桂西北喀斯特不同植被演替階段土壤微生物群落多樣性

楊澤良, 任建行, 況園園, 李萍芳, 向國(guó)紅， 薛濤

(1.湖南人文科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 湖南 婁底 417000； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙410128)

土壤是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)和土壤肥力的重要標(biāo)志，土壤不僅影響植被的發(fā)生、發(fā)育和演替速度，而且也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程、生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)具有重要影響[1-3]。土壤微生物量是指示植被恢復(fù)過(guò)程中生態(tài)系統(tǒng)健康水平的重要指標(biāo)，對(duì)土壤養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和植被生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生重要影響[4-5]；另一方面，微生物量周轉(zhuǎn)快，對(duì)環(huán)境變化敏感，能夠反映土壤質(zhì)量在時(shí)間序列或不同環(huán)境條件下的變化[6]。土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的成分，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)、礦物分解起著決定性作用，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變化也較敏感。同時(shí)，土壤微生物擔(dān)負(fù)著分解動(dòng)、植物的重要使命，推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)[7-9]。

喀斯特地貌是世界上主要的地貌類型之一，由于其土層發(fā)育淺、成土速率低、土壤滲漏性強(qiáng)，巖石界面與土壤之間缺乏風(fēng)化母質(zhì)的過(guò)渡層，其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，與黃土高原、荒漠、寒漠地區(qū)并列為我國(guó)四大生態(tài)脆弱區(qū)[10-11]。桂西北喀斯特地處西南喀斯特南部的過(guò)度地帶，其景觀單元為峰叢洼地，伴有大量山地草地，資源短缺，人類通過(guò)不斷的采伐、開(kāi)墾、采樵、采礦和旅游開(kāi)發(fā)對(duì)本來(lái)脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境進(jìn)行不斷的破壞，絕大部分森林已經(jīng)退化成灌叢或者草坡，造成其生境質(zhì)量嚴(yán)重下降，水土流失嚴(yán)重[12]；而進(jìn)入60年代中期，人為干擾顯著減少，植被自然恢復(fù)了30 a，但大部分地區(qū)仍持續(xù)在草叢和草灌叢階段[8,10-11]。自20世紀(jì)80年代中期對(duì)這一區(qū)域采取一系列環(huán)境保護(hù)措施后，人為干擾顯著減少，植被得到緩慢恢復(fù)，形成了綜合治理人工林、自然恢復(fù)次生林和自然保護(hù)原生林等生態(tài)系統(tǒng)[13]。為了遏制石漠化不斷擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)，許多學(xué)者對(duì)喀斯特地區(qū)不同環(huán)境條件下的土壤微生物特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的空間分布格局不同，退耕還林還草措施能改善土壤微生物特性，其中以自然恢復(fù)方式效果最佳。但是，喀斯特地區(qū)不同土地利用方式土壤微生物群落特征相關(guān)研究甚少[14]。也有學(xué)者對(duì)該區(qū)域土壤微生物生物量和酶活性展開(kāi)研究，但是，對(duì)于該類指標(biāo)隨植被演替的變化趨勢(shì)沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。部分研究結(jié)果表明喀斯特地區(qū)土壤微生物生物量隨植被的恢復(fù)而增加[11]，然而也有研究顯示土壤微生物生物量碳(SMBC)和土壤微生物生物量氮(SMBN)隨植被正向演替呈先增加后降低的趨勢(shì)[12]。綜上所述，已有研究對(duì)喀斯特地區(qū)土壤微生物生物量隨植被演替的變化趨勢(shì)有了初步了解，但是由于喀斯特景觀類型多樣，不同研究的結(jié)果并不一致，應(yīng)有更多針對(duì)典型地域的深入研究對(duì)其提供理論支持。此外，應(yīng)結(jié)合土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分來(lái)深入探討土壤微生物生物量和群落多樣性與土壤環(huán)境因子的相互關(guān)系，明確土壤微生物學(xué)特性隨植被演替而變化的驅(qū)動(dòng)因素。本文借鑒前人的研究成果和存在的問(wèn)題，在喀斯特峰叢洼地4個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)(草地、灌叢、次生林、原生林)中，分析不同演替階段下土壤微生物群落多樣性及微生物生物量碳、氮、磷的特征，以及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，以期為該地區(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

本研究選擇的是廣西古周村自然保護(hù)區(qū)典型喀斯特叢洼地貌，地處環(huán)江縣西南，海拔在800 m以上，呈現(xiàn)亞熱帶季風(fēng)氣候，通過(guò)近年來(lái)的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，該地區(qū)的年均氣溫在18℃，年均降雨量為1 380 mm，整個(gè)雨季從4月開(kāi)始持續(xù)到9月份，長(zhǎng)達(dá)130 d；該地區(qū)土壤主要是石灰土，這種土壤結(jié)構(gòu)是石灰?guī)r在長(zhǎng)年的風(fēng)化作用導(dǎo)致的，灌木和次生林的土層都不厚，基本上在30 cm以下，并且不同區(qū)域呈現(xiàn)較大差異；地土層相對(duì)較厚，平均約為40 cm。古周村是喀斯特生態(tài)移民遷出區(qū)，雖已實(shí)施“退耕還林還草”工程多年，但仍有村民居住。由于人類干擾強(qiáng)度和封育年限不同，不同演替階段的植被均有分布。其中，退耕草地的恢復(fù)年限為8～15 a，優(yōu)勢(shì)種以五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)等為主；灌木林封育年限為20～30 a，至今偶有砍伐，優(yōu)勢(shì)種主要為紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、廣西密花樹(shù)(Rapaneakwangsiensis)等；次生林封育年限為50～60 a，少有砍伐，優(yōu)勢(shì)種為聚果羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpavar.cavaleriei)、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)等；次生林喬木層下伴生有扁擔(dān)藤(Tetrastigmaplanicaule)、藤黃檀(Dalbergiahancei)等藤本，以及麒麟尾(Epipremnumpinnatum)、腎蕨(Nephrolepiscordifolia)等林下物種[10-11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置 本研究采用“空間代替時(shí)間”的方法，于2017年12月—2018年1月，結(jié)合研究區(qū)植被現(xiàn)狀，選取草叢、灌木林、次生林和原生林(常綠落葉闊葉林群落)4種不同演替階段的典型群落。每種植被類型選取3條不同坡向的標(biāo)準(zhǔn)樣線，其中1條每隔30 m設(shè)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方(20 m ×20 m)。共設(shè)樣方108個(gè)。每個(gè)樣方分成大小相同的4個(gè)亞樣方，每個(gè)亞樣方設(shè)置采樣點(diǎn)5～8個(gè)，用內(nèi)徑2.5 cm的土鉆按S形在有土被分布的小生境取表層0—20 cm土壤樣品，混合之后作為該亞樣方的土壤樣品，合計(jì)432個(gè)土壤樣品。土壤樣品采集后，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，去除樣品中的石礫、根系和土壤動(dòng)物等，一部分過(guò)2 mm篩后于4 ℃冰箱保存，用于測(cè)定土壤微生物生物量碳、氮；一部分風(fēng)干后制樣，用于分析理化性質(zhì)和養(yǎng)分。此外，挖取土壤剖面用環(huán)刀取樣以測(cè)定土壤容重，同時(shí)用鋁盒測(cè)定土壤含水量。

1.2.2 土壤樣品的測(cè)定 采用平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定微生物數(shù)目；土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤微生物生物量氮(MBN)和土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸—K2SO4提取—自動(dòng)分析法，參照吳金水等[15]的步驟，提取液中C采用總有機(jī)碳自動(dòng)分析儀(TOC 2500)測(cè)定，N采用流動(dòng)注射儀(FIAstar5 000)測(cè)定，P采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。土壤全碳和全氮采用元素分析儀；速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效氮采用NaOH—H3BO3法；速效鉀和全鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法[16]。

1.2.3 土壤微生物群落功能多樣性 土壤微生物群落功能多樣性可以用Shannon多樣性指數(shù)、McIntosh指數(shù)和Simpson指數(shù)來(lái)表征。Biolog-Eco微平板中單一碳源的反應(yīng)程度，即土壤微生物對(duì)單一碳源的利用能力，采用平均每孔顏色變化率(Average well color development，AWCD)來(lái)描述。AWCD值較大表示土壤微生物具有較高的碳源利用能力和微生物豐度，AWCD的計(jì)算公式為[15]：

AWCD=∑(Ci-Ri)/nPi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

式中：Ci為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的吸光值；Ri為對(duì)照孔的吸光值；Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與所有整個(gè)微平板的相對(duì)吸光值總和的比值；n為培養(yǎng)基孔數(shù)；Biolog-Eco板n值為31。

H=-∑Pi(lnPi)

Ds=1-∑Pi

式中：H為物種豐富度指數(shù)；Ds為優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

Excel 2010和SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差檢驗(yàn)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示(Mean±SE)，單因素方差分析(One-way ANOVA)，所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換；變量的顯著性經(jīng)過(guò)的蒙特卡洛(Monte Carlo)檢驗(yàn)(499次)，CANOCO 4.5軟件進(jìn)行排序分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被演替階段土壤養(yǎng)分

不同植被演替階段的土壤養(yǎng)分見(jiàn)表1，植被演替對(duì)土壤養(yǎng)分有很大影響，除了土壤容重和全磷含量以外，由草地到原生林的演替過(guò)程中，土壤養(yǎng)分均呈顯著的變化趨勢(shì)(p<0.05)。pH值變化范圍在6.14～7.13，隨著演替的進(jìn)行，土壤pH值逐漸減小。土壤含水量變化范圍在9.53%～14.02%，隨著演替的進(jìn)行，土壤pH值逐漸增加。土壤有機(jī)碳、全氮、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量隨著演替而逐漸增加趨勢(shì)，其大小依次變現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，其中不同演替階段土壤有機(jī)碳全氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量差異均顯著(p<0.05)。綜合來(lái)看，演替對(duì)土壤有效養(yǎng)分的降低幅度最大，表現(xiàn)最為敏感。

表1 不同植被演替階段土壤養(yǎng)分

注：同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同植被演替階段土壤微生物生物量

由表2可知，植被演替對(duì)土壤微生物生物量有較大的影響，由草地到原生林的演替過(guò)程中，土壤微生物生物量均呈顯著的變化趨勢(shì)(p<0.05)。其中MBC，MBN變化范圍在269.23～452.01 mg/kg，62.32～201.78 mg/kg之間，隨著演替而逐漸增加趨勢(shì)，其大小依次變現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，其中不同演替階段MBC，MBN差異均顯著(p<0.05)；MBP變化范圍在15.26～21.03 mg/kg，其大小依次變現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，其中灌叢和次生林MBP含量差異不顯著(p>0.05)。MBC/MBN隨著演替的進(jìn)行呈逐漸減小趨勢(shì)，MBC/MBP和MBN/MBP隨著演替的進(jìn)行呈逐漸增加趨勢(shì)。

表2 不同植被演替階段土壤微生物生物量

2.3 不同植被演替階段土壤微生物數(shù)量

由圖1可知，桂西北喀斯特不同植被演替階段土壤微生物數(shù)量及組成不同，其中以細(xì)菌數(shù)目最多，土壤微生物種群總數(shù)量和放線菌數(shù)目依次為原生林>次生林>灌叢>草地，其中原生林和次生林差異不顯著(p>0.05)；土壤細(xì)菌數(shù)目依次為原生林>次生林>灌叢>草地，不同演替階段土壤細(xì)菌數(shù)目差異均顯著(p<0.05)；土壤真菌數(shù)目依次為原生林>次生林>灌叢>草地，其中次生林和灌叢土壤真菌數(shù)目差異不顯著(p>0.05)。

圖1 不同植被演替階段土壤微生物種群數(shù)量

2.4 不同植被演替階段土壤微生物群落多樣性

微生物群落多樣性指數(shù)可用來(lái)指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根據(jù)培養(yǎng)第100小時(shí)的AWCD值計(jì)算土壤微生物群落的物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)。結(jié)果表明，不同演替階段土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定差異，其中物種豐富度指數(shù)(H)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)依次表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，不同演替階段物種豐富度指數(shù)(H)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)差異均顯著(p<0.05)；均勻度指數(shù)(E)依次表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，次生林和灌叢差異不顯著(p>0.05)；而優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)依次表現(xiàn)為原生林<次生林<灌叢<草地，不同演替階段優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)差異不顯著(p>0.05)。

2.5 土壤微生物與養(yǎng)分的典型相關(guān)分析

將不同植被演替階段土壤微生物指標(biāo)分成3組變量，其中，土壤養(yǎng)分(有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀)構(gòu)成第1組變量，土壤微生物量(MBC，MBN和MBP)、土壤微生物數(shù)量(細(xì)菌、真菌和放線菌)分別構(gòu)成第2，3組變量。用典范相關(guān)分析來(lái)研究土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和微生物量之間的關(guān)系(表3)，由表可知，土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、土壤微生物數(shù)量均與土壤微生物群落多樣性具有顯著的相關(guān)性，其中，土壤微生物量對(duì)微生物群落多樣性的貢獻(xiàn)最大(其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大)。

圖2 不同植被演替階段土壤微生物群落多樣性

表3 土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和

微生物具有多樣性，但是植被分布、土壤特性等一系列環(huán)境因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生至關(guān)重要的影響作用，這也是微生物群落分布差異較大的原因之一，本試驗(yàn)通過(guò)冗余分析的方法來(lái)探究微生物群落、環(huán)境因子之間的復(fù)雜作用關(guān)系，并主要探究其相關(guān)性程度，環(huán)境因子直接決定土壤微生物分布，為了探究多個(gè)環(huán)境因子的影響機(jī)理，通過(guò)冗余分析能夠?qū)⒍喾N環(huán)境因子結(jié)合起來(lái)，其中的響應(yīng)變量為微生物群落多樣性，而相應(yīng)的解釋變量主要是養(yǎng)分、微生物量及數(shù)量等，借助于統(tǒng)計(jì)分析來(lái)提取相關(guān)性較高的解釋變量；在該研究方法的介入下，能夠在一個(gè)圖上同時(shí)顯示響應(yīng)變量、解釋變量排序，通過(guò)重要性區(qū)分來(lái)更直觀剖析其關(guān)系，并分析其影響的相關(guān)程度。通過(guò)試驗(yàn)中的RDA排序圖可知(圖3)，前兩個(gè)排序軸對(duì)響應(yīng)變量的解釋度分別是38.9%，28.5%，并通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分與微生物多樣性存在顯著正相關(guān)關(guān)系，也就是說(shuō)在土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足的情況下能夠利于微生物生長(zhǎng)及新陳代謝活動(dòng)，從而利于微生物生長(zhǎng)發(fā)育等；通過(guò)RDA第1排序軸可以看出，在土壤養(yǎng)分各含量上升的情況下，微生物豐富度指數(shù)也隨之上升，但該指數(shù)與pH值、BD均呈顯著負(fù)相關(guān)；不僅MBN，SOC與微生物豐富度關(guān)系較為明顯，細(xì)菌數(shù)目也與之存在很大相關(guān)性，綜合來(lái)看，微生物群落分布的主要影響因子有MBN，SOC和細(xì)菌數(shù)目。

圖3 土壤微生物與與土壤養(yǎng)分的RDA排序

3 討論與結(jié)論

近年來(lái)，隨著退耕還林還草、天然林保護(hù)工程和石漠化治理工程的全面實(shí)施，以及各種環(huán)保政策的落實(shí)，喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)正在逐步恢復(fù)[15]。土壤微生物、養(yǎng)分也在不斷發(fā)生變化，喀斯特峰叢洼地碳酸鹽巖風(fēng)化過(guò)程中生成的次生礦物源源不斷地釋放各種養(yǎng)分，土壤肥力逐步增強(qiáng)，改善了土壤的微生物性狀，共同調(diào)控了植被的物種組成、群落類型和生長(zhǎng)發(fā)育狀況[15]；植物的生物量累積和凋落物反過(guò)來(lái)不斷地改善土壤肥力和微生物性狀[17-20]。本試驗(yàn)中，原生林具有最高水平的微生物種群分布，不僅存在較多數(shù)量的種群，而且具有大量的細(xì)菌和放線菌，其次是次生林、灌叢，而草地微生物群里分布最低；微生物群落分布中數(shù)量最多的是細(xì)菌[13-15]，其中原生林中微生物細(xì)菌數(shù)量最多，其次是次生林、灌叢，最少的是草地；綜合來(lái)看，原生林土壤微生物具有較強(qiáng)的生存能力，且具有多種群落分布，這也印證了以往學(xué)者的研究。

土壤微生物生物量是研究土壤質(zhì)量理想的生物學(xué)指標(biāo)。土壤微生物生物量碳、氮、磷的高低是衡量土壤生物肥力的重要指標(biāo)[20-22]。喀斯特峰叢洼地的土壤微生物生物量碳、氮、磷含量均接近和超過(guò)了亞熱帶稻田土壤，以原生林土壤含量最高。這表明在喀斯特峰叢洼地脆弱生態(tài)系統(tǒng)中，植被恢復(fù)對(duì)土壤微生物生物量的影響顯著，也反映了土壤微生物生物量在監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量中具有指示作用。在無(wú)外部因素干擾的情況下，土壤微生物生物量并不能完全反映微生物的活性、結(jié)構(gòu)和功能，因此除分析其絕對(duì)量外，還應(yīng)考慮微生物生物量碳、氮、磷在全碳、全氮和全磷中的比例。有研究表明，旱地土壤表層MBC/SOC為0.5%～4%，MBN/TN為2%～6%，MBP/TP為1%～5%。本研究MBC/SOC，MBP/TP均比較低，土壤SOC與MBC，TP與MBP含量同步下降。而土壤微生物生物量碳與微生物量氮(MBC/MBN)的比值是否恒定，不同學(xué)者的觀點(diǎn)各異[23-24]。本研究中，灌叢和草地MBC/MBN偏大，原生林和次生林明顯偏低，表明喀斯特峰叢洼地的土壤雖少，但周圍裸露巖石的分布會(huì)增加風(fēng)化凋落物向土壤的輸入，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳和氮含量較高，微生物代謝功能期長(zhǎng)。因此，要維持植物生長(zhǎng)所需的氮源和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，必須提高微生物活性來(lái)維持高的物質(zhì)代謝能力。

將不同植被演替階段土壤微生物指標(biāo)分成3組變量，用典范相關(guān)分析來(lái)研究土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和微生物量之間的關(guān)系(表3)，可以得到，土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、土壤微生物數(shù)量均與土壤微生物群落多樣性具有顯著的相關(guān)性，其中，土壤微生物量對(duì)微生物群落多樣性的貢獻(xiàn)最大。RDA的分析表明MBN，SOC和細(xì)菌數(shù)目是影響該區(qū)土壤微生物群落多樣性分布的主要因子，這些因子反映了對(duì)其微生物群落的指示作用，也能夠表征該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性，但還需要深入研究微生物群落多樣性與生態(tài)因子之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而揭示該區(qū)微生物群落格局及其對(duì)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)。同時(shí)研究區(qū)域只局限與小尺度空間范圍，因此大尺度下的微生物群落演替格局有待進(jìn)一步研究探討。