不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆的土壤微生物數(shù)量、養(yǎng)分含量及酶活性的比較研究

張 瑋，韓 磊，解李娜，李清芳，馬成倉

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

狹葉錦雞兒（Caragana stenophylla）是豆科錦雞兒屬灌木，由于具有抗旱、耐瘠薄、耐風(fēng)蝕和繁殖性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，因此適應(yīng)能力較強(qiáng)，在內(nèi)蒙古典型草原區(qū)、荒漠草原區(qū)和荒漠區(qū)都有分布，并且在荒漠區(qū)形成優(yōu)勢種.狹葉錦雞兒可以防風(fēng)固沙、保持水土，并且是重要的飼用植物[2].目前對其研究主要集中于光合特性[3]、水分調(diào)節(jié)特性、遺傳特征、形態(tài)適應(yīng)特性[4]和繁殖特性[5]等方面.在狹葉錦雞兒灌叢防風(fēng)固沙方面，本課題組研究了典型草原、荒漠草原和荒漠區(qū)狹葉錦雞兒灌叢沙堆的形態(tài)、發(fā)育特征和固沙能力[6].

土壤是植物群落發(fā)育演化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它深刻影響著植被的發(fā)展變化，自身也會(huì)隨氣候和植被的變化而變化.土壤養(yǎng)分、土壤微生物和土壤酶是表征土壤系統(tǒng)的重要特性.土壤養(yǎng)分的含量直接影響植物的生長狀況，土壤微生物作為分解者參與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，而土壤酶參與土壤中許多生物化學(xué)過程，可以在一定程度上反應(yīng)土壤肥力狀況[7].本課題組選取內(nèi)蒙古典型草原、荒漠草原、荒漠區(qū)的狹葉錦雞兒灌叢，分析灌叢沙堆下土壤微生物的數(shù)量、養(yǎng)分含量和酶活性，以此了解狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中的微生物與生境、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性之間的關(guān)系.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

選取錫林浩特市為典型草原采樣點(diǎn)、蘇尼特右旗為荒漠草原采樣點(diǎn)、阿拉善左旗為荒漠區(qū)采樣點(diǎn)，其自然概況如表1所示.

表1 采樣點(diǎn)的自然概況Tab.1 Environmental data for main sampling sites

1.2 灌叢沙堆的選取及樣品采集

野外采樣于2010年9月進(jìn)行.三地的狹葉錦雞兒灌叢和其固定的沙堆均呈島嶼狀散亂分布，每個(gè)采樣點(diǎn)分別選取6個(gè)形態(tài)和發(fā)育特征相似的灌叢.在每個(gè)沙堆的頂部、中部、基部各采集10～20cm土層的土壤樣品，將每一灌叢3個(gè)位置的土壤進(jìn)行混合，作為1組，共6組重復(fù).土壤樣品裝于自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室后于4℃冰箱保存.實(shí)驗(yàn)時(shí)去除植物根系和礫石，在室內(nèi)風(fēng)干，分別過篩（1.00mm和0.15mm），用于測定土壤微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性.

1.3 土壤微生物的分離計(jì)數(shù)

細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)采用改良高氏一號培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)采用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基，表面涂抹法平板接種[8].稱取鮮土樣5g，放入裝有無菌水的加玻璃珠三角瓶中（以充滿瓶底為宜），振蕩10min使土樣充分打散.準(zhǔn)確吸取土壤溶液 1mL，依次稀釋 101、102、103、104倍，再準(zhǔn)確吸取0.2mL不同濃度的土壤溶液接種到培養(yǎng)皿中.其中，細(xì)菌和放線菌為稀釋102、103、104倍的土壤懸液，真菌為稀釋101、102、103的土壤懸液，每一個(gè)稀釋度重復(fù)3次.接種后，用無菌玻璃棒均勻涂布于培養(yǎng)基表面.接種有土壤懸液的培養(yǎng)皿水平放置20～30min，使菌液滲透入培養(yǎng)基內(nèi)，然后倒置培養(yǎng)于25～28℃恒溫箱中，培養(yǎng)時(shí)間為：細(xì)菌2～3 d，真菌5～7d，放線菌7～10d.選取每皿15～150個(gè)菌落對應(yīng)的稀釋度統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)，按下列公式計(jì)算每克干土中的菌數(shù).

1.4 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷的測定參照文獻(xiàn)[9]，土壤水分用105℃、24h烘干法測定.

1.5 土壤酶活性的測定

土壤酶活性測定參考文獻(xiàn)[10].脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測定，酶活性以24h后1g土壤中NH4+-N的質(zhì)量（mg）表示；過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀容量法，其活性以20min后1g土壤消耗的0.1mol/L KMnO4的體積（mL）表示；轉(zhuǎn)化酶采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，其活性以24h后1g土壤中葡萄糖的質(zhì)量（mg）表示；磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，其活性以2h后100g土壤中P2O5的質(zhì)量（mg）表示.

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan檢驗(yàn)對平均數(shù)進(jìn)行多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物的數(shù)量與組成

對內(nèi)蒙古高原不同生境下狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中的微生物進(jìn)行分離和計(jì)數(shù)，結(jié)果如表2所示.

表2 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物的數(shù)量Tab.2 Amount of soil microorganisms in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats ×105/g干土

從表2可以看出，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的細(xì)菌數(shù)量在3個(gè)生境中的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p≤0.05），典型草原區(qū)的細(xì)菌數(shù)量最多，分別為荒漠草原區(qū)和荒漠區(qū)的3.26和8.00倍.對于放線菌和真菌，荒漠區(qū)的數(shù)量都顯著高于荒漠草原區(qū)和典型草原區(qū)，約為后兩者的1倍，典型草原和荒漠草原區(qū)之間的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.在微生物總量上，典型草原區(qū)狹葉錦雞兒灌叢沙堆的土壤微生物總量明顯高于荒漠草原區(qū)和荒漠區(qū)，荒漠區(qū)數(shù)量最少.

3個(gè)生境的狹葉錦雞兒灌叢沙堆中，土壤微生物的組成差異較大，如圖1所示.

圖1 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物的組成比例Fig.1 Composition of soil microorganisms in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

從圖1可以看出，在3個(gè)生境中，細(xì)菌在微生物總量中所占比例最大，放線菌次之，真菌最小.隨著干旱加劇，細(xì)菌所占比例逐漸降低，放線菌和真菌比例增高.荒漠區(qū)放線菌在微生物總量中的比例分別是荒漠草原區(qū)和典型草原區(qū)的3.47和10.39倍，真菌所占比例分別為荒漠草原區(qū)和典型草原區(qū)的9.33和33.85倍.

2.2 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤養(yǎng)分的比較

3個(gè)生境下狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的養(yǎng)分含量如表3所示.

表3 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤養(yǎng)分含量Tab.3 Soil nutrients in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

由表3可以看出，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷的含量均表現(xiàn)為典型草原區(qū)最高，荒漠草原區(qū)次之，荒漠區(qū)含量最低；荒漠草原區(qū)和典型草原區(qū)的含水量相近，二者均大于荒漠區(qū)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p≤0.05）.

2.3 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤酶活性的比較

比較3個(gè)生境下狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的酶活性，結(jié)果如表4所示.

表4 不同生境狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤酶活性Tab.4 Enzymes activities in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

從表4可以看出，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中，脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均表現(xiàn)為荒漠草原區(qū)＞典型草原區(qū)＞荒漠區(qū)，過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性在3種生境之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p≤0.05）；脲酶在典型草原區(qū)和荒漠草原區(qū)之間的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，二者與荒漠區(qū)的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p≤0.05）；堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為典型草原區(qū)最高，其次為荒漠草原區(qū)，荒漠區(qū)最低，其在3個(gè)生境間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p≤0.05）.

3 討論

3.1 狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物與生境的關(guān)系

從典型草原、荒漠草原到荒漠區(qū)，光輻射和氣溫遞增，降水遞減，風(fēng)力侵蝕漸強(qiáng)，沙源漸豐富.典型草原區(qū)適宜的水熱條件能夠促進(jìn)狹葉錦雞兒和其他植被的發(fā)育，植物的根系分泌物、枯枝落葉以及這些物質(zhì)長期積累形成的有機(jī)質(zhì)為土壤微生物的生長提供了豐富營養(yǎng)；同時(shí)，典型草原區(qū)的氣候和土壤的通氣狀況也有利于微生物的生存與繁衍，因此該地區(qū)狹葉錦雞兒灌叢沙堆的土壤微生物總量最高.從典型草原到荒漠區(qū)，氣候越來越不利于植物生長，植被蓋度逐漸降低，植物的根系分泌物、枯枝落葉和土壤有機(jī)質(zhì)逐漸減少，營養(yǎng)趨于匱乏，這些因素導(dǎo)致狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物逐漸減少.

有研究表明，細(xì)菌對濕潤、溫和環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，而真菌和放線菌對干旱、高溫惡劣環(huán)境耐受性強(qiáng)[11].典型草原的氣候較濕潤，溫度適中，所以細(xì)菌在狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物中所占比例最高，而土壤細(xì)菌數(shù)量的增加會(huì)抑制真菌和放線菌生長[12]，使真菌和放線菌的數(shù)量較低.從典型草原到荒漠區(qū)，降水逐漸減少，氣溫逐漸升高，干旱脅迫越來越嚴(yán)重，氣候變化導(dǎo)致真菌和放線菌在狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物中所占比例逐漸增加，細(xì)菌所占比例逐漸降低，這與田曉堃等[13]的研究結(jié)果相似.

本研究表明，氣候差異和受氣候決定的植被差異共同導(dǎo)致了不同生境下土壤微生物數(shù)量的變化，而氣候差異和微生物的適應(yīng)性差異決定了生境間土壤細(xì)菌、放線菌和真菌組成的變化.

3.2 狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物與養(yǎng)分的關(guān)系

土壤營養(yǎng)元素如全氮、全磷、速效磷含量均表現(xiàn)為典型草原最高，荒漠草原次之，荒漠區(qū)含量最低.含氮土壤酸度的增加、植物根系及微生物對土壤磷的活化作用[14]都會(huì)提高土壤有效磷的含量.養(yǎng)分含量會(huì)直接影響3個(gè)地區(qū)狹葉錦雞兒和其他植被的生長狀況，而植被生長狀況又會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物含量從典型草原、荒漠草原到荒漠區(qū)呈下降趨勢.有機(jī)質(zhì)的差異能夠直接影響微生物的生長狀況[15]，導(dǎo)致了微生物數(shù)量從典型草原、荒漠草原到荒漠區(qū)呈下降趨勢；另一方面，土壤中的無機(jī)養(yǎng)分含量也直接影響微生物的生長，養(yǎng)分含量充足的典型草原為微生物生長提供了更有利的條件，從典型草原區(qū)向荒漠區(qū)，無機(jī)養(yǎng)分的減少也使微生物數(shù)量下降.

有研究表明，微生物能促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累，主要表現(xiàn)在固氮微生物能夠促進(jìn)氮素積累[16].本研究表明，從荒漠區(qū)到典型草原區(qū)，土壤營養(yǎng)逐漸升高，導(dǎo)致了土壤微生物數(shù)量的增加，而微生物數(shù)量的增加反過來又加快了土壤營養(yǎng)的積累，加大了地區(qū)之間的營養(yǎng)差異.

3.3 狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物與酶活性的關(guān)系

土壤酶來源于土壤中動(dòng)物、植物和微生物細(xì)胞的分泌物及其殘?bào)w的分解物，其中微生物細(xì)胞是其主要來源[10].蔡曉布等[17]對藏北退化高寒草地的研究發(fā)現(xiàn)，微生物的數(shù)量與土壤中脲酶、過氧化氫酶的活性呈正相關(guān).本研究發(fā)現(xiàn)，從典型草原區(qū)到荒漠區(qū)，狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤中堿性磷酸酶的活性逐漸降低，典型草原區(qū)狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均高于荒漠區(qū)，這與從典型草原區(qū)到荒漠區(qū)狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤微生物數(shù)量的遞減密切相關(guān).本研究還發(fā)現(xiàn)荒漠草原區(qū)狹葉錦雞兒灌叢沙堆土壤的脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性高于典型草原，這一現(xiàn)象說明土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性存在復(fù)雜的關(guān)系，不能籠統(tǒng)認(rèn)為土壤微生物數(shù)量的增多一定有助于土壤酶活性的提高，需要將具體的土壤酶與分泌這些酶的微生物類群或種群對應(yīng)起來加以分析[18]，甚至要結(jié)合酶與植物根系和土壤動(dòng)物的對應(yīng)關(guān)系，才能準(zhǔn)確說明土壤酶活性變化的原因.

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