不同狀態(tài)高寒草原土壤微生物及其變化

彭岳林，蔡曉布，于寶政

(西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

【研究意義】在高寒、干旱條件下由耐寒的多年生典型旱生草本植物所構(gòu)成的高寒草原生態(tài)系統(tǒng)是西藏高原分布最廣、面積最大的一個草地類型[1]，是西藏最為主要的生態(tài)系統(tǒng)之一。然而隨著全球氣候變化和人類活動的日益增強，高寒草原生態(tài)系統(tǒng)已遭到不同程度的干擾和破壞[2-3]，而草地退化的實質(zhì)是土壤退化。作為土壤中具有生命力的重要組成成分，在土壤形成和演化過程中起主導(dǎo)作用的土壤生物日益受到研究者的重視[4-7]。土壤微生物作為土壤生物主要組成部分是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，有著不可替代的地位與作用。微生物對生存的環(huán)境十分敏感，能及時對土壤生態(tài)機制變化和環(huán)境脅迫做出反應(yīng)，隨著土壤生態(tài)環(huán)境的變化最終微生物區(qū)系組成也相應(yīng)發(fā)生變化[8-9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，許多學(xué)者就藏北地區(qū)草地退化的時空特征、草地退化對氣候變化的響應(yīng)、群落生物量與土壤養(yǎng)分等方面進(jìn)行了大量研究[10-12]，但有關(guān)該地區(qū)土壤微生物的研究主要集中在土壤微生物區(qū)系和特定生理種群等方面[13-16]，但對藏北高原高寒草地退化過程中土壤微生物變化的研究卻很少。【本研究切入點】本研究對高寒草原不同退化階段土壤微生物的變化特征開展研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過了解藏北高寒草原不同退化程度微生物區(qū)系組成的變化規(guī)律以加深對藏北高原高寒草地退化過程和機理的認(rèn)識，為高寒草原恢復(fù)與重建提供新思路及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究以藏北高原南部為研究對象，該區(qū)域?qū)俑咴瓉喓畮Ш涓珊?、半干旱氣候，全年分?10-6月)、暖(7-9月)兩季[17-18]，年均溫、≥0 ℃年積溫分別為0～6、500～1500 ℃，年降水量100～300 mm。在高寒和干旱的共同作用下，高寒草原成土過程微弱，土層淺薄，土層厚度一般僅在20 cm左右，具有季節(jié)性凍土層(土壤凍結(jié)期7個月左右，凍結(jié)深度一般>1 m)，其成土過程以腐殖質(zhì)弱積累和鈣積作用為主，由于低溫、干旱的土壤環(huán)境，土壤有機殘體難以完全分解而不斷積累，因此，高寒草原具有“高有機殘體”的土壤有機物賦存特征[17-18]。土壤類型為高山草原土(石灰性土壤)，高寒草原植被構(gòu)成相對簡單，以耐寒的多年生典型旱生植物為主，建群種主要為紫花針茅、青藏苔草等。近幾十年來，在超載過牧、氣候旱化等各種不利因素的綜合影響下，以植被稀疏化、草地沙漠化和土壤肥力衰退為主要過程的草地退化十分明顯，已嚴(yán)重影響并制約著區(qū)域社會、經(jīng)濟和生態(tài)的持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.2 采樣方法

由于高寒草原退化過程的特殊性，一般草地狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[19]難以適用。因此，據(jù)資料[18]和實地調(diào)研，將植被蓋度為45 %～65 %、20 %～45 %、<20 %的草地分別確定為正常草地、輕度退化草地、嚴(yán)重退化草地(表1)。2015年9月，于藏北高原南部(N 31°29.827′～31°35.125′、E 91°04.064′～91°34.114′)分別選取3處高寒草原作為研究區(qū)域(每個區(qū)域間隔50～100 km)；每個研究區(qū)域內(nèi)，均包括正常草地(未退化草地)、輕度退化草地、嚴(yán)重退化草地等3個采樣區(qū)(面積均>10 hm2)；在每一采樣區(qū)內(nèi)，分別隨機設(shè)置3個采樣點(每一采樣點間隔>200 m)；于各采樣點分別按0～10、10～20 cm土層采集原狀土樣，再從同一采樣區(qū)的3個同層土樣中隨機取出等量土樣組成1個原狀混合土樣(約重3.5 kg)，分別裝入經(jīng)滅菌處理的封口袋中，帶回實驗室儲存于4 ℃冰箱中備用。

1.3 分析測試方法

1.3.1 土壤微生物分離 細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏—孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌用淀粉銨鹽培養(yǎng)基；采用涂抹平板法分離土壤微生物，每處理重復(fù)3 次。各種菌接種后置恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(細(xì)菌、放線菌置28 ℃培養(yǎng)，真菌置25 ℃培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)3～5 d，真菌培養(yǎng)5～7 d，放線菌培養(yǎng)7～14 d)后檢查結(jié)果[20]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 本研究以3次重復(fù)平均測定值作為結(jié)果。相關(guān)分析、差異顯著性測驗等數(shù)理統(tǒng)計采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(版本號：16.50)。

表1 采樣點海拔與土壤理化特性Table 1 Altitude and soil physicochemical properties in sampling site

注：不同狀態(tài)草地相同土層間不同小寫字母表示差異顯著性達(dá)5 %。
Note:Different lowercase letters represent a significant difference at 5 % among the same soil layers in the steppes in different statuses.

相同土層不同小寫字母、相同狀態(tài)草地不同土層不同大寫字母均表示差異顯著性達(dá)5%，下同圖1 不同狀態(tài)高寒草原土壤微生物類群數(shù)量Fig.1 Soil microorganisms number at different stage in alpine grasslands

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化程度高寒草原土壤微生物數(shù)量變化

3種微生物數(shù)量在不同退化程度高寒草原中均表現(xiàn)出放線菌>細(xì)菌>真菌的特征(表2)。正常草地、輕度退化草地、嚴(yán)重退化草地中，放線菌占全部微生物數(shù)量的比例分別為66.4 %、71.9 %、69.5 %，細(xì)菌為29.9 %、26.2 %、29.4 %，真菌則僅占3.7 %、1.9 %和1.1 %，放線菌在3種微生物中占絕對優(yōu)勢。

同一種微生物隨著高寒草原退化程度的加劇也表現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖1)。細(xì)菌隨著草原退化程度的加劇表現(xiàn)出先下降再上升的趨勢；真菌則隨著草原的退化表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地真菌數(shù)量較正常草地分別下降48.6 %和70.3 %；放線菌的表現(xiàn)則與細(xì)菌和真菌截然不同，其數(shù)量隨著草原的退化表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地真菌數(shù)量較正常草地分別上升15.7 %和19.6 %。劉世貴等[13]研究發(fā)現(xiàn)退化程度高的草地放線菌的數(shù)量要高于退化程度較低的草地，這與藏北高寒草原土壤放線菌的變化趨勢總體上是吻合的。

圖2 不同狀態(tài)高寒草原不同土層細(xì)菌數(shù)量Fig.2 Bacteria number numbers with different soil layer in different stage in alpine grasslands

2.2 不同退化程度高寒草原不同土層微生物數(shù)量的變化

在藏北高寒草原隨著土壤退化程度的逐步加深，表層土壤(0～10 cm)細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)出先下降、再上升的變化特征，而亞表層土壤(10～20 cm)細(xì)菌數(shù)量則隨著土壤退化加劇表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(圖2)。表層土壤和亞表層土壤細(xì)菌數(shù)量也有差異，正常草地和輕度退化草地中亞表層土壤細(xì)菌數(shù)量較表層分別下降25.5 %和0.08 %，嚴(yán)重退化草地亞表層細(xì)菌數(shù)量卻較表層輕微上升0.03 %。

表2 不同退化程度高寒草原土壤微生物數(shù)量Table 2 Soil micro-organism number at different degraded degree alpine grassland

注：同一微生物同列不同小寫字母表示差異顯著性達(dá)5 %。
Note：Different lowercase letters in the same column for same microorganism represent a significant difference at 5 %.

表3 不同狀態(tài)高寒草原土壤微生物間的相關(guān)性(r)Table 3 The correlation of soil microbial biomass in alpine steppes

注：**：P≤0.01。
Note：**：P≤0.01.

在藏北不同退化程度高寒草原中，真菌數(shù)量變化在表層表現(xiàn)和細(xì)菌一樣的先下降后上升的變化趨勢，但在亞表層土壤中卻表現(xiàn)為先上升再下降的趨勢(圖3)。與正常草地相比，表層土壤真菌輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地較正常草地分別下降86.1 %和75.0 %，而亞表層土壤真菌輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地較正常草地分別上升8.60 %和下降52.4 %。

圖4所示，不同程度退化草地不同土層土壤放線菌數(shù)量的變化也具有其自身的特點，表現(xiàn)為表層土壤中放線菌數(shù)量隨草地退化程度的加劇呈先上升后下降的趨勢，亞表層土壤中卻呈現(xiàn)隨退化程度加劇放線菌數(shù)量增加的趨勢。表層中輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地土壤放線菌數(shù)量較正常草地上升15.6 %和下降9.4 %，亞表層土壤中輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地土壤放線菌數(shù)量較正常草地分別上升15.8 %和68.4 %。

綜合分析藏北高寒草原不同退化程度草地不同土層土壤微生物的變化可以看出，正常草地中三類微生物的數(shù)量在表層和亞表層土壤中的分布具有顯著差異，表層數(shù)量大于亞表層，而隨著草地退化的加劇，細(xì)菌在輕度退化草地，真菌和放線菌在嚴(yán)重退化草地都先后表現(xiàn)表層和亞表層土壤中的分布沒有差異的變化，體現(xiàn)出隨著草地的退化，各種微生物數(shù)量在土壤中的分布逐漸趨于一致的變化態(tài)勢。賀鳳鵬等[21]發(fā)現(xiàn)草地退化程度越嚴(yán)重, 表層與10～20 cm 土層之間土壤微生物學(xué)特征的差異越小,這與本研究的結(jié)果是一致的。

圖3 不同狀態(tài)高寒草原不同土層真菌數(shù)量Fig.3 Fungi number with different soil layer in different stage in alpine grasslands

2.3 高寒草原土壤微生物間的相互關(guān)系

分析表明，3種土壤微生物間在不同退化草原中表現(xiàn)出不同的相關(guān)性(表3)。正常草地和嚴(yán)重退化草地中土壤細(xì)菌(x)與土壤放線菌(y1)表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)(P≤0.01)，線性回歸方程分別為y1=33.85-12.5x、y1=23.3-6.67x；與真菌(y2)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，線性回歸方程分別為y2= 10.61-3.38x、y2=1.07-0.05x，但在輕度退化草地中土壤細(xì)菌(x)和土壤放線菌間則呈顯著正相關(guān)(P≤0.05)，與真菌表現(xiàn)為正相關(guān)，線性回歸方程為y1=-1.25 + 3.19x、y2=1.00 + 0.10x。土壤真菌與土壤放線菌則在不同狀態(tài)高寒草原中均表現(xiàn)為不同程度的正相關(guān)。由此可見，高寒草原環(huán)境中，不同微生物類群對土壤退化的反應(yīng)不僅具有自身的專一性，而且體現(xiàn)了土壤退化進(jìn)程中不同微生物類群相互影響的變化情況。

圖4 不同狀態(tài)高寒草原不同土層放線菌數(shù)量Fig.4 Actinobacteria number with different soil layer in different stage in alpine grasslands

3 討 論

微生物在遇到不適宜條件時進(jìn)入休眠狀態(tài)是一個普遍的現(xiàn)象，尤其是能形成芽孢和孢子的微生物[22]。劉世貴等的研究發(fā)現(xiàn)隨著草原退化程度的加深，芽孢桿菌屬細(xì)菌在細(xì)菌數(shù)量中所占的比例逐步升高，最高可達(dá)73.36 %[13]，這可能是造成本研究中嚴(yán)重退化草地中細(xì)菌數(shù)量較正常草地和輕度度退化草地數(shù)量上升的原因之一。同時，藏北高寒草原是在高寒、干旱條件下形成的，盡管正常草地植被覆蓋度、植物生長量以及年進(jìn)入土壤中的有機殘體量相對較大，但由于低溫條件下土壤凍結(jié)期長、通透性能差，對土壤微生物的活動抑制作用較為強烈，不利于土壤微生物的繁殖，而隨著草地退化，一定程度的土壤沙化所導(dǎo)致的土壤環(huán)境的改變，也可能促進(jìn)了土壤細(xì)菌的繁殖和活動，使土壤細(xì)菌數(shù)量呈增加的趨勢。

多數(shù)的研究認(rèn)為土壤中細(xì)菌占多數(shù)[ 24-26]，這與本研究中藏北高寒草原土壤放線菌占優(yōu)勢的結(jié)果不一致，韓玉竹等[25]在研究東祁連山高寒草地時也發(fā)現(xiàn)高寒草地土壤中細(xì)菌和放線菌占絕對優(yōu)勢并且細(xì)菌和放線菌所占比例幾乎相當(dāng)，而本研究中放線菌的數(shù)量遠(yuǎn)高于細(xì)菌。究其原因，可能由于在高原低溫寒凍條件下土壤凍結(jié)期長，土壤微生物的活性較低，從而較為強烈地抑制了土壤有機殘體的分解，致使土壤有機質(zhì)形成過程受阻，大量有機殘體累積于土體。一般認(rèn)為,放線菌在有機物殘體分解的初期作用不明顯,而在后期,特別是在性狀穩(wěn)定的有機成分如木質(zhì)素/蠟質(zhì)和幾丁質(zhì)分解中,能夠發(fā)揮較大的作用。趙吉等[26]研究也發(fā)現(xiàn)植株回歸草原土壤后的分解后期，放線菌的數(shù)量呈快速增加趨勢。藏北高寒草原退化過程中隨著土壤中的有機物特別是易于分解的有機成分被大量消耗，土壤中殘存的主要是一些不易被其它種類微生物利用的有機物，而這部分有機物恰好為土壤放線菌提供了營養(yǎng)。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，不同退化程度高寒草原中3種微生物數(shù)量均表現(xiàn)出放線菌>真菌>細(xì)菌的趨勢，放線菌占絕對優(yōu)勢。不同土層中3種微生物的變化趨勢各不相同，但隨著土壤退化程度的加劇各種微生物數(shù)量在土壤中的分布逐漸趨于一致。同時研究還發(fā)現(xiàn)3種土壤微生物間在不同退化草原中相互間表現(xiàn)出不同的相關(guān)性。

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