天山北坡退化草地土壤環(huán)境與微生物數(shù)量的關(guān)系

顧愛星,范燕敏,武紅旗,朱進忠,靳瑰麗,熱孜萬古麗

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,新疆 烏魯木齊830052;2.新疆草地資源與生態(tài)實驗室,新疆 烏魯木齊830052)

新疆地處中溫帶極端干旱的荒漠地帶,可利用草地面積4 800.68萬hm2,其中屬于四、五等的低劣退化草地約占34%[1]。昌吉州地處歐亞大陸中心,位于天山山脈北麓,準噶爾盆地東南緣,屬中溫帶氣候區(qū),為典型的大陸性氣候[2]。草地面積483.5×104hm2,可利用草場面積43.3×104hm2,因超載畜量嚴重,退化草場面積高達389.7×104hm2。昌吉州可利用草場理論載畜量148.15萬只(羊單位),實際載畜量225萬只(羊單位),超載51.87%[3]。古爾班通古特沙漠南緣沙塵暴、風沙等災害性天氣不斷發(fā)生。地下水水位下降明顯,野生植被衰退或死亡,荒漠化不斷擴大。生態(tài)環(huán)境的惡化跟不合理的人類活動有著直接的關(guān)系,它加速了生態(tài)環(huán)境惡化的進程[4]。

在草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能中,土壤微生物的生物化學活性影響著土壤肥力,進而影響草地植物生長發(fā)育與土壤健康狀況[5]。同時,土壤微生物受土壤環(huán)境和生物多樣性的影響,并隨草地健康狀況變化而改變,揭示并指示著草地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[6,7]。土壤微生物、土壤屬性、生物多樣性相互依存、互相影響[8-12]。

土壤微生物參數(shù)可作為土壤質(zhì)量變化的指標[13],微生物對土壤中的有機物和植物養(yǎng)分進行轉(zhuǎn)化及循環(huán),并且是活性養(yǎng)分的庫(在固定過程中)和源(在礦質(zhì)化過程中)[14]。微生物對土壤的質(zhì)量和肥力很重要。它們在土壤有機質(zhì)分解和營養(yǎng)元素礦化中起主要作用[15]。

土壤生物多樣性的保護對土壤性質(zhì)的持續(xù)性和減少土壤與環(huán)境退化的危險性具有非常重要的作用[16]。土壤微生物多樣性受制于土壤性質(zhì)[17],而微生物多樣性又影響土壤功能多樣性。土壤微生物作為土壤生物的一大類群,在自然生態(tài)系統(tǒng)中扮演消費者和分解者的角色,在養(yǎng)分持續(xù)供給、肥料管理措施、土壤保持中起著舉足輕重的作用,是修復土壤生態(tài)環(huán)境和降解污染物質(zhì)的先鋒[18-21]。土壤微生物指標已被公認為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預警及敏感指標,數(shù)量作為土壤微生物群落狀態(tài)與功能的指標之一,其變化與土壤肥力以及土壤環(huán)境狀況密切相關(guān),其數(shù)量分布不僅是土壤中有機養(yǎng)分、無機養(yǎng)分以及土壤通氣透水性的反映,亦是土壤中生物活性的具體體現(xiàn)[22-24]。

本試驗旨在通過退化草地微生物區(qū)系試驗,研究土壤微生物區(qū)系數(shù)量與退化程度的關(guān)系,為今后恢復退化草地的功能提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于昌吉市南部阿什里鄉(xiāng)春秋牧場地段,地處天山北坡中段,N 43°49′～ 43°56′,E 87°02′～87°05′,為山前洪積沖積扇河階二級臺地,海拔754～942 m。阿什里鄉(xiāng)總土地面積為23.3萬hm2,其中天然草地面積為23.2萬hm2,可利用天然草地面積為20.2萬 hm2[25]。研究區(qū)地帶性土壤類型屬于灰漠土,成土母質(zhì)以沖積物、洪積物及黃土狀物質(zhì)為主,土層較厚。伊犁絹蒿荒漠是該地區(qū)的地帶性植被,春季有短生植物發(fā)育,夏季一年生植物形成優(yōu)勢層片,在時間序列上群落的植物組成、生活型結(jié)構(gòu)以及某些經(jīng)濟性狀特征要較亞洲中部氣候型荒漠復雜,生產(chǎn)上用作春秋季利用草地[26]。

當?shù)啬撩褚话悴捎枚径ň?春、夏、秋三季游牧方式利用草地,春秋牧場利用時間最長,達到5個月;夏牧場利用2.5個月。一般每戶牧民都在定居點附近種植一定面積的飼草地,用來作為冬春季節(jié)的儲備草料[25]。由于春秋草地過度利用,草地呈不同程度的退化。

1.2 取樣方法

2006年5月,在研究區(qū)域內(nèi),把未退化的2個樣地(13,15)設在阿魏灘軍用飛機場,其他樣地(1～12,14)選在平坦山坡,每隔100 m作為1個樣地,樣地里隨機拋3次1 m2的樣圈,每個樣圈分別按0～10,10～20 cm土層深度取土樣,挑去植物及石礫,將同層的3份土壤混合,取100 g裝入滅菌封口袋,編號為1-1(0～10 cm)、1-2(10～20 cm)等,冷藏。

1.3 草地退化程度的確定

對未退化樣地內(nèi)的植物進行主成分篩選后,選擇叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、頂冰花(Gagea bulbi f era)、伊犁絹蒿(Seriphidium transilliense)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)4種植物的重要值為參數(shù),運用SPSS 11.5統(tǒng)計軟件,采用R型歐式距離平方值聚類法,以建群種伊犁絹蒿各種數(shù)量特征為指標,對研究區(qū)14個樣地進行聚類,劃分退化演替序列,劃分成4個階段,根據(jù)各階段樣地的群落特征分別定義為:未退化階段(N13、N14號樣地)、中度退化階段(N4、N5號樣地)、重度退化階段(N1、N2、N3、N6、N8號樣地)、極度退化階段(N7、N9、N10、N11、N12 號樣地)[27]。

1.4 土壤微生物的測定

采用稀釋平板計數(shù)法,取10 g土樣,烘干至恒重,計算含水量及水分系數(shù),加無菌水,依次稀釋成濃度為10-1、10-2至10-6的土壤溶液,將經(jīng)過稀釋的上清液涂平板,使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細菌,馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌,高氏1號培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌,測定3個相鄰稀釋度土壤溶液中的菌落形成單位(CFU)。細菌稀釋度選取 10-4、10-5、10-6,真菌稀釋度選取 10-1、10-2、10-3,放線菌稀釋度選取 10-2、10-3、10-4,每稀釋度 3 個重復,恒溫28～30℃下倒置培養(yǎng)3～5 d后計數(shù)。并按照以下公式進行計算。

1.5 土壤各肥力因子的測定

物理指標。土壤機械組成:比重計法。容重:環(huán)刀法。密度:比重瓶法。容重、密度參照賀瑤琴[29]方法。

化學指標采用鮑士旦[30]方法。1)有機質(zhì):重鉻酸鉀-濃硫酸油浴法;2)pH:2.5∶1水土比-酸度計法;3)總鹽:5∶1水土比-質(zhì)量法;4)全氮:硫酸、高氯酸-凱氏定氮儀法;5)全磷:硫酸、高氯酸熔融-鉬銻抗比色法;6)全鉀:硫酸、高氯酸-火焰光度計法;7)堿解氮:堿解擴散吸收法;8)有效磷:碳酸氫鈉鉬銻抗比色法;9)速效鉀:醋酸銨浸提-火焰光度計法。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)野外調(diào)查資料和實驗室分析資料,用Excel 2003處理圖表,SPSS 11.5統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地退化程度與微生物區(qū)系的關(guān)系

對土壤樣品測定微生物區(qū)系顯示(表1),其中的三大微生物(細菌,放線菌,真菌)的數(shù)量有明顯差異。

表1 不同退化程度草地土壤的微生物數(shù)量Table 1 Microbe quantity in grass soil of different degrees of degeneration ×105CFU/g干土Dry soil

未退化草地的微生物總數(shù)量最多,為197.764×105CFU/g干土,中度退化的微生物總數(shù)量最少,為118.257×105CFU/g干土。結(jié)果表明,未退化草地土壤中植物根及分泌物多,微生物營養(yǎng)條件適宜,促進微生物數(shù)量增加,有利于微生物礦化作用(表1)。

土壤樣品經(jīng)過培養(yǎng)測數(shù),得到微生物區(qū)系的三大微生物(細菌,放線菌,真菌)的數(shù)量(圖1),退化草原微生物區(qū)系中10～20 cm土壤層的微生物數(shù)量比0～10 cm土壤層的微生物數(shù)量多。不同土壤草原土壤微生物的總數(shù)差異很大,因為不同草原土層營養(yǎng)狀況和熱條件的影響不同[31]。營養(yǎng)條件及輻射,溫度,水分系數(shù)等環(huán)境因素對微生物數(shù)量影響大,土壤層上面的輻射強,水分系數(shù)小,溫度高,營養(yǎng)條件較差。

圖1 土壤層的微生物總數(shù)Fig.1 Total microbe quantity in soil

2.2 不同土層微生物數(shù)量

樣品N1的0～10 cm土壤層中的細菌數(shù)量最多(圖2),它的數(shù)量24.2×106CFU/g干土,水分系數(shù)是1.2,它屬于重度退化,這與草原所在地區(qū)的土壤水熱條件,肥力狀況有關(guān)[32],放牧過度,地面積累很多羊糞尿,增加土壤有機質(zhì)含量;樣品N2的0～10 cm土壤層中的細菌數(shù)量最少,它的數(shù)量1.55×106CFU/g干土,水分系數(shù)是1.14,它屬于重度退化。同時,樣品N13的10～20 cm土壤層中的細菌數(shù)量最多,它的數(shù)量27.6×106CFU/g干土,水分系數(shù)是1.29,屬于未退化。樣品N12的10～20 cm土壤層中的細菌數(shù)量最小,它的數(shù)量1.73×106CFU/g干土,水分系數(shù)是1.2,它屬于極度退化,此土壤層植物根及分泌物比較其他草地最少,所以細菌數(shù)量最少。

樣品N11的0～10 cm土壤層中的放線菌數(shù)量最多(圖3),它的數(shù)量19.2×105CFU/g干土,水分系數(shù)是1.1,它屬于極度退化。放線菌通常分布于含水量較低,呈微堿性土壤環(huán)境中。樣品N5的0～10 cm土壤層中的放線菌數(shù)量最小,它的數(shù)量0.850 3×105CFU/g干土,水分系數(shù)是1.15,它屬于中度退化。但是樣品N11的水分系數(shù)(1.1)小于樣品N5的水分系數(shù)(1.15),所以樣品N11的放線菌數(shù)量大。樣品N11的10～20 cm土壤層中的放線菌數(shù)量最多,它的數(shù)量77.16×105CFU/g干土,水分系數(shù)是1.3,極度退化。放線菌適宜pH 為7.0～8.0。樣品N3的10～20 cm土壤層中的放線菌數(shù)量最小,它的數(shù)量1.3×105CFU/g干土,水分系數(shù)是1.2,屬于中度退化。原因是極度退化土壤上積累的大量羊糞尿使土壤呈堿性。

樣品N3的0～10 cm土壤層中的真菌數(shù)量最多,它的數(shù)量7.13×104CFU/g干土,水分系數(shù)是1.1,屬于中度退化,樣品N8的0～10 cm土壤層中的真菌數(shù)量最小,它的數(shù)量1.36×104CFU/g干土,水分系數(shù)是1.14,屬于重度退化。真菌是化能有機營養(yǎng)型,中度退化土壤表面較多的植物凋落物適合真菌生長。樣品N3的10～20 cm土壤層中的真菌數(shù)量最多,它的數(shù)量4.44×104CFU/g干土,水分系數(shù)是1.2,屬于中度退化。樣品N4的10～20 cm土壤層中的真菌數(shù)量最小,它的數(shù)量1.35×104CFU/g干土,水分系數(shù)是1.2,屬于中度退化(圖4)。

圖2 土壤層中細菌的數(shù)量Fig.2 Bacteria quantity in soil

圖3 土壤層中放線菌的數(shù)量Fig.3 Actinomyce quantity in soil

2.3 土壤微生物數(shù)量與土壤肥力因子的關(guān)系

極度退化土壤的堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷、全磷、有機質(zhì)、總鹽含量、pH均最大(表2),原因是極度退化土壤上積累的大量羊糞尿使土壤有機質(zhì)豐富,呈堿性,含鹽量高,且使化能異養(yǎng)型微生物大量繁殖,如真菌數(shù)量較其他退化程度土壤中真菌數(shù)量多。隨著土壤退化程度的加劇,堿解氮、速效鉀、全鉀、全磷變化不一致,全氮、有效磷、總鹽呈下降趨勢,有機質(zhì)呈上升趨勢,容重和密度基本不變。中度退化土壤對應值居第2,未退化土壤全氮、有效磷含量較高,說明地表凋落物、植物根有利于肥力積累,促進微生物繁殖。

真菌數(shù)量與速效鉀的相關(guān)系數(shù)為0.380 8、有效磷為0.400 6、全磷為0.406 5,呈顯著正相關(guān),與氮微弱正相關(guān),這與真菌化能有機營養(yǎng)型的特性相符;與容重的相關(guān)系數(shù)為0.380 6、密度為0.378 1,呈顯著正相關(guān),反映其喜歡疏松土壤。細菌、放線菌數(shù)量與pH值呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.488 9和為0.580 2,反映細菌、放線菌喜堿的特性。

圖4 土壤層中真菌的數(shù)量Fig.4 Fungi quantity in soil

表2 各退化程度土壤中肥力因子Table 2 Fertility factors in grass soil of different degrees of degeneration

表3 土壤微生物數(shù)量與土壤肥力因子的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between quantities of soil microbes and fertility factors

3 討論

未退化草地的微生物總數(shù)量最多,為197.764×105CFU/g干土,中度退化的微生物總數(shù)量最少,為118.257×105CFU/g干土。結(jié)果表明未退化草地土壤中植物根及分泌物多,微生物營養(yǎng)條件適宜,促進微生物數(shù)量增加,有利于微生物礦化作用。重度退化及極度退化的微生物遞減,可能是隨退化程度增加,全氮、速效鉀、有效磷增加,而這些肥力因子與微生物總數(shù)微弱負相關(guān)。如王麗宏等[33]分析,黑麥草(Lolium perenne)通過根際活性,包括根系分泌物如有機酸等,提高土壤微生物活性并促進有些難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為易溶性養(yǎng)分,另外大量黑麥草根系在土壤中的腐蝕分解也有利于土壤肥力的提高。

在植物殘體分解過程中,其表面微生物生物量和酶活性會顯著提高,細菌數(shù)量初期急增,真菌和芽孢桿菌類群有明顯的優(yōu)勢更替現(xiàn)象,放線菌數(shù)量則隨分解的進程不斷增多。細菌和絲狀真菌是分解亞系統(tǒng)中的主要分解者,放線菌參與難分解物質(zhì)的分解[34]。這可能是隨著退化程度增加,細菌數(shù)量略呈下降趨勢,而放線菌數(shù)量呈上升趨勢的原因。殘體分解會刺激相鄰土壤的微生物活性提高,土壤C/N值等理化性質(zhì)也會發(fā)生改變[34]。

本研究中,極度退化土壤的堿解氮、全氮、全磷、有機質(zhì)、總鹽含量、pH均最大,原因是極度退化土壤上積累的大量羊糞尿使土壤有機質(zhì)豐富,呈堿性;隨著土壤退化程度的加劇,堿解氮、速效鉀、全鉀、全磷變化不一致,全氮、有效磷、總鹽呈下降趨勢,有機質(zhì)呈上升趨勢,容重和密度基本不變。而王啟蘭等[12]研究表明,過度放牧使土壤系統(tǒng)的微環(huán)境惡化,速效養(yǎng)分的供給能力及有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化能力降低,從而導致了植被和土壤系統(tǒng)的雙重退化和微生物量碳的低下。隨著放牧壓力的增大,土壤微生物量碳、有機質(zhì)及速效磷顯著降低;土壤pH值、容重及根土比顯著升高;速效氮和速效鉀變化不一致。周萍等[35]研究表明,隨著植被恢復年限增加,群落總蓋度、地上與地下生物量逐漸增加,土壤有機碳、全氮、全磷、堿解氮和速效鉀增加且上層土壤養(yǎng)分恢復較下層快。植物群落總蓋度、群落地上與地下生物量與表層土壤(0～20 cm)養(yǎng)分間均呈正相關(guān)關(guān)系,群落地上與地下生物量、有機碳和堿解氮間存在顯著正相關(guān),壤酶活性較低,群落地下生物量與土壤有機質(zhì)、堿解氮達到極顯著水平。

隨著草地退化強度的增加,土壤各類群微生物數(shù)量均有不同程度的減少。當前草場的過度利用狀況已使土壤微生物的數(shù)量、活性明顯降低。牧草的根際是微生物最為活躍的區(qū)域,存在明顯的根際效應,在貧瘠土壤中往往更明顯。放牧等人為因素對土壤微生物會產(chǎn)生不同影響,圍欄封育和適度放牧均可提高土壤微生物的活性,有利于退化草場的恢復。退耕地種草后,土壤有機碳、全氮含量增加,這勢必改善土壤肥力狀況,提高土壤微生物繁殖速度[36]。以后適度的放牧,提高微生物的活性,提供草地發(fā)展的環(huán)境條件,改善微生物需要的環(huán)境條件,為恢復退化草地的功能提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

未退化的微生物總數(shù)量最多,中度退化的微生物總數(shù)量最少。

退化草原微生物區(qū)系中10～20 cm土壤層的微生物總數(shù)比0～10 cm土壤層的微生物總數(shù)多。

在0～10,10～20 cm兩土壤層內(nèi),同一土層微生物的分布與退化程度和水分系數(shù)的關(guān)系都有明顯的差異。

真菌數(shù)量與速效鉀、有效磷、全磷呈顯著正相關(guān),與氮微弱正相關(guān),與容重、密度呈顯著正相關(guān)。細菌、放線菌數(shù)量與pH值呈極顯著正相關(guān)。

極度退化土壤的堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷、全磷、有機質(zhì)、總鹽含量、pH均最大。

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