震损边坡土壤微生物特性研究

2016-08-15武文娟张浩然宋长明

中国水土保持 2016年4期

关键词：放线菌北川真菌

武文娟，张浩然，吴　华，宋长明，辜　彬

(四川大学生命科学学院，四川成都 610064)

震损边坡土壤微生物特性研究

武文娟，张浩然，吴华，宋长明，辜彬

(四川大学生命科学学院，四川成都 610064)

地震；边坡；土壤微生物；生态修复；北川县

采用稀释平板法对四川省北川县治理5年多的震损边坡坡上、坡中、坡下的土壤细菌、真菌、放线菌三大类微生物的数量进行调查研究，并与周边未受地震破坏的自然边坡进行对比分析，结果表明：震损边坡与自然边坡的土壤微生物类群组成大体一致，细菌在微生物类群中占绝对优势，占微生物总数的87.7%～93.4%，真菌次之，放线菌最少，分别占微生物总数的3.6%～9.5%和1.9%～3.0%；震损边坡不同坡位的土壤中细菌、真菌、放线菌数量差异较大，整体呈现出坡下>坡中>坡上的特点，而自然边坡则是坡中>坡下>坡上；与自然边坡相比，治理5年多的震损边坡坡下、坡中和坡上的微生物数量分别减少了56%、70%和79%，恢复到自然边坡状况仍需更长时间。

2008年5月12日，四川省汶川县发生了8.0级强烈地震，造成了山体大规模崩塌和滑坡[1-2]。地震发生后由于山体边坡应力状态发生改变，土壤岩体松动，边坡滑面强度降低，大面积坡体破裂和裸露，因此边坡很容易受重力作用而进行重新塑造，整体边坡的土石比、植被状况、水分状况都发生了极大改变[2]。边坡失去了植被保护，生态系统变得极不稳定，极易引发水土流失，造成坡体表层结构异质化[3]，重构土壤组成与结构。

汶川地震使边坡植被受到巨大破坏，植被损失约87%～98%[1,4]，震后植被恢复极其缓慢，有的边坡即使经过人工干预，植被恢复状况也不尽理想，植被覆盖率仅恢复到约39%[5]，其原因在于震后边坡土壤遭受大面积的毁损和迁移，土壤结构性状发生使土壤质地低下的改变等[3,6]，相比于未受地震破坏的边坡土壤，其理化性质水平明显下降，甚至还差距很大[7]。震后边坡土壤-植被系统的研究[8-10]，揭示了震后先期土壤质地结构对植被生长的制约作用和后期植被根系固土护坡、植物凋落物改善土壤质地结构的作用。地震造成了边坡土壤、植被的巨大破坏，土壤质量关系到边坡植物群落的合理分布，而土壤中微生物组成与土壤生态系统关系密切[11]。针对汶川地震后边坡土壤微生物的研究不多，主要集中于不同气候区土壤微生物碳源代谢多样性和药材产地根际土壤微生物方面[12-13]，对边坡土壤微生物的种类区系鲜有报道。本研究对四川省北川县震损边坡土壤微生物特性进行调查分析，拟了解震损边坡土壤微生物特性及空间分布规律，揭示地震对土壤生态系统的影响，为治山和植被恢复生态工程及应用技术开发奠定科学基础。

1　研究地区和研究方法

1.1研究区概况

本研究选取的震损边坡位于四川省西北部的北川县擂鼓镇石岩村，边坡土壤为山地黄壤，其养分含量虽高，但土壤物理性状不良，砾石较多。研究区属于山间河谷地貌，海拔700～1 500 m，雨量充沛，全年平均降水量1 002.7 mm[4]，处于龙门山断裂带中央的地震高烈度带，耕地破碎度较高，灾情较重[1,4]。

调查边坡结构如图1，坡上、坡中、坡下坡度依次为39°、43°、38°。地震导致周边山体岩体结构改变，大面积山体垮塌滑动，大量残坡积碎石土向坡体中下部移动堆积，形成全新坡体表层结构，新覆盖的土体坡面土壤颗粒组成不均匀，坡上细、坡下粗(调查结果详见表1)，坡表层粗、坡底层细，底层土体松散堆积，界面由于基质岩性风化程度不同而不规则、有较大起伏(详见图1)。

研究区于2010年开始地震灾后治理和植被恢复，先期引进日本治山技术，实施了土袋阶梯工程、竹栅栏工程、铁丝笼挡土墙工程和排水沟工程、灌溉渠系工程等工程措施；再进行植树造林，点播核桃、枇杷、樱花、酸枣等树种，撒播黑麦草等草种进行生物恢复；后期根据恢复效果补植刺槐和核桃，并覆盖草席提供更好的生长环境。经过5年的灾后治理，坡体稳定性提高，植被恢复进程明显快于自然恢复坡体。

表1　北川边坡土壤颗粒组成

图1　地震对北川坡体影响示意

1.2样品采集与研究方法

2015年4月初，对北川震损边坡进行土样采集和植被种类调查。为了解土壤微生物特性和空间分布特点，整体采用S形机械布点，将震损边坡从上到下分为坡上、坡中、坡下三段，每个坡位选取5个样地，同时将邻近的未被地震破坏边坡作为对照样地(称为自然边坡)，共30个样地。土壤样品采集时，在选取的样地内分别按W形布局设5个样点，去除地表枯枝落叶，在0～20 cm层深度进行采样，剔除石砾等杂物，然后将所取的多样点土样混合装袋，每个样方内取样1 kg左右带回，于4 ℃保存，用于完成研究区土壤微生物学特征分析。同时，在实地调查中记录边坡坡下、坡中、坡上植物种类。

土壤微生物特性测定方法[14]：细菌用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌用马丁氏培养基；放线菌用改良高氏培养基。采用稀释平板法，每个处理设置3个重复，接种后于25～28 ℃恒温箱内培养，细菌培养3～4天，真菌培养3～5天，放线菌培养7～10天。

2　结果与分析

2.1北川震损边坡植被恢复状况

调查震损边坡发现了33种植物，其中：草本植物23种，灌丛和木本植物10种。植物科属成分多样，以菊科、蔷薇科、禾本科、豆科居多，其中菊科有8种、蔷薇科有5种、禾本科有3种、豆科有3种，其余植物都为单种科(详见表2)。

表2　北川震损边坡现有植物种类

北川震损边坡从坡顶到坡底，植物群落呈现出由草本群落向灌草协调的群落结构转变的趋势。坡下部分为植被生长最茂盛区域，土壤基本无大面积裸露，木本植物主要有刺槐、青脆李、胡桃、臭椿、樱花和酸枣，草本植物主要有广布野豌豆、飞蓬、白车轴草、鬼针草、野棉花、尼泊尔香青、白苞蒿、青蒿、狗尾草。坡中部分是整个坡面最陡部分，植物生长不及坡下密实，有稀疏土壤裸露，灌木高度较坡下低矮，这与低矮灌木影响草本植物对营养的摄取有关。此部分木本植物主要有刺槐、胡桃、枇杷、臭椿、青脆李、樱花，草本植物主要有尼泊尔香青、葛藤、白苞蒿、臭牡丹、蛇莓、鬼针草。坡上部分相比于坡中坡度有所放缓，但其植物生长茂盛程度却不高，植物覆盖多为草本，灌木较少，木本植物以刺槐、臭椿居多，草本植物主要有飞蓬、尼泊尔香青、臭牡丹、黄鹌菜、白苞蒿、黑麦草。

2.2北川震损边坡土壤微生物总数变化

土壤中的微生物生存于土壤颗粒的表面及孔隙内，其与土壤结构的形成与稳定关系密切[11]。测定结果(详见表3)显示：北川震损边坡土壤微生物数量坡下>坡中>坡上，这与自然边坡坡中>坡下>坡上的情况存在差异；与自然边坡相比，震损边坡坡下、坡中和坡上的微生物数量分别减少了56%、70%和79%；震损边坡坡下、坡中、坡上微生物类群组成和作为对照的自然边坡大体一致，细菌均在微生物总量中占绝对优势，占微生物总数的87.7%～93.4%，真菌次之，放线菌最少，分别占微生物总数的3.6%～9.5%和1.9%～3.0%。

表3　北川边坡土壤微生物区系和数量　万个/g

2.3北川震损边坡不同坡位土壤细菌分布

由表3和图2可知，北川震损边坡不同坡位间的土壤细菌数量存在一定差异，呈现出坡下>坡中>坡上的趋势；与自然边坡相比，震损边坡坡下、坡中、坡上的土壤细菌数量的降幅分别为56%、68%和78%。

图2　北川边坡土壤细菌数量变化

2.4北川震损边坡不同坡位土壤真菌分布

真菌参与多种土壤代谢，其菌丝对土壤结构的形成有重要作用[11]。由表3和图3可知，北川震损边坡不同坡位间的土壤真菌数量差异明显，表现为坡下>坡中>坡上；不同坡位的土壤真菌数量均显著低于自然边坡，坡下从52.3万个/g下降为15.4万个/g，坡中从50.4万个/g下降为8.4万个/g，坡上从39.7万个/g下降为3.7万个/g。

图3　北川边坡土壤真菌数量变化

2.5北川震损边坡不同坡位土壤放线菌分布

土壤中放线菌发育缓慢，主要是参与分解难分解物质组分。由表3和图4可知，北川震损边坡各样地土壤放线菌数量变化趋势与细菌、真菌相同，表现为坡下>坡中>坡上；震损边坡不同坡位土壤放线菌数量与对照相比都有不同程度的降低，坡上、坡中土壤放线菌数量降低显著，分别降低78%和79%，坡下则降低了54%。

图4　北川边坡土壤放线菌数量变化

3　讨　论

3.1北川震损边坡土壤微生物总数变化

北川震损边坡土壤微生物类群组成呈现细菌>真菌>放线菌的特点，与自然边坡土壤微生物类群组成情况相似，表明细菌在北川边坡土壤微生物活性中起决定性作用。同时，震损边坡和自然边坡的真菌数量都大于放线菌，可能是由于北川地区降雨充沛，湿润的土壤更有利于真菌的生长，且土壤呈现酸性[7]，与真菌生长要求的pH值恰好一致[15]。北川震损边坡与自然边坡的土壤微生物类群组成相一致，表明震损边坡土壤粗、细粒径颗粒物经过5年相互填充重塑后，已形成自然边坡的微生物格局，并具有发展成为自然边坡微生物特性的潜质。

北川震损边坡相较于自然边坡，其微生物总数和细菌、真菌、放线菌数量都显著降低，表明边坡经过人工修复后，其土壤结构在演进过程中虽正在重塑，但作用量还不够。这可能是由于坡体经过地震和人工修复工程的扰动后，土壤颗粒组成发生了很大变化，细粒径颗粒含量减少，其对土壤的黏结填充作用降低，土体结构变得松软劣化，不利于水分和养分的储存；粗粒径颗粒含量增加，土壤抵抗外界水土流失的能力减弱，土壤养分含量遭遇严重流失，土壤中微生物生存及活动条件变差；此外，边坡在遭遇地震后，植被覆盖度急剧减少。而自然边坡地表积累的枯枝落叶层厚，可缓冲外营力对土壤结构的直接破坏，且其丰富的植物群落可通过根系和分泌物改善土壤结构[8]，茂盛的林冠又可在一定程度上阻截、再分配降雨等外界因素对表层土壤体结构的冲击；同时，土壤中真菌、放线菌等微生物菌丝有助于土壤团聚体结构的形成与稳定[16]。如此，经过多年良性循环，必然会造成北川自然边坡土壤微生物数量高于震后人工修复边坡。

3.2北川震损边坡不同坡位土壤微生物特性变化

北川震损边坡不同坡位土壤微生物特性存在一定差异，但呈现一定的规律性，即微生物数量坡下>坡中>坡上；而自然边坡则呈现出坡中>坡下>坡上的特点。这是由于地震的作用重塑了边坡坡上、坡中、坡下的土壤分布格局，造成边坡土壤结构的不同而导致的。

本试验所选北川震损边坡属王家岩高速滑坡，滑体物质主要为砾石土[17]，其特性与土壤本身的颗粒组成关系很大，受地震影响造成了其边坡土壤颗粒的大小与自然边坡不同，故导致各微生物特性有所不同。一般土壤颗粒大小用固定粒径5 mm作为分界点，小于等于5 mm的颗粒称为细料，大于5 mm的为粗料，当土壤颗粒粗料含量从30%不断升高时，土壤中粗料开始起骨架作用，粗料、细料开始彼此充填，土壤渗透系数和抗剪强度都将持续增加，当粗料含量超过70%时，其土壤特性值则会呈现出降低的趋势[18]。震损边坡坡下、坡中、坡上的土壤颗粒粗料含量分别为57%、45%、39%，坡下>坡中>坡上，且均在30%～70%范围内，故越靠近坡下样地，土壤渗透系数越大，下渗能力越强，抗剪强度也越强，相较坡上，坡下样地能够为微生物生长提供更好的条件，因此土壤微生物数量呈现出坡下>坡中>坡上的特点。而作为对照的自然边坡土壤颗粒组成均匀，坡下、坡中、坡上的土壤颗粒粗料含量分别为33%、35%、33%，呈现坡中>坡下>坡上的特性。此外，由于自然边坡砾石含量差别不大，坡中坡度较陡，在长期的地质累积中残留的土壤细颗粒物最多，对土壤粗颗粒的填充效果最好。综合作用造成自然边坡微生物数量呈现出坡中>坡下>坡上的特点。

北川地区降雨量丰富，集中的降雨使得震损边坡上部的细粒径颗粒物易随着雨水径流流向坡底，加之地震造成边坡越靠近坡底粗粒径颗粒含量越高，粗粒径颗粒阻截的土壤细粒径颗粒物质也会越多，由此造成越靠近坡底部，土壤的粗细颗粒填充和堆积效果越好。此外，坡上坡度较缓，部分地带存在下陷小地形，易聚积降水，进一步造成坡面土体软化和土壤间黏结力减小，土壤抵抗外界侵蚀的能力减弱。这些因素的综合作用造成了北川震损边坡越靠近坡下部分，其土壤结构越好，越利于土壤微生物生长，即坡下>坡中>坡上。而作为对照的自然边坡，由于经过多年的演替，其土壤-植被系统基本达到稳定状况，即使遇到降雨，土壤孔隙内部的压力也会缓慢释放而不会对土壤结构造成很大的破坏。

3.3植被恢复对土壤微生物特性的作用

北川震损边坡从坡顶到坡底，其植物群落越来越丰富，从坡上的偏向草本的植物群落结构，过渡到坡中简单的灌草群落结构，最后到坡下已初步形成灌草相结合的植物群落。植物群落可以通过植物的根系缠绕和根系多糖分泌物来促进土壤结构的稳定[8]，这样造成震损边坡越靠近坡下土壤的结构越稳定，故震损边坡土壤微生物数量坡下>坡中>坡上。可见，北川震损边坡的植物群落恢复状况与边坡土壤微生物特性呈现出一致的趋势，这表明覆盖于边坡上的植被类型、数量与边坡土壤中的微生物组成结构呈正相关。

4　结　语

震后边坡生态恢复的关键是植被恢复，稳定的边坡与土壤基质是实现植被恢复的基础。通过实地调查和试验分析及讨论，对震损边坡微生物区系构成和空间分布的基本特点有了基本把握，得出以下几点认识：

(1)北川震损边坡土壤微生物特性受到严重影响，虽经5年多的治理，震损边坡的土壤微生物群落数量和组成与未受地震破坏的边坡相比仍然有明显差距，可能需更长时间的演替才可达到震前的自然状态。

(2)由于地震的作用重塑了边坡坡上、坡中、坡下的土壤结构与分布格局，造成边坡土壤组成的不同，因此震后边坡土壤微生物的空间分布特点与周围未破坏边坡有一定的差异，分别表现为微生物数量坡下>坡中>坡上和坡中>坡下>坡上。在进行震后治山植被恢复工程时，应考虑地震对土壤结构组成变化的影响，切不可一味地模仿照搬一般边坡植被恢复工程技术模式。

(3)震后边坡植物群落恢复状况与边坡土壤的微生物特性成正相关，边坡土壤的微生物特性关系到植被恢复进程和生态恢复效果，边坡的植被恢复对震后边坡土壤微生物特性的改善也可起到很积极的促进作用，因此在进行震损边坡土壤修复时，可通过优化植物配置和加入土壤改良菌剂来增强其恢复效果。

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(责任编辑徐素霞)

2015-07-30