高寒生態(tài)脆弱區(qū)“黑土灘”草地植被與土壤微生物數(shù)量特征研究

盧虎，李顯剛，姚拓＊，蒲小鵬

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070；2.貴州省黔南州飼草飼料工作站，貴州 黔南558000）

黑土灘是指嚴(yán)重退化的高寒草甸，是當(dāng)?shù)厝罕妼@一特殊景觀的俗稱。在青藏高原獨(dú)特及嚴(yán)酷的自然條件下，高寒草甸退化后經(jīng)風(fēng)蝕和水蝕形成的大面積裸地產(chǎn)物，即黑土灘［1－2］。這一特殊、惡化了的高寒草甸給當(dāng)?shù)啬撩窈筒菔臣倚蠹捌渌锏纳鎺砹酥苯油{，嚴(yán)重阻礙著當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)的持續(xù)發(fā)展［1－4］。近年來，許多學(xué)者及草地工作者對黑土灘進(jìn)行了大量的研究，且主要集中于黑土灘這種生態(tài)環(huán)境改變產(chǎn)生的標(biāo)示性現(xiàn)象及其恢復(fù)建植的相關(guān)研究［1－7］。如李希來［8］對高原黑土灘形成的自然因素與生物學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為人為過度放牧是導(dǎo)致禿斑地形成的主導(dǎo)因素；害鼠破壞、風(fēng)蝕、水蝕和凍融剝離等自然因素加速了黑土灘的形成［1］。程曉月等［5］研究認(rèn)為，毒雜草的化感抑制作用是影響利用垂穗披堿草（Elymusnutans）改建黑土灘的重要因素。李世雄等［6］研究表明，“黑土灘”草地土壤種子庫在植被返青前、種子成熟前和枯黃期均有種子萌發(fā)，種子萌發(fā)數(shù)量為返青前＞枯黃期＞種子成熟期前。馬玉壽等［2］對黃河源區(qū)“黑土灘”退化草地群落類型多樣性及其群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，表明黃河源區(qū)7個(gè)類型的“黑土灘”草地都完全失去了牧用價(jià)值，短期內(nèi)自然恢復(fù)的物質(zhì)基礎(chǔ)也已喪失，該類草地的恢復(fù)治理必須通過人工植被的重建來實(shí)現(xiàn)。王彥龍等［7］對黃河源區(qū)“黑土灘”混播草地牧草植物量及營養(yǎng)動(dòng)態(tài)研究表明，對于黃河源區(qū)的極度退化草地黑土灘，改建成人工草地是一種重要的恢復(fù)途徑。李希來［8］通過研究，選定種類不多的禾本科牧草作為先鋒植物以定居黑土灘。在土壤理化性質(zhì)的調(diào)查研究中，陳生云等［9］對疏勒河上游地區(qū)植被物種多樣性和環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為土壤改良仍然在大面積區(qū)域很難實(shí)現(xiàn)。

土壤微生物在生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要的作用，也是判斷土壤生物活性的重要指標(biāo)。土壤三大類微生物（細(xì)菌、真菌和放線菌）運(yùn)用自身酶系統(tǒng)直接參與植物凋落物及有機(jī)殘?bào)w的物質(zhì)分解和循環(huán)過程，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一［10］。土壤微生物氮素生理群整體運(yùn)行參與土壤氮素循環(huán)中，作為一類功能群體生物是微量元素與能量轉(zhuǎn)換的主要“催化劑”，與植物營養(yǎng)具有密不可分的聯(lián)系，其中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、固氮細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在土壤氮素轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用，土壤中微生物氮素生理群的存在與活動(dòng)對于土壤肥力以及植物營養(yǎng)具有重要意義［11］。在草地生態(tài)系統(tǒng)的“植被－土壤”亞系統(tǒng)中，土壤微生物起著相當(dāng)重要的作用，雖然眾多學(xué)者在“黑土灘”草地的治理與植被恢復(fù)、重建中做了大量研究，但是對于“黑土灘”草地土壤微生物及其變化的研究目前報(bào)道極少。為此，本研究以甘肅天祝高寒“黑土灘”草地為對象，研究“黑土灘”草地不同土壤空間層次及季節(jié)，草地土壤三大類微生物及氮素生理群的數(shù)量變化特征及其與植被的關(guān)系，為從微觀視野探索“黑土灘”草地退化機(jī)制及土壤改良和植被恢復(fù)提供理論依據(jù)和科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究地自然概況

研究地位于甘肅省天?？h金強(qiáng)河（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)高山草原試驗(yàn)站），37°11′～37°13′N，102°29′～102°33′E，海拔2700～3300m（本研究采樣地2970～2990m），氣候寒冷潮濕，年均溫－0.1℃，1月均溫－18.3℃，7月均溫12.7℃，＞0℃年積溫1380℃，水熱同期，年日照時(shí)數(shù)2600h；年降水量416mm，多為地形雨，集中于7－9三個(gè)月，年蒸發(fā)量1592mm。無絕對無霜期，僅分冷、熱2季，春季常有旱象，并有暴風(fēng)雪。土層厚約40～80cm。土壤pH值7.0～8.2，有機(jī)質(zhì)含量10%～16%。土壤以亞高山草甸土、亞高山黑鈣土等為主。植被以嵩草（Kobresiabellardii）、苔草（Carexspp.）、針茅（Stipacapillata）、莎草（Cyperusspp.）、珠芽蓼（Polygonumviviparum）、金露梅（Potentillafruticosa）、棘豆（Oxytropisspp.）、狼毒（Stellerachamaejasme）、委陵菜（Potentilla chinensis）、杜鵑（Rhododendronspp.）等為主。

1.2 樣地選擇及地上植物量測定

在研究地的典型“黑土灘”草地設(shè)置樣地10hm2，隨機(jī)選取5處裸露土壤呈黑色的大面積次生裸地，在確定取樣點(diǎn)后，每1個(gè)樣點(diǎn)取3個(gè)樣方，每一樣方面積為1m×1m。記錄樣方內(nèi)的植物種類，同時(shí)將樣方內(nèi)所有植物齊地面刈割，除去粘附在植物上的土壤、礫石等雜質(zhì)后帶回實(shí)驗(yàn)室，在65℃恒溫箱內(nèi)烘干至恒重，計(jì)算樣方地上生物量［12－16］。

1.3 土壤樣品采集

分別于2011年4，6，8和10月，在1.2的刈割了地上植物的樣方內(nèi)，除地面的枯枝落葉及礫石等雜質(zhì)，按0～20cm和20～40cm兩個(gè)層面分別采集土壤樣品，并將各點(diǎn)相同層次土樣混合，按四分法除去多余土樣，留1kg左右裝入無菌聚乙烯袋密封，土壤帶回實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行各類微生物分離（4℃保存不超過24h）、計(jì)數(shù)［17］及土壤氮素測定。

1.4 土壤三大類微生物數(shù)量測定

1）真菌數(shù)量測定。采用馬丁－孟加拉紅培養(yǎng)基，以平板涂抹法計(jì)數(shù)［17］。即稱取土壤樣品10g，在無菌條件下用無菌水配成不同濃度梯度懸浮液，取稀釋度為10－1，10－2的土壤懸浮液各50μL，接種于盛有滅菌的馬?。霞永t培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中，用無菌刮刀涂抹均勻。每個(gè)濃度3個(gè)重復(fù)，恒溫（25℃）培養(yǎng)5～7d，選取每皿菌落數(shù)為15～150的1個(gè)稀釋度統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)，按下列公式計(jì)算真菌數(shù)量［10］。

其中：M＝a×u/v，N為每1g干土的菌數(shù)；M為每1g鮮土的菌數(shù)；v為每個(gè)培養(yǎng)皿中加懸浮液體積（本研究為50μL）；a為培養(yǎng)皿中平均菌落數(shù)；u為稀釋倍數(shù)。

2）細(xì)菌數(shù)量測定。采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基［17］，以平板涂抹法計(jì)數(shù)。取稀釋度為10－3，10－4，恒溫（28℃）培養(yǎng)3d以外，測定方法同上。按上述方法和公式統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)并計(jì)算細(xì)菌數(shù)量。

3）放線菌數(shù)量測定。采用改良高氏一號培養(yǎng)基［16］，以平板涂抹法計(jì)數(shù)。取稀釋度為10－3，10－4恒溫（28℃）培養(yǎng)7～10d，測定方法同上。按上述方法和公式統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)并計(jì)算放線菌數(shù)量。

1.5 土壤微生物氮素生理群及數(shù)量測定

1）氨化細(xì)菌數(shù)量測定。采用蛋白胨氨化培養(yǎng)基［18］，以平板涂抹法計(jì)數(shù)。取稀釋度為10－3，10－4，恒溫（28℃）培養(yǎng)3d以外，測定方法同1.4。按上述方法和公式統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)并計(jì)算氨化細(xì)菌數(shù)量。

2）硝化細(xì)菌數(shù)量測定。采用改良的斯蒂芬遜（Stephenson）培養(yǎng)基，以稀釋法測定［16］。將15mL培養(yǎng)基分裝于試管中（深層造成嫌氣條件）。高壓蒸汽滅菌25min。將稀釋度為10－4，10－5，10－6，10－7，10－8的土壤懸液1mL接入試管，每稀釋度重復(fù)3次。另取3支試管接種1mL無菌水作對照，于28～30℃培養(yǎng)14d后檢查是否有菌生長，如有細(xì)菌生長，一般有氣泡出現(xiàn)，培養(yǎng)液變濁。同時(shí)用格里斯試劑做顯色反應(yīng)（如有亞硝酸存在，則呈紅色），根據(jù)測得數(shù)量指標(biāo)結(jié)果，按下列公式計(jì)算每g干土中的菌數(shù)。

3）反硝化細(xì)菌數(shù)量測定。采用組合培養(yǎng)基［17］，以稀釋法測定。取稀釋度為10－4，10－5，10－6，10－7，10－8，于28～30℃培養(yǎng)14d后使用奈氏試劑檢查是否有氨氣產(chǎn)生，根據(jù)測得數(shù)量指標(biāo)結(jié)果，按1.5的公式計(jì)算每g干土中的菌數(shù)。

4）好氣性固氮菌。采用阿須貝（Ashby）培養(yǎng)基［17］，平板涂抹法計(jì)數(shù)。取稀釋度為10－2，10－3，恒溫（28℃）培養(yǎng)7d后，統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)，按1.4的公式計(jì)算每g干土中的菌數(shù)。

5）嫌氣性固氮菌。采用玉米面培養(yǎng)基［17］，以稀釋法測定。取稀釋度10－4，10－5，10－6，10－7，10－8，于28～30℃培養(yǎng)7d后，觀察氣泡及丁酸的形成外，還需觀察菌蓋的形狀和培養(yǎng)基的變清。在確定了嫌氣性自生固氮菌的發(fā)育后，按1.5的公式計(jì)算每g干土中的菌數(shù)。

1.6 土壤全氮測定

土壤全氮按常規(guī)法測定［19］。所有數(shù)據(jù)使用Excel 2007和SPSS 17.0處理，并通過Pearson相關(guān)性分析計(jì)算各數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑土灘植被狀況及地上植物量

天祝高寒地區(qū)“黑土灘”草地的植被狀況測定結(jié)果表明，有6種主要的定植次生演替植物：微孔草（Microula sikkimensis）、香薷（Elsholtziaciliate）、珠芽蓼、棘豆、委陵菜、蒿草。它們的植物量各不相同，其中微孔草和香薷作為優(yōu)勢種，植物量分別為42.41和26.16g/m2，分別占總地上植物量的39.27%和24.22%（表1）。

2.2 土壤三大類微生物數(shù)量空間分布特征及季節(jié)動(dòng)態(tài)

2.2.1 土壤三大類微生物空間數(shù)量特征 土壤微生物以真菌、細(xì)菌和放線菌為主，是土壤最具有活性的成分。“黑土灘”草地土壤三大類微生物數(shù)量測定結(jié)果表明，三大類微生物數(shù)量在不同土壤深度的空間層次變化較大，以0～20cm土層數(shù)量高，隨層次增加（20～40cm），數(shù)量下降。0～20cm土層真菌、細(xì)菌和放線菌的數(shù)量分別是20～40cm土層的4.02，1.12和1.92倍。2個(gè)土壤層次之間真菌、細(xì)菌、放線菌以及三大類微生物總數(shù)均呈顯著差異水平（P＜0.05）。土壤三大類微生物中，以細(xì)菌數(shù)量最多，占微生物總數(shù)的84.60%，真菌數(shù)量最低，占微生物總數(shù)的0.17%，細(xì)菌和放線菌占微生物總數(shù)的99.83%（表2）。這一結(jié)果表明，土壤三大類微生物的數(shù)量主要分布在0～20cm土層。這是因?yàn)樵诓菰鷳B(tài)系統(tǒng)中，植物根系主要分布在0～20cm層，這一深度是植物－土壤－微生物系統(tǒng)最活躍的土壤層次。由于地上調(diào)落物的營養(yǎng)物質(zhì)聚集、良好的土壤通氣性及水熱條件，這里分布著大量的植物根系與土壤之間物質(zhì)與能量的交換活動(dòng)，而微生物正是這些代謝活動(dòng)的主要參與者。

表1 黑土灘植被狀況及地上植物量Table 1 Vegetation and above－ground biomass

表2 土壤三大類微生物數(shù)量的空間分布Table 2 Spatial distribution of fungi，bacteria and actinomycetes

2.2.2 土壤三大類微生物數(shù)量的季節(jié)動(dòng)態(tài) 微生物的生命活動(dòng)主要受到環(huán)境中溫度及濕度的影響。測定結(jié)果（圖1）表明，天祝高寒草地土壤三大類微生物數(shù)量在不同時(shí)間（溫度及降雨量差異大）動(dòng)態(tài)中土壤真菌、細(xì)菌和放線菌數(shù)量存在差異性。2個(gè)土壤層呈現(xiàn)相似的變化趨勢，即單駝峰變化曲線：數(shù)量從4月份開始平緩升高，至8月份達(dá)到頂峰，隨后逐漸下降，但是0～20cm土層的數(shù)量變化幅度要高于20～40cm土層（圖1）。0～20cm土層中三大類微生物數(shù)量最大值均出現(xiàn)在8月份，最小值在4月份，如土壤細(xì)菌的最大值為17.25×106cfu/g，土壤真菌的最小值為16.83×103cfu/g；20～40cm土層中，除了土壤細(xì)菌的最小值出現(xiàn)在10月份，其他土壤微生物的時(shí)間變化規(guī)律與0～20cm土壤基本保持一致，如土壤放線菌的最大值為5.79×106cfu/g，土壤細(xì)菌的最小值為6.70×106cfu/g。此外，土壤三大類微生物的總數(shù)量從4月的21.03×106cfu/g到8月的49.40×106cfu/g，10月25.95×106cfu/g，呈現(xiàn)先增長后降低的過程（圖1）。

圖1 土壤三大類微生物季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig.1 Seasonal dynamic of fungi，bacteria and actinomycetes

結(jié)果表明，土壤三大類微生物的數(shù)量存在一定的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，這是植物－土壤－微生物系統(tǒng)中環(huán)境溫、濕度變化的結(jié)果。在研究區(qū)，4－5月溫度回升，土壤微生物活動(dòng)逐步增強(qiáng)，數(shù)量逐漸增加；6－8月，溫度和降雨量達(dá)到最大，植物生長和微生物的活動(dòng)也最為活躍，三大類微生物的數(shù)量也達(dá)到最高，之后隨時(shí)間延伸，氣溫下降，降水減少，植物生長和微生物生命活動(dòng)減弱，三大類微生物的數(shù)量也在逐漸減少。亦即土壤三大類微生物的數(shù)量隨水熱條件的季節(jié)變化而同步變化。

2.3 土壤微生物氮素生理群數(shù)量空間分布特征及季節(jié)動(dòng)態(tài)

2.3.1 土壤微生物氮素生理群的空間層次分布特征 土壤微生物氮素生理群以氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和固氮菌為主要組成成分，是土壤氮素循環(huán)中重要的成分?！昂谕翞辈莸赝寥牢⑸锏厣砣簻y定結(jié)果表明，氮素生理群數(shù)量空間層次分布以0～20cm土層數(shù)高，隨層次增加（20～40cm），數(shù)量下降，土壤微生物0～20 cm土層數(shù)量與20～40cm數(shù)量之間的比例最低為1.18（氨化細(xì)菌），最高為2.63（硝化細(xì)菌）。如嫌氣性固氮菌在0～20cm土壤中4月間平均值為7.52×103cfu/g，20～40cm土壤中為4.47×103cfu/g，2個(gè)層次間比例為1.68倍；且2個(gè)土壤層之間氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌以及固氮菌和微生物總數(shù)的差異均呈現(xiàn)顯著水平（P＜0.05）。氮素生理群中，以好氣性固氮菌數(shù)量最多，占微生物總數(shù)的57.51%，嫌氣性固氮菌數(shù)量最少，占微生物總數(shù)的0.05%（表3）。

結(jié)果表明，土壤微生物氮素生理群的分布主要集中在植物－土壤－微生物系統(tǒng)最活躍的0～20cm土層，其空間層次分布與土壤三大類微生物一致。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)氮源的主要來源——地上調(diào)落物殘?bào)w和植物根系等聚集在該層次，同時(shí)植物根系與土壤之間物質(zhì)與能量的交換活動(dòng)也在該層次發(fā)生。

表3 土壤微生物氮素生理群的空間層次Table 3 Spatial distribution of physiological bacteria group of nitrogen

2.3.2 土壤微生物氮素生理群季節(jié)動(dòng)態(tài) “黑土灘”草地土壤微生物氮素生理群季節(jié)動(dòng)態(tài)測定結(jié)果表明，不同時(shí)間動(dòng)態(tài)中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、好氣性固氮菌和嫌氣性固氮菌數(shù)量存在差異性。2個(gè)土壤層次與土壤三大類微生物變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)單駝峰變化曲線：數(shù)量從4月份開始平緩升高，至8月份達(dá)到頂峰，隨即轉(zhuǎn)而下降（圖2）。0～20cm土壤中氮素生理群數(shù)量最大值均出現(xiàn)在8月份，最小值在4月份，如土壤氨化細(xì)菌的最大值為17.14×106cfu/g，土壤嫌氣性固氮菌的最小值為3.86×103cfu/g；20～40 cm土壤中，除了土壤氨化細(xì)菌和好氣性固氮菌的最小值出現(xiàn)在10月份，其他土壤微生物的時(shí)間變化規(guī)律與0～20cm土壤基本保持一致，如好氣性固氮菌的最大值為6.60×104cfu/g，土壤硝化細(xì)菌的最小值為3.53×103cfu/g。土壤微生物氮素生理群的總數(shù)（圖2）也表現(xiàn)出相似的動(dòng)態(tài)變化。微生物總數(shù)中8月與其他月份差異顯著，而6月與10月差異不顯著，4月與6月差異不顯著。

圖2 土壤氮素生理群的季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig.2 Seasonal dynamic of physiological group of nitrogen

2.4 土壤微生物氮素生理群數(shù)量與草地生物量和土壤氮素的相關(guān)性

土壤中的氮素含量由全氮來表示，包含了有機(jī)氮與無機(jī)氮。植物群落的地上生物量反映了植物群落的生物積累量，對于研究草食動(dòng)物的環(huán)境容納量、草地植被的恢復(fù)等是必不可少的定量化指標(biāo)，也是草地管理的重要依據(jù)［20］。對天祝高寒草地的五種土壤微生物氮素生理群數(shù)量、草地植物量和土壤全氮含量進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），結(jié)果表明，土壤全氮含量與氮素生理群中的硝化細(xì)菌、好氣性固氮菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.834和0.785，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；與氨化細(xì)菌的數(shù)量無相關(guān)性或相關(guān)性極??；與反硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為－0.801，也達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。同時(shí)，草地植物量和土壤微生物氮素生理群的數(shù)量之間的相關(guān)性結(jié)果表明，草地植物量與氮素生理群中的好氣性固氮菌、氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.887，0.839和0.822，均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）；與反硝化細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)為－0.922，也達(dá)到了極顯著水平（P＜0.05）。

3 討論

3.1 土壤微生物的空間變化

本研究中微生物（真菌、細(xì)菌和放線菌及氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、好氣性固氮菌和嫌氣性固氮菌）主要分布在0～20cm土壤中，隨著土壤深度的增加，數(shù)量逐步減少，這與前人研究土壤微生物空間分布的情況一致。如王素娟等［21］（2008）對庫布齊沙地不同生境下土壤微生物細(xì)菌、真菌、放線菌、自身固氮菌數(shù)量進(jìn)行研究中得出不同菌種之間表現(xiàn)為細(xì)菌最多，其次是自身固氮菌、放線菌，最后是真菌。土壤微生物數(shù)量垂直分布順序是5～10cm＞10～20cm。丁玲玲等［22］（2007）對青藏高原東祁連山6種不同的高寒草地型土壤微生物數(shù)量的研究中得出土壤微生物數(shù)量在表土層（0～10cm）居多。土壤微生物氮素生理群根據(jù)其相同或不同的形態(tài)，參與土壤氮素循環(huán)的活動(dòng)。其中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、固氮細(xì)菌和反硝化細(xì)菌在土壤氮素轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用。土壤中氮素生理群的存在與活動(dòng)對于土壤肥力以及植物營養(yǎng)具有重要意義。氨化細(xì)菌類群參與土壤中有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨的過程，還將動(dòng)植物殘?bào)w中的氮素分解回歸于環(huán)境中。生物體的含氮物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)，生物死亡后，蛋白質(zhì)主要被細(xì)菌分解氨化。天祝高寒草原黑土灘氨化細(xì)菌在0～20cm和20～40cm兩層土壤中，總數(shù)量為2.31×104cfu/g，是土壤微生物氮素生理群總數(shù)量的9.06%。硝化細(xì)菌是一種自養(yǎng)需氧型細(xì)菌，以二氧化碳為碳源，通過代謝將氨或銨鹽氧化成硝酸鹽。在土壤中氮素循環(huán)硝化作用的第一階段和第二階段連續(xù)進(jìn)行，包括亞硝化菌和硝化菌，通常測定亞硝化細(xì)菌的數(shù)量。反硝化細(xì)菌是一種能引起反硝化作用的細(xì)菌，多為異養(yǎng)、兼性厭氧細(xì)菌，如反硝化桿菌和斯氏桿菌等。它在土壤中還原那些因消化作用所累積的硝酸鹽。天祝高寒草原地區(qū)黑土灘硝化細(xì)菌的數(shù)量在土壤微生物氮素生理群中較少，在0～20cm和20～40cm兩層土壤中，總數(shù)量為13.75×103cfu/g，是土壤微生物氮素生理群總數(shù)量的0.06%；反硝化細(xì)菌的數(shù)量比硝化細(xì)菌多，在0～20cm和20～40cm兩層土壤中，總數(shù)量為5.88×104cfu/g，是土壤微生物氮素生理群總數(shù)量的0.25%，幾乎是硝化細(xì)菌的4.3倍。好氣性以及嫌氣性固氮菌與植物體內(nèi)共生固氮菌不同，它們不會(huì)定殖在植物體內(nèi)并且能從空氣中吸收氮?dú)?，繁殖后代，殘?bào)w還將營養(yǎng)留給植物，讓植物得到大量氮肥。好氣性固氮菌在土壤及大氣的氮素平衡中起重大作用，他們固氮能力較強(qiáng)。嫌氣性固氮菌同好氣性固氮菌一樣具有一定固氮能力，只是生活在嚴(yán)格的厭氧條件中。天祝高寒草原黑土灘中好氣性固氮菌比嫌氣性固氮菌數(shù)量多，在0～20cm和20～40cm兩層土壤中，好氣性固氮菌總數(shù)量為14.67×104cfu/g，是土壤微生物氮素生理群總數(shù)量的0.63%，而嫌氣性固氮菌總數(shù)量為1.30×103cfu/g，是土壤微生物氮素生理群總數(shù)量的0.06%，是好氣性固氮菌的0.09倍。如姚拓和龍瑞軍［10］（2006）研究5種不同干擾生境，得到不同空間層次草地土壤微生物數(shù)量變化均較大，0～20cm土層的數(shù)量均大于20～40cm，一般0～20cm土層的數(shù)量是20～40cm的2～7倍。高曉星等［23］（2013）在與本實(shí)驗(yàn)相同地段獲得嵩草內(nèi)生細(xì)菌，其生物防治作用發(fā)生在線葉嵩草（Kobresiacapillifolia）的根莖（0～10cm）甚至地上部位。微生物群落變化也會(huì)影響其空間分布，古麗君等［24］（2013）研究中發(fā)現(xiàn)木霉的定殖會(huì)對微生物群落發(fā)生改變，土壤細(xì)菌大量增加，土壤真菌繁殖得到抑制。Grundmann和Debouzie［25］（2000）利用1mm直徑的土壤探針測得氮素生理群中的硝化桿菌僅在2～4mm中存在空間上的聚集，認(rèn)為形成這種分布的主要原因由于土壤團(tuán)聚體和細(xì)根的存在。

表4 土壤微生物氮素生理群數(shù)量、草地植物量和土壤全氮含量相關(guān)系數(shù)Table 4 Coefficient of population of physiological group，content of above－ground biomass and soil total nitrogen

3.2 土壤微生物季節(jié)變化

本研究中微生物數(shù)量的變化均隨季節(jié)（溫度及降雨量差異大）的推移，呈現(xiàn)出先升高后降低的季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律，這與前人研究結(jié)論相似。如張崇邦［26］（2002）研究東北羊草（Leymuschinensis）草原雜草土壤微生物生物量以及土壤環(huán)境因子的季節(jié)動(dòng)態(tài)得出，雜草土壤微生物生物量和呼吸速率具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，最大值出現(xiàn)在8月（12.78×10－3g/g干土，16.24×10－3g/g干土·d），呈單峰曲線變化趨勢；其認(rèn)為這主要與土壤營養(yǎng)成分、水熱條件有密切關(guān)系。王素娟等［21］（2008）的研究中，細(xì)菌、真菌、放線菌、自身固氮菌4種微生物數(shù)量的季節(jié)變化為夏季是秋季的2.25倍，是冬季的26.13倍，秋季是冬季的11.64倍。本研究中微生物數(shù)量8月夏季最多，4月或10月冬春季最少與此一致。Eviner和Chapin［27］（2005）的研究中，春季末期由于哺育等活動(dòng)出現(xiàn)的小型洞穴對土壤的擾動(dòng)很小，對氮素循環(huán)的影響也只限于短期作用，這與本研究中4月中整體氮素生理群的數(shù)量最低相一致。而冬季出現(xiàn)的大型鼠丘堆對于土壤有很大程度的擾動(dòng)，并且極大地增加了固氮速率，這是因?yàn)橥寥罍囟仁俏⑸飻?shù)量與活性的重要影響因子。植物根系附近存在著一系列生理生化反應(yīng)，土壤微生物通過自身酶系統(tǒng)參與氮素循環(huán)硝化作用以及固定大氣中氮?dú)獾姆磻?yīng)，且微生物的生命活動(dòng)本身又是由一系列的生物化學(xué)反應(yīng)組成，溫度的改變直接影響著整個(gè)生理生化反應(yīng)的水平。天祝地區(qū)從4月份開始地面逐漸解凍，地表積溫不斷增加，土壤中的生理生化反應(yīng)不斷加劇，微生物的數(shù)量也隨之上升；8月份過后氣溫下降，10月份進(jìn)入冬季，土壤中生理生化反應(yīng)逐漸減少，微生物的數(shù)量也隨之下降。因此溫度與土壤微生物數(shù)量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。

3.3 “黑土灘”草地中氮素生理群與氮素的關(guān)系

土壤中氮素的變化與土壤微生物的改變相關(guān)聯(lián)，本研究中參與土壤氮素循環(huán)的硝化細(xì)菌及固氮菌與土壤全氮量之間相關(guān)性較高。丁玲玲等［22］（2007）的研究中得出土壤微生物總數(shù)與土壤全氮相關(guān)性顯著。Tresserras和lvarez［28］（2004）得到的研究證明黑土灘的擾動(dòng)和土壤中氮素的可利用性之間有關(guān)聯(lián)，最近受到擾動(dòng)的土壤中有機(jī)氮的含量高于周邊牧場；并且研究得出高山草原有機(jī)氮的利用率幫助形成了最早定殖在黑土灘上的雜草還有非菌根物種。Canals等［29］（2005）在最早的定殖植物物種對氮素動(dòng)態(tài)的影響研究中發(fā)現(xiàn)這些物種對衣囊鼠鼠丘上整個(gè)草地群落后續(xù)動(dòng)態(tài)都有重要的作用。豆科牧草的輪作對土壤中氮素含量的改變很大，在曹莉等［30］（2013）對連作馬鈴薯（Solanumtuberosum）田土壤微生物菌群的研究中，與種植牧草前相比好氣型固氮菌數(shù)量最高增加283.69%。黑土灘上小型哺乳動(dòng)物的擾動(dòng)對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生改變：在Dinesman［31］（1967）的研究中，鼴鼠（Talpaeuropea）的打洞作用使得大量鈣與鎂元素重回土壤中，而這些鈣和鎂原本被密集的根系活動(dòng)所吸收過濾。在Ross等［32］（1968）的研究中，“黑土灘”草地土壤都具有以下特點(diǎn)：土壤密度較低，土壤結(jié)構(gòu)較松散，比相鄰未經(jīng)擾動(dòng)土壤有較高透水性。在Zlotin和Kodashova［33］（1974）的研究中，小型哺乳動(dòng)物挖掘的黑土灘土壤溫度明顯增高，并且快速形成的地表碎塊阻止了蒸發(fā)作用。在5～20cm的土壤深度，黑土灘的水分含量比未經(jīng)擾動(dòng)的土壤中高7～8倍。Wearn和Gange［34］（2007）的研究表明，對地下以菌根真菌為主的生物合成起決定性作用的因素主要是地上草食動(dòng)物的種類和啃食強(qiáng)度。

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