庫布齊沙地兩種植被恢復類型根際土壤微生物和土壤化學性質比較研究

戴雅婷,侯向陽,*,閆志堅,吳洪新,解繼紅,張曉慶,高 麗

1 中國農業科學院草原研究所, 呼和浩特 010010 2 農業部牧草資源與利用重點實驗室, 呼和浩特 010010

?

庫布齊沙地兩種植被恢復類型根際土壤微生物和土壤化學性質比較研究

戴雅婷1,2,侯向陽1,2,*,閆志堅1,2,吳洪新1,2,解繼紅1,2,張曉慶1,2,高 麗1

1 中國農業科學院草原研究所, 呼和浩特 010010 2 農業部牧草資源與利用重點實驗室, 呼和浩特 010010

油蒿(Artemisiaordosica)與中間錦雞兒(Caraganaintermedia)是庫布齊沙地分布廣泛的優良固沙植被類型,在植被恢復過程中受到關注。以庫布齊沙地自然恢復的油蒿群落與人工種植的中間錦雞兒群落為研究對象,以流動沙地為對照,采用野外調查、室內生化實驗與統計分析相結合的方法,分析兩種植被恢復類型根際與非根際土壤微生物、土壤化學性質的差異,研究土壤微生物與土壤化學性質間的相關關系,并運用綜合指數法評價兩種植被恢復類型對土壤生態系統的恢復效果,為庫布齊沙地植被恢復與重建提供科學依據。主要結論如下：(1)與流沙對照相比,兩種植被恢復類型根際、非根際土壤微生物數量、微生物生物量碳、氮含量均有不同程度的提高,其中,自然恢復的油蒿群落根際土壤微生物總數、細菌數量、微生物量碳和氮含量均顯著高于中間錦雞兒根際,真菌和放線菌數量分布表現為中間錦雞兒>油蒿；(2)兩種植被恢復類型根際、非根際土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效鉀含量均比流動沙地有不同程度地提高,其中,油蒿根際、非根際土壤有機質、全氮、速效氮含量顯著高于中間錦雞兒；(3)影響油蒿和中間錦雞兒群落土壤微生物數量、生物量碳和氮的土壤因子是有機質、pH值、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷,其中,對兩種植被恢復類型土壤微生物數量和生物量有正向促進作用的主要因子是土壤有機質、速效鉀和全氮含量；(4)運用綜合指數法計算出基于14個土壤指標的土壤質量綜合指數(SQI),SQI值排序為：油蒿根際>中間錦雞兒根際>油蒿非根際>中間錦雞兒非根際>流沙對照。自然恢復的油蒿群落對土壤質量的改良效果顯著優于人工種植的中間錦雞兒群落,是庫布齊沙地生態恢復的適合途徑之一。

微生物；根際；土壤化學性狀；土壤質量評價

植被恢復是荒漠化生態系統恢復與重建的第一步,是改善生態環境的關鍵,已成為恢復生態學的研究重點之一[1]。植被恢復過程中,植物根系通過分泌物、根產物和植物殘體等形式,不僅影響根際土壤微生物生長代謝和種群結構,而且改變了根際土壤的化學物理環境[2],而較好的土壤養分條件又可以促進植被生長發育,進而促進植被演替進程[3]。因此,通過了解不同植被類型根際與非根際土壤理化及生物學等性質,可以直接或間接反映植被對土壤的改良作用及植被恢復的生態效果。

根際是連接植物、土壤和微生物的紐帶,許多重要的土壤生態過程都發生在這一微小區域,隨著恢復生態學研究的深入以及多學科交叉,根際土壤環境的研究不斷受到重視,已成為生態學、土壤學、微生物學、環境學等學科交叉研究的熱點,國內外研究主要集中在根際與非根際土壤理化性質、土壤微生物多樣性、土壤酶活性等方面[4-7]。在現有研究報道中,僅有少量學者在黃土丘陵區、西寧南山區開展了根際微域角度的植被恢復評價研究[8-9],對于鄂爾多斯高原干旱、半干旱區不同植被恢復類型根際和非根際土壤養分、生物學性質比較分析及土壤質量評價的相關研究較少。

庫布齊沙地是我國西北沙漠與東部農業的生態屏障,也是具有特殊地理景觀的生態過渡地帶。多年來,由于自然和人為的影響,該地區植被破壞嚴重,土壤沙化和荒漠化問題嚴重,使其成為退化生態系統恢復與重建的重點區域。加快植被恢復和提高土壤質量是庫布齊沙地水土保持、防風固沙和生態系統恢復的主要目標。在庫布齊沙地植被恢復的過程中形成了自然恢復狀態下的植被群落和人工種植的植被群落類型,其中油蒿是當地

天然分布的優良固沙植被,其枝條分枝角度大,空間擴展能力強,且根系通過對土壤的固定、與土壤的物質交換能促進土壤發育[10]。中間錦雞兒因其耐旱、耐沙埋、抗風蝕、成活率高、固沙能力強等特性,成為庫布齊沙地廣泛種植的防風固沙、水土保持樹種[11]。有學者研究發現不同灌木樹種通過根際效應對土壤的改良效果不同[12-13],因此,對當地不同植被恢復類型根際和非根際土壤性質進行比較研究,對于一個地區科學篩選植被恢復方式及種類具有重要參考價值和現實意義。為此,本研究選取庫布齊沙地自然恢復的油蒿群落、人工種植的中間錦雞兒群落作為研究對象,通過測定根際和非根際土壤理化性質、微生物學特征,并建立土壤質量指標體系進行綜合評價,以期通過比較自然恢復與人工種植的兩種植被改良根際和非根際土壤的效果,對庫布齊沙地生態系統植被恢復與重建提供科學參考和理論支持。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗樣地位于內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗黃河南岸的庫布齊沙帶東段,農業部鄂爾多斯沙地草原生態環境重點野外科學觀測試驗站內,地處庫布齊沙漠和沿河平原的交界處,氣候干旱,風沙較大,形成典型的荒漠草原干旱、半干旱的風沙地貌,土壤為風成沙性母質上形成的風沙土,地層多數由侏羅系白堊系的砂巖、砂礫巖組成,交接程度松散,極易形成風化沙粒。試驗站所處位置屬于溫帶大陸性氣候,年平均氣溫6.1℃,最低溫度為-32.3℃,最高溫度為38.3℃,年降水量在310 mm左右,而且都集中在6、7、8三個月中,夏季降水變率在33%—43%之間,地表蒸發強烈,全年蒸發量為2 130.2 mm,濕潤度為0.4,無霜期156d。試驗區天然植被在長期的人類活動影響下,形成天然灌叢、人工灌叢、人工草地等多種植被群落類型,主要為耐風蝕與干旱的灌木中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、油蒿(Artemisiaordosica)、羊柴(Hedysarummongolicum)、沙柳(Salixpsammophila)、白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

本試驗在研究區選擇2種不同的植被恢復類型：油蒿群落(Artemisiaordosica)、中間錦雞兒群落(Caraganaintermedia),并以流動沙地作對照(LS)。其中,用YH表示研究區固定沙地自然恢復16a的油蒿群落；ZJ表示研究區人工種植16年后形成的中間錦雞兒群落。

表1 研究樣地基本情況

YH: 油蒿群落，ZJ: 中間錦雞兒群落,LS: 并以流動沙地

1.2.2 土壤樣品采集

土壤樣品于2011年4月采集,在各樣地中按“S”型選取9株植物,采集0—10、10—20、20—30、30—40cm不同深度根際、非根際土壤。采集方法參考Riley等[14]的抖落法,附著植物根系周圍1cm的土壤作為根際土壤,采集離植物根系20cm以外的土壤作為非根際土壤。分層混合,3次重復。土樣分裝于無菌塑料袋中包扎密封,帶回實驗室于4℃冷藏。

1.2.3 測定方法

(1)土壤微生物測定

土壤微生物數量測定采用稀釋涂布平板法。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基培養；放線菌采用高氏1號瓊脂培養基培養；真菌采用馬丁氏培養基培養。將培養基在12l℃下滅菌20min,選用2個稀釋度,3次重復,培養溫度為25—28℃,在2—7d內對細菌、真菌、放線菌進行分別計數。

土壤微生物量碳采用熏蒸法進行測定,土壤微生物量氮采用凱氏定氮法進行測定。

(2)土壤理化性質測定

土壤含水量測定采用烘干法,pH值測定采用1∶2.5土水比浸提酸度計法,有機質測定采用重鉻酸鉀外加熱容量法,全氮測定采用凱氏定氮法,速效氮測定采用堿解蒸餾法,全磷測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法,速效磷測定采用Olsen法,速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法。

1.2.4 土壤質量評價方法

在研究土壤微生物與土壤理化性質之間的相關關系基礎上,應用主成分分析法,以各指標特征值貢獻率為權重,加權計算兩種植物根際、非根際土壤理化和微生物指標值,運用土壤綜合指標數法,綜合評價其土壤健康狀況。

(1)由于評價指標之間的量綱不同,各指標間絕對值大小和變幅差異較大,甚至差幾個數量級,因此,為保證計算結果準確,在應用主成分分析法之前,對原始數據進行標準化處理。

各評價指標標準化公式:

(1)

式中,Q(Xi)表示各因子的隸屬度值,Xij為各因子值,Ximax和Ximin分別為第i項因子中的最大值和最小值。

(2)由于土壤質量的各個指標重要性不同,所以一般用權重系數來表示各指標的重要性程度,本研究運用SPSS軟件計算因子主成分負荷量,確定各因子在土壤質量中的作用大小,公式為：

(2)

式中,Wi為土壤各指標的權重,Ci為第i個土壤指標的因子負荷量。

3)計算土壤質量綜合指數(SQI)的計算公式為：

(3)

式中,n為評價指標的個數,取14；m為所選主成分個數,取3；ki為第i個主成分的方差貢獻率。

1.3 數據分析

采用SPSS 18.0對所得試驗數據進行方差分析、多重比較、逐步回歸分析及主成分分析,采用Sigmaplot進行作圖。

2 結果與分析

2.1 兩種植被恢復類型土壤微生物性質差異比較

2.1.1 土壤微生物數量差異比較

土壤中微生物的分布一方面可以反映土壤物質能量的轉化循環程度,另一方面也可以反映出土壤肥力狀況。與流沙對照相比,兩種植被恢復類型根際、非根際土壤微生物總數顯著提高(P<0.05),其中,油蒿根際、非根際土壤微生物總數提高了9.23倍和5.73倍,中間錦雞兒提高了6.49倍和4.20倍。比較兩種植被恢復類型,油蒿根際、非根際土壤微生物總數在0—40cm土層總體高于中間錦雞兒(圖1),兩者在根際0—20cm土層差異顯著(P<0.05)。

圖1 兩種植物根際與非根際土壤微生物總數Fig.1 The distribution of total number of microorganisms in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plantsYH: 油蒿群落，ZJ: 中間錦雞兒群落,LS: 并以流動沙地;R= rhizospheric,S= non-rhizospheric;不同小寫字母代表同一土層不同植物間差異顯著(P<0.05)

從各樣地土壤微生物三大類群分布來看,與流沙對照相比,兩種植被恢復類型根際、非根際土壤細菌、真菌、放線菌數量均有顯著提高(P<0.05),尤其是根際環境對細菌、真菌等生長繁殖的促進作用更為顯著。其中,油蒿根際土壤細菌、真菌、放線菌數量提高了8.16倍、3.91倍、11.14倍,中間錦雞兒根際土壤細菌、真菌、放線菌數量提高了3.84倍、11.47 倍、23.57 倍。比較兩種植被恢復類型,油蒿根際土壤細菌數量高于中間錦雞兒(圖2),兩者在0—30cm土層差異顯著(P<0.05)。中間錦雞兒根際土壤真菌和放線菌數量高于油蒿(圖3,圖4),在0—40cm土層差異顯著(P<0.05)。在兩種植被恢復類型非根際土壤中,放線菌數量具有顯著性差異(中間錦雞兒>油蒿),細菌、真菌數量均無顯著差異。

圖2 兩種植物根際與非根際土壤的細菌數量Fig.2 The distribution of bacterial number in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

圖3 兩種植物根際與非根際土壤真菌的數量Fig.3 The distribution of fungi number in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

圖4 兩種植物根際與非根際土壤放線菌的數量Fig.4 The distribution of actinomycetes number in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

2.1.2 土壤微生物生物量差異比較

從各樣地土壤微生物量碳含量分布來看(圖5),與流沙對照相比,油蒿根際和非根際、中間錦雞兒根際土壤微生物量碳含量顯著提高(P<0.05),其中,油蒿根際和非根際土壤微生物量碳含量分別提高了300.05%、118.31%,中間錦雞兒根際土壤微生物量碳含量提高了236.34%,非根際土壤微生物量碳含量與流沙對照無顯著差異。比較兩種植被恢復類型,油蒿根際、非根際土壤微生物量碳含量總體高于中間錦雞兒,分別提高了96.95%和174.22%。從圖6可以看出,各樣地土壤微生物量氮含量分布為：與流沙對照相比,兩種植被恢復類型根際、非根際土壤微生物量氮含量均顯著增加(P<0.05),其中,油蒿根際、非根際土壤微生物量氮含量提高了2858.13%、1674.52%,中間錦雞兒提高了1895.06%、936.25%。比較兩種植被恢復類型,油蒿根際、非根際土壤微生物生物量氮含量總體高于中間錦雞兒,分別提高66.72%和92.65%。土壤微生物生物量是土壤有機質的活性部分及速效養分的來源,參與調節土壤礦化和物質能量流動過程[15],可以用來反映土壤微生物功能活性[16]。土壤微生物量碳對土壤養分循環起著重要作用,比有機碳更能反應土壤質量的變化[17],土壤微生物生物量氮是土壤微生物同化、礦化活性的重要指標,是植物氮素的“活性庫”[18]。以上結果表明,兩種植被恢復類型對土壤微生物活性有不同程度的促進作用,其中,自然恢復的油蒿群落對土壤有效碳和氮的利用和轉化能力要高于中間錦雞兒群落。

圖5 兩種植物根際和非根際土壤微生物量碳含量Fig.5 The distribution of soil microbial biomass C in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

圖6 兩種植物根際和非根際土壤微生物生物量氮含量Fig.6 The distribution of soil microbial biomass N in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

2.2 兩種植被恢復類型土壤化學性質差異比較

由表2可以看出,試驗區沙地土壤pH值總體呈弱堿性。與流沙對照相比,兩種植被恢復類型土壤pH值升高明顯(P<0.05),其中,中間錦雞兒根際pH值顯著高于油蒿根際,兩者在非根際土壤中無顯著差異；有機質和全量養分方面,與流沙對照相比,兩種植被恢復類型土壤有機質、全氮、全磷含量均有所提高,其中,油蒿根際和非根際土壤有機質含量分別提高了303.58%和142.86%,全氮含量分別提高了273.88%和158.62%,全磷含量分別提高了87.27%和97.41%,中間錦雞兒根際和非根際土壤有機質含量分別提高了121.43%和85.72%,全氮含量分別提高了67.35% 和30.27%,全磷含量分別提高了143.60%和140.42%。比較兩種植被恢復類型,油蒿根際土壤有機質、全氮含量顯著高于中間錦雞兒(P<0.05),中間錦雞兒土壤全磷含量總體高于油蒿。

速效養分方面,與流沙對照相比,兩種植被恢復類型根際、非根際土壤速效氮、速效鉀含量有不同程度提高。其中,油蒿根際、非根際土壤速效氮含量分別提高了501.99%和379.37%,速效鉀含量分別提高了36.90%和37.09%,中間錦雞兒根際和非根際土壤速效氮含量提高了11.12% 和96.43%,速效鉀提高了33.0%和32.83%。比較兩種植被恢復類型,油蒿根際、非根際速效氮含量顯著高于中間錦雞兒(P<0.05),速效鉀含量在兩者間無顯著差異。速效磷含量除油蒿根際外,均顯著高于流沙對照(P<0.05),總體表現為中間錦雞兒>油蒿。

上述結果表明,植被的生長恢復對于土壤有效養分的積累具有促進作用,由于植物根系分泌物以及植物自身的生理代謝的不同,導致了兩種植物對土壤有效養分的促進作用不同。除磷元素外,自然恢復的油蒿群落根際、非根際環境對土壤養分的正向積累作用較中間錦雞兒明顯。

表2 兩種植物根際與非根際土壤pH值和土壤養分特征

YH-R: 油蒿群落根際土壤,YH-S: 油蒿群落非根際土壤,ZJ-R: 中間錦雞兒群落根際土壤,ZJ-S: 中間錦雞兒群落非根際土壤,LS: 流動沙地；同行不同小寫字母表示同一土層不同土壤類型間有顯著性差異(P<0.05)

2.3 兩種植被恢復類型土壤微生物與土壤化學性質相關性分析

土壤微生物與土壤化學性質之間關系密切,土壤微生物可以促進土壤有機質的積累,土壤養分的積累又可增強微生物活性,為微生物提供碳源。從表3可以看出,有機質和速效鉀含量是影響微生物數量與生物量碳、氮含量的主要因素,與微生物各指標呈顯著正相關。全氮與微生物總數、細菌、放線菌、生物量碳呈顯著正相關,pH值和速效磷含量與微生物總數、細菌、放線菌、生物量碳呈顯著負相關,速效氮含量與細菌數量呈顯著正相關。全磷、含水量與微生物各指標相關性程度均不顯著。

表3 土壤因子相關矩陣

r0.05=0.4973,r0.01=0.6226,*一般相關,**密切相關

2.4 兩種植被恢復類型土壤質量評價

土壤質量綜合指數是土壤因子的集成和綜合,土壤質量評價可以敏感反映出土壤生態系統的變化以及土壤恢復退化的能力[19]。本研究應用主成分分析法,以各指標特征值貢獻率為權重,加權計算兩種植被恢復類型根際、非根際土壤化學和微生物學指標值,運用土壤綜合指標數法,綜合評價其土壤健康狀況。

對原始試驗數據進行標準化處理,得到兩種植被恢復類型土壤質量指標的隸屬度值(表4),由表4可知,流沙對照樣地除速效磷外,其他指標隸屬度值均為0。油蒿根際土壤細菌數量、微生物總數、微生物量碳和氮含量、有機質、全氮、速效氮隸屬度值均為1,中間錦雞兒根際土壤真菌、放線菌數量、全磷隸屬度值為1。

兩種植被恢復類型土壤質量評價指標主成分分析結果見表5,由表5可以看出,第1主成分的方差貢獻率達61.58%,第1和第2主成分的方差貢獻率達84.20%,第1、第2和第3主成分的累計方差貢獻率達98.54%。一般認為當累計方差貢獻率高于85%時即可用來反映系統的變異信息,因此,用第1、第2和第3各主成分可以代表兩種固沙植物土壤質量的變異信息。第1主成分主要反映的是細菌、微生物總數、微生物量碳、微生物量氮、有機質、速效鉀以及含水量指標的綜合變量,說明這些指標在土壤質量評價中起著重要作用；第2、第3主成分主要反映的是放線菌、真菌、pH值、全磷以及速效磷等指標的綜合變量,這些指標在土壤質量評價中具有一定的作用,但其影響較小。

表4 不同樣地土壤質量指標隸屬度值

A:土壤指標的測定值,B:土壤指標的隸屬度值

表5 不同樣地土壤質量因子的負荷量和權重

由規格化特征向量得出土壤質量評價系統的第一、第二和第三主成分方程：

F1=0.3165X1+0.1682X2+0.1943X3+0.3261X4+0.2927X5+0.3318X6+0.3146X7+0.2401X8+0.2783X9+

0.2282X10+0.2364X11+0.0393X12+0.3128X13+0.3005X14

F2=-0.1838X1+0.2321X2+0.3709X3-0.0945X4-0.1336X5-0.1061X6-0.2110X7+0.3773X8-0.3066X9+

0.4114X10-0.3066X11+0.3967X12+0.1723X13+0.0747X14

F3=-0.0580X1-0.5103X2-0.3285X3-0.1174X4-0.3045X5-0.0677X6+0.0004X7+0.1590X8+0.1192X9+

0.0007X10+0.3297X11+0.4901X12+0.1761X13+0.3128X14

由各土壤質量隸屬度值(表4) 及其權重值(表5),根據式(3) 計算即可得到兩種植被恢復類型土壤質量的綜合評價指數(表6)。由表6得出土壤綜合指數排序為：油蒿根際>中間錦雞兒根際>油蒿非根際>中間錦雞兒非根際>流沙對照,通過SQI值對比可以看出與流沙對照相比,兩種植被恢復類型均對土壤質量有大幅提高,其中,油蒿根際與非根際土壤SQI值明顯高于中間錦雞兒,土壤質量達到一個相對較高的水平。

表6 不同樣地土壤綜合指數排序

3 討論與結論

3.1 兩種植被恢復類型土壤微生物性質差異比較

植被恢復過程中,根系向土壤分泌質子、離子及有機物質,改善了根際土壤環境,促進了土壤微生物數量及活性。陳家模[20]、羅明等[21]研究均得出,在流動沙地建立植物群落后,土壤微生物數量和活性顯著提高。在本研究中,油蒿群落和中間錦雞兒群落根際、非根際土壤微生物數量、微生物生物量碳和氮含量均比流動沙地有大幅提高,說明兩種植被恢復類型可不同程度提高土壤微生物數量及活性。其中,在根際土壤中,油蒿土壤微生物總數、細菌數量、微生物生物量碳和氮含量均顯著高于中間錦雞兒,而放線菌和真菌數量均為中間錦雞兒高于油蒿。在較高營養土壤中,細菌大量存在,有機質分解徹底,纖維素和木質素較少,從而不利于真菌群落的生長。在土壤養分下降的條件下,細菌生長繁殖受到抑制,真菌有明顯上升趨勢,放線菌菌絲體產生的孢子使其種群能夠在嚴酷環境中更有生存優勢[22],Beatriz等[23]認為土壤真菌和放線菌比例升高是土壤質量退化的標志。本研究的結果反映出自然恢復的油蒿群落根際土壤環境比人工種植的中間錦雞兒群落更有利于微生物活動,土壤營養狀況較好,人工種植的中間錦雞兒群落根際土壤肥力呈下降趨勢。韓艷潔[24]對幾種喬木樹種天然及人工林根際微生物比較研究發現,天然林根際土壤養分富集,根際土壤微生物數量及活性均大于人工林。曹成有等[25]研究發現,小葉錦雞兒天然群落土壤微生物量大于人工群落,與本研究的結論一致。

3.2 兩種植被恢復類型土壤化學性質差異比較

植被的存在,促進了土壤養分循環,增加了主要土層有機質含量。有研究指出,流動沙地種植植被后,沙面枯落物堆積,容重變小,養分條件得到改善[26-27]。在本研究中,兩種植被恢復類型根際、非根際土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效鉀含量均比流動沙地有不同程度地提高,試驗結果表明沙地植被恢復可有效提高土壤肥力。植被恢復類型的不同,對土壤營養物質的積累和循環作用不同。在本研究中,油蒿根際、非根際土壤有機質、全氮、速效氮含量顯著高于中間錦雞兒。油蒿群落是當地分布廣泛的優勢種,生長旺盛,根系分泌物對土壤環境的改造能力較強,對土壤養分的富集作用較為明顯,而中間錦雞兒根際土壤環境營養物質相對缺乏。

一般認為,根系分泌物及根產物等引起根際土壤養分富集效應。值得注意的是,在本研究中,兩種植被恢復類型根際土壤全磷、速效磷含量以及中間錦雞兒根際土壤速效氮含量均低于非根際土壤,出現不同程度的虧缺現象。Zoysa等[28]研究發現,由于植物根系和微生物對磷元素的吸收利用強烈,而當土壤磷緩沖能力較強的時候,非根際土壤中的磷無法迅速運輸至根際,土壤固定磷解吸附作用較弱,造成植物根際磷元素出現了不同程度的虧缺。厲婉華[29]研究也指出杉木等植物根際土壤速效氮含量出現與非根際接近甚至虧缺現象,可能與根際土壤脲酶活性有關[9]。總而言之,有關速效養分變化的研究很多,但研究結果各不相同,產生差異的原因可能與植物根系分泌物、土壤pH值、鈣離子、微生物活性以及植物吸收、轉化和利用能力等因素有關。

3.3 兩種植被恢復類型土壤微生物與土壤化學性質之間的相關性

土壤是對微生物產生顯著影響的生態微環境,如土壤養分、水分、物理性狀等因子直接或間接影響著微生物結構與活性[30],而微生物從另一方面又對土壤肥力改善與穩定性產生作用。在對土壤微生物與土壤化學性質的相關研究中,許多研究表明有機質是影響土壤微生物數量和生物量的重要因子[31-32],與細菌數量、微生物量呈正相關[33]。土壤全量和速效養分對微生物數量和生物量的相關關系在不同的研究中結論不同[34-35],研究區域、研究方法與植被類型等不同均是土壤微生物與土壤環境的相互關系產生差異的原因。在本研究中,影響油蒿和中間錦雞兒群落土壤微生物數量和生物量碳和氮的土壤因子是有機質、pH值、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀,其中,對兩種植被恢復類型土壤微生物數量和生物量有正向作用的主要因子是土壤有機質、速效鉀和全氮含量。

3.4 兩種植被恢復類型土壤質量評價

土壤質量評價是檢測土壤退化與恢復效果的重要手段,也是評價土壤可持續利用與有效管理的基礎。科學的選取評價指標,對于準確評價土壤質量具有重要意義。鄭昭佩等[36]提出應該加入土壤微生物學指標進行土壤質量綜合評價。本研究選取了14個基于土壤微生物學和化學性質的指標,可在一定程度上反映土壤肥力和生物活性。有研究表明,植被恢復可有效提高土壤綜合質量[3],通過土壤綜合指數可以衡量土壤質量的改善效果。在本研究中,土壤綜合指數排序為：油蒿根際>中間錦雞兒根際>油蒿非根際>中間錦雞兒非根際>流沙對照,與流沙對照相比,油蒿、中間錦雞兒群落土壤SQI值分別提高了1307.83倍和822.67倍。從研究結果來看,兩種植被恢復類型均不同程度的改善了土壤狀況,其中,自然恢復的油蒿群落恢復效果較好,能較大幅度提高土壤質量,在庫布齊沙地生態恢復過程中可以重點考慮作為適合途徑之一。

[1] 彭少麟. 恢復生態學與植被重建. 生態科學, 1996, 15(2): 26- 31.

[2] 陸雅海, 張福鎖. 根際微生物研究進展. 土壤, 2006, 38(2): 113- 121.

[3] 呂春花, 鄭粉莉. 黃土高原子午嶺地區植被恢復過程中的土壤質量評價. 中國水土保持科學, 2009, 7(3): 12- 18.

[4] 安韶山, 李國輝, 陳利頂. 寧南山區典型植物根際與非根際土壤微生物功能多樣性. 生態學報, 2011, 31(18): 5225- 5234.

[5] 孟令軍, 耿增超, 殷金巖, 王海濤, 吉鵬飛. 秦嶺太白山區 6 種中草藥根際與非根際土壤化學性質及酶活性. 應用生態學報, 2012, 23(10): 2685- 2692.

[6] 孟令軍, 耿增超, 王海濤, 殷金巖, 姜林, 林偉達. 秦嶺太白山區鹿蹄草根際與非根際土壤養分及酶活性研究. 西北農林科技大學學報: 自然科學版, 2012, 40(5): 157- 165.

[7] Adriaensen K, van der Lelie D, van Laere A, Vangronsveld J, Colpaert J V. A zinc-adapted fungus protects pines from zinc stress. New Phytologist, 2004, 161(2): 549- 555.

[8] 張超. 黃土丘陵區根際微生物對退耕地植被恢復的響應[D]. 北京: 中國科學院, 2013.

[9] 邱權, 李吉躍, 王軍輝, 王寧, 孫奎, 何茜, 蘇艷, 潘昕. 西寧南山4種灌木根際和非根際土壤微生物、酶活性和養分特征. 生態學報, 2014, 34(24): 7411- 7420.

[10] 靳虎甲, 王繼和, 李毅, 馬全林, 張德魁, 劉有軍. 油蒿生態學研究綜述. 西北林學院學報, 2009, 24(4): 62- 66.

[11] 牛西午, 丁玉川, 張強, 徐強. 檸條根系發育特征及有關生理特性研究. 西北植物學報, 2003, 23(5): 860- 865.

[12] 邢尚軍, 張建鋒, 郗金標, 宋玉民. 白刺造林對重鹽堿地的改良效果. 東北林業大學學報, 2003, 31(6): 96- 98.

[13] 蘇永中, 趙哈林, 張銅會. 幾種灌木、半灌木對沙地土壤肥力影響機制的研究. 應用生態學報, 2002, 13(7): 802- 806.

[14] Riley D, Barber S A. Salt accumulation at the soybean (Glycinemax(L.) Merr.) root-soil interface. Soil Science Society of America Journal, 1970, 34(1): 154- 155.

[15] 劉志恒. 現代微生物學(第二版). 北京: 科學出版社, 2008.

[16] Rogers B F, Tate III R L. Temporal analysis of the soil microbial community along a toposequence in Pineland soils. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(10): 1389- 1401.

[17] 王珊, 李廷桿, 張錫洲, 周建新. 設施土壤中微生物數量及其生物量碳的變化研究. 中國農學通報, 2005, 21(4): 198- 201.

[18] 周樺, 宇萬太, 姜子紹, 張璐. 不同土地利用方式對土壤微生物生物量氮的影響. 土壤通報, 2008, 39(4): 734- 737.

[19] 劉占鋒, 傅伯杰, 劉國華, 朱永官. Soil quality: Concept, indicators and its assessment. 生態學報, 2006, 26(3): 901- 913

[20] 陳家模. 四種人工固沙植物群落對土壤養分及生物活性的改良作用[D]. 沈陽: 東北大學, 2009.

[21] 羅明, 單娜娜, 文啟凱, 潘伯榮. 幾種固沙植物根際土壤微生物特性研究. 應用與環境生物學報, 2002, 8(6): 618- 622.

[22] 李阜棣, 喻子牛, 何紹江. 農業微生物學實驗技術. 北京: 中國農業出版社, 1996: 82- 83.

[23] Ramos B, Lucas Garcia J A, Probanza A, Doménech J, Gutierrez Maero F J. Influence of an indigenous European alder (AlnusglutinosaL·Gaertn) rhizobacterium (Bacilluspumilus) on the growth of alder and its rhizosphere microbial community structure in two soils. New Forests, 2003, 25(2): 149- 159.

[24] 韓艷潔. 內蒙古大青山幾種喬木樹種根際微生物數量和動態分布. 干旱區資源與環境, 2010, 24(9): 185- 188.

[25] 曹成有, 蔣德明, 滕曉慧, 崔振波. 小葉錦雞兒固沙群落土壤微生物生物活性的季節動態. 水土保持學報, 2011, 25(3): 185- 188.

[26] 朱麗霞, 章家恩, 劉文高. 根系分泌物與根際微生物相互作用研究綜述. 生態環境, 2003, 12(1): 102- 105.

[27] 王永魁. 幾種固沙植物對沙土影響的研究. 林業科學, 1985, (5): 15- 23.

[28] Zoysa A K N, Loganathan P, Hedley M J. A technique for studying rhizosphere processes in tree crops: soil phosphorus depletion around camellia (CamelliajaponicaL.) roots. Plant and Soil, 1997, 190(2): 253- 265.

[29] 厲婉華. 栓皮櫟、杉木和火炬松根際與非根際土壤氮素及pH差異的研究. 南京林業大學學報, 1996, 20(2): 49- 52.

[30] Young I M, Crawford J W. Interactions and self organization in the soil microbe complex. Science, 2004, 304(5677): 1634- 1637.

[31] 馬曉梅. 塔里木荒漠河岸林主要建群植物根際微生物分布特點[D]. 烏魯木齊: 新疆農業大學, 2007.

[32] Ekblad A, Nordgren A. Is growth of soil microorganisms in boreal of forests limited by carbon or nitrogen availability. Plant and Soil, 2002, 242(1): 115- 122.

[33] Sharma P, Rai S C, Sharma R, Sharma E. Effects of land use change on soil microbial C, N and P in a Himalayan watershed. Pedobiologia, 2004, 48(1): 83- 92.

[34] 何友軍, 王清奎, 汪思龍, 于小軍. 杉木人工林土壤微生物生物量碳氮特征及其與土壤養分的關系. 應用生態學報, 2006, 17(12): 2292- 2296.

[35] 齊雅靜. 油松、虎榛子不同林型根際微生物組成及功能多樣性研究[D]. 呼和浩特: 內蒙古農業大學, 2010.

[36] 鄭昭佩, 劉作新. 土壤質量及其評價. 應用生態學報, 2003, 14(1): 131- 134.

Soil microbes and the chemical properties of the rhizosphere and non-rhizosphere soil under two types of vegetation restoration in the hobq sandy land of inner mongolia, China

DAI Yating1,2,HOU Xiangyang1,2,*, YAN Zhijian1,2,WU Hongxin1,2,XIE Jihong1,2,ZHANG Xiaoqing1,2,GAO Li1

1GrasslandResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Huhhot010010,China2KeyLaboratoryofGrasslandResourcesandUtilization,MinistryofAgriculture,Huhhot010010,China

Two widely-distributed and efficient sand-fixing shrubs in the Hobq Sandy Land,ArtemisiaordosicaandCaraganaintermedia, have received considerable attention related to their role in the process of vegetation restoration. This paper addresses the natural restoration ofA.ordosicaand the reintroduction ofC.intermediain the Hobq Sandy Land, begun in 1995. Variations in the soil microorganisms and chemical properties of the rhizosphere and non-rhizosphere soils were compared in areas restored with eitherA.ordosicaorC.intermedia. This was carried out using field investigations, indoor biochemical experiments, and statistical methods. The measured variables included the total abundance of microorganisms, the abundance of soil bacteria, fungi, and actinomycetes, the amounts of C and N in the microbial biomass and measures of soil organic matter, soil pH, total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen, available phosphorus, and available potassium. The relationship between soil microorganisms in the rhizosphere and soil chemical properties was also studied. Meanwhile, a synthetic index method was used to evaluate the effects of these two plant species on the recovery of the soil ecosystem, with the goal of providing scientific evidence to support vegetation restoration and redevelopment in the Hobq Sandy Land. Untreated sandy land subject to natural moving sand conditions was used as a control. The main findings were as follows: (1) compared to untreated sandy land, vegetation restoration resulted in varying increases in both the soil microbe abundance and microbial biomass of both the rhizosphere and non-rhizosphere soil of the two types of vegetation restoration analyzed here. Among these variables, the total numbers of microorganisms and bacteria, as well as the quantities of C and N in the microbial biomass of the rhizosphere, were higher in sites restored withA.ordosicathan in sites withC.intermedia. In addition, the numbers of fungi and actinomycetes in the rhizosphere of sites restored withC.intermediawere higher than that of sites withA.ordosica; this shows that the rhizosphere environment in areas with naturally restoredA.ordosicais more conducive to increases in microbial activity than areas with reintroducedC.intermedia. (2) The soil organic matter, soil total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen, and available potassium content of both the rhizosphere and non-rhizosphere soil under these two types of vegetation restoration were higher than in untreated sandy land. Among the soil conditions, the soil organic matter, soil total nitrogen, and available nitrogen content of both the rhizosphere and non-rhizosphere soil were higher in sites withA.ordosicathan in those withC.intermedia, showing that the soil nutrient enrichment was significantly higher at sites restored withA.ordosica. (3) The soil factors that affect the quantity of soil microbes present, as well as amounts of C and N in the microbial biomass of areas restored withA.ordosicaandC.intermedia, include soil organic matter, pH, total nitrogen, available nitrogen, available potassium, and available phosphorus. Among these, soil organic matter, total nitrogen, and available potassium had a positive effect on the quantities of soil microbes as well as the amounts of C and N in the microbial biomass under the two types of vegetation restoration analyzed here. (4) The synthetic index method was used to calculate a soil quality index that was based on 14 soil quality indices; the order of the values of the soil quality indices was as follows: rhizosphere soil ofA.ordosica> rhizosphere soil ofC.intermedia> non-rhizosphere soil ofA.ordosica> non-rhizosphere soil ofC.intermedia> soil of untreated sandy land. The results confirm that the effects of theA.ordosicacommunity on the soil during natural restoration were better for soil improvement than those of theC.intermediacommunity, making theA.ordosicacommunity more appropriate for use in the ecological restoration of the Hobq Sandy Land.

microorganism; rhizosphere; soil chemical properties; soil quality assessment

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(1610332014026)；國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2014CB138806)

2015- 04- 19;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201504190802

*通訊作者Corresponding author.E-mail: houxy16@126.com

戴雅婷,侯向陽,閆志堅,吳洪新,解繼紅,張曉慶,高麗.庫布齊沙地兩種植被恢復類型根際土壤微生物和土壤化學性質比較研究.生態學報,2016,36(20):6353- 6364.

Dai Y T,Hou X Y, Yan Z J,Wu H X,Xie J H,Zhang X Q,Gao L.Soil microbes and the chemical properties of the rhizosphere and non-rhizosphere soil under two types of vegetation restoration in the hobq sandy land of inner mongolia, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6353- 6364.