青海湖防沙治沙區(qū)土壤微生物特征初步研究

展秀麗， 嚴(yán) 平

(1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2.北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100875)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與動(dòng)、植物殘?bào)w等各種有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化活動(dòng)，對(duì)動(dòng)植物殘?bào)w的分解、有機(jī)質(zhì)的礦化、腐殖質(zhì)和團(tuán)聚體的形成、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡起著重要的作用[1]，可表征土壤質(zhì)量變化，它常與土壤微生物區(qū)系、微生物多樣性、微生物量等結(jié)合起來(lái)研究[2]。風(fēng)沙土中微生物在固定沙丘形成過(guò)程中也起著重要的作用[3]，土壤微生物生物量常被作為監(jiān)測(cè)沙丘固定程度和分析土壤發(fā)育動(dòng)態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[4]。還有，土壤微生物可參與荒漠地表生物結(jié)皮形成的各階段[5]。關(guān)于微生物結(jié)皮對(duì)風(fēng)蝕作用影響，國(guó)外進(jìn)行研究較多[6]，William等[7]在美國(guó)半干旱草地的研究表明，當(dāng)未受干擾的微生物結(jié)皮存在時(shí)，風(fēng)蝕需要更高的初始摩擦速度，West[8]進(jìn)行了人為活動(dòng)對(duì)結(jié)皮踩踏破壞，如何使被結(jié)皮所固定的土壤細(xì)粒因風(fēng)蝕而損失的研究。然而，制約荒漠生態(tài)系統(tǒng)的各種環(huán)境因素，特別是低降水量、高溫和土壤有機(jī)質(zhì)貧乏，限制了土壤微生物的生長(zhǎng)[9]。

沙區(qū)土壤環(huán)境特征是沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)研究的關(guān)鍵，而分析沙漠化過(guò)程中土壤微生物特征對(duì)于揭示沙漠化的生物學(xué)機(jī)制具有重要意義。近年來(lái)，中國(guó)干旱荒漠區(qū)的土壤微生物研究也取得了一定的進(jìn)展，顧峰雪等[10]研究了塔克拉瑪干沙漠腹地的流沙上建立人工綠地后風(fēng)沙土微生物的特征，王素娟等[11]研究了庫(kù)布齊沙地土壤微生物數(shù)量特征，袁世斌等[12]研究了羅布泊沙土的土壤微生物生態(tài)分布特征，王少昆等[13]在科爾沁沙地和渾善達(dá)克沙地研究了流動(dòng)沙丘中的土壤微生物特征。

本研究對(duì)青海湖流域防沙措施區(qū)及流動(dòng)沙區(qū)的土壤微生物數(shù)量的垂直分布特征進(jìn)行研究，以期明確防沙治沙初期風(fēng)沙土微生物的基本特征，深入了解該地區(qū)土壤的質(zhì)量變化，為沙漠化治理土壤恢復(fù)效果評(píng)價(jià)提供基本依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海湖流域位于97°50′—101°20′E，36°15′—38°20′N，處于中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和西南部高寒區(qū)的交匯地帶。青海湖流域沙漠化土地主要分布在湖東岸下巴臺(tái)、海晏縣克土沙區(qū)及耳海周圍，是從全新世以來(lái)在干旱區(qū)氣候控制下形成的該流域最大規(guī)模的風(fēng)沙堆積區(qū)。多年平均氣溫0.3 ℃，日照時(shí)數(shù)3 040 h，年均降水量378.2 mm，集中在6—8月，年蒸發(fā)量大于年降水量，約為年降水量的3.8倍。年大風(fēng)日數(shù)大于48 d，四季多風(fēng)，風(fēng)向以西北風(fēng)為主。環(huán)湖地區(qū)植被和土壤類型比較豐富，沙區(qū)土壤類型主要是風(fēng)沙土、草甸土、鹽堿土等，天然植被草本主要有芨芨草(Achnatherumsplendens)、賴草(LeymussecalinusTzvel.)等，灌木有沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、沙蒿(ArtemisiadeseraorumSpreng.)等。

海晏縣克土沙區(qū)處在青海湖東北部，東南至大水塘，西北達(dá)哈爾蓋河，西南至青海湖岸，西北沿白佛寺—托勒灘—塔勒宣果一線，總面積7.67×104hm2。海晏縣克土自1980年以來(lái)開(kāi)始封沙育草，之后逐漸開(kāi)始設(shè)置草方格，1982年被列入國(guó)家“三北”防護(hù)林建設(shè)工程體系，截至2004年，設(shè)置草方格已達(dá)140 hm2。

草方格內(nèi)人工栽植的植被主要有：西藏沙棘(HippophaethibetanaSchlechtend.)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng.)、青楊(PopuluscathayanaRehd.)、烏柳(SalixcheilophilaSchneid.)等。沙島公路兩側(cè)于2002和2005年設(shè)置草方格，人工栽植的植物主要是沙棘、沙蒿，長(zhǎng)勢(shì)較好，沙丘基本固定。湖東—種羊場(chǎng)在近2 a開(kāi)始大面積實(shí)施防沙工程措施。

2 研究方法

2010年3月，選取青海湖沙區(qū)典型防治工程措施區(qū)進(jìn)行研究，主要選擇2008年采取措施的示范區(qū)；2002—2005年克土草方格措施區(qū)，2002—2005年沙島治理區(qū)，2008年湖東種羊楊的草方格措施區(qū)。表1為采樣點(diǎn)特征描述。

表1 采樣點(diǎn)基本特征

2.1 樣品采集與處理

在每個(gè)研究樣點(diǎn)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)采集土壤樣品，采樣深度為0—2，2—10和10—30 cm，樣品質(zhì)量1～2 kg。對(duì)土壤進(jìn)行碾磨、均勻混合，應(yīng)用四分法，保留對(duì)角線兩份樣品，其中一份樣品自然風(fēng)干，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分，另一份樣品放置于冰箱保存(溫度4 ℃)，供微生物測(cè)定分析。

2.2 微生物數(shù)量的測(cè)定

在北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物的測(cè)定，主要包括細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的測(cè)定。

2.2.1 土樣的稀釋、接種、培養(yǎng) 細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量采用稀釋平板法測(cè)定[14]，分離細(xì)菌采用牛肉膏—蛋白胨培養(yǎng)基，真菌用孟加拉紅培養(yǎng)基，放線菌用高氏1號(hào)培養(yǎng)基[15]。

2.2.2 計(jì)數(shù) 菌落計(jì)數(shù)分以下兩種情況進(jìn)行計(jì)算[15]：(1)若一個(gè)稀釋度的平均菌落數(shù)在30～300，則將該菌落數(shù)乘以稀釋倍數(shù)；(2)若所有稀釋度的平均菌落數(shù)均小于30，則按稀釋度最低的平均菌落數(shù)乘以稀釋倍數(shù)。計(jì)算公式：每克干土中菌數(shù)=(菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù))/干土重(%)

3 結(jié)果與分析

不同樣地微生物數(shù)量如表2所示。

表2 不同樣地土壤微生物數(shù)量垂直分布 個(gè)/g

按土層，克土早期治理區(qū)，丘間低地中細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：2—10 >10—30 >0—2 cm，真菌：10—30 >2—10 >0—2 cm，放線菌：0—2 >2—10 >10—30 cm，微生物總數(shù)量：0—2 >2—10 >10—30 cm，總數(shù)量隨著深度的增加而遞減。在頂部灌叢中，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：2—10 >0—2 >10—30 cm，真菌：0—2 >10—30 >2—10 cm，放線菌：10—30 >0—2 >2—10 cm，微生物總數(shù)量：2—10>10—30>0—2 cm。在灌叢坡中，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：2—10 >10—30 >0—2 cm，真菌：0—2 >2—10 >10—30 cm，放線菌：10—30 >2—10 >0—2 cm，微生物總數(shù)量：2—10 >10—30 >0—2 cm。可以看出，細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)為：2—10 cm土層最高，真菌的數(shù)量丘間低地的是越深數(shù)量越多，而頂部灌叢和灌叢坡中的表現(xiàn)為表層最多，放線菌丘間低地是越深數(shù)量越少，而頂部灌叢和灌叢坡中的表現(xiàn)10—30 cm數(shù)量最多。在多年人工植被沙丘中，各層沙土的含水量不像流動(dòng)沙丘有規(guī)律，但表層結(jié)皮中無(wú)論水分含量比下層多或少，微生物含量一般都較高，第二層即發(fā)育成塊狀結(jié)構(gòu)的砂土層，土壤微生物的生長(zhǎng)情況不如結(jié)皮層，但比第三層松散的黃沙中微生物數(shù)量要多。這表明在半荒漠地區(qū)，植物常年生長(zhǎng)的固定沙丘中枯枝落葉和根系分泌物等有機(jī)質(zhì)相對(duì)增加，給土壤微生物補(bǔ)充了營(yíng)養(yǎng)，此時(shí)，土壤含水量不是影響微生物數(shù)量的唯一因素。

從表2中可以得出，克土流動(dòng)沙丘栽植青楊的草方格中，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：2—10 >0—2 >10—30 cm，真菌0—2 >10—30 >2—10 cm，放線菌：10—30 >0—2 >2—10 cm，微生物總數(shù)量：2—10>0—2>10—30 cm。在栽植沙棘的草方格內(nèi)，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：2—10>0—2>10—30 cm，真菌：0—2>2—10>10—30 cm，放線菌：0—2>2—10>10—30 cm，微生物總數(shù)量：2—10>0—2>10—30 cm。從測(cè)定的結(jié)果來(lái)看，栽植青楊和沙棘的草方格固沙沙障內(nèi)，單個(gè)菌種數(shù)量的分布基本相似，土壤的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量均表現(xiàn)為上層較下層的高，沙土內(nèi)微生物數(shù)量隨深度垂直分布的變化規(guī)律是一致的，目前植物并沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生影響。

沙島半固定沙丘丘頂，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：0—2>10—30>2—10 cm，真菌：10—30>2—10>0—2 cm，放線菌：2—10>10—30>0—2 cm，微生物總量：0—2>10—30>2—10 cm。沙島灌叢，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：10—30>2—10>0—2 cm，真菌：0—2>2—10>10—30 cm，放線菌：2—10>10—30>0—2 cm，微生物總數(shù)量：10—30>2—10>0—2 cm。

防沙治沙示范區(qū)，2008年流動(dòng)沙丘草方格治理區(qū)中，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：2—10和10—30 cm大于0—2 cm，真菌：2—10>0—2>10—30 cm，放線菌：2—10>10—30>0—2 cm，微生物總數(shù)量：2—10>10—30>0—2 cm。2009年流動(dòng)沙丘草方格治理區(qū)，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：10—30>0—2>2—10 cm，真菌：2—10>0—2>10—30 cm，放線菌：0—2>2—10>10—30 cm，微生物總數(shù)量：0—2>10—30>2—10 cm。在流動(dòng)沙丘中，細(xì)菌和真菌數(shù)量的垂直分布為：10—30>2—10>0—2 cm，隨著深度的增加而增加，放線菌：0—2>10—30>2—10 cm，微生物總數(shù)量：10—30>2—10>0—2 cm。微生物總數(shù)量表現(xiàn)為隨著深度的增加而增加。這是因?yàn)榱鲃?dòng)沙丘由于強(qiáng)烈的光照和沙面大量蒸發(fā)等原因，沙丘上層沙土非常干，土壤含水量較低，沙土中微生物的含量也較少，隨著土層加深，沙土土壤濕度逐漸增加，土壤微生物的生長(zhǎng)也較上層好。

湖東種羊場(chǎng)流動(dòng)沙丘草方格治理區(qū)內(nèi)，細(xì)菌數(shù)量的垂直分布表現(xiàn)為：10—30>2—10>0—2 cm，真菌：10—30>0—2>2—10 cm，放線菌：0—2>10—30>2—10 cm，微生物總數(shù)量：10—30>2—10>0—2 cm。細(xì)菌和真菌的數(shù)量均表現(xiàn)為隨深度的增加而增加，表層的放線菌數(shù)量較下層的高。

總體看來(lái)，早期治理區(qū)，植被覆蓋較高，微生物數(shù)量垂直分布表現(xiàn)為上層的高于下層，這是因?yàn)槿斯ぶ脖坏纳L(zhǎng)使得表層土壤中有機(jī)質(zhì)豐富，土壤結(jié)構(gòu)疏松，為微生物活動(dòng)提供了良好的營(yíng)養(yǎng)和通氣條件，土壤的熱值狀況比下層好，利于微生物生長(zhǎng)繁殖，這樣符合正常微生物數(shù)量的垂直分布規(guī)律。但是，明顯看出，流動(dòng)沙丘及近期草方格治理的沙丘，微生物數(shù)量非常少，而且下層的稍高于上層，這是由于流動(dòng)沙丘下層的土壤濕度狀況相對(duì)較好。

4 結(jié) 論

細(xì)菌在不同樣地中排列的順序是：沙島半流動(dòng)沙丘>克土丘間地>克土坡中灌叢> 湖東種羊場(chǎng)草方格>克土灌叢>沙島灌叢>示范區(qū)流動(dòng)沙丘>克土草方格(沙棘)>克土草方格(青楊)>近兩年草方格措施區(qū)；真菌在不同樣地中排列的順序是：克土丘間地>克土灌叢>沙島灌叢>沙島流動(dòng)沙丘>示范區(qū)草方格>克土草方格(青楊)>克土草方格(沙棘)>示范區(qū)流動(dòng)沙丘>示范區(qū)草方格>湖東種羊場(chǎng)草方格；放線菌在不同樣地中排列的順序是：克土丘間地>克土坡中灌叢>沙島灌叢>克土灌叢>沙島半流動(dòng)沙丘>克土草方格(沙棘)>克土草方格(青楊)>示范區(qū)流動(dòng)沙丘>湖東種羊場(chǎng)草方格>近兩年草方格措施區(qū)。

從微生物總數(shù)來(lái)看，其大小順序是：沙島半固定沙丘>克土丘間地>克土灌叢>沙島灌叢>湖東種羊場(chǎng)草方格區(qū)>流動(dòng)沙丘>克土沙棘草方格>克土青楊草方格>示范區(qū)近年設(shè)置的草方格區(qū)，整體上可以看出，植被覆蓋度高，表層形成土壤結(jié)皮，土壤水分較好，微生物含量也較高。說(shuō)明隨著沙漠化土地治理年限的增長(zhǎng)，植被蓋度的提高，改善了土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，從而提高了土壤微生物活性，利于成土。

總體看來(lái)，微生物3大類群中，細(xì)菌占絕大數(shù)，其次是放線菌，真菌最少。植被覆蓋較高的土壤微生物數(shù)量垂直分布表現(xiàn)為上層的高于下層，微生物含量也較其他點(diǎn)高，流動(dòng)沙丘及近期草方格治理的沙丘，微生物數(shù)量非常少。土壤微生物對(duì)環(huán)境最敏感，在成土過(guò)程中，由于生態(tài)環(huán)境的改變，其數(shù)量、組成類群及微生物活動(dòng)都會(huì)受到顯著影響。本研究是對(duì)青海湖沙土微生物特征的初步研究，進(jìn)一步需要對(duì)其季節(jié)變化特征開(kāi)展研究，并對(duì)其影響因素進(jìn)行探討。

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