不同放牧強度下隴東天然草地土壤微生物三大類群的動態特征

張成霞,南志標

（1.西南林業大學園林學院,云南昆明 650224；2.蘭州大學草地農業科技學院,甘肅蘭州 730020）

土壤微生物是土壤物質轉化的重要參與者,在維持生態系統平衡,評價土壤健康方面具有不可替代的作用[1]。土壤微生物是草地生態系統的重要組分,其將植物不能直接吸收的難溶性無機物轉變為可溶性的,增加土壤肥力,在有機質分解轉化、養分的釋放和循環及改善土壤理化性質中起著主導作用,能動地影響著草原生態系統的能量流動和物質轉化。微生物在土壤中的分布與活動,既直接反映了各環境因素及草地管理利用對微生物的影響和作用,也間接反映了草地的狀況[2-5]。放牧對東北羊草（Leymus chinensis）草原[3]、內蒙古冷蒿（Artemisia f rigida）-小禾草草原[6]、荒漠草原[7]、東祁連山高寒草地[8]土壤微生物影響已有文獻報道,但有關放牧對黃土高原北部農牧交錯帶天然草地土壤微生物的影響鮮見報道。本研究通過分析不同放牧強度、不同取樣期、不同土層下土壤微生物數量的變化,探索放牧對草地土壤微生物的影響,為黃土高原天然草地的可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地自然概況研究樣地位于甘肅省環縣甜水鎮大梁洼村——蘭州大學草地農業科技學院野外試驗點。具體簡況見已發表的文章[9]。

1.2 放牧試驗設計試驗區于2001年在天然草地上進行劃區圍欄,設4個放牧處理,分別為0（對照）、2.7、5.3和8.7只羊/hm2,每放牧處理3個重復,隨機排列,每輪牧分區為1個重復,面積為50 m×100 m,根據輪牧分區面積確定每區實際放牧羊數。每年夏季開始放牧,放牧時間為每年6月中旬至9月中旬,每分區每次放牧10 d,共輪牧3次。試驗羊為灘羊。至本試驗開始取樣時,已連續放牧3年。

1.3 土樣采集采樣時間在牧草返青后,于2005年5月中旬、6月中旬、9月中旬、11月中旬和2006年4月中旬、6月中旬分別采集土樣。每輪牧分區均按 0～10、10～20和20～30 cm 3層取樣,每樣地采用土壤剖面和混合多點取樣法,同層混合為一個土樣,人工撿除碎石、植物殘體等可見物,裝入塑料自封袋,4℃低溫下運回實驗室,未過篩的新鮮土樣立刻進行土壤微生物的分離。菌落數計算以干土為基礎。

1.4 土壤三大類群微生物的分離及數量測定土壤微生物測定分析采用平板分析法[10]:真菌采用馬丁氏-孟加拉紅培養基,細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基,放線菌采用高氏1號培養基。真菌、細菌和放線菌計數的土壤懸浮液稀釋濃度分別為10-2、10-3和10-3,每個土樣共涂抹 9個平板,其中每類微生物3個平板,每個平板為1個重復,共3個重復。涂抹后真菌置22℃黑暗培養箱內培養,3～7 d內統計菌落數；細菌置28℃黑暗溫箱內培養,逐日觀察菌落生長情況,5 d后沒有新的菌落長出時計數工作結束；放線菌在30℃黑暗條件下培養,5 d后開始統計菌落數,10 d后沒有新的菌落長出時計數工作結束。

1.5 數據統計與分析試驗數據用Statistical（1993）軟件進行顯著性統計分析,并用Excel軟件進行圖表制作。

2 結果

2.1 土壤微生物總數量2年6次測定平均土壤微生物總數在放牧強度為8.7只羊/hm2的輪牧分區最高,在5.3只羊/hm2的輪牧分區最低（表1）。但逐一比較同一測定日期內,不同放牧率下各輪牧分區土壤微生物總數量發現,僅2005年5月、6月0只羊/hm2顯著（P＜0.05）低于8.7只羊/hm2,2006年6月5.3只羊/hm2輪牧分區顯著（P＜0.05）低于 2.7只羊/hm2和 8.7只羊/hm2的處理,其他各測定日期內,不同放牧率處理間差異并不顯著（P＞0.05）（表1）。

表1 不同放牧強度、不同取樣期土壤微生物三大類群總數量 （×104CFU/g）

2.2 各層土壤微生物的動態特征

2.2.1真菌的動態特征 不同放牧強度下,0～10、10～20和20～30 cm土層,真菌數量的變化趨勢基本一致。即真菌數量的最高值均出現在9月,最低值在4或11月（圖1）。20～30 cm土層,2005年5月,2.7只羊/hm2輪牧分區的真菌數量顯著（P＜0.05）高于5.3只羊/hm2輪牧分區,高幅達83.50%（圖1）。

2.2.2細菌的動態特征 不同放牧強度下,0～10、10～20和20～30 cm土層,細菌的變化趨勢一致。3個層次的細菌數量最高值均在9月,最低值均在4月。20～30 cm土層,2005年6月,8.7只羊/hm2輪牧分區的細菌數量顯著（P＜0.05）高于未放牧的輪牧分區,高幅達81.50%（圖2）。

2.2.3放線菌的動態特征 不同放牧強度下,0～10、10～20和20～30 cm 土層,放線菌的變化趨勢基本一致。3個層次的放線菌數量最高值均在11月,而最低值在4或6月。2005年5月和2006年6月在 0～10 cm土層,放線菌數量在2.7只羊/hm2輪牧分區顯著（P＜0.05）高于0和5.3只羊/hm2,高幅達43.69%～180.36%。10～20 cm土層放線菌數量,2005年 5月,在 2.7只羊/hm2的輪牧分區顯著（P＜0.05）高于 5.3只羊/hm2,高幅達 77.59%。20～30 cm土層放線菌數量,2006年4月,在2.7只羊/hm2輪牧分區顯著（P＜0.05）高于 0只羊/hm2,幅度達107.04%（圖3）。

圖1 不同放牧強度下土壤真菌的動態

2.3 土壤微生物的空間動態分布2005年,土壤真菌、細菌和放線菌數量均表現為隨土層加深呈極顯著（P＜0.01）的降低。2006年,真菌和放線菌數量亦表現為隨土層加深逐漸降低,但細菌數量表現10～20 cm高于0～10 cm。從2年試驗結果看出,土壤微生物數量總體表現為表層最高,隨土層加深逐漸降低（圖4）。

3 討論

圖2 不同放牧強度下土壤細菌的動態

3.1 土壤微生物的數量和比例真菌、細菌和放線菌由于其生態屬性不同,它們的數量及其在微生物總數中所占的比例對棲息的生態條件有一定的指示意義,同時,受土壤成分、土壤酸堿度和植被種類的影響,是土壤的重要生物學指標。本研究結果表明,未放牧的對照區和輪牧分區,三大類群微生物數量上,細菌占絕對優勢,放線菌次之,真菌最少,說明細菌對該土壤的適應性強,而真菌和放線菌因受土壤中有機質、pH值等環境因子的影響,生長發育受到極大限制。這與以往研究報道的草地土壤微生物數量變化一致[8,11-12]。

圖3 不同放牧強度下土壤放線菌的動態

3.2 土壤微生物數量對放牧的響應放牧對土壤微生物數量的影響因草地類型、管理措施等而異,因為各類草原的土壤水熱條件、肥力狀況及生產力不同。本研究結果表明,同一取樣期（6月）不同的年份（2005和2006年）土壤微生物的數量變化差異較大,導致這種現象的原因與2年不同的氣候條件有關。2005和2006年1-5月的降水量分別是36.0和34.7 mm,1-5月的平均氣溫分別為0.62和2.58℃。土壤水分和氣溫均會影響土壤微生物的活動和數量,加之隨著放牧時間的增加,牲畜的踩踏和采食導致土壤板結和植被結構改變；另一方面,牲畜排泄物造成土壤外來微生物的增加和土壤養分的改變,而這些變化都將對土壤微生物造成影響,故2006年6月土壤微生物數量明顯高于2005年6月。

圖4 2005和2006年土壤微生物的空間分布

不同微生物類群對放牧的響應不一致。本研究結果表明,真菌和細菌對放牧的響應比放線菌更為敏感。土壤真菌和放線菌的數量在2.7只羊/hm2輪牧分區上最高,但隨著牧壓的增加其值下降,這與趙吉[6]、馬爽等[13]的研究結果一致。說明圍欄封育和適度放牧均有助于土壤微生物的恢復,提高草地土壤微生物的數量,但過度放牧使土壤微生物活性降低,從而使微生物數量下降。細菌數量在牧壓最重的8.7只羊/hm2的輪牧分區最高,這說明牧畜的踐踏作用使土壤變得緊實,通氣性下降,從而使土壤中好氣性細菌隨著放牧率的提高逐漸減少,嫌氣性細菌數量在一定的放牧率下略有增加[6]。同時,細菌適應不良環境的能力強[14]。因而,細菌數量在牧壓最重的處理區最高。

3.3 土壤微生物的季節動態土壤微生物的變化是非常復雜的。土壤微生物的變化具有明顯的季節性,這與有機物的供應、植物生長狀況以及溫濕等環境因素有關[15]。生態環境中的土壤溫度、水分等因素伴隨著季節變化而變化,是影響土壤微生物數量的主要因素。同一種草地類型的同一塊樣地,季節變化是導致土壤微生物類群數量分布特征存在差異的原因之一。本試驗結果表明,隴東黃土高原天然草地土壤的真菌、細菌和放線菌數量具有明顯的季節性變化,土壤真菌和細菌數量均呈單峰曲線,5月到9月上升,9月到11月下降,高峰出現在9月。產生這種變化的原因是:早春土壤溫度和水分較低,導致微生物不能進行旺盛地生長繁殖,數量較低。5月隨著氣溫回升,牧草開始返青,微生物生長繁殖亦加快,數量逐漸上升,9月土壤溫度高、水分較充足,有利于微生物的生長和繁殖,數量急劇上升,達到全年最高。該時期也是枯枝落葉分解最旺盛的季節,說明微生物對枯枝落葉的分解作用非常強烈。9月以后進入秋季,溫度和水分也逐漸下降,隨著氣溫的降低土壤溫度下降,微生物的活性也降低,導致其數量也下降。土壤放線菌數量的變化不同于真菌和細菌的變化,其值從5月到11月逐漸升高,最高值在11月,這與馬爽等[13]的結果一致。產生這種變化的原因可能與放線菌的生理特征有關,如較耐低溫,參與一些難分解的物質[14],也是放線菌對干旱及其他不良環境的適應能力較強導致的。但也有研究表明,草地土壤微生物量的高峰在7或8月,而9月呈下降趨勢[15-17],與本試驗的結果略有不同,這可能是不同的草地類型、降水量等因素造成的。

3.4 土壤微生物數量的垂直分布土壤微生物數量從上而下呈急劇減少趨勢,這與以往研究報道的結果一致[7-8,11-12,16,18]。這是因為地表聚集大量枯枝落葉,土壤結構疏松,給微生物活動提供良好的通氣條件,另一方面,表層土壤的水熱和通氣狀況好,利于微生物生長繁殖。土壤微生物的數量垂直分布也反映了草原土壤層次的營養狀況。

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