不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆的土壤微生物數量、養分含量及酶活性的比較研究

張 瑋，韓 磊，解李娜，李清芳，馬成倉

（天津師范大學a.生命科學學院，b.天津市動植物抗性重點實驗室，天津300387）

狹葉錦雞兒（Caragana stenophylla）是豆科錦雞兒屬灌木，由于具有抗旱、耐瘠薄、耐風蝕和繁殖性強等特點[1]，因此適應能力較強，在內蒙古典型草原區、荒漠草原區和荒漠區都有分布，并且在荒漠區形成優勢種.狹葉錦雞兒可以防風固沙、保持水土，并且是重要的飼用植物[2].目前對其研究主要集中于光合特性[3]、水分調節特性、遺傳特征、形態適應特性[4]和繁殖特性[5]等方面.在狹葉錦雞兒灌叢防風固沙方面，本課題組研究了典型草原、荒漠草原和荒漠區狹葉錦雞兒灌叢沙堆的形態、發育特征和固沙能力[6].

土壤是植物群落發育演化的重要物質基礎，它深刻影響著植被的發展變化，自身也會隨氣候和植被的變化而變化.土壤養分、土壤微生物和土壤酶是表征土壤系統的重要特性.土壤養分的含量直接影響植物的生長狀況，土壤微生物作為分解者參與生態系統的能量流動和物質循環，而土壤酶參與土壤中許多生物化學過程，可以在一定程度上反應土壤肥力狀況[7].本課題組選取內蒙古典型草原、荒漠草原、荒漠區的狹葉錦雞兒灌叢，分析灌叢沙堆下土壤微生物的數量、養分含量和酶活性，以此了解狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中的微生物與生境、土壤養分和土壤酶活性之間的關系.

1 材料和方法

1.1 研究區自然概況

選取錫林浩特市為典型草原采樣點、蘇尼特右旗為荒漠草原采樣點、阿拉善左旗為荒漠區采樣點，其自然概況如表1所示.

表1 采樣點的自然概況Tab.1 Environmental data for main sampling sites

1.2 灌叢沙堆的選取及樣品采集

野外采樣于2010年9月進行.三地的狹葉錦雞兒灌叢和其固定的沙堆均呈島嶼狀散亂分布，每個采樣點分別選取6個形態和發育特征相似的灌叢.在每個沙堆的頂部、中部、基部各采集10～20cm土層的土壤樣品，將每一灌叢3個位置的土壤進行混合，作為1組，共6組重復.土壤樣品裝于自封袋，帶回實驗室后于4℃冰箱保存.實驗時去除植物根系和礫石，在室內風干，分別過篩（1.00mm和0.15mm），用于測定土壤微生物數量、土壤養分和土壤酶活性.

1.3 土壤微生物的分離計數

細菌培養采用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌培養采用改良高氏一號培養基，真菌培養采用馬丁-孟加拉紅培養基，表面涂抹法平板接種[8].稱取鮮土樣5g，放入裝有無菌水的加玻璃珠三角瓶中（以充滿瓶底為宜），振蕩10min使土樣充分打散.準確吸取土壤溶液 1mL，依次稀釋 101、102、103、104倍，再準確吸取0.2mL不同濃度的土壤溶液接種到培養皿中.其中，細菌和放線菌為稀釋102、103、104倍的土壤懸液，真菌為稀釋101、102、103的土壤懸液，每一個稀釋度重復3次.接種后，用無菌玻璃棒均勻涂布于培養基表面.接種有土壤懸液的培養皿水平放置20～30min，使菌液滲透入培養基內，然后倒置培養于25～28℃恒溫箱中，培養時間為：細菌2～3 d，真菌5～7d，放線菌7～10d.選取每皿15～150個菌落對應的稀釋度統計菌落數，按下列公式計算每克干土中的菌數.

1.4 土壤理化性質的測定

土壤有機質、全氮、全磷、速效磷的測定參照文獻[9]，土壤水分用105℃、24h烘干法測定.

1.5 土壤酶活性的測定

土壤酶活性測定參考文獻[10].脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，酶活性以24h后1g土壤中NH4+-N的質量（mg）表示；過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀容量法，其活性以20min后1g土壤消耗的0.1mol/L KMnO4的體積（mL）表示；轉化酶采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，其活性以24h后1g土壤中葡萄糖的質量（mg）表示；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，其活性以2h后100g土壤中P2O5的質量（mg）表示.

1.6 數據處理

利用SPSS17.0軟件進行單因素方差分析，用Duncan檢驗對平均數進行多重比較.

2 結果與分析

2.1 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物的數量與組成

對內蒙古高原不同生境下狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中的微生物進行分離和計數，結果如表2所示.

表2 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物的數量Tab.2 Amount of soil microorganisms in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats ×105/g干土

從表2可以看出，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的細菌數量在3個生境中的差異具有統計學意義（p≤0.05），典型草原區的細菌數量最多，分別為荒漠草原區和荒漠區的3.26和8.00倍.對于放線菌和真菌，荒漠區的數量都顯著高于荒漠草原區和典型草原區，約為后兩者的1倍，典型草原和荒漠草原區之間的差異沒有統計學意義.在微生物總量上，典型草原區狹葉錦雞兒灌叢沙堆的土壤微生物總量明顯高于荒漠草原區和荒漠區，荒漠區數量最少.

3個生境的狹葉錦雞兒灌叢沙堆中，土壤微生物的組成差異較大，如圖1所示.

圖1 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物的組成比例Fig.1 Composition of soil microorganisms in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

從圖1可以看出，在3個生境中，細菌在微生物總量中所占比例最大，放線菌次之，真菌最小.隨著干旱加劇，細菌所占比例逐漸降低，放線菌和真菌比例增高.荒漠區放線菌在微生物總量中的比例分別是荒漠草原區和典型草原區的3.47和10.39倍，真菌所占比例分別為荒漠草原區和典型草原區的9.33和33.85倍.

2.2 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤養分的比較

3個生境下狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的養分含量如表3所示.

表3 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤養分含量Tab.3 Soil nutrients in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

由表3可以看出，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中，有機質、全氮、全磷、速效磷的含量均表現為典型草原區最高，荒漠草原區次之，荒漠區含量最低；荒漠草原區和典型草原區的含水量相近，二者均大于荒漠區，差異具有統計學意義（p≤0.05）.

2.3 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤酶活性的比較

比較3個生境下狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的酶活性，結果如表4所示.

表4 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤酶活性Tab.4 Enzymes activities in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

從表4可以看出，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均表現為荒漠草原區＞典型草原區＞荒漠區，過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性在3種生境之間的差異具有統計學意義（p≤0.05）；脲酶在典型草原區和荒漠草原區之間的差異沒有統計學意義，二者與荒漠區的差異具有統計學意義（p≤0.05）；堿性磷酸酶活性表現為典型草原區最高，其次為荒漠草原區，荒漠區最低，其在3個生境間的差異具有統計學意義（p≤0.05）.

3 討論

3.1 狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物與生境的關系

從典型草原、荒漠草原到荒漠區，光輻射和氣溫遞增，降水遞減，風力侵蝕漸強，沙源漸豐富.典型草原區適宜的水熱條件能夠促進狹葉錦雞兒和其他植被的發育，植物的根系分泌物、枯枝落葉以及這些物質長期積累形成的有機質為土壤微生物的生長提供了豐富營養；同時，典型草原區的氣候和土壤的通氣狀況也有利于微生物的生存與繁衍，因此該地區狹葉錦雞兒灌叢沙堆的土壤微生物總量最高.從典型草原到荒漠區，氣候越來越不利于植物生長，植被蓋度逐漸降低，植物的根系分泌物、枯枝落葉和土壤有機質逐漸減少，營養趨于匱乏，這些因素導致狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物逐漸減少.

有研究表明，細菌對濕潤、溫和環境的適應性強，而真菌和放線菌對干旱、高溫惡劣環境耐受性強[11].典型草原的氣候較濕潤，溫度適中，所以細菌在狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物中所占比例最高，而土壤細菌數量的增加會抑制真菌和放線菌生長[12]，使真菌和放線菌的數量較低.從典型草原到荒漠區，降水逐漸減少，氣溫逐漸升高，干旱脅迫越來越嚴重，氣候變化導致真菌和放線菌在狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物中所占比例逐漸增加，細菌所占比例逐漸降低，這與田曉堃等[13]的研究結果相似.

本研究表明，氣候差異和受氣候決定的植被差異共同導致了不同生境下土壤微生物數量的變化，而氣候差異和微生物的適應性差異決定了生境間土壤細菌、放線菌和真菌組成的變化.

3.2 狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物與養分的關系

土壤營養元素如全氮、全磷、速效磷含量均表現為典型草原最高，荒漠草原次之，荒漠區含量最低.含氮土壤酸度的增加、植物根系及微生物對土壤磷的活化作用[14]都會提高土壤有效磷的含量.養分含量會直接影響3個地區狹葉錦雞兒和其他植被的生長狀況，而植被生長狀況又會導致有機物含量從典型草原、荒漠草原到荒漠區呈下降趨勢.有機質的差異能夠直接影響微生物的生長狀況[15]，導致了微生物數量從典型草原、荒漠草原到荒漠區呈下降趨勢；另一方面，土壤中的無機養分含量也直接影響微生物的生長，養分含量充足的典型草原為微生物生長提供了更有利的條件，從典型草原區向荒漠區，無機養分的減少也使微生物數量下降.

有研究表明，微生物能促進土壤養分的積累，主要表現在固氮微生物能夠促進氮素積累[16].本研究表明，從荒漠區到典型草原區，土壤營養逐漸升高，導致了土壤微生物數量的增加，而微生物數量的增加反過來又加快了土壤營養的積累，加大了地區之間的營養差異.

3.3 狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物與酶活性的關系

土壤酶來源于土壤中動物、植物和微生物細胞的分泌物及其殘體的分解物，其中微生物細胞是其主要來源[10].蔡曉布等[17]對藏北退化高寒草地的研究發現，微生物的數量與土壤中脲酶、過氧化氫酶的活性呈正相關.本研究發現，從典型草原區到荒漠區，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中堿性磷酸酶的活性逐漸降低，典型草原區狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均高于荒漠區，這與從典型草原區到荒漠區狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物數量的遞減密切相關.本研究還發現荒漠草原區狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性高于典型草原，這一現象說明土壤微生物數量與土壤酶活性存在復雜的關系，不能籠統認為土壤微生物數量的增多一定有助于土壤酶活性的提高，需要將具體的土壤酶與分泌這些酶的微生物類群或種群對應起來加以分析[18]，甚至要結合酶與植物根系和土壤動物的對應關系，才能準確說明土壤酶活性變化的原因.

[1] 楊九艷，楊劼，楊明博，等.不同生境狹葉錦雞兒對干旱脅迫的生態適應機理研究[J].西北植物學報，2009，29（12）：2476-2482.

[2]李博.內蒙古鄂爾多斯高原自然資源與環境研究[M].北京：科學出版社，1990.

[3] MA C C，GUO H Y，WU J B，et al.Acclimation of photosynthetic traits of Caragana species to desert environment in Inner Mongolian Plateau[J].Arid Land Research and Management，2014，28（1）：87-101.

[4]MA C C，GAO Y B，GUO H Y，et al.Physiological adaptations of four dominant Caragana species in the desert region of the Inner Mongolia Plateau[J].Journal of Arid Environments，2008，72（3）：247-254.

[5]MA C C，ZHANG J H，GUO H Y，et al.Alterations in canopy size and reproduction of Caragana stenopylla along a climate gradient on the Inner Mongolian Plateau[J].Flora，2013，208（2）：97-103

[6] 韓磊，張媛媛，解李娜，等.荒漠草原區狹葉錦雞兒和小葉錦雞兒灌叢沙堆的形態和發育以及灌叢固沙能力比較研究[J].天津師范大學學報：自然科學版，2012，32（3）：65-70.

[7]呂秀華.東北羊草草原不同生境土壤微生物與土壤理化性質關系研究[D].長春：東北師范大學，2003.

[8]沈萍，陳向東.微生物學實驗[M].4版.北京：高等教育出版社，2007.

[9] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000：31-165.

[10]關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京：農業出版社，1987.

[11]BENITO G S.Microorganisms of the atacama desert：habitats and tolerance to environmental conditions[C].第二屆國際生物多樣性生態和環境大會論文集，2013：302.

[12]王長庭，龍瑞軍，王根緒，等.高寒草甸群落地表植被特征與土壤理化性質、土壤微生物之間的相關性研究[J].草業學報，2010，19（6）：25-34.

[13]田曉堃，王鵬程，汪來發，等.三峽庫區杉木馬尾松混交林和馬尾松純林的土壤含水量空間變異性[J].林業科學研究，2010，23（2）：246-251.

[14]AKHTAR M S，SIDIQQUI Z A.Effects of phosphate solubilizing microorganisms and Rhizobium sp.on the growth，nodulation，yield and rootrot disease complex of chickpea under field condition[J].African Journal of Biotechnology，2009，8（15）：3489-3496.

[15]米亮.不同有機質含量黑土微生物群落結構及功能比較研究[D].哈爾濱：八一農業大學，2009.

[16]趙志山，單志萍，惠慧.吉林西部羊草草原牧草根際固氮菌的研究[J].中國草地學報，1984（3）：70-73.

[17]蔡曉布，周進，錢成.不同退化程度高寒草原土壤微生物活性變化特征研究[J].土壤學報，2008，45（6）：1110-1118.

[18]牛得草，江世高，秦燕，等.圍封與放牧對土壤微生物和酶活性的影響[J].草業科學，2013，30（4）：528-534.