兩種退耕還林模式對土壤微生物優(yōu)勢類群的影響

李姝江，朱天輝，2，劉子雄

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 雅安625014；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 長江上游林業(yè)生態(tài)工程省級重點實驗室，四川 雅安625014；3.四川省森林病蟲防治檢疫總站，四川 成都610081）

四川省地處長江上游，幅員面積占長江流域的近50%，是長江上游重要的生態(tài)經(jīng)濟區(qū)，也是長江中下游的重要生態(tài)屏障［1］。長期以來，由于自然災(zāi)害和人們對環(huán)境資源的不合理開發(fā)利用，使林草植被遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致四川地區(qū)出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱，旱澇災(zāi)害頻繁，森林、草地資源減少，水土流失嚴(yán)重［1］等生態(tài)問題，嚴(yán)重制約了該區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。近年來，四川省率先在全國實行了退耕還林還草等一系列旨在恢復(fù)和重建長江上游生態(tài)環(huán)境的治理措施，并開展了大量關(guān)于退耕還林技術(shù)理論方面的研究。迄今為此，已有學(xué)者對該地區(qū)林草模式牧草特性［2］、土壤微生物特性［3］、細根和草根的土壤微生物量［4］等方面進行了研究，但還缺乏從微生物角度來研究不同退耕還林模式對改善生態(tài)環(huán)境方面的報道。土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，參與森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)，是林地中最活躍的部分，其數(shù)量組成與土壤通氣性、水分狀況、養(yǎng)分狀況以及有機質(zhì)含量都有密切的聯(lián)系［5－6］，其活性可以在一定程度上反映土壤肥力［7－8］，是土壤質(zhì)量評價的一個重要的生物學(xué)指標(biāo)。為此，從2008—2009年對四川省洪雅縣兩種主要退耕還林模式下的土壤微生物優(yōu)勢類群數(shù)量及其生態(tài)分布進行了系統(tǒng)研究，以期揭示在相同立地條件下，不同退耕還林模式與土壤微生物優(yōu)勢類群活性之間、微生物優(yōu)勢類群與土壤酶的內(nèi)在關(guān)系，為退耕還林造林樹種的優(yōu)化配置積累相關(guān)的微生物學(xué)資料以及為生態(tài)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于四川省眉山市洪雅縣，地理坐標(biāo)為102°49′—103°47′E，29°24′—30°01′N，海拔620m。該區(qū)屬中亞熱帶濕潤山地季風(fēng)氣候，最高氣溫36.8℃，最低氣溫－3.3℃，年均氣溫16.8℃，春、夏、秋、冬季平均氣溫分別為17.2，25.2，17.3，7.7℃；年日照時數(shù)1 080h，太陽輻射量為338.1kJ／（cm2·a），無霜期352～360d；年降水量1 493.8mm，降雨多集中在夏、秋兩季。該區(qū)地貌以低山丘陵為主，土壤層平均厚度50cm，土壤類型為酸性紫色土，pH值4.9～5.6。采樣地為坡改梯形成的水平臺狀旱地，退耕前以種植玉米、紅薯、蔬菜為主，主要還林模式包括光皮樺木（Betula luminifera）—扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）、苦竹（Pleioblastus amarus）—扁穗牛鞭草兩種，于2000年1月退耕栽植。

1.1.1 光皮樺木—牛鞭草模式 光皮樺木為亞熱帶山地落葉淺根闊葉樹，根系發(fā)達、穿透力強，生長快；適宜生長在年均溫6～17℃，年降水量800～2 000mm，且降水集中在夏、秋兩季的溫涼濕潤氣候下［9］。在此模式中，土壤有機質(zhì)含量12.71g／kg，林分密度2 070棵／hm2，林間郁閉度0.6，樺木平均胸徑3.6cm，平均樹高4.2m。由于光皮樺逐漸長大，林下的牛鞭草長勢較弱。

1.1.2 苦竹—牛鞭草模式 苦竹為中國亞熱帶復(fù)軸混生竹類的代表竹種之一，是一種暖性喜濕，中性偏陰的竹類，地下有橫向生長的竹鞭，鞭上的芽可以長成新的竹鞭或發(fā)育成筍出土成竹，竹鞭一般多分布在約20cm深的表土層中［10］；適宜生長在年均氣溫18～29.8℃，年降水量1 184～1 467mm，降水集中在4—9月的氣候下［9］。在此模式中，土壤有機質(zhì)含量14.32g／kg，林分密度12 000株／hm2，林間郁閉度0.9，平均地徑2.4cm，平均竹高2.9m，苦竹的枯枝落葉覆蓋度約占總面積的60%，平均厚度1.9cm。隨著苦竹郁閉度的增加，林下牛鞭草長勢十分弱。

1.1.3 農(nóng)耕地（對照）土壤有機質(zhì)含量為17.82 g／kg；春季休閑，上面長有少量的牛鞭草；夏季載種紅薯并施農(nóng)家肥；秋季時紅薯生長良好并已成熟；冬季紅薯收獲完后，休閑。

1.2 土壤樣品采集

在試驗區(qū)選取立地條件相近的退耕還林地（光皮樺—牛鞭草、苦竹—牛鞭草）和農(nóng)耕地（對照）作為研究樣地，在3種樣地中各設(shè)面積為10m×10m的采樣標(biāo)準(zhǔn)地，3次重復(fù)，從2008年10月到2009年7月，按四季變化特點分3層（0—15cm，15—30cm，30—45cm）從下至上采集土壤樣品。

按不同季節(jié)具體的采樣時間為2008年10月中旬（秋季），2009年1月中旬（冬季），2009年4月中旬（春季），2009年7月中旬（夏季）。在樺木和苦竹林的標(biāo)準(zhǔn)地里，按五點法各選擇生長中等的光皮樺和苦竹5～6株（篼）作為采樣點，分別在樹干和竹篼周圍基部處先除去土壤表層的枯枝落葉和植被，順其基部開挖土壤剖面，用無菌小鐵鏟在新挖的土壤剖面上，由下往上分3層取帶完整根系的土塊，以0—15cm土樣為測定對象，其抖落物作為非根際土，附在根系周圍小于1cm粒徑的土壤作為根際土［11－12］。在農(nóng)耕地中也按五點法取樣。取5個不同點相應(yīng)層次的土壤樣品充分混勻后，用聚乙烯無菌塑料袋包好，并做好標(biāo)記，迅速帶回實驗室內(nèi)分析測定。每種樣品充分混勻后分為2份，分別用來分析土壤微生物和測定土壤水分含量。

1.3 土壤樣品分析

土壤微生物優(yōu)勢類群分析采用稀釋平板表面涂抹法（細菌分析用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏—孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌用改良高氏一號培養(yǎng)基）［13］進行分離，并根據(jù)微生物的培養(yǎng)特性、形態(tài)特征和生理生化特性等指標(biāo)［13－14］進行鑒定到屬；每個處理4個重復(fù)，最終結(jié)果取其平均值。土壤水分含量采用烘干法測定，土壤酶活性在待測定樣品前期處理后，其轉(zhuǎn)化酶（蔗糖酶）、脲酶、纖維素酶、過氧化氫酶活性采用關(guān)松蔭法［15］分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤優(yōu)勢微生物類群季節(jié)性動態(tài)變化

根據(jù)微生物的培養(yǎng)性狀、形態(tài)特征、生理生化特性等指標(biāo)可把細菌的優(yōu)勢類群鑒定為微球菌屬和芽孢桿菌屬兩大類，放線菌優(yōu)勢類群鑒定為鏈霉菌屬和游動放線菌屬兩大類，真菌優(yōu)勢類群鑒定為酵母菌和木霉菌屬兩大類。

結(jié)果顯示（表1），兩種退耕還林模式下優(yōu)勢微生物類群數(shù)量存在差異，春、夏、秋三季均為苦竹林所占比例最大，冬季為樺木林最大。另外，優(yōu)勢微生物類群的季節(jié)性動態(tài)變化存在一定的差異，有的隨季節(jié)變化明顯，而有的較穩(wěn)定。在夏季，微球菌所占比例處于優(yōu)勢，其數(shù)量在樺木林、苦竹林、農(nóng)耕地中分別占細菌總數(shù)的94.88%，88.15%，85.29%；在春季和冬季，其數(shù)量比夏季雖然有所下降，但微球菌數(shù)量占細菌總數(shù)的比例依然超過50%；而在3樣地中的秋季所占比例最低。芽孢桿菌在3樣地中則是在秋季最多，在夏季最少。鏈霉菌在苦竹林、農(nóng)耕地中的季節(jié)變化趨勢都是在夏季占放線菌的比例最大，分別為94.45%和84.29%，冬季最少，分別為32.54%和37.02%；而在樺木林中，鏈霉菌屬在夏季僅占放線菌總數(shù)的30.55%，春季達到最大為65.65%，說明鏈霉菌屬容易受外界氣候條件及土地的不同利用的影響。游動放線菌在3樣地中因季節(jié)變化的影響較小，其比例占放線菌總數(shù)的15%～25%。酵母菌在3樣地中的夏季和冬季所占比例處于優(yōu)勢，而在春、秋季稍有下降；木霉菌在3樣地中的季節(jié)變化趨勢也基本一致，但與酵母菌的變化趨勢相反。說明不同的微生物優(yōu)勢類群對外界氣候的敏感性不同。從各優(yōu)勢微生物類群數(shù)量總的來看，微球菌、鏈霉菌和酵母菌的數(shù)量較多，芽孢桿菌、游動放線菌和木霉菌的數(shù)量相對較少。

2.2 土壤各優(yōu)勢微生物類群的垂直生態(tài)分布特征

在3樣地土壤剖面中，各優(yōu)勢微生物類群垂直生態(tài)分布特征有的非常明顯，有的不明顯（表1）。微球菌、鏈霉菌、木霉菌和游動放線菌隨土壤層的加深其所占比例逐漸降低；說明這3類菌大多集中在土壤表層活動，這可能與樣地中栽培的植物根系主要分布在土壤上層刺激其生長繁殖有關(guān)。芽孢桿菌隨土壤層的加深其所占比例逐漸增加，這也許與芽孢桿菌的抗逆性較強有關(guān)；酵母菌在3樣地中的土壤層之間的增減變化趨勢不明顯。

2.3 林木根際和非根際土壤微生物優(yōu)勢類群數(shù)量的季節(jié)動態(tài)變化

樺木和苦竹對6大微生物優(yōu)勢類群的根際效應(yīng)有差異（表2）。微球菌和游動放線菌在樺木林的R／S＞1，而在苦竹林的R／S＜1；芽孢桿菌則與微球菌和游動放線菌的變化規(guī)律相反，說明不同林木根系活動對同一微生物優(yōu)勢類群的影響不同。鏈霉菌和木霉菌在兩林地的R／S＞1且兩林地間R／S差異不大，可能是兩林木根系分泌物對這兩種優(yōu)勢微生物的生長繁殖具有促進作用。酵母菌在兩林地的R／S＜1且兩林地間R／S差異不大，說明這兩種林木的根系分泌物可能對酵母菌有一定的抑制作用。

2.4 土壤微生物優(yōu)勢類群數(shù)量與酶活性之間的相關(guān)性分析

土壤微生物總數(shù)與土壤酶活性之間存在一定的相關(guān)性，而優(yōu)勢微生物類群是土壤微生物最重要的組成部分，所以優(yōu)勢微生物與土壤酶活性之間也應(yīng)該有一定的相關(guān)性（表3）。在優(yōu)勢微生物類群和土壤酶之間，微球菌屬與轉(zhuǎn)化酶、芽孢桿菌屬與纖維素酶、木霉和游動放線菌屬與過氧化氫酶、酵母與脲酶成顯著正相關(guān)。說明這些優(yōu)勢微生物類群對這4種土壤酶的活性貢獻較大。

表1 土壤微生物優(yōu)勢類群數(shù)量百分率組成狀況

表2 兩種模式下林木根際和非根際土壤微生物優(yōu)勢類群數(shù)量百分率的季節(jié)變化

表3 土壤微生物優(yōu)勢類群數(shù)量與土壤酶活性間的相關(guān)系數(shù)（樣本數(shù)＝44）

3 結(jié)論

6大微生物優(yōu)勢類群的季節(jié)性動態(tài)變化特性有的隨季節(jié)變化明顯，有的則變化不大；在3樣地土壤剖面垂直生態(tài)分布中，各微生物優(yōu)勢類群層次性變化特征差異較大。兩種退耕還林模式下優(yōu)勢微生物類群數(shù)量有差異，春、夏、秋三季均為苦竹林所占比例最大，冬季為樺木林最大。另外，在兩種模式下的林木根際中，鏈霉菌、木霉菌、酵母菌在兩林木根際的分布狀況趨勢相同；微球菌和游動放線菌在樺木林的根際效應(yīng)較大，而在苦竹林的根際效應(yīng)較小，芽孢桿菌則相反。說明微球菌和游動放線菌對樺木林有較強的根際正效應(yīng)，而芽孢桿菌則對苦竹林有較強的根際正效應(yīng)，該結(jié)果對土壤改良和生物學(xué)肥力的提高有積極意義。另外，酵母菌的R／S值都小于1，可能這兩種林木的根系分泌物或脫落物對酵母菌有抑制作用，這與前人［16－18］的研究結(jié)論（根系分泌物和脫落物對微生物具有正、負兩方面的影響）相似。從6大微生物優(yōu)勢類群數(shù)量組成來看，微球菌屬、鏈霉菌屬、酵母的數(shù)量分別在細菌、放線菌和真菌的組成中處于重要地位，但因為其個體的生物量均較小，所以其對土壤生物學(xué)肥力質(zhì)量的評價影響不大，而那些數(shù)量相對較少但個體生物量較大的優(yōu)勢微生物類群，對土壤生物學(xué)肥力質(zhì)量的評價具有十分重要的作用。

［1］趙安玖，胡庭興，李賢偉.四川省退耕還林模式初探［J］.四川林勘設(shè)計，2001，23（4）：16－20，32.

［2］劉闖，胡庭興，李強，等.巨桉林草間作模式中牧草光合生理生態(tài)適應(yīng)性研究［J］.草業(yè)學(xué)報，2008，17（1）：58－65.

［3］劉子雄，朱天輝，張健.兩種不同退耕還林模式下的土壤微生物特性研究［J］.水土保持學(xué)報，2006，20（3）：132－135.

［4］榮麗，李賢偉，朱天輝，等.光皮樺細根與扁穗牛鞭草草根分解的土壤微生物數(shù)量及優(yōu)勢類群［J］.草業(yè)學(xué)報，2009，18（4）：117－124.

［5］周智彬，李培軍.塔克拉瑪干沙漠腹地人工綠地土壤中微生物的生態(tài)分布及其與土壤因子間的關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14（8）：1246－1250.

［6］楊玉盛，邱仁輝，俞新妥，等.杉木連栽土壤微生物及生化特性的研究［J］.生物多樣性，1999，7（1）：1－7.

［7］Zelles L.Fatty acid patterns of phospholipids and lipopolysaccharides in the characterization of microbial communities in soil：A review［J］.Biology and Fertility of Soils，1999，29（2）：111－129.

［8］Baltramaityte D，Rutkoviene V，Svirskiene A.Changes of soil microorganism coenosis composition and enzymic activity in different farming systems on Calc（ar）I：Epi－gleic Luvisol soil［J］.Zemdirbyste， Mokslo－Darbai，2000，72：252－267.

［9］《中國森林》編輯委員會.中國森林［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2000：1355－1359，1920－1923.

［10］輝朝茂，杜凡，楊宇明.竹類培育與利用［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1996：59－62.

［11］徐秋芳，姜培坤.毛竹竹根區(qū)土壤微生物數(shù)量與酶活性研究［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2001，14（6）：648－652.

［12］楊承棟，焦如珍.杉木人工林根際土壤性質(zhì)變化的研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1999，35（6）：2－9.

［13］中國科學(xué)院南京土壤研究所微生物室.土壤微生物研究法［M］.北京：科學(xué)出版社，1985：40－179.

［14］趙斌，何紹江.微生物學(xué)實驗［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：20－92.

［15］關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

［16］楊承棟.森林土壤研究幾個方面的進展［J］.世界林業(yè)研究，1994，7（4）：14－20.

［17］厲婉華.蘇南丘陵區(qū)不同林分下根際根外土壤微生物區(qū)系及酶活性［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1994，13（6）：11－14.

［18］章家恩，劉文高，王偉勝.南亞熱帶不同植被根際微生物數(shù)量與根際土壤養(yǎng)分狀況［J］.土壤與環(huán)境，2002，11（3）：279－282.