震損邊坡土壤微生物特性研究

武文娟，張浩然，吳　華，宋長明，辜　彬

(四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064)

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震損邊坡土壤微生物特性研究

武文娟，張浩然，吳華，宋長明，辜彬

(四川大學 生命科學學院，四川 成都 610064)

地震；邊坡；土壤微生物；生態修復；北川縣

采用稀釋平板法對四川省北川縣治理5年多的震損邊坡坡上、坡中、坡下的土壤細菌、真菌、放線菌三大類微生物的數量進行調查研究，并與周邊未受地震破壞的自然邊坡進行對比分析，結果表明：震損邊坡與自然邊坡的土壤微生物類群組成大體一致，細菌在微生物類群中占絕對優勢，占微生物總數的87.7%～93.4%，真菌次之，放線菌最少，分別占微生物總數的3.6%～9.5%和1.9%～3.0%；震損邊坡不同坡位的土壤中細菌、真菌、放線菌數量差異較大，整體呈現出坡下>坡中>坡上的特點，而自然邊坡則是坡中>坡下>坡上；與自然邊坡相比，治理5年多的震損邊坡坡下、坡中和坡上的微生物數量分別減少了56%、70%和79%，恢復到自然邊坡狀況仍需更長時間。

2008年5月12日，四川省汶川縣發生了8.0級強烈地震，造成了山體大規模崩塌和滑坡[1-2]。地震發生后由于山體邊坡應力狀態發生改變，土壤巖體松動，邊坡滑面強度降低，大面積坡體破裂和裸露，因此邊坡很容易受重力作用而進行重新塑造，整體邊坡的土石比、植被狀況、水分狀況都發生了極大改變[2]。邊坡失去了植被保護，生態系統變得極不穩定，極易引發水土流失，造成坡體表層結構異質化[3]，重構土壤組成與結構。

汶川地震使邊坡植被受到巨大破壞，植被損失約87%～98%[1,4]，震后植被恢復極其緩慢，有的邊坡即使經過人工干預，植被恢復狀況也不盡理想，植被覆蓋率僅恢復到約39%[5]，其原因在于震后邊坡土壤遭受大面積的毀損和遷移，土壤結構性狀發生使土壤質地低下的改變等[3,6]，相比于未受地震破壞的邊坡土壤，其理化性質水平明顯下降，甚至還差距很大[7]。震后邊坡土壤-植被系統的研究[8-10]，揭示了震后先期土壤質地結構對植被生長的制約作用和后期植被根系固土護坡、植物凋落物改善土壤質地結構的作用。地震造成了邊坡土壤、植被的巨大破壞，土壤質量關系到邊坡植物群落的合理分布，而土壤中微生物組成與土壤生態系統關系密切[11]。針對汶川地震后邊坡土壤微生物的研究不多，主要集中于不同氣候區土壤微生物碳源代謝多樣性和藥材產地根際土壤微生物方面[12-13]，對邊坡土壤微生物的種類區系鮮有報道。本研究對四川省北川縣震損邊坡土壤微生物特性進行調查分析，擬了解震損邊坡土壤微生物特性及空間分布規律，揭示地震對土壤生態系統的影響，為治山和植被恢復生態工程及應用技術開發奠定科學基礎。

1　研究地區和研究方法

1.1研究區概況

本研究選取的震損邊坡位于四川省西北部的北川縣擂鼓鎮石巖村，邊坡土壤為山地黃壤，其養分含量雖高，但土壤物理性狀不良，礫石較多。研究區屬于山間河谷地貌，海拔700～1 500 m，雨量充沛，全年平均降水量1 002.7 mm[4]，處于龍門山斷裂帶中央的地震高烈度帶，耕地破碎度較高，災情較重[1,4]。

調查邊坡結構如圖1，坡上、坡中、坡下坡度依次為39°、43°、38°。地震導致周邊山體巖體結構改變，大面積山體垮塌滑動，大量殘坡積碎石土向坡體中下部移動堆積，形成全新坡體表層結構，新覆蓋的土體坡面土壤顆粒組成不均勻，坡上細、坡下粗(調查結果詳見表1)，坡表層粗、坡底層細，底層土體松散堆積，界面由于基質巖性風化程度不同而不規則、有較大起伏(詳見圖1)。

研究區于2010年開始地震災后治理和植被恢復，先期引進日本治山技術，實施了土袋階梯工程、竹柵欄工程、鐵絲籠擋土墻工程和排水溝工程、灌溉渠系工程等工程措施；再進行植樹造林，點播核桃、枇杷、櫻花、酸棗等樹種，撒播黑麥草等草種進行生物恢復；后期根據恢復效果補植刺槐和核桃，并覆蓋草席提供更好的生長環境。經過5年的災后治理，坡體穩定性提高，植被恢復進程明顯快于自然恢復坡體。

表1　北川邊坡土壤顆粒組成

圖1　地震對北川坡體影響示意

1.2樣品采集與研究方法

2015年4月初，對北川震損邊坡進行土樣采集和植被種類調查。為了解土壤微生物特性和空間分布特點，整體采用S形機械布點，將震損邊坡從上到下分為坡上、坡中、坡下三段，每個坡位選取5個樣地，同時將鄰近的未被地震破壞邊坡作為對照樣地(稱為自然邊坡)，共30個樣地。土壤樣品采集時，在選取的樣地內分別按W形布局設5個樣點，去除地表枯枝落葉，在0～20 cm層深度進行采樣，剔除石礫等雜物，然后將所取的多樣點土樣混合裝袋，每個樣方內取樣1 kg左右帶回，于4 ℃保存，用于完成研究區土壤微生物學特征分析。同時，在實地調查中記錄邊坡坡下、坡中、坡上植物種類。

土壤微生物特性測定方法[14]：細菌用牛肉膏蛋白胨培養基；真菌用馬丁氏培養基；放線菌用改良高氏培養基。采用稀釋平板法，每個處理設置3個重復，接種后于25～28 ℃恒溫箱內培養，細菌培養3～4天，真菌培養3～5天，放線菌培養7～10天。

2　結果與分析

2.1北川震損邊坡植被恢復狀況

調查震損邊坡發現了33種植物，其中：草本植物23種，灌叢和木本植物10種。植物科屬成分多樣，以菊科、薔薇科、禾本科、豆科居多，其中菊科有8種、薔薇科有5種、禾本科有3種、豆科有3種，其余植物都為單種科(詳見表2)。

表2　北川震損邊坡現有植物種類

北川震損邊坡從坡頂到坡底，植物群落呈現出由草本群落向灌草協調的群落結構轉變的趨勢。坡下部分為植被生長最茂盛區域，土壤基本無大面積裸露，木本植物主要有刺槐、青脆李、胡桃、臭椿、櫻花和酸棗，草本植物主要有廣布野豌豆、飛蓬、白車軸草、鬼針草、野棉花、尼泊爾香青、白苞蒿、青蒿、狗尾草。坡中部分是整個坡面最陡部分，植物生長不及坡下密實，有稀疏土壤裸露，灌木高度較坡下低矮，這與低矮灌木影響草本植物對營養的攝取有關。此部分木本植物主要有刺槐、胡桃、枇杷、臭椿、青脆李、櫻花，草本植物主要有尼泊爾香青、葛藤、白苞蒿、臭牡丹、蛇莓、鬼針草。坡上部分相比于坡中坡度有所放緩，但其植物生長茂盛程度卻不高，植物覆蓋多為草本，灌木較少，木本植物以刺槐、臭椿居多，草本植物主要有飛蓬、尼泊爾香青、臭牡丹、黃鵪菜、白苞蒿、黑麥草。

2.2北川震損邊坡土壤微生物總數變化

土壤中的微生物生存于土壤顆粒的表面及孔隙內，其與土壤結構的形成與穩定關系密切[11]。測定結果(詳見表3)顯示：北川震損邊坡土壤微生物數量坡下>坡中>坡上，這與自然邊坡坡中>坡下>坡上的情況存在差異；與自然邊坡相比，震損邊坡坡下、坡中和坡上的微生物數量分別減少了56%、70%和79%；震損邊坡坡下、坡中、坡上微生物類群組成和作為對照的自然邊坡大體一致，細菌均在微生物總量中占絕對優勢，占微生物總數的87.7%～93.4%，真菌次之，放線菌最少，分別占微生物總數的3.6%～9.5%和1.9%～3.0%。

表3　北川邊坡土壤微生物區系和數量　萬個/g

2.3北川震損邊坡不同坡位土壤細菌分布

由表3和圖2可知，北川震損邊坡不同坡位間的土壤細菌數量存在一定差異，呈現出坡下>坡中>坡上的趨勢；與自然邊坡相比，震損邊坡坡下、坡中、坡上的土壤細菌數量的降幅分別為56%、68%和78%。

圖2　北川邊坡土壤細菌數量變化

2.4北川震損邊坡不同坡位土壤真菌分布

真菌參與多種土壤代謝，其菌絲對土壤結構的形成有重要作用[11]。由表3和圖3可知，北川震損邊坡不同坡位間的土壤真菌數量差異明顯，表現為坡下>坡中>坡上；不同坡位的土壤真菌數量均顯著低于自然邊坡，坡下從52.3萬個/g下降為15.4萬個/g，坡中從50.4萬個/g下降為8.4萬個/g，坡上從39.7萬個/g下降為3.7萬個/g。

圖3　北川邊坡土壤真菌數量變化

2.5北川震損邊坡不同坡位土壤放線菌分布

土壤中放線菌發育緩慢，主要是參與分解難分解物質組分。由表3和圖4可知，北川震損邊坡各樣地土壤放線菌數量變化趨勢與細菌、真菌相同，表現為坡下>坡中>坡上；震損邊坡不同坡位土壤放線菌數量與對照相比都有不同程度的降低，坡上、坡中土壤放線菌數量降低顯著，分別降低78%和79%，坡下則降低了54%。

圖4　北川邊坡土壤放線菌數量變化

3　討　論

3.1北川震損邊坡土壤微生物總數變化

北川震損邊坡土壤微生物類群組成呈現細菌>真菌>放線菌的特點，與自然邊坡土壤微生物類群組成情況相似，表明細菌在北川邊坡土壤微生物活性中起決定性作用。同時，震損邊坡和自然邊坡的真菌數量都大于放線菌，可能是由于北川地區降雨充沛，濕潤的土壤更有利于真菌的生長，且土壤呈現酸性[7]，與真菌生長要求的pH值恰好一致[15]。北川震損邊坡與自然邊坡的土壤微生物類群組成相一致，表明震損邊坡土壤粗、細粒徑顆粒物經過5年相互填充重塑后，已形成自然邊坡的微生物格局，并具有發展成為自然邊坡微生物特性的潛質。

北川震損邊坡相較于自然邊坡，其微生物總數和細菌、真菌、放線菌數量都顯著降低，表明邊坡經過人工修復后，其土壤結構在演進過程中雖正在重塑，但作用量還不夠。這可能是由于坡體經過地震和人工修復工程的擾動后，土壤顆粒組成發生了很大變化，細粒徑顆粒含量減少，其對土壤的黏結填充作用降低，土體結構變得松軟劣化，不利于水分和養分的儲存；粗粒徑顆粒含量增加，土壤抵抗外界水土流失的能力減弱，土壤養分含量遭遇嚴重流失，土壤中微生物生存及活動條件變差；此外，邊坡在遭遇地震后，植被覆蓋度急劇減少。而自然邊坡地表積累的枯枝落葉層厚，可緩沖外營力對土壤結構的直接破壞，且其豐富的植物群落可通過根系和分泌物改善土壤結構[8]，茂盛的林冠又可在一定程度上阻截、再分配降雨等外界因素對表層土壤體結構的沖擊；同時，土壤中真菌、放線菌等微生物菌絲有助于土壤團聚體結構的形成與穩定[16]。如此，經過多年良性循環，必然會造成北川自然邊坡土壤微生物數量高于震后人工修復邊坡。

3.2北川震損邊坡不同坡位土壤微生物特性變化

北川震損邊坡不同坡位土壤微生物特性存在一定差異，但呈現一定的規律性，即微生物數量坡下>坡中>坡上；而自然邊坡則呈現出坡中>坡下>坡上的特點。這是由于地震的作用重塑了邊坡坡上、坡中、坡下的土壤分布格局，造成邊坡土壤結構的不同而導致的。

本試驗所選北川震損邊坡屬王家巖高速滑坡，滑體物質主要為礫石土[17]，其特性與土壤本身的顆粒組成關系很大，受地震影響造成了其邊坡土壤顆粒的大小與自然邊坡不同，故導致各微生物特性有所不同。一般土壤顆粒大小用固定粒徑5 mm作為分界點，小于等于5 mm的顆粒稱為細料，大于5 mm的為粗料，當土壤顆粒粗料含量從30%不斷升高時，土壤中粗料開始起骨架作用，粗料、細料開始彼此充填，土壤滲透系數和抗剪強度都將持續增加，當粗料含量超過70%時，其土壤特性值則會呈現出降低的趨勢[18]。震損邊坡坡下、坡中、坡上的土壤顆粒粗料含量分別為57%、45%、39%，坡下>坡中>坡上，且均在30%～70%范圍內，故越靠近坡下樣地，土壤滲透系數越大，下滲能力越強，抗剪強度也越強，相較坡上，坡下樣地能夠為微生物生長提供更好的條件，因此土壤微生物數量呈現出坡下>坡中>坡上的特點。而作為對照的自然邊坡土壤顆粒組成均勻，坡下、坡中、坡上的土壤顆粒粗料含量分別為33%、35%、33%，呈現坡中>坡下>坡上的特性。此外，由于自然邊坡礫石含量差別不大，坡中坡度較陡，在長期的地質累積中殘留的土壤細顆粒物最多，對土壤粗顆粒的填充效果最好。綜合作用造成自然邊坡微生物數量呈現出坡中>坡下>坡上的特點。

北川地區降雨量豐富，集中的降雨使得震損邊坡上部的細粒徑顆粒物易隨著雨水徑流流向坡底，加之地震造成邊坡越靠近坡底粗粒徑顆粒含量越高，粗粒徑顆粒阻截的土壤細粒徑顆粒物質也會越多，由此造成越靠近坡底部，土壤的粗細顆粒填充和堆積效果越好。此外，坡上坡度較緩，部分地帶存在下陷小地形，易聚積降水，進一步造成坡面土體軟化和土壤間黏結力減小，土壤抵抗外界侵蝕的能力減弱。這些因素的綜合作用造成了北川震損邊坡越靠近坡下部分，其土壤結構越好，越利于土壤微生物生長，即坡下>坡中>坡上。而作為對照的自然邊坡，由于經過多年的演替，其土壤-植被系統基本達到穩定狀況，即使遇到降雨，土壤孔隙內部的壓力也會緩慢釋放而不會對土壤結構造成很大的破壞。

3.3植被恢復對土壤微生物特性的作用

北川震損邊坡從坡頂到坡底，其植物群落越來越豐富，從坡上的偏向草本的植物群落結構，過渡到坡中簡單的灌草群落結構，最后到坡下已初步形成灌草相結合的植物群落。植物群落可以通過植物的根系纏繞和根系多糖分泌物來促進土壤結構的穩定[8]，這樣造成震損邊坡越靠近坡下土壤的結構越穩定，故震損邊坡土壤微生物數量坡下>坡中>坡上?？梢?，北川震損邊坡的植物群落恢復狀況與邊坡土壤微生物特性呈現出一致的趨勢，這表明覆蓋于邊坡上的植被類型、數量與邊坡土壤中的微生物組成結構呈正相關。

4　結　語

震后邊坡生態恢復的關鍵是植被恢復，穩定的邊坡與土壤基質是實現植被恢復的基礎。通過實地調查和試驗分析及討論，對震損邊坡微生物區系構成和空間分布的基本特點有了基本把握，得出以下幾點認識：

(1)北川震損邊坡土壤微生物特性受到嚴重影響，雖經5年多的治理，震損邊坡的土壤微生物群落數量和組成與未受地震破壞的邊坡相比仍然有明顯差距，可能需更長時間的演替才可達到震前的自然狀態。

(2)由于地震的作用重塑了邊坡坡上、坡中、坡下的土壤結構與分布格局，造成邊坡土壤組成的不同，因此震后邊坡土壤微生物的空間分布特點與周圍未破壞邊坡有一定的差異，分別表現為微生物數量坡下>坡中>坡上和坡中>坡下>坡上。在進行震后治山植被恢復工程時，應考慮地震對土壤結構組成變化的影響，切不可一味地模仿照搬一般邊坡植被恢復工程技術模式。

(3)震后邊坡植物群落恢復狀況與邊坡土壤的微生物特性成正相關，邊坡土壤的微生物特性關系到植被恢復進程和生態恢復效果，邊坡的植被恢復對震后邊坡土壤微生物特性的改善也可起到很積極的促進作用，因此在進行震損邊坡土壤修復時，可通過優化植物配置和加入土壤改良菌劑來增強其恢復效果。

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(責任編輯徐素霞)

2015-07-30

國家自然科學基金項目(40971057)

S154.3；X172

A

1000-0941(2016)04-0051-05

武文娟(1990—)，女，山西平遙縣人，碩士研究生，主要從事邊坡土壤恢復相關研究工作；通信作者辜彬(1959—)，男，重慶市人，教授，博士，主要從事恢復生態學研究。