岷江流域不同土地利用方式下的土壤微生物特征及其與土壤養分的關系

李 懿, 楊子松

(阿壩師范學院 資源與環境學院, 四川 阿壩 623002)

在土壤中，微生物具有極其重要的作用，雖然占據了不到3%的比例，卻發揮了巨大的活性作用，能夠有效促進生態系統養分循環。它不僅能夠礦化、分解土壤中的養分，固持、促進和調控營養物質[1-2]，尤其是碳和養分的循環，還具有儲存營養物質的功能，可作為營養物質儲存的資源庫，同時對土壤環境的變化非常敏感，能夠及時準確反映土壤環境質量，常常被作為生物指標使用[3]。土壤微生物是促進土壤養分循環的關鍵性因素，理解其與土壤養分分布的關系，能夠幫助人們了解生態系統中養分循環的情況。了解養分循環，需要了解微生物的生物量，指土壤中體積小于5 000 μm3的生物總量，不包括活植物體[1-2]。土壤和植被彼此影響、作用和制約，土壤是植被生長發育的根基，具有一定的基礎性和包容性；植被又能夠通過自身的生長和凋落影響土壤環境、肥力以及區域氣候情況，提高土地的可利用價值[6]。

土地利用是人類利用自然獲取能量與物質的途徑，通過人為因素，干擾了土地利用的情況，造成土地利用結構和類型的變化[14]。人類利用土地后，在一定程度上會改變土壤的營養成分構成，如循環、數量等，以及土地的貧瘠或肥力狀況，并改變土壤的水熱條件，從而加速了土壤養分循環的速度和土壤肥力的變遷[15-16]。四川岷江流域地處我國西南地區，地形地貌復雜多變，多紫紅壤，人們利用土地方式也很多，主要包括灌叢、次生林、撂荒地、果園和耕地等多種情況。在人口日益增長和經濟不斷發展的前提下，該地區尤其是岷江流域中下游，土地與人口之間的關系日漸緊張和突出，對土地的開墾非常頻繁，對土地肥力的保持相對不利。要改變土地利用方式，需要從土壤質量、肥力的提高和恢復入手，構建良好的植被環境，并對土壤中的有機碳積累、循環和平衡產生一定的影響。本文主要以不同種類的利用方式為前提，分析土壤養分對土壤微生物特征的影響，從而促進土地的有效管理。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

岷江源自岷山，干流長度為735 km，流水量大，流域廣，落差大，分別為13.3萬km2和3 560 m，支流眾多。岷江可分為上中下游三個區段，都江堰市為上游和中下游的主要節點。岷江上游地形復雜多變，峽谷連綿，地廣人稀，耕地更少；中下游地勢較低，多丘陵平原，工農業和交通事業發達，從而導致人口和耕地較多，所以選取了中下游為研究區域。該區域的氣候呈溫帶—亞寒熱帶，年均氣溫在17℃左右，高低溫波動范圍在38℃和-4℃之間，并由上游至下游呈升高趨勢。該地區的雨季較明顯，汛期較長，集中在6—9月，且暴雨多發。汛期的雨量能夠達到全年雨量的80%以上。該地區的自然資源較豐富，尤其是水能資源最為突出，耕地資源為紫色土，分布區域很廣。

1.2 樣品采集

以岷江中游流域為范圍，選擇耕地、次生林、果園、灌叢、撂荒地5種土地類型，選取的年份時間為2014—2018年。每種土地類型又選擇3個重復長期監測樣地(面積大約100 m×100 m)。撂荒地多為廢棄土地，95%區域覆蓋紫莖澤蘭；灌叢以熱性為主，多與果園相鄰，植被覆蓋度20%～40%，灌木(杜鵑)是主要樹種，植被大部分為三色堇、馬蘭、旱金蓮等；果園以退耕還林的田地為主，植被覆蓋度為50%～80%，大多種植蘋果，其間生長有草本、灌木和苔蘚等；次生林以封育多年后的森林構成，80%區域覆蓋有植被；耕地是采用了該區域內比較傳統的種植方式，植被覆蓋度<10%，多種植蔬菜、豌豆、煙草等，其間夾雜紫莖澤蘭群落。以上5種土地類型的土壤均為紅紫土壤，選擇坡度均小于5°的土壤，在每個樣地和采樣點分別進行3個和5次重復，后者作為平行，5個平行之間間隔2 m，在剖面選取0—20 cm的原狀土樣。取樣土壤分成兩部分，一部分采取自然風干的做法，另一部分維持原樣，在4℃保存，最終檢測土壤的養分和微生物的數量和種類。

1.3 土壤微生物群落功能多樣性

有機碳采用重鉻酸鉀—外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷和有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；全鉀和有效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法[10]。

土壤多樣性分析所用數據需要在Biolog-Eco下進行72 h的溫育處理，之后將等同于10 g烘干土壤的土樣加入NaCl溶液，要求濃度為0.145 mol/L，并進行長達30 min的振蕩，然后將其中的100 μl接種于Eco板后讀數，恒溫培養要求在25℃下進行216 h，并隔12 h一次讀數；之后，在NaCl溶液中進行稀釋后進行恒溫培養，并做好吸光值記錄。

通過分析其對碳源的反應情況來探究微生物對碳源的利用水平，在研究中常用平均每孔顏色變化率AWCD來表示，該值越大說明其具有較高的微生物豐度，計算如下方式[17]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

式中：Ci，R分別表示第i孔、對照孔的吸光值。

物種豐富度指數H=-∑Pi(lnPi)

式中：Pi為第i孔的相對吸光值比值，計算公式:

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

碳源利用豐富度指數S=被利用碳源的總數

優勢度指數Ds=1-∑Pi

均勻度指數E=Ds/HD

1.4 數據分析

Excel 2013.0和SPSS 21.0統計和分析數據，以2014—2018年5 a的平均值±標準誤差表示(Mean±SE)，單因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相關系數法檢驗各指標之間的相關性，CANOCO 4.5分析土壤養分對微生物多樣性與環境因子的響應。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤養分的影響

表1顯示不同土地利用方式下土壤養分特征，土壤pH值變化范圍為6.13～7.02，其大小依次表現為撂荒地<次生林<灌叢<果園<耕地，其中耕地和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有機碳變化范圍為4.51～9.77 g/kg，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全氮變化范圍為1.02～1.69 g/kg，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全磷變化范圍為0.83～0.91 g/kg，不同土地利用土壤全磷差異不顯著(p>0.05)；土壤全鉀變化范圍為12.17～26.39 g/kg，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用土壤全鉀差異均顯著(p<0.05)；土壤有效磷和有效鉀變化范圍為24.90～39.84 mg/kg，33.58～54.81 mg/kg，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用土壤有效磷和有效鉀差異均顯著(p<0.05)。

表1 不同土地利用方式對土壤養分的影響

2.2 不同土地利用方式對土壤微生物數量的影響

由表2可知，不同土地利用土壤微生物數量及組成不同，其中以細菌數目最多，占到90%以上。土壤細菌數目變化范圍為(1.02～1.69)×105，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和次生林差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤真菌數目變化范圍為3.02萬～8.09萬，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢、果園和耕地差異不顯著(p>0.05)；土壤放線菌數目變化范圍為5.01萬～10.15萬，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢、果園和耕地差異不顯著(p>0.05)；土壤微生物總數目變化范圍為(3.54～6.22)×106，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢、果園和耕地差異不顯著(p>0.05)。

表2 土壤微生物種群數量垂直分布

2.3 不同土地利用方式對土壤微生物群落多樣性

由表3可知，不同土地利用土壤微生物群落功能多樣性指數存在一定差異，其中物種豐富度指數(H)變化范圍為1.79～3.68，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；均勻度指數(E)變化范圍為0.61～0.99，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用均勻度指數(E)差異不顯著(p>0.05)；優勢度指數(Ds)變化范圍為0.51～0.70，其大小依次表現為撂荒地<次生林<灌叢<果園<耕地，不同土地利用優勢度指數(Ds)差異不顯著(p>0.05)；碳源利用豐富度指數(S)變化范圍為9.45～16.47，其大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用碳源利用豐富度指數(S)差異均顯著(p<0.05)。

表3 土壤微生物群落多樣性垂直分布

2.4 土壤養分、微生物數量與微生物多樣性之間相關性

土壤養分為微生物提供氮源和碳源，而要獲知土壤養分與微生物群落多樣性之間的關系，需要通過相關性分析才能獲知，具體見表4，5。研究發現，微生物多樣性受到土壤養分的正向影響(p<0.01)；在土壤養分各指標和微生物數量的相關系數方面，與物種豐富度指數(H)和碳源利用豐富度指數(S)相比，優勢度指數(Ds)和均勻度指數(E)相對較低，且受微生物數量和土壤養分影響較小。所以，影響微生物群落功能多樣性的因素為土壤養分和微生物數量，土壤養分的作用更大，土壤pH的貢獻為負，由此造成不同土層土壤微生物群落多樣性存在較大差異，也凸顯了有機碳和全氮作為養分來源的重要作用。

表4 土壤養分與微生物多樣性之間相關性

表5 土壤微生物數量與微生物多樣性之間相關性

2.5 土壤微生物群落多樣性與土壤養分、微生物數量的典范相關分析

土壤微生物指標一般可被分為3組變量。第1組變量由土壤養分構成，主要包括全氮、全鉀、有機碳、有效氮、全磷、有效鉀、有效磷等；第2和第3組變量由土壤微生物數量組成，主要包括真菌、細菌和放線菌。挖掘土壤微生物群落多樣性、土壤養分、微生物數量的內在聯系時，大多采用典范相關分析見表6。由表6可知，土壤微生物數量、土壤養分等都對土壤微生物群落的多樣性產生了一定的影響，其中，土壤微生物數量具有顯著影響，相關系數絕對值較大。

表6 土壤微生物群落多樣性與土壤養分和微生物數量的典范相關分析

對于微生物群落來說，環境因子是重要影響因素，主要表現在分布及特性兩方面。水熱及地形地貌，都會對微生物的分布和活動情況產生影響，而對微生物群落分布進行對比研究時，一般多采用冗余分析RDA的方法進行。土壤中有機質的含量一般與周圍環境、植被分布、凋落物情況有關。為弄清楚環境因子與微生物活動之間的關系，本文主要采用RDA進行探究。其中，響應變量主要是微生物的多樣性，解釋變量主要包括土壤養分和微生物數量。在研究中，可以將微生物及環境因子的排序呈現在一張圖中，箭頭象限表示相關性，箭頭長度表示相關程度，相關性的強弱由夾角表示；經過試驗可知，前兩個排序軸的累積解釋率為85.38%，85.38%，第一個因子的解釋率為52.19%，并且統計檢驗顯著(p<0.05)，由此說明環境因子與微生物之間具有明顯的制約作用。另外，研究還發現，微生物的多樣性除了與土壤pH值存在一定關系外，還與土壤養分含量及變化、微生物的數量呈正相關關系，有機碳及全氮作為主要影響因子而影響了微生物的分布；而土壤pH值的變化，會使土壤的肥力和活性產生較大影響，呈現負相關情況。

圖1 土壤微生物多樣性與土壤養分、

3 討論

土壤養分往往會受到土地利用方式的影響和改變。在多種類型的土地中，耕地受到的影響最小，其次是果園、灌叢、次生林，撂荒地最易受到影響。不同的土地利用方式雖然會改變土壤養分的構成，但是卻不會影響土壤中的全磷含量(p<0.05)，這是因為磷素具有沉積性的特征，不能有效促進微生物分解和變化，缺乏一定的變異空間[18]。人們發現，由于灌叢、次生林、撂荒地的自然性較強，動植物殘體和腐殖化物質更多地進入土壤中，土壤中的生物量和有機物含量豐富，明顯多于果園和耕地。而耕地經常被人類開墾，沒有較多的落葉和動植物殘體等進入土壤中，有機碳含量比較少[19-20]。另外，耕地種植的植被密度較小，種植年份較短，沒有形成像林地那樣龐大的地下根系[21]。在植被豐富的土壤中，植物的根系會釋放分泌物，其中含有的高分子黏質有較強的黏著力，牢固粘著土壤顆粒，幫助形成有機碳，從而影響土壤的物理化學性質和微生物含量，間接影響了土壤中的養分。耕地則沒有豐富的根系分泌物，導致土壤中的有機碳含量數量有限[20-21]。

本研究中，土壤微生物以細菌數目最多，占到90%以上，土壤細菌、真菌、放線菌和微生物總數目大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地。根據培養第100小時的AWCD值計算土壤微生物群落的物種豐富度指數(H)、均勻度指數(E)、優勢度指數(Ds)和碳源利用豐富度指數(S)。結果表明，土壤微生物多樣性指數大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用均勻度指數(E)、優勢度指數(Ds)差異不顯著(p>0.05)。不同的微生物群落，其對碳源的利用能力也會出現較大差異，這主要是其群落分布數量及功能等方面存在較大差異，在微生物研究過程中常常使用豐度及多樣性指數開展相應的研究[22-24]。微生物能夠將腐殖質等有機質進行分解及降解，從而使之能夠轉化為土壤養分以供植物吸收利用，這樣形成了土壤肥力和養分；另一方面，微生物活動也需要必要的養分以維持其新陳代謝等活動，該部分養分主要來源于土壤，因此二者的關系密切[25-26]。本研究的相關性分析表明土壤養分、土壤微生物數量均與土壤微生物群落多樣性具有顯著的相關性(p<0.05)，其中，土壤微生物數量對微生物群落多樣性的貢獻最大(其相關系數絕對值最大)，此外，pH值與土壤微生物多樣性呈顯著的負相關，土壤pH不斷升高的情況下，微生物分布反而減少，說明二者存在顯著負相關，這表明微生物不適宜在過高pH狀態下生長發育；而碳、氮等土壤養分不斷增加的情況下，微生物分布種類更多且更均勻，說明二者存在明顯的正相關關系，其中有效養分與微生物功能多樣性之間在0.01檢驗水平下達到顯著正相關；與優勢度指數相比而言，豐度、均勻度指數與土壤養分的相關系數更高(表5)，說明土壤養分對豐富度及均勻度產生更大的作用，與此同時，土壤環境因子的復雜性使得微生物分布也具有很大的復雜性。

4 結 論

(1) 岷江流域不同土地利用方式下土壤pH值大小依次表現為撂荒地<次生林<灌叢<果園<耕地，其中耕地和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有機碳、全氮、全鉀、有效磷和有效鉀大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，土壤有效磷和有效鉀差異均顯著(p<0.05)，而不同土地利用土壤全磷差異不顯著(p>0.05)。

(2) 土壤微生物以細菌數目最多，占到90%以上，土壤細菌、真菌、放線菌和微生物總數目大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地。土壤微生物物種豐富度指數(H)、均勻度指數(E)、優勢度指數(Ds)和碳源利用豐富度指數(S)大小依次表現為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用均勻度指數(E)、優勢度指數(Ds)差異不顯著(p>0.05)。

(3) 相關性分析表明土壤養分、土壤微生物數量均與土壤微生物群落多樣性具有顯著的相關性(p<0.05)，其中，土壤微生物數量對微生物群落多樣性的貢獻最大(其相關系數絕對值最大)。冗余分析表明土壤微生物群落多樣性與土壤養分含量均呈正相關(除了pH)；有機碳和全氮與豐富度指數相關性最大，由此可知，有機碳和全氮是影響該區土壤微生物群落多樣性分布的主要因子。