桂西北巖溶地區不同植被土壤養分及微生物生理類群數量的季節變化

覃勇榮，白新高，劉旭輝

（河池學院化學與生物工程學院，廣西宜州 546300）

土壤微生物是生態系統的重要組成部分，其分布和活躍程度對土壤結構的形成和礦質元素的轉化，增加土壤肥力均有重要的作用，土壤微生物的多樣性可以促進植物的生長發育，從而加速植物群落演替的進程［1-2］。由于不同植被的生物學特性差異大，巖溶地區的空間差異也比較大，所以，不同植被對其群落內的土壤微生物種群及其結構產生不同的影響。相關研究表明，土壤微生物種群、群落結構及其生理類群、微生物量、酶活性等，不僅可以客觀反映土壤質量的演變和植被的恢復演替，還可以作為植被對土壤環境適應和改良的過程和土壤環境變化與健康的監測指標［3-6］。土壤和植被在不斷的發展演化中，對土壤結構和功能的改善及植物群落的演替有促進作用。土壤理化性質影響植物的生長發育、植被演替和土壤微生物數量的變化，而土壤微生物數量的增加，則有助于提高植被的抗逆性，可加快植被恢復的速度，從而增強和鞏固巖溶地區植被恢復的效果［7-8］。土壤微生物數量受溫度、水分、植物殘體及植物生長發育的綜合影響，隨季節變化而呈周期性的波動［9-10］。相關研究結果表明，氨化細菌、固氮細菌和硝化細菌在土壤中的數量和分布受季節變化的影響，土壤微生物季節變化不僅能說明生態環境的演變，而且土壤微生物是土壤生態系統中重要的生命體，能敏感地反映土壤生態系統受人為干擾而產生的細微變化，因此被稱為土壤生態系統變化的預警及敏感指標［11-12］。

由于人口增長及不合理的社會經濟活動影響，我國西南喀斯特巖溶地區的植被破壞、水土流失問題比較嚴重，基巖大面積裸露，土地生產力下降，地表出現類似荒漠的景觀，即所謂的石漠化現象［13-14］。廣西是我國石漠化問題最嚴重的省區之一，石漠化已成為制約其區域經濟發展的瓶頸。不同植被土壤的氮磷鉀等營養物質含量與植被覆蓋率、土地復墾率之間均顯著相關，土壤有機質和氮磷鉀含量對巖溶地區植被恢復影響極大［15-16］。雖然人們對石漠化的成因及相關問題進行了一些研究，但相關研究大多都集中在土壤理化性質、土壤酶活性變化、植被的生理生態以及土壤動物群落結構等方面［6，17-20］，而對巖溶地區不同植被土壤微生物生理類群的研究較少，因此，筆者以桂西北巖溶地區不同植被樣地為研究對象，分別對不同植被樣地土壤微生物生理類群的數量進行測定，并對不同植被樣地土壤理化特性進行比較，分析影響土壤微生物數量變化的主要因子，以便為桂西北巖溶地區植被恢復和石漠化治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查區域自然概況

本研究調查樣地選擇在廣西河池市宜州區慶遠鎮境內。宜州區地處桂西北，地理坐標為108°4′～109°2′E，24°12′～24°56′N，屬亞熱帶季風氣候區和典型的喀斯特地形地貌，光照充足，雨量充沛，年平均日照時數為1 696.9 h，年平均氣溫為19.6～20.2℃，極端最高溫度為39.8℃，極端最低氣溫為-2.2℃，年均降水量為1 300～1 330 mm，無霜期為323 d。具體采樣點位于宜州城北白龍公園及其附近區域，選擇受人為極度破壞的類蘆樣地（廢棄的采石場），以及優勢種為陰香、陰香+青檀、青檀等代表性植被的樣地進行采樣，每個樣地面積不小于400 m2，調查樣地的基本情況見表1。

1.2 試劑與儀器

1.2.1 試劑 本研究所用試劑見表2。

1.2.2 儀器 本試驗所用的主要儀器見表3。

表1 調查樣地基本情況

表2 試驗試劑

表3 試驗儀器

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集及預處理 2014年9月至2015年8月，每月中旬（15日左右）到設定的調查樣地進行采樣，按蛇形采樣法，在4種不同植被典型樣地中，選擇具有代表性的5個樣點進行采樣。采樣時，清除地表的碎石和凋落物，取0～10 cm表層土，過2 mm標準篩，樣品充分混勻后，用四分法隨機選取1份，用無菌封口袋封裝并放入冰壺中，帶回實驗室，置于3～5℃冰箱中保存。具體采樣方法參考文獻［21］。樣品采回后，盡快測定土壤含水量并進行微生物的接種培養，避免因樣品保存過久而造成土壤微生物數量的變化。

1.3.2 培養基的選擇 氨化細菌培養采用蛋白胨瓊脂培養基；固氮細菌培養采用瓦克斯曼77號培養基；硝化細菌培養采用改良的斯蒂芬森（Stephenson）培養基，培養基配備的具體方法參照文獻［22］。

1.3.3 土壤微生物的分離計數 土壤微生物的分離接種、計數，分別采用稀釋涂布平板法和稀釋法［22-23］，通過預試驗確定合理的接種濃度，氨化細菌和固氮細菌用10-3稀釋液，硝化細菌采用10-2～10-76個濃度梯度稀釋液。氨化細菌和固氮細菌采用平板表面涂布法，硝化細菌采用稀釋法（每個樣品均做3次重復），接種后置于28℃培養箱培養3、7、14 d后統計菌落數量，然后，計算每克土壤中相關微生物的菌落形成單位（CFU），計算公式分別為：

每克干土中菌數＝（同一稀釋度3次重復的平均菌落數×稀釋倍數×20）/干土質量×100%；

每克干土中菌數＝近似值×數量指示第1位數稀釋倍數/干土質量×100%，具體參考文獻［23］。

1.3.4 土壤理化性質的測定 土壤中有機質含量的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化比色法［24］，土壤全磷含量的測定采用氫氧化鈉堿熔-鉬藍比色法，土壤有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，土壤全氮含量測定采用濃酸-高氯酸消解半微量凱氏定氮法，土壤有效氮含量的測定采用堿解擴散法，土壤全鉀含量的測定采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度計法，土壤速效鉀含量的測定采用乙酸銨浸 提-火焰光度計法，土壤電導率和pH值的測定采用電位法，水分含量的測定采用質量法，具體參照鮑士旦的方法［25］，計算公式為土壤含水量＝［（鮮土質量-干土質量）/鮮土質量］×100%。

1.4 數據處理

試驗數據用Office Excel 2010和Office Word進行處理，用SPSS 20.0軟件對數據進行相關性分析，用Origin 7.5軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被樣地土壤養分的季節變化

有機質以及氮、磷、鉀含量是土壤肥力和環境質量狀況的指標，也是環境恢復過程中土壤微生物和植物生長發育的重要營養源，土壤養分含量的變化對喀斯特地區不同植被恢復及生態重建均有重要的影響［26-30］。

在本研究中，4種不同植被調查樣地土壤有機質和氮磷鉀含量的季節變化情況見表4至表7。如果從土壤有機質含量年均值比較，不同植被樣地土壤有機質含量表現為陰 香＞青檀＞陰香+青檀＞類蘆，其中，青檀樣地與陰 香+青檀混交樣地的土壤有機質含量年均值差異很小。在不同月份土壤有機質含量的比較中，除類蘆樣地外，其他3種不同植被樣地的土壤有機質含量均為5—8月較高。從表5可以看出，不同植被樣地土壤氮含量差異明顯，土壤全氮含量年均值表現為陰香+青檀＞陰香＞青檀＞類蘆；土壤堿解氮含量年均值表現為陰香＞陰香+青檀＞青檀＞類蘆；除類蘆樣地外，其他3種不同植被樣地土壤夏秋季節的土壤含氮量較高（類蘆樣地春夏秋季節相對較高）。從表6可以看出，從土壤磷含量的年均值比較可知，4種不同植被樣地土壤全磷和速效磷含量均表現為陰香+青檀＞青檀＞陰香＞類蘆，但不同季節土壤磷含量的變化規律不明顯。從表7可以看出，不同植被樣地土壤全鉀和速效鉀含量年均值表現為陰香+青檀＞青檀＞陰香＞類蘆，土壤鉀含量在2014年的11月至2015年的4月相對較高。

從表4至表7可以看出，不同植被樣地土壤養分季節變化特征比較相似，其月際之間的變化呈單峰型或雙峰型，峰值大多出現在7—9月和12月；有機質和氮元素含量的變化差異較小，且均以陰香或陰香+青檀樣地較高；磷和鉀含量的季節變化比較復雜，且變化幅度較大，出現峰值的時間不一致。由此可見，不同植被樣地土壤營養物質含量的變化比較復雜，其影響因素及作用機制有待進一步研究。

2.2 不同植被樣地土壤氨化細菌數量的季節變化

4種不同植被樣地土壤微生物生理類群數量的測定結果（圖1）表明，土壤氨化細菌的季節變化差異明顯，氨化細菌數量的季節變化與微生物生理類群總數變化趨勢相似：10—12月呈上升趨勢，12—2月有所下降；2—4月除了類蘆樣地呈現下降趨勢外，其余3種樣地均呈上升態勢，之后的4—8月則有升有降，呈現一定的波動態勢，但總的趨勢是下降的。4種不同植被樣地的氨化細菌數量，除類蘆樣地12月最大外，其余3個樣地均為6月最大；8月青檀樣地與陰香+青檀混交樣地的氨化細菌數量最少，陰香樣地及類蘆樣地的氨化細菌數量則以10月最少；不同植被樣地的土壤氨化細菌數量差異比較明顯，其中陰香樣地的最多，陰香+青檀混交及青檀樣地次之，類蘆樣地最少；總體表現為夏季多，秋季少；在季節變化中呈三峰型或多峰型，說明不同植被土壤環境給予土壤微生物不同的生長條件，從而導致不同植被土壤微生物數量的差異。

表4 不同植被土壤有機質含量的季節變化

表5 不同植被樣地土壤氮含量的季節變化

表6 不同植被樣地土壤磷含量的季節變化

表7 不同植被樣地土壤鉀含量的季節變化

2.3 不同植被樣地土壤固氮細菌數量的季節變化

在4種不同植被樣地中，土壤固氮細菌數量季節變化的情況見圖2。結果表明，固氮細菌數量的季節變化明顯呈三峰型，峰值分別出現在12月、4月、7月。即10—12月數量上升，在12—2月數量下降，4月和7月隨著氣溫升高而數量增加，7—8月數量又逐漸降至最低。在不同植被樣地中，除陰香樣地和陰香+青檀混交樣地的固氮細菌數量在12月最高外，青檀樣地和類蘆樣地在7月固氮細菌數量達到最大值，但各樣地土壤固氮細菌數量的最小值都集中在8月；土壤固氮細菌數量在夏季和冬季較多，在春季和秋季較少；不同植被樣地土壤固氮細菌數量表現為陰香＞陰香+青檀＞青檀＞類蘆；從土壤固氮細菌的數量來看，陰香是巖溶地區植被恢復的較好樹種。

2.4 不同植被樣地土壤硝化細菌數量的季節變化

調查樣地土壤硝化細菌數量季節變化的結果見圖3。4種不同植被樣地土壤硝化細菌數量的季節變化較明顯，其變化趨勢為先逐漸增加（9—11月）又逐漸下降（12—2月），后再增（3—6月）再降（7—9月）。除了優勢種為類蘆的樣地外，土壤硝化細菌數量均在6月達到最大值（類蘆樣地土壤硝化細菌的數量在7月達到最大值），土壤硝化細菌數量的季節變化呈二峰型，最大峰值大多集中在6月，夏季硝化細菌數量較多，春秋季和冬季數量較少，除5月和6月之外，不同植被樣地土壤硝化細菌數量大致情況表現為陰香＞陰香+青檀＞青檀＞類蘆。如果從硝化細菌的數量看，不同植被對土壤質量變化的影響，其結果為陰香的效果最好，陰香+青檀混交次之，青檀位列第3，類蘆的效果最差。

2.5 土壤中微生物數量與土壤理化性質相關性分析

土壤微生物的數量變化與土壤理化性質關系密切，為了進一步說明不同植被樣地土壤微生物生理類群與土壤理化性質的關系，有必要對其相關性進行比較分析。

2.5.1 陰香樣地 從表8可以看出，在陰香樣地中，除了氨化細菌數量與硝化細菌數量、速效鉀含量與土壤含水量、堿解氮含量與土壤有機質含量均呈極顯著正相關，以及土壤全鉀含量與全氮含量呈顯著負相關外，土壤固氮細菌數量和硝化細菌數量與其他土壤理化因子的相關性均不顯著，其原因有待進一步分析。

2.5.2 青檀樣地 從表9可以看出，在青檀樣地中，氨化細菌數量與固氮細菌數量呈顯著正相關；硝化細菌數量與土壤pH值、土壤電導率呈極顯著負相關，與土壤有機質含量呈顯著正相關；全磷含量與有機質含量呈顯著負相關；速效鉀含量、有機質含量與土壤pH值呈顯著正相關或負相關，土壤有機質含量與電導率呈極顯著負相關；全鉀含量與速效鉀含量、pH值與電導率呈極顯著正相關，其他的相關性均不顯著。

2.5.3 陰香+青檀樣地 從表10可以看出，氨化細菌數量與固氮細菌數量、硝化細菌數量呈顯著正相關，與電導率呈顯著負相關；硝化細菌數量與土壤全磷含量、電導率呈顯著負相關，與土壤有機質含量呈顯著正相關，與土壤pH值呈極顯著負相關；土壤全磷含量與pH值呈顯著正相關，與土壤有機質含量呈顯著負相關；速效鉀含量與全磷含量、pH值均呈極顯著正相關。值得注意的是，氨化細菌數量、固氮細菌數量、硝化細菌數量與其他土壤理化因子的相關性并不顯著。

2.5.4 類蘆樣地 從表11可以看出，固氮細菌數量與土壤全磷含量呈顯著正相關；硝化細菌數量與全氮含量、全磷含量呈顯著正相關，與土壤有機質含量、pH值分別呈顯著負相關或極顯著負相關；土壤全氮含量與有機質含量、pH值均呈極顯著負相關；土壤有機質含量與pH值呈顯著正相關；其他土壤理化因子之間的相關性不顯著。

表8 陰香樣地土壤微生物數量與土壤理化性質的相關性分析結果

表9 青檀樣地土壤微生物數量與土壤理化性質的相關性分析結果

表10 陰香+青檀混交樣地土壤微生物數量與土壤理化性質的相關性分析結果

2.6 主成分分析

為進一步說明不同植被樣地土壤微生物與土壤理化性質的關系，可以通過主成分分析的方法，根據不同植被樣地土壤微生物生理類群的數據和土壤氮磷鉀及有機質含量測定值在不同樣地的得分情況，找出對土壤質量變化影響較大的理化因子，結果見表12。根據有關原則（特征值＞1），提取出成分1（PC1）、成分2（PC2）、成分3（PC3）等3個主成分，其特征值分別為5.030，1.876，1.061，相應的方差貢獻率分別為50.304%，18.756%，10.614%，總體方差貢獻率為79.674%。從表12、表13可知，PC1由氨化細菌數量、固氮細菌數量、硝化細菌數量、全氮含量、堿解氮含量、有機質含量組成，貢獻率達50.304%，PC2由全磷含量、速效磷含量、速效鉀含量組成，貢獻率為18.756%，PC3則由全鉀含量組成，貢獻率為10.614%。從圖4可以看出，各樣地散點的密集程度反映了各樣地土壤微生物數量和理化性質的相似度。通過主成分分析可以得到調查樣地土壤微生物和土壤理化性質對不同植被樣地的貢獻水平。

表11 類蘆樣地土壤微生物數量與土壤理化性質的相關性分析結果

表12 主成分的特征值和貢獻率

3 討論與結論

在植物群落演替和土壤質量演變的過程中，植物與土壤相互作用，相互影響，土壤微生物是土壤肥力的重要構成要素，在土壤生態系統物質循環和能量流動中具有重要的作用。從不同植被土壤微生物生理類群數量的差異，土壤微生物數量與土壤有機質以及土壤氮、磷、鉀含量的相關性等因素來看，土壤微生物數量的變化與土壤理化性質存在密切關系，也從側面反映了不同植被對土壤質量變化的影響。

在不同植被調查樣地中，土壤氨化細菌、固氮細菌和硝化細菌等3類微生物生理群雖然數量差異較大，季節變化明顯，但變化趨勢相似，不同植被樣地的3種不同微生物生理類群數量均表現為陰香＞陰香+青檀＞青檀＞類蘆的分布特點；在同一樣地中，3種不同微生物生理類群數量表現為氨化細菌＞固氮細菌＞硝化細菌；氨化細菌、硝化細菌數量峰值出現在6月、7月，即最高峰出現在夏季。因為盛夏季節的土壤溫度較高，降水量較大，土壤含水量較高，因此是土壤微生物繁殖和植物生長最活躍的季節。由于水熱狀況的季節性變化，不同微生物生理類群數量的變化規律雖然不完全相同，但是，高溫和濕潤的季節，土壤微生物生物量通常有增高的趨勢，這與胡延杰等研究結果［31］相似。固氮細菌數量的峰值出現在12月，可能是因為秋季有大量凋落物富集地表，經過土壤動物和微生物的作用，凋落物分解使各種營養元素逐漸回歸土壤，土壤微生物獲得較為豐富的營養物質供應，因而數量有所增加。春秋季節土壤微生物數量下降，可能是因為春秋季降水較少，土壤溫度較低，所以不太適合土壤微生物的生長和繁殖，從而導致其數量有所減少。從相關性分析和主成分分析結果可知，土壤微生物生理類群數量的變化，不僅受到溫度及大氣降水的影響，與季節變化有一定的關系，還與植被類型、土壤理化特性、地形地貌等諸多因素有關。在不同植被調查樣地中，3種土壤微生物生理群數量均表現為氨化細菌＞固氮細菌＞硝化細菌，這與邢肖毅等的研究結果［32-33］相似。土壤有機質中含有豐富的營養物質，能夠為植物和土壤微生物的生長繁殖提供充足的能源；氮是構成蛋白質的重要元素，是生物蛋白質合成的重要物質基礎；磷是生物細胞膜的重要組成成分，對物質運輸也有重要作用，而且由于在全球生物地球化學循環中，磷的循環屬于沉積型循環（不完全循環），所以地表中的磷含量通常都比較低，因而磷是植物和微生物生長繁殖的重要制約因子；鉀離子對生物細胞之間的物質交流和信息傳遞具有重要作用，在桂西北巖溶地區，土壤全鉀含量相對較高（2.60～8.99 g/kg），因此，土壤微生物生理群數量與土壤含氮、含磷、速效鉀、有機質含量具有明顯的相關性，而與土壤全鉀含量的相關性不明顯，這與主成分分析的結果是一致的。但在不同植被覆蓋的喀斯特巖溶地區，土壤微環境如何影響土壤氨化細菌、固氮細菌、硝化細菌等氮素轉化細菌的數量和組成比例，相關問題還有待深入研究。此外，由于本研究所選用的微生物培養方法比較傳統，用不同方法對土壤微生物數量進行研究，所得結果可能有一些差異，相關問題仍需進一步研究闡明。

表13 主成分的旋轉成分矩陣

不同植被調查樣地土壤微生物生理群數量的季節差異明顯，表現為雙峰型、三峰型或單峰型，其中氨化細菌和硝化細菌的數量通常在夏季較多，而固氮細菌的數量則為冬季和夏季較多；土壤微生物生理群數量可以作為土壤質量變化的重要監測指標，綜合考慮不同植被對土壤微生物的影響，以及土壤理化性質與土壤微生物生理類群數量的相關性，在桂西北巖溶地區進行植物恢復或石漠化治理時，應首先選擇陰香（或陰香+青檀）作為先鋒物種，其次可以考慮青檀，類蘆是自然入侵的先鋒種，可作為最后的選擇。