不同放牧強度下隴東天然草地土壤微生物三大類群的動態(tài)特征

張成霞,南志標

（1.西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院,云南昆明 650224；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅蘭州 730020）

土壤微生物是土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要參與者,在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡,評價土壤健康方面具有不可替代的作用[1]。土壤微生物是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,其將植物不能直接吸收的難溶性無機物轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘?增加土壤肥力,在有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分的釋放和循環(huán)及改善土壤理化性質(zhì)中起著主導(dǎo)作用,能動地影響著草原生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化。微生物在土壤中的分布與活動,既直接反映了各環(huán)境因素及草地管理利用對微生物的影響和作用,也間接反映了草地的狀況[2-5]。放牧對東北羊草（Leymus chinensis）草原[3]、內(nèi)蒙古冷蒿（Artemisia f rigida）-小禾草草原[6]、荒漠草原[7]、東祁連山高寒草地[8]土壤微生物影響已有文獻報道,但有關(guān)放牧對黃土高原北部農(nóng)牧交錯帶天然草地土壤微生物的影響鮮見報道。本研究通過分析不同放牧強度、不同取樣期、不同土層下土壤微生物數(shù)量的變化,探索放牧對草地土壤微生物的影響,為黃土高原天然草地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地自然概況研究樣地位于甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)大梁洼村——蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院野外試驗點。具體簡況見已發(fā)表的文章[9]。

1.2 放牧試驗設(shè)計試驗區(qū)于2001年在天然草地上進行劃區(qū)圍欄,設(shè)4個放牧處理,分別為0（對照）、2.7、5.3和8.7只羊/hm2,每放牧處理3個重復(fù),隨機排列,每輪牧分區(qū)為1個重復(fù),面積為50 m×100 m,根據(jù)輪牧分區(qū)面積確定每區(qū)實際放牧羊數(shù)。每年夏季開始放牧,放牧?xí)r間為每年6月中旬至9月中旬,每分區(qū)每次放牧10 d,共輪牧3次。試驗羊為灘羊。至本試驗開始取樣時,已連續(xù)放牧3年。

1.3 土樣采集采樣時間在牧草返青后,于2005年5月中旬、6月中旬、9月中旬、11月中旬和2006年4月中旬、6月中旬分別采集土樣。每輪牧分區(qū)均按 0～10、10～20和20～30 cm 3層取樣,每樣地采用土壤剖面和混合多點取樣法,同層混合為一個土樣,人工撿除碎石、植物殘體等可見物,裝入塑料自封袋,4℃低溫下運回實驗室,未過篩的新鮮土樣立刻進行土壤微生物的分離。菌落數(shù)計算以干土為基礎(chǔ)。

1.4 土壤三大類群微生物的分離及數(shù)量測定土壤微生物測定分析采用平板分析法[10]:真菌采用馬丁氏-孟加拉紅培養(yǎng)基,細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基。真菌、細菌和放線菌計數(shù)的土壤懸浮液稀釋濃度分別為10-2、10-3和10-3,每個土樣共涂抹 9個平板,其中每類微生物3個平板,每個平板為1個重復(fù),共3個重復(fù)。涂抹后真菌置22℃黑暗培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),3～7 d內(nèi)統(tǒng)計菌落數(shù)；細菌置28℃黑暗溫箱內(nèi)培養(yǎng),逐日觀察菌落生長情況,5 d后沒有新的菌落長出時計數(shù)工作結(jié)束；放線菌在30℃黑暗條件下培養(yǎng),5 d后開始統(tǒng)計菌落數(shù),10 d后沒有新的菌落長出時計數(shù)工作結(jié)束。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析試驗數(shù)據(jù)用Statistical（1993）軟件進行顯著性統(tǒng)計分析,并用Excel軟件進行圖表制作。

2 結(jié)果

2.1 土壤微生物總數(shù)量2年6次測定平均土壤微生物總數(shù)在放牧強度為8.7只羊/hm2的輪牧分區(qū)最高,在5.3只羊/hm2的輪牧分區(qū)最低（表1）。但逐一比較同一測定日期內(nèi),不同放牧率下各輪牧分區(qū)土壤微生物總數(shù)量發(fā)現(xiàn),僅2005年5月、6月0只羊/hm2顯著（P＜0.05）低于8.7只羊/hm2,2006年6月5.3只羊/hm2輪牧分區(qū)顯著（P＜0.05）低于 2.7只羊/hm2和 8.7只羊/hm2的處理,其他各測定日期內(nèi),不同放牧率處理間差異并不顯著（P＞0.05）（表1）。

表1 不同放牧強度、不同取樣期土壤微生物三大類群總數(shù)量 （×104CFU/g）

2.2 各層土壤微生物的動態(tài)特征

2.2.1真菌的動態(tài)特征 不同放牧強度下,0～10、10～20和20～30 cm土層,真菌數(shù)量的變化趨勢基本一致。即真菌數(shù)量的最高值均出現(xiàn)在9月,最低值在4或11月（圖1）。20～30 cm土層,2005年5月,2.7只羊/hm2輪牧分區(qū)的真菌數(shù)量顯著（P＜0.05）高于5.3只羊/hm2輪牧分區(qū),高幅達83.50%（圖1）。

2.2.2細菌的動態(tài)特征 不同放牧強度下,0～10、10～20和20～30 cm土層,細菌的變化趨勢一致。3個層次的細菌數(shù)量最高值均在9月,最低值均在4月。20～30 cm土層,2005年6月,8.7只羊/hm2輪牧分區(qū)的細菌數(shù)量顯著（P＜0.05）高于未放牧的輪牧分區(qū),高幅達81.50%（圖2）。

2.2.3放線菌的動態(tài)特征 不同放牧強度下,0～10、10～20和20～30 cm 土層,放線菌的變化趨勢基本一致。3個層次的放線菌數(shù)量最高值均在11月,而最低值在4或6月。2005年5月和2006年6月在 0～10 cm土層,放線菌數(shù)量在2.7只羊/hm2輪牧分區(qū)顯著（P＜0.05）高于0和5.3只羊/hm2,高幅達43.69%～180.36%。10～20 cm土層放線菌數(shù)量,2005年 5月,在 2.7只羊/hm2的輪牧分區(qū)顯著（P＜0.05）高于 5.3只羊/hm2,高幅達 77.59%。20～30 cm土層放線菌數(shù)量,2006年4月,在2.7只羊/hm2輪牧分區(qū)顯著（P＜0.05）高于 0只羊/hm2,幅度達107.04%（圖3）。

圖1 不同放牧強度下土壤真菌的動態(tài)

2.3 土壤微生物的空間動態(tài)分布2005年,土壤真菌、細菌和放線菌數(shù)量均表現(xiàn)為隨土層加深呈極顯著（P＜0.01）的降低。2006年,真菌和放線菌數(shù)量亦表現(xiàn)為隨土層加深逐漸降低,但細菌數(shù)量表現(xiàn)10～20 cm高于0～10 cm。從2年試驗結(jié)果看出,土壤微生物數(shù)量總體表現(xiàn)為表層最高,隨土層加深逐漸降低（圖4）。

3 討論

圖2 不同放牧強度下土壤細菌的動態(tài)

3.1 土壤微生物的數(shù)量和比例真菌、細菌和放線菌由于其生態(tài)屬性不同,它們的數(shù)量及其在微生物總數(shù)中所占的比例對棲息的生態(tài)條件有一定的指示意義,同時,受土壤成分、土壤酸堿度和植被種類的影響,是土壤的重要生物學(xué)指標。本研究結(jié)果表明,未放牧的對照區(qū)和輪牧分區(qū),三大類群微生物數(shù)量上,細菌占絕對優(yōu)勢,放線菌次之,真菌最少,說明細菌對該土壤的適應(yīng)性強,而真菌和放線菌因受土壤中有機質(zhì)、pH值等環(huán)境因子的影響,生長發(fā)育受到極大限制。這與以往研究報道的草地土壤微生物數(shù)量變化一致[8,11-12]。

圖3 不同放牧強度下土壤放線菌的動態(tài)

3.2 土壤微生物數(shù)量對放牧的響應(yīng)放牧對土壤微生物數(shù)量的影響因草地類型、管理措施等而異,因為各類草原的土壤水熱條件、肥力狀況及生產(chǎn)力不同。本研究結(jié)果表明,同一取樣期（6月）不同的年份（2005和2006年）土壤微生物的數(shù)量變化差異較大,導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因與2年不同的氣候條件有關(guān)。2005和2006年1-5月的降水量分別是36.0和34.7 mm,1-5月的平均氣溫分別為0.62和2.58℃。土壤水分和氣溫均會影響土壤微生物的活動和數(shù)量,加之隨著放牧?xí)r間的增加,牲畜的踩踏和采食導(dǎo)致土壤板結(jié)和植被結(jié)構(gòu)改變；另一方面,牲畜排泄物造成土壤外來微生物的增加和土壤養(yǎng)分的改變,而這些變化都將對土壤微生物造成影響,故2006年6月土壤微生物數(shù)量明顯高于2005年6月。

圖4 2005和2006年土壤微生物的空間分布

不同微生物類群對放牧的響應(yīng)不一致。本研究結(jié)果表明,真菌和細菌對放牧的響應(yīng)比放線菌更為敏感。土壤真菌和放線菌的數(shù)量在2.7只羊/hm2輪牧分區(qū)上最高,但隨著牧壓的增加其值下降,這與趙吉[6]、馬爽等[13]的研究結(jié)果一致。說明圍欄封育和適度放牧均有助于土壤微生物的恢復(fù),提高草地土壤微生物的數(shù)量,但過度放牧使土壤微生物活性降低,從而使微生物數(shù)量下降。細菌數(shù)量在牧壓最重的8.7只羊/hm2的輪牧分區(qū)最高,這說明牧畜的踐踏作用使土壤變得緊實,通氣性下降,從而使土壤中好氣性細菌隨著放牧率的提高逐漸減少,嫌氣性細菌數(shù)量在一定的放牧率下略有增加[6]。同時,細菌適應(yīng)不良環(huán)境的能力強[14]。因而,細菌數(shù)量在牧壓最重的處理區(qū)最高。

3.3 土壤微生物的季節(jié)動態(tài)土壤微生物的變化是非常復(fù)雜的。土壤微生物的變化具有明顯的季節(jié)性,這與有機物的供應(yīng)、植物生長狀況以及溫濕等環(huán)境因素有關(guān)[15]。生態(tài)環(huán)境中的土壤溫度、水分等因素伴隨著季節(jié)變化而變化,是影響土壤微生物數(shù)量的主要因素。同一種草地類型的同一塊樣地,季節(jié)變化是導(dǎo)致土壤微生物類群數(shù)量分布特征存在差異的原因之一。本試驗結(jié)果表明,隴東黃土高原天然草地土壤的真菌、細菌和放線菌數(shù)量具有明顯的季節(jié)性變化,土壤真菌和細菌數(shù)量均呈單峰曲線,5月到9月上升,9月到11月下降,高峰出現(xiàn)在9月。產(chǎn)生這種變化的原因是:早春土壤溫度和水分較低,導(dǎo)致微生物不能進行旺盛地生長繁殖,數(shù)量較低。5月隨著氣溫回升,牧草開始返青,微生物生長繁殖亦加快,數(shù)量逐漸上升,9月土壤溫度高、水分較充足,有利于微生物的生長和繁殖,數(shù)量急劇上升,達到全年最高。該時期也是枯枝落葉分解最旺盛的季節(jié),說明微生物對枯枝落葉的分解作用非常強烈。9月以后進入秋季,溫度和水分也逐漸下降,隨著氣溫的降低土壤溫度下降,微生物的活性也降低,導(dǎo)致其數(shù)量也下降。土壤放線菌數(shù)量的變化不同于真菌和細菌的變化,其值從5月到11月逐漸升高,最高值在11月,這與馬爽等[13]的結(jié)果一致。產(chǎn)生這種變化的原因可能與放線菌的生理特征有關(guān),如較耐低溫,參與一些難分解的物質(zhì)[14],也是放線菌對干旱及其他不良環(huán)境的適應(yīng)能力較強導(dǎo)致的。但也有研究表明,草地土壤微生物量的高峰在7或8月,而9月呈下降趨勢[15-17],與本試驗的結(jié)果略有不同,這可能是不同的草地類型、降水量等因素造成的。

3.4 土壤微生物數(shù)量的垂直分布土壤微生物數(shù)量從上而下呈急劇減少趨勢,這與以往研究報道的結(jié)果一致[7-8,11-12,16,18]。這是因為地表聚集大量枯枝落葉,土壤結(jié)構(gòu)疏松,給微生物活動提供良好的通氣條件,另一方面,表層土壤的水熱和通氣狀況好,利于微生物生長繁殖。土壤微生物的數(shù)量垂直分布也反映了草原土壤層次的營養(yǎng)狀況。

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