衡阳紫色土丘陵坡地退化植被和恢复植被土壤微生物生物量的研究
2014-02-27刘作云杨宁
刘作云,杨宁
1. 湖南环境生物职业技术学院园林学院继续教育部,湖南 衡阳 421005;2. 湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南 衡阳 421005
衡阳紫色土丘陵坡地退化植被和恢复植被土壤微生物生物量的研究
刘作云1,杨宁2*
1. 湖南环境生物职业技术学院园林学院继续教育部,湖南 衡阳 421005;2. 湖南环境生物职业技术学院园林学院,湖南 衡阳 421005
土壤微生物量常被作为植物所需营养元素的转化因子和资源库,是表明土壤发育状况和生化强度的一项主要指标。为了研究衡阳紫色土丘陵坡地退化植被与恢复植被的土壤微生物生物量特征。以退化植物群落(狗尾草群落)(Ass. Setaria viridis)和恢复植群落(枫香+苦楝-剌槐+牡荆-野菊花+夏枯草群落)(Ass. Liquidamdar formosana+Melia azedarach-Robinia pseudoacacia+Vitex negundo var. cannabifoloa-Chrysanthemum indicum+Prunella vulgaris)作为研究对象,通过调查取样和实验分析相结合的方法,分析2种植物群落的0~10、10~20、20~30、30~40和40~50 cm土层的土壤微生物生物量的变化特征。结果表明:(1)随着土层深度增加,土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量均显著降低,其大小顺序为:0~10 cm土层>10~20 cm土层>20~30 cm土层>30~40 cm土层>40~50 cm土层(P<0.05);(2)恢复植被各土层中的土壤微生物生物量均显著高于退化植被(P<0.05);(3)土壤微生物生物量与土壤含水量、土壤容重、土壤有机质和土壤微生物生物量存在显著或极显著的相关关系(P<0.05或P<0.01)。研究表明:恢复植被有利于土壤微生物生物量的提高和土壤质量的改善。
退化植被;恢复植被;土壤微生物生物量;紫色土;衡阳
土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力,直接参与养分循环、有机质分解等诸多生态过程(杨宁等,2013a,2013d,2014b)。土壤微生物生物量是表征土壤生态系统中物质和能量流动的重要参数之一,被认为是土壤活性养分的储备库,是植物生长可利用养分的重要来源(Balloni W和Favilli F,1987;Brussaard L,1994;Smith J L和Paul E A,1990;杨宁等,2013b)因此,微生物参数可作为土壤质量变化的指标(Kershaw K A,1963;杨满元等,2013;杨宁等,2014a)。
衡阳紫色土丘陵坡地面积1.625×105hm2,是湖南省生态环境最为恶劣的地区之一,也是中国南方极具代表性的生态灾害易发地区。由于紫色土极易水蚀,发育期短,地力差,常处于幼年阶段,加上颜色深、吸热性强,夏季地面温度高,蒸发量大,又因区域性水、热分布等不利环境影响和不合理的开发,致使该区域长期以来植被稀疏,水土流失和季节性旱灾严重,恶劣的生态环境严重制约着当地农村经济的发展,农民增收明显低于其他地区,甚至危及当地农民的生存。为了遏制该区域生态环境的恶化,科研工作者们在这一地区做了大量的工作,并已取得一系列研究成果(杨宁等,2009c,2010,2012,2013a,2013d,2014b)。本项目拟通过对退化植被和恢复植被土壤微生物生物量的研究,为深入探讨本地区生态系统的能量流动和物质循环,为退化植被进行生态恢复提供参考。
1 研究地区与方法
1.1自然概况
衡阳紫色土丘陵坡地(110°32′16″~113°16′32″E,26°07′05″~27°28′24″ N)地处湖南省中南部,湘江中游,属亚热带季风湿润气候,年平均气温18 ℃,极端最高气温40.5 ℃,极端最低气温-7.9 ℃,年平均降雨量1325 mm,年平均蒸发量1426.5 mm,平均相对湿度80%,全年无霜期286 d。地貌类型以丘岗为主。紫色土呈网状集中分布于该区域中部海拔60~200 m的地带,东起衡东县霞流镇、大浦镇,西至祁东县过水坪镇,北至衡阳县演陂镇、渣江镇,南达常宁市官岭镇、东山瑶族乡和耒阳市遥田镇、市炉镇一带,其中以衡南、衡阳两县面积最大(杨宁等,2009a,2009b)。
退化植被的植物群落类型为狗尾草群落(Ass. Setaria viridis),植物以草本植物为主,主要包括狗尾草、假俭草(Eremochloa ophiuroides)、牛筋草(Eleusine indica)、须芒草(Miscanthus sinensis)和早熟禾(Poa annua)等5种,地表土壤侵蚀严重,处于半裸露状态,植被盖度为20%,为土壤提供的凋落物少,生境条件不利于土壤微生物的生长繁殖和土壤养分的积累。
恢复植被的植物群落类型为枫香+苦楝-剌槐+牡荆-野菊花+夏枯草群落(Ass. Liquidamdar formosana+Melia azedarach-Robinia pseudoacacia+ Vitex negundo var. cannabifoloa- Chrysanthemum indicum+Prunella vulgaris),该植被类型层次结构明显,包括乔木层、灌木层和草本层,乔木层有枫香、苦楝、香樟(Cinnamomum camphora)和栎(Quercus spp.)等小乔木;灌木层有剌槐、牡荆、马桑(Coriaria nepalensis)、女贞(Ligustrum luciduum)等;草本层有野菊花、夏枯草、早熟禾、田边菊(Kalimeris indica)、过路黄(Lysimachia christinae)等。植被盖度为80%,地是植物生物量大,每年提供大量凋落物,地下植物根系发达,其分泌物和死根是土壤微生物的能源物质,有利于土壤微生物的生长繁殖和土壤养分的积累。
退化植被与恢复植被的土壤性质见表1。
1.2方法
1.2.1样品采集
2012年8月5日选择退化植被和恢复植被作为研究样地,采用多点混合法,用土钻分别在0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm依次采集5层土壤样品,每一层选5点打钻,将5个点的土壤混合后,装入塑料袋密封保鲜带回实验室,供土壤微生物生物量、土壤含水量、土壤容重、土壤有机质和土壤微生物生物量碳的测定分析。
1.2.2土壤微生物生物量的测定
采用干重换算法,测定土壤微生物生物量(廖仰南,1988;陈璟和杨宁,2013c)。
细菌生物量的测定:对好气性细菌和芽孢细菌进行测定,计算公式为:
B1=c/b·N
式中:B1为细菌生物量(g·g-1干土);c不计数细菌的总干重(g);b为计数细菌悬液中的细菌总数(个);N为1 g干土中的细菌数量。
丝状微生物生物量的测定:对真菌和放线菌进行测定,计算公式为:
B2=dw·l2·10/l1·ds
式中:B2为细菌和真菌的生物量(g·g-1干土);dw为定量(5 ml)悬液菌丝干重(g);l1为菌丝悬液涂片的显微镜视野平均长度(µm);l2为土壤悬液涂片的显微镜视野平均长度(µm);ds为干土的百分含量;10为土壤悬液50 ml与菌丝悬液5 ml的比值。
1.2.3土壤性质的测定方法
土壤含水量(Soil water content, SWC)采用烘干法(105 ℃,12 h);土壤容重(Soil bulk density, SBD):环刀法;土壤有机质(Soil organic matter, SOM):重铬酸钾氧化-外加热法,土壤微生物量碳(Soil microbial biomass carbon, SMBC):用氯仿薰蒸-K2SO4浸提法。
1.2.4数据统计
采用SPSS 13.0软件进行数据处理与统计分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和和最小显著差异法(LSD)比较不同数据间的差异,用Pearson相关系数分析不同因子间的相关系数。表中所有数据均为3次重复的平均值。
2 结果与分析
2.1土壤细菌生物量的垂直分布
由于细菌可产生胞外代谢物,如多糖,脂类和蛋白质,起到胶结作用以稳定团聚体(Gupta V R和Germida J J,1988;李新荣等,2001)。研究表明(表2),退化植被与恢复植被的土壤细菌生物量存在明显差异。恢复植被土壤细菌生物量显著大于退化植被土壤细菌生物量(P<0.05),在0~10、10~20、20~30、30~40和40~50 cm土层中,退化植被好气性细菌生物量分别为恢复植被的66.99%、87.15%、70.26%、93.77%和93.65%;芽孢型细菌:88.77%、66.27%、38.32%、51.89%和64.49%。无论是退化植被还是恢复植被,细菌生物量均随着土层的加深而明显减小(P<0.05)。在退化植被中,0~10 cm土层好气性细菌生物量分别为10~20、20~30、30~40和40~50 cm土层的1.03倍、1.79倍、2.25倍和2.90倍;芽孢型细菌:2.11倍、3.73倍、3.80倍和4.48倍。在恢复植被中,0~10 cm土层好气性细菌生物量分别为10~20、20~30、30~40和40~50 cm土层的1.34倍、1.88倍、3.15倍的4.05倍;芽孢型细菌:1.57倍、1.61倍、2.22倍和3.35倍。因此,好气性细菌和芽孢型细菌通过代谢活动为恢复植被提供能源大于退化植被。
表1 退化植被与恢复植被的土壤性质Table 1 Soil properties in degenerated and recovered vegetation
2.2土壤微生物生物量的垂直分布
研究表明(表3),退化植被和恢复植被土壤微生物生物量存在明显差异(P<0.05),在0~10、10~20、20~30、30~40和40~50 cm土层中,退化植被细菌生物量分别只有恢复植被细菌生物量的78.07%、85.89%、60.67%、92.62%和85.27%;丝状微生物:56.62%、59.43%、66.23%、35.15%和38.26%。无论是退化植被还是恢复植被,土壤微生物生物量随着土层深度的加深而显著降低(P<0.05),在退化植被中,0~10 cm土层细菌生物量分别为10~20、20~30、30~40和40~50 cm的1.06倍、2.01倍、2.23倍和3.09倍;丝状微生物(放线菌和真菌的总和,下同):1.44倍、1.46倍、10.47倍和10.99倍。在恢复植被中,0~10 cm土层细菌生物量分别为10~20、20~30、30~40和40~50 cm的1.16倍、1.57倍、2.65倍和3.37倍;丝状微生物:1.51倍、1.71倍、6.50倍和7.42倍。由于土壤微生物在建立和保持土壤结构方面有关键作用,特别是当丝状微生物粘结土壤颗粒形成土壤团聚体时更加明显(Forster S M,1979;Venkateswarlu B和Rao A V,1981)。生态环境不同,土壤微生物处于不断变化状态,导致其生物量也不同,使得恢复植被各土层的土壤质量优于退化植被。
2.3土壤微生物生物量与土壤性质的关系
土壤微生物通过对土壤有机质的分解转化而影响着土壤向植物提供养分的能力,土壤微生物量即活体的生物总量,在生态系统物质循环和能量流动过程中起着重要的作用,既是土壤有机质和土壤养分转换与循环的动力,又可作为土壤有效养分的储备库(陈璟和杨宁,2012,2013a,2013b)。研究表明(表4),土壤微生物量与土壤性质(包括土壤含水量、土壤容重、土壤有机质和土壤微生物量碳)有密切关系。在退化植被中,土壤微生物生物量与土壤含水量、土壤有机质含量和土壤微生物量碳含量呈显著正相关(P<0.05),与土壤容重呈显著负相关(P<0.05);在恢复植被中,土壤微生物生物量与土壤含水量、土壤有机质含量和土壤微生物量碳含量呈极显著正相关(P<0.01),与土壤容重呈极显著负相关(P<0.01)。
表2 退化植被与恢复植被土壤好气性细菌和芽孢型细菌生物量的垂直分布Table 2 Vertical distribution of for soil aerophile and sporeforming bacteria in degenerated and recovered vegetation 10-9g·g-1土
表3 退化植被与恢复植被土壤细菌和丝状微生物生物量的垂直分布Table 3 Vertical distribution of for soil bacteria and filamentous microbes in degenerated and recovered vegetation 10-9g·g-1土
表4 土壤微生物生物量与土壤性质间的相关分析Table 4 Correlation between soil microbial biomass and soil properties
3 结论与讨论
3.1讨论
通过对衡阳紫色土丘陵坡地退化植被和恢复植被的土壤微生物生物量的研究认识到,衡阳紫色土丘陵坡地退化植被土壤微生物生态系统已被破坏,土壤中微生物生物量降低,土壤微生物腐解能力减弱,土壤中营养元素循环速率和能量流动也减弱,微生物生物量碳和有机质含量的减少,植被覆盖率降低,植物种类减少,导致退化植被的土壤质量低于恢复植被(谢琼中,2014;杨宁等,2014c,2014d)。因此,恢复植被是防止植被退化和水土流失,提高土壤质量,保护和治理生态环境的重要措施。在衡阳紫色土丘陵坡地,如不及时对退化植被采取有效措施,任其发展下去,将会使环境和生态比例失调,造成水土流失,导致不可逆的恶性循环(杨宁等,2011,2013c;李红和杨宁,2014)。
3.2结论
本文通过对衡阳紫色土丘陵坡地退化植被和恢复植被土壤微生物生物量的研究,得出以下结论:
(1)随着土层深度的增加,无论是在退化植被还是在恢复植被中,土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量均显著降低,其垂直分布的大小顺序为:土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量(0~10 cm土层)>土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量(10~20 cm土层)>土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量(20~30 cm土层)>土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量(30~40 cm土层)>土壤微生物生物量、土壤细菌和丝状微生物生物量(40~50 cm土层)(P<0.05);
(2)恢复植被各土层中的土壤微生物生物量均显著高于退化植被(P<0.05);
(3)相关分析表明:土壤微生物生物量与土壤含水量、土壤容重、土壤有机质关系密切,他们均与土壤微生物生物量存在显著或极显著的相关关系(P<0.05或P<0.01)。
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Soil Microbial Biomass in Degenerated and Recovered Vegetation on Sloping-land with Purple Soils in Hengyang of Hunan Province, China
LIU Zuoyun1, YANG Ning2*
1. Hunan Environmental-Biological Polytechnic College, Department of Extended Education, Hengyang 421005, China; 2. Hunan Environmental-Biological Polytechnic College, College of Landscape Architecture, Hengyang 421005, China
Soil microbial biomass was not only usually looked as transforming factors and pool of resource of nutritional elements needed by plants, but also a main index of development status and biochemical capacity of soils. In order to study the properties of soil microbial biomass in degenerated vegetation and recovered vegetation on sloping-land with purple soils in Hengyang of Hunan Province, China. Taking degenerated plant community (Ass. Setaria viridis) and recovered plant community (Ass. Liquidamdar formosana+Melia azedarach-Robinia pseudoacacia+Vitex negundo var. cannabifoloa-Chrysanthemum indicum+ Prunella vulgaris) in the region as test objects, soil samples from depths of 0~10 cm, 10~20 cm, 20~30 cm, 30~40 cm and 40~50 cm were collected to study the properties of soil microbial biomass through the combination of sample investigation and experimental analysis. The results showed that: (1) With the increase of soil depth, the total soil microbial biomass, bacteria and filamentous microbial biomass were followed the order as 0~10 cm soil layer>10~20 cm soil layer>20~30 cm soil layer>30~40 cm soil layer>40~50 cm soil layer(P<0.05); (2) The soil microbial biomass in recovered vegetation was significantly higher than that in degenerated vegetation(P<0.05); (3) The soil microbial biomass was significantly and very significantly correlated with SWC (Soil water content), SBD (Soil bulk density), SOM (Soil organic matter) and SMB (Soil microbial biomass) (P<0.05 or P<0.01). All the results indicated that recovered vegetation was beneficial to the increase of soil microbial biomass and improvement of soil quality.
degenerated vegetation; recovered vegetation; soil microbial biomass; purple soils; Hengyang
S154
A
1674-5906(2014)11-1739-05
刘作云,杨宁. 衡阳紫色土丘陵坡地退化植被和恢复植被土壤微生物生物量的研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(11): 1739-1743.
LIU Zuoyun, YANG Ning. Soil Microbial Biomass in Degenerated and Recovered Vegetation on Sloping-land with Purple Soils in Hengyang of Hunan Province, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1739-1743.
湖南省科技厅项目(S2006N332);湖南省林业科技创新计划项目(XLK201339;XLK201341)
刘作云(1982年生),男,讲师,硕士,主要从事土壤生态学与环境生态学的教学与研究。E-mail: yangning678787@sina.com
*通信作者:杨宁(1974年生),男,副教授,博士。E-mail: yangning8787@sina.com
2014-09-22