处欧亚大陆中心,位于天山山脉北麓,准噶尔盆地东南缘,属中温带气候区,为典型的大陆性气候[2]。草地面积483.5×104hm2,可利用草场面积43.3×104hm2,因超载畜量严重,退化草场面积高达389.7×104hm2。昌吉州可利用草场理论载畜量148.15万只(羊单位),实际载畜量225万只(羊单位),超载51.87%[3]。古尔班通古特沙漠南缘沙尘暴、风沙等灾害性天气不断发生。地下水水位下降明显,野生植被衰退或死亡,荒漠化不断扩大。生态环境的恶化跟不合理的人类活动有着直接的关系,它加速了生态环境恶化的进程[4]。

在草地生态系统服务功能中,土壤微生物的生物化学活性影响着土壤肥力,进而影响草地植物生长发育与土壤健康状况[5]。同时,土壤微生物受土壤环境和生物多样性的影响,并随草地健康状况变化而改变,揭示并指示着草地生态系统现状和发展趋势[6,7]。土壤微生物、土壤属性、生物多样性相互依存、互相影响[8-12]。

土壤微生物参数可作为土壤质量变化的指标[13],微生物对土壤中的有机物和植物养分进行转化及循环,并且是活性养分的库(在固定过程中)和源(在矿质化过程中)[14]。微生物对土壤的质量和肥力很重要。它们在土壤有机质分解和营养元素矿化中起主要作用[15]。

土壤生物多样性的保护对土壤性质的持续性和减少土壤与环境退化的危险性具有非常重要的作用[16]。土壤微生物多样性受制于土壤性质[17],而微生物多样性又影响土壤功能多样性。土壤微生物作为土壤生物的一大类群,在自然生态系统中扮演消费者和分解者的角色,在养分持续供给、肥料管理措施、土壤保持中起着举足轻重的作用,是修复土壤生态环境和降解污染物质的先锋[18-21]。土壤微生物指标已被公认为土壤生态系统变化的预警及敏感指标,数量作为土壤微生物群落状态与功能的指标之一,其变化与土壤肥力以及土壤环境状况密切相关,其数量分布不仅是土壤中有机养分、无机养分以及土壤通气透水性的反映,亦是土壤中生物活性的具体体现[22-24]。

本试验旨在通过退化草地微生物区系试验,研究土壤微生物区系数量与退化程度的关系,为今后恢复退化草地的功能提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于昌吉市南部阿什里乡春秋牧场地段,地处天山北坡中段,N 43°49′～ 43°56′,E 87°02′～87°05′,为山前洪积冲积扇河阶二级台地,海拔754～942 m。阿什里乡总土地面积为23.3万hm2,其中天然草地面积为23.2万hm2,可利用天然草地面积为20.2万 hm2[25]。研究区地带性土壤类型属于灰漠土,成土母质以冲积物、洪积物及黄土状物质为主,土层较厚。伊犁绢蒿荒漠是该地区的地带性植被,春季有短生植物发育,夏季一年生植物形成优势层片,在时间序列上群落的植物组成、生活型结构以及某些经济性状特征要较亚洲中部气候型荒漠复杂,生产上用作春秋季利用草地[26]。

当地牧民一般采用冬季定居,春、夏、秋三季游牧方式利用草地,春秋牧场利用时间最长,达到5个月;夏牧场利用2.5个月。一般每户牧民都在定居点附近种植一定面积的饲草地,用来作为冬春季节的储备草料[25]。由于春秋草地过度利用,草地呈不同程度的退化。

1.2 取样方法

2006年5月,在研究区域内,把未退化的2个样地(13,15)设在阿魏滩军用飞机场,其他样地(1～12,14)选在平坦山坡,每隔100 m作为1个样地,样地里随机抛3次1 m2的样圈,每个样圈分别按0～10,10～20 cm土层深度取土样,挑去植物及石砾,将同层的3份土壤混合,取100 g装入灭菌封口袋,编号为1-1(0～10 cm)、1-2(10～20 cm)等,冷藏。

1.3 草地退化程度的确定

对未退化样地内的植物进行主成分筛选后,选择叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、顶冰花(Gagea bulbi f era)、伊犁绢蒿(Seriphidium transilliense)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)4种植物的重要值为参数,运用SPSS 11.5统计软件,采用R型欧式距离平方值聚类法,以建群种伊犁绢蒿各种数量特征为指标,对研究区14个样地进行聚类,划分退化演替序列,划分成4个阶段,根据各阶段样地的群落特征分别定义为:未退化阶段(N13、N14号样地)、中度退化阶段(N4、N5号样地)、重度退化阶段(N1、N2、N3、N6、N8号样地)、极度退化阶段(N7、N9、N10、N11、N12 号样地)[27]。

1.4 土壤微生物的测定

采用稀释平板计数法,取10 g土样,烘干至恒重,计算含水量及水分系数,加无菌水,依次稀释成浓度为10-1、10-2至10-6的土壤溶液,将经过稀释的上清液涂平板,使用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌,马丁氏培养基培养放线菌,高氏1号培养基培养真菌,测定3个相邻稀释度土壤溶液中的菌落形成单位(CFU)。细菌稀释度选取 10-4、10-5、10-6,真菌稀释度选取 10-1、10-2、10-3,放线菌稀释度选取 10-2、10-3、10-4,每稀释度 3 个重复,恒温28～30℃下倒置培养3～5 d后计数。并按照以下公式进行计算。

1.5 土壤各肥力因子的测定

物理指标。土壤机械组成:比重计法。容重:环刀法。密度:比重瓶法。容重、密度参照贺瑶琴[29]方法。

化学指标采用鲍士旦[30]方法。1)有机质:重铬酸钾-浓硫酸油浴法;2)pH:2.5∶1水土比-酸度计法;3)总盐:5∶1水土比-质量法;4)全氮:硫酸、高氯酸-凯氏定氮仪法;5)全磷:硫酸、高氯酸熔融-钼锑抗比色法;6)全钾:硫酸、高氯酸-火焰光度计法;7)碱解氮:碱解扩散吸收法;8)有效磷:碳酸氢钠钼锑抗比色法;9)速效钾:醋酸铵浸提-火焰光度计法。

1.6 数据处理与分析

根据野外调查资料和实验室分析资料,用Excel 2003处理图表,SPSS 11.5统计分析软件进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 草地退化程度与微生物区系的关系

对土壤样品测定微生物区系显示(表1),其中的三大微生物(细菌,放线菌,真菌)的数量有明显差异。

表1 不同退化程度草地土壤的微生物数量Table 1 Microbe quantity in grass soil of different degrees of degeneration ×105CFU/g干土Dry soil

未退化草地的微生物总数量最多,为197.764×105CFU/g干土,中度退化的微生物总数量最少,为118.257×105CFU/g干土。结果表明,未退化草地土壤中植物根及分泌物多,微生物营养条件适宜,促进微生物数量增加,有利于微生物矿化作用(表1)。

土壤样品经过培养测数,得到微生物区系的三大微生物(细菌,放线菌,真菌)的数量(图1),退化草原微生物区系中10～20 cm土壤层的微生物数量比0～10 cm土壤层的微生物数量多。不同土壤草原土壤微生物的总数差异很大,因为不同草原土层营养状况和热条件的影响不同[31]。营养条件及辐射,温度,水分系数等环境因素对微生物数量影响大,土壤层上面的辐射强,水分系数小,温度高,营养条件较差。

图1 土壤层的微生物总数Fig.1 Total microbe quantity in soil

2.2 不同土层微生物数量

样品N1的0～10 cm土壤层中的细菌数量最多(图2),它的数量24.2×106CFU/g干土,水分系数是1.2,它属于重度退化,这与草原所在地区的土壤水热条件,肥力状况有关[32],放牧过度,地面积累很多羊粪尿,增加土壤有机质含量;样品N2的0～10 cm土壤层中的细菌数量最少,它的数量1.55×106CFU/g干土,水分系数是1.14,它属于重度退化。同时,样品N13的10～20 cm土壤层中的细菌数量最多,它的数量27.6×106CFU/g干土,水分系数是1.29,属于未退化。样品N12的10～20 cm土壤层中的细菌数量最小,它的数量1.73×106CFU/g干土,水分系数是1.2,它属于极度退化,此土壤层植物根及分泌物比较其他草地最少,所以细菌数量最少。

样品N11的0～10 cm土壤层中的放线菌数量最多(图3),它的数量19.2×105CFU/g干土,水分系数是1.1,它属于极度退化。放线菌通常分布于含水量较低,呈微碱性土壤环境中。样品N5的0～10 cm土壤层中的放线菌数量最小,它的数量0.850 3×105CFU/g干土,水分系数是1.15,它属于中度退化。但是样品N11的水分系数(1.1)小于样品N5的水分系数(1.15),所以样品N11的放线菌数量大。样品N11的10～20 cm土壤层中的放线菌数量最多,它的数量77.16×105CFU/g干土,水分系数是1.3,极度退化。放线菌适宜pH 为7.0～8.0。样品N3的10～20 cm土壤层中的放线菌数量最小,它的数量1.3×105CFU/g干土,水分系数是1.2,属于中度退化。原因是极度退化土壤上积累的大量羊粪尿使土壤呈碱性。

样品N3的0～10 cm土壤层中的真菌数量最多,它的数量7.13×104CFU/g干土,水分系数是1.1,属于中度退化,样品N8的0～10 cm土壤层中的真菌数量最小,它的数量1.36×104CFU/g干土,水分系数是1.14,属于重度退化。真菌是化能有机营养型,中度退化土壤表面较多的植物凋落物适合真菌生长。样品N3的10～20 cm土壤层中的真菌数量最多,它的数量4.44×104CFU/g干土,水分系数是1.2,属于中度退化。样品N4的10～20 cm土壤层中的真菌数量最小,它的数量1.35×104CFU/g干土,水分系数是1.2,属于中度退化(图4)。

图2 土壤层中细菌的数量Fig.2 Bacteria quantity in soil

图3 土壤层中放线菌的数量Fig.3 Actinomyce quantity in soil

2.3 土壤微生物数量与土壤肥力因子的关系

极度退化土壤的碱解氮、全氮、速效钾、有效磷、全磷、有机质、总盐含量、pH均最大(表2),原因是极度退化土壤上积累的大量羊粪尿使土壤有机质丰富,呈碱性,含盐量高,且使化能异养型微生物大量繁殖,如真菌数量较其他退化程度土壤中真菌数量多。随着土壤退化程度的加剧,碱解氮、速效钾、全钾、全磷变化不一致,全氮、有效磷、总盐呈下降趋势,有机质呈上升趋势,容重和密度基本不变。中度退化土壤对应值居第2,未退化土壤全氮、有效磷含量较高,说明地表凋落物、植物根有利于肥力积累,促进微生物繁殖。

真菌数量与速效钾的相关系数为0.380 8、有效磷为0.400 6、全磷为0.406 5,呈显著正相关,与氮微弱正相关,这与真菌化能有机营养型的特性相符;与容重的相关系数为0.380 6、密度为0.378 1,呈显著正相关,反映其喜欢疏松土壤。细菌、放线菌数量与pH值呈极显著正相关,相关系数分别为0.488 9和为0.580 2,反映细菌、放线菌喜碱的特性。

图4 土壤层中真菌的数量Fig.4 Fungi quantity in soil

表2 各退化程度土壤中肥力因子Table 2 Fertility factors in grass soil of different degrees of degeneration

表3 土壤微生物数量与土壤肥力因子的相关系数Table 3 Correlation coefficients between quantities of soil microbes and fertility factors

3 讨论

未退化草地的微生物总数量最多,为197.764×105CFU/g干土,中度退化的微生物总数量最少,为118.257×105CFU/g干土。结果表明未退化草地土壤中植物根及分泌物多,微生物营养条件适宜,促进微生物数量增加,有利于微生物矿化作用。重度退化及极度退化的微生物递减,可能是随退化程度增加,全氮、速效钾、有效磷增加,而这些肥力因子与微生物总数微弱负相关。如王丽宏等[33]分析,黑麦草(Lolium perenne)通过根际活性,包括根系分泌物如有机酸等,提高土壤微生物活性并促进有些难溶性养分转化为易溶性养分,另外大量黑麦草根系在土壤中的腐蚀分解也有利于土壤肥力的提高。

在植物残体分解过程中,其表面微生物生物量和酶活性会显著提高,细菌数量初期急增,真菌和芽孢杆菌类群有明显的优势更替现象,放线菌数量则随分解的进程不断增多。细菌和丝状真菌是分解亚系统中的主要分解者,放线菌参与难分解物质的分解[34]。这可能是随着退化程度增加,细菌数量略呈下降趋势,而放线菌数量呈上升趋势的原因。残体分解会刺激相邻土壤的微生物活性提高,土壤C/N值等理化性质也会发生改变[34]。

本研究中,极度退化土壤的碱解氮、全氮、全磷、有机质、总盐含量、pH均最大,原因是极度退化土壤上积累的大量羊粪尿使土壤有机质丰富,呈碱性;随着土壤退化程度的加剧,碱解氮、速效钾、全钾、全磷变化不一致,全氮、有效磷、总盐呈下降趋势,有机质呈上升趋势,容重和密度基本不变。而王启兰等[12]研究表明,过度放牧使土壤系统的微环境恶化,速效养分的供给能力及有机物质的转化能力降低,从而导致了植被和土壤系统的双重退化和微生物量碳的低下。随着放牧压力的增大,土壤微生物量碳、有机质及速效磷显著降低;土壤pH值、容重及根土比显著升高;速效氮和速效钾变化不一致。周萍等[35]研究表明,随着植被恢复年限增加,群落总盖度、地上与地下生物量逐渐增加,土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效钾增加且上层土壤养分恢复较下层快。植物群落总盖度、群落地上与地下生物量与表层土壤(0～20 cm)养分间均呈正相关关系,群落地上与地下生物量、有机碳和碱解氮间存在显著正相关,壤酶活性较低,群落地下生物量与土壤有机质、碱解氮达到极显著水平。

随着草地退化强度的增加,土壤各类群微生物数量均有不同程度的减少。当前草场的过度利用状况已使土壤微生物的数量、活性明显降低。牧草的根际是微生物最为活跃的区域,存在明显的根际效应,在贫瘠土壤中往往更明显。放牧等人为因素对土壤微生物会产生不同影响,围栏封育和适度放牧均可提高土壤微生物的活性,有利于退化草场的恢复。退耕地种草后,土壤有机碳、全氮含量增加,这势必改善土壤肥力状况,提高土壤微生物繁殖速度[36]。以后适度的放牧,提高微生物的活性,提供草地发展的环境条件,改善微生物需要的环境条件,为恢复退化草地的功能提供理论基础。

4 结论

未退化的微生物总数量最多,中度退化的微生物总数量最少。

退化草原微生物区系中10～20 cm土壤层的微生物总数比0～10 cm土壤层的微生物总数多。

在0～10,10～20 cm两土壤层内,同一土层微生物的分布与退化程度和水分系数的关系都有明显的差异。

真菌数量与速效钾、有效磷、全磷呈显著正相关,与氮微弱正相关,与容重、密度呈显著正相关。细菌、放线菌数量与pH值呈极显著正相关。

极度退化土壤的碱解氮、全氮、速效钾、有效磷、全磷、有机质、总盐含量、pH均最大。

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