峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物數(shù)量及生物量特征

譚秋錦，宋同清，彭晚霞，曾馥平，杜 虎，張 浩，范夫靜

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125；2.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004；3.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，環(huán)江 547100； 4.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌 330045)

峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物數(shù)量及生物量特征

譚秋錦1, 2,3，宋同清1,3,*，彭晚霞1,3，曾馥平1,2,3，杜 虎1,3，張 浩1,3，范夫靜1,4

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125；2.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004；3.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，環(huán)江 547100；
4.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌 330045)

采用樣地調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究了峽谷型喀斯特水田、旱地、草地、灌叢、人工林、次生林6種生態(tài)系統(tǒng)不同深度土壤微生物數(shù)量、微生物生物量特征及其分形關(guān)系。結(jié)果表明：峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物數(shù)量及組成不同，微生物數(shù)量均以次生林最高，旱地最低，其組成數(shù)量均為細(xì)菌>放線菌>真菌，細(xì)菌是土壤微生物的主要類(lèi)群，數(shù)量多達(dá)26.66×105—71.64×105cfu/g，占全部微生物比例為87.00%—95.50%，其次為放線菌數(shù)量，為1.45×105—3.78×105cfu/g，所占比例為4.21%—12.39%，真菌數(shù)量最小，為0.07×105—0.23×105cfu/g，所占比例僅為0.24%—0.61%，不足1%。不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)的含量不同，次生林MBC與MBN最高，人工林MBP最高，旱地MBC最低，草地MBN與MBP最低；各生態(tài)系統(tǒng)均為MBC>MBN>MBP。不同生態(tài)系統(tǒng)的MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP分別為0.44%—0.97%、2.13%— 3.13%、1.46%—2.13%，差異不顯著；MBC/MBN在3.06—6.54之間，其中次生林極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，其他生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著。不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量及生物量均隨土層加深而減少，且具有良好分形關(guān)系，均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)。探討土壤微生物活性為提高石灰土土壤肥力、促進(jìn)喀斯特植被迅速恢復(fù)提供依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)；土壤微生物數(shù)量；土壤微生物量；峽谷型喀斯特

土壤微生物是土壤的重要組成部分，主要通過(guò)分解動(dòng)植物殘?bào)w而參與土壤系統(tǒng)中的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)和植物生長(zhǎng)可利用養(yǎng)分的一個(gè)重要來(lái)源，影響早期植被演替的分布格局及其后來(lái)的演替過(guò)程[1- 2]。土壤微生物量是土壤碳循環(huán)最為活躍的部分，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動(dòng)的重要參數(shù)之一，可反映土壤同化和礦化能力的大小，是土壤活性大小的標(biāo)志[3]，一直被認(rèn)為是土壤活性養(yǎng)分的暫時(shí)儲(chǔ)存庫(kù)。土壤微生物數(shù)量是研究和評(píng)價(jià)土壤微生物調(diào)控功能的重要參數(shù)[4- 5]，土壤微生物數(shù)量不僅反映了土壤各因素對(duì)土壤微生物的影響，同時(shí)也反映了其對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤肥力的影響[6- 7]，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)也有一定的調(diào)節(jié)作用。許多學(xué)者研究認(rèn)為土壤微生物對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能如養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)、能量流動(dòng)、土壤結(jié)構(gòu)維持、溫室氣體產(chǎn)生、土壤安全調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要作用，即土壤微生物群落在一定程度上調(diào)節(jié)著土壤乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)功能，甚至影響著全球生態(tài)系統(tǒng)的變化[8- 10]。

貴州處于我國(guó)西南喀斯特地區(qū)的中心，因生態(tài)環(huán)境脆弱，植被破壞后很難恢復(fù)，形成了不同程度的“石漠化”，其恢復(fù)與重建已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境改善、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民脫貧致富的迫切需求。土壤微生物是地球生物演化進(jìn)程中的先鋒種類(lèi)[11]，被公認(rèn)為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)[12]，對(duì)喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建作用重大。張利青等[13]發(fā)現(xiàn)石灰土土壤微生物生物量在坡面尺度范圍內(nèi)存在著明顯的空間分布；宋敏等[14]認(rèn)為不同土地利用方式通過(guò)改善地上植被種類(lèi)和覆蓋度影響了土壤微生物的群落特征；宋同清等[15]、龍健等[16]、魏媛等[17]發(fā)現(xiàn)喀斯特區(qū)域植被恢復(fù)影響土壤微生物活性，何尋陽(yáng)等[18]、鹿士楊等[19]認(rèn)為不同退耕還林還草措施能改善土壤微生物特性，提高土壤質(zhì)量，且自然恢復(fù)方式優(yōu)于人工恢復(fù)方式[16]。這些研究多針對(duì)于表層土，且局限在喀斯特峰叢洼地。涉及到土壤微生物與土層深度關(guān)系方面的研究極少，而對(duì)峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落特征的研究未曾報(bào)道。本文以貴州省晴隆縣孟寨小流域典型峽谷型喀斯特的6個(gè)生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究不同深度土壤微生物數(shù)量、生物量的變化特征及分形關(guān)系，目的在于探明退化喀斯特恢復(fù)的土壤微生物機(jī)理，為該地區(qū)乃至整個(gè)喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為貴州省晴隆縣孟寨河小流域，位于25°33′—26°11′N(xiāo)、105°01′—105°25′E之間，最高海拔2025 m，屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14.0—15.9 ℃，年極端高溫為33.4 ℃，最低氣溫為-6.2 ℃，日照時(shí)數(shù)1453 h，無(wú)霜期280 d。年降水量1500—1650 mm，集中在6—9月份，年蒸發(fā)量1800 mm，空氣相對(duì)濕度在50%以下。地形起伏大，具有山高、谷深、坡陡的特點(diǎn)，屬二迭紀(jì)巖層風(fēng)化而成的石灰土。研究區(qū)人地矛盾突出，人為干擾強(qiáng)烈，植被退化嚴(yán)重，長(zhǎng)年水土流失導(dǎo)致石漠化趨勢(shì)明顯，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。該小流域與普定后寨(高原型)、印江朗溪(巖溶槽谷型)、 荔波板寨(峰叢洼地型)并稱四大喀斯特地貌類(lèi)型區(qū)的4個(gè)小流域。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與調(diào)查

2012年5—6月，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏查，選擇具有代表性的水田(ST)、旱地(HD)、草地(CD)、灌叢(GC)、人工林(RGL)、次生林(CSL) 6個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，在母質(zhì)、土壤類(lèi)型、坡度等立地條件基本一致的基礎(chǔ)上各設(shè)置3個(gè)樣地(表1)，樣地面積為20 m×20 m，系統(tǒng)進(jìn)行了植被、立地因子、人為干擾等因子調(diào)查，并用手持GPS(Global Positioning System)(GPSmap 60) 定位。

表1 6個(gè)生態(tài)系統(tǒng)樣地基本特征

ST：水田Paddy field；HD：旱地Dry land；CD：草地Grassland；GC：灌草Shrubbery；RGL：人工林Plantation forest；CSL：次生林Secondary forest

1.3 土壤取樣與分析

首先將每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的3個(gè)樣地都劃分為16個(gè)5 m×5 m的小樣方，各樣地獲得25個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，用土鉆測(cè)定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的土壤厚度。在每個(gè)樣地中挖取典型剖面，直至出現(xiàn)巖石層為止，用環(huán)刀分0—10 cm(Ⅰ層)、10—20 cm(Ⅱ?qū)?、20—30 cm(Ⅲ層)、30—50 cm(Ⅳ層)、50—100 cm(Ⅴ層)5層測(cè)容重。在樣地的4個(gè)角和中間按土壤機(jī)械分5層取樣，5個(gè)點(diǎn)同層次的土樣組成一個(gè)混合樣，一個(gè)樣地獲取5個(gè)土樣，每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)共15個(gè)土樣。土樣充分混合后將待測(cè)樣品分成兩部分，一部分帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干測(cè)定土壤理化性質(zhì)[20]，結(jié)果見(jiàn)表2。另一部分帶回實(shí)驗(yàn)室置于4 °C恒溫冰箱中，測(cè)定土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)，以及細(xì)菌、真菌、放線菌。土壤微生物生物量均采用氯仿熏蒸法：微生物碳(MBC)與氮(MBN)采用K2SO4浸提法，轉(zhuǎn)換系數(shù)K為0.45，微生物磷(MBP )采用NaHCO3提取，外加Pi校正，轉(zhuǎn)換系數(shù)K為0.4。土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板涂抹法計(jì)：細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌用馬丁氏培養(yǎng)基,放線菌用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基，以上分析方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[21]，分形維數(shù)D值是在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下對(duì)A、B的一系列值進(jìn)行線性回歸，所得擬合直線的斜率，A=kBD(k為比例系數(shù))[22]。

表2 不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤理化性質(zhì)

同列數(shù)據(jù)后不同大、小寫(xiě)字母分別表示差異達(dá)到極顯著和顯著水平

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理和分形特征計(jì)算均在Excel 2007、SPSS 16.0 軟件中完成，多重比較分析采用單因子(one-way ANOVA)，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD檢驗(yàn)(顯著性水平設(shè)定為a=0.05，極顯著水平設(shè)定為a=0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量的變化

由表3可以看出，峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量及組成不同，隨著退化喀斯特植被的恢復(fù)，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌及微生物總數(shù)均呈上升趨勢(shì)。不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物總數(shù)量依次為次生林>人工林>灌叢>草地>水田>旱地。次生林與人工林均為喬木群落，差異不顯著，但極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)；灌叢顯著高于草地，草地與水田差異不顯著，水田顯著高于旱地。細(xì)菌、放線菌、真菌的數(shù)量變化趨勢(shì)除放線菌、真菌表現(xiàn)為旱地>水田外，其變化規(guī)律與總數(shù)一致，且均具有次生林和人工林差異不顯著、但極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)的特征。不同生態(tài)系統(tǒng)微生物數(shù)量組成均呈細(xì)菌>放線菌>真菌，細(xì)菌的比例為87.00%—95.50%，各生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著；放線菌與真菌的比例分別為4.21%—12.39%和0.24%—0.61%，旱地極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，其他生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著。

表3 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量

2.2不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物量碳、氮、磷的變化

由于土壤微生物量周轉(zhuǎn)快，靈敏度高，可以反映土壤質(zhì)量微小的變化，常被作為研究土壤健康的生物學(xué)指標(biāo)。由表4可以看出，峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)的含量不同，但均為MBC>MBN>MBP。MBC含量的大小順序?yàn)榇紊?人工林>水田>灌叢>草地>旱地，其中次生林極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，人工林、水田和灌叢差異不顯著，但顯著高于草地和旱地，草地和旱地差異不顯著。MBN含量的大小順序?yàn)榇紊?人工林>灌叢>水田>旱地>草地，次生林與人工林差異不顯著，但極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，其他生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著；MBP含量的大小順序?yàn)槿斯ち?次生林>灌叢>水田>旱地>草地，同樣是次生林與人工林差異不顯著，但極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，其他生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)系統(tǒng)的MBC/SOC、MBN/TN、MBP/TP分別為0.44%—0.97%、2.13%—3.13%、1.46%—2.13%之間，差異不顯著；MBC/MBN在3.06—6.54，其中次生林極顯著高于其他生態(tài)系統(tǒng)，其他生態(tài)系統(tǒng)差異不顯著。

表4 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量碳、氮、磷含量

2.3微生物碳氮磷與微生物數(shù)量的分形特征

土壤微生物生物量可反映參與調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物數(shù)量。由表5可以看出，石灰土土壤微生物MBC、MBN、MBP與土壤細(xì)菌、真菌及放線菌都具有良好的分形關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.4545，0.6708，0.7137；.3981，0.6692，0.7554和0.3444，0.6428，0.7296，均達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，分形維數(shù)D值分別為-2.970，-2.492，-4.508；-2.254，-2.110，-3.872和-1.591，-1.642，-3.084，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表5 微生物數(shù)量與微生物量的分形特征模擬結(jié)果

yC：MBC；yN：MBN；yP：MBP；xB：細(xì)菌數(shù)量 Bacteria population;xF:真菌數(shù)量 Fungi population;xA: 放線菌數(shù)量 Actinomycetes population

2.4不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物生物量與數(shù)量的垂直變化

由圖1可以看出，不同生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)菌、真菌及放線菌數(shù)量呈現(xiàn)隨土層厚度加深而減少的趨勢(shì)(除水田和旱地)。在表層土壤(0—10 cm)中，草地、灌叢、人工林和次生林的細(xì)菌數(shù)量為4.13×106，7.08×106，9.38×106和10.13×106cfu/g，最深層的土壤(50—100 cm)為1.79×106，1.44×106，2.21×106和3.72×106cfu/g，前者分別是后者的2.31，4.92，4.24和2.72倍。而水田和旱地的細(xì)菌數(shù)量隨土層厚度加深波動(dòng)不大，主要是由人為干擾太大、土壤翻耕頻繁所致，真菌和放線菌的變化趨勢(shì)相似；不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物MBC、MBN與MBP均呈現(xiàn)隨土層厚度加深而減少的趨勢(shì)。在表層土壤(0—10 cm)中，水田、旱地、草地、灌叢、人工林和次生林的MBC分別為344.16，126.38，147.84，258.32，313.19和609.09 mg/kg，而最深層土壤(50—100 cm)分別為36.45，36.71，42.74，35.64，40.12和104.24 mg/kg，前者是后者的9.44，3.44，3.46，7.25，7.81和5.84倍。土壤的MBN和MBP同樣具有類(lèi)似趨勢(shì)。

圖1 不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物生物量與數(shù)量的垂直變化Fig.1 Vertical variations in soil microbial biomass and populations for the ecosystems

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤微生物數(shù)量特征

土壤微生物數(shù)量與組成很大程度上影響并決定著土壤的生物活性、有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成、土壤團(tuán)聚體形成以及土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[4]；同時(shí)土壤微生物深受土壤、植被、氣候等因子的影響。不同生態(tài)系統(tǒng)植被組成和發(fā)育階段不同，其分泌物的種類(lèi)、數(shù)量和性質(zhì)也不同，微生物數(shù)量和種類(lèi)組成也不同。西南喀斯特屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱條件豐富，極有利于土壤微生物的繁衍和生長(zhǎng)，土壤微生物的數(shù)量較高。張利青等[13]研究發(fā)現(xiàn)，高原型喀斯特處于北亞熱帶，溫度較低、降雨量較少，典型坡耕地土壤微生物總數(shù)僅為1.75×105cfu/g，三大菌類(lèi)的組成與前人研究的結(jié)果不同，為放線菌>細(xì)菌>真菌[15]。宋敏等[14]對(duì)中亞熱帶喀斯特峰叢洼地坡耕地、草叢、灌叢、人工林、次生林5個(gè)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物的數(shù)量研究表明，其土壤微生物總數(shù)量為4.27×104—3.14×106cfu/g，其中坡耕地、草叢、灌叢土壤三大菌類(lèi)的組成也為放線菌>細(xì)菌>真菌，人工林和次生林則為細(xì)菌>放線菌>真菌，本研究區(qū)域?yàn)楸眮啛釒У湫偷膷{谷型喀斯特，溫度較低，但降雨量大，土壤微生物的數(shù)量高達(dá)1.57×106—7.57×106cfu/g，三大菌類(lèi)的組成與其他土壤類(lèi)型的研究結(jié)果一致[23- 24]，均為細(xì)菌>放線菌>真菌，表明不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤微生物數(shù)量、分布存在重要影響。土壤微生物總數(shù)、細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量均以次生林最高，水田和旱地較低，這是由于次生林枝落葉物的凋落、分解及根系分泌物死亡，為微生物的生長(zhǎng)提供豐富的能源物質(zhì)，且均隨土壤厚度的加深而下降。

3.2 土壤微生物量碳、氮、磷

不同生態(tài)系統(tǒng)及土壤類(lèi)型條件下土壤微生物量的變化劇烈，受地上植被類(lèi)型的影響很大[25]。峽谷型喀斯特土壤MBC的范圍為78.52—330.94 mg/kg，與其他土壤類(lèi)型相比比較適宜[26]，但明顯低于北亞熱帶高原型喀斯特(383.80 mg/kg)和中亞熱帶峰叢洼地型喀斯特(131.7—776.2 mg/kg)[13,19]，且變化相對(duì)平緩；MBN為20.71—50.63 mg/kg，明顯低于溫度森林土壤(130—216 mg/kg)[26]和高原型喀斯特(71.50 mg/kg)[13]，高于峰叢洼地型喀斯特(16.67—46.13 mg/kg)[19]，變異很??；MBP為18.834— 26.510 mg/kg，介于峰叢洼地型喀斯特(4.33—76.65 mg/kg)和高原型喀斯特(15.41 mg/kg)之間，變異非常??；MBC、MBN、MBP受植被恢復(fù)的影響較大，均以人工林和次生林最高，森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物、根表脫落物和根系分泌物對(duì)土壤碳庫(kù)、氮庫(kù)、磷庫(kù)的不斷補(bǔ)充，增強(qiáng)了土壤微生物活性，導(dǎo)致土壤微生物量不斷上升。與微生物數(shù)量一樣，土壤微生物生物量隨土壤深度的加深而下降，可能由于土壤中大多數(shù)微生物屬于有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型，隨著植物根系分泌物和脫落物的不斷減少以及土層溫度的降低，土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，減慢了微生物的自身合成代謝。

Vance等[27]認(rèn)為，土壤微生物生物量絕對(duì)量并不能完全反映微生物的活性、結(jié)構(gòu)和功能，應(yīng)考慮微生物生物量碳、氮、磷在全碳、全氮和全磷中的比例，揭示峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物質(zhì)量的變異。Zeller等[28]報(bào)道MBC、MBN、MBP占有機(jī)碳、全氮和全磷的比例分別為0.3%—7.0%、2.0%—6.0%和0.5%—8.5%。本研究結(jié)果與其相似，分別為0.44%—0.95%、2.13%—3.13%、1.46%—2.13%，差異不顯著，但MBC、MBN、MBP的比例均偏低，這是因?yàn)閸{谷型喀斯特土壤雖少，但“窩窩土”現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤周?chē)植嫉穆懵稁r石上的風(fēng)化凋落物緩緩向土壤輸入，土壤碳、氮、磷含量較高，但應(yīng)提高土壤的微生物活性和微生物代謝能力，保證植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。MBC/MBN的值是否恒定，不同學(xué)者其觀點(diǎn)不同，Anderson等[29]認(rèn)為MBC/MBN平均值為6.7，陳國(guó)潮等[30]認(rèn)為紅壤土壤MBCM/MBN平均值為6.2，峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)中只有次生林生態(tài)系統(tǒng)的土壤與其接近，為6.54，其他生態(tài)系統(tǒng)的MBCM/BN顯著低于次生林，為3.06—4.89，應(yīng)提高土壤微生物生物量碳的固持能力[16]。

3.3 土壤微生物量與微生物數(shù)量的分形特征

分形理論一般用于植物分布格局和土壤團(tuán)聚體等方面的研究[31]，而針對(duì)土壤微生物量與微生物數(shù)量關(guān)系的研究很少，涉及喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)的更少。本研究表明，土壤微生物MBC、MBN、MBP與土壤細(xì)菌、真菌及放線菌都具有良好的分形關(guān)系，經(jīng)F檢驗(yàn)，其分析模型精度及分形維數(shù)D值均達(dá)到顯著水平。由分形模型擬合得到的D值是對(duì)MBC、MBN、MBP空間分布的維度特征的表征，D值越大，表明微生物量碳、氮、磷在土壤空間積累越多，分布空間越大[31]?？λ固胤鍏餐莸夭煌恋乩梅绞街校琈BC與土壤真菌數(shù)量、細(xì)菌數(shù)量及放線菌數(shù)量(P=0.01)，MBN、MBP與細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量、放線菌數(shù)量不存在顯著關(guān)系[14]；喀斯特峰叢洼地不同退耕還林還草模式中，只有MBC與細(xì)菌數(shù)量、MBN與真菌數(shù)量(P=0.01)、MBC與放線菌數(shù)量(P=0.05)呈顯著性關(guān)系[19]。峽谷型喀斯特土壤微生物量與土壤微生物數(shù)量的空間分布格局存在差異，其中MBC、MBN、MBP與放線菌數(shù)量相關(guān)(D=-4.508，-3.882，-3.084)最大，其次是MBC、MBN與細(xì)菌數(shù)量(D=-2.970，-2.254)及MBP與真菌數(shù)量(D=-1.642)，MBC、MBN與真菌數(shù)量(D=-2.492，-2.110)及MBP與細(xì)菌數(shù)量(D= -1.591)的相關(guān)性較小。同時(shí)，土壤微生物數(shù)量與微生物量空間分布分形特征的存在，可以通過(guò)土壤微生物的數(shù)量變化來(lái)預(yù)測(cè)該地區(qū)微生物生物量的動(dòng)態(tài)變化，從而為喀斯特植被恢復(fù)重建過(guò)程中的土壤健康保護(hù)、植被恢復(fù)模式選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Characteristicsofsoilmicrobialpopulationsandbiomassunderdifferentecosystemsinacanyonkarstregion

TAN Qiujin1,2,3, SONG Tongqing1,3,*, PENG Wanxia1,3, ZENG Fuping1,3, DU Hu1,3, ZHANG Hao1,2,3, FAN Fujing1,4

1KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China2ForestryCollegeofGuangxiUniversity,Nanning530004,China3HuanjiangObservationandResearchStationofKarstEcosystem,Huanjiang547100,China4JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045，China

Determining the relationship between soil microbial populations and soil microbial biomass in ecosystems can provide useful information for vegetation restoration in the canyon Karst region.Therefore, based on a combination of field investigation and laboratory analysis, we analyzed soil microbial populations and soil microbial biomass at different soil depths as well as their fractal relationships under six typical ecosystems, i.e., paddy field, dry land, grassland, Shrubbery, plantation forest, and secondary forest, in the canyon Karst region in southwest China.Three plots with size of 20 m × 20 m were constructed in each ecosystem type, and five soil samples were collected at four corners and the middle in each plot and then mixed as one sample.The dilution plate method and the chloroform fumigation extraction method were used to determine soil microbial populations and soil microbial biomass., respectively.The results showed that soil microbial populations and composition varied under different ecosystems in the canyon karst region.Soil microbial populations were largest in the secondary forest, followed by the plantation forest, while least in the dry land, indicating that the project of returning crop land to forests or grassland have a significant impact on increasing the soil microbial populations.Microbial composition in the six ecosystems performed in the order of bacteria > actinomycetes > fungi.The bacteria number was 26.66×105—71.64×105cfu/g with the highest proportion of 87.00%—95.50% of total soil microbial number; followed by actinomycetes, whose number and proportion were 1.45×105—3.78×105cfu/g and 4.21%—12.39%, respectively.However, the fungi quantity was 0.07×105—0.23×105cfu/g, and the proportion was less than 1%, just only 0.24%—0.61%.Under different ecosystem types, soil microbial biomass carbon (MBC), soil microbial biomass nitrogen (MBN), and soil microbial biomass phosphorus (MBP) were diverse, but all of them appeared to be a trend of MBC> MBN> MBP.Soil MBC and MBN was highest in the secondary forest, while MBP was highest in the plantation forest, in comparison with that MBC was lowest in the dry land, MBN and MBP were lowest in the grass.The ratios of MBC/SOC, MBN/TN and MBP/TP ranged from 0.44%—0.97%, 2.13%—3.13%, and 1.46%—2.13%, respectively, with no significant differences among the six ecosystems.The value of MBC/MBN ranged from 3.06 to 6.54, which in the secondary forest was significantly higher than that in other ecosystems; however, no significant differences existed among the rest ecosystems.A good fractal relationship existed between soil microbial populations and soil microbial biomass at a highly significant level (P<0.01).Moreover, both soil microbial populations and soil microbial biomass in the six ecosystems decreased as an increase in soil depth.As a result, exploring soil microbial activities could provide the basis for improving the soil fertility of lime soil and boosting vegetation restoration in karst regions.

ecosystem; microbial populations; microbial biomass; canyon Karst

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05070404, XDA05050205); 中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3- 10); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAC09B02); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370485, 31370623, 31100329)

2013- 10- 25;

2014- 04- 04

10.5846/stxb201310252573

*通訊作者Corresponding author.E-mail: songtongq@163.com

譚秋錦，宋同清，彭晚霞，曾馥平，杜虎，張浩，范夫靜.峽谷型喀斯特不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤微生物數(shù)量及生物量特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(12):3302- 3310.

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