砒砂巖區坡位環境梯度下土壤微生物活性及其環境影響因素

馬曉丹， 王思宇, 郭洋楠,3, 張煥迪, 包玉英,2*

(1.內蒙古大學 生命科學學院， 內蒙古 呼和浩特 010071； 2.牧草與特色作物教育部重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010071； 3.中國神華能源股份有限公司 神東煤炭分公司， 陜西 神木 719315)

砒砂巖是形成于古生代的二疊紀、中生代的三疊紀、侏羅紀以及白堊紀砂巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的巖石互層[1]，集中分布于中國黃土高原北部鄂爾多斯高原[2]，鄂爾多斯砒砂巖區占地約1.67×104km2，依據砂巖覆土程度(m)將其分為：裸露(<1.5 m)、蓋土(>1.5 m)和蓋沙(>10 m)3類，占比總面積分別為27.2%，50.6%，22.2%。由于砒砂巖粗粉粒含量大、黏粒少，土壤結構差、穩定性低且抗蝕性弱，遇水如泥、遇風成沙，導致水土流失嚴重，區域生態環境極其脆弱。研究多關注砒砂巖結構組成、粘土礦物組成、土壤特性[3]以及水土流失工程治理措施等方面[4]，在土壤微生物方面較欠缺。微生物作為生態系統的分解者分布于各類生境中，其種群數量、分布及其變化與生態系統的物質循環和能量流動關聯[2]。目前對草地、農田、林地和荒漠的土壤微生物研究居多，集中在時空差異、不同植被、土層深度對他們數量、種類、結構的影響，而沒有對“V”型溝壑坡位環境梯度下土壤微生物活性與環境影響因素之間的相互影響作用進行研究。土壤微生物作為地下生態系統的資源庫, 因數量巨大、種類繁多和活動強度大與土壤的理化、生物學特性，植物養分的轉化都有著密切的聯系[5]。因土壤微生物對土壤基質環境十分敏感[6]，并通過種群的數量與變化響應土壤各因素的影響[7]，能夠指示生態環境變化以及生態系統演替變化進程[7]。

鄂爾多斯砒砂巖區具有獨特的地理、氣候特征和植被類型，在不同坡位間因光輻射、水分含量、風速等因素形成小生境，為微生物的繁衍生長提供了異質性的環境，隨著全球氣候變化以及人類生產活動(城市化、放牧、煤炭資源開發等)引起砒砂巖區生境惡化，影響區域生態系統穩定和生物(土壤微生物)數量等[8]，形成植物—土壤—微生物及其環境條件相互作用的特殊系統。同時，該區土壤生態系統中可能保持著某些具有特殊價值的稀有微生物資源，豐富的微生物資源也將對砒砂巖脆弱的生態系統起到重要作用(維持生態系統營養物質的循環、涵養水源、儲藏微生物基因資源等方面)，因此維持砒砂巖區生態平衡，保護其微生物資源顯得尤為重要。其中生物修復技術的運用前提是盡可能解決土著植被、微生物的生存生長條件、適應性以及與環境影響因素的關系等問題。因此，本文主要研究砒砂巖坡位環境梯度中土壤微生物數量的分布特征、植被多樣差異、土壤因子現狀以及它們之間的相互影響作用，旨在了解該特定區域的生物資源狀況以及生存生長環境，以期為砒砂巖區的生態修復和生物資源保育提供參考。

1 研究材料和方法

1.1 研究區選擇與概況

選取晉陜蒙接壤區神東煤礦區附近的四條典型砒砂巖溝壑區，即阿大線溝壑(39°27′49.95″E，109°56′58.67″N，1 340 m)、活雞兔溝壑(39°14′11.73″E，110°10′13.17″N，1 232 m)、哈拉溝溝壑(39°31′59.57″E，110°21′6.37″N，1 195 m)、石圪臺溝壑(39°41′44.86″E，110°9′23.42″N，1 268 m)為研究樣區，在每條溝壑內設置陰陽溝坡頂(風積沙型)、陰陽溝坡中(裸露砒砂巖型)以及溝底(風積沙型)5個樣點，即陽坡頂，陽坡中，溝底，陰坡中，陰坡頂。

砒砂巖研究區地表土壤為栗鈣土，下層為弱透水層的礫巖。該區屬于溫帶大陸性氣候，夏季降雨量大而集中，全區年平均降水量400 mm左右；秋冬季晝夜溫差大，全年溫度介于38.1 ℃～-30.9 ℃，最大凍土深度達到1.5 m，春季風大且頻繁，全年8級以上的大風日多達20～30 d，且年平均風速為2～4 m/s。該區由于獨特的水熱氣候特點，導致植被稀疏、巖層風蝕強烈、水土流失嚴重、地形破碎、千溝萬壑，地貌為梁峁起伏，溝壑密度高[9]。采樣區的砒砂巖主要在溝緣線以下的溝谷中顯露，呈典型的“V”字形溝道[9]，形成地表覆蓋較厚風積沙層的陰陽溝壑，光照、水熱和濕度等氣候因子差異明顯。梁峁原生植被為短花針茅草原，禾本科、菊科為常見植物，陽坡頂以短花針茅(Stipabreviflora)+鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)建群，陽坡中以羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、胡枝子(Lespedezabicolor)為主，在溝谷底部風積沙區分布有灌木類植物，如扁桃(Amygdaluscommunis)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)等，草本植物較為單一，主要有羊草、蒲公英(Taraxacummongolicum)、艾草(Artemisiaargyi)等，陰坡中以冷蒿(Artemisiafrigida)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)為主，陰坡頂以蒙古冰草、短花針茅、蒙古韭(Alliummongolicum)為主。整體植被樣貌呈現溝底植被覆蓋度最高(65%～75%)，坡頂次之(25%～50%)，而坡中覆蓋度極低(5%～15%)。

1.2 樣品采集

2017年8月中旬，采用隨機采樣法在每個坡位設置10 m × 10 m的大樣方，在大樣方中沿其對角線設置3個1 m×1 m的小樣方，在小樣方中隨機多點法分別采集0—10，10—20，20—30 cm的土壤樣品(分別記為L1，L2和L3)，每層充分混勻為一份土樣，低溫帶回實驗室，整個研究區共采集4×5×3=60份土壤。一部分土壤樣品過2 mm分樣篩后于4 ℃保存，用于可培養微生物數量分析；一部分土壤樣品自然風干后過0.5 mm分樣篩于4 ℃保存，用于土壤酶活測定；另一部分土壤樣品自然風干后過1 mm分樣篩，用于土壤理化性質測定。在每個1 m×1 m的小樣方中，調查草本植物種類、多度等，分類剪去植被地上部分，用于生物量測定。

1.3 試驗指標測定方法

土壤可培養微生物的計數采用平板稀釋涂布法進行，分別用牛肉膏蛋白胨、高氏Ⅰ號、馬丁—孟加拉培養基培養細菌、放線菌和真菌并進行數量測定[10]。計算公式為：

可培養微生物數量(CFU/g)=

(1)

采用磷酸苯二鈉比色法測定土壤磷酸酶、中性磷酸酶、堿性磷酸酶的活性[11]；嚴格按照蘇州科銘生物技術有限公司微量法試劑盒的說明書測定土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶的活性。采用烘干法[12]測土壤含水率，即稱土樣放在105 ℃烘箱中烘至恒重(8 h)，m0-烘干空鋁盒重量(g)，m1-烘干前土樣及鋁盒總重量(g)，m2-烘干后土樣及鋁盒總重量(g)，土壤含水率(%)=(m1-m2)×100 /(m1-m0)；玻璃電極法測pH值(土∶水=1∶2.5)；取50 g土樣用TPF-100土壤團聚體分析儀(浙江托普云)以2，1，0.5，0.25，0.106 mm的套篩進行濕篩30 min，各粒徑60 ℃烘至恒重，再于空氣中平衡24 h后稱重(精確至0.01 g)，土壤團聚體粒徑含量計算公式：各級篩子中烘干后土樣重量/土樣總重量×100%；嚴格按照TPY-6PC土壤養分速測儀(浙江托普云)說明書測定土壤銨態氮、速效磷和有效鉀的含量；土壤過0.149 mm篩后，嚴格按照elementar vario MACRO CUBE元素分析儀說明書測土壤全氮和全碳含量；全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法進行測定[13]。鈣含量采用原子吸收分光光度計法測定[14]。植被生物量為濕重與干重之差；植物群落多樣性是采用辛普森指數(Simpson’sdiversity index，D)[15]、香濃—威納指數(Shannon-Wiener index，H)[16]表示：

(2)

1.4 統計分析方法

測試的原始數據采用EXCEL處理，使用SPSS 26對不同溝壑間的各項指標進行單因素方差(one-way ANOVA)分析，發現幾乎均無顯著差異性，即四條溝壑間植被多樣性和生物量、土壤理化性質、酶活性、土壤總微生物數量無顯著差異，故可以將4條溝壑區作為坡位環境梯度的重復樣本；使用SPSS 26對坡位環境梯度各指標進行單因素方差(one-way ANOVA)分析、LSD，Duncan多重比較；應用Origin 2019進行PCA分析，為評估各因子對土壤微生物數量影響的相對重要性，分別計算每個因子的特征值；利用Origin與EXCEL進行圖表制作。

2 結果分析與討論

2.1 砒砂巖區不同坡位環境梯度土壤微生物數量分布及變化

土壤微生物類群主要包括細菌、真菌、放線菌，不同生境下這些微生物的數量存在異質性，即構成了不同類群數量及其比例的特定微生物組合[17]。砒砂巖區坡位環境梯度中的土壤微生物總量呈現(見表1)：溝底>陰坡頂>陽坡中>陽坡頂>陰坡中，這與喀斯特退化天坑的倒石坡坡面土壤微生物數量分布規律一致[18]；陽坡光照強、蒸騰作用大、保水能力差，陰坡溫度低、保水能力強，干旱和潮濕均不利于微生物生長，而溝底光照和濕度適宜微生物存活[17]。不同生理類群微生物在各坡位間存在異質性，細菌數量顯示：溝底>陽坡中>陰坡頂>陰坡中>陽坡頂，可見細菌在坡位梯度上更加喜歡熱量與光照趨于中間且保水性較好的溝底；放線菌數量顯示：溝底>陰坡頂>陽坡頂>陽坡中>陰坡中，可見放線菌也趨于光照與濕度較為穩定的溝底,并且陽坡含量高于陰坡，這于放線菌吸熱耐旱的特性相符[19]；真菌數量顯示：陽坡頂>陽坡中>陰坡頂>陰坡中>溝底，可見真菌更加趨于濕度小、光照強的陽坡,這與真菌耐干耐旱相一致[20]。

隨著土層深度(見表1)增加，各坡位的放線菌數量均減少，溝底和陰坡頂的真菌、細菌、放線菌數量均呈減少趨勢，與表層土營養較下層土豐富相附和；陽坡頂的真菌、細菌數量隨土層變化不顯著(p>0.05)。陽坡中的細菌數量在0—10 cm最多，其他兩層數量接近，真菌數量隨土層變化不顯著(p>0.05)；陰坡中真菌數量變化不顯著(p>0.05)，而細菌數量隨土層增加而增加，在陰坡水分含量大又趨于土深處，可見細菌可以耐受低氧水平[20]。

表1 不同坡位環境土壤微生物數量及各土層微生物數量分布

綜上，土壤微生物數量受坡位改變帶來的非生物因素(溫度、降水、大氣成分等)和生物因素(植被、生物多樣性和組成)的重大環境差異的影響較大。研究表明土壤細菌是土壤中的優勢類群，與土壤微生物總量的變化幅度類似，在土壤微生物數量中所占比例最大，放線菌次之，真菌最少。土壤微生物數量的多少在某種程度上可以反映土壤質量的變化，研究發現溝底的微生物數量最多，可能因為溝底地表土壤受到的破壞和環境侵蝕較輕，土壤表層保存較好，表土植物根系與地表枯落物為微生物生長繁殖提供豐富的營養，促進“土壤—微生物—植被”生態系統的物質循環和能量流動。而坡中由于植被覆蓋度低，加之砒砂巖區干熱氣候，使地表晝夜溫差變化快且大，造成水熱散失及土壤可侵蝕性增加[21]，促使坡中土壤環境惡化，不利于土壤微生物的生長繁殖，符合本研究中細菌不再喜歡濕潤環境(陰坡中)[20]而是趨于溝底的結果。通過坡位梯度和土層對土壤微生物數量的PCA分析結果顯示：微生物數量變化累積百分比為37.31%，說明坡位與土層可以解釋微生物數量變化的37.31%，其中坡位的特征值大于土層，坡位會加劇微生物群落數量結構的分化，并且隨著環境條件的下降,微生物的生存能力有所下降。

2.2 砒砂巖區土壤理化與酶活性現狀及其與土壤微生物數量的關系

2.2.1 坡位環境梯度間土壤理化性質現狀 研究區土壤水穩性團聚體粒徑大部分集中于0.25～0.5 mm，0.106～0.25 mm粒徑占比最少(見圖1)，表明土壤的吸水性、黏結性及保肥力較差。1～2 mm與0.5～1 mm粒徑分布較一致，即陰坡中>陽坡中>溝底>陽坡頂>陰坡頂，各樣點間無顯著差異性(p>0.05)；0.25～0.5 mm粒徑在各坡位間均無顯著差異性，但較其他粒徑占比大；0.106～0.25 mm粒徑分布為陽坡頂>陰坡頂>溝底>陽坡中>陰坡中,陰坡中顯著小于其他坡位，可見陰坡土壤較陽坡土壤砂粒多、黏粒少，溝底土壤居中。

表2顯示：各坡位間土壤理化性質具有顯著差異性(p<0.05)，陰坡頂與陰坡中土壤含水率顯著大于其他坡位，這與李昆和陳玉德在1995年研究的結構一致，認為在一般情況下陽坡的水分含量顯著低于陰坡，半陽半陰坡在二者之間[22]。土壤pH值均呈強堿性(8.50～9.33)，更適合細菌與放線菌生長，而不利于真菌生長。陽坡頂的銨態氮含量顯著高于其他坡位；陽坡頂與陽坡中的有效磷含量顯著大于其他坡位；溝底和陽坡中的全磷含量顯著大于其他坡位；各坡位間的全氮含量差異不顯著；各坡位間的全碳與鈣含量變化一致，均為陰坡頂和陽坡頂顯著大于其他坡位，且溝底含量最少，這與微生物分解作用及其累積效應相關[23]。綜上，陽坡土壤的pH值、銨態氮、有效磷、全碳、全鈣含量均大于其他坡位，營養較為豐富，而陰坡除含水量高以外，土壤營養較陽坡匱乏，溝底趨于中間。

圖1 砒砂巖區土壤水穩定性團聚體粒徑分布

表2 不同坡位的土壤理化性質

2.2.2 坡位環境梯度間土壤酶活現狀 土壤酶通過土壤微生物分泌的方式參與土壤生態系統營養循環等，土壤酶活性的變化可反映出土壤中各種生化過程的強度及其方向[16]，而砒砂巖樣區的土壤酶(酸性、堿性、中性磷酸酶，脲酶，過氧化氫酶，蔗糖酶) 活性均很低(見表3)，與該地區獨特的地理位置、氣候以及土質相關，該區海拔高(1 195～1 340 m)，氣候寒冷干燥，嚴酷且脆弱的生態環境加上貧瘠的土壤導致酶活性極低。研究區磷酸酶活性極低、蔗糖酶活性為2.63～30.01 (mg·d)/g，脲酶活性為48.85～191.94 (μg·d)/g均在不同坡位間沒有顯著差異性；過氧化氫酶含量為14.35～69.17 (μmol·d)/g，陽坡面顯著高于陰坡面，可見陽坡土壤生物化學過程強度較大。

2.2.3 砒砂巖區土壤理化、酶活性與土壤微生物數量的響應 表4相關性分析顯示，土壤真菌數量只與土壤鈣含量顯著負相關(p<0.05)，與pH值微負相關，一定程度上反映出真菌喜酸的特性；細菌數量與土壤團聚體0.5 mm≤d≤1 mm粒徑呈極顯著負相關(p<0.01)，與土壤團聚體0.25 mm≤d≤0.5 mm粒徑顯著正相關(p<0.05)，說明細菌更加適應粒徑較小的土壤；細菌數量與含水量以及鈣含量均顯著負相關(p<0.05)；放線菌數量與pH值顯著正相關(p<0.05)，這與放線菌喜歡在偏堿性的環境中生長相一致；氮、磷、碳含量均與微生物呈微正相關，而鈣含量、速效鉀與各類微生物均負相關。可能由于該區域高寒低溫、生境脆弱等極端脅迫的影響，成土過程中的生化作用較弱，使生物累積作用明顯，微生物的分解活動受限，造成鈣、速效鉀含量的累積[24]。

土壤真菌數量與酸性磷酸酶顯著正相關(p<0.05)，與其他5類酶活無顯著相關性；細菌數量與土壤酶呈負相關，但僅與脲酶活性顯著負相關(p<0.05)；放線菌數量與堿性、酸性、中性磷酸酶均顯著正相關(p<0.05)，與過氧化氫酶呈極其顯著正相關(p<0.01)。

表3 砒砂巖區坡位環境梯度下土壤酶活性

表4 砒砂巖區土壤理化、酶活性與微生物數量的相關性分析

綜合土壤理化性質和酶活性指標討論，砒砂巖區土壤質量較差，強堿性、含水率低、營養物質匱乏，酶活性極低。土壤微生物是土壤生態系統中最活躍的部分，可對外界環境因子的改變作出響應，通過土壤理化性質對土壤微生物數量的PCA分析結果顯示：微生物數量變化累積百分比為22.86%，說明土壤理化可以解釋微生物數量變化的22.86%；按特征值排序為：土壤團聚體>含水量>酸堿度>銨態氮>有效磷>速效磷>全磷>全氮>全碳>鈣含量，這與相關性檢驗結果一致，影響微生物分布的主要理化因素有土壤團聚體粒徑分布、含水率和pH值；在溝底，土壤團聚體粒徑0.106～0.25 mm占比相對較大，而其他粒徑占比相對較少，其土壤微生物數量最多，因為土壤團聚體粒徑偏大時，不易保水保肥，從而降低微生物數量和酶活性。土壤微生物數量受含水率的影響較大，過多或太少均不利于微生物生長，而是更加趨于含水量居中的溝底，這是因為含水率較高時不利于微生物呼吸，而含水率較低時又會限制微生物生長發育。研究區土壤pH值均呈強堿性，降低了根際土壤養分的吸收和利用，使適宜酸性土壤生長的真菌數量極低。其他理化因子對微生物數量影響作用小，這是由研究區本身貧瘠的土質所致。研究區土質貧瘠，微生物數量較少，導致土壤酶活性極低且物質轉換能力降低，反過來影響微生物生長發育，從而影響土壤質量，周而復始。所以在生態環境治理方面要關注地下微生物網絡的變化，微生物因快速的生長繁殖能力，在生態治理方面不容小覷。

2.3 砒砂巖區土壤微生物數量與植物群落的生態效應

如圖2所示，陽坡中的草本層植物Simpson和Shannon-Wiener多樣性指數均顯著最小，分別為0.591 4和1.779 0；陰坡的多樣性指數均大于陽坡；陽坡面的多樣性指數呈現陽坡頂(Simpson指數為0.737 8，Shannon-Wiener指數為2.550 2)與溝底(Simpson指數為0.740 2，Shannon-Wiener指數為2.369 5)顯著大于陽坡中的趨勢；陰坡面的多樣性指數呈現陰坡頂(Simpson指數為0.838 7，Shannon-Wiener指數為3.084 1)大于陰坡中(Simpson指數為0.812 3，Shannon-Wiener指數為2.744 4)大于溝底的趨勢。綜上，陰陽坡面及坡位高低間的草本植物分異特征較明顯，陽坡物種較陰坡多樣化和復雜化。坡位間草本植物的生物量表現為溝底(172.28 g/m2)顯著大于其他坡面；陽坡中(36.38 g/m2)與陰坡中(34.18 g/m2)的植被生物量顯著小于陽坡頂(97.69 g/m2)與陰坡頂(49.39 g/m2)；無論陽坡面還是陰坡面均呈現：溝底>坡頂>坡中的趨勢，這與坡中多呈現裸露狀態且植被蓋度極低一致。相關性分析表明，只有細菌數量與植被生物量顯著正相關(p=0.019<0.05,Pearson相關性指數為0.306。

圖2 坡面環境梯度草本植被多樣性指數與生物量

通過植被因子與土壤微生物數量PCA分析結果：微生物數量變化累積百分比為29.83%，植被因子只能解釋微生物數量變化的29.83%，說明植被群落差異是土壤微生物群落數量差異的主導因素之一，由于不同坡位的水熱組合會導致植被覆蓋和土壤性質差異，使得地表群落和地下微生物緊密關聯[22]。研究區不同坡位不同植被將形成生態位的微分割，從而在各坡位形成植物多樣性和土壤微生物數量聯合分布模式。本研究通過對比草本層植物多樣性指數和生物量發現：陽面中，坡中的多樣性指數和生物量均顯著小于坡頂和溝低，在實地調研中，陽坡中以羊草、冷蒿、冰草為主，植被覆蓋度(5%～15%)，說明坡中植被群落分布不均勻且群落多樣性較低；而在陰坡，溝底的多樣性指數顯著小于坡頂和坡中(p<0.05)；整體來看，溝底植被群落多樣性低而生物量卻高，在實地調研中，溝底以羊草、蒲公英、艾草等雜類草為主，植被覆蓋度(65%～75%)較高，結合微生物數量(細菌與放線菌均最高)在溝底顯著高于其他坡位來看，溝壑區域內細菌和放線菌更傾向于水熱條件居中的溝底，且受群落多樣性影響較小，受植被生長狀況影響較大，這也應征了該區植物“柔性壩”在砒砂巖侵蝕的溝底優先種植的策略[24]。陰坡的多樣性指數均大于陽坡，生物量卻低于陽坡，表明在砒砂巖獨特且脆弱的生境中，長時間的光輻射結合保水能力差的地質會降低植被多樣性和土壤微生物數量。未來在砒砂巖修復治理中，研究坡位環境梯度下微生物群落結構與功能的多樣性，發掘各坡位本土微生物與植被之間的特定聯合關系對于砒砂巖區環境治理與生物保育具有重要指導作用，可優先治理坡頂和溝底的植被，從而隨著物種遷移和漂變過渡衍生到坡中，要注重保水保肥，以及植被覆蓋，從而提高土壤微生物的生長繁殖能力，反過來提高土質，從而循序漸進的治理。

3 結 論

(1) 研究區土壤微生物區系中細菌為優勢類群，放線菌次之，真菌很少，坡位環境梯度與土層顯著影響土壤微生物各生理類群數量，其中坡位導致土壤微生物數量的分異，且隨環境質量惡化，土壤微生物數量減少。不同坡位土壤微生物總量的變化趨勢與植物多樣性指數的變化趨勢不一致，而與植被生物量變化趨勢一致，均為陽坡面>陰坡面，溝底>坡頂>坡中，微生物數量受群落多樣性影響較小，受植被生長狀況影響較大，未來可以多關注溝底的植被—微生物資源。

(2) 不同坡位土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性各異，含量極低，對土壤微生物數量的響應較輕。砒砂巖土壤水穩性團聚體粒徑多介于0.25～0.5 mm，0.106～0.25 mm粒徑占比小；陽坡砂粒土壤較其他坡位小，黏粒土壤較其他坡位大；土壤含水量呈現陰坡>溝底>陽坡；土壤的pH、銨態氮、有效磷、全碳、全鈣含量均為陽坡頂大于其他坡位。土壤含水量、光照、pH值、酶活性以及土壤理化性質的特征適宜的溝底環境適合該區域土壤微生物及植被的生長與分布。植物—土壤—微生物數量之間表現出相互促進與制約的關系，土壤微生物數量變化與植被生物量一致、不同的微生物與土壤質量趨于各自的生態適應性，而含水量和光照既促進又制約著微生物數量的變化，研究區土壤酶活性低，反過來又制約著土壤微生物和植物的生長發育。

(3) 砒砂巖區土壤微生物數量變化的驅動因子主要是坡位與土層(37.31%)，植被因素次之(29.83%)，土壤理化最小(22.86%)，其中土壤團聚體粒徑與含水量顯著影響土壤微生物數量變化，環境因素不能完全解釋土壤微生物數量分布的變化。