科尔沁沙地和浑善达克沙地流动沙丘中土壤微生物学特征比较

王少昆，赵学勇，曲 浩，井向辉，连 杰，云建英

1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院研究生院，北京 100039

3.长庆油田公司第二采油厂地质研究所，甘肃 庆阳 745100

科尔沁沙地和浑善达克沙地流动沙丘中土壤微生物学特征比较

王少昆1，2，赵学勇1*，曲 浩1，2，井向辉3，连 杰1，2，云建英1

1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院研究生院，北京 100039

3.长庆油田公司第二采油厂地质研究所，甘肃 庆阳 745100

通过对科尔沁沙地和浑善达克沙地流动沙丘中0～10 cm和＞10～20 cm层土壤中微生物数量和生物量碳的比较表明：土壤微生物三大类群(细菌、放线菌和真菌)数量和微生物生物量碳均表现为浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地，其中两大沙地真菌数量差异显著，细菌和放线菌数量差异不显著，微生物生物量碳差异显著;两大沙地土壤微生物数量和生物量碳在不同土壤层次均表现为＞10～20 cm层高于0～10 cm层，其中微生物三大类群数量差异均不显著，微生物生物量碳差异显著.土壤性质的差异导致两大沙地流动沙丘中微生物数量和生物量碳略有不同.细菌和真菌数量与土壤有机碳和土壤全氮呈显著正相关，与土壤水分含量和pH呈显著负相关，微生物生物量碳与土壤有机碳和土壤全氮呈显著正相关.两大沙地土壤微生物与土壤养分的层化比率均小于1，科尔沁沙地中微生物数量、生物量碳和土壤养分的层化比率均大于浑善达克沙地，可以推断两大沙地的流动沙丘处于退化状态，而且浑善达克沙地退化速度更快.

科尔沁沙地;浑善达克沙地;流动沙丘;土壤微生物;微生物生物量碳;层化比率

沙漠化是土地退化最严重的形式之一［1］.沙漠化过程中，土壤、水文、植被和微气象都会发生明显的变化［2-3］.科尔沁沙地和浑善达克沙地位于我国北方农牧交错带上，其原始植被都是榆树疏林草原，由于受自然条件和人为干扰的共同作用，两大沙地沙漠化发展迅速，榆树疏林草原逐渐被沙丘代替［4-6］.土壤微生物是陆地生态系统中最活跃的成分，担负着分解动植物残体的重要使命，推动着生态系统的能量流动和物质循环［7］.土壤微生物参数可作为土壤质量变化的指标［8-9］.

科尔沁沙地和浑善达克沙地均处于中国北方农牧交错带，该区域生态系统较为脆弱，沙漠化发展迅速.刘军会等［10］利用遥感，GIS和景观生态学的方法分析得出农牧交错带沙地面积从1988—2000年增加了8 063 km2，并以每年672 km2的速度扩展，其主要原因是草地的退化.以往对科尔沁沙地和浑善达克沙地的研究，主要集中在沙地水分［11-13］、植被［14-15］、土壤种子库［16-17］和土壤理化性质［18-20］等方面，而在微生物方面的研究较少.陈祝春等［21］和吕桂芬［22］分别在20世纪90年代对科尔沁沙地沙丘中土壤微生物数量的分布特征和季节动态进行了研究，近年来，王少昆等［23］对科尔沁沙地不同沙丘萌动期微生物数量的组成进行了初步研究，而对浑善达克沙地微生物方面的研究鲜见报道.由于科尔沁沙地和浑善达克沙地在地理、气候和沙漠化程度上都有一定的相似性，同时也存在一定的差异性，所以对科尔沁沙地和浑善达克沙地的比较研究具有现实意义.然而，到目前为止，对于两大沙地之间的比较研究仅限于冰草群居多样性方面［24］.该研究对我国北方两大沙地流动沙丘中土壤微生物数量和生物量特征进行了比较研究，以期补充浑善达克沙地微生物方面研究的空白，同时也有利于沙地之间在沙漠化防治和生态重建方面相互借鉴，从而为退化草场的恢复、沙地生态系统分解者亚系统功能的维持提供一定的理论依据.

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

科尔沁沙地和浑善达克沙地均处于中国北方农牧交错带上，生态系统较脆弱，沙漠化程度受人为影响较大，两大沙地地理位置如图1所示，基本生态状况如表 1 所示［4，25］.

图1 科尔沁沙地和浑善达克沙地地理位置Fig.1 Location of Horqin and Otindag Sands

1.2 研究方法

1.2.1 取样设计

分别选取科尔沁沙地和浑善达克沙地3个典型的流动沙丘，在每个沙丘上选择5×5 m2的样方若干，随机选取其中3个作为取样样方，按“S”型在每个取样样方中选5个采样点，用已灭菌的直径为20 mm土钻在每个采样点上分别取0～10 cm和＞10～20 cm的土壤，将相同深度的土壤分别混匀，用75%酒精灭菌后的土壤筛(＜2 mm)去掉石块和动植物残体，装入无菌袋带回实验室4℃下保存待用.实验室测定包括土壤含水量，pH，电导率、微生物3大类群(包括细菌、放线菌和真菌)数量及微生物生物量碳.

1.2.2 测定方法

微生物各类群数量的测定采用稀释平板法［26-27］：细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用高氏一号培养基，真菌采用马丁氏孟加拉红琼脂培养基.每种类群选用2个稀释度，每个稀释度接种3个平板，无菌接种后，冷凝倒置于恒温培养箱内28～30℃培养，3～7 d内对微生物数量进行计数.

微生物生物量碳(MBC)含量的测定采用氯仿熏蒸提取法［28］;土壤含水量(SWC)采用烘干恒质量法(105℃，24 h);pH 测 定 用 Multiline P4(Germany)p H探头测定(水土比为1∶2.5);电导率(EC)用Multiline P4(Germany)电导率探头测定(水土比为1∶5);土壤有机碳(SOC)含量(质量分数)采用重铬酸钾-硫酸氧化法;土壤全氮(STN)含量(质量分数)采用凯氏定氮法［29］.

表1 科尔沁沙地和浑善达克沙地基本状况［4，25］Table 1 Basic description of Horqin and Otindag Sandys

1.2.3 数据分析

基本数据分析和绘图采用 Microsoft Excel和Origin 8.0软件，方差分析和相关性分析采用SPSS软件，没有特殊说明的情况下以P＜0.05为显著水平，两大沙地的差异采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，微生物特征与土壤理化性质的相关分析采用Pearson相关.所有数值采用平均值±标准误差(means±SE)的形式表示.

2 结果与讨论

2.1 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤理化特征

科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤理化性质差异明显(见表2).w(SOC)，w(STN)和电导率(EC)均为浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地，w(SOC)和EC差异显著，w(STN)差异不显著;土壤含水量(SWC)为科尔沁沙地较高，两大沙地之间差异显著;两大沙地的土壤均为偏碱性，而浑善达克沙地中pH更接近于中性.在0～10 cm和＞10～20 cm的2层土壤间，科尔沁沙地中除 SWC差异显著外，w(SOC)，w(STN)，pH和EC差异均不显著;浑善达克沙地w(SOC)，SWC和pH差异显著，w(STN)和EC差异不显著.

表2 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤理化特征Table 2 Physicochemical properties of soils in Horqin and Otindag Sands

2.2 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤微生物数量比较

科尔沁沙地和浑善达克沙地流动沙丘中土壤微生物3大类群(细菌、放线菌和真菌)数量均表现为：浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地.在0～10 cm和＞10～20 cm的2层土壤中，浑善达克沙地土壤细菌数量比科尔沁沙地分别多40.3%和53.9%，差异不显著;放线菌数量分别多7.9%和21.2%，差异不显著;浑善达克沙地真菌数量分别是科尔沁沙地的2.52和3.14倍，差异显著.两大沙地土壤微生物数量均表现为＞10～20 cm层高于0～10 cm层.科尔沁沙地和浑善达克沙地中，＞10～20 cm土壤层细菌数量比0～10 cm层分别高9.8%和20.4%，放线菌数量分别高17.0%和31.4%，真菌数量分别高8.0%和34.4%，同一沙地中不同层次土壤微生物数量差异不显著(见图2).

2.3 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤w(微生物生物量碳)比较

图2 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤微生物三大类群数量比较Fig.2 Soil microbial population in Horqin and Otindag Sands

科尔沁沙地和浑善达克沙地流动沙丘中土壤w(微生物生物量碳)与微生物数量分布相似，即浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地，＞10～20 cm层高于0～10 cm层(见图3).在0～10 cm层，浑善达克沙地土壤w(微生物生物量碳)比科尔沁沙地高 17.16%，差异不显著，＞10～20 cm层高56.69%，差异显著.两大沙地0～10 cm和＞10～20 cm 2层的w(微生物生物量碳)差异显著，科尔沁沙地和浑善达克沙地 ＞10～20 cm层w(微生物生物量碳)分别是0～10 cm层的1.98倍和2.65倍.

图3 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤w(微生物生物量碳)比较Fig.3 Soil microbial biomass C in Horqin and Otindag Sands

可见，微生物3大类群数量和生物量碳均表现出浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地，但是两大沙地微生物数量除了所占比例不到1%的真菌差异显著外，细菌和放线菌数量差异均不显著，而w(微生物生物量碳)在两大沙地中差异显著.这种差异主要由真菌引起，有研究［30］表明，虽然真菌在微生物总数上不占优势，但是其生物量能占到微生物总生物量的40%以上.两大沙地微生物数量和w(微生物生物量碳)均为＞10～20 cm层高于 0～10 cm层，其中三大类群数量之间差异均不显著，而w(微生物生物量碳)差异显著，这可能是由于细菌、放线菌和真菌三者的叠加效应所致.

3 讨论

3.1 土壤微生物特征与土壤理化性质的相关关系

对两大沙地流动沙丘中土壤微生物特征〔微生物三大类群数量和w(微生物生物量碳)〕与土壤理化性质〔w(SOC)，w(STN)，SWC，pH 和 EC〕的Pearson相关分析(见表3)可以看出：细菌数量与w(SOC)，w(STN)和 EC呈极显著正相关，与 SWC和pH呈极显著负相关;放线菌数量与土壤因子的相关关系不显著;真菌数量表现出与w(SOC)和w(STN)显著正相关，与 SWC和 pH呈负相关;w(微生物生物量碳)与w(SOC)和w(STN)显著正相关.微生物特征之间的相关关系表现为：细菌、放线菌和真菌数量之间除细菌和放线菌无相关关系外，其他两两之间均极显著正相关;w(微生物生物量碳)与细菌数量呈极显著正相关，与放线菌和真菌数量统计上相关不显著.

该研究结果与笔者对科尔沁沙地处于恢复阶段的流动、半流动、半固定和固定沙丘中微生物数量与环境因子之间的相关结果［23］有所差异.突出表现在放线菌数量与其他生态特征的相关关系方面，其原因可能是该研究只针对2个沙地的流动沙丘进行了研究，而笔者对科尔沁沙地的研究包括沙丘恢复过程中的4个阶段，即流动、半流动、半固定和固定沙丘，使得放线菌、细菌和真菌对环境因子的变化响应不同，从而出现不同的结果.相同的是微生物数量与土壤含水量均呈现极显著负相关，由此可以推断：在沙地正常水分范围内，土壤微生物数量与土壤含水量呈负相关关系.w(微生物生物量碳)与w(SOC)和w(STN)的极显著相关，说明其明显受土壤养分的影响.w(微生物生物量碳)与细菌数量呈显著正相关，与放线菌和真菌数量相关不显著，说明在流动沙丘中，细菌不仅在数量上占绝对优势，而且对微生物生物量的贡献也最大.

表3 土壤微生物特征与土壤理化性质的相关关系Table 3 Correlations among soil microbial features and physicochemical properties

3.2 层化比率

土壤层化比率是土壤表层与底层土壤特征值的比值，FRANZLUEBBERS［31］对土壤有机质层化比率的研究指出：“土壤碳、氮层化比率较高的土壤可能是优良土壤的评价指标，该指标不受土壤类型和气候的影响而变化.”并进一步指出：“如果层化比率大于2，则土壤一般不会发生退化现象.”李涛等［32］将层化比率应用于土壤微生物方面，提出土壤微生物层化比率(Soil Microbial Stratification Ratio)的概念，并用其判断土壤演替方向的评价指标，并进一步证明了土壤微生物层化比率也存在以2为阈值的分界，如果土壤微生物(细菌、放线菌和真菌)的层化比率明显小于2或者异常高值，说明土壤存在退化现象，如果层化比率大于2或者在2附近，说明土壤状况较好，正处于恢复过程中.

由表4可知，科尔沁沙地和浑善达克沙地中土壤微生物与土壤养分的层化比率均小于1，远小于阈值2(表4)，说明该研究中两大沙地的流动沙丘处于退化状态.而科尔沁沙地中微生物数量、微生物生物量碳和土壤养分的层化比率均大于浑善达克沙地，说明虽然浑善达克沙地流动沙丘中土壤微生物活性和土壤养分较高，但是其层化比率较低，由此可以推断出该沙地的退化速度更快.

表4 科尔沁沙地和浑善达克沙地土壤微生物和土壤养分层化比率Table 4 Soil microbial and organic matter stratification ratio in Horqin and Otindag Sands

科尔沁沙地和浑善达克沙地在地理、气候和沙漠化程度等方面有相似性，但是也存在一定的差异，从而导致两大沙地在植被和土壤性质方面有所不同(见表1，2).浑善达克沙地流动沙丘中w(SOC)，w(STN)和电导率均高于科尔沁沙地，pH更接近中性，这些土壤优势给浑善达克沙地流动沙丘中微生物的生长繁殖提供了较好的环境，所以该沙地中微生物数量和w(微生物生物量碳)要比科尔沁沙地高.

李景欣等［24］对科尔沁沙地和浑善达克沙地中冰草的13个群居240个个体和5个形态学特征(穗长、穗宽、小穗数、小花数和穗轴第一节间长)进行了比较研究，结果表明，5个形态学特征中有4个特征的统计平均数为科尔沁沙地低于浑善达克沙地，多样性指数分别为1.564 5和1.600 4，这与该研究中两大沙地土壤微生物特性表现一致.可见，两大沙地从物种多样性和微生物活性方面均表现出浑善达克沙地高于科尔沁沙地.然而，从层化比率的研究结果表明，两大沙地均处于退化状态，而且浑善达克沙地的退化速度更快.

流动沙丘中植被盖度低、植物种类少、根系不发达、土壤养分差，从而导致微生物生长繁殖相对较慢，微生物活性相对较低.由于流动沙丘固有的相对较差的生态环境条件，使其土壤微生物数量和生物量碳比条件较好的固定沙丘和沙质草甸低得多，对科尔沁沙地、腾格里沙漠和库布齐沙漠等干旱半干旱地区的研究结果表明，差异在1个数量级以上［33-35］.

流动沙地的固定是现阶段中国北方农牧交错带面临的一大难题，也是科研工作者需要解决的一项重大课题［25］.如何科学地运用生态学方法，从生产者、消费者和分解者方面入手，多方面、多角度对沙地生态系统中各环节加以调节及如何从个体、种群、群落和生态系统不同层面对沙地生态系统各尺度进行调控等都需要在今后的研究中得以解决，从而为沙地流动沙丘的固定提供理论和实践依据.

4 结论

a.土壤微生物三大类群(细菌、放线菌和真菌)数量均表现为浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地，其中真菌数量差异显著，细菌和放线菌数量差异不显著;w(微生物生物量碳)表现为浑善达克沙地 ＞科尔沁沙地，差异显著.

b.两大沙地不同土层微生物数量和w(微生物生物量碳)均表现为＞10～20 cm层高于 0～10 cm层，其中微生物三大类群数量之间差异均不显著，w(微生物生物量碳)差异显著.

c.细菌和真菌数量与w(SOC)，w(STN)显著正相关，与SWC和pH呈显著负相关;放线菌数量与土壤因子的相关关系不显著;w(微生物生物量碳)与w(SOC)，w(STN)显著正相关.w(微生物生物量碳)与细菌数量呈显著正相关，说明在流动沙丘中，细菌不仅在数量上占绝对优势，且对微生物生物量的贡献也最大.

d.两大沙地流动沙丘中，土壤微生物和土壤养分的层化比率均小于1，科尔沁沙地中微生物数量、生物量碳和土壤养分的层化比率均大于浑善达克沙地，可以推断该研究中两大沙地的流动沙丘处于退化状态，而且浑善达克沙地退化速度更快.

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Comparison of Soil Microbial Features in Mobile Dunes from Horqin and Otindag Sands in Northern China

WANG Shao-kun1，2，ZHAO Xue-yong1，QU Hao1，2，JING Xiang-hui3，LIAN Jie1，2，YUAN Jian-ying1
1.Naiman Desertification Research Station，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China
3.Research Center of Geology，No.2 Oil Extraction Plant of Changqing Oilfield Company，Qingyang 745100，China

Typical mobile dunes in Horqin Sands and Otindag Sands were chosen to investigate the soil microbial population and biomass carbon in the 0-10 cm and ＞10-20 cm soil layers.Results showed that soil microbial population and biomass carbon in Otindag Sands were greater than those in Horqin Sands.The difference of fungal population between Horqin and Otindag was significant，while the differences of bacterial and actinomycetic population were both statistically insignificant.Their biomass carbon also showed significant differences.Microbial population and biomass carbon at the two layers showed that the＞10-20 cm was greater than the 0-10 cm layer in both the Otindag and Horqin Sands.The difference of microbial population between the two layers was not significant，while microbial biomass carbon was significantly different.The differences of soil properties resulted in the differences of microbial population and biomass carbon between the Horqin and Otindag Sands.Correlations were remarkably positive among bacterial and fungal population，soil organic carbon content and soil total nitrogen content，but negative among bacterial and fungal population，soil water content and p H value.Microbial biomass carbon displayed a significantly positive correlation with soil organic carbon content and soil total nitrogen content.Soil microbial and organic matter stratification ratios were below 1 in both Horqin and Otindag Sands.Microbial population，biomass carbon and organic matter stratification ratios in Horqin Sands were higher than those in Otindag Sands，which indicated that the mobile dunes in both Horqin and Otindag Sands were in a state of degradation.The degradation rate was greater in Otindag than inHorqin Sands.

Horqin Sands;Otindag Sands;mobile dune;soil microorganism;microbial biomass carbon;soil stratification ratio

X171

A

1001-6929(2010)12-1516-07

2010-05-15

2010-08-30

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2009CB421303);中国科学院西部之光项目(O928711001);中国科学院西部之光博士项目(O828881001)

王少昆(1982-)，男，陕西绥德人，wangsk@lzb.ac.cn.

*责任作者，赵学勇(1963-)，男，内蒙古临河人，研究员，博士，博

导，主要从事恢复生态学研究，nmzhaoxy@yahoo.com.cn