不同状态高寒草甸土壤微生物分布及其变化

2018-08-04彭岳林蔡晓布于宝政

西南农业学报 2018年6期

彭岳林，蔡晓布，于宝政

(西藏农牧学院，西藏林芝 860000)

【研究意义】大量研究表明，土壤生物作为土壤中具有生命力的重要组成成分，在土壤形成和演化过程中起主导作用[1-4]。土壤微生物作为土壤生物主要组成部分是草地生态系统的重要组成成分，有着不可替代的地位与作用。对生存环境敏感的微生物，对土壤生态机制的变化和环境胁迫能及时做出反应，随着土壤生态环境的变化其微生物区系组成也随之发生变化[5-6]。高寒草甸发育于高原亚寒带寒冷、湿润环境，是西藏面积仅次于高寒草原的高寒草地生态系统。随着全球气候变化和人类活动的日益增强，高寒草原生态系统已遭到不同程度的干扰和破坏[7-8]。【前人研究进展】当前，就藏北地区退化草地在时空特征、草地退化对气候变化的响应、群落生物量与土壤养分等方面进行了研究[9-11]，在土壤微生物区系和特定生理种群等方面也有所报道[12-15]，但对藏北高原高寒草甸退化过程中土壤微生物变化的研究却很少。因此，对高寒草甸微生物及其变化的认识关系到对高寒草地生态系统退化过程的整体理解。【本研究切入点】本研究以不同状态(未退化、轻度退化、严重退化)高寒草甸为研究对象，通过探索高原冷湿环境中土壤微生物的变化过程，【拟解决的关键问题】以期对不同极端环境中的土壤微生物变化过程与土壤稳定机制及探寻高寒草地生态系统预测与调控的新思路等提供理论支持。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

本研究以藏北高原南部高寒草甸分布区为研究区域，该区域年均温、≥0 ℃年积温分别为-2～-6 ℃、500～1000 ℃，年降水量450～600 mm，土壤含水量>30 %。高寒草甸土粗骨性强，土层厚度一般仅在20 cm左右，土层下具永冻层。植被以耐寒的多年生中生草本植物为主，优势植物为高山嵩草、矮嵩草、西藏嵩草等。该区域平均海拔4500 m以上，属高原亚寒带寒冷干旱、半湿润气候，全年分冷(10-6月)、暖(7-9月)两季。高原冷湿环境中，土壤冻结期长达9个月，冻结深度一般>1.5 m，因此，土壤微生物对有机残体的分解仅可在暖季缓慢进行，而处于半分解状态的有机残体与活体根系交织，于土表形成致密、紧实的毡状草皮层，其下则为腐殖质层[16-17]。

1.2 研究方法

据资料[18]和前期实地调研，将植被盖度为65 %～90 %、40 %～<65 %、<40 %的高寒草甸分别确定为正常草地(未退化草地)、轻度退化草地、严重退化草地(表1)。2015年9月，于N 30°35.612′～31°33.769′、E 91°29.754′～91°56.122′范围内分别选取3处高寒草甸作为研究区域(每个区域间隔50～100 km)。每个研究区域内，均包括正常草地、轻度退化草地、严重退化草地等3个采样区(面积均>10 hm2)；在每一采样区内，分别随机设置3个采样点(每一采样点间隔>300 m)；于各采样点按0～10、10～20 cm分层采集原状土样，再从同一采样区的3个同层土样中随机取出等量土样组成1个约重3 kg的原状混合土样，分别装入经灭菌处理的封口袋中，带回实验室储存于4 ℃冰箱中备用。

1.3 分析测试方法

1.3.1 土壤微生物分离细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌采用马丁氏—孟加拉红培养基；放线菌采用淀粉铵盐培养基；采用涂抹平板法分离土壤微生物，每处理重复3次。各种菌接种后置恒温培养箱中培养(细菌、放线菌置28 ℃培养，真菌置25℃培养，细菌培养3～5 d，真菌培养5～7 d，放线菌培养7～14 d)后检查结果[19]。

表1 采样点情况

注：NS：正常草地；LDS：轻度退化草地；SDS：严重退化草地。不同状态草地相同土层间不同小写字母表示差异显著性达5 %。 Notes：NS:Normal steppe；LDS:Light degraded steppe；SDS:Severely degraded steppe. Different small letters represent a significant difference at 5 % among the same soil layers in the steppes in different statuses.

表2 不同退化程度高寒草甸土壤微生物数量

注：同一微生物不同小写字母表示差异显著性达5 %。

Note：Different small letters for in the Same microorganism represent a significant difference at 5 %.

1.3.2 数据处理与计算本研究以3次重复平均测定值作为结果。相关分析、差异显著性测验等数理统计采用DPS数据处理系统(版本号：16.50)。

2 结果与分析

2.1 不同退化程度高寒草甸土壤微生物数量变化

藏北高寒草甸土壤中3种微生物数量表现为放线菌>细菌>真菌的特征(表2)，不同状态草地中放线菌占全部微生物数量的比例分别为67.1 %、59.9 %、66.2 %，放线菌占绝对优势，其次为细菌，其比例分别为25.3 %、24.1 %、31.0 %，真菌数量最少仅为7.6 %、15.9 %和2.8 %。

随着高寒草甸退化程度的加剧同一种微生物也表现出不同的变化趋势(图1)。放线菌与细菌随着草地退化程度的加剧表现出先下降再上升的趋势；真菌则随着草地的退化表现出先急剧上升又显著下降的趋势，轻度退化草地真菌数量较正常草地上升81.7 %，而严重退化草地真菌数量却较正常草地和轻度退化草地分别下降62.5 %和79.4 %，藏北高寒草甸是在高原冷湿环境中形成的，土壤含水量大，土壤冻结期长，土壤微生物对有机残体的分解相对较慢，因此，高寒草甸轻度退化时一定程度的土壤沙化所导致的土壤环境的改变使土壤通透性能得到了一定的改善，促进了土壤真菌的活动，其数量即呈增加态势，但至重度退化阶段，随着土壤中易被土壤真菌利用的有机物质的减少，土壤真菌的活动又受到强烈抑制，其数量亦呈显著下降的态势(表1)。

图1 不同状态高寒草甸不同土层细菌数量Fig.1 Bacteria number with different soil layer in different stage in alpine meadow

2.2 不同退化程度高寒草甸不同土层微生物数量

高原冷湿环境中，高寒草甸亚表层土壤(10～20 cm)细菌数量高于表层土壤(0～10 cm)细菌数量，同时随着土壤退化程度的逐步加深，表层土壤和亚表层土壤细菌数量均表现出随着土壤退化程度的逐步加深土壤中细菌数量呈现先减少再增加的变化趋势，轻度退化草地表层和亚表层土壤中细菌数量较正常草地变化不大，而严重退化草地表层和亚表层土壤中细菌数量较正常草地和轻度退化草地显著上升(图2)。严重退化草地表层和亚表层土壤细菌数量分别较正常草地和轻度退化草地上升22.7 %、50.0 %和29.5 %、55.9 %。

在藏北不同退化程度高寒草甸土壤中，表层和图4所示，不同程度退化高寒草甸不同土层土壤放线菌数量的变化也具有其自身的特点，表层土壤中放线菌数量随草地退化程度的加剧呈逐步下降的趋势，亚表层土壤中却呈现随退化程度加剧放线菌数量先轻微下降又显著上升的变化趋势。表层土壤中轻度退化草地和严重退化草地土壤放线菌数量较正常草地分别下降30.0 %和43.3 %，亚表层土壤中轻度退化草地和严重退化草地土壤放线菌数量较正常草地分别下降13.0 %和上升60.9 %。同一草甸类型不同土层土壤放线菌数量分别也不一样，正常草甸表层土壤放线菌数量大于亚表层，轻度退化草甸表层和亚表层土壤放线菌数量相近，而严重退化草甸亚表层土壤放线菌数量远高于表层土壤。

图2 不同状态高寒草甸不同土层真菌数量Fig.2 Fungi number with different soil layer in different stage in alpine meadow

亚表层土壤真菌表现出截然不同地变化特征(图3)。表层土壤(0～10 cm)中轻度退化草地土壤真菌较正常草地显著升高，真菌数量增加了280 %，而随着草甸退化程度的进一步加深，严重退化草地土壤真菌又出现显著下降的趋势，严重退化草甸土壤真菌数量较正常草甸和轻度退化草甸分别下降84.0 %和95.79 %。在亚表层土壤(10～20 cm)中土壤真菌却表现为先下降再轻微上升的趋势，与正常草甸相比，轻度退化草地和严重退化草地土壤真菌较正常草地分别下降60.0 %和45.71 %。

3 讨论

土壤中的细菌、真菌和放线菌具有不同的生态属性，其数量及所占比例对所处生态环境有一定的指示作用。本研究结果表明，青藏高原高寒草甸土壤微生物种群中放线菌占绝对优势，细菌次之，而真菌较少，说明放线菌对高寒草甸土壤的适应性强，这与韩玉竹等[20]的研究结果相似，也可能是由于放线菌相对更适应偏碱性的生活环境，而高寒草甸土壤pH值多数偏碱性的原因造成的(表1)。

相同土层不同小写字母、相同状态草地不同土层不同大写字母均表示差异显著性达5 % Different small letters for same soil layers and the different capital letters in different soil layers in the steppes in the same statuses represent a significant difference at 5 %图3 不同状态高寒草甸不同土层放线菌数量Fig.3 Actinobacteria number with different soil layer in different stage in alpine meadow

贺凤鹏等[21]发现草地退化程度越严重,表层与亚表层土层之间土壤微生物学特征的差异越小,但在高原寒湿条件下形成的高寒草甸中却没有发现这一规律。究其原因，可能是由于高寒草甸土壤含水量大，低温条件下土壤长期冻结、通透性能差，对土壤微生物的活动抑制作用较为强烈，不利于土壤微生物的繁殖，而随着草地退化，土壤环境也随之发生改变，可能促进了土壤微生物的繁殖和活动，使土壤表层和亚表层微生物数量相应发生变化所导致。