兩種退耕還林模式對土壤微生物優勢類群的影響

李姝江，朱天輝，2，劉子雄

（1.四川農業大學 林學院，四川 雅安625014；2.四川農業大學 長江上游林業生態工程省級重點實驗室，四川 雅安625014；3.四川省森林病蟲防治檢疫總站，四川 成都610081）

四川省地處長江上游，幅員面積占長江流域的近50%，是長江上游重要的生態經濟區，也是長江中下游的重要生態屏障［1］。長期以來，由于自然災害和人們對環境資源的不合理開發利用，使林草植被遭到嚴重破壞，導致四川地區出現生態環境脆弱，旱澇災害頻繁，森林、草地資源減少，水土流失嚴重［1］等生態問題，嚴重制約了該區社會經濟的可持續發展。近年來，四川省率先在全國實行了退耕還林還草等一系列旨在恢復和重建長江上游生態環境的治理措施，并開展了大量關于退耕還林技術理論方面的研究。迄今為此，已有學者對該地區林草模式牧草特性［2］、土壤微生物特性［3］、細根和草根的土壤微生物量［4］等方面進行了研究，但還缺乏從微生物角度來研究不同退耕還林模式對改善生態環境方面的報道。土壤微生物是森林生態系統中的重要組成部分，參與森林生態系統的物質和能量循環，是林地中最活躍的部分，其數量組成與土壤通氣性、水分狀況、養分狀況以及有機質含量都有密切的聯系［5－6］，其活性可以在一定程度上反映土壤肥力［7－8］，是土壤質量評價的一個重要的生物學指標。為此，從2008—2009年對四川省洪雅縣兩種主要退耕還林模式下的土壤微生物優勢類群數量及其生態分布進行了系統研究，以期揭示在相同立地條件下，不同退耕還林模式與土壤微生物優勢類群活性之間、微生物優勢類群與土壤酶的內在關系，為退耕還林造林樹種的優化配置積累相關的微生物學資料以及為生態林業的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于四川省眉山市洪雅縣，地理坐標為102°49′—103°47′E，29°24′—30°01′N，海拔620m。該區屬中亞熱帶濕潤山地季風氣候，最高氣溫36.8℃，最低氣溫－3.3℃，年均氣溫16.8℃，春、夏、秋、冬季平均氣溫分別為17.2，25.2，17.3，7.7℃；年日照時數1 080h，太陽輻射量為338.1kJ／（cm2·a），無霜期352～360d；年降水量1 493.8mm，降雨多集中在夏、秋兩季。該區地貌以低山丘陵為主，土壤層平均厚度50cm，土壤類型為酸性紫色土，pH值4.9～5.6。采樣地為坡改梯形成的水平臺狀旱地，退耕前以種植玉米、紅薯、蔬菜為主，主要還林模式包括光皮樺木（Betula luminifera）—扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）、苦竹（Pleioblastus amarus）—扁穗牛鞭草兩種，于2000年1月退耕栽植。

1.1.1 光皮樺木—牛鞭草模式 光皮樺木為亞熱帶山地落葉淺根闊葉樹，根系發達、穿透力強，生長快；適宜生長在年均溫6～17℃，年降水量800～2 000mm，且降水集中在夏、秋兩季的溫涼濕潤氣候下［9］。在此模式中，土壤有機質含量12.71g／kg，林分密度2 070棵／hm2，林間郁閉度0.6，樺木平均胸徑3.6cm，平均樹高4.2m。由于光皮樺逐漸長大，林下的牛鞭草長勢較弱。

1.1.2 苦竹—牛鞭草模式 苦竹為中國亞熱帶復軸混生竹類的代表竹種之一，是一種暖性喜濕，中性偏陰的竹類，地下有橫向生長的竹鞭，鞭上的芽可以長成新的竹鞭或發育成筍出土成竹，竹鞭一般多分布在約20cm深的表土層中［10］；適宜生長在年均氣溫18～29.8℃，年降水量1 184～1 467mm，降水集中在4—9月的氣候下［9］。在此模式中，土壤有機質含量14.32g／kg，林分密度12 000株／hm2，林間郁閉度0.9，平均地徑2.4cm，平均竹高2.9m，苦竹的枯枝落葉覆蓋度約占總面積的60%，平均厚度1.9cm。隨著苦竹郁閉度的增加，林下牛鞭草長勢十分弱。

1.1.3 農耕地（對照）土壤有機質含量為17.82 g／kg；春季休閑，上面長有少量的牛鞭草；夏季載種紅薯并施農家肥；秋季時紅薯生長良好并已成熟；冬季紅薯收獲完后，休閑。

1.2 土壤樣品采集

在試驗區選取立地條件相近的退耕還林地（光皮樺—牛鞭草、苦竹—牛鞭草）和農耕地（對照）作為研究樣地，在3種樣地中各設面積為10m×10m的采樣標準地，3次重復，從2008年10月到2009年7月，按四季變化特點分3層（0—15cm，15—30cm，30—45cm）從下至上采集土壤樣品。

按不同季節具體的采樣時間為2008年10月中旬（秋季），2009年1月中旬（冬季），2009年4月中旬（春季），2009年7月中旬（夏季）。在樺木和苦竹林的標準地里，按五點法各選擇生長中等的光皮樺和苦竹5～6株（篼）作為采樣點，分別在樹干和竹篼周圍基部處先除去土壤表層的枯枝落葉和植被，順其基部開挖土壤剖面，用無菌小鐵鏟在新挖的土壤剖面上，由下往上分3層取帶完整根系的土塊，以0—15cm土樣為測定對象，其抖落物作為非根際土，附在根系周圍小于1cm粒徑的土壤作為根際土［11－12］。在農耕地中也按五點法取樣。取5個不同點相應層次的土壤樣品充分混勻后，用聚乙烯無菌塑料袋包好，并做好標記，迅速帶回實驗室內分析測定。每種樣品充分混勻后分為2份，分別用來分析土壤微生物和測定土壤水分含量。

1.3 土壤樣品分析

土壤微生物優勢類群分析采用稀釋平板表面涂抹法（細菌分析用牛肉膏蛋白胨培養基；真菌采用馬丁氏—孟加拉紅培養基；放線菌用改良高氏一號培養基）［13］進行分離，并根據微生物的培養特性、形態特征和生理生化特性等指標［13－14］進行鑒定到屬；每個處理4個重復，最終結果取其平均值。土壤水分含量采用烘干法測定，土壤酶活性在待測定樣品前期處理后，其轉化酶（蔗糖酶）、脲酶、纖維素酶、過氧化氫酶活性采用關松蔭法［15］分析。

2 結果與分析

2.1 土壤優勢微生物類群季節性動態變化

根據微生物的培養性狀、形態特征、生理生化特性等指標可把細菌的優勢類群鑒定為微球菌屬和芽孢桿菌屬兩大類，放線菌優勢類群鑒定為鏈霉菌屬和游動放線菌屬兩大類，真菌優勢類群鑒定為酵母菌和木霉菌屬兩大類。

結果顯示（表1），兩種退耕還林模式下優勢微生物類群數量存在差異，春、夏、秋三季均為苦竹林所占比例最大，冬季為樺木林最大。另外，優勢微生物類群的季節性動態變化存在一定的差異，有的隨季節變化明顯，而有的較穩定。在夏季，微球菌所占比例處于優勢，其數量在樺木林、苦竹林、農耕地中分別占細菌總數的94.88%，88.15%，85.29%；在春季和冬季，其數量比夏季雖然有所下降，但微球菌數量占細菌總數的比例依然超過50%；而在3樣地中的秋季所占比例最低。芽孢桿菌在3樣地中則是在秋季最多，在夏季最少。鏈霉菌在苦竹林、農耕地中的季節變化趨勢都是在夏季占放線菌的比例最大，分別為94.45%和84.29%，冬季最少，分別為32.54%和37.02%；而在樺木林中，鏈霉菌屬在夏季僅占放線菌總數的30.55%，春季達到最大為65.65%，說明鏈霉菌屬容易受外界氣候條件及土地的不同利用的影響。游動放線菌在3樣地中因季節變化的影響較小，其比例占放線菌總數的15%～25%。酵母菌在3樣地中的夏季和冬季所占比例處于優勢，而在春、秋季稍有下降；木霉菌在3樣地中的季節變化趨勢也基本一致，但與酵母菌的變化趨勢相反。說明不同的微生物優勢類群對外界氣候的敏感性不同。從各優勢微生物類群數量總的來看，微球菌、鏈霉菌和酵母菌的數量較多，芽孢桿菌、游動放線菌和木霉菌的數量相對較少。

2.2 土壤各優勢微生物類群的垂直生態分布特征

在3樣地土壤剖面中，各優勢微生物類群垂直生態分布特征有的非常明顯，有的不明顯（表1）。微球菌、鏈霉菌、木霉菌和游動放線菌隨土壤層的加深其所占比例逐漸降低；說明這3類菌大多集中在土壤表層活動，這可能與樣地中栽培的植物根系主要分布在土壤上層刺激其生長繁殖有關。芽孢桿菌隨土壤層的加深其所占比例逐漸增加，這也許與芽孢桿菌的抗逆性較強有關；酵母菌在3樣地中的土壤層之間的增減變化趨勢不明顯。

2.3 林木根際和非根際土壤微生物優勢類群數量的季節動態變化

樺木和苦竹對6大微生物優勢類群的根際效應有差異（表2）。微球菌和游動放線菌在樺木林的R／S＞1，而在苦竹林的R／S＜1；芽孢桿菌則與微球菌和游動放線菌的變化規律相反，說明不同林木根系活動對同一微生物優勢類群的影響不同。鏈霉菌和木霉菌在兩林地的R／S＞1且兩林地間R／S差異不大，可能是兩林木根系分泌物對這兩種優勢微生物的生長繁殖具有促進作用。酵母菌在兩林地的R／S＜1且兩林地間R／S差異不大，說明這兩種林木的根系分泌物可能對酵母菌有一定的抑制作用。

2.4 土壤微生物優勢類群數量與酶活性之間的相關性分析

土壤微生物總數與土壤酶活性之間存在一定的相關性，而優勢微生物類群是土壤微生物最重要的組成部分，所以優勢微生物與土壤酶活性之間也應該有一定的相關性（表3）。在優勢微生物類群和土壤酶之間，微球菌屬與轉化酶、芽孢桿菌屬與纖維素酶、木霉和游動放線菌屬與過氧化氫酶、酵母與脲酶成顯著正相關。說明這些優勢微生物類群對這4種土壤酶的活性貢獻較大。

表1 土壤微生物優勢類群數量百分率組成狀況

表2 兩種模式下林木根際和非根際土壤微生物優勢類群數量百分率的季節變化

表3 土壤微生物優勢類群數量與土壤酶活性間的相關系數（樣本數＝44）

3 結論

6大微生物優勢類群的季節性動態變化特性有的隨季節變化明顯，有的則變化不大；在3樣地土壤剖面垂直生態分布中，各微生物優勢類群層次性變化特征差異較大。兩種退耕還林模式下優勢微生物類群數量有差異，春、夏、秋三季均為苦竹林所占比例最大，冬季為樺木林最大。另外，在兩種模式下的林木根際中，鏈霉菌、木霉菌、酵母菌在兩林木根際的分布狀況趨勢相同；微球菌和游動放線菌在樺木林的根際效應較大，而在苦竹林的根際效應較小，芽孢桿菌則相反。說明微球菌和游動放線菌對樺木林有較強的根際正效應，而芽孢桿菌則對苦竹林有較強的根際正效應，該結果對土壤改良和生物學肥力的提高有積極意義。另外，酵母菌的R／S值都小于1，可能這兩種林木的根系分泌物或脫落物對酵母菌有抑制作用，這與前人［16－18］的研究結論（根系分泌物和脫落物對微生物具有正、負兩方面的影響）相似。從6大微生物優勢類群數量組成來看，微球菌屬、鏈霉菌屬、酵母的數量分別在細菌、放線菌和真菌的組成中處于重要地位，但因為其個體的生物量均較小，所以其對土壤生物學肥力質量的評價影響不大，而那些數量相對較少但個體生物量較大的優勢微生物類群，對土壤生物學肥力質量的評價具有十分重要的作用。

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