衡陽紫色土丘陵坡地恢復(fù)過程中土壤微生物數(shù)量特征

楊滿元，楊寧，郭銳，鄒芳平，趙林峰，林仲桂

1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)中心，湖南 衡陽 421005，2. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院，湖南 衡陽 421005

土壤微生物是土壤生命活體的主要組成部分，是土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要參與者，它在土壤有機質(zhì)分解和營養(yǎng)元素礦化及轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮主要作用[1-4]，由于有機質(zhì)轉(zhuǎn)化所需能量的90%以上來自微生物的分解作用，因此，土壤微生物活性總量是土壤—植物體系中有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的較好指標(biāo)，是活性養(yǎng)分的庫（在固定過程中）和源（在礦化過程中）[5-6]。同時土壤微生物對環(huán)境變化反映十分迅速，被公認為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)預(yù)警及敏感指標(biāo)，其種群數(shù)量不僅反映了土壤各因素對土壤微生物的影響，同時也反映了土壤微生物對植物的生長發(fā)育、土壤肥力的影響與作用[7-10]，因此，研究土壤微生物的數(shù)量特征對退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)有一定的指導(dǎo)意義。由于紫色土極易水蝕，發(fā)育期短，地力差，常處于幼年階段，加上顏色深、吸熱性強，夏季地面溫度極高，蒸發(fā)量大，又因區(qū)域性水、熱分布等不利環(huán)境影響和不合理的開發(fā)，致使該區(qū)域長期以來不僅植被稀疏，而且水土流失和季節(jié)性旱災(zāi)嚴重，已成為湖南省水土流失和季節(jié)性干旱同步發(fā)生的重災(zāi)區(qū)，也是中國南方極具代表的生態(tài)災(zāi)難區(qū)[11-13]，通過文獻分析，關(guān)于衡陽紫色土丘陵坡地演替過程中土壤微生物數(shù)量特征的鮮見報道。本研究采用時空互代法[14-15]從土壤微生物的角度，研究植被在不同的演替過程中對土壤微生物特征的影響，揭示植被恢復(fù)與重建對改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用機制，旨在為該區(qū)域土壤質(zhì)量管理與退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該區(qū)域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐標(biāo)為110°32′16″~113°16′32″E, 26°07′05″~27°28′24″N。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫18 ℃；極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫-7.9 ℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸發(fā)量1426.5 mm。平均相對濕度80%，全年無霜期286 d。地貌類型以丘崗為主。紫色土面積有1.625×105hm2，呈網(wǎng)狀集中分布于該區(qū)域中部海拔60～200 m的地帶，東起衡東縣霞流、大浦，西至祁東縣過水坪，北至衡陽縣演陂、渣江，南達常寧市官嶺、東山和耒陽市遙田、市爐一帶，以衡南、衡陽兩縣面積最大。

1.2 研究方法

選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態(tài)因子基本一致的坡中下部沿等高線的有代表性的樣地：草坡階段（Ⅰ），灌草階段（Ⅱ），灌叢階段（Ⅲ），喬灌階段（Ⅳ）與喬木階段（Ⅴ），代表不同的演替階段，群落演替的初始條件均為撂荒地。對照為自然條件下無植物生長的空地（CK）（表1）。在各樣地內(nèi)分設(shè)3個大于1 hm2個獨立樣地作為重復(fù)，且在各獨立的重復(fù)樣地內(nèi)隨機設(shè)3個10 m×10 m的樣方（各樣方間距>10 m），在每個樣方隨機采取5點（0~20 cm）混合取樣，去掉土壤中可見植物根系和殘體，將土樣分為2部分：一部分新鮮土樣過<2 mm篩后置于密封的大塑料桶內(nèi)在于25 ℃培養(yǎng)10 d后用于分析土壤微生物種群與數(shù)量；另一部分土壤風(fēng)干后過篩，供測定土壤理化性狀等。有機質(zhì)（Soil Organic Material, SOM）采用H2Cr2O7-H2SO4消煮、FeSO4容量法測定，全氮（Total N, TN）采用半微量開氏法測定，全磷（Total P, TP）采用NaOH熔融—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定，堿解氮（Available N, AN）采用堿解擴散法測定，速效磷（Available P, AP）采用NaHCO3提取—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定，速效鉀（Available K, AK）用NH4-Ac浸提-原子吸收法，土壤pH值采用電極電位法[16]。土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板涂抹法測定，細菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)培養(yǎng)基，真菌用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌用改良高氏1號培養(yǎng)[17]。

表1 樣地概況 Table 1 The description of experimental plots

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)間的差異，用Pearson分析法進行指標(biāo)間的簡單相關(guān)分析。所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 演替對土壤理化性狀及微生物區(qū)系的影響

研究表明（表2），在喬灌階段（Ⅳ），SOM、AN顯著高于其他階段（P<0.05），TN、AP、AK顯著高于對照（CK）（P<0.05）；隨著演替的進行，pH值逐漸減小（P>0.05），由于紫色土含有豐富的正長石等礦物，其風(fēng)化后保留了相當(dāng)數(shù)量的P，其紫色土的P含量相對較高，且變化幅度不大。植被恢復(fù)55年后，SOM、TN、TP、AN、AP與AK增幅分別為91.28%～257.45%、94.57%～141.38%、5.36%～12.5%、96.19%～235.24%、7.88%～69.70%與16.24%～92.16%，表明植被恢復(fù)對土壤理化性狀有明顯的改善作用。

相關(guān)分析表明（表3），演替年限與SOM、TN與AN量極顯著正相關(guān)（P<0.01），與AK呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

表2 不同恢復(fù)階段土壤性狀 Table 2 Properties of soils in different re-vegetation stages

研究表明（表4），隨著演替的進行，微生物數(shù)量顯著增加（P<0.05），與對照（CK）相比，演替55年后，細菌、放線菌與真菌分別增加幅度為56.86%～429.38%、24.48%～109.71%與217.67%～1164.19%，土壤微生物以細菌為主，占微生物總數(shù)的80%以上，其次是放線菌，真菌數(shù)量最少，由于細菌占總數(shù)的絕大多數(shù)，微生物總數(shù)在各演替階段的變化規(guī)律與細菌的變化規(guī)律一致。細菌與放線菌適宜于中性與微堿性環(huán)境中生長，真菌在微堿性環(huán)境中生長較差，衡陽紫色土土壤呈弱堿性，因此，導(dǎo)致細菌與放線菌數(shù)量明顯高于細菌[18]。至灌叢階段（Ⅲ），20年后細菌數(shù)量顯著增加（P<0.05），達到第一個高峰（307.25×106個?g-1干土），不同階段增加的幅度不同，細菌增幅的大小順序為灌叢階段（Ⅲ）、喬灌階段（Ⅳ）、灌草階段（Ⅱ）、草坡階段（Ⅰ）、喬木階段（Ⅴ）與空白（CK），隨著演替進行，呈現(xiàn)出倒“U”變化規(guī)律，放線菌與真菌的變化規(guī)律不明顯。總之，隨著演替的進行，形成不同的生態(tài)條件，為微生物的生長與發(fā)育提供不同的食物來源與生存條件，從而導(dǎo)致微生物種群結(jié)構(gòu)的多樣化[19]。

表3 不同恢復(fù)年限與土壤理化性狀的相關(guān)性分析 Table 3 Correlation coefficient between the re-vegetation times and soil physio-chemical properties

表4 不同階段土壤微生物主要種群數(shù)量 Table 4 Populations of main microbes in different re-vegetation stages

相關(guān)分析表明（表5），細菌數(shù)量與SOM、TN、AN與AK的相關(guān)性達顯著或極顯著水平（P<0.05或0.01），相關(guān)系數(shù)r=0.5838～0.6679；真菌數(shù)量與SOM、TN的相關(guān)性達顯著水平（P<0.05），其相關(guān)系數(shù)r分別為0.5755與0.6459，表明SOM與TN對真菌的生命活動有重要的影響；放線菌與土壤理化性狀的相關(guān)性不明顯；由于細菌數(shù)量占據(jù)微生物數(shù)量的絕大多數(shù)，微生物總數(shù)與細菌的土壤理化性狀的相關(guān)關(guān)系與細菌的變化規(guī)律基本一致。從一個側(cè)面說明植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分與微生物的影響具有同步性。

2.2 主成分分析

表5 土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的相關(guān)性分析 Table 5 Correlation coefficient between microbial numbers and soil physio-chemical factors

為了更好地分析不同階段土壤理化因子與土壤微生物的關(guān)系，進一步論證土壤微生物數(shù)量是反映土壤質(zhì)量的一個重要標(biāo)志，我們對土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子進行主成分分析（表6）。設(shè)X1～X3分別表示細菌、放線菌與真菌數(shù)量；Y1～Y6分別表示SOM、TN、TP、AN、AP與AK的值，由于微生物數(shù)量與土壤理化因子相關(guān)性的原因，需要3個主成分才能解釋超過85%的信息。第一成分解釋了細菌的信息，方差貢獻率為65.321%；第二主成分解釋了放線菌的信息，方差貢獻率為13.845%；第三主成分解釋了真菌的信息，方差貢獻率為9.583%。以上分析說明微生物數(shù)量在評價植被恢復(fù)對改善土壤質(zhì)量的指標(biāo)因子的可行性及可靠性。

表6 不同階段的土壤信息系統(tǒng)主成分分析 Table 6 The principal component analysis of soil information system in different re-vegetation stages

3 結(jié)論

（1）衡陽紫色土丘陵坡地恢復(fù)55年后土壤理化性狀得到明顯改善，在喬灌階段（Ⅳ），SOM、AN顯著高于其他階段（P<0.05），TN、AP、AK顯著高于對照（CK）（P<0.05）；隨著演替的進行，pH值逐漸減小（P>0.05），演替年限與SOM、TN與AN量極顯著正相關(guān)（P<0.01），與AK呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

（2）土壤微生物數(shù)量在各階段差異顯著（P<0.05）。細菌數(shù)量從多至少的順序為灌叢階段（Ⅲ）、喬灌階段（Ⅳ）、灌草階段（Ⅱ）、草坡階段（Ⅰ）、喬木階段（Ⅴ）與空白（CK），灌叢階段（Ⅲ）20年細菌數(shù)量達最大，隨著演替進行，呈現(xiàn)出倒“U”形變化規(guī)律，放線菌與真菌的變化規(guī)律不明顯。

（3）相關(guān)分析表明：細菌數(shù)量與SOM、TN、AN與AK的相關(guān)性達顯著或極顯著水平（P<0.05或<0.01），真菌數(shù)量與SOM、TN的相關(guān)性達顯著水平（P<0.05），放線菌與土壤理化性狀的相關(guān)性不明顯。主成分分析說明微生物數(shù)量可作為評價植被恢復(fù)與改善土壤質(zhì)量的指標(biāo)因子。

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