蘭州市南山季節(jié)性土壤微生物特征及影響因素

劉旻霞,李 瑞,張 燦,李俐蓉,車應(yīng)弟 (西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

土壤是地球環(huán)境的重要組成部分,承載著地球生態(tài)系統(tǒng)中諸多重要的生命體及物理化學(xué)變化過程[1].土壤中的微生物種類繁多,數(shù)量龐大,主要參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分元素的循環(huán)等過程,是土壤中物質(zhì)遷移和能量流動的動力,土壤微生物群落在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)、土壤結(jié)構(gòu)的改良與優(yōu)化方面發(fā)揮著重要作用[2].由于土壤化學(xué)性質(zhì)在短時間內(nèi)變化較小,因此土壤化學(xué)性質(zhì)作為土壤評價指標(biāo)時,并不能全面評價土地管理及土地利用變化帶來的影響[3],而土壤微生物能夠?qū)τ谕饨绛h(huán)境的細(xì)微變化做出快速而敏感的反應(yīng)[4],因此土壤微生物被認(rèn)為是表征土壤結(jié)構(gòu)與功能變化的重要參數(shù)之一[5].進(jìn)行土壤微生物的研究,對于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有十分重要意義[6].

近年來,依托先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,土壤微生物多樣性及其功能的研究漸具雛形.不同生境下,土壤微生物群落分布受到植被類型、土壤質(zhì)地、土壤養(yǎng)分等因素的綜合影響,從而呈現(xiàn)特殊的變化規(guī)律[7].許多研究認(rèn)為環(huán)境因子中植物群落會對土壤微生物功能活性產(chǎn)生重要影響[8],王衛(wèi)霞等[9]的研究表明,退耕還林地與宜林荒山地的土壤微生物群落差異較大,表現(xiàn)為退耕還林地土壤微生物各菌群生物量顯著較高.季節(jié)變化會整體改變微生物的生存環(huán)境,對此戴雅婷等[10]研究了鄂爾多斯沙地油蒿土壤微生物區(qū)系的季節(jié)動態(tài),表明土壤微生物數(shù)量春夏季略高于秋冬季.蘭州市位于黃土高原最西端,地處半干旱氣候帶,降水偏少和水土流失是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的主要問題[11],蘭州市進(jìn)行生態(tài)工程建設(shè)對于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的意義.以往對于半干旱地區(qū)的研究主要集中于植被特征、植物群落分布規(guī)律及土壤養(yǎng)分空間分布等問題[12-13],忽略了土壤微生物群落在協(xié)同植物生長、改良土壤性狀等方面的作用,特別是探討半干旱地區(qū)季節(jié)、海拔等生態(tài)環(huán)境變化對土壤微生物群落影響的研究更為鮮見.

本研究選取了蘭州市南山綠化區(qū)不同海拔梯度下的兩種植被類型作為研究對象,主要研究樣地內(nèi)土壤微生物和土壤理化因子的季節(jié)變化趨勢及相關(guān)關(guān)系.旨在探究半干旱地區(qū)環(huán)境因子與土壤微生物之間的內(nèi)在聯(lián)系,并從微生物學(xué)的角度對南北兩山綠化工程進(jìn)行評價,改善林地的生物學(xué)功能,以指導(dǎo)未來的生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃和環(huán)境政策的發(fā)展,同時為探究不同地域環(huán)境因子對微生物區(qū)系分布的影響提供科學(xué)的理論依據(jù).

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于蘭州市區(qū)南部,作為蘭州市南北兩山綠化工程的一部分,其地理坐標(biāo)介于北緯 35°53′～36°33′,東 經(jīng) 103°21′～104°38′,海 拔 高 度 為 1500～2500m.蘭州市屬于溫帶半干旱草原氣候,春秋季少雨多風(fēng),溫差較大,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,年平均氣溫10.3,℃全年平均日照時數(shù)2446h,無霜期180d以上.蘭州市氣候干燥,年平均降水量 327.7mm,年平均蒸發(fā)量1410.15mm,平均相對濕度58%.蘭州市南山土壤類型以暗灰鈣土和典型灰鈣土為主,土壤貧瘠,水土保持能力較差.研究區(qū)內(nèi)植被以旱生和鹽生類型的植物物種為主,主要喬木有側(cè)柏、國槐、云杉、圓柏、桃樹、銀杏、榆樹,主要灌木及草本植物有冰草、油蒿、枸杞、麻花頭、曼陀羅、芨芨草、狗尾草,形成以干旱荒漠為特征的溫帶荒漠植物種群的景觀特色,植被恢復(fù)年限約為15a.研究區(qū)域基本情況見表1.

表1 研究區(qū)域基本情況Table 1 Characteristics of study area

1.2 試驗設(shè)計與樣品采集

本研究選取海拔為1600、1800和2000m的3個樣區(qū),每個樣區(qū)內(nèi)分別設(shè)置 1～2個 20×20m的人工林樣地和1個荒地對照.在2016年的春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)以及冬季(12月),調(diào)查樣地植被類型、海拔、坡度、坡向及蓋度等環(huán)境因子,并在每個樣地選取5點作為重復(fù),清除地表植物殘體(腐殖質(zhì)厚度約為3～5cm),采集0～10cm深土壤約500g,去除土壤中的砂礫和植物根系,裝入自封袋中保存.將鮮土帶回實驗室后,一部分放入 4℃冰箱保存,盡快完成微生物的分離計數(shù).另一部分土壤自然風(fēng)干后,研磨、過篩,用于土壤理化性質(zhì)的測定.

1.3 土壤微生物培養(yǎng)計數(shù)

土壤微生物采用稀釋涂布平板法,其中細(xì)菌使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,稀釋濃度選取 10-4、10-5、10-6,37℃下倒置培養(yǎng) 48h后計數(shù).真菌使用馬丁氏-孟加拉紅培養(yǎng)基,稀釋濃度選取10-1、10-2、10-3,28℃下倒置培養(yǎng) 3～4d后計數(shù).放線菌使用改良高氏一號培養(yǎng)基(加入 3%的重鉻酸鉀溶液以抑制細(xì)菌生長),稀釋濃度選取10-2、10-3、10-4,28℃下倒置培養(yǎng)5～7d后計數(shù).

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)采用如下方法測定:土壤含水量用烘干法(重復(fù)3次),土壤pH值用水浸提電位法,土壤全氮用半微量凱氏定氮法,土壤全磷用硫酸-高氯酸消煮法,土壤有機(jī)碳用硫酸消煮-重鉻酸鉀外加熱法,土壤溫度用土溫計測定,容重采用環(huán)刀法測定.

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)體系受制于高校內(nèi)部小環(huán)境以及社會外部大環(huán)境，必然受到內(nèi)外部環(huán)境的影響和制約。鑒于高校得天獨厚的學(xué)術(shù)優(yōu)勢和實踐優(yōu)勢，需要建立以高校為中心的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)共同體，整體協(xié)同推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。如美國就在全美創(chuàng)客行動中大力推進(jìn)以斯坦福大學(xué)等高校為中心的創(chuàng)客教育，加強(qiáng)推進(jìn)區(qū)域性創(chuàng)客行動的實踐，為全美社區(qū)創(chuàng)客教育提供保障［4］。德國和日本等國也相應(yīng)地形成以慕尼黑大學(xué)和筑波大學(xué)為中心的實踐推進(jìn)模式。

在 Excel2007中進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與計算,在SPSS18.0中進(jìn)行環(huán)境因子與土壤微生物的相關(guān)分析與單因素方差分析,運用CANOCO4.5軟件對土壤微生物與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(RDA),運用 Origin9.0軟件繪制分析圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)土壤微生物區(qū)系的變化趨勢

蘭州市南山土壤微生物區(qū)系季節(jié)分布如表 2所示,微生物3大類群均具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化.土壤中細(xì)菌為優(yōu)勢種群,細(xì)菌數(shù)量占微生物總數(shù)的96.22%～99.80%,說明細(xì)菌為微生物類群中的絕對優(yōu)勢類群.春夏季放線菌數(shù)量高于真菌數(shù)量,秋冬季則相反.不同季節(jié)土壤細(xì)菌數(shù)量差異顯著,夏季土壤細(xì)菌數(shù)量最多,為89.22×106cfu/g soil,分別是春、秋、冬季的12.02、3.28、2.74倍,說明土壤微生物生長繁殖隨季節(jié)變換而變化,夏季雨熱同期,更有利于細(xì)菌生存.真菌數(shù)量隨季節(jié)變化差異較小,春季最高為7.39×104cfu/g soil,其次是秋冬季,夏季真菌數(shù)量最低為 2.93×104cfu/g soil.放線菌數(shù)量隨季節(jié)變化同樣表現(xiàn)出顯著差異,其中春夏季放線菌數(shù)量較高,是秋冬季的10倍左右.

表2 土壤微生物數(shù)量季節(jié)分布特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 2 Seasonal distribution of soil microorganisms(Mean ± SE)

2.2 不同樣地土壤微生物區(qū)系的變化趨勢

蘭州市南山不同樣地細(xì)菌、真菌和放線菌的季節(jié)變化特征分別如圖 1 中(a)～(d)、(e)～(h)、(i)～(l)所示,從圖中可以看出,不同樣地微生物數(shù)量的分布差異顯著.春夏季土壤細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)為人工林樣地略低于荒坡樣地.夏季對照 3土壤細(xì)菌數(shù)量最豐富,為203.37×106cfu/g soil.隨海拔高度的降低,春季細(xì)菌數(shù)量逐漸減少,秋季剛好相反,春冬季則表現(xiàn)為先減少后增加.同一海拔高度,真菌數(shù)量在各樣地分布差異顯著,其中春季荒坡樣地真菌數(shù)量明顯高于人工林樣地,其余三季呈現(xiàn)的變化規(guī)律各異.隨海拔高度的降低,夏季與冬季土壤真菌數(shù)量均呈下降趨勢,秋季則呈上升趨勢,春季土壤真菌數(shù)量隨海拔變化未呈現(xiàn)明顯變化規(guī)律.土壤放線菌分布具有明顯的季節(jié)性,各樣地均表現(xiàn)為春夏季遠(yuǎn)高于秋冬季;荒坡樣地略高于人工林樣地,但秋冬季樣地3放線菌數(shù)量均最高,分別為5.27×104cfu/g soil和4.05×104cfu/g soil.放線菌數(shù)量隨海拔升高整體表現(xiàn)為逐漸減少.

圖1 不同樣地土壤微生物區(qū)系隨海拔變化特征Fig.1 Variation of soil microbial community with altitude

2.3 不同季節(jié)不同樣地土壤理化性質(zhì)的變化

土壤理化性質(zhì)是土壤、植被以及周圍環(huán)境共同作用的結(jié)果,是土壤質(zhì)量變化與土壤發(fā)育最基本的表征和核心研究內(nèi)容[14].本研究調(diào)查了蘭州市南山土壤理化性質(zhì)的季節(jié)變化情況,結(jié)果如圖 2所示.土壤含水量呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化,夏季土壤含水量顯著高于其他季節(jié),這主要與當(dāng)?shù)丶竟?jié)性降水有關(guān).在同一海拔梯度,各樣地土壤含水量差異較大,且普遍較低,介于(3.37±0.6)%～(27.06±1.2)%,平均為 13.93%.人工林樣地土壤含水量略高于荒坡樣地.土壤溫度表現(xiàn)為夏季最高,最高溫度為25.5,℃其次是春季和秋季,冬季則普遍低于0℃,隨海拔高度的升高而降低.土壤容重介于 0.99～1.54g/cm3之間,各樣地容重未出現(xiàn)明顯差異,且隨季節(jié)與海拔變化規(guī)律不明顯.蘭州市南山土壤養(yǎng)分含量普遍較低,春季土壤有機(jī)碳含量略高于其他季節(jié),荒坡對照1與對照2土壤有機(jī)碳含量略低于同海拔人工林樣地,其中對照 3各養(yǎng)分因子均顯著高于其他樣地.土壤全氮含量季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)為春季最高0.86g/kg,其次是秋季和冬季,分別為 0.72g/kg, 0.73g/kg,夏季土壤全氮含量最少為0.67g/kg.土壤全磷含量季節(jié)變化規(guī)律尚不明顯.土壤養(yǎng)分因子隨海拔降低整體呈上升趨勢.土壤電導(dǎo)率可衡量土壤鹽分狀況,各樣地整體表現(xiàn)為夏季最高,秋冬季偏低.土壤 pH 值介于(7.70±0.01)～(8.84±0.07)之間,呈中性偏堿性.各樣地土壤pH值隨季節(jié)變化表現(xiàn)為春季最高,其次是秋冬季,夏季最低,隨海拔高度的上升,土壤pH值整體呈現(xiàn)上升趨勢.

圖2 不同樣地土壤理化性質(zhì)隨季節(jié)變化特征Fig.2 Variation of soil physical and chemical properties with different seasons

2.4 不同季節(jié)土壤微生物與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

不同季節(jié)土壤微生物的主導(dǎo)因子各不相同,這主要由于季節(jié)的變化會引起外界環(huán)境的改變,進(jìn)而導(dǎo)致微生物生存環(huán)境的不同.不同季節(jié)土壤微生物與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系如表3.春季,土壤細(xì)菌、真菌與土壤含水量及各養(yǎng)分因子均呈負(fù)相關(guān)(P＞0.05),但相關(guān)性不顯著,放線菌與全氮、全磷呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),與有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01).夏季,放線菌與全磷呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),除此之外,3大菌群與土壤理化性質(zhì)均為達(dá)到顯著相關(guān)水平.其中細(xì)菌與pH值、土壤含水量呈負(fù)相關(guān),與養(yǎng)分因子均呈正相關(guān),而真菌與放線菌則與養(yǎng)分因子呈負(fù)相關(guān).秋季,真菌與 pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),與有機(jī)碳、全氮呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),與容重、土壤電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)(P＜0.05).3大菌群與pH值、土壤含水量呈不同程度負(fù)相關(guān),與養(yǎng)分因子、容重和土壤溫度則呈不同程度正相關(guān).冬季,細(xì)菌與 pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),與有機(jī)碳、全氮、全磷呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),真菌土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05),冬季放線菌與土壤理化因子相關(guān)系數(shù)均較低.

表3 不同季節(jié)土壤微生物與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 3 Correlation between soil microbes and soil physical and chemical properties in different seasons

2.5 不同樣地土壤微生物與環(huán)境因子的冗余分析

圖3 土壤微生物與環(huán)境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of soil microorganisms and environmental factors

冗余分析是通過分析響應(yīng)變量和解釋變量之間的相關(guān)性,對環(huán)境因子進(jìn)行篩選,分析引起響應(yīng)變量變異的原因.RDA可排序圖可直觀的反映環(huán)境因子對土壤微生物群落分布的影響及影響程度.分析結(jié)果如圖3所示,第一軸序(Axis 1)與第二軸序(Axis 2)分別可以解釋97.1%、2.5%的物種數(shù)據(jù)變化,累計解釋了 99.6%的物種-環(huán)境關(guān)系.圖中實線箭頭代表土壤微生物類群,虛線箭頭代表各環(huán)境因子;實線與虛線之間的夾角代表土壤微生物與各環(huán)境因子之間的相關(guān)性;樣地間的差異可用連線的長短來表示.土壤微生物群落與土壤養(yǎng)分含量及土壤電導(dǎo)率均呈正相關(guān)關(guān)系,其中土壤細(xì)菌與真菌群落分布基本一致,且與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、電導(dǎo)率呈正相關(guān),土壤放線菌數(shù)量與 pH 值呈負(fù)相關(guān),與其余環(huán)境因子均呈正相關(guān)關(guān)系.對照1與對照2、樣地3與樣地 5呈現(xiàn)較高相似度.環(huán)境因子中土壤有機(jī)碳與第一物種軸的相關(guān)系數(shù)最高,為 0.520,因此土壤有機(jī)碳含量是土壤微生物類群分布的主導(dǎo)因子.環(huán)境因子中,土壤 pH值與土壤電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01),有機(jī)碳、全氮、全磷之間呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01).

3 討論

土壤微生物分布特征是對土壤發(fā)育狀況與生態(tài)條件的綜合反映,可依照生物學(xué)活性的不同來評價土壤發(fā)育程度[15].蘭州市南山兩種植被類型的土壤微生物區(qū)系分布均有明顯的季節(jié)變化,有研究表明,季節(jié)的變化引起的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變,遠(yuǎn)大于因植被類型改變和養(yǎng)分施用而引起的變化[16].土壤微生物在土壤能量轉(zhuǎn)化及養(yǎng)分積累過程中發(fā)揮著重要作用,其中土壤細(xì)菌主要參與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化,真菌與放線菌主要參與土壤有機(jī)物質(zhì)的分解.真菌主要分解纖維素、果膠和木質(zhì)素等,放線菌相對于真菌可對氨基酸等蛋白物質(zhì)更高效地分解[17].本研究結(jié)果顯示,春季的真菌與放線菌數(shù)量均達(dá)到最大值,而細(xì)菌則在夏季達(dá)到最大值(表 2),分析認(rèn)為春季溫濕適宜,植物群落開始恢復(fù)生長,土壤表層存在大量未分解的動植物殘體,凋落物的分解,需要借助腐殖質(zhì)部分的有機(jī)物質(zhì)來促進(jìn)非腐殖質(zhì)部分的降解,真菌和放線菌可破壞凋落物表層,幫助大量內(nèi)居性動物侵入凋落物內(nèi)部,分解土壤中的有機(jī)物質(zhì),供給植物吸收生長,因而春季土壤養(yǎng)分和真菌、放線菌數(shù)量均較高[18];夏季高溫多雨,植物群落處于生長旺盛時期,植物根系分泌物增多,土壤養(yǎng)分循環(huán)與能量流動加快,需要大量的細(xì)菌參與其中,因而夏季微生物數(shù)量及代謝活性最高,這與洪丕征等[19]和 Bell等[20]的研究結(jié)果大致相同.秋冬兩季細(xì)菌與真菌數(shù)量相對較低,放線菌數(shù)量在秋冬兩季數(shù)量最低,有研究認(rèn)為,秋季隨著植物進(jìn)入落葉期,土壤中養(yǎng)分供應(yīng)減少,同時蘭州地區(qū)秋季土壤溫度偏低,對微生物的生長繁殖過程具有一定的抑制作用,并降低其代謝活性[21],而戴雅婷等[10]的研究結(jié)果為秋冬季高于春夏季,生長高峰出現(xiàn)在冬季,其認(rèn)為這與放線菌耐低溫干旱,對不良環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的生理特性有關(guān).

植被類型對于微生物的影響是宏觀的,兩者相互作用于植物根際[22],植物主動從土壤中吸收養(yǎng)分形成有機(jī)體,隨后以凋落物或根系分泌物等有機(jī)體的形態(tài)重新回到土壤[23],微生物可將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機(jī)養(yǎng)分并促進(jìn)植物根系吸收利用[24].人工林造林不僅改變地表覆被狀況,還影響著土壤養(yǎng)分循環(huán)、化學(xué)性質(zhì)變化和土壤發(fā)育等[9].研究表明,植樹造林作為土地管理措施的一種,不僅改變地表覆被狀況,還可明顯促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累和土壤肥力的演變,提高養(yǎng)分利用率,維系植被與土壤的良性關(guān)系[25].一方面,植物群落通過自身代謝釋放根系分泌物,并產(chǎn)生衰老組織及凋落物,這些根系沉積物及樹木凋落物作為土壤有機(jī)質(zhì)和能源輸入的主要來源,是微生物進(jìn)行生命活動的能源基礎(chǔ),為該生境中土壤微生物群落繁殖提供適宜的環(huán)境;另一方面,地表植被產(chǎn)生的枯枝落葉可以起到截流蓄水的作用,有效降低土壤表面蒸發(fā)量,同時改良土壤通氣狀況,增加土壤有機(jī)物質(zhì)的儲量,最終達(dá)到保水保肥的目的.當(dāng)植樹造林地進(jìn)入后期,土壤新陳代謝旺盛,大量有機(jī)物質(zhì)以凋落物的形式返回土壤,植物殘余物增加,土壤養(yǎng)分含量及土壤碳儲量明顯提高,土壤微生物活性趨于穩(wěn)定,可通過分解土壤有機(jī)物質(zhì)為植物生長發(fā)育提供養(yǎng)分,最終改善土壤結(jié)構(gòu)及性狀.

因此了解不同植被類型對土壤理化性質(zhì)的影響,是合理利用土地資源進(jìn)行綠化生態(tài)建設(shè)的前提[26].吳則焰等[27]對武夷山不同植被類型土壤微生物群落特征的研究發(fā)現(xiàn),無論是土壤微生物功能多樣性,還是土壤理化性質(zhì)、酶活性,均表現(xiàn)為天然林優(yōu)于人工林,荒地最差.本研究中,土壤含水量及土壤有機(jī)物質(zhì)整體表現(xiàn)為人工林樣地高于荒坡樣地(圖 2),這與任建宏等[28]的研究結(jié)果基本一致,這體現(xiàn)出植物群落可有效促進(jìn)土壤蓄水保墑、防止水土養(yǎng)分流失.但土壤微生物數(shù)量卻表現(xiàn)為荒坡樣地略高于人工林樣地(圖1),與養(yǎng)分因子并未呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,這可能由于人工林樣地植物群落生長旺盛,對土壤水分及養(yǎng)分的需求較大,相對抑制了土壤微生物的生命活動,這正體現(xiàn)出二者相互競爭的關(guān)系;另一方面,在生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程中,受到生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性的制約,人工林樣地在后續(xù)物種的引入及土壤培育措施等外力作用下,土壤發(fā)育相對不成熟,因此土壤微生物群落分布不均衡且略低于荒坡.

本研究表明,土壤含水量與雨季同步,表現(xiàn)為七月份最高,其余三季無顯著差異;土壤養(yǎng)分因子表現(xiàn)為春季最高(圖 2),這主要由于春季植物群落開始生長,土壤微生物將土壤中大量動植物殘體、枯枝落葉分解為有機(jī)物質(zhì),供給植物消耗,這說明植物群落的生長可有效改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu),提高有機(jī)質(zhì)含量.參照黃土丘陵區(qū)人工林地土壤肥力指數(shù),蘭州市南山土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于較低水平,全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為中等水平.土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.46～44.02g/kg,全氮、全磷的含量分別為 0.34～1.61g/kg,0.38～0.87g/kg,其中對照3土壤養(yǎng)分因子異常(圖2),這主要由于對照3并未處于自然狀態(tài)下,受到較為嚴(yán)重人類活動的影響,生活污水及人和動物糞便等的排放均會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分出現(xiàn)異常.自然狀態(tài)下,海拔的變化會引起土壤溫度、濕度、養(yǎng)分含量等因素的改變,影響植物群落多樣性的空間分布[29].蘭州市南山植被類型的分布具有一定的主觀性,樣地內(nèi)灌木及草本的分布是一定的,但隨著海拔發(fā)生變化,樣地內(nèi)土壤理化性質(zhì)會相應(yīng)發(fā)生變化.本研究中,隨著海拔的升高,pH值逐漸上升,土壤溫度、有機(jī)碳和全氮含量呈下降趨勢,全磷含量則表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢,土壤含水量與容重隨海拔變化趨勢不明顯(圖 2).這與叢靜等[30]和張靈等[13]的研究結(jié)果差異較大,分析認(rèn)為受到氣候及人為的影響,研究區(qū)及所選樣地的生態(tài)環(huán)境區(qū)域性差異均會導(dǎo)致研究結(jié)果的不同.

土壤微生物的季節(jié)變化特征同時受到氣候條件、植物群落、土壤類型及土壤養(yǎng)分因子的綜合影響.管海英等[31]對荒漠植被區(qū)土壤微生物量碳的季節(jié)變化和影響因素的研究表明,不同植被區(qū)土壤微生物量碳與全氮、有機(jī)碳均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05).本文相關(guān)分析結(jié)果顯示,春季放線菌與土壤養(yǎng)分因子均達(dá)到顯著相關(guān)水平,夏季放線菌與全磷呈顯著負(fù)相關(guān),秋季真菌與有機(jī)碳和全氮呈顯著正相關(guān),冬季細(xì)菌與土壤養(yǎng)分因子均達(dá)到顯著相關(guān)水平(表 3).蘭州市水資源短缺,同時土壤保水能力較差,養(yǎng)分及水土流失嚴(yán)重,是制約當(dāng)?shù)厝斯ち纸ㄔO(shè)和農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的主要因素.Lu等[32]的研究表明土壤含水量是影響植物群落分布格局的關(guān)鍵因子,而本研究中土壤含水量與土壤微生物各類群及土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性均較低,分析認(rèn)為蘭州市供水與耗水量之間極度不平衡,植樹造林所需水資源主要依賴人工噴灌,擾亂了自然狀態(tài)下土壤含水量的變化規(guī)律[33].綜合冗余分析表明環(huán)境因子中有機(jī)碳與微生物相關(guān)性最為顯著(圖 3),是該研究區(qū)域土壤微生物類群季節(jié)變異的重要影響因子,這主要由于蘭州市南山植被恢復(fù)期土壤養(yǎng)分含量較低,限制了微生物群落的生長繁殖.

綜上所述,蘭州市南山不同植被類型下土壤微生物的主導(dǎo)影響因子不同,且這些影響因子隨季節(jié)變化規(guī)律各有不同,最終導(dǎo)致不同季節(jié)土壤微生物群落分布差異顯著.探究土壤微生物群落的季節(jié)性變化特征及影響因素,為區(qū)域退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)機(jī)理提供理論依據(jù).植樹造林是緩解土地退化、水土流失的重要途徑,在生態(tài)恢復(fù)過程中考慮植被類型、土壤理化因子及微生物群落的相關(guān)關(guān)系,充分發(fā)揮生態(tài)平衡,提高實現(xiàn)環(huán)境政策目標(biāo)的能力.

4 結(jié)論

4.1 不同季節(jié)土壤微生物總數(shù)差異顯著,表現(xiàn)為夏季最高,為 89.22×106cfu/g soil,其次是冬季和秋季,春季最低.夏季土壤含水量最高,土壤養(yǎng)分含量整體表現(xiàn)為春季最高.

4.2 人工林樣地土壤含水量及養(yǎng)分含量明顯高于荒坡,但土壤微生物數(shù)量較低.

4.3 不同季節(jié)土壤微生物與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)差異較大,其中有機(jī)碳與春季放線菌、秋季真菌呈極顯著相關(guān)(P＜0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.839和0.795,與冬季細(xì)菌呈顯著相關(guān)(P＜0.05),且冗余分析中有機(jī)碳與第一物種軸相關(guān)系數(shù)最高,因此有機(jī)碳是影響微生物類群分布的重要因素.