退化草地土壤微生物與土壤理化因子的相關性分析

徐春光 烏仁其其格 柴會祥

(1.呼倫貝爾學院生命科學學院 內蒙古 海拉爾 021008 2.呼倫貝爾學院農林學院 內蒙古 海拉爾 021008)

引言

過度放牧、不合理的開墾和挖掘、重度刈割、掠奪性經營、旅游發展、全球氣候變化、鼠蟲害嚴重等人為活動及不利自然因素導致草地生態系統退化[1][2]。其中，引起草原生態系統退化的首要因素是過度放牧[3][4]。放牧是人類對草地的主要干擾方式之一[5]，由于草地類型、放牧年限、放牧壓力的不同，不同研究區域中草地土壤微生物量的變化對放牧的響應也不同。一般來說，適度放牧使土壤微生物量增加，而過度放牧則會降低草地土壤微生物量。土壤微生物是草原土壤生態系統不可缺少的重要環節，對環境變化敏感，且與生態系統進化具有協同性，是反映生態系統功能變化和土壤質量的敏感指標之一[6][7]。土壤微生物特性與土壤質量的關系密切，土壤微生物量與其功能的發揮受到溫度、PH值、含水率、有機質含量等 多種土壤理化性質的影響[8]。為了揭示過度放牧、重度刈割等不合理利用如何通過改變土壤質量而直接或間接影響土壤微生物量，本研究采用野外生態學調查方法，探討土壤微生物量對草原土壤退化程度的響應，分析退化草地土壤微生物數量與土壤理化因子之間的關系，以期為草原的合理利用和退化草地的生態修復提供理論依據。

1 試驗區概況

本試驗區位于呼倫貝爾市謝爾塔拉草原，地理位置為E120°2′061″～E120°2′14″，N 49°23′14″～N 49°23′65″，海拔高度為629m～635 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候。年均氣溫為-2.4℃，最高氣溫36.17℃、最低氣溫可達- 48.50℃；≥10℃年積溫1580℃～1800℃，無霜期為110d；年均降水量為350 mm，分布不平衡，多集中在7至9月，雨熱同季。本試驗區樣地為羊草+雜類草群落，土壤為暗栗鈣土。

2 材料與方法

2.1 樣地設置與樣品采集

依據中國北方草地退化分級及其劃分標準[9]，將居民點和輕度退化區設置為樣帶兩端，選擇兩條樣帶，分別設置輕度、中度和重度三個退化梯度。草原植物群落生物量達到高峰期時(8月中旬)，在輕度、中度和重度退化程度草地隨機選取5個面積為1m×1m的樣方，采集0cm～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm、30cm～40cm共4個垂直深度土層中土壤樣品三份，重復三次。第一份土壤樣品用鋁盒盛裝帶回實驗室，測定土壤含水量和容重；第二份土壤樣品裝入布袋，樣品風干后用于土壤有機質、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、PH、土壤機械組成的測定；第三份土壤樣品用自封袋帶回實驗室，測定土壤微生物數量。

2.2 測定指標與方法

2.2.1 土壤微生物數量的測定：可培養好氣性細菌、放線菌和真菌的數量，采用傳統的涂布平板計數法測定。選用的培養基分別為牛肉膏蛋白胨培養基、淀粉銨鹽培養基、孟加拉紅培養基。將配制的土壤稀釋懸液分別接種于上述培養基表面，用無菌刮鏟涂抹均勻。細菌置37℃恒溫培養1d～2d、放線菌置28℃恒溫培養5d～7d、真菌置28℃恒溫培養3d～5d。對細菌、放線菌和真菌菌落進行計數，代入平板菌落計數公式進行計算，平板菌落計算公式：土壤微生物數量(CFU·g-1干土) = (菌落平均數×稀釋倍數)/干土質量[10]，式中CFU為菌落形成單位。

2.2.2土壤理化因子的測定：新鮮的土壤樣品先稱濕重，再于105℃下持續加熱24h，稱干重，計算土壤含水量和容重。分別采用重鉻酸鉀容量法[11]、半微量凱氏定氮法[12]、蒸餾法[13]、鉬銻抗比色法、NH4OAc 浸提—火焰光度法和電位法測定風干土壤樣品中有機質、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀和PH值。土壤機械組成(1mm～2mm粗粒占總土壤比率)用簡易比重計法測定。

2.2.3數據分析：用簡單相關分析、主成分分析和典型相關分析方法分析輕度、中度和重度退化程度下羊草草原土壤微生物數量與土壤理化因子的相關關系。基礎微生物數量特征采用Excel2010，方差分析和簡單相關分析采用SPSS16.0軟件。土壤理化因子主成分分析、土壤微生物數量與土壤理化因子的典型相關分析用SAS9.0軟件。

3 結果與分析

3.1 退化草地土壤微生物數量特性

3個退化梯度下羊草+雜類草群落不同土層中土壤細菌、放線菌、真菌數量及微生物總數見表1。由表1可見，細菌數在0cm～30cm土層中輕度退化區顯著(P<0.05)高于中度和重度退化區，30cm～40cm土層中中度退化區顯著(P<0.05)高于輕度和重度退化區。放線菌數在所有土壤深度土層中均表現為隨著退化程度的加劇逐漸減少的規律。真菌數在0cm～30cm土層中重度退化區顯著(P<0.05)高于輕度和中度退化區，30cm～40cm土層中輕度退化區顯著(P<0.05)高于中度和重度退化區。土壤真菌在土壤生態系統的物質循環中發揮重要作用，是衡量土壤肥力的重要指標。有學者認為特殊的溫濕度條件、土壤鹽漬化、酸化和連作年限的延長使土壤從細菌型向真菌型轉化，導致土壤肥力下降[14]。0cm～30cm土層，土壤微生物的區系組成隨退化程度的加劇發生顯著變化，優勢種群細菌和放線菌被真菌替代；而30cm～40cm土層，區系組成未發生顯著變化，優勢種群仍是細菌和放線菌。在重度退化草地，超載放牧使得大量家畜糞尿回歸表層及淺層土壤(0cm～30cm土層)，會在短時期內補充土壤有機質、全氮、速效氮等營養物質，以及未被消化分解的纖維素類物質，這為真菌提供了生長的良好營養條件和生長的基質。可見，放牧家畜主要影響0cm～30cm土層土壤質量，使土壤從細菌型向真菌型轉化，導致地力衰竭；而對30cm以下深度土層影響不大，未使土壤微生物的區系組成有實質性改變，土壤仍然屬于細菌型。

0cm～20cm土層中，微生物總數的變化趨勢為：重度退化>輕度退化>中度退化，與大多數的報道不一致；而在20cm～40cm土層中微生物數量的變化趨勢為：輕度退化>中度退化>重度退化，與大多數的報道一致[15][16]。放牧家畜通過放牧踐踏、采食和排泄等途徑的綜合作用緩慢改變土壤質量，影響土壤微生物生存環境，最終影響土壤微生物的生命活動。本研究中，在土壤表層及淺層(0cm～20cm)影響重度退化程度下微生物數量的主要因素是土壤有機質、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營養物質的含量。由于大量糞尿的返還，短期的放牧行為不僅沒有降低草地土壤有機質、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營養物質的含量，可能還會有短時期的增加。可見，排泄有可能是影響重度退化草地表層及淺層土壤質量的主要途徑。在土壤深層(20cm～40cm)，土壤有機質、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營養物質主要來源于植物凋落物和植物根系的分泌物。隨著土壤退化程度加劇，草地植被變少，植物根系大量死亡，又由于家畜采食和踐踏使得回歸土壤中的有機質、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營養物質逐漸減少，土壤通氣透水性下降，微生物數量隨之降低。可見，放牧會通過改變土壤理化性質，進而直接或間接影響土壤微生物生長與繁殖。

表1 不同退化程度羊草草原土壤微生物數量(cfu·g-1干土) Tab. 1 The quantity of soil microbial in different degradation degrees of Leymus chinensis steppe (cfu·g-1 dry soil)

注：同列不同小寫字母表示不同退化程度下不同土層中微生物數量在P<0.05水平上差異顯著。

3.2簡單相關性分析

由表2可知，各土壤理化因子與不退化程度下土壤各微生物類群數量之間的相關程度不同。在輕度退化程度下有機質含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷與細菌、真菌的數量呈正相關；機械組成與細菌、真菌的數量呈負相關；只有速效鉀與放線菌數量呈負相關。在中度退化程度下除了PH值外的其他土壤理化因子均與放線菌數量呈正相關；只有機械組成和PH值分別與細菌和真菌數量呈相關關系。在重度退化程度下有機質含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷與各微生物類群數量之間均呈正相關；機械組成與細菌、真菌的數量呈負相關。

表2 土壤微生物數量與土壤理化因子的簡單相關性Tab. 2 Simple correlation between soil microbial quantity and soil physicochemical factors

注： *表示在P<0.05水平上差異顯著，**表示在P<0.01水平上差異顯著

3.3典型相關性分析

3.3.1土壤理化因子的主成分分析：各土壤因子之間具有高度相關性，為排除共線問題，所以對土壤理化因子進行主成分分析，結果見表3-表5。輕度、中度退化程度下前兩維主成分就可以代表土壤因子0.8968、0.9253的信息，重度退化程度下前三維主成分就可以代表土壤因子0.9186的信息，均達到85%以上，完全可以用輕度、中度退化程度下前兩維，重度退化程度下前三維來代表土壤因子，進行下一步分析。由特征向量可以看出輕度退化程度下，第一主成分主要由有機質含量、土壤全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、機械組成決定；第二主成分由含水量、容重決定。中度退化程度下，第一主成分主要由有機質含量、土壤全氮、速效氮、速效鉀、速效磷決定；第二主成分主要由有PH、含水量決定。重度退化程度下，第一主成分主要由有機質含量、土壤全氮、速效氮、速效磷決定；第二主成分主要由PH、含水量決定；第三主成分主要由容重決定。

表4 中度退化程度下土壤理化因子主成分分析Tab.4 Principal component analysis of soil physicochemical factors under degree of moderate degradation

表5 重度退化程度下土壤理化因子主成分分析Tab. 5 Principal component analysis of soil physicochemical factors under severe degradation

3.3.2典型相關分析：將土壤微生物數量與土壤理化因子的主成分做典型相關性分析，結果見表6。由表6可見，在輕度退化程度下，第一對典型變量的累計貢獻率達到0.9503，能反映出大部分信息；在中度退化程度下，第一對典型變量的累計貢獻率達到0.8882，能反映出大部分信息；在重度退化程度下第一對典型變量的累計貢獻率達到0.9773，能反映出大部分信息。由此建立兩兩之間的典型變量的構成(表7)。在輕度退化程度下，第二對典型變量、重度退化程度下，第三對典型變量的影響較小。因此，只取第一對典型變量進行分析。在中度退化程度下對第一、第二典型變量進行分析。

在輕度退化程度下，土壤微生物的數量與土壤理化因子的第一對典型相關系數為0.9147，達到了顯著水平，表明土壤理化因子的第一典型變量對土壤微生物的第一典型變量影響較大。由表7可知，細菌與有機質含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、機械組成相互影響較大。在中度退化程度下，土壤微生物數量與土壤理化因子的第一、二對典型變量相關系數為0.9581、0.7646，達到了極顯著水平、顯著水平，表明土壤理化因子的第一、二典型變量對土壤微生物數量第一、二典型變量影響較大。由表7可知，放線菌與有機質含量、土壤全氮、速效氮、速效鉀、速效磷影響顯著，真菌與PH、含水量相互影響較大。在重度退化程度下土壤微生物數量與土壤理化因子的第一對典型變量相關系數為0.9863，達到了極顯著水平，表明土壤理化因子的第一典型變量對土壤微生物數量的第一典型變量影響顯著。由表7可知，放線菌和真菌與有機質含量、土壤全氮、速效氮、速效磷、容重相互影響顯著。

結合簡單相關性分析的結果可知，土壤微生物的數量與土壤理化因子有密切關系，在不同退化程度下，影響草地各類群微生物的數量的主導因素是不同的。在輕度退化程度下，細菌是土壤微生物區系中的優勢種群，與有機質含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、機械組成呈顯著相關，這些土壤理化因子是影響細菌數量的主導因素。在中度退化程度下，0cm～10cm土層，放線菌是土壤微生物區系中的優勢種群，有機質含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷是影響放線菌數量的主導因素。在重度退化程度下0cm～30cm土層，真菌是優勢種群，影響真菌數量的主導因素為有機質含量、全氮、速效氮、速效磷。由此可見，在影響土壤微生物數量的各土壤理化特性中，有機質含量、全氮、速效氮、速效磷與三個不同退化程度下的土壤微生物區系中的優勢種群數量均有密切關系。

表6 土壤微生物數量與土壤理化因子主成分典型相關性Tab. 6 Typical correlation between soil microbial quantity and main components of soil physicochemical factors

表7 土壤微生物數量與土壤理化因子的典型變量構成Tab. 7 Typical variables of soil microbial quantity and soil physicochemical factors

注：V1、W1：第一對綜合變量， V2、W2：第二對綜合變量， Y1：細菌， Y2：放線菌， Y3：真菌， X1：第一主成分，X2：第二主成分， X3：第三主成分。

4 結論

4.1 不同土壤微生物類群對草原退化程度的響應不同。隨著退化程度的加劇，0cm～40cm土層中細菌和放線菌數量總體呈現降低的趨勢，而真菌的數量呈現增加的趨勢；不同深度土層中的微生物總數對草原退化程度的響應不同，淺表層(0cm～20cm)土層中微生物總數的變化趨勢為：重度退化>輕度退化>中度退化，相對深層(20cm～40cm)土層中微生物總數卻隨著退化程度的加劇而減少。

4.2 土壤微生物的數量與土壤理化因子有密切關系。不同退化程度下土壤各微生物類群數量與土壤理化因子之間的相關程度不同。但是，影響土壤微生物區系中的優勢種群數量的主導因素是相同的，均為土壤有機質、全氮、速效氮和速效磷。可見，過度放牧、重度刈割等不合理的利用主要是通過改變土壤有機質、全氮、速效氮和速效磷的含量而間接影響微生物數量和區系組成。