天山北坡退化草地土壤環境與微生物數量的關系

顧愛星,范燕敏,武紅旗,朱進忠,靳瑰麗,熱孜萬古麗

(1.新疆農業大學農學院,新疆 烏魯木齊830052;2.新疆草地資源與生態實驗室,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,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。生態環境的惡化跟不合理的人類活動有著直接的關系,它加速了生態環境惡化的進程[4]。

在草地生態系統服務功能中,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育與土壤健康狀況[5]。同時,土壤微生物受土壤環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系統現狀和發展趨勢[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]。

土壤微生物參數可作為土壤質量變化的指標[13],微生物對土壤中的有機物和植物養分進行轉化及循環,并且是活性養分的庫(在固定過程中)和源(在礦質化過程中)[14]。微生物對土壤的質量和肥力很重要。它們在土壤有機質分解和營養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的持續性和減少土壤與環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[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,在自然生態系統中扮演消費者和分解者的角色,在養分持續供給、肥料管理措施、土壤保持中起著舉足輕重的作用,是修復土壤生態環境和降解污染物質的先鋒[18-21]。土壤微生物指標已被公認為土壤生態系統變化的預警及敏感指標,數量作為土壤微生物群落狀態與功能的指標之一,其變化與土壤肥力以及土壤環境狀況密切相關,其數量分布不僅是土壤中有機養分、無機養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[22-24]。

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

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于昌吉市南部阿什里鄉春秋牧場地段,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]。研究區地帶性土壤類型屬于灰漠土,成土母質以沖積物、洪積物及黃土狀物質為主,土層較厚。伊犁絹蒿荒漠是該地區的地帶性植被,春季有短生植物發育,夏季一年生植物形成優勢層片,在時間序列上群落的植物組成、生活型結構以及某些經濟性狀特征要較亞洲中部氣候型荒漠復雜,生產上用作春秋季利用草地[26]。

當地牧民一般采用冬季定居,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,在研究區域內,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,運用SPSS 11.5統計軟件,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量特征為指標,對研究區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

采用稀釋平板計數法,取10 g土樣,烘干至恒重,計算含水量及水分系數,加無菌水,依次稀釋成濃度為10-1、10-2至10-6的土壤溶液,將經過稀釋的上清液涂平板,使用牛肉膏蛋白胨培養基培養細菌,馬丁氏培養基培養放線菌,高氏1號培養基培養真菌,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3～5 d后計數。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: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 數據處理與分析

根據野外調查資料和實驗室分析資料,用Excel 2003處理圖表,SPSS 11.5統計分析軟件進行數據處理分析。

2 結果與分析

2.1 草地退化程度與微生物區系的關系

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

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

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

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

2.2 不同土層微生物數量

樣品N1的0～10 cm土壤層中的細菌數量最多(圖2),它的數量24.2×106CFU/g干土,水分系數是1.2,它屬于重度退化,這與草原所在地區的土壤水熱條件,肥力狀況有關[32],放牧過度,地面積累很多羊糞尿,增加土壤有機質含量;樣品N2的0～10 cm土壤層中的細菌數量最少,它的數量1.55×106CFU/g干土,水分系數是1.14,它屬于重度退化。同時,樣品N13的10～20 cm土壤層中的細菌數量最多,它的數量27.6×106CFU/g干土,水分系數是1.29,屬于未退化。樣品N12的10～20 cm土壤層中的細菌數量最小,它的數量1.73×106CFU/g干土,水分系數是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,所以細菌數量最少。

樣品N11的0～10 cm土壤層中的放線菌數量最多(圖3),它的數量19.2×105CFU/g干土,水分系數是1.1,它屬于極度退化。放線菌通常分布于含水量較低,呈微堿性土壤環境中。樣品N5的0～10 cm土壤層中的放線菌數量最小,它的數量0.850 3×105CFU/g干土,水分系數是1.15,它屬于中度退化。但是樣品N11的水分系數(1.1)小于樣品N5的水分系數(1.15),所以樣品N11的放線菌數量大。樣品N11的10～20 cm土壤層中的放線菌數量最多,它的數量77.16×105CFU/g干土,水分系數是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量最小,它的數量1.3×105CFU/g干土,水分系數是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土壤層中的真菌數量最多,它的數量7.13×104CFU/g干土,水分系數是1.1,屬于中度退化,樣品N8的0～10 cm土壤層中的真菌數量最小,它的數量1.36×104CFU/g干土,水分系數是1.14,屬于重度退化。真菌是化能有機營養型,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土壤層中的真菌數量最多,它的數量4.44×104CFU/g干土,水分系數是1.2,屬于中度退化。樣品N4的10～20 cm土壤層中的真菌數量最小,它的數量1.35×104CFU/g干土,水分系數是1.2,屬于中度退化(圖4)。

圖2 土壤層中細菌的數量Fig.2 Bacteria quantity in soil

圖3 土壤層中放線菌的數量Fig.3 Actinomyce quantity in soil

2.3 土壤微生物數量與土壤肥力因子的關系

極度退化土壤的堿解氮、全氮、速效鉀、有效磷、全磷、有機質、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豐富,呈堿性,含鹽量高,且使化能異養型微生物大量繁殖,如真菌數量較其他退化程度土壤中真菌數量多。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。

真菌數量與速效鉀的相關系數為0.380 8、有效磷為0.400 6、全磷為0.406 5,呈顯著正相關,與氮微弱正相關,這與真菌化能有機營養型的特性相符;與容重的相關系數為0.380 6、密度為0.378 1,呈顯著正相關,反映其喜歡疏松土壤。細菌、放線菌數量與pH值呈極顯著正相關,相關系數分別為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 土壤微生物數量與土壤肥力因子的相關系數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量最多,為197.764×105CFU/g干土,中度退化的微生物總數量最少,為118.257×105CFU/g干土。結果表明未退化草地土壤中植物根及分泌物多,微生物營養條件適宜,促進微生物數量增加,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微弱負相關。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分轉化為易溶性養分,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,細菌數量初期急增,真菌和芽孢桿菌類群有明顯的優勢更替現象,放線菌數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中的主要分解者,放線菌參與難分解物質的分解[34]。這可能是隨著退化程度增加,細菌數量略呈下降趨勢,而放線菌數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值等理化性質也會發生改變[34]。

本研究中,極度退化土壤的堿解氮、全氮、全磷、有機質、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的微環境惡化,速效養分的供給能力及有機物質的轉化能力降低,從而導致了植被和土壤系統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)養分間均呈正相關關系,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,壤酶活性較低,群落地下生物量與土壤有機質、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量、活性明顯降低。牧草的根際是微生物最為活躍的區域,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,提供草地發展的環境條件,改善微生物需要的環境條件,為恢復退化草地的功能提供理論基礎。

4 結論

未退化的微生物總數量最多,中度退化的微生物總數量最少。

退化草原微生物區系中10～20 cm土壤層的微生物總數比0～10 cm土壤層的微生物總數多。

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

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

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

[1]艾尼·庫爾班.我區退化草地的治理措施[J].新疆畜牧業,2006,7(2):25-31.

[2]鄧萍,賀潔.區域經濟開發中的生態建設——以天山北坡經濟帶昌吉州為例[J].新疆環境保護,2002,24(4):11-13.

[3]陳忠梅,趙延昌.昌吉州生態環境現狀調查[J].干旱環境監測,2001,15(3):162-164,178.

[4]張建偉,王彥生,林芙蓉,等.昌吉州生態環境惡化的原因及對策[J].新疆氣象,2000,4:2-29.

[5]趙吉,廖仰南,張桂枝,等.草原生態系統的土壤微生物生態[J].中國草地,1999,21(3):57-67.

[6]郭繼勛,祝廷成.羊草草原土壤微生物的數量和生物量[J].生態學報,1997,17(1):78-82.

[7]姚拓,龍瑞軍.天祝高寒草地不同擾動生境土壤三大類微生物數量動態研究[J].草業學報,2006,15(4):93-99.

[8]羅明,邱沃.新疆平原荒漠鹽漬草地土壤微生物生態分布的研究[J].中國草地,1995,17(5):29-33.

[9]劉世貴,葛紹榮,龍章富.川西北退化草地土壤微生物數量與區系研究[J].草業學報,1994,3(4):70-76.

[10]Wardle D A,Nicholson K S.Synergistic effects of grassland plant species on soil microbial biomass and activity:Implications for ecosystem-level effects of enriched plant diversity[J].Function Ecology,1996,10:410-416.

[11]尚占環,丁玲玲,龍瑞軍,等.江河源區退化高寒草地土壤微生物與地上植被及土壤環境的關系[J].草業學報,2007,16(1):34-40.

[12]王啟蘭,王長庭,杜巖功,等.放牧對高寒嵩草草甸土壤微生物量碳的影響及其與土壤環境的關系[J].草業學報,2008,17(2):39-46.

[13]Kennedy A C,Smith K L.Soil microbial diversity and the sustain ability of agricultural soils[J].Plant Soil,1995,170:75-86.

[14]Smith J L,Paul E A.The significance of soil microbial biomass estimations[A].Bollag J M,Stotzky G.Soil Biochemistry[M].New York:Marcel Dekker,1990:357-398.

[15]Brussaard L.An appraisal of the dutch programme on soil ecology of arable farming systems(1985-1992)[J].Agricultural E-cosystems Environment,1994,51:1-6.

[16]Lal R.Soil management and soil biotic processes[A].In:Reddy M V.Management of Tropical Agroecosystems and the Beneficial Soil Biota[M].Enfield:Science Publishers,1999:67-81.

[17]Dodds W K,Banks M K,Clenan C S,et al.Biological properties of soil and subsurface sediments under abandoned pasture and cropland[J].Soil Biology Biochemical,1996,28(7):837-846.

[18]吳鐵航,李振高.土壤微生物在持續農業中的作用與應用前景[J].土壤學進展,1995,23(4):29-36.

[19]李為,余龍江,袁道先,等.西南巖溶生態系統土壤微生物的初步研究[J].生態學雜志,2004,23(2):136-140.

[20]夏北成,Zou J Z,Tiedje J M.植被土壤微生物群落結構的影響[J].應用生態學報,1998,9(3):296-300.

[21]章家恩.土壤生物多樣性的研究內容及持續利用展望[J].生物多樣性,1999,7(2):140-144.

[22]任天志,Grego S.持續農業中的土壤生物指標研究[J].中國農業科學,2000,33(1):68-75.

[23]杜國堅,張慶榮,洪利興,等.杉木連栽林地土壤微生物區系及其生化特性和理化性質的研究[J].浙江林業科技,1995,15(5):14-20.

[24]Rogers B F,Tate R L.Temporal analysis of the soil microbial community along a top sequence in Pineland soils[J].Soil Biology Biochemical,2001,33(10):1389-1401.

[25]李海梅.牧民定居后季節草地優化配置的研究[D].烏魯木齊:新疆農業大學,2001.

[26]朱進忠,吳詠梅.伊犁絹蒿荒漠不同退化階段草地經濟性狀演變的分析[J].草業科學,2005,22(10):1-5.

[27]劉洪來,朱進忠,靳瑰麗,等.伊犁絹蒿荒漠草地退化演替序列的劃分[J].新疆農業科學,2007,44(2):137-141.

[28]李阜棣.土壤微生物學[M].北京:中國農業出版社,1996.

[29]賀瑤琴.土壤學與土壤理化分析[M].新疆:科技衛生出版社,1995.

[30]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社,2000.

[31]王維中,張立新,朱斌,等.寶華山不同演替群落下的土壤微生物狀況[J].南京林業大學學報,2002,24(3):62-63.

[32]劉守龍,童成立,蘇以容,等.長期施肥對兩種稻田土壤微生物量氮及有機氮組分的影響[J].中國農業科學,2007,40(4):757-764.

[33]王麗宏,楊光立,曾昭海,等.稻田冬種黑麥草對飼草生產和土壤微生物效應的影響[J].草業學報,2008,17(2):157-161.

[34]李晨華,唐立松,李彥.干濕處理對灰漠土土壤性質及微生物活性的影響[J].土壤學報,2007,44(2):36-42.

[35]周萍,劉國彬,侯喜祿.黃土丘陵區鐵桿蒿群落植被特性及土壤養分特征研究[J].草業學報,2008,17(2):9-18.

[36]郭彥軍,韓建國.農牧交錯帶退耕還草對土壤酶活性的影響[J].草業學報,2008,17(5):23-29.