漓江河岸帶不同水文環境土壤微生物與土壤養分的耦合關系

王 靜,王冬梅,任 遠,王 斌

1 北京林業大學水土保持學院,水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083 2 桂林理工大學地球科學學院,桂林 541006 3 廣西壯族自治區中國科學研究院廣西植物研究所,廣西喀斯特植物保育與恢復生態學重點實驗室, 桂林 541006

河岸帶是河流生態系統和陸地生態系統的關鍵過渡地帶[1],具有明顯的邊緣效應和較高的生物多樣性,是地球上最具復雜、多樣性最高和動態的生態系統之一[2- 3],它在河溪生物多樣性維護、污染物吸收和過濾[4]以及河流水質保護等方面有重要的作用[5]。水文地貌過程(洪水動態)和生態學過程(生物學演替)創造了河岸帶連續變化的水文環境梯度—從靠近河道較低處的礫石灘,到遠方高處茂密的河岸森林。這些水文梯度在水淹頻率、群落組成(植被和微生物等)、演替階段、土壤理化性質和養分循環等方面均有顯著差異[6- 7]。因此,在這種變化的水文梯度下土壤的理化性質及微生物特性變化規律及它們之間的耦合關系是一個重要的生態學問題,對了解河岸帶土壤質量現狀及理解河岸帶生態系統結構及功能等具有重要意義。

河岸帶土壤是植被生長的介質,其質量直接決定了植被生長狀況,從而影響到河岸帶的結構和功能,而土壤微生物作為土壤的重要組成部分,參與了大部分土壤生態過程,如元素地球化學循環、有機物質分解轉化、污染物凈化等,對土壤健康狀況的維持和改善有很大作用[8- 9],因此,河岸帶土壤微生物對河岸帶的結構和功能也有很大程度的影響。土壤微生物不僅與土壤營養物質分解轉化密切相關,還能將不易被植物吸收利用的難溶性無機物變為可溶性物質,從而提高土壤肥力水平。因此,微生物是研究和評價土壤質量和生態系統功能變化的敏感指標[10- 11]。土壤微生物量是土壤養分“庫”和“源”,雖只占土壤有機質的很小部分,卻在土壤有機質和碳、氮、磷等養分循環轉化過程中起重要作用。研究土壤微生物生物量對了解和評價土壤肥力及質量狀況也有重要意義[12]。許多研究學者對河岸帶不同植物群落下[13- 14]、不同土地利用方式[15]、不同受擾區[16]、不同鹽堿土壤下[17]微生物特性進行了研究,并探討了土壤微生物特性與土壤養分之間的關系,而在漓江河岸帶的研究主要集中在植被多樣性與土壤特征[18]、植被配置[19- 20]、植物根系分布[21- 22]及護岸措施[23]等方面,有關不同水文環境下的土壤微生物及其與土壤養分因子的相互關系的研究鮮有報道。

廣西桂林市是世界著名的旅游城市和歷史文化名城,千百年來享有“桂林山水甲天下”的美譽,漓江則是其美的靈魂。然而,近年來隨著人口數量激增,工農業迅速發展,旅游業的開發力度的加強,漓江流域出現了一系列嚴重的生態環境問題,主要表現在季節性洪澇災害頻繁出現、河水自凈能力下降、水資源污染嚴重、河岸植被退化、河床裸露、濕地萎縮等[24],因此急需對其河岸生態系統進行恢復和重建。本文以漓江河岸帶為研究對象,通過對土壤主要養分因子、微生物數量及微生物量進行分析,揭示河岸帶不同水文環境微生物數量及微生物量的變化規律以及它們與土壤養分因子的耦合關系,以期為研究和改善河岸帶土壤質量現狀提供理論依據,同時也對退化河岸生態系統恢復和重建工作有一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

漓江流域位于廣西壯族自治區的東北部(110°18′—110°18′E、25°59′—23°23′N),屬珠江流域,流域長度為214 km,面積為12285 km2[25]。漓江流域地處亞熱帶季風濕潤氣候區,年平均溫度為17.8—19.1℃,年均降雨量為1814—1941 mm,年均蒸發量為1377—1857 mm,雨熱同期,年徑流量十分豐富,但極不均勻,3到8月份為洪水季節,徑流量占全年的80%[26]。漓江流域屬喀斯特地貌,大量碳酸鹽巖出露,其中桂林到陽朔河段為最典型的巖溶發育區,河道分布沙石。土壤類型為山地紅壤且礫石含量很高,砂粒、粉粒和黏粒含量分別為73.41%—86.65%、6.17%—13.98%、5.40%—11.00%。喬木主要有楓楊(Pterocaryatonkinensis)、陰香(Cinnamomumburmannii)、馬尾松(pinusmassoniana)、毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.Gracilis)等。灌木主要有水楊梅(Geumaleppicum)、黃荊(Vitexnegundo)等。草本主要有狗牙根(Cynodondactylon)、水蓼(Polygonumhydropiper)、葎草(Humulusscandens)等[18]。

1.2 試驗設計和采樣

選取漓江桂林到陽朔段的左側河岸帶為研究區域,分別設置10個人類干擾較少河岸帶樣地。每個樣地根據水淹時間、相對高程(相對于水平面)和植被類型[18]劃分為礫石灘、草地、灌草地和疏林地4種水文環境梯度,并進行土壤樣品的采集。其中礫石灘年均水淹時間大于7個月,相對高程小于0.6 m,幾乎無植被覆蓋；疏林地年均淹沒時間小于2個月,相對高程大于2 m,植被類型為林地。樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本特征

SD：水淹時間,Submersion duration；RE：相對高程Relative elevation

于2014年9月(避開雨季)每種水文環境梯度各選擇3塊10 m×10 m地塊采集土樣,每個地塊沿“S”形采集5—8處的土壤并混合為一個土樣,采土深度為0—15 cm,共取土壤樣品120個。土壤放置于便攜式冰箱內并運送到實驗室。在實驗室內,對每個土樣進行過篩(2 mm)并混勻,去除可見根系和石頭等。再采用四分法將每個土樣分為兩份,一份室內風干后用于分析土壤理化指標,一份保存在4℃冰箱內用于土壤微生物數量和微生物量的測定。

1.3 數據測定及分析

土壤養分的測定[27]：土壤含水量的測定采用烘干法(105℃),土壤pH值采用電位法,有機質(SOM,g/kg)采用重鉻酸鉀氧化法,全氮(TN,g/kg)采用凱氏定氮法,全磷(TP,g/kg)采用鉬銻抗比色法,全鉀(TK,g/kg)采用火焰光度計法,有效氮(AN,mg/kg)采用堿解擴散法,有效磷(AP,mg/kg)采用碳酸氫鈉浸提后鉬銻抗比色法,速效鉀(AK,mg/kg)采用醋酸銨提取和火焰光度法測定。每個土樣測3次。

土壤微生物三大類群(細菌、放線菌和真菌)數量的測定均采用稀釋平板計數法[28]。所用培養基為：細菌為牛肉膏蛋白胨培養基,放線菌為改良高氏1號(苯酚500 mg/L)培養基,真菌為孟加拉紅-鏈霉素(鏈霉素30 mg/L)培養基。結果計算方法：每克干土所含的微生物菌落數(cfu/g)=同一稀釋度N次重復的菌落平均數×稀釋倍數。

土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)和土壤微生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸浸提法測定[29],熏蒸后提取液分別由日本島津TOC- 5000A有機碳分析儀、美國哈希QC8500型流動注射(FIA)分析儀和美國Thermo Fisher Evolution 300紫外-可見分光光度計測定。

1.4 統計分析

使用Microsoft Office Excel 2007軟件進行數據基本處理,使用SPSS 16.0對數據進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Pearson相關分析,使用R語言[30]對土壤微生物指標和土壤養分指標進行冗余分析Redundancy Analysis(RDA)。

2 結果與分析

2.1 不同水文環境土壤養分的變化

漓江河岸帶不同水文環境土壤理化性質如表2所示,隨著水淹時間的減少,土壤含水量、pH值、有效氮、有效磷和速效鉀均呈先增后減的趨勢,土壤含水量、有效氮、有效磷和速效鉀含量在灌草地最高,分別為24.01%、109.56 mg/kg、11.84 mg/kg、71.77 mg/kg,在礫石灘最低,分別為13.52%、41.72 mg/kg、6.01 mg/kg和30.78 mg/kg；土壤pH值在草地最高,為7.71,疏林地最低,為6.99；有機質呈增加趨勢,在疏林地最高,為32.68 g/kg,礫石灘最低為23.72 g/kg。全氮在草地最高,為1.40 g/kg,在礫石灘最低,為0.93 g/kg。不同水文環境梯度之間的土壤全磷含量無顯著差異。總體上看,土壤養分含量最大值多出現在灌草地和草地,養分最小值多出現在礫石灘和疏林地。

表2 不同水文環境梯度土壤養分的方差分析

SWC：土壤含水量,Soil water content；SOM：有機質,Soil organic matter；TN：全氮,Total nitrogen； TP：全磷,Total phosphorus； TK：全鉀,Total potassium； AN：有效氮,Available nitrogen； AP：有效磷,Available phosphorus； AK：有效鉀,Available potassium；表中4種水文環境梯度的土壤數據為10個樣地的均值和標準差,不同小寫字母表示不同水文環境梯度差異顯著(P<0.05)

2.2 不同水文環境土壤微生物數量的變化

對漓江河岸帶土壤三大類群微生物數量進行了測定,種群數量特征見圖1。在漓江河岸帶土壤中,細菌數量占絕對優勢,占微生物總數的79.75%—86.35%；其次是放線菌,占10.31%—13.40%；真菌最少,僅占3.34%—7.82%。不同水文環境下土壤微生物種群數量及組成不同。隨著水淹時間的減少,微生物總數、細菌和放線菌數量的變化趨勢相同,均為先增后減趨勢。灌草地微生物總數、細菌和放線菌數量最多,分別為48.57×106、40.30×106和6.02×106cfu/g；而礫石灘最少,分別為21.98×106、18.29×106和2.94×106cfu/g。真菌數量隨水淹時間的減少為上升趨勢,疏林地最多,為2.84×106cfu/g,礫石灘最少,僅為0.74×106cfu/g。可見微生物總數、細菌和放線菌數量最大值出現在灌草地,最小值出現在礫石灘,而真菌數量最大值出現在疏林地和灌草地,最小值出現在礫石灘。

圖1 不同水文環境梯度土壤微生物數量的方差分析Fig.1 Variance analysis of soil microbial number from different hydrologic gradients圖中4種水文環境梯度的土壤數據為10個樣地的均值和標準差,不同小寫字母表示不同水文環境梯度差異顯著(P<0.05)

2.3 不同水文環境土壤微生物量的變化

漓江河岸帶不同水文環境下土壤微生物量不同。由圖2可以看出,隨著水淹時間的減少,MBC、MBN和MBP的變化趨勢均為先升高后降低,MBC和MBN在灌草地最高,分別為81.92 mg/kg和59.51 mg/kg,在礫石灘最低,分別為22.19 mg/kg和18.71 mg/kg,而MBP在草地最高為12.00 mg/kg,在礫石灘最低為3.40 mg/kg。以上結果得出：漓江河岸帶土壤微生物量各個指標(MBC、MBN和MBP)最大值多出現在灌草地,最小值多出現在礫石灘。

圖2 不同水文環境梯度土壤微生物量的方差分析Fig.2 Variance analysis of soil microbial biomass from different hydrologic gradientsMBC：微生物量碳,Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮,Microbial biomass nitrogen；MBP：微生物量磷,Microbial biomass phosphorus

2.4 土壤微生物及其與土壤養分之間的相關分析

漓江河岸帶土壤微生物與土壤養分的相關性分析結果如表3所示。土壤細菌、真菌數量與土壤有機質、有效氮、有效磷和速效鉀均呈極顯著正相關,而放線菌與有機質、全氮和全磷呈顯著負相關,與全鉀和有效磷為極顯著正相關。土壤MBC、MBN和MBP與土壤含水量、pH值、有效氮、有效磷和速效鉀均為極顯著正相關關系。相對而言,漓江河岸帶各微生物指標與土壤有效氮、有效磷及速效鉀相關性較強,與土壤全氮、全磷和全鉀的相關性較弱。

表4土壤微生物特征指標之間的相關性分析表明,細菌和放線菌呈極顯著負相關,和真菌呈極顯著正相關；放線菌和真菌為極顯著正相關。細菌、放線菌和真菌均和微生物量呈極顯著正相關。MBC、MBN和MBP兩兩之間均為極顯著正相關,且MBC和MBN相關系數最大,為0.916。可見,本研究區域不同土壤微生物數量和微生物量等微生物學指標相互之間關系密切,且與土壤有效養分因子相關性顯著。說明漓江河岸帶土壤微生物數量及其微生物量與土壤有效養分含量關系密切,它們之間具有協同效應,可作為評價土壤養分有效性的指標。

表3 土壤微生物與土壤養分間的相關分析

MBC：微生物量碳,Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮,Microbial biomass nitrogen；MBP：微生物量磷,Microbial biomass phosphorus；下同。數據為Pearson相關系數,* 表示在P<0.05 水平(雙側)上顯著相關,** 表示在P<0.01水平(雙側)上極顯著相關

表4 土壤微生物之間的相關分析

2.5 土壤微生物與土壤養分之間的冗余分析

漓江河岸帶土壤微生物與土壤養分之間的冗余分析(RDA)結果如圖3所示。做“向前選擇”檢驗,剔除掉無關的土壤養分指標得出：有效氮、pH、全氮、含水量、有機質、全磷和有效磷對土壤微生物有顯著影響。這些土壤養分變量可解釋微生物變異的31.2%,其中RDA1軸占可解釋部分的61.4%,RDA2軸占19.8%。RDA1軸(大部分被有效氮、有效磷和含水量所解釋)與微生物總量、細菌數量、MBC、MBN和MBP有極顯著相關性,而RDA2軸(大部分被有機質和全氮所解釋)與放線菌數量有極顯著相關性。因此可得出,土壤有效氮、有效磷和含水量是影響微生物總數、細菌數量、MBC、MBN和MBP的重要因素,而有機質和全氮是影響放線菌數量的重要因素。

圖3 土壤微生物與土壤養分之間的冗余分析 Fig.3 Redundancy analysis among soil microorganisms and soil nutrientsSWC：土壤含水量,Soil water content；SOM：有機質,Soil organic matter；TN：全氮,Total nitrogen； TP：全磷,Total phosphorus； AN：有效氮,Available nitrogen； AP：有效磷,Available phosphorus；Total：微生物總數；Bacteria：細菌；Actinomycetes：放線菌；Fungi：真菌

3 討論

3.1 土壤微生物數量及其生物量變化特征

漓江河岸帶土壤三大微生物類群數量中細菌數量最多,放線菌次之,真菌最少,與大多數土壤中三大類群微生物數量分布情況相同。細菌、真菌和放線菌在土壤動植物殘體分解過程中起到不同的作用,同時,對環境的偏好也有所不同,例如,細菌和放線菌喜中性和微堿性的土壤環境,而真菌適合生長在酸性條件下的土壤[31]。漓江河岸帶地處喀斯特地貌,土壤中性偏堿(pH值為6.99—7.71),所以細菌和放線菌數量最多,尤其是細菌數量遠遠大于其他幾種微生物數量,說明細菌的生存繁殖力、競爭力、抗干擾力以及分解養分的能力要強于其他類群。放線菌和真菌的數量不及細菌,但其絕對數量也較多,反應其對于河岸帶土壤的物質養分循環和系統穩定性也具有一定的作用。本研究發現漓江河岸帶微生物數量(細菌：18.29×106—40.30×106,放線菌：2.94×106—6.02×106,真菌：7.4×105—28.4×105cfu/g)與其他喀斯特或非喀斯特區域微生物數量范圍相比并無明顯差異,例如會仙喀斯特溶洞濕地系統內土壤細菌、放線菌和真菌數量分別為6.1×106—43.60×106、1.44×106—2.65×106、2.92×104—6.52×104cfu/g[32],巖質海岸防護林細菌、放線菌和真菌數量分別為6.98×106—52.89×106、0.59×106—6.27×106、2.11×105—20.23×105cfu/g[33]。

一般情況下,微生物量碳(MBC)占土壤有機碳的1%—4%[34],而微生物量氮(MBN)占土壤全氮的2%—6%[35]甚至更高[36]。但也有學者認為土壤中的微生物量碳、氮含量變化范圍很大,極高或極低的生物量值均有可能存在,并不是土壤固定的特征[37]。本研究結果發現漓江河岸帶土壤MBC含量很低,均值為54.44 mg/kg,其結果要遠遠低于其他喀斯特峰叢洼地土壤[38- 39],其MBC含量均值分別為403.48 mg/kg、766.65 mg/kg。分析認為存在這種巨大差距的原因在于,劉艷等和徐廣平等研究的峰叢洼地土壤黏粒含量及有機質均高于漓江河岸帶土壤。其土壤黏粒含量均值都在45%左右,而漓江河岸帶土壤黏粒含量均值僅為8.70%。一些研究結果顯示,土壤質地中較細的顆粒相較于粗顆粒能保存更多的有機物[40- 42]。細粒級土壤中的微生物量碳、氮的比例也要高于粗質地土壤[37, 43]。漓江水流湍急,水位上升迅速,對河岸產生了強烈而頻繁的沖刷造成了河岸土壤礫石含量很高而無法保存更多的有機物質,再加上該區域植被分布較少,凋落物、根系以及土壤腐殖質等也較為缺乏,土壤肥力相對貧瘠,這些因素都是導致土壤微生物量碳含量偏低的原因。

漓江河岸帶土壤微生物總數、細菌和放線菌數量以及微生物量(MBC、MBN和MBP)隨著水淹時間的減少呈先增后減趨勢,在灌草地最高,其次是草地,再次為疏林地,礫石灘最低。不同水文環境梯度土壤結構、養分含量及通氣透水性不同,因而影響到土壤微生物數量及活性。灌草地和草地植被多樣且生物量較大,凋落物非常豐富使其土壤養分含量較高,再加上河水影響(洪水沖刷、淹沒和沉積)帶來的死亡動植物殘體滯留,待它們腐敗之后也會進一步增加該區域的土壤養分,較高的土壤養分含量有利于土壤微生物生存及數量和活性的提高；另外,灌草地和草地水淹時間相對適中,土壤的通氣透水性較好,也有利于微生物生存及活動。Bertrand 等[44]的中度干擾假說也認為中等程度的干擾能維持高水平的生物多樣性。礫石灘幾乎無植被分布,水淹時間最長,相對高程最低,因此,受到河水影響的頻率和強度也最大,土壤侵蝕嚴重且部分土壤養分被河水沖走,貧瘠的土壤和厭氧環境不易微生物生存和繁殖,所以微生物數量及活性最低；疏林地靠近陸地,雖然植被豐富,但是水淹時間最短且相對高程最高,河水對其影響強度最小,土壤養分來源絕大部分依靠植物凋落物而無河水的輸入,因此土壤微生物數量及活性略低于灌草地和草地。

3.2 土壤微生物與土壤養分之間的關系

土壤有機質、氮、磷等是微生物生存活動的限制性養分元素,微生物的一切生命活動都需要土壤養分的支持,而土壤微生物活動對土壤結構的形成和養分元素的轉化有密切的關系,因此土壤養分與微生物數量關系十分密切,土壤養分含量可直接影響土壤微生物數量及其活性[45- 46]。土壤有機質、全氮和有效氮的提高會促進微生物量碳氮的積累[47- 48],土壤微生物量與土壤可利用氮之間有極顯著正相關關系[49]。本研究發現漓江河岸帶隨著水淹時間的減少土壤細菌、放線菌和微生物量(MBC、MBN、MBP)與土壤有效養分(AN、AP、AK)變化規律相同,均呈現先增后減的趨勢；相關性分析得出微生物數量及微生物量和土壤全效養分含量(TN、TP、TK)的關系不密切,但卻和土壤有效養分(AN、AP 、AK)的相關性較大,與盧成陽等(2013)研究結果一致[50],表明土壤微生物數量可指示土壤有效養分含量水平,微生物生物量也可作為判斷土壤有效養分含量高低的敏感指標,是土壤有效養分的源和庫。土壤微生物與土壤養分之間的冗余分析也表明,土壤有效氮、有效磷和含水量是影響微生物總數、細菌數量、MBC、MBN和MBP的重要因素,而有機質和全氮是影響放線菌數量的重要因素。由此可見,漓江河岸帶土壤有機質和有效養分含量(AN、AP等)與微生物數量及微生物量有緊密聯系,土壤微生物的活性有賴于土壤有效養分水平及環境狀況,土壤微生物與土壤有效養分之間相互促進,協同發展。因此,漓江河岸生態系統在進行土壤或植被恢復過程中應充分考慮土壤養分與微生物的變化特征及耦合關系,采取措施控制土壤有機質、有效氮和有效磷含量,改善土壤養分有效性及微生物特性,使得河岸帶生態系統朝更健康、更高級的方向發展。