宁夏典型草原土壤微生物特征对不同管理方式的响应

沈 艳，马红彬，谢应忠，许冬梅，赵 菲

（1．宁夏大学草业科学研究所，宁夏 银川750021；

2．西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川750021）

草地土壤微生物是草地土壤养分转化和循环的推动力，影响着植物对养分的吸收，是植物养分的重要来源［1］。土壤微生物在土壤形成和演化过程中起主导作用［2］，是土壤肥力的活指标、土壤物质循环和能量流动的调节者［3］、土壤有效养分的储备库［4］。土壤微生物量（Soil Microbial Biomass，SMB）是土壤活性养分的储存库，作为土壤中物质代谢旺盛强度的指标，对环境变化敏感，对土地利用、农业生产活动和气候条件有着积极的响应，能够反映土壤质量的细微变化［5］，可较早地指示生态系统功能的变化［6］。研究表明，虽然土壤微生物量在土壤中所占比例很小，仅占土壤有机物质的1%～4%［7］，但其作用却不容忽视，它是土壤中最容易被植物所利用的氮、磷等营养元素及土壤有机物质转化的驱动力，与土壤中营养物质的循环紧密相关［8－9］。

宁夏典型草原主要分布在宁夏南部山区各县，是宁夏主要的生态屏障和牧业基地。但是，长期以来的自然和人为因素致使草原植被遭到严重破坏。近年来，随着退牧还草等工程的推进，宁夏典型草原先后采取了封育、水平沟改良等管理方式促进草地植被恢复，从而使草地土壤中对草原生态系统功能正常发挥起重要作用的微生物种类、数量和分布状况也发生了变化［10］。因此，研究宁夏典型草原微生物特征对不同管理方式的响应，对探讨不同管理方式对草地土壤质量及植被的影响具有重要意义，也可为该区草地科学管理和生态建设提供重要理论依据。

1 材料与方法

1．1 试验区概况 试验区地处宁夏云雾山草原自然保护区，位于宁夏回族自治区固原市东北部45 km处，地理位置为106°21′～106°27′E，36°10′～36°17′N。该区处于祁连山地槽东翼与鄂尔多斯台地西缘之间，居黄河流域的上游和黄土高原的中间地带。海拔1 800～2 100m，大部分在2 000m 以下，最高峰2 148m，地势南低北高，南坡平缓，北坡较陡，为黄土覆盖的低山丘陵区。土壤可分为山地灰褐土和黑垆土两类。气候属半干旱气候，年平均气温5℃，最热月7月，气温在22～25℃，最冷月1月，平均最低气温－14℃左右。≥0℃的积温2 370～2 882℃·d，年日照时数2 500h，太阳辐射总量525kJ·cm－2，年平均无霜期137d，年平均降水量445mm。

试验区地带性土壤为黑垆土。建群种和优势种植物主要有本氏针茅（Stipa bungeana）、大针茅（S．grandis）、百里香（Thymus mongolicus）、铁杆蒿（Artemisia sacrorum）、星 毛 委 陵 菜 （Potentilla acaulis）、茭蒿（A．giraldii）等。

1．2 试验设置 试验设9个处理，分别为未封育草地（放牧草地，DFWY），封育2年（DF2）、封育3年（DF3）、封育5年（DF5）、封育10年（DF10）、封育15年 （DF15）、封 育 20 年 （DF20）、封 育 25 年（DF25）草地和水平沟改良草地（DS10）。

1．3 研究方法 于植被生长旺季（2011年8月），在每个样地按“S”形分别取0～5、5～15、15～25和25～40cm土层土壤，每个样地同层土壤混合装袋，带回实验室将其用四分法混合均匀，备用。然后测定细菌、真菌和放线菌三大菌类的数量，测定微生物量碳、氮含量及土壤有机质含量。土壤细菌、真菌和放线菌数量测定采用许光辉和郑洪元［11］的方法。土壤微生物量碳、氮含量测定采用吴金水［12］的方法，有机质含量采用南京土壤研究所［13］方法。

1．4 数据分析 基础数据用Excel录入、计算及作图，土壤微生物特征之间及其与土壤有机质含量的相关分析、AVONA方差分析采用DPS 7．05软件进行分析。

2 结果

2．1 土壤微生物数量对不同管理方式的响应

试验区0～40cm土层土壤微生物中，数量总体表现为细菌＞放线菌＞真菌（表1）。细菌占绝对优势，占微生物总数量的89．03%～94．60%；放线菌数量次之，占微生物总数量的5．35%～10．89%；真菌数量最少，占微生物总数量的0．04%～0．31%。

各管理方式细菌数量均显著高于未封育草地，细菌数量随封育年限增加呈增加趋势，以封育25年草地最高，为60．86×106cfu·g－1，占微生物总数量的92．03%；未封育草地最低，为8．79×106cfu·g－1，占微生物总数量的91．46%。放线菌数量对管理方式的响应与细菌数量变化趋势相似，仍然以封育25年草地最高，为52．10×105cfu·g－1；未封育草地最低，为8．02×105cfu·g－1；水平沟改良草地放线菌数量仅高于未封育草地。真菌数量在各管理方式下则表现为封育5年最高，为79．09×103cfu·g－1，其次是封育25年草地，为61．75×103cfu·g－1，以封育3年草地最低，为18．31×103cfu·g－1。

表1 不同管理方式下0～40cm土壤微生物数量Table 1 Microorganism number in 0－40cm soil depth of desert steppe under different management modes

管理方式对土壤微生物总数量亦影响显著（P＜0．05），表现为随封育年限增加，微生物总数量呈增加趋势，水平沟改良10年草地的土壤微生物总数量比未封育草地高，低于5年以上封育草地（表1）。

对各管理方式下不同土层微生物数量分析发现（图1），不同管理方式下土壤微生物集中在0～25 cm土层，占微生物总数量的77．3%～92．1%，表层土壤（0～5cm）并非微生物活动最旺盛的土层，而5～15cm土层微生物数量较高。

图1 不同管理方式下不同土层土壤微生物数量变化Fig．1 Changes of microorganism number in different soil depth of typical steppe under different management modes

2．2 微生物量碳、氮对不同管理方式的响应

典型草原0～40cm土层土壤微生物量碳受管理方式的影响显著（P＜0．05），其值为18．50～252．04 mg·kg－1，表现为随封育年限增加呈增加趋势，水平沟改良10年草地微生物量碳与封育3年草地相当（图2A），说明水平沟改良对草地土壤微生物量碳改善效果不明显。9个处理中，封育25年草地土壤微生物量碳最高，其次为封育20年草地，最低的为未封育的放牧草地，说明典型草原在封育恢复过程中，恢复时间的延长对微生物量碳的积累有明显的促进作用，而长期连续放牧则严重阻碍了微生物量碳的积累。不同土层土壤微生物量碳整体表现为5～15＞0～5＞15～25＞25～40cm，即典型草原土壤微生物量碳最高的土层在表层之下，其原因与微生物数量的影响因素相似（图2A）。

典型草原0～40cm土层微生物量氮变化与微生物量碳相比，变化较为平缓，但总体趋势与微生物量碳变化相似，即封育时间能促进微生物量氮的积累，放牧对其有阻碍作用，水平沟改良对微生物量氮促进作用不明显。不同土层土壤微生物量氮表现仍然以5～15cm土层最高（图2B）。

2．3 土壤微生物特征与土壤有机质含量的相关性

图2 典型草原土壤微生物量碳、氮对不同管理方式的响应Fig．2 Responses of microbial biomass carbon and nitrogen to different management modes in typical steppe

图3 典型草原土壤微生物特征与有机质含量相关性Fig．3 Relationship between microorganism properties and soil organic content of typical steppe

草地生态系统土壤微生物活动能力的强弱受土壤状况、牧草生长状况、草地利用方式和强度等因素的影响，且对土壤环境的变化较为敏感。Person相关分析表明（图3），土壤微生物特征与有机质含量显著正相关，表现为土壤有机质含量与微生物总数量和微生物量碳、氮均呈现极显著正相关关系（P＜0．01），相关系数分别0．83、0．88和0．80；微生物总数量与微生物量碳、氮呈极显著正相关关系（P＜0．01），相关系数分别0．95和0．99；微生物量碳、氮之间亦呈极显著正相关关系（P＜0．01），相关系数为0．93。说明土壤微生物特征能较好地指示土壤肥力特征。

3 讨论

土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，其周转周期短，可以灵敏地反映环境因子、土地经营模式和生态功能的变化过程，常被用来评价土壤质量和研究退化生态系统中生物群系与恢复功能之间的关系。不同管理方式下，典型草原0～40 cm土层土壤细菌数量占绝对优势，超过微生物总量的89%；放线菌数量居中；真菌数量最少。这与单贵莲等［14］和曹叶飞等［15］的研究结果一致。一般认为，放牧使微生物量碳氮降低，也有试验证明，放牧使高原草原土壤微生量碳、氮增加。适当放牧有利于微生物活性增强［16－17］。但是本研究中，由于放牧草地（未封育草地）长期超载自由放牧，植被低矮稀疏，草地退化严重，所以微生物量和微生物量碳、氮较低。而封育草地由于没有家畜的放牧干扰，地上部生物量增加，不仅使较多的根量和凋落物输入土壤增加土壤养分，而且增强了土壤的保水保肥效果，为微生物活动提供了丰富的能源物质［18－20］。因此，随着典型草原封育年限的增加，微生物数量和微生物量碳、氮上升，这也与一些学者的研究结果一致［21－23］。水平沟措施下，虽然经过了10年的恢复，但其微生物数量及微生物量碳、氮仍低于5年以上的封育草地。可能是由于水平沟植被的恢复较慢，枯落物数量较少的缘故，另外则与水平沟整地时的土壤被深度翻挖，原来表层较肥沃的土壤被翻至深层有关。一些研究表明，表层土壤的微生物数量高于深层土壤，微生物数量具明显表聚性［10，24］，但在本研究中，典型草原微生物数量最大的土层并非0～5cm土壤，这可能是由于表层土壤受环境影响较大，返还土壤的枯枝落叶尚处于较大颗粒，不利于微生物的分解活动。相比之下，5～15cm土层的有机质颗粒更适合土壤微生物生长，从而使微生物数量和微生物量碳、氮较高，具体原因还有待于进一步研究。

土壤中的微生物一方面反映土壤中物质和能量代谢的旺盛程度，另一方面也反映了土壤的肥力状况，是土壤肥力的重要指标［25］。本研究表明，土壤微生物总数量和微生物量碳、氮均与土壤有机质含量呈极显著正相关，且微生物总数量和微生物量碳、氮之间也存在正相关关系，说明土壤有机质的增加能增加土壤微生物数量及微生物生物量，这与王俊华等［26］的研究结果一致。

4 结论

从生态恢复的角度看，在宁夏南部典型草原采取的一系列生态修复措施均能使土壤和植被发生变化，其中土壤微生物特征随草地管理方式呈现不同的变异。长期放牧严重降低了土壤微生物数量及微生物量碳、氮，相比之下，对草地进行禁牧封育则能显著提高土壤微生物数量及微生物量碳、氮。水平沟改良是典型草原区较普遍的草地改良模式，但本研究发现，其草地微生物特征并未表现出明显的优越性。典型草原土壤微生物特征与有机质含量呈极显著正相关关系，表明土壤微生物特征能较好地指示土壤肥力状况。为正确评价宁夏南部典型草原的生态恢复模式的合理性、科学性及适应性，仍需进行多方面深入的研究。

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