岷江流域不同土地利用方式下的土壤微生物特征及其与土壤养分的关系

李 懿, 杨子松

(阿坝师范学院 资源与环境学院, 四川 阿坝 623002)

在土壤中，微生物具有极其重要的作用，虽然占据了不到3%的比例，却发挥了巨大的活性作用，能够有效促进生态系统养分循环。它不仅能够矿化、分解土壤中的养分，固持、促进和调控营养物质[1-2]，尤其是碳和养分的循环，还具有储存营养物质的功能，可作为营养物质储存的资源库，同时对土壤环境的变化非常敏感，能够及时准确反映土壤环境质量，常常被作为生物指标使用[3]。土壤微生物是促进土壤养分循环的关键性因素，理解其与土壤养分分布的关系，能够帮助人们了解生态系统中养分循环的情况。了解养分循环，需要了解微生物的生物量，指土壤中体积小于5 000 μm3的生物总量，不包括活植物体[1-2]。土壤和植被彼此影响、作用和制约，土壤是植被生长发育的根基，具有一定的基础性和包容性；植被又能够通过自身的生长和凋落影响土壤环境、肥力以及区域气候情况，提高土地的可利用价值[6]。

土地利用是人类利用自然获取能量与物质的途径，通过人为因素，干扰了土地利用的情况，造成土地利用结构和类型的变化[14]。人类利用土地后，在一定程度上会改变土壤的营养成分构成，如循环、数量等，以及土地的贫瘠或肥力状况，并改变土壤的水热条件，从而加速了土壤养分循环的速度和土壤肥力的变迁[15-16]。四川岷江流域地处我国西南地区，地形地貌复杂多变，多紫红壤，人们利用土地方式也很多，主要包括灌丛、次生林、撂荒地、果园和耕地等多种情况。在人口日益增长和经济不断发展的前提下，该地区尤其是岷江流域中下游，土地与人口之间的关系日渐紧张和突出，对土地的开垦非常频繁，对土地肥力的保持相对不利。要改变土地利用方式，需要从土壤质量、肥力的提高和恢复入手，构建良好的植被环境，并对土壤中的有机碳积累、循环和平衡产生一定的影响。本文主要以不同种类的利用方式为前提，分析土壤养分对土壤微生物特征的影响，从而促进土地的有效管理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

岷江源自岷山，干流长度为735 km，流水量大，流域广，落差大，分别为13.3万km2和3 560 m，支流众多。岷江可分为上中下游三个区段，都江堰市为上游和中下游的主要节点。岷江上游地形复杂多变，峡谷连绵，地广人稀，耕地更少；中下游地势较低，多丘陵平原，工农业和交通事业发达，从而导致人口和耕地较多，所以选取了中下游为研究区域。该区域的气候呈温带—亚寒热带，年均气温在17℃左右，高低温波动范围在38℃和-4℃之间，并由上游至下游呈升高趋势。该地区的雨季较明显，汛期较长，集中在6—9月，且暴雨多发。汛期的雨量能够达到全年雨量的80%以上。该地区的自然资源较丰富，尤其是水能资源最为突出，耕地资源为紫色土，分布区域很广。

1.2 样品采集

以岷江中游流域为范围，选择耕地、次生林、果园、灌丛、撂荒地5种土地类型，选取的年份时间为2014—2018年。每种土地类型又选择3个重复长期监测样地(面积大约100 m×100 m)。撂荒地多为废弃土地，95%区域覆盖紫茎泽兰；灌丛以热性为主，多与果园相邻，植被覆盖度20%～40%，灌木(杜鹃)是主要树种，植被大部分为三色堇、马兰、旱金莲等；果园以退耕还林的田地为主，植被覆盖度为50%～80%，大多种植苹果，其间生长有草本、灌木和苔藓等；次生林以封育多年后的森林构成，80%区域覆盖有植被；耕地是采用了该区域内比较传统的种植方式，植被覆盖度<10%，多种植蔬菜、豌豆、烟草等，其间夹杂紫茎泽兰群落。以上5种土地类型的土壤均为红紫土壤，选择坡度均小于5°的土壤，在每个样地和采样点分别进行3个和5次重复，后者作为平行，5个平行之间间隔2 m，在剖面选取0—20 cm的原状土样。取样土壤分成两部分，一部分采取自然风干的做法，另一部分维持原样，在4℃保存，最终检测土壤的养分和微生物的数量和种类。

1.3 土壤微生物群落功能多样性

有机碳采用重铬酸钾—外加热法；全氮采用半微量凯氏定氮法；全磷和有效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；全钾和有效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法[10]。

土壤多样性分析所用数据需要在Biolog-Eco下进行72 h的温育处理，之后将等同于10 g烘干土壤的土样加入NaCl溶液，要求浓度为0.145 mol/L，并进行长达30 min的振荡，然后将其中的100 μl接种于Eco板后读数，恒温培养要求在25℃下进行216 h，并隔12 h一次读数；之后，在NaCl溶液中进行稀释后进行恒温培养，并做好吸光值记录。

通过分析其对碳源的反应情况来探究微生物对碳源的利用水平，在研究中常用平均每孔颜色变化率AWCD来表示，该值越大说明其具有较高的微生物丰度，计算如下方式[17]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

式中：Ci，R分别表示第i孔、对照孔的吸光值。

物种丰富度指数H=-∑Pi(lnPi)

式中：Pi为第i孔的相对吸光值比值，计算公式:

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

碳源利用丰富度指数S=被利用碳源的总数

优势度指数Ds=1-∑Pi

均匀度指数E=Ds/HD

1.4 数据分析

Excel 2013.0和SPSS 21.0统计和分析数据，以2014—2018年5 a的平均值±标准误差表示(Mean±SE)，单因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相关系数法检验各指标之间的相关性，CANOCO 4.5分析土壤养分对微生物多样性与环境因子的响应。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤养分的影响

表1显示不同土地利用方式下土壤养分特征，土壤pH值变化范围为6.13～7.02，其大小依次表现为撂荒地<次生林<灌丛<果园<耕地，其中耕地和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有机碳变化范围为4.51～9.77 g/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全氮变化范围为1.02～1.69 g/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全磷变化范围为0.83～0.91 g/kg，不同土地利用土壤全磷差异不显著(p>0.05)；土壤全钾变化范围为12.17～26.39 g/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用土壤全钾差异均显著(p<0.05)；土壤有效磷和有效钾变化范围为24.90～39.84 mg/kg，33.58～54.81 mg/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用土壤有效磷和有效钾差异均显著(p<0.05)。

表1 不同土地利用方式对土壤养分的影响

2.2 不同土地利用方式对土壤微生物数量的影响

由表2可知，不同土地利用土壤微生物数量及组成不同，其中以细菌数目最多，占到90%以上。土壤细菌数目变化范围为(1.02～1.69)×105，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和次生林差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤真菌数目变化范围为3.02万～8.09万，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛、果园和耕地差异不显著(p>0.05)；土壤放线菌数目变化范围为5.01万～10.15万，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛、果园和耕地差异不显著(p>0.05)；土壤微生物总数目变化范围为(3.54～6.22)×106，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛、果园和耕地差异不显著(p>0.05)。

表2 土壤微生物种群数量垂直分布

2.3 不同土地利用方式对土壤微生物群落多样性

由表3可知，不同土地利用土壤微生物群落功能多样性指数存在一定差异，其中物种丰富度指数(H)变化范围为1.79～3.68，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；均匀度指数(E)变化范围为0.61～0.99，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用均匀度指数(E)差异不显著(p>0.05)；优势度指数(Ds)变化范围为0.51～0.70，其大小依次表现为撂荒地<次生林<灌丛<果园<耕地，不同土地利用优势度指数(Ds)差异不显著(p>0.05)；碳源利用丰富度指数(S)变化范围为9.45～16.47，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用碳源利用丰富度指数(S)差异均显著(p<0.05)。

表3 土壤微生物群落多样性垂直分布

2.4 土壤养分、微生物数量与微生物多样性之间相关性

土壤养分为微生物提供氮源和碳源，而要获知土壤养分与微生物群落多样性之间的关系，需要通过相关性分析才能获知，具体见表4，5。研究发现，微生物多样性受到土壤养分的正向影响(p<0.01)；在土壤养分各指标和微生物数量的相关系数方面，与物种丰富度指数(H)和碳源利用丰富度指数(S)相比，优势度指数(Ds)和均匀度指数(E)相对较低，且受微生物数量和土壤养分影响较小。所以，影响微生物群落功能多样性的因素为土壤养分和微生物数量，土壤养分的作用更大，土壤pH的贡献为负，由此造成不同土层土壤微生物群落多样性存在较大差异，也凸显了有机碳和全氮作为养分来源的重要作用。

表4 土壤养分与微生物多样性之间相关性

表5 土壤微生物数量与微生物多样性之间相关性

2.5 土壤微生物群落多样性与土壤养分、微生物数量的典范相关分析

土壤微生物指标一般可被分为3组变量。第1组变量由土壤养分构成，主要包括全氮、全钾、有机碳、有效氮、全磷、有效钾、有效磷等；第2和第3组变量由土壤微生物数量组成，主要包括真菌、细菌和放线菌。挖掘土壤微生物群落多样性、土壤养分、微生物数量的内在联系时，大多采用典范相关分析见表6。由表6可知，土壤微生物数量、土壤养分等都对土壤微生物群落的多样性产生了一定的影响，其中，土壤微生物数量具有显著影响，相关系数绝对值较大。

表6 土壤微生物群落多样性与土壤养分和微生物数量的典范相关分析

对于微生物群落来说，环境因子是重要影响因素，主要表现在分布及特性两方面。水热及地形地貌，都会对微生物的分布和活动情况产生影响，而对微生物群落分布进行对比研究时，一般多采用冗余分析RDA的方法进行。土壤中有机质的含量一般与周围环境、植被分布、凋落物情况有关。为弄清楚环境因子与微生物活动之间的关系，本文主要采用RDA进行探究。其中，响应变量主要是微生物的多样性，解释变量主要包括土壤养分和微生物数量。在研究中，可以将微生物及环境因子的排序呈现在一张图中，箭头象限表示相关性，箭头长度表示相关程度，相关性的强弱由夹角表示；经过试验可知，前两个排序轴的累积解释率为85.38%，85.38%，第一个因子的解释率为52.19%，并且统计检验显著(p<0.05)，由此说明环境因子与微生物之间具有明显的制约作用。另外，研究还发现，微生物的多样性除了与土壤pH值存在一定关系外，还与土壤养分含量及变化、微生物的数量呈正相关关系，有机碳及全氮作为主要影响因子而影响了微生物的分布；而土壤pH值的变化，会使土壤的肥力和活性产生较大影响，呈现负相关情况。

图1 土壤微生物多样性与土壤养分、

3 讨论

土壤养分往往会受到土地利用方式的影响和改变。在多种类型的土地中，耕地受到的影响最小，其次是果园、灌丛、次生林，撂荒地最易受到影响。不同的土地利用方式虽然会改变土壤养分的构成，但是却不会影响土壤中的全磷含量(p<0.05)，这是因为磷素具有沉积性的特征，不能有效促进微生物分解和变化，缺乏一定的变异空间[18]。人们发现，由于灌丛、次生林、撂荒地的自然性较强，动植物残体和腐殖化物质更多地进入土壤中，土壤中的生物量和有机物含量丰富，明显多于果园和耕地。而耕地经常被人类开垦，没有较多的落叶和动植物残体等进入土壤中，有机碳含量比较少[19-20]。另外，耕地种植的植被密度较小，种植年份较短，没有形成像林地那样庞大的地下根系[21]。在植被丰富的土壤中，植物的根系会释放分泌物，其中含有的高分子黏质有较强的黏着力，牢固粘着土壤颗粒，帮助形成有机碳，从而影响土壤的物理化学性质和微生物含量，间接影响了土壤中的养分。耕地则没有丰富的根系分泌物，导致土壤中的有机碳含量数量有限[20-21]。

本研究中，土壤微生物以细菌数目最多，占到90%以上，土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总数目大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地。根据培养第100小时的AWCD值计算土壤微生物群落的物种丰富度指数(H)、均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)和碳源利用丰富度指数(S)。结果表明，土壤微生物多样性指数大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)差异不显著(p>0.05)。不同的微生物群落，其对碳源的利用能力也会出现较大差异，这主要是其群落分布数量及功能等方面存在较大差异，在微生物研究过程中常常使用丰度及多样性指数开展相应的研究[22-24]。微生物能够将腐殖质等有机质进行分解及降解，从而使之能够转化为土壤养分以供植物吸收利用，这样形成了土壤肥力和养分；另一方面，微生物活动也需要必要的养分以维持其新陈代谢等活动，该部分养分主要来源于土壤，因此二者的关系密切[25-26]。本研究的相关性分析表明土壤养分、土壤微生物数量均与土壤微生物群落多样性具有显著的相关性(p<0.05)，其中，土壤微生物数量对微生物群落多样性的贡献最大(其相关系数绝对值最大)，此外，pH值与土壤微生物多样性呈显著的负相关，土壤pH不断升高的情况下，微生物分布反而减少，说明二者存在显著负相关，这表明微生物不适宜在过高pH状态下生长发育；而碳、氮等土壤养分不断增加的情况下，微生物分布种类更多且更均匀，说明二者存在明显的正相关关系，其中有效养分与微生物功能多样性之间在0.01检验水平下达到显著正相关；与优势度指数相比而言，丰度、均匀度指数与土壤养分的相关系数更高(表5)，说明土壤养分对丰富度及均匀度产生更大的作用，与此同时，土壤环境因子的复杂性使得微生物分布也具有很大的复杂性。

4 结 论

(1) 岷江流域不同土地利用方式下土壤pH值大小依次表现为撂荒地<次生林<灌丛<果园<耕地，其中耕地和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有机碳、全氮、全钾、有效磷和有效钾大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，土壤有效磷和有效钾差异均显著(p<0.05)，而不同土地利用土壤全磷差异不显著(p>0.05)。

(2) 土壤微生物以细菌数目最多，占到90%以上，土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总数目大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地。土壤微生物物种丰富度指数(H)、均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)和碳源利用丰富度指数(S)大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)差异不显著(p>0.05)。

(3) 相关性分析表明土壤养分、土壤微生物数量均与土壤微生物群落多样性具有显著的相关性(p<0.05)，其中，土壤微生物数量对微生物群落多样性的贡献最大(其相关系数绝对值最大)。冗余分析表明土壤微生物群落多样性与土壤养分含量均呈正相关(除了pH)；有机碳和全氮与丰富度指数相关性最大，由此可知，有机碳和全氮是影响该区土壤微生物群落多样性分布的主要因子。