岷江流域不同土地利用方式下的土壤微生物特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

李 懿, 楊子松

(阿壩師范學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院, 四川 阿壩 623002)

在土壤中，微生物具有極其重要的作用，雖然占據(jù)了不到3%的比例，卻發(fā)揮了巨大的活性作用，能夠有效促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)。它不僅能夠礦化、分解土壤中的養(yǎng)分，固持、促進(jìn)和調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)[1-2]，尤其是碳和養(yǎng)分的循環(huán)，還具有儲存營養(yǎng)物質(zhì)的功能，可作為營養(yǎng)物質(zhì)儲存的資源庫，同時對土壤環(huán)境的變化非常敏感，能夠及時準(zhǔn)確反映土壤環(huán)境質(zhì)量，常常被作為生物指標(biāo)使用[3]。土壤微生物是促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵性因素，理解其與土壤養(yǎng)分分布的關(guān)系，能夠幫助人們了解生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)的情況。了解養(yǎng)分循環(huán)，需要了解微生物的生物量，指土壤中體積小于5 000 μm3的生物總量，不包括活植物體[1-2]。土壤和植被彼此影響、作用和制約，土壤是植被生長發(fā)育的根基，具有一定的基礎(chǔ)性和包容性；植被又能夠通過自身的生長和凋落影響土壤環(huán)境、肥力以及區(qū)域氣候情況，提高土地的可利用價值[6]。

土地利用是人類利用自然獲取能量與物質(zhì)的途徑，通過人為因素，干擾了土地利用的情況，造成土地利用結(jié)構(gòu)和類型的變化[14]。人類利用土地后，在一定程度上會改變土壤的營養(yǎng)成分構(gòu)成，如循環(huán)、數(shù)量等，以及土地的貧瘠或肥力狀況，并改變土壤的水熱條件，從而加速了土壤養(yǎng)分循環(huán)的速度和土壤肥力的變遷[15-16]。四川岷江流域地處我國西南地區(qū)，地形地貌復(fù)雜多變，多紫紅壤，人們利用土地方式也很多，主要包括灌叢、次生林、撂荒地、果園和耕地等多種情況。在人口日益增長和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的前提下，該地區(qū)尤其是岷江流域中下游，土地與人口之間的關(guān)系日漸緊張和突出，對土地的開墾非常頻繁，對土地肥力的保持相對不利。要改變土地利用方式，需要從土壤質(zhì)量、肥力的提高和恢復(fù)入手，構(gòu)建良好的植被環(huán)境，并對土壤中的有機(jī)碳積累、循環(huán)和平衡產(chǎn)生一定的影響。本文主要以不同種類的利用方式為前提，分析土壤養(yǎng)分對土壤微生物特征的影響，從而促進(jìn)土地的有效管理。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江源自岷山，干流長度為735 km，流水量大，流域廣，落差大，分別為13.3萬km2和3 560 m，支流眾多。岷江可分為上中下游三個區(qū)段，都江堰市為上游和中下游的主要節(jié)點(diǎn)。岷江上游地形復(fù)雜多變，峽谷連綿，地廣人稀，耕地更少；中下游地勢較低，多丘陵平原，工農(nóng)業(yè)和交通事業(yè)發(fā)達(dá)，從而導(dǎo)致人口和耕地較多，所以選取了中下游為研究區(qū)域。該區(qū)域的氣候呈溫帶—亞寒熱帶，年均氣溫在17℃左右，高低溫波動范圍在38℃和-4℃之間，并由上游至下游呈升高趨勢。該地區(qū)的雨季較明顯，汛期較長，集中在6—9月，且暴雨多發(fā)。汛期的雨量能夠達(dá)到全年雨量的80%以上。該地區(qū)的自然資源較豐富，尤其是水能資源最為突出，耕地資源為紫色土，分布區(qū)域很廣。

1.2 樣品采集

以岷江中游流域?yàn)榉秶x擇耕地、次生林、果園、灌叢、撂荒地5種土地類型，選取的年份時間為2014—2018年。每種土地類型又選擇3個重復(fù)長期監(jiān)測樣地(面積大約100 m×100 m)。撂荒地多為廢棄土地，95%區(qū)域覆蓋紫莖澤蘭；灌叢以熱性為主，多與果園相鄰，植被覆蓋度20%～40%，灌木(杜鵑)是主要樹種，植被大部分為三色堇、馬蘭、旱金蓮等；果園以退耕還林的田地為主，植被覆蓋度為50%～80%，大多種植蘋果，其間生長有草本、灌木和苔蘚等；次生林以封育多年后的森林構(gòu)成，80%區(qū)域覆蓋有植被；耕地是采用了該區(qū)域內(nèi)比較傳統(tǒng)的種植方式，植被覆蓋度<10%，多種植蔬菜、豌豆、煙草等，其間夾雜紫莖澤蘭群落。以上5種土地類型的土壤均為紅紫土壤，選擇坡度均小于5°的土壤，在每個樣地和采樣點(diǎn)分別進(jìn)行3個和5次重復(fù)，后者作為平行，5個平行之間間隔2 m，在剖面選取0—20 cm的原狀土樣。取樣土壤分成兩部分，一部分采取自然風(fēng)干的做法，另一部分維持原樣，在4℃保存，最終檢測土壤的養(yǎng)分和微生物的數(shù)量和種類。

1.3 土壤微生物群落功能多樣性

有機(jī)碳采用重鉻酸鉀—外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷和有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；全鉀和有效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法[10]。

土壤多樣性分析所用數(shù)據(jù)需要在Biolog-Eco下進(jìn)行72 h的溫育處理，之后將等同于10 g烘干土壤的土樣加入NaCl溶液，要求濃度為0.145 mol/L，并進(jìn)行長達(dá)30 min的振蕩，然后將其中的100 μl接種于Eco板后讀數(shù)，恒溫培養(yǎng)要求在25℃下進(jìn)行216 h，并隔12 h一次讀數(shù)；之后，在NaCl溶液中進(jìn)行稀釋后進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，并做好吸光值記錄。

通過分析其對碳源的反應(yīng)情況來探究微生物對碳源的利用水平，在研究中常用平均每孔顏色變化率AWCD來表示，該值越大說明其具有較高的微生物豐度，計算如下方式[17]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

式中：Ci，R分別表示第i孔、對照孔的吸光值。

物種豐富度指數(shù)H=-∑Pi(lnPi)

式中：Pi為第i孔的相對吸光值比值，計算公式:

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

碳源利用豐富度指數(shù)S=被利用碳源的總數(shù)

優(yōu)勢度指數(shù)Ds=1-∑Pi

均勻度指數(shù)E=Ds/HD

1.4 數(shù)據(jù)分析

Excel 2013.0和SPSS 21.0統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，以2014—2018年5 a的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示(Mean±SE)，單因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)各指標(biāo)之間的相關(guān)性，CANOCO 4.5分析土壤養(yǎng)分對微生物多樣性與環(huán)境因子的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分的影響

表1顯示不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征，土壤pH值變化范圍為6.13～7.02，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地<次生林<灌叢<果園<耕地，其中耕地和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有機(jī)碳變化范圍為4.51～9.77 g/kg，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全氮變化范圍為1.02～1.69 g/kg，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全磷變化范圍為0.83～0.91 g/kg，不同土地利用土壤全磷差異不顯著(p>0.05)；土壤全鉀變化范圍為12.17～26.39 g/kg，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用土壤全鉀差異均顯著(p<0.05)；土壤有效磷和有效鉀變化范圍為24.90～39.84 mg/kg，33.58～54.81 mg/kg，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用土壤有效磷和有效鉀差異均顯著(p<0.05)。

表1 不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分的影響

2.2 不同土地利用方式對土壤微生物數(shù)量的影響

由表2可知，不同土地利用土壤微生物數(shù)量及組成不同，其中以細(xì)菌數(shù)目最多，占到90%以上。土壤細(xì)菌數(shù)目變化范圍為(1.02～1.69)×105，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和次生林差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤真菌數(shù)目變化范圍為3.02萬～8.09萬，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢、果園和耕地差異不顯著(p>0.05)；土壤放線菌數(shù)目變化范圍為5.01萬～10.15萬，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢、果園和耕地差異不顯著(p>0.05)；土壤微生物總數(shù)目變化范圍為(3.54～6.22)×106，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢、果園和耕地差異不顯著(p>0.05)。

表2 土壤微生物種群數(shù)量垂直分布

2.3 不同土地利用方式對土壤微生物群落多樣性

由表3可知，不同土地利用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)變化范圍為1.79～3.68，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，灌叢和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；均勻度指數(shù)(E)變化范圍為0.61～0.99，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用均勻度指數(shù)(E)差異不顯著(p>0.05)；優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)變化范圍為0.51～0.70，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地<次生林<灌叢<果園<耕地，不同土地利用優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)差異不顯著(p>0.05)；碳源利用豐富度指數(shù)(S)變化范圍為9.45～16.47，其大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用碳源利用豐富度指數(shù)(S)差異均顯著(p<0.05)。

表3 土壤微生物群落多樣性垂直分布

2.4 土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量與微生物多樣性之間相關(guān)性

土壤養(yǎng)分為微生物提供氮源和碳源，而要獲知土壤養(yǎng)分與微生物群落多樣性之間的關(guān)系，需要通過相關(guān)性分析才能獲知，具體見表4，5。研究發(fā)現(xiàn)，微生物多樣性受到土壤養(yǎng)分的正向影響(p<0.01)；在土壤養(yǎng)分各指標(biāo)和微生物數(shù)量的相關(guān)系數(shù)方面，與物種豐富度指數(shù)(H)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)相比，優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)和均勻度指數(shù)(E)相對較低，且受微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分影響較小。所以，影響微生物群落功能多樣性的因素為土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量，土壤養(yǎng)分的作用更大，土壤pH的貢獻(xiàn)為負(fù)，由此造成不同土層土壤微生物群落多樣性存在較大差異，也凸顯了有機(jī)碳和全氮作為養(yǎng)分來源的重要作用。

表4 土壤養(yǎng)分與微生物多樣性之間相關(guān)性

表5 土壤微生物數(shù)量與微生物多樣性之間相關(guān)性

2.5 土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量的典范相關(guān)分析

土壤微生物指標(biāo)一般可被分為3組變量。第1組變量由土壤養(yǎng)分構(gòu)成，主要包括全氮、全鉀、有機(jī)碳、有效氮、全磷、有效鉀、有效磷等；第2和第3組變量由土壤微生物數(shù)量組成，主要包括真菌、細(xì)菌和放線菌。挖掘土壤微生物群落多樣性、土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量的內(nèi)在聯(lián)系時，大多采用典范相關(guān)分析見表6。由表6可知，土壤微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分等都對土壤微生物群落的多樣性產(chǎn)生了一定的影響，其中，土壤微生物數(shù)量具有顯著影響，相關(guān)系數(shù)絕對值較大。

表6 土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量的典范相關(guān)分析

對于微生物群落來說，環(huán)境因子是重要影響因素，主要表現(xiàn)在分布及特性兩方面。水熱及地形地貌，都會對微生物的分布和活動情況產(chǎn)生影響，而對微生物群落分布進(jìn)行對比研究時，一般多采用冗余分析RDA的方法進(jìn)行。土壤中有機(jī)質(zhì)的含量一般與周圍環(huán)境、植被分布、凋落物情況有關(guān)。為弄清楚環(huán)境因子與微生物活動之間的關(guān)系，本文主要采用RDA進(jìn)行探究。其中，響應(yīng)變量主要是微生物的多樣性，解釋變量主要包括土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量。在研究中，可以將微生物及環(huán)境因子的排序呈現(xiàn)在一張圖中，箭頭象限表示相關(guān)性，箭頭長度表示相關(guān)程度，相關(guān)性的強(qiáng)弱由夾角表示；經(jīng)過試驗(yàn)可知，前兩個排序軸的累積解釋率為85.38%，85.38%，第一個因子的解釋率為52.19%，并且統(tǒng)計檢驗(yàn)顯著(p<0.05)，由此說明環(huán)境因子與微生物之間具有明顯的制約作用。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，微生物的多樣性除了與土壤pH值存在一定關(guān)系外，還與土壤養(yǎng)分含量及變化、微生物的數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)碳及全氮作為主要影響因子而影響了微生物的分布；而土壤pH值的變化，會使土壤的肥力和活性產(chǎn)生較大影響，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)情況。

圖1 土壤微生物多樣性與土壤養(yǎng)分、

3 討論

土壤養(yǎng)分往往會受到土地利用方式的影響和改變。在多種類型的土地中，耕地受到的影響最小，其次是果園、灌叢、次生林，撂荒地最易受到影響。不同的土地利用方式雖然會改變土壤養(yǎng)分的構(gòu)成，但是卻不會影響土壤中的全磷含量(p<0.05)，這是因?yàn)榱姿鼐哂谐练e性的特征，不能有效促進(jìn)微生物分解和變化，缺乏一定的變異空間[18]。人們發(fā)現(xiàn)，由于灌叢、次生林、撂荒地的自然性較強(qiáng)，動植物殘體和腐殖化物質(zhì)更多地進(jìn)入土壤中，土壤中的生物量和有機(jī)物含量豐富，明顯多于果園和耕地。而耕地經(jīng)常被人類開墾，沒有較多的落葉和動植物殘體等進(jìn)入土壤中，有機(jī)碳含量比較少[19-20]。另外，耕地種植的植被密度較小，種植年份較短，沒有形成像林地那樣龐大的地下根系[21]。在植被豐富的土壤中，植物的根系會釋放分泌物，其中含有的高分子黏質(zhì)有較強(qiáng)的黏著力，牢固粘著土壤顆粒，幫助形成有機(jī)碳，從而影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和微生物含量，間接影響了土壤中的養(yǎng)分。耕地則沒有豐富的根系分泌物，導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳含量數(shù)量有限[20-21]。

本研究中，土壤微生物以細(xì)菌數(shù)目最多，占到90%以上，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌和微生物總數(shù)目大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地。根據(jù)培養(yǎng)第100小時的AWCD值計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)勢度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)。結(jié)果表明，土壤微生物多樣性指數(shù)大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)差異不顯著(p>0.05)。不同的微生物群落，其對碳源的利用能力也會出現(xiàn)較大差異，這主要是其群落分布數(shù)量及功能等方面存在較大差異，在微生物研究過程中常常使用豐度及多樣性指數(shù)開展相應(yīng)的研究[22-24]。微生物能夠?qū)⒏迟|(zhì)等有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解及降解，從而使之能夠轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分以供植物吸收利用，這樣形成了土壤肥力和養(yǎng)分；另一方面，微生物活動也需要必要的養(yǎng)分以維持其新陳代謝等活動，該部分養(yǎng)分主要來源于土壤，因此二者的關(guān)系密切[25-26]。本研究的相關(guān)性分析表明土壤養(yǎng)分、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(p<0.05)，其中，土壤微生物數(shù)量對微生物群落多樣性的貢獻(xiàn)最大(其相關(guān)系數(shù)絕對值最大)，此外，pH值與土壤微生物多樣性呈顯著的負(fù)相關(guān)，土壤pH不斷升高的情況下，微生物分布反而減少，說明二者存在顯著負(fù)相關(guān)，這表明微生物不適宜在過高pH狀態(tài)下生長發(fā)育；而碳、氮等土壤養(yǎng)分不斷增加的情況下，微生物分布種類更多且更均勻，說明二者存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，其中有效養(yǎng)分與微生物功能多樣性之間在0.01檢驗(yàn)水平下達(dá)到顯著正相關(guān)；與優(yōu)勢度指數(shù)相比而言，豐度、均勻度指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)更高(表5)，說明土壤養(yǎng)分對豐富度及均勻度產(chǎn)生更大的作用，與此同時，土壤環(huán)境因子的復(fù)雜性使得微生物分布也具有很大的復(fù)雜性。

4 結(jié) 論

(1) 岷江流域不同土地利用方式下土壤pH值大小依次表現(xiàn)為撂荒地<次生林<灌叢<果園<耕地，其中耕地和果園差異不顯著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有機(jī)碳、全氮、全鉀、有效磷和有效鉀大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，土壤有效磷和有效鉀差異均顯著(p<0.05)，而不同土地利用土壤全磷差異不顯著(p>0.05)。

(2) 土壤微生物以細(xì)菌數(shù)目最多，占到90%以上，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌和微生物總數(shù)目大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地。土壤微生物物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)大小依次表現(xiàn)為撂荒地>次生林>灌叢>果園>耕地，不同土地利用均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)差異不顯著(p>0.05)。

(3) 相關(guān)性分析表明土壤養(yǎng)分、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(p<0.05)，其中，土壤微生物數(shù)量對微生物群落多樣性的貢獻(xiàn)最大(其相關(guān)系數(shù)絕對值最大)。冗余分析表明土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分含量均呈正相關(guān)(除了pH)；有機(jī)碳和全氮與豐富度指數(shù)相關(guān)性最大，由此可知，有機(jī)碳和全氮是影響該區(qū)土壤微生物群落多樣性分布的主要因子。