衡陽紫色土丘陵坡地退化植被和恢復(fù)植被土壤微生物生物量的研究

劉作云，楊寧

1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院繼續(xù)教育部，湖南 衡陽 421005；2. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院，湖南 衡陽 421005

衡陽紫色土丘陵坡地退化植被和恢復(fù)植被土壤微生物生物量的研究

劉作云1，楊寧2*

1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院繼續(xù)教育部，湖南 衡陽 421005；2. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院，湖南 衡陽 421005

土壤微生物量常被作為植物所需營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化因子和資源庫，是表明土壤發(fā)育狀況和生化強度的一項主要指標。為了研究衡陽紫色土丘陵坡地退化植被與恢復(fù)植被的土壤微生物生物量特征。以退化植物群落（狗尾草群落）（Ass. Setaria viridis）和恢復(fù)植群落(楓香+苦楝-剌槐+牡荊-野菊花+夏枯草群落）（Ass. Liquidamdar formosana+Melia azedarach-Robinia pseudoacacia+Vitex negundo var. cannabifoloa-Chrysanthemum indicum+Prunella vulgaris）作為研究對象，通過調(diào)查取樣和實驗分析相結(jié)合的方法，分析2種植物群落的0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層的土壤微生物生物量的變化特征。結(jié)果表明：（1）隨著土層深度增加，土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量均顯著降低，其大小順序為：0～10 cm土層＞10～20 cm土層＞20～30 cm土層＞30～40 cm土層＞40～50 cm土層（P＜0.05）；（2）恢復(fù)植被各土層中的土壤微生物生物量均顯著高于退化植被（P＜0.05）；（3）土壤微生物生物量與土壤含水量、土壤容重、土壤有機質(zhì)和土壤微生物生物量存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05或P＜0.01）。研究表明：恢復(fù)植被有利于土壤微生物生物量的提高和土壤質(zhì)量的改善。

退化植被；恢復(fù)植被；土壤微生物生物量；紫色土；衡陽

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動力，直接參與養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)分解等諸多生態(tài)過程(楊寧等，2013a，2013d，2014b)。土壤微生物生物量是表征土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動的重要參數(shù)之一，被認為是土壤活性養(yǎng)分的儲備庫，是植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源（Balloni W和Favilli F，1987；Brussaard L，1994；Smith J L和Paul E A，1990；楊寧等，2013b）因此，微生物參數(shù)可作為土壤質(zhì)量變化的指標（Kershaw K A，1963；楊滿元等，2013；楊寧等，2014a）。

衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省生態(tài)環(huán)境最為惡劣的地區(qū)之一，也是中國南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)。由于紫色土極易水蝕，發(fā)育期短，地力差，常處于幼年階段，加上顏色深、吸熱性強，夏季地面溫度高，蒸發(fā)量大，又因區(qū)域性水、熱分布等不利環(huán)境影響和不合理的開發(fā)，致使該區(qū)域長期以來植被稀疏，水土流失和季節(jié)性旱災(zāi)嚴重，惡劣的生態(tài)環(huán)境嚴重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)民增收明顯低于其他地區(qū)，甚至危及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生存。為了遏制該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化，科研工作者們在這一地區(qū)做了大量的工作，并已取得一系列研究成果（楊寧等，2009c，2010，2012，2013a，2013d，2014b）。本項目擬通過對退化植被和恢復(fù)植被土壤微生物生物量的研究，為深入探討本地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)，為退化植被進行生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1　研究地區(qū)與方法

1.1自然概況

衡陽紫色土丘陵坡地（110°32′16″～113°16′32″E，26°07′05″～27°28′24″ N）地處湖南省中南部，湘江中游，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫18 ℃，極端最高氣溫40.5 ℃，極端最低氣溫-7.9 ℃，年平均降雨量1325 mm，年平均蒸發(fā)量1426.5 mm，平均相對濕度80%，全年無霜期286 d。地貌類型以丘崗為主。紫色土呈網(wǎng)狀集中分布于該區(qū)域中部海拔60～200 m的地帶，東起衡東縣霞流鎮(zhèn)、大浦鎮(zhèn)，西至祁東縣過水坪鎮(zhèn)，北至衡陽縣演陂鎮(zhèn)、渣江鎮(zhèn)，南達常寧市官嶺鎮(zhèn)、東山瑤族鄉(xiāng)和耒陽市遙田鎮(zhèn)、市爐鎮(zhèn)一帶，其中以衡南、衡陽兩縣面積最大（楊寧等，2009a，2009b）。

退化植被的植物群落類型為狗尾草群落（Ass. Setaria viridis），植物以草本植物為主，主要包括狗尾草、假儉草（Eremochloa ophiuroides）、牛筋草（Eleusine indica）、須芒草（Miscanthus sinensis）和早熟禾（Poa annua）等5種，地表土壤侵蝕嚴重，處于半裸露狀態(tài)，植被蓋度為20%，為土壤提供的凋落物少，生境條件不利于土壤微生物的生長繁殖和土壤養(yǎng)分的積累。

恢復(fù)植被的植物群落類型為楓香+苦楝-剌槐+牡荊-野菊花+夏枯草群落（Ass. Liquidamdar formosana+Melia azedarach-Robinia pseudoacacia+ Vitex negundo var. cannabifoloa- Chrysanthemum indicum+Prunella vulgaris），該植被類型層次結(jié)構(gòu)明顯，包括喬木層、灌木層和草本層，喬木層有楓香、苦楝、香樟（Cinnamomum camphora）和櫟（Quercus spp.）等小喬木；灌木層有剌槐、牡荊、馬桑（Coriaria nepalensis）、女貞（Ligustrum luciduum）等；草本層有野菊花、夏枯草、早熟禾、田邊菊（Kalimeris indica）、過路黃（Lysimachia christinae）等。植被蓋度為80%，地是植物生物量大，每年提供大量凋落物，地下植物根系發(fā)達，其分泌物和死根是土壤微生物的能源物質(zhì)，有利于土壤微生物的生長繁殖和土壤養(yǎng)分的積累。

退化植被與恢復(fù)植被的土壤性質(zhì)見表1。

1.2方法

1.2.1樣品采集

2012年8月5日選擇退化植被和恢復(fù)植被作為研究樣地，采用多點混合法，用土鉆分別在0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm依次采集5層土壤樣品，每一層選5點打鉆，將5個點的土壤混合后，裝入塑料袋密封保鮮帶回實驗室，供土壤微生物生物量、土壤含水量、土壤容重、土壤有機質(zhì)和土壤微生物生物量碳的測定分析。

1.2.2土壤微生物生物量的測定

采用干重換算法，測定土壤微生物生物量（廖仰南，1988；陳璟和楊寧，2013c）。

細菌生物量的測定：對好氣性細菌和芽孢細菌進行測定，計算公式為：

B1=c/b·N

式中：B1為細菌生物量（g·g-1干土）；c不計數(shù)細菌的總干重（g）；b為計數(shù)細菌懸液中的細菌總數(shù)（個）；N為1 g干土中的細菌數(shù)量。

絲狀微生物生物量的測定：對真菌和放線菌進行測定，計算公式為：

B2=dw·l2·10/l1·ds

式中：B2為細菌和真菌的生物量（g·g-1干土）；dw為定量（5 ml)懸液菌絲干重（g）；l1為菌絲懸液涂片的顯微鏡視野平均長度（μm）；l2為土壤懸液涂片的顯微鏡視野平均長度（μm）；ds為干土的百分含量；10為土壤懸液50 ml與菌絲懸液5 ml的比值。

1.2.3土壤性質(zhì)的測定方法

土壤含水量（Soil water content, SWC）采用烘干法（105 ℃，12 h）；土壤容重（Soil bulk density, SBD）：環(huán)刀法；土壤有機質(zhì)（Soil organic matter, SOM）：重鉻酸鉀氧化-外加熱法，土壤微生物量碳（Soil microbial biomass carbon, SMBC）：用氯仿薰蒸-K2SO4浸提法。

1.2.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法（one-way ANOVA）和和最小顯著差異法（LSD）比較不同數(shù)據(jù)間的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)分析不同因子間的相關(guān)系數(shù)。表中所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤細菌生物量的垂直分布

由于細菌可產(chǎn)生胞外代謝物，如多糖，脂類和蛋白質(zhì)，起到膠結(jié)作用以穩(wěn)定團聚體（Gupta V R和Germida J J，1988；李新榮等，2001）。研究表明（表2），退化植被與恢復(fù)植被的土壤細菌生物量存在明顯差異。恢復(fù)植被土壤細菌生物量顯著大于退化植被土壤細菌生物量（P＜0.05），在0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層中，退化植被好氣性細菌生物量分別為恢復(fù)植被的66.99%、87.15%、70.26%、93.77%和93.65%；芽孢型細菌：88.77%、66.27%、38.32%、51.89%和64.49%。無論是退化植被還是恢復(fù)植被，細菌生物量均隨著土層的加深而明顯減?。≒＜0.05）。在退化植被中，0～10 cm土層好氣性細菌生物量分別為10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層的1.03倍、1.79倍、2.25倍和2.90倍；芽孢型細菌：2.11倍、3.73倍、3.80倍和4.48倍。在恢復(fù)植被中，0～10 cm土層好氣性細菌生物量分別為10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層的1.34倍、1.88倍、3.15倍的4.05倍；芽孢型細菌：1.57倍、1.61倍、2.22倍和3.35倍。因此，好氣性細菌和芽孢型細菌通過代謝活動為恢復(fù)植被提供能源大于退化植被。

表1　退化植被與恢復(fù)植被的土壤性質(zhì)Table 1　Soil properties in degenerated and recovered vegetation

2.2土壤微生物生物量的垂直分布

研究表明（表3），退化植被和恢復(fù)植被土壤微生物生物量存在明顯差異（P＜0.05），在0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層中，退化植被細菌生物量分別只有恢復(fù)植被細菌生物量的78.07%、85.89%、60.67%、92.62%和85.27%；絲狀微生物：56.62%、59.43%、66.23%、35.15%和38.26%。無論是退化植被還是恢復(fù)植被，土壤微生物生物量隨著土層深度的加深而顯著降低（P＜0.05），在退化植被中，0～10 cm土層細菌生物量分別為10～20、20～30、30～40和40～50 cm的1.06倍、2.01倍、2.23倍和3.09倍；絲狀微生物（放線菌和真菌的總和，下同）：1.44倍、1.46倍、10.47倍和10.99倍。在恢復(fù)植被中，0～10 cm土層細菌生物量分別為10～20、20～30、30～40和40～50 cm的1.16倍、1.57倍、2.65倍和3.37倍；絲狀微生物：1.51倍、1.71倍、6.50倍和7.42倍。由于土壤微生物在建立和保持土壤結(jié)構(gòu)方面有關(guān)鍵作用，特別是當(dāng)絲狀微生物粘結(jié)土壤顆粒形成土壤團聚體時更加明顯（Forster S M，1979；Venkateswarlu B和Rao A V，1981）。生態(tài)環(huán)境不同，土壤微生物處于不斷變化狀態(tài)，導(dǎo)致其生物量也不同，使得恢復(fù)植被各土層的土壤質(zhì)量優(yōu)于退化植被。

2.3土壤微生物生物量與土壤性質(zhì)的關(guān)系

土壤微生物通過對土壤有機質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化而影響著土壤向植物提供養(yǎng)分的能力，土壤微生物量即活體的生物總量，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中起著重要的作用，既是土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)換與循環(huán)的動力，又可作為土壤有效養(yǎng)分的儲備庫（陳璟和楊寧，2012，2013a，2013b）。研究表明（表4），土壤微生物量與土壤性質(zhì)（包括土壤含水量、土壤容重、土壤有機質(zhì)和土壤微生物量碳）有密切關(guān)系。在退化植被中，土壤微生物生物量與土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量和土壤微生物量碳含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與土壤容重呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；在恢復(fù)植被中，土壤微生物生物量與土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量和土壤微生物量碳含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤容重呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。

表2　退化植被與恢復(fù)植被土壤好氣性細菌和芽孢型細菌生物量的垂直分布Table 2　Vertical distribution of for soil aerophile and sporeforming bacteria in degenerated and recovered vegetation　　10-9g·g-1土

表3　退化植被與恢復(fù)植被土壤細菌和絲狀微生物生物量的垂直分布Table 3　Vertical distribution of for soil bacteria and filamentous microbes in degenerated and recovered vegetation　　　10-9g·g-1土

表4　土壤微生物生物量與土壤性質(zhì)間的相關(guān)分析Table 4　Correlation between soil microbial biomass and soil properties

3　結(jié)論與討論

3.1討論

通過對衡陽紫色土丘陵坡地退化植被和恢復(fù)植被的土壤微生物生物量的研究認識到，衡陽紫色土丘陵坡地退化植被土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)已被破壞，土壤中微生物生物量降低，土壤微生物腐解能力減弱，土壤中營養(yǎng)元素循環(huán)速率和能量流動也減弱，微生物生物量碳和有機質(zhì)含量的減少，植被覆蓋率降低，植物種類減少，導(dǎo)致退化植被的土壤質(zhì)量低于恢復(fù)植被（謝瓊中，2014；楊寧等，2014c，2014d）。因此，恢復(fù)植被是防止植被退化和水土流失，提高土壤質(zhì)量，保護和治理生態(tài)環(huán)境的重要措施。在衡陽紫色土丘陵坡地，如不及時對退化植被采取有效措施，任其發(fā)展下去，將會使環(huán)境和生態(tài)比例失調(diào)，造成水土流失，導(dǎo)致不可逆的惡性循環(huán)（楊寧等，2011，2013c；李紅和楊寧，2014）。

3.2結(jié)論

本文通過對衡陽紫色土丘陵坡地退化植被和恢復(fù)植被土壤微生物生物量的研究，得出以下結(jié)論：

（1）隨著土層深度的增加，無論是在退化植被還是在恢復(fù)植被中，土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量均顯著降低，其垂直分布的大小順序為：土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量（0～10 cm土層）＞土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量（10～20 cm土層）＞土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量（20～30 cm土層）＞土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量(30～40 cm土層）＞土壤微生物生物量、土壤細菌和絲狀微生物生物量（40～50 cm土層）（P＜0.05）；

（2）恢復(fù)植被各土層中的土壤微生物生物量均顯著高于退化植被（P＜0.05）；

（3）相關(guān)分析表明：土壤微生物生物量與土壤含水量、土壤容重、土壤有機質(zhì)關(guān)系密切，他們均與土壤微生物生物量存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05或P＜0.01）。

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Soil Microbial Biomass in Degenerated and Recovered Vegetation on Sloping-land with Purple Soils in Hengyang of Hunan Province, China

LIU Zuoyun1, YANG Ning2*

1. Hunan Environmental-Biological Polytechnic College, Department of Extended Education, Hengyang 421005, China; 2. Hunan Environmental-Biological Polytechnic College, College of Landscape Architecture, Hengyang 421005, China

Soil microbial biomass was not only usually looked as transforming factors and pool of resource of nutritional elements needed by plants, but also a main index of development status and biochemical capacity of soils. In order to study the properties of soil microbial biomass in degenerated vegetation and recovered vegetation on sloping-land with purple soils in Hengyang of Hunan Province, China. Taking degenerated plant community (Ass. Setaria viridis) and recovered plant community (Ass. Liquidamdar formosana+Melia azedarach-Robinia pseudoacacia+Vitex negundo var. cannabifoloa-Chrysanthemum indicum+ Prunella vulgaris) in the region as test objects, soil samples from depths of 0～10 cm, 10～20 cm, 20～30 cm, 30～40 cm and 40～50 cm were collected to study the properties of soil microbial biomass through the combination of sample investigation and experimental analysis. The results showed that: (1) With the increase of soil depth, the total soil microbial biomass, bacteria and filamentous microbial biomass were followed the order as 0～10 cm soil layer＞10～20 cm soil layer＞20～30 cm soil layer＞30～40 cm soil layer＞40～50 cm soil layer(P＜0.05); (2) The soil microbial biomass in recovered vegetation was significantly higher than that in degenerated vegetation(P＜0.05); (3) The soil microbial biomass was significantly and very significantly correlated with SWC (Soil water content), SBD (Soil bulk density), SOM (Soil organic matter) and SMB (Soil microbial biomass) (P＜0.05 or P＜0.01). All the results indicated that recovered vegetation was beneficial to the increase of soil microbial biomass and improvement of soil quality.

degenerated vegetation; recovered vegetation; soil microbial biomass; purple soils; Hengyang

S154

A

1674-5906（2014）11-1739-05

劉作云，楊寧. 衡陽紫色土丘陵坡地退化植被和恢復(fù)植被土壤微生物生物量的研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(11): 1739-1743.

LIU Zuoyun, YANG Ning. Soil Microbial Biomass in Degenerated and Recovered Vegetation on Sloping-land with Purple Soils in Hengyang of Hunan Province, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1739-1743.

湖南省科技廳項目（S2006N332）；湖南省林業(yè)科技創(chuàng)新計劃項目（XLK201339；XLK201341）

劉作云（1982年生），男，講師，碩士，主要從事土壤生態(tài)學(xué)與環(huán)境生態(tài)學(xué)的教學(xué)與研究。E-mail: yangning678787@sina.com

*通信作者：楊寧(1974年生)，男，副教授，博士。E-mail: yangning8787@sina.com

2014-09-22