衡陽紫色土丘陵坡地恢復過程中土壤微生物數量特征

楊滿元，楊寧，郭銳，鄒芳平，趙林峰，林仲桂

1. 湖南環境生物職業技術學院實訓中心，湖南 衡陽 421005，2. 湖南環境生物職業技術學院園林學院，湖南 衡陽 421005

土壤微生物是土壤生命活體的主要組成部分，是土壤物質轉化的重要參與者，它在土壤有機質分解和營養元素礦化及轉化過程中發揮主要作用[1-4]，由于有機質轉化所需能量的90%以上來自微生物的分解作用，因此，土壤微生物活性總量是土壤—植物體系中有機質轉化的較好指標，是活性養分的庫（在固定過程中）和源（在礦化過程中）[5-6]。同時土壤微生物對環境變化反映十分迅速，被公認為土壤生態系統變化的預預警及敏感指標，其種群數量不僅反映了土壤各因素對土壤微生物的影響，同時也反映了土壤微生物對植物的生長發育、土壤肥力的影響與作用[7-10]，因此，研究土壤微生物的數量特征對退化生態系統的恢復有一定的指導意義。由于紫色土極易水蝕，發育期短，地力差，常處于幼年階段，加上顏色深、吸熱性強，夏季地面溫度極高，蒸發量大，又因區域性水、熱分布等不利環境影響和不合理的開發，致使該區域長期以來不僅植被稀疏，而且水土流失和季節性旱災嚴重，已成為湖南省水土流失和季節性干旱同步發生的重災區，也是中國南方極具代表的生態災難區[11-13]，通過文獻分析，關于衡陽紫色土丘陵坡地演替過程中土壤微生物數量特征的鮮見報道。本研究采用時空互代法[14-15]從土壤微生物的角度，研究植被在不同的演替過程中對土壤微生物特征的影響，揭示植被恢復與重建對改善土壤生態環境的作用機制，旨在為該區域土壤質量管理與退化生態系統的恢復與重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該區域位于湖南省中南部，湘江中游，地理坐標為110°32′16″~113°16′32″E, 26°07′05″~27°28′24″N。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18 ℃；極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫-7.9 ℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸發量1426.5 mm。平均相對濕度80%，全年無霜期286 d。地貌類型以丘崗為主。紫色土面積有1.625×105hm2，呈網狀集中分布于該區域中部海拔60～200 m的地帶，東起衡東縣霞流、大浦，西至祁東縣過水坪，北至衡陽縣演陂、渣江，南達常寧市官嶺、東山和耒陽市遙田、市爐一帶，以衡南、衡陽兩縣面積最大。

1.2 研究方法

選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態因子基本一致的坡中下部沿等高線的有代表性的樣地：草坡階段（Ⅰ），灌草階段（Ⅱ），灌叢階段（Ⅲ），喬灌階段（Ⅳ）與喬木階段（Ⅴ），代表不同的演替階段，群落演替的初始條件均為撂荒地。對照為自然條件下無植物生長的空地（CK）（表1）。在各樣地內分設3個大于1 hm2個獨立樣地作為重復，且在各獨立的重復樣地內隨機設3個10 m×10 m的樣方（各樣方間距>10 m），在每個樣方隨機采取5點（0~20 cm）混合取樣，去掉土壤中可見植物根系和殘體，將土樣分為2部分：一部分新鮮土樣過<2 mm篩后置于密封的大塑料桶內在于25 ℃培養10 d后用于分析土壤微生物種群與數量；另一部分土壤風干后過篩，供測定土壤理化性狀等。有機質（Soil Organic Material, SOM）采用H2Cr2O7-H2SO4消煮、FeSO4容量法測定，全氮（Total N, TN）采用半微量開氏法測定，全磷（Total P, TP）采用NaOH熔融—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定，堿解氮（Available N, AN）采用堿解擴散法測定，速效磷（Available P, AP）采用NaHCO3提取—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定，速效鉀（Available K, AK）用NH4-Ac浸提-原子吸收法，土壤pH值采用電極電位法[16]。土壤微生物數量采用稀釋平板涂抹法測定，細菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養培養基，真菌用馬丁氏培養基，放線菌用改良高氏1號培養[17]。

表1 樣地概況 Table 1 The description of experimental plots

1.3 數據分析

采用SPSS 13.0軟件進行數據處理與統計分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和和最小顯著差異法(LSD)比較不同數據間的差異，用Pearson分析法進行指標間的簡單相關分析。所有數據均為3次重復的平均值。表中數據為平均數±標準差。

2 結果與分析

2.1 演替對土壤理化性狀及微生物區系的影響

研究表明（表2），在喬灌階段（Ⅳ），SOM、AN顯著高于其他階段（P<0.05），TN、AP、AK顯著高于對照（CK）（P<0.05）；隨著演替的進行，pH值逐漸減小（P>0.05），由于紫色土含有豐富的正長石等礦物，其風化后保留了相當數量的P，其紫色土的P含量相對較高，且變化幅度不大。植被恢復55年后，SOM、TN、TP、AN、AP與AK增幅分別為91.28%～257.45%、94.57%～141.38%、5.36%～12.5%、96.19%～235.24%、7.88%～69.70%與16.24%～92.16%，表明植被恢復對土壤理化性狀有明顯的改善作用。

相關分析表明（表3），演替年限與SOM、TN與AN量極顯著正相關（P<0.01），與AK呈顯著正相關（P<0.05）。

表2 不同恢復階段土壤性狀 Table 2 Properties of soils in different re-vegetation stages

研究表明（表4），隨著演替的進行，微生物數量顯著增加（P<0.05），與對照（CK）相比，演替55年后，細菌、放線菌與真菌分別增加幅度為56.86%～429.38%、24.48%～109.71%與217.67%～1164.19%，土壤微生物以細菌為主，占微生物總數的80%以上，其次是放線菌，真菌數量最少，由于細菌占總數的絕大多數，微生物總數在各演替階段的變化規律與細菌的變化規律一致。細菌與放線菌適宜于中性與微堿性環境中生長，真菌在微堿性環境中生長較差，衡陽紫色土土壤呈弱堿性，因此，導致細菌與放線菌數量明顯高于細菌[18]。至灌叢階段（Ⅲ），20年后細菌數量顯著增加（P<0.05），達到第一個高峰（307.25×106個?g-1干土），不同階段增加的幅度不同，細菌增幅的大小順序為灌叢階段（Ⅲ）、喬灌階段（Ⅳ）、灌草階段（Ⅱ）、草坡階段（Ⅰ）、喬木階段（Ⅴ）與空白（CK），隨著演替進行，呈現出倒“U”變化規律，放線菌與真菌的變化規律不明顯。總之，隨著演替的進行，形成不同的生態條件，為微生物的生長與發育提供不同的食物來源與生存條件，從而導致微生物種群結構的多樣化[19]。

表3 不同恢復年限與土壤理化性狀的相關性分析 Table 3 Correlation coefficient between the re-vegetation times and soil physio-chemical properties

表4 不同階段土壤微生物主要種群數量 Table 4 Populations of main microbes in different re-vegetation stages

相關分析表明（表5），細菌數量與SOM、TN、AN與AK的相關性達顯著或極顯著水平（P<0.05或0.01），相關系數r=0.5838～0.6679；真菌數量與SOM、TN的相關性達顯著水平（P<0.05），其相關系數r分別為0.5755與0.6459，表明SOM與TN對真菌的生命活動有重要的影響；放線菌與土壤理化性狀的相關性不明顯；由于細菌數量占據微生物數量的絕大多數，微生物總數與細菌的土壤理化性狀的相關關系與細菌的變化規律基本一致。從一個側面說明植被恢復對土壤養分與微生物的影響具有同步性。

2.2 主成分分析

表5 土壤微生物數量與土壤理化因子的相關性分析 Table 5 Correlation coefficient between microbial numbers and soil physio-chemical factors

為了更好地分析不同階段土壤理化因子與土壤微生物的關系，進一步論證土壤微生物數量是反映土壤質量的一個重要標志，我們對土壤微生物數量與土壤理化因子進行主成分分析（表6）。設X1～X3分別表示細菌、放線菌與真菌數量；Y1～Y6分別表示SOM、TN、TP、AN、AP與AK的值，由于微生物數量與土壤理化因子相關性的原因，需要3個主成分才能解釋超過85%的信息。第一成分解釋了細菌的信息，方差貢獻率為65.321%；第二主成分解釋了放線菌的信息，方差貢獻率為13.845%；第三主成分解釋了真菌的信息，方差貢獻率為9.583%。以上分析說明微生物數量在評價植被恢復對改善土壤質量的指標因子的可行性及可靠性。

表6 不同階段的土壤信息系統主成分分析 Table 6 The principal component analysis of soil information system in different re-vegetation stages

3 結論

（1）衡陽紫色土丘陵坡地恢復55年后土壤理化性狀得到明顯改善，在喬灌階段（Ⅳ），SOM、AN顯著高于其他階段（P<0.05），TN、AP、AK顯著高于對照（CK）（P<0.05）；隨著演替的進行，pH值逐漸減小（P>0.05），演替年限與SOM、TN與AN量極顯著正相關（P<0.01），與AK呈顯著正相關（P<0.05）。

（2）土壤微生物數量在各階段差異顯著（P<0.05）。細菌數量從多至少的順序為灌叢階段（Ⅲ）、喬灌階段（Ⅳ）、灌草階段（Ⅱ）、草坡階段（Ⅰ）、喬木階段（Ⅴ）與空白（CK），灌叢階段（Ⅲ）20年細菌數量達最大，隨著演替進行，呈現出倒“U”形變化規律，放線菌與真菌的變化規律不明顯。

（3）相關分析表明：細菌數量與SOM、TN、AN與AK的相關性達顯著或極顯著水平（P<0.05或<0.01），真菌數量與SOM、TN的相關性達顯著水平（P<0.05），放線菌與土壤理化性狀的相關性不明顯。主成分分析說明微生物數量可作為評價植被恢復與改善土壤質量的指標因子。

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