震損邊坡土壤微生物特性研究

武文娟，張浩然，吳　華，宋長明，辜　彬

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064)

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震損邊坡土壤微生物特性研究

武文娟，張浩然，吳華，宋長明，辜彬

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064)

地震；邊坡；土壤微生物；生態(tài)修復(fù)；北川縣

采用稀釋平板法對四川省北川縣治理5年多的震損邊坡坡上、坡中、坡下的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌三大類微生物的數(shù)量進(jìn)行調(diào)查研究，并與周邊未受地震破壞的自然邊坡進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：震損邊坡與自然邊坡的土壤微生物類群組成大體一致，細(xì)菌在微生物類群中占絕對優(yōu)勢，占微生物總數(shù)的87.7%～93.4%，真菌次之，放線菌最少，分別占微生物總數(shù)的3.6%～9.5%和1.9%～3.0%；震損邊坡不同坡位的土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量差異較大，整體呈現(xiàn)出坡下>坡中>坡上的特點(diǎn)，而自然邊坡則是坡中>坡下>坡上；與自然邊坡相比，治理5年多的震損邊坡坡下、坡中和坡上的微生物數(shù)量分別減少了56%、70%和79%，恢復(fù)到自然邊坡狀況仍需更長時(shí)間。

2008年5月12日，四川省汶川縣發(fā)生了8.0級強(qiáng)烈地震，造成了山體大規(guī)模崩塌和滑坡[1-2]。地震發(fā)生后由于山體邊坡應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土壤巖體松動(dòng)，邊坡滑面強(qiáng)度降低，大面積坡體破裂和裸露，因此邊坡很容易受重力作用而進(jìn)行重新塑造，整體邊坡的土石比、植被狀況、水分狀況都發(fā)生了極大改變[2]。邊坡失去了植被保護(hù)，生態(tài)系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定，極易引發(fā)水土流失，造成坡體表層結(jié)構(gòu)異質(zhì)化[3]，重構(gòu)土壤組成與結(jié)構(gòu)。

汶川地震使邊坡植被受到巨大破壞，植被損失約87%～98%[1,4]，震后植被恢復(fù)極其緩慢，有的邊坡即使經(jīng)過人工干預(yù)，植被恢復(fù)狀況也不盡理想，植被覆蓋率僅恢復(fù)到約39%[5]，其原因在于震后邊坡土壤遭受大面積的毀損和遷移，土壤結(jié)構(gòu)性狀發(fā)生使土壤質(zhì)地低下的改變等[3,6]，相比于未受地震破壞的邊坡土壤，其理化性質(zhì)水平明顯下降，甚至還差距很大[7]。震后邊坡土壤-植被系統(tǒng)的研究[8-10]，揭示了震后先期土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)對植被生長的制約作用和后期植被根系固土護(hù)坡、植物凋落物改善土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)的作用。地震造成了邊坡土壤、植被的巨大破壞，土壤質(zhì)量關(guān)系到邊坡植物群落的合理分布，而土壤中微生物組成與土壤生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系密切[11]。針對汶川地震后邊坡土壤微生物的研究不多，主要集中于不同氣候區(qū)土壤微生物碳源代謝多樣性和藥材產(chǎn)地根際土壤微生物方面[12-13]，對邊坡土壤微生物的種類區(qū)系鮮有報(bào)道。本研究對四川省北川縣震損邊坡土壤微生物特性進(jìn)行調(diào)查分析，擬了解震損邊坡土壤微生物特性及空間分布規(guī)律，揭示地震對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，為治山和植被恢復(fù)生態(tài)工程及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

1　研究地區(qū)和研究方法

1.1研究區(qū)概況

本研究選取的震損邊坡位于四川省西北部的北川縣擂鼓鎮(zhèn)石巖村，邊坡土壤為山地黃壤，其養(yǎng)分含量雖高，但土壤物理性狀不良，礫石較多。研究區(qū)屬于山間河谷地貌，海拔700～1 500 m，雨量充沛，全年平均降水量1 002.7 mm[4]，處于龍門山斷裂帶中央的地震高烈度帶，耕地破碎度較高，災(zāi)情較重[1,4]。

調(diào)查邊坡結(jié)構(gòu)如圖1，坡上、坡中、坡下坡度依次為39°、43°、38°。地震導(dǎo)致周邊山體巖體結(jié)構(gòu)改變，大面積山體垮塌滑動(dòng)，大量殘坡積碎石土向坡體中下部移動(dòng)堆積，形成全新坡體表層結(jié)構(gòu)，新覆蓋的土體坡面土壤顆粒組成不均勻，坡上細(xì)、坡下粗(調(diào)查結(jié)果詳見表1)，坡表層粗、坡底層細(xì)，底層土體松散堆積，界面由于基質(zhì)巖性風(fēng)化程度不同而不規(guī)則、有較大起伏(詳見圖1)。

研究區(qū)于2010年開始地震災(zāi)后治理和植被恢復(fù)，先期引進(jìn)日本治山技術(shù)，實(shí)施了土袋階梯工程、竹柵欄工程、鐵絲籠擋土墻工程和排水溝工程、灌溉渠系工程等工程措施；再進(jìn)行植樹造林，點(diǎn)播核桃、枇杷、櫻花、酸棗等樹種，撒播黑麥草等草種進(jìn)行生物恢復(fù)；后期根據(jù)恢復(fù)效果補(bǔ)植刺槐和核桃，并覆蓋草席提供更好的生長環(huán)境。經(jīng)過5年的災(zāi)后治理，坡體穩(wěn)定性提高，植被恢復(fù)進(jìn)程明顯快于自然恢復(fù)坡體。

表1　北川邊坡土壤顆粒組成

圖1　地震對北川坡體影響示意

1.2樣品采集與研究方法

2015年4月初，對北川震損邊坡進(jìn)行土樣采集和植被種類調(diào)查。為了解土壤微生物特性和空間分布特點(diǎn)，整體采用S形機(jī)械布點(diǎn)，將震損邊坡從上到下分為坡上、坡中、坡下三段，每個(gè)坡位選取5個(gè)樣地，同時(shí)將鄰近的未被地震破壞邊坡作為對照樣地(稱為自然邊坡)，共30個(gè)樣地。土壤樣品采集時(shí)，在選取的樣地內(nèi)分別按W形布局設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)，去除地表枯枝落葉，在0～20 cm層深度進(jìn)行采樣，剔除石礫等雜物，然后將所取的多樣點(diǎn)土樣混合裝袋，每個(gè)樣方內(nèi)取樣1 kg左右?guī)Щ?，? ℃保存，用于完成研究區(qū)土壤微生物學(xué)特征分析。同時(shí)，在實(shí)地調(diào)查中記錄邊坡坡下、坡中、坡上植物種類。

土壤微生物特性測定方法[14]：細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌用馬丁氏培養(yǎng)基；放線菌用改良高氏培養(yǎng)基。采用稀釋平板法，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，接種后于25～28 ℃恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)3～4天，真菌培養(yǎng)3～5天，放線菌培養(yǎng)7～10天。

2　結(jié)果與分析

2.1北川震損邊坡植被恢復(fù)狀況

調(diào)查震損邊坡發(fā)現(xiàn)了33種植物，其中：草本植物23種，灌叢和木本植物10種。植物科屬成分多樣，以菊科、薔薇科、禾本科、豆科居多，其中菊科有8種、薔薇科有5種、禾本科有3種、豆科有3種，其余植物都為單種科(詳見表2)。

表2　北川震損邊坡現(xiàn)有植物種類

北川震損邊坡從坡頂?shù)狡碌?，植物群落呈現(xiàn)出由草本群落向灌草協(xié)調(diào)的群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢。坡下部分為植被生長最茂盛區(qū)域，土壤基本無大面積裸露，木本植物主要有刺槐、青脆李、胡桃、臭椿、櫻花和酸棗，草本植物主要有廣布野豌豆、飛蓬、白車軸草、鬼針草、野棉花、尼泊爾香青、白苞蒿、青蒿、狗尾草。坡中部分是整個(gè)坡面最陡部分，植物生長不及坡下密實(shí)，有稀疏土壤裸露，灌木高度較坡下低矮，這與低矮灌木影響草本植物對營養(yǎng)的攝取有關(guān)。此部分木本植物主要有刺槐、胡桃、枇杷、臭椿、青脆李、櫻花，草本植物主要有尼泊爾香青、葛藤、白苞蒿、臭牡丹、蛇莓、鬼針草。坡上部分相比于坡中坡度有所放緩，但其植物生長茂盛程度卻不高，植物覆蓋多為草本，灌木較少，木本植物以刺槐、臭椿居多，草本植物主要有飛蓬、尼泊爾香青、臭牡丹、黃鵪菜、白苞蒿、黑麥草。

2.2北川震損邊坡土壤微生物總數(shù)變化

土壤中的微生物生存于土壤顆粒的表面及孔隙內(nèi)，其與土壤結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定關(guān)系密切[11]。測定結(jié)果(詳見表3)顯示：北川震損邊坡土壤微生物數(shù)量坡下>坡中>坡上，這與自然邊坡坡中>坡下>坡上的情況存在差異；與自然邊坡相比，震損邊坡坡下、坡中和坡上的微生物數(shù)量分別減少了56%、70%和79%；震損邊坡坡下、坡中、坡上微生物類群組成和作為對照的自然邊坡大體一致，細(xì)菌均在微生物總量中占絕對優(yōu)勢，占微生物總數(shù)的87.7%～93.4%，真菌次之，放線菌最少，分別占微生物總數(shù)的3.6%～9.5%和1.9%～3.0%。

表3　北川邊坡土壤微生物區(qū)系和數(shù)量　萬個(gè)/g

2.3北川震損邊坡不同坡位土壤細(xì)菌分布

由表3和圖2可知，北川震損邊坡不同坡位間的土壤細(xì)菌數(shù)量存在一定差異，呈現(xiàn)出坡下>坡中>坡上的趨勢；與自然邊坡相比，震損邊坡坡下、坡中、坡上的土壤細(xì)菌數(shù)量的降幅分別為56%、68%和78%。

圖2　北川邊坡土壤細(xì)菌數(shù)量變化

2.4北川震損邊坡不同坡位土壤真菌分布

真菌參與多種土壤代謝，其菌絲對土壤結(jié)構(gòu)的形成有重要作用[11]。由表3和圖3可知，北川震損邊坡不同坡位間的土壤真菌數(shù)量差異明顯，表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上；不同坡位的土壤真菌數(shù)量均顯著低于自然邊坡，坡下從52.3萬個(gè)/g下降為15.4萬個(gè)/g，坡中從50.4萬個(gè)/g下降為8.4萬個(gè)/g，坡上從39.7萬個(gè)/g下降為3.7萬個(gè)/g。

圖3　北川邊坡土壤真菌數(shù)量變化

2.5北川震損邊坡不同坡位土壤放線菌分布

土壤中放線菌發(fā)育緩慢，主要是參與分解難分解物質(zhì)組分。由表3和圖4可知，北川震損邊坡各樣地土壤放線菌數(shù)量變化趨勢與細(xì)菌、真菌相同，表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上；震損邊坡不同坡位土壤放線菌數(shù)量與對照相比都有不同程度的降低，坡上、坡中土壤放線菌數(shù)量降低顯著，分別降低78%和79%，坡下則降低了54%。

圖4　北川邊坡土壤放線菌數(shù)量變化

3　討　論

3.1北川震損邊坡土壤微生物總數(shù)變化

北川震損邊坡土壤微生物類群組成呈現(xiàn)細(xì)菌>真菌>放線菌的特點(diǎn)，與自然邊坡土壤微生物類群組成情況相似，表明細(xì)菌在北川邊坡土壤微生物活性中起決定性作用。同時(shí)，震損邊坡和自然邊坡的真菌數(shù)量都大于放線菌，可能是由于北川地區(qū)降雨充沛，濕潤的土壤更有利于真菌的生長，且土壤呈現(xiàn)酸性[7]，與真菌生長要求的pH值恰好一致[15]。北川震損邊坡與自然邊坡的土壤微生物類群組成相一致，表明震損邊坡土壤粗、細(xì)粒徑顆粒物經(jīng)過5年相互填充重塑后，已形成自然邊坡的微生物格局，并具有發(fā)展成為自然邊坡微生物特性的潛質(zhì)。

北川震損邊坡相較于自然邊坡，其微生物總數(shù)和細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量都顯著降低，表明邊坡經(jīng)過人工修復(fù)后，其土壤結(jié)構(gòu)在演進(jìn)過程中雖正在重塑，但作用量還不夠。這可能是由于坡體經(jīng)過地震和人工修復(fù)工程的擾動(dòng)后，土壤顆粒組成發(fā)生了很大變化，細(xì)粒徑顆粒含量減少，其對土壤的黏結(jié)填充作用降低，土體結(jié)構(gòu)變得松軟劣化，不利于水分和養(yǎng)分的儲存；粗粒徑顆粒含量增加，土壤抵抗外界水土流失的能力減弱，土壤養(yǎng)分含量遭遇嚴(yán)重流失，土壤中微生物生存及活動(dòng)條件變差；此外，邊坡在遭遇地震后，植被覆蓋度急劇減少。而自然邊坡地表積累的枯枝落葉層厚，可緩沖外營力對土壤結(jié)構(gòu)的直接破壞，且其豐富的植物群落可通過根系和分泌物改善土壤結(jié)構(gòu)[8]，茂盛的林冠又可在一定程度上阻截、再分配降雨等外界因素對表層土壤體結(jié)構(gòu)的沖擊；同時(shí)，土壤中真菌、放線菌等微生物菌絲有助于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定[16]。如此，經(jīng)過多年良性循環(huán)，必然會(huì)造成北川自然邊坡土壤微生物數(shù)量高于震后人工修復(fù)邊坡。

3.2北川震損邊坡不同坡位土壤微生物特性變化

北川震損邊坡不同坡位土壤微生物特性存在一定差異，但呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即微生物數(shù)量坡下>坡中>坡上；而自然邊坡則呈現(xiàn)出坡中>坡下>坡上的特點(diǎn)。這是由于地震的作用重塑了邊坡坡上、坡中、坡下的土壤分布格局，造成邊坡土壤結(jié)構(gòu)的不同而導(dǎo)致的。

本試驗(yàn)所選北川震損邊坡屬王家?guī)r高速滑坡，滑體物質(zhì)主要為礫石土[17]，其特性與土壤本身的顆粒組成關(guān)系很大，受地震影響造成了其邊坡土壤顆粒的大小與自然邊坡不同，故導(dǎo)致各微生物特性有所不同。一般土壤顆粒大小用固定粒徑5 mm作為分界點(diǎn)，小于等于5 mm的顆粒稱為細(xì)料，大于5 mm的為粗料，當(dāng)土壤顆粒粗料含量從30%不斷升高時(shí)，土壤中粗料開始起骨架作用，粗料、細(xì)料開始彼此充填，土壤滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度都將持續(xù)增加，當(dāng)粗料含量超過70%時(shí)，其土壤特性值則會(huì)呈現(xiàn)出降低的趨勢[18]。震損邊坡坡下、坡中、坡上的土壤顆粒粗料含量分別為57%、45%、39%，坡下>坡中>坡上，且均在30%～70%范圍內(nèi)，故越靠近坡下樣地，土壤滲透系數(shù)越大，下滲能力越強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度也越強(qiáng)，相較坡上，坡下樣地能夠?yàn)槲⑸锷L提供更好的條件，因此土壤微生物數(shù)量呈現(xiàn)出坡下>坡中>坡上的特點(diǎn)。而作為對照的自然邊坡土壤顆粒組成均勻，坡下、坡中、坡上的土壤顆粒粗料含量分別為33%、35%、33%，呈現(xiàn)坡中>坡下>坡上的特性。此外，由于自然邊坡礫石含量差別不大，坡中坡度較陡，在長期的地質(zhì)累積中殘留的土壤細(xì)顆粒物最多，對土壤粗顆粒的填充效果最好。綜合作用造成自然邊坡微生物數(shù)量呈現(xiàn)出坡中>坡下>坡上的特點(diǎn)。

北川地區(qū)降雨量豐富，集中的降雨使得震損邊坡上部的細(xì)粒徑顆粒物易隨著雨水徑流流向坡底，加之地震造成邊坡越靠近坡底粗粒徑顆粒含量越高，粗粒徑顆粒阻截的土壤細(xì)粒徑顆粒物質(zhì)也會(huì)越多，由此造成越靠近坡底部，土壤的粗細(xì)顆粒填充和堆積效果越好。此外，坡上坡度較緩，部分地帶存在下陷小地形，易聚積降水，進(jìn)一步造成坡面土體軟化和土壤間黏結(jié)力減小，土壤抵抗外界侵蝕的能力減弱。這些因素的綜合作用造成了北川震損邊坡越靠近坡下部分，其土壤結(jié)構(gòu)越好，越利于土壤微生物生長，即坡下>坡中>坡上。而作為對照的自然邊坡，由于經(jīng)過多年的演替，其土壤-植被系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀況，即使遇到降雨，土壤孔隙內(nèi)部的壓力也會(huì)緩慢釋放而不會(huì)對土壤結(jié)構(gòu)造成很大的破壞。

3.3植被恢復(fù)對土壤微生物特性的作用

北川震損邊坡從坡頂?shù)狡碌祝渲参锶郝湓絹碓截S富，從坡上的偏向草本的植物群落結(jié)構(gòu)，過渡到坡中簡單的灌草群落結(jié)構(gòu)，最后到坡下已初步形成灌草相結(jié)合的植物群落。植物群落可以通過植物的根系纏繞和根系多糖分泌物來促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[8]，這樣造成震損邊坡越靠近坡下土壤的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，故震損邊坡土壤微生物數(shù)量坡下>坡中>坡上。可見，北川震損邊坡的植物群落恢復(fù)狀況與邊坡土壤微生物特性呈現(xiàn)出一致的趨勢，這表明覆蓋于邊坡上的植被類型、數(shù)量與邊坡土壤中的微生物組成結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)。

4　結(jié)　語

震后邊坡生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵是植被恢復(fù)，穩(wěn)定的邊坡與土壤基質(zhì)是實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)的基礎(chǔ)。通過實(shí)地調(diào)查和試驗(yàn)分析及討論，對震損邊坡微生物區(qū)系構(gòu)成和空間分布的基本特點(diǎn)有了基本把握，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1)北川震損邊坡土壤微生物特性受到嚴(yán)重影響，雖經(jīng)5年多的治理，震損邊坡的土壤微生物群落數(shù)量和組成與未受地震破壞的邊坡相比仍然有明顯差距，可能需更長時(shí)間的演替才可達(dá)到震前的自然狀態(tài)。

(2)由于地震的作用重塑了邊坡坡上、坡中、坡下的土壤結(jié)構(gòu)與分布格局，造成邊坡土壤組成的不同，因此震后邊坡土壤微生物的空間分布特點(diǎn)與周圍未破壞邊坡有一定的差異，分別表現(xiàn)為微生物數(shù)量坡下>坡中>坡上和坡中>坡下>坡上。在進(jìn)行震后治山植被恢復(fù)工程時(shí)，應(yīng)考慮地震對土壤結(jié)構(gòu)組成變化的影響，切不可一味地模仿照搬一般邊坡植被恢復(fù)工程技術(shù)模式。

(3)震后邊坡植物群落恢復(fù)狀況與邊坡土壤的微生物特性成正相關(guān)，邊坡土壤的微生物特性關(guān)系到植被恢復(fù)進(jìn)程和生態(tài)恢復(fù)效果，邊坡的植被恢復(fù)對震后邊坡土壤微生物特性的改善也可起到很積極的促進(jìn)作用，因此在進(jìn)行震損邊坡土壤修復(fù)時(shí)，可通過優(yōu)化植物配置和加入土壤改良菌劑來增強(qiáng)其恢復(fù)效果。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

2015-07-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40971057)

S154.3；X172

A

1000-0941(2016)04-0051-05

武文娟(1990—)，女，山西平遙縣人，碩士研究生，主要從事邊坡土壤恢復(fù)相關(guān)研究工作；通信作者辜彬(1959—)，男，重慶市人，教授，博士，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。