蘭州市南山季節性土壤微生物特征及影響因素

劉旻霞,李 瑞,張 燦,李俐蓉,車應弟 (西北師范大學地理與環境科學學院,甘肅 蘭州 730070)

土壤是地球環境的重要組成部分,承載著地球生態系統中諸多重要的生命體及物理化學變化過程[1].土壤中的微生物種類繁多,數量龐大,主要參與土壤中有機質的分解和養分元素的循環等過程,是土壤中物質遷移和能量流動的動力,土壤微生物群落在調控生態系統養分循環、土壤結構的改良與優化方面發揮著重要作用[2].由于土壤化學性質在短時間內變化較小,因此土壤化學性質作為土壤評價指標時,并不能全面評價土地管理及土地利用變化帶來的影響[3],而土壤微生物能夠對于外界環境的細微變化做出快速而敏感的反應[4],因此土壤微生物被認為是表征土壤結構與功能變化的重要參數之一[5].進行土壤微生物的研究,對于維持土壤生態系統服務功能具有十分重要意義[6].

近年來,依托先進技術的開發應用,土壤微生物多樣性及其功能的研究漸具雛形.不同生境下,土壤微生物群落分布受到植被類型、土壤質地、土壤養分等因素的綜合影響,從而呈現特殊的變化規律[7].許多研究認為環境因子中植物群落會對土壤微生物功能活性產生重要影響[8],王衛霞等[9]的研究表明,退耕還林地與宜林荒山地的土壤微生物群落差異較大,表現為退耕還林地土壤微生物各菌群生物量顯著較高.季節變化會整體改變微生物的生存環境,對此戴雅婷等[10]研究了鄂爾多斯沙地油蒿土壤微生物區系的季節動態,表明土壤微生物數量春夏季略高于秋冬季.蘭州市位于黃土高原最西端,地處半干旱氣候帶,降水偏少和水土流失是當地生態環境的主要問題[11],蘭州市進行生態工程建設對于社會經濟的發展具有十分重要的意義.以往對于半干旱地區的研究主要集中于植被特征、植物群落分布規律及土壤養分空間分布等問題[12-13],忽略了土壤微生物群落在協同植物生長、改良土壤性狀等方面的作用,特別是探討半干旱地區季節、海拔等生態環境變化對土壤微生物群落影響的研究更為鮮見.

本研究選取了蘭州市南山綠化區不同海拔梯度下的兩種植被類型作為研究對象,主要研究樣地內土壤微生物和土壤理化因子的季節變化趨勢及相關關系.旨在探究半干旱地區環境因子與土壤微生物之間的內在聯系,并從微生物學的角度對南北兩山綠化工程進行評價,改善林地的生物學功能,以指導未來的生態恢復規劃和環境政策的發展,同時為探究不同地域環境因子對微生物區系分布的影響提供科學的理論依據.

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

研究區位于蘭州市區南部,作為蘭州市南北兩山綠化工程的一部分,其地理坐標介于北緯 35°53′～36°33′,東 經 103°21′～104°38′,海 拔 高 度 為 1500～2500m.蘭州市屬于溫帶半干旱草原氣候,春秋季少雨多風,溫差較大,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,年平均氣溫10.3,℃全年平均日照時數2446h,無霜期180d以上.蘭州市氣候干燥,年平均降水量 327.7mm,年平均蒸發量1410.15mm,平均相對濕度58%.蘭州市南山土壤類型以暗灰鈣土和典型灰鈣土為主,土壤貧瘠,水土保持能力較差.研究區內植被以旱生和鹽生類型的植物物種為主,主要喬木有側柏、國槐、云杉、圓柏、桃樹、銀杏、榆樹,主要灌木及草本植物有冰草、油蒿、枸杞、麻花頭、曼陀羅、芨芨草、狗尾草,形成以干旱荒漠為特征的溫帶荒漠植物種群的景觀特色,植被恢復年限約為15a.研究區域基本情況見表1.

表1 研究區域基本情況Table 1 Characteristics of study area

1.2 試驗設計與樣品采集

本研究選取海拔為1600、1800和2000m的3個樣區,每個樣區內分別設置 1～2個 20×20m的人工林樣地和1個荒地對照.在2016年的春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)以及冬季(12月),調查樣地植被類型、海拔、坡度、坡向及蓋度等環境因子,并在每個樣地選取5點作為重復,清除地表植物殘體(腐殖質厚度約為3～5cm),采集0～10cm深土壤約500g,去除土壤中的砂礫和植物根系,裝入自封袋中保存.將鮮土帶回實驗室后,一部分放入 4℃冰箱保存,盡快完成微生物的分離計數.另一部分土壤自然風干后,研磨、過篩,用于土壤理化性質的測定.

1.3 土壤微生物培養計數

土壤微生物采用稀釋涂布平板法,其中細菌使用牛肉膏蛋白胨培養基,稀釋濃度選取 10-4、10-5、10-6,37℃下倒置培養 48h后計數.真菌使用馬丁氏-孟加拉紅培養基,稀釋濃度選取10-1、10-2、10-3,28℃下倒置培養 3～4d后計數.放線菌使用改良高氏一號培養基(加入 3%的重鉻酸鉀溶液以抑制細菌生長),稀釋濃度選取10-2、10-3、10-4,28℃下倒置培養5～7d后計數.

1.4 土壤理化性質測定

土壤理化性質采用如下方法測定:土壤含水量用烘干法(重復3次),土壤pH值用水浸提電位法,土壤全氮用半微量凱氏定氮法,土壤全磷用硫酸-高氯酸消煮法,土壤有機碳用硫酸消煮-重鉻酸鉀外加熱法,土壤溫度用土溫計測定,容重采用環刀法測定.

1.5 數據分析與處理

高校的創新創業體系受制于高校內部小環境以及社會外部大環境，必然受到內外部環境的影響和制約。鑒于高校得天獨厚的學術優勢和實踐優勢，需要建立以高校為中心的創新創業共同體，整體協同推進創新創業教育。如美國就在全美創客行動中大力推進以斯坦福大學等高校為中心的創客教育，加強推進區域性創客行動的實踐，為全美社區創客教育提供保障［4］。德國和日本等國也相應地形成以慕尼黑大學和筑波大學為中心的實踐推進模式。

在 Excel2007中進行數據的統計與計算,在SPSS18.0中進行環境因子與土壤微生物的相關分析與單因素方差分析,運用CANOCO4.5軟件對土壤微生物與環境因子進行冗余分析(RDA),運用 Origin9.0軟件繪制分析圖.

2 結果與分析

2.1 不同季節土壤微生物區系的變化趨勢

蘭州市南山土壤微生物區系季節分布如表 2所示,微生物3大類群均具有明顯的季節動態變化.土壤中細菌為優勢種群,細菌數量占微生物總數的96.22%～99.80%,說明細菌為微生物類群中的絕對優勢類群.春夏季放線菌數量高于真菌數量,秋冬季則相反.不同季節土壤細菌數量差異顯著,夏季土壤細菌數量最多,為89.22×106cfu/g soil,分別是春、秋、冬季的12.02、3.28、2.74倍,說明土壤微生物生長繁殖隨季節變換而變化,夏季雨熱同期,更有利于細菌生存.真菌數量隨季節變化差異較小,春季最高為7.39×104cfu/g soil,其次是秋冬季,夏季真菌數量最低為 2.93×104cfu/g soil.放線菌數量隨季節變化同樣表現出顯著差異,其中春夏季放線菌數量較高,是秋冬季的10倍左右.

表2 土壤微生物數量季節分布特征(平均值±標準誤)Table 2 Seasonal distribution of soil microorganisms(Mean ± SE)

2.2 不同樣地土壤微生物區系的變化趨勢

蘭州市南山不同樣地細菌、真菌和放線菌的季節變化特征分別如圖 1 中(a)～(d)、(e)～(h)、(i)～(l)所示,從圖中可以看出,不同樣地微生物數量的分布差異顯著.春夏季土壤細菌數量表現為人工林樣地略低于荒坡樣地.夏季對照 3土壤細菌數量最豐富,為203.37×106cfu/g soil.隨海拔高度的降低,春季細菌數量逐漸減少,秋季剛好相反,春冬季則表現為先減少后增加.同一海拔高度,真菌數量在各樣地分布差異顯著,其中春季荒坡樣地真菌數量明顯高于人工林樣地,其余三季呈現的變化規律各異.隨海拔高度的降低,夏季與冬季土壤真菌數量均呈下降趨勢,秋季則呈上升趨勢,春季土壤真菌數量隨海拔變化未呈現明顯變化規律.土壤放線菌分布具有明顯的季節性,各樣地均表現為春夏季遠高于秋冬季;荒坡樣地略高于人工林樣地,但秋冬季樣地3放線菌數量均最高,分別為5.27×104cfu/g soil和4.05×104cfu/g soil.放線菌數量隨海拔升高整體表現為逐漸減少.

圖1 不同樣地土壤微生物區系隨海拔變化特征Fig.1 Variation of soil microbial community with altitude

2.3 不同季節不同樣地土壤理化性質的變化

土壤理化性質是土壤、植被以及周圍環境共同作用的結果,是土壤質量變化與土壤發育最基本的表征和核心研究內容[14].本研究調查了蘭州市南山土壤理化性質的季節變化情況,結果如圖 2所示.土壤含水量呈現明顯的季節變化,夏季土壤含水量顯著高于其他季節,這主要與當地季節性降水有關.在同一海拔梯度,各樣地土壤含水量差異較大,且普遍較低,介于(3.37±0.6)%～(27.06±1.2)%,平均為 13.93%.人工林樣地土壤含水量略高于荒坡樣地.土壤溫度表現為夏季最高,最高溫度為25.5,℃其次是春季和秋季,冬季則普遍低于0℃,隨海拔高度的升高而降低.土壤容重介于 0.99～1.54g/cm3之間,各樣地容重未出現明顯差異,且隨季節與海拔變化規律不明顯.蘭州市南山土壤養分含量普遍較低,春季土壤有機碳含量略高于其他季節,荒坡對照1與對照2土壤有機碳含量略低于同海拔人工林樣地,其中對照 3各養分因子均顯著高于其他樣地.土壤全氮含量季節變化規律表現為春季最高0.86g/kg,其次是秋季和冬季,分別為 0.72g/kg, 0.73g/kg,夏季土壤全氮含量最少為0.67g/kg.土壤全磷含量季節變化規律尚不明顯.土壤養分因子隨海拔降低整體呈上升趨勢.土壤電導率可衡量土壤鹽分狀況,各樣地整體表現為夏季最高,秋冬季偏低.土壤 pH 值介于(7.70±0.01)～(8.84±0.07)之間,呈中性偏堿性.各樣地土壤pH值隨季節變化表現為春季最高,其次是秋冬季,夏季最低,隨海拔高度的上升,土壤pH值整體呈現上升趨勢.

圖2 不同樣地土壤理化性質隨季節變化特征Fig.2 Variation of soil physical and chemical properties with different seasons

2.4 不同季節土壤微生物與土壤理化性質的相關關系

不同季節土壤微生物的主導因子各不相同,這主要由于季節的變化會引起外界環境的改變,進而導致微生物生存環境的不同.不同季節土壤微生物與土壤理化性質的相關關系如表3.春季,土壤細菌、真菌與土壤含水量及各養分因子均呈負相關(P＞0.05),但相關性不顯著,放線菌與全氮、全磷呈顯著正相關(P＜0.05),與有機碳呈極顯著正相關(P＜0.01).夏季,放線菌與全磷呈顯著負相關(P＜0.05),除此之外,3大菌群與土壤理化性質均為達到顯著相關水平.其中細菌與pH值、土壤含水量呈負相關,與養分因子均呈正相關,而真菌與放線菌則與養分因子呈負相關.秋季,真菌與 pH 值呈顯著負相關(P＜0.05),與有機碳、全氮呈極顯著正相關(P＜0.01),與容重、土壤電導率呈顯著正相關(P＜0.05).3大菌群與pH值、土壤含水量呈不同程度負相關,與養分因子、容重和土壤溫度則呈不同程度正相關.冬季,細菌與 pH值呈顯著負相關(P＜0.05),與有機碳、全氮、全磷呈顯著正相關(P＜0.05),真菌土壤含水量呈顯著負相關(P＜0.05),冬季放線菌與土壤理化因子相關系數均較低.

表3 不同季節土壤微生物與土壤理化性質的相關性Table 3 Correlation between soil microbes and soil physical and chemical properties in different seasons

2.5 不同樣地土壤微生物與環境因子的冗余分析

圖3 土壤微生物與環境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of soil microorganisms and environmental factors

冗余分析是通過分析響應變量和解釋變量之間的相關性,對環境因子進行篩選,分析引起響應變量變異的原因.RDA可排序圖可直觀的反映環境因子對土壤微生物群落分布的影響及影響程度.分析結果如圖3所示,第一軸序(Axis 1)與第二軸序(Axis 2)分別可以解釋97.1%、2.5%的物種數據變化,累計解釋了 99.6%的物種-環境關系.圖中實線箭頭代表土壤微生物類群,虛線箭頭代表各環境因子;實線與虛線之間的夾角代表土壤微生物與各環境因子之間的相關性;樣地間的差異可用連線的長短來表示.土壤微生物群落與土壤養分含量及土壤電導率均呈正相關關系,其中土壤細菌與真菌群落分布基本一致,且與土壤有機碳、全氮、全磷、電導率呈正相關,土壤放線菌數量與 pH 值呈負相關,與其余環境因子均呈正相關關系.對照1與對照2、樣地3與樣地 5呈現較高相似度.環境因子中土壤有機碳與第一物種軸的相關系數最高,為 0.520,因此土壤有機碳含量是土壤微生物類群分布的主導因子.環境因子中,土壤 pH值與土壤電導率呈極顯著負相關(P＜0.01),有機碳、全氮、全磷之間呈極顯著正相關(P＜0.01).

3 討論

土壤微生物分布特征是對土壤發育狀況與生態條件的綜合反映,可依照生物學活性的不同來評價土壤發育程度[15].蘭州市南山兩種植被類型的土壤微生物區系分布均有明顯的季節變化,有研究表明,季節的變化引起的土壤微生物群落結構的改變,遠大于因植被類型改變和養分施用而引起的變化[16].土壤微生物在土壤能量轉化及養分積累過程中發揮著重要作用,其中土壤細菌主要參與土壤有機質轉化,真菌與放線菌主要參與土壤有機物質的分解.真菌主要分解纖維素、果膠和木質素等,放線菌相對于真菌可對氨基酸等蛋白物質更高效地分解[17].本研究結果顯示,春季的真菌與放線菌數量均達到最大值,而細菌則在夏季達到最大值(表 2),分析認為春季溫濕適宜,植物群落開始恢復生長,土壤表層存在大量未分解的動植物殘體,凋落物的分解,需要借助腐殖質部分的有機物質來促進非腐殖質部分的降解,真菌和放線菌可破壞凋落物表層,幫助大量內居性動物侵入凋落物內部,分解土壤中的有機物質,供給植物吸收生長,因而春季土壤養分和真菌、放線菌數量均較高[18];夏季高溫多雨,植物群落處于生長旺盛時期,植物根系分泌物增多,土壤養分循環與能量流動加快,需要大量的細菌參與其中,因而夏季微生物數量及代謝活性最高,這與洪丕征等[19]和 Bell等[20]的研究結果大致相同.秋冬兩季細菌與真菌數量相對較低,放線菌數量在秋冬兩季數量最低,有研究認為,秋季隨著植物進入落葉期,土壤中養分供應減少,同時蘭州地區秋季土壤溫度偏低,對微生物的生長繁殖過程具有一定的抑制作用,并降低其代謝活性[21],而戴雅婷等[10]的研究結果為秋冬季高于春夏季,生長高峰出現在冬季,其認為這與放線菌耐低溫干旱,對不良環境適應能力較強的生理特性有關.

植被類型對于微生物的影響是宏觀的,兩者相互作用于植物根際[22],植物主動從土壤中吸收養分形成有機體,隨后以凋落物或根系分泌物等有機體的形態重新回到土壤[23],微生物可將有機物質轉化為無機養分并促進植物根系吸收利用[24].人工林造林不僅改變地表覆被狀況,還影響著土壤養分循環、化學性質變化和土壤發育等[9].研究表明,植樹造林作為土地管理措施的一種,不僅改變地表覆被狀況,還可明顯促進土壤養分的積累和土壤肥力的演變,提高養分利用率,維系植被與土壤的良性關系[25].一方面,植物群落通過自身代謝釋放根系分泌物,并產生衰老組織及凋落物,這些根系沉積物及樹木凋落物作為土壤有機質和能源輸入的主要來源,是微生物進行生命活動的能源基礎,為該生境中土壤微生物群落繁殖提供適宜的環境;另一方面,地表植被產生的枯枝落葉可以起到截流蓄水的作用,有效降低土壤表面蒸發量,同時改良土壤通氣狀況,增加土壤有機物質的儲量,最終達到保水保肥的目的.當植樹造林地進入后期,土壤新陳代謝旺盛,大量有機物質以凋落物的形式返回土壤,植物殘余物增加,土壤養分含量及土壤碳儲量明顯提高,土壤微生物活性趨于穩定,可通過分解土壤有機物質為植物生長發育提供養分,最終改善土壤結構及性狀.

因此了解不同植被類型對土壤理化性質的影響,是合理利用土地資源進行綠化生態建設的前提[26].吳則焰等[27]對武夷山不同植被類型土壤微生物群落特征的研究發現,無論是土壤微生物功能多樣性,還是土壤理化性質、酶活性,均表現為天然林優于人工林,荒地最差.本研究中,土壤含水量及土壤有機物質整體表現為人工林樣地高于荒坡樣地(圖 2),這與任建宏等[28]的研究結果基本一致,這體現出植物群落可有效促進土壤蓄水保墑、防止水土養分流失.但土壤微生物數量卻表現為荒坡樣地略高于人工林樣地(圖1),與養分因子并未呈現相同的變化規律,這可能由于人工林樣地植物群落生長旺盛,對土壤水分及養分的需求較大,相對抑制了土壤微生物的生命活動,這正體現出二者相互競爭的關系;另一方面,在生態恢復進程中,受到生態系統復雜性的制約,人工林樣地在后續物種的引入及土壤培育措施等外力作用下,土壤發育相對不成熟,因此土壤微生物群落分布不均衡且略低于荒坡.

本研究表明,土壤含水量與雨季同步,表現為七月份最高,其余三季無顯著差異;土壤養分因子表現為春季最高(圖 2),這主要由于春季植物群落開始生長,土壤微生物將土壤中大量動植物殘體、枯枝落葉分解為有機物質,供給植物消耗,這說明植物群落的生長可有效改善土壤養分結構,提高有機質含量.參照黃土丘陵區人工林地土壤肥力指數,蘭州市南山土壤有機碳質量分數處于較低水平,全氮、全磷質量分數為中等水平.土壤有機碳質量分數為 5.46～44.02g/kg,全氮、全磷的含量分別為 0.34～1.61g/kg,0.38～0.87g/kg,其中對照3土壤養分因子異常(圖2),這主要由于對照3并未處于自然狀態下,受到較為嚴重人類活動的影響,生活污水及人和動物糞便等的排放均會導致土壤養分出現異常.自然狀態下,海拔的變化會引起土壤溫度、濕度、養分含量等因素的改變,影響植物群落多樣性的空間分布[29].蘭州市南山植被類型的分布具有一定的主觀性,樣地內灌木及草本的分布是一定的,但隨著海拔發生變化,樣地內土壤理化性質會相應發生變化.本研究中,隨著海拔的升高,pH值逐漸上升,土壤溫度、有機碳和全氮含量呈下降趨勢,全磷含量則表現為先增加后減小的趨勢,土壤含水量與容重隨海拔變化趨勢不明顯(圖 2).這與叢靜等[30]和張靈等[13]的研究結果差異較大,分析認為受到氣候及人為的影響,研究區及所選樣地的生態環境區域性差異均會導致研究結果的不同.

土壤微生物的季節變化特征同時受到氣候條件、植物群落、土壤類型及土壤養分因子的綜合影響.管海英等[31]對荒漠植被區土壤微生物量碳的季節變化和影響因素的研究表明,不同植被區土壤微生物量碳與全氮、有機碳均呈顯著正相關(P＜0.05).本文相關分析結果顯示,春季放線菌與土壤養分因子均達到顯著相關水平,夏季放線菌與全磷呈顯著負相關,秋季真菌與有機碳和全氮呈顯著正相關,冬季細菌與土壤養分因子均達到顯著相關水平(表 3).蘭州市水資源短缺,同時土壤保水能力較差,養分及水土流失嚴重,是制約當地人工林建設和農牧業發展的主要因素.Lu等[32]的研究表明土壤含水量是影響植物群落分布格局的關鍵因子,而本研究中土壤含水量與土壤微生物各類群及土壤養分因子的相關性均較低,分析認為蘭州市供水與耗水量之間極度不平衡,植樹造林所需水資源主要依賴人工噴灌,擾亂了自然狀態下土壤含水量的變化規律[33].綜合冗余分析表明環境因子中有機碳與微生物相關性最為顯著(圖 3),是該研究區域土壤微生物類群季節變異的重要影響因子,這主要由于蘭州市南山植被恢復期土壤養分含量較低,限制了微生物群落的生長繁殖.

綜上所述,蘭州市南山不同植被類型下土壤微生物的主導影響因子不同,且這些影響因子隨季節變化規律各有不同,最終導致不同季節土壤微生物群落分布差異顯著.探究土壤微生物群落的季節性變化特征及影響因素,為區域退化生態系統恢復機理提供理論依據.植樹造林是緩解土地退化、水土流失的重要途徑,在生態恢復過程中考慮植被類型、土壤理化因子及微生物群落的相關關系,充分發揮生態平衡,提高實現環境政策目標的能力.

4 結論

4.1 不同季節土壤微生物總數差異顯著,表現為夏季最高,為 89.22×106cfu/g soil,其次是冬季和秋季,春季最低.夏季土壤含水量最高,土壤養分含量整體表現為春季最高.

4.2 人工林樣地土壤含水量及養分含量明顯高于荒坡,但土壤微生物數量較低.

4.3 不同季節土壤微生物與環境因子的相關系數差異較大,其中有機碳與春季放線菌、秋季真菌呈極顯著相關(P＜0.01),相關系數分別為0.839和0.795,與冬季細菌呈顯著相關(P＜0.05),且冗余分析中有機碳與第一物種軸相關系數最高,因此有機碳是影響微生物類群分布的重要因素.