民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)淺層土壤質(zhì)地、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量的影響

何芳蘭,郭春秀,吳 昊,劉左軍,徐 文,金紅喜,*

1 甘肅河西走廊森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站,武威 733000 2 甘肅省治沙研究所,蘭州 730070 3 蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730050

民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)淺層土壤質(zhì)地、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量的影響

何芳蘭1,2,郭春秀2,吳 昊2,劉左軍3,徐 文3,金紅喜2,*

1 甘肅河西走廊森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站,武威 733000 2 甘肅省治沙研究所,蘭州 730070 3 蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730050

為探明干旱沙區(qū)沙丘生物土壤結(jié)皮形成及發(fā)育對(duì)淺層土壤質(zhì)地、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量的影響,以民勤綠洲邊緣結(jié)皮前期階段(NCS)、物理-藻類結(jié)皮階段(PACS)、藻類-地衣結(jié)皮階段(ALCS)以及地衣-蘚類結(jié)皮階段(LMCS)的0—1 cm層土壤為研究對(duì)象,研究了土壤顆粒組成、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量以及土壤微生物數(shù)量動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：1)生物土壤結(jié)皮在NCS向ALCS的發(fā)育過程中,其有效地提高了0—1 cm層土壤細(xì)沙粒(0—200 μm)含量,同時(shí)降低了粗砂粒(200—2000 μm)含量；在ALCS向LMCS演替過程中,土壤粒度組成無明顯變化。2)土壤結(jié)皮形成與發(fā)育對(duì)0—1 cm層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷以及速效鉀含量均有顯著影響(P<0.05),4種養(yǎng)分含量均隨生物結(jié)皮演替逐漸增大。3)在土壤結(jié)皮形成與演替過程中,0—1 cm層土壤細(xì)菌、放線菌以及真菌數(shù)量均呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)(峰值均出現(xiàn)在PACS),土壤總藻生物量一直處于持續(xù)增大趨勢(shì)；在5—12月期間,土壤微生物數(shù)量或生物量變化均呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)。4)土壤結(jié)皮在NCS向PACS演替過程中,土壤顆粒組成的改變是土壤微生物量及養(yǎng)分變化的主要驅(qū)動(dòng)因子；PACS向LMCS演替過程,土壤藻類、地衣、蘚類是提高土壤養(yǎng)分含量的主要因子。表明民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育能有效地改善淺層土壤質(zhì)量,提高土壤肥力,同時(shí)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)改善及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。

民勤綠洲；生物土壤結(jié)皮；土壤粒度；養(yǎng)分

民勤位于河西走廊東北部,東、西、北三面被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍。近年來,在當(dāng)?shù)卣c人民群眾的共同努力下建植了大面積的人工固沙林,已在其外圍形成了長(zhǎng)達(dá)300多km的“綠色長(zhǎng)城”固沙帶[1]。隨人工林林地植被蓋度逐漸增大,原有的流動(dòng)或半固定沙丘逐漸趨于穩(wěn)定,沙丘表層逐漸形成土壤結(jié)皮,尤其是綠洲與荒漠毗鄰區(qū)域更為明顯。沙丘表面生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育有效固定了沙面,減少地面風(fēng)沙活動(dòng)以及土壤風(fēng)蝕,從而減緩了就地起沙帶來的沙塵危害。也有研究顯示,干旱沙區(qū)生物土壤結(jié)皮形成及發(fā)育阻礙降雨及時(shí)入滲,致使沙丘深層土壤含水量下降[2-8]；生物土壤結(jié)皮在土壤表層形成外殼,使得植物種子空間分布淺表化,從而限制了部分植物種子更新[9-11]。

目前,民綠洲邊緣沙丘表面生物土壤結(jié)皮形成后,人工梭梭林逐漸出現(xiàn)衰退現(xiàn)象,衰敗程度隨生物土壤結(jié)皮演替呈加劇趨勢(shì)。同時(shí),一些長(zhǎng)期從事風(fēng)沙一線的科技工作者對(duì)其退化原因、人工復(fù)壯技術(shù)以及土壤水分動(dòng)態(tài)開展了大量研究[12-15],并取得了一定成果。然而,該區(qū)域沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育過程淺層土壤顆粒組成、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量是否也受到影響？是正作用還是副作用？從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料來看,有關(guān)這方面的研究甚少。為此,本文試圖在民勤綠洲邊緣選擇生物土壤結(jié)皮不同發(fā)育階段的林地,通過對(duì)其0—1 cm土壤粒度組成、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量等研究,探討干旱荒漠區(qū)沙丘生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育過程土壤生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律,為干旱區(qū)沙丘土壤結(jié)皮生態(tài)功能的正確評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于石羊河下游民勤西沙窩 (102 °59 ′05 ″ E,38 °34 ′28 ″ N),該區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛Т箨懶曰哪畾夂?。冬季寒?夏季酷熱,晝夜溫差大,年平均氣溫7.6 ℃,極端低溫-30.8 ℃,極端高溫40.0 ℃,無霜期175 d；降雨量小,蒸發(fā)量大,氣候干燥,年均降雨量113.2 mm,年均蒸發(fā)量2604.3 mm,干燥度5.1,最高達(dá)18.7,相對(duì)濕度47%；光熱充足,年均日照時(shí)數(shù)2799.4 h,≥10 ℃的活動(dòng)積溫3036.4 ℃；冬季盛行西北風(fēng),全年風(fēng)沙日可達(dá)83 d,并多集中在2—5月,年均風(fēng)速2.5 m/s,最大風(fēng)速為23.0 m/s；地下水位深23 m左右。

1.2 樣地選擇及取樣

2014年7月在民勤治沙綜合試驗(yàn)站周邊20世紀(jì)70—90年代建植的人工梭梭林中選擇典型林地。依據(jù)生物土壤結(jié)皮的厚度、下墊面深度以及地被物特征(表1),將林地劃分為結(jié)皮前期階段(NCS)、物理—藻類結(jié)皮階段(PACS)、藻類—地衣結(jié)皮階段(ALCS)以及地衣—蘚類結(jié)皮階段(LMCS)(圖1)。在4梯度林地沙丘迎風(fēng)坡(坡度介于10 °—13 °之間)中下部布設(shè)10 m×100 m樣帶,每個(gè)階段3個(gè),共12個(gè)；樣帶內(nèi)設(shè)5個(gè)2 m×2 m小樣方(圖2),共60個(gè)。

表1 不同發(fā)育階段生物結(jié)皮林表特征及植被組成

表中NCS、PACS、ALCS 、LMCS分別代表結(jié)皮前期None crust stage、物理-藻類結(jié)皮階段Physical-algae crust stage、藻類-地衣結(jié)皮階段Algae-lichen crust stage和地衣-蘚類結(jié)皮階段(lichen-moss crust stagen)

理化性質(zhì)土樣采集：于2015年7月6—8日在小樣方內(nèi)外緣隨機(jī)開挖4—6 cm坡面,鏟子(12 cm×14 cm)插入0—1 cm土壤層底部、鏟刀(10 cm×2 cm)分離3邊后采集土壤(下同),每個(gè)樣地土樣混合后裝入棉質(zhì)土樣袋中,帶入實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干待用；微生物土樣采集：于2015年5月、7月、9月及12月上旬,在小樣方內(nèi)取3個(gè)面積10 cm×10 cm×1 cm土樣(保證每次取樣點(diǎn)不重合),去掉雜物并將每個(gè)樣地土樣混合后裝入無菌帶置于冰箱冷凍,然后用冰袋保鮮運(yùn)輸至蘭州實(shí)驗(yàn)室冰箱待用。

圖1 土壤生物結(jié)皮發(fā)育階段Fig.1 The succession stages of biological soil crust on the sand dunes圖中NCS、 PACS、ALCS、LMCS分別代表結(jié)皮前期None crust stage、物理-藻類結(jié)皮階段Physical-algae crust stage、藻類-地衣結(jié)皮階段Algae-lichen crust stage和地衣-蘚類結(jié)皮階段lichen-moss crust stagen

圖2 樣地及樣方布設(shè)示意圖Fig.2 The schematic diagram of sample area and samples layout

1.3 土樣測(cè)定

1.3.1 粒徑組成測(cè)定

將風(fēng)干土壓碎后混合均勻,“5點(diǎn)法”采集3份1.05—1.26 g土樣,用馬爾文粒度儀測(cè)定土壤顆粒粒徑體積百分比組成。

1.3.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定

風(fēng)干土用木棒研磨、過篩后,采用“重鉻酸鉀容量法-外加熱法”土壤有機(jī)質(zhì)、“醋酸銨-火焰光度計(jì)法” 測(cè)定速效鉀、“碳酸氫鈉法”測(cè)定速效磷 以及“凱式定氮法”測(cè)定全氮[16]。

1.3.3 土壤微生物測(cè)定

土壤微生物數(shù)量：土壤微生物數(shù)量采用平板表面涂抹法計(jì)數(shù)[17]。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,放線菌采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基,真菌采用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基[18]。

土壤總藻生物量：采用趙洋等人的測(cè)定方法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel和SPSS 18.0軟件完成數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duccan′s多重比較方法對(duì)生物土壤結(jié)皮發(fā)育4階段淺層的土壤粒度組成、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量進(jìn)行顯著性分析(取顯著度a=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育發(fā)育對(duì)0—1 cm土壤顆粒組成影響

民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮不同發(fā)育發(fā)育階段0—1 cm土層土壤顆粒組成見表2,可見生物結(jié)皮顯著影響淺層土壤顆粒組成(P<0.05)。其中,在NCS逐漸演替到PACS、ALCS的過程中,土壤粘粒、粉粒、細(xì)沙粒體積百分比分別增大了2.50、2.53、0.17和4.67、4.50、0.47倍,粗砂粒體積百分比分別減小0.47%和0.89%；在ALCS向LMCS階段演替過程中土壤顆粒體積比變化較小,其兩者土壤顆粒體積百分比差異不顯著。此外,在NCS和PACS,土壤主要以細(xì)沙粒和粗砂粒組成,其體積百分比和高達(dá)94.27%和79.75%；在ALCS和LMCS,土壤主要以粉粒和細(xì)沙粒為主,其體積百分比和均高于86%。

表2 沙丘生物土壤結(jié)皮不同發(fā)育階段0—1cm土壤顆粒組成

同一列不同字母表示水平間差異性顯著；反之,差異不顯著

2.2 沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)0—1cm土壤養(yǎng)分含量影響

沙丘不同生物土壤結(jié)皮階段0—1 cm層土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷及全氮見圖3,可見土壤結(jié)皮對(duì)各養(yǎng)分含量均有顯著影響(P<0.05)。由圖3可以見,在土壤結(jié)皮發(fā)育過程中,0—1 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增大趨勢(shì)；LMCS的有機(jī)質(zhì)含量最大,分別是NCS、PACS及ALCS的9.5、3.4、3.2倍；除PACS與ALCS土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著外,其他階段兩兩之間差異顯著(P<0.05)。由圖3可知,0—1 cm層土壤速效鉀、速效磷及全氮含量隨土壤結(jié)皮發(fā)育階段有增加趨勢(shì),在LMCS含量分別是NCS、PACS及ALCS的2.8、2.6、1.2,5.8、3.9、1.9倍和12.6、9.6、2.5倍,4階段3種養(yǎng)分含量?jī)蓛芍g差異均顯著(P<0.05)。此外,民勤綠洲邊緣沙丘土壤結(jié)皮發(fā)育過程,0—1 cm層土壤中含量有機(jī)質(zhì)最多,其次為全氮、速效鉀、速效磷。

圖3 土壤結(jié)皮形成過程中土壤細(xì)菌數(shù)量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic change of soil nutrients in the process of biological soil crust succession

2.3 沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)0—1 cm土壤微生物數(shù)量或生物量影響

2.3.1 沙丘土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤細(xì)菌數(shù)量變化

由圖4可知,土壤細(xì)菌數(shù)量不僅在結(jié)皮發(fā)育的不同階段差異顯著,而且在同一階段不同月份也存在變化。其中,土壤細(xì)菌數(shù)量在5—12月期間呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì),PACS和ALCS細(xì)菌數(shù)量7月值最大,其次為5月、9月、12月；NCS細(xì)菌數(shù)量9月值最大,其次為7月、5月、12月；ALCS土壤細(xì)菌數(shù)量9月最大,其次為7月、12月、5月。5和7月份,4階段細(xì)菌數(shù)量大小為：ALCS>PACS>NCS>LNCS,兩兩之間差異均顯著(P<0.05)；在9月份,4階段細(xì)菌數(shù)量大小為：LMCS>NCS>PACS>ALCS,兩兩之間差異均顯著(P<0.05)；在12月份,ALCS的數(shù)量最小,并與PACS、ALCS、LMCS差異顯著(P<0.05),PACS、ALCS及LMCS兩兩之間差異不顯著。不同月份細(xì)菌數(shù)量均值大小為：PACS>ALCS>NCS>LMCS,除PACS與ALCS間差異不顯著外,其余兩兩之間差異顯著(P<0.05)。

圖4 土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤細(xì)菌數(shù)量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The dynamic change of soil bacterial quantity in the process of biological soil crust succession

2.3.2 沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤放線菌數(shù)量變化

生物土壤結(jié)皮不同發(fā)育階段土壤放線菌數(shù)量見圖5,可見4個(gè)階段土壤放線菌數(shù)量在5—12月期間呈現(xiàn)出很大變化。5月和7月上旬,4階段土壤放線菌數(shù)量?jī)蓛芍g差異均顯著(P<0.05),大小依次為：PACS>ALCS>LMCS>NCS；9月上旬,NCS放線菌數(shù)量與其它階段差異顯著(P<0.05),大小依次LMCS>ALCS> PACS>NCS；12月上旬,不同階段放線菌數(shù)量?jī)蓛芍g差異不顯著。盡管不同階段土壤放線菌數(shù)量在5—12月期間處于變動(dòng)狀態(tài),均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),9月份達(dá)到峰值。不同月份放線菌數(shù)量均值大小依次為：PACS>ALCS >LMCS >NCS,除NCS與LMCS 、ALCS、PACS間差異顯著外,其余間差異均不顯著。

圖5 生物土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤放線菌數(shù)量動(dòng)態(tài)變化Fig.5 The dynamic change of soil actinomycetes quantity in the process of biological soil crust succession

2.3.3 沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤真菌數(shù)量變化

由圖6可知,生物土壤結(jié)皮不同發(fā)育發(fā)育階段土壤真菌數(shù)量完全不同,同一階段土壤真菌數(shù)量在不同月份變化較大。其中,5月份,LMCS土壤真菌數(shù)量最大,與其它階段差異顯著(P<0.05)；7月份,4階段土壤真菌數(shù)量?jī)蓛芍g差異均顯著(P<0.05),大小為：PACS>ALCS>LMCS>NCS；9月份,PACS土壤真菌數(shù)量最大,除NCS與LMCS間差異不顯著外,其余兩兩之間差異均顯著(P<0.05)；12月份,LMCS土壤真菌數(shù)量最大,值為其它階段的5倍以上。4階段的土壤真菌數(shù)量在5—12月內(nèi)變化規(guī)律均為：先急劇增大—保持緩慢減小—急劇減小,NCS和LMCS的峰值出現(xiàn)在9月份,PACS和ALCS的峰值出現(xiàn)在7月份。真菌數(shù)量均值大小依次：PACS>ALCS>LMCS> NCS,除PACS與ALCS間差異不顯著外,其余兩兩之間差異均顯著(P<0.05)。

2.3.4 沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤總藻含量變化

從圖7可以看出,0—1 cm土壤總藻含量不僅隨生物土壤結(jié)皮發(fā)育變化而變化,同時(shí)在不同季節(jié)也呈現(xiàn)出明顯的變化。在5月、7月、9月及12月,4個(gè)階段土壤總藻生物量大小均為：LMCS>ALCS>PACL>NCS, 4階段總藻生物量在同一時(shí)間點(diǎn)兩兩之間差異均顯著(P<0.05)；從5—12月,4個(gè)階段的土壤總藻含量均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在9月份,各水平兩兩之間差異均顯著(P<0.05)。不同月份總藻生物量均值大小為：LMCS>ALCS>PACL>NCS,兩兩之間差異均顯著(P<0.05)。

圖6 土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤真菌數(shù)量動(dòng)態(tài)變化Fig.6 The dynamic change of soil fungus quantity in the process of biological soil crust succession

圖7 土壤結(jié)皮發(fā)育過程中土壤總藻含量動(dòng)態(tài)變化Fig.7 The dynamic change of soil total algae content in the process of biological soil crust succession

2.4 土壤粒徑、養(yǎng)分、微生物量間相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步了解民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育過程0—1 cm層土壤顆粒組成、土壤養(yǎng)分含量及土壤微生物數(shù)量之間的相互關(guān)系,對(duì)7月上旬土壤樣的12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析(表3)。由表3可以看出,土壤總藻生物量與土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、全氮、粘粒、粉粒、細(xì)沙粒均呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與土壤粗砂粒間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤細(xì)菌數(shù)量與放線菌數(shù)量、真菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與其他指標(biāo)之間無顯著相關(guān)性。不同階段土壤養(yǎng)分兩兩之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),并與細(xì)沙粒、粉粒、細(xì)沙粒體積百分比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與粗砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤4種顆粒中,粘粒、粉粒及細(xì)沙粒兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與粗砂粒間均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

3 討論

民勤綠洲邊緣沙丘的生物土壤結(jié)皮從NCS演替到ALCS,0—1 cm層土壤粘粒(0.01—2 μm)、粉粒(2—20 μm)以及細(xì)沙粒(20—200 μm)含量均逐漸增大,而粗砂粒(200—2000 μm)含量急劇減?。粡腁LCS演替到LMCS過程中,以上4種顆粒組成幾乎沒有變化。這可能是NCS沙丘表面還未固定,長(zhǎng)期受風(fēng)力侵蝕,表層較小顆粒被吹移至別處,致使表層粗砂粒含量較高,而細(xì)沙粒、粉粒以及粘粒含量較少；從NCS逐漸演替PACS、ALCS、LMCS,沙丘表面土壤結(jié)皮逐漸形成防止了土壤細(xì)小顆粒被吹移,同時(shí)其結(jié)皮下墊面逐漸吸納了異地被吹移來的細(xì)小顆粒,最終驅(qū)使土壤表層0—1 cm土壤細(xì)小顆粒物增多,粗顆粒減少；至于ALCS向LMCS演替過程中土壤顆粒組成變化不顯著,這可能是ALCS向LMCS演替時(shí)間跨度比較短,而土壤表層顆粒組成異質(zhì)性較小。土壤是由大小、形狀不同的固體組分和空隙所形成的多空介質(zhì),其顆粒組成影響著土壤水力、肥力狀況,并與土壤退化直接相關(guān)[20- 22]。民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育能顯著地提高土壤細(xì)沙粒(0—200 μm)含量、降低粗砂粒(200—2000 μm)含量,從而改善了土壤質(zhì)地,這與高光磊等人對(duì)毛烏素沙地的研究結(jié)果相似[23]。

表30—1cm層土壤顆粒組成、土壤養(yǎng)分及土壤微生物含量間的相關(guān)性分析

Table3Correlationanalysisbetweeneverytwoparametersofsoilparticle-sizedistributionandnutrientandmicroorganismcontentsinthe0—1cmlayer

因子Factors總藻Totalalgae細(xì)菌Bacteria放線菌Actinomycetes真菌Fungi有機(jī)質(zhì)Organicmatter速效鉀Availablepotassium有效磷Availablephosphorous全氮Totalnitrogen粘粒Clayparticle粉粒Siltparticle細(xì)沙粒Finesand粗砂粒Coarseparticle總藻Totalalgae1細(xì)菌Bacteria-0．4271放線菌Actinomycetes-0．2590．825??1真菌Fungi-0．2210．808??0．4931有機(jī)質(zhì)Organicmatter0．969??-0．498-0．352-0．2031速效鉀Availablepotassium0．889??-0．107-0．422-0．0970．753??1有效磷Availablephosphorous0．979??-0．284-0．442-0．1290．908??0．955??1全氮Totalnitrogen0．941??-0．201-0．219-0．1310．834??0．989??0．980??1粘粒Clayparticle0．721??0．290-0．1480．3530．595?0．894??0．829??0．866??1粉粒Siltparticle0．783??0．206-0．2460．3050．672??0．914??0．876??0．896??0．994??1細(xì)沙粒Finesand0．826??0．096-0．2950．1090．688??0．974??0．917??0．951??0．967??0．976??1粗砂粒Coarseparticle-0．800??-0．1670．259-0．223-0．674??-0．945??-0．895??-0．924??-0．989??-0．995??-0．993??1

+正相關(guān),-負(fù)相關(guān),*顯著相關(guān)(P<0.05),**極顯著相關(guān)(P<0.01)

本研究發(fā)現(xiàn),在土壤結(jié)皮從NCS逐漸演替到PACS、ALCS以及LMCS過程中,土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)均逐漸增大。這主要是土壤結(jié)皮形成與發(fā)育固定沙表面,改變了表層土壤結(jié)構(gòu),阻止土壤表層養(yǎng)分流失[24-25]；此外,土壤結(jié)皮形成與發(fā)育過程中,微生物、地衣以及苔蘚出現(xiàn)不斷地在沙丘表面形成腐殖質(zhì),有效地促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的積累和養(yǎng)分提高,特別是藍(lán)藻生長(zhǎng)為土壤提供了氮源[26-27]。土壤養(yǎng)分是反應(yīng)土壤質(zhì)量以及衡量土壤肥力重要依據(jù)。因此,民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育能顯著改善了表層土壤質(zhì)量,提高土壤肥力。

不同結(jié)皮發(fā)育階段0—1 cm層土壤微生物細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量以及總藻生物量測(cè)定發(fā)現(xiàn),這些指標(biāo)在同一時(shí)間點(diǎn)(5、7、9以及12月上旬)不同結(jié)皮階段(NCS、PACS、ALCS以及LMCS)或同一階段不同時(shí)間點(diǎn)均存在變化,變化趨勢(shì)為：細(xì)菌和真菌數(shù)量以及總藻生物量在時(shí)間和空間尺度內(nèi)均呈現(xiàn)出先增大后減小；放線菌數(shù)量在空間尺度上呈現(xiàn)出先急劇減小再保持不變,在時(shí)間尺度上呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)。研究資料表明,土壤微生物數(shù)量及生物量變化不僅受環(huán)境因子影響,同時(shí)微生物之間存在直接或間接的互作[28- 30]。因此,本研究土壤微生物動(dòng)態(tài)變化應(yīng)該受多因子驅(qū)動(dòng)形成的,至于那些因子在不同空間尺度或時(shí)間點(diǎn)起主導(dǎo)作用,仍待于開展進(jìn)一步研究。

土壤生態(tài)系統(tǒng)是土壤中生物與非生物環(huán)境的相互作用通過能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)構(gòu)成的整體,各生物因子及非生物因子間存在相互作用與制約的復(fù)雜關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)總藻生物量與土壤養(yǎng)分、土壤細(xì)沙粒(0.01—200 μm)間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤放線菌數(shù)量、土壤粗砂粒(200—2000 μm)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；細(xì)菌、放線菌及真菌間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而放線菌與土壤養(yǎng)分間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；4種土壤養(yǎng)分間及其與細(xì)沙粒間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。有研究資料報(bào)到[31-34],細(xì)菌的揮發(fā)性物質(zhì)影響著真菌的生長(zhǎng),適量增加土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分能有效地提高土壤微生物量,土壤微生物量與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)關(guān)系等。本研究認(rèn)為,諸如土壤細(xì)菌與真菌呈正相關(guān)關(guān)系以及土壤養(yǎng)分與部分微生物之間無相關(guān)性等現(xiàn)象可能是細(xì)菌、真菌、放線菌在整個(gè)變化過程中受多個(gè)因子影響,而養(yǎng)分對(duì)細(xì)菌、真菌以及放線菌影響以及細(xì)菌對(duì)真菌抑制等小于其他因子影響。

基于以上研究與分析,本研究認(rèn)為在NCS向PACS演替過程中土壤顆粒組成的改變是土壤微生物數(shù)量及養(yǎng)分變化的主要驅(qū)動(dòng)因子；PACS向ALCS演替過程中,土壤藻類快速繁殖及地衣的出現(xiàn)促使土壤養(yǎng)分積累,同時(shí)結(jié)皮形成的下墊面吸納細(xì)小“客”粒改變了土壤顆粒組成；在ALCS向LMCS過渡中,土壤藻類、地衣、蘚類是提高土壤養(yǎng)分含量的主要影響因子。因此,民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育有效地改善了淺層土壤質(zhì)量,提高了土壤肥力,對(duì)該區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)改善及生態(tài)環(huán)境保護(hù)有重要的意義。

4 結(jié)論

(1)民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮在NCS向ALCS演替過程中有效地提高沙丘0—1 cm層土壤細(xì)沙粒(0—200 μm)體積百分含量,同時(shí)降低粗沙粒(200—2000 μm)含量。

(2)生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育有效提高了土壤0—1 cm有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀的含量,且土壤養(yǎng)分含量隨土壤生物結(jié)皮不斷演替而逐漸增大。

(3)生物土壤結(jié)皮發(fā)育初期(PACS)最有利于土壤細(xì)菌、真菌、放線菌繁殖；結(jié)皮形成有利于藻類繁殖,其總藻生物量一直隨生物結(jié)皮演替逐漸增大；5—12月期間,4種微生物量變化均呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在7或9月。

(4)在NCS向PACS演替過程中,土壤顆粒組成的改變是土壤微生物數(shù)量及養(yǎng)分變化的主要驅(qū)動(dòng)因子；在PACS向 LMCS演替過程中,土壤藻類、地衣、蘚類是提高土壤養(yǎng)分含量的主要影響因子。

[1] 常兆豐. 民勤人工綠洲的形成、演變及其可持續(xù)性探討. 干旱區(qū)研究, 2005, 25(1): 1- 9.

[2] 楊永勝. 毛烏素沙地生物結(jié)皮對(duì)土壤水分和風(fēng)蝕的影響[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012.

[3] 劉立超, 李守中, 宋耀選, 張志山, 李新榮. 沙坡頭人工植被區(qū)微生物結(jié)皮對(duì)地表蒸發(fā)影響的試驗(yàn)研究. 中國沙漠, 2005, 25(2): 191- 195.

[4] 李守中, 肖洪浪, 羅芳, 宋耀選, 劉立超, 李守麗. 沙坡頭植被固沙區(qū)生物結(jié)皮對(duì)土壤水文過程的調(diào)控作用. 中國沙漠, 2005, 25(2): 228- 233.

[5] 李新榮, 龍利群, 王新平, 張景光, 賈玉奎. 干旱半干旱地區(qū)土壤微生物結(jié)皮的生態(tài)學(xué)意義及若干研究進(jìn)展. 中國沙漠, 2001, 21(1): 4- 11.

[6] 李守中, 肖洪浪, 宋耀選, 李金貴, 劉立超. 騰格里沙漠人工固沙植被區(qū)生物土壤結(jié)皮對(duì)降水的攔截作用. 中國沙漠, 2002, 22(6): 612- 616.

[7] Peter G, Leder C V, Funk F A. Effects of biological soil crust and water availability on seedlings of three perennial Patagonian species. Journal of Arid Environments, 2015, 125: 122- 126.

[8] Escolar C, Maestre F T, Rey A. Biocrusts modulate warming and rainfall exclusion effects on soil respiration in a semi-arid grassland. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 80: 9- 17.

[9] 陳榮毅, 張?jiān)? 魏文壽, 王紅玲, 吳楠, 張靜. 不同沙丘部位和不同結(jié)皮類型對(duì)土壤種子庫的影響. 干旱區(qū)研究, 2008, 25(1): 107- 113.

[10] 蘇延桂, 李新榮, 陳應(yīng)武, 譚會(huì)娟, 賈榮亮. 生物土壤結(jié)皮對(duì)荒漠土壤種子庫和種子萌發(fā)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(3): 938- 946.

[11] Li X R, Jia X H, Long L Q, Zerbe S. Effects of biological soil crusts on seed bank, germination and establishment of two annual plant species in the Tengger Desert (N China). Plant and Soil, 2005, 277(1): 375- 385.

[12] 常兆豐, 韓福貴, 仲生年, 張應(yīng)昌, 何芳蘭, 柴成武. 民勤沙區(qū)人工梭梭林自然稀疏過程研究. 西北植物學(xué)報(bào), 2008, 28(1): 147- 154.

[13] 陳芳, 紀(jì)永福, 張錦春, 丁峰, 劉有軍, 劉虎俊, 王芳琳. 民勤梭梭人工林天然更新的生態(tài)條件. 生態(tài)學(xué)雜志, 2010, 29(9): 1691- 1695.

[14] 王繼和, 馬全林. 民勤綠洲人工梭梭林退化現(xiàn)狀、特征與恢復(fù)對(duì)策. 西北植物學(xué)報(bào), 2003, 23(12): 2107- 2112.

[15] 張錦春, 紀(jì)永福, 王芳林, 陳芳, 王基金, 王功時(shí), 曹虎. 民勤退化人工梭梭種群雨養(yǎng)恢復(fù)試驗(yàn)研究. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 25(1): 77- 81.

[16] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1981.

[17] 許光輝, 鄭洪元. 土壤微生物分析方法手冊(cè). 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1986.

[18] 姚槐應(yīng), 黃昌勇. 土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實(shí)驗(yàn)技術(shù). 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[19] 趙洋, 李新榮, 賈榮亮. 一種生物土壤結(jié)皮中藻類生物量的測(cè)定方法: 中國, CN 105092495A. 2015- 11- 25.

[20] 董莉麗, 鄭粉莉. 陜北黃土丘陵溝壑區(qū)土壤粒徑分布分形特征. 土壤, 2010, 42(2): 302- 308.

[21] 李海東, 沈渭?jí)? 鄒長(zhǎng)新, 袁磊, 紀(jì)迪. 雅魯藏布江山南寬谷風(fēng)沙化土地土壤養(yǎng)分和粒度特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(16): 4981- 4992.

[22] 淮態(tài), 龐獎(jiǎng)勵(lì), 文青, 宋艷. 不同土地利用方式下土壤粒徑分布的分維特征. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2008, 24(2): 41- 44.

[23] 高廣磊, 丁國棟, 趙媛媛, 馮薇, 包巖峰, 劉紫葳. 生物結(jié)皮發(fā)育對(duì)毛烏素沙地土壤粒度特征的影響. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(1): 115- 120.

[24] 張軍紅, 吳波. 油蒿與臭柏沙地生物結(jié)皮對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 40(3): 58- 61.

[25] 王紀(jì)杰, 王炳南, 李寶福, 俞元春. 不同林齡巨尾桉人工林土壤養(yǎng)分變化. 森林與環(huán)境學(xué)報(bào), 2016, 36(1): 8- 14.

[26] 林先貴, 胡君利. 土壤微生物多樣性的科學(xué)內(nèi)涵及其生態(tài)服務(wù)功能. 土壤學(xué)報(bào), 2008, 45(5): 892- 900.

[27] 蔡霜, 胡霞, 王智勇. 峨眉山土壤微生物生物量對(duì)海拔梯度的響應(yīng). 南方農(nóng)業(yè), 2016, 10(9): 248- 250.

[28] Girvan M S, Bullimore J, Pretty J N, Osborn A M, Ball A S. Soil type is the primary determinant of the composition of the total and active bacterial communities in arable soils. Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(3): 1800- 1809.

[29] Nsabimana D, Haynes R J, Wallis F M. Size, activity and catabolic diversity of the soil microbial biomass as affected by land use. Applied soil Ecology, 2004, 26(2): 81- 92.

[30] Potthoff M, Steenwerth K L, Jackson L E, Drenovsky R E, Scow K M, Joergensen R G. Soil microbial community composition as affected by restoration practices in California grassland. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(7): 1851- 1860.

[31] Mackie A E, Wheatley R E. Effects and incidence of volatile organic compound interactions between soil bacterial and fungal isolates. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31(3): 375- 385.

[32] 于麗, 楊殿林, 賴欣. 養(yǎng)分管理對(duì)農(nóng)田土壤微生物量的影響. 微生物學(xué)雜志, 2015, 35(4): 19- 25.

[33] Coser T R, Ramos M L G, Amabile R F, Júnior W Q R. Microbial biomass nitrogen in cerrado soil with nitrogen fertilizer application. Peaquisa Agropecuária Brasileira, 2007, 42(3): 399- 406.

[34] 楊艷菊, 王改蘭, 張海鵬, 趙旭, 熊靜, 黃學(xué)芳. 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)栗褐土可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響. 中國土壤與肥料, 2013, (4): 35- 38.

Effectofbiologicalsoilcrustsuccessiononsoiltexture,nutrientcontents,andmicrobialpopulationsofdunesurfacesattheedgeoftheMinqinOasis

HE Fanglan1,2, GUO Chunxiu2, WU Hao2, LIU Zuojun3, XU Wen3, JIN Hongxi2,*

1GansuHexiCorridorForestEcosystemNationalResearchStation,Wuwei733000,China2GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou730070,China3LanzhouUniversityofTechnology-SchoolofLifeScienceandEngineering,Lanzhou730050,China

The Minqin Oasis is located in the northwest Hexi Corridor, and the northern, western, and eastern edges are surrounded by the Tengger and Badain Jaran Deserts. To manage sand and prevent sandstorms, large tracts ofHaloxylonammodendronplantations have previously been planted on fixed and semi-fixed sand dunes of the Minqin Oasis fringe. At present, many biological soil crusts have formed and are developing in the fixed woodland. To ascertain whether the formation and development of dune biological soil crust affects soil texture, nutrient contents, and microorganism populations, the woodland ofH.ammodendronplantations were divided into a no crust stage (NCS), physical-algal crust stage (PACS), algal-lichen crust stage (ALCS), and lichen-moss crust stage (LMCS) according to crust coverage, crust thickness, and underlying and ground covers. Here, the contents of soil clay, silt, fine sand, and coarse sand particles, organic matter, total nitrogen, available phosphorus and potassium, and the populations or biomass of bacteria, fungi, and actinomycetes in the 0—1 cm soil layer were measured and studied. The results showed that 1) the formation and development of biological soil crusts from NCS to ALCS not only considerably increased the content of fine soil particles (0—200 μm) but also decreased soil coarse particle (200—2000 μm) contents. However, there was no significant change in soil particle composition during the succession from ALCS to LMCS; 2) the succession of biological soil crusts obviously influenced the contents of soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and potassium, and their contents gradually increased with succession; 3) during biological soil crust succession, all quantities of soil bacteria, fungi, and actinomycetes showed a trend of initially increasing and then decreasing, peaking in PACS. Simultaneously, the soil total algal biomass continuously increased. Furthermore, microbial quantities or biomass also presented a trend of initially increasing and then decreasing from May to December; and 4) in succession from NCS to PACS, the change of soil particle composition was one of the main factors causing variations in soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and potassium, bacteria, fungi, and actinomycetes. During succession from PACS to LMCS, soil algae, lichen, and mosses were the main factors improving soil organic matter, total nitrogen, and available phosphorus and potassium contents. It was suggested that the formation and development of the biological soil crust distributed in the surface layer soil of Minqin Oasis fringe dunes not only ameliorated shallow soil quality effectively, but also played a considerable role in improving soil ecosystems and protecting the ecological environment.

Minqin Oasis; biological soil crust; soil particle size; nutrients

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360203)；甘肅省創(chuàng)新群體項(xiàng)目(145RJIA335)

2016- 06- 28; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 25

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

10.5846/stxb201606281277

何芳蘭,郭春秀,吳昊,劉左軍,徐文,金紅喜.民勤綠洲邊緣沙丘生物土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)淺層土壤質(zhì)地、養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):6064- 6073.

He F L, Guo C X, Wu H, Liu Z J, Xu W, Jin H X.Effect of biological soil crust succession on soil texture, nutrient contents, and microbial populations of dune surfaces at the edge of the Minqin Oasis.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6064- 6073.