退化草地土壤微生物與土壤理化因子的相關(guān)性分析

徐春光 烏仁其其格 柴會(huì)祥

(1.呼倫貝爾學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008 2.呼倫貝爾學(xué)院農(nóng)林學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

引言

過(guò)度放牧、不合理的開(kāi)墾和挖掘、重度刈割、掠奪性經(jīng)營(yíng)、旅游發(fā)展、全球氣候變化、鼠蟲(chóng)害嚴(yán)重等人為活動(dòng)及不利自然因素導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)退化[1][2]。其中，引起草原生態(tài)系統(tǒng)退化的首要因素是過(guò)度放牧[3][4]。放牧是人類(lèi)對(duì)草地的主要干擾方式之一[5]，由于草地類(lèi)型、放牧年限、放牧壓力的不同，不同研究區(qū)域中草地土壤微生物量的變化對(duì)放牧的響應(yīng)也不同。一般來(lái)說(shuō)，適度放牧使土壤微生物量增加，而過(guò)度放牧則會(huì)降低草地土壤微生物量。土壤微生物是草原土壤生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)環(huán)境變化敏感，且與生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化具有協(xié)同性，是反映生態(tài)系統(tǒng)功能變化和土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)之一[6][7]。土壤微生物特性與土壤質(zhì)量的關(guān)系密切，土壤微生物量與其功能的發(fā)揮受到溫度、PH值、含水率、有機(jī)質(zhì)含量等 多種土壤理化性質(zhì)的影響[8]。為了揭示過(guò)度放牧、重度刈割等不合理利用如何通過(guò)改變土壤質(zhì)量而直接或間接影響土壤微生物量，本研究采用野外生態(tài)學(xué)調(diào)查方法，探討土壤微生物量對(duì)草原土壤退化程度的響應(yīng)，分析退化草地土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子之間的關(guān)系，以期為草原的合理利用和退化草地的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于呼倫貝爾市謝爾塔拉草原，地理位置為E120°2′061″～E120°2′14″，N 49°23′14″～N 49°23′65″，海拔高度為629m～635 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候。年均氣溫為-2.4℃，最高氣溫36.17℃、最低氣溫可達(dá)- 48.50℃；≥10℃年積溫1580℃～1800℃，無(wú)霜期為110d；年均降水量為350 mm，分布不平衡，多集中在7至9月，雨熱同季。本試驗(yàn)區(qū)樣地為羊草+雜類(lèi)草群落，土壤為暗栗鈣土。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

依據(jù)中國(guó)北方草地退化分級(jí)及其劃分標(biāo)準(zhǔn)[9]，將居民點(diǎn)和輕度退化區(qū)設(shè)置為樣帶兩端，選擇兩條樣帶，分別設(shè)置輕度、中度和重度三個(gè)退化梯度。草原植物群落生物量達(dá)到高峰期時(shí)(8月中旬)，在輕度、中度和重度退化程度草地隨機(jī)選取5個(gè)面積為1m×1m的樣方，采集0cm～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm、30cm～40cm共4個(gè)垂直深度土層中土壤樣品三份，重復(fù)三次。第一份土壤樣品用鋁盒盛裝帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定土壤含水量和容重；第二份土壤樣品裝入布袋，樣品風(fēng)干后用于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、PH、土壤機(jī)械組成的測(cè)定；第三份土壤樣品用自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定土壤微生物數(shù)量。

2.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

2.2.1 土壤微生物數(shù)量的測(cè)定：可培養(yǎng)好氣性細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量，采用傳統(tǒng)的涂布平板計(jì)數(shù)法測(cè)定。選用的培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、淀粉銨鹽培養(yǎng)基、孟加拉紅培養(yǎng)基。將配制的土壤稀釋?xiě)乙悍謩e接種于上述培養(yǎng)基表面，用無(wú)菌刮鏟涂抹均勻。細(xì)菌置37℃恒溫培養(yǎng)1d～2d、放線菌置28℃恒溫培養(yǎng)5d～7d、真菌置28℃恒溫培養(yǎng)3d～5d。對(duì)細(xì)菌、放線菌和真菌菌落進(jìn)行計(jì)數(shù)，代入平板菌落計(jì)數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，平板菌落計(jì)算公式：土壤微生物數(shù)量(CFU·g-1干土) = (菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù))/干土質(zhì)量[10]，式中CFU為菌落形成單位。

2.2.2土壤理化因子的測(cè)定：新鮮的土壤樣品先稱濕重，再于105℃下持續(xù)加熱24h，稱干重，計(jì)算土壤含水量和容重。分別采用重鉻酸鉀容量法[11]、半微量凱氏定氮法[12]、蒸餾法[13]、鉬銻抗比色法、NH4OAc 浸提—火焰光度法和電位法測(cè)定風(fēng)干土壤樣品中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀和PH值。土壤機(jī)械組成(1mm～2mm粗粒占總土壤比率)用簡(jiǎn)易比重計(jì)法測(cè)定。

2.2.3數(shù)據(jù)分析：用簡(jiǎn)單相關(guān)分析、主成分分析和典型相關(guān)分析方法分析輕度、中度和重度退化程度下羊草草原土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的相關(guān)關(guān)系?；A(chǔ)微生物數(shù)量特征采用Excel2010，方差分析和簡(jiǎn)單相關(guān)分析采用SPSS16.0軟件。土壤理化因子主成分分析、土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的典型相關(guān)分析用SAS9.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 退化草地土壤微生物數(shù)量特性

3個(gè)退化梯度下羊草+雜類(lèi)草群落不同土層中土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量及微生物總數(shù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，細(xì)菌數(shù)在0cm～30cm土層中輕度退化區(qū)顯著(P<0.05)高于中度和重度退化區(qū)，30cm～40cm土層中中度退化區(qū)顯著(P<0.05)高于輕度和重度退化區(qū)。放線菌數(shù)在所有土壤深度土層中均表現(xiàn)為隨著退化程度的加劇逐漸減少的規(guī)律。真菌數(shù)在0cm～30cm土層中重度退化區(qū)顯著(P<0.05)高于輕度和中度退化區(qū)，30cm～40cm土層中輕度退化區(qū)顯著(P<0.05)高于中度和重度退化區(qū)。土壤真菌在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮重要作用，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。有學(xué)者認(rèn)為特殊的溫濕度條件、土壤鹽漬化、酸化和連作年限的延長(zhǎng)使土壤從細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤肥力下降[14]。0cm～30cm土層，土壤微生物的區(qū)系組成隨退化程度的加劇發(fā)生顯著變化，優(yōu)勢(shì)種群細(xì)菌和放線菌被真菌替代；而30cm～40cm土層，區(qū)系組成未發(fā)生顯著變化，優(yōu)勢(shì)種群仍是細(xì)菌和放線菌。在重度退化草地，超載放牧使得大量家畜糞尿回歸表層及淺層土壤(0cm～30cm土層)，會(huì)在短時(shí)期內(nèi)補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及未被消化分解的纖維素類(lèi)物質(zhì)，這為真菌提供了生長(zhǎng)的良好營(yíng)養(yǎng)條件和生長(zhǎng)的基質(zhì)?？梢?jiàn)，放牧家畜主要影響0cm～30cm土層土壤質(zhì)量，使土壤從細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致地力衰竭；而對(duì)30cm以下深度土層影響不大，未使土壤微生物的區(qū)系組成有實(shí)質(zhì)性改變，土壤仍然屬于細(xì)菌型。

0cm～20cm土層中，微生物總數(shù)的變化趨勢(shì)為：重度退化>輕度退化>中度退化，與大多數(shù)的報(bào)道不一致；而在20cm～40cm土層中微生物數(shù)量的變化趨勢(shì)為：輕度退化>中度退化>重度退化，與大多數(shù)的報(bào)道一致[15][16]。放牧家畜通過(guò)放牧踐踏、采食和排泄等途徑的綜合作用緩慢改變土壤質(zhì)量，影響土壤微生物生存環(huán)境，最終影響土壤微生物的生命活動(dòng)。本研究中，在土壤表層及淺層(0cm～20cm)影響重度退化程度下微生物數(shù)量的主要因素是土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。由于大量糞尿的返還，短期的放牧行為不僅沒(méi)有降低草地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，可能還會(huì)有短時(shí)期的增加。可見(jiàn)，排泄有可能是影響重度退化草地表層及淺層土壤質(zhì)量的主要途徑。在土壤深層(20cm～40cm)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)源于植物凋落物和植物根系的分泌物。隨著土壤退化程度加劇，草地植被變少，植物根系大量死亡，又由于家畜采食和踐踏使得回歸土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷等土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，土壤通氣透水性下降，微生物數(shù)量隨之降低?？梢?jiàn)，放牧?xí)ㄟ^(guò)改變土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而直接或間接影響土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖。

表1 不同退化程度羊草草原土壤微生物數(shù)量(cfu·g-1干土) Tab. 1 The quantity of soil microbial in different degradation degrees of Leymus chinensis steppe (cfu·g-1 dry soil)

注：同列不同小寫(xiě)字母表示不同退化程度下不同土層中微生物數(shù)量在P<0.05水平上差異顯著。

3.2簡(jiǎn)單相關(guān)性分析

由表2可知，各土壤理化因子與不退化程度下土壤各微生物類(lèi)群數(shù)量之間的相關(guān)程度不同。在輕度退化程度下有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷與細(xì)菌、真菌的數(shù)量呈正相關(guān)；機(jī)械組成與細(xì)菌、真菌的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)；只有速效鉀與放線菌數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。在中度退化程度下除了PH值外的其他土壤理化因子均與放線菌數(shù)量呈正相關(guān)；只有機(jī)械組成和PH值分別與細(xì)菌和真菌數(shù)量呈相關(guān)關(guān)系。在重度退化程度下有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷與各微生物類(lèi)群數(shù)量之間均呈正相關(guān)；機(jī)械組成與細(xì)菌、真菌的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。

表2 土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的簡(jiǎn)單相關(guān)性Tab. 2 Simple correlation between soil microbial quantity and soil physicochemical factors

注： *表示在P<0.05水平上差異顯著，**表示在P<0.01水平上差異顯著

3.3典型相關(guān)性分析

3.3.1土壤理化因子的主成分分析：各土壤因子之間具有高度相關(guān)性，為排除共線問(wèn)題，所以對(duì)土壤理化因子進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3-表5。輕度、中度退化程度下前兩維主成分就可以代表土壤因子0.8968、0.9253的信息，重度退化程度下前三維主成分就可以代表土壤因子0.9186的信息，均達(dá)到85%以上，完全可以用輕度、中度退化程度下前兩維，重度退化程度下前三維來(lái)代表土壤因子，進(jìn)行下一步分析。由特征向量可以看出輕度退化程度下，第一主成分主要由有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、機(jī)械組成決定；第二主成分由含水量、容重決定。中度退化程度下，第一主成分主要由有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮、速效氮、速效鉀、速效磷決定；第二主成分主要由有PH、含水量決定。重度退化程度下，第一主成分主要由有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮、速效氮、速效磷決定；第二主成分主要由PH、含水量決定；第三主成分主要由容重決定。

表4 中度退化程度下土壤理化因子主成分分析Tab.4 Principal component analysis of soil physicochemical factors under degree of moderate degradation

表5 重度退化程度下土壤理化因子主成分分析Tab. 5 Principal component analysis of soil physicochemical factors under severe degradation

3.3.2典型相關(guān)分析：將土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的主成分做典型相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，在輕度退化程度下，第一對(duì)典型變量的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到0.9503，能反映出大部分信息；在中度退化程度下，第一對(duì)典型變量的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到0.8882，能反映出大部分信息；在重度退化程度下第一對(duì)典型變量的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到0.9773，能反映出大部分信息。由此建立兩兩之間的典型變量的構(gòu)成(表7)。在輕度退化程度下，第二對(duì)典型變量、重度退化程度下，第三對(duì)典型變量的影響較小。因此，只取第一對(duì)典型變量進(jìn)行分析。在中度退化程度下對(duì)第一、第二典型變量進(jìn)行分析。

在輕度退化程度下，土壤微生物的數(shù)量與土壤理化因子的第一對(duì)典型相關(guān)系數(shù)為0.9147，達(dá)到了顯著水平，表明土壤理化因子的第一典型變量對(duì)土壤微生物的第一典型變量影響較大。由表7可知，細(xì)菌與有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、機(jī)械組成相互影響較大。在中度退化程度下，土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的第一、二對(duì)典型變量相關(guān)系數(shù)為0.9581、0.7646，達(dá)到了極顯著水平、顯著水平，表明土壤理化因子的第一、二典型變量對(duì)土壤微生物數(shù)量第一、二典型變量影響較大。由表7可知，放線菌與有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮、速效氮、速效鉀、速效磷影響顯著，真菌與PH、含水量相互影響較大。在重度退化程度下土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的第一對(duì)典型變量相關(guān)系數(shù)為0.9863，達(dá)到了極顯著水平，表明土壤理化因子的第一典型變量對(duì)土壤微生物數(shù)量的第一典型變量影響顯著。由表7可知，放線菌和真菌與有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮、速效氮、速效磷、容重相互影響顯著。

結(jié)合簡(jiǎn)單相關(guān)性分析的結(jié)果可知，土壤微生物的數(shù)量與土壤理化因子有密切關(guān)系，在不同退化程度下，影響草地各類(lèi)群微生物的數(shù)量的主導(dǎo)因素是不同的。在輕度退化程度下，細(xì)菌是土壤微生物區(qū)系中的優(yōu)勢(shì)種群，與有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷、機(jī)械組成呈顯著相關(guān)，這些土壤理化因子是影響細(xì)菌數(shù)量的主導(dǎo)因素。在中度退化程度下，0cm～10cm土層，放線菌是土壤微生物區(qū)系中的優(yōu)勢(shì)種群，有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷是影響放線菌數(shù)量的主導(dǎo)因素。在重度退化程度下0cm～30cm土層，真菌是優(yōu)勢(shì)種群，影響真菌數(shù)量的主導(dǎo)因素為有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效磷。由此可見(jiàn)，在影響土壤微生物數(shù)量的各土壤理化特性中，有機(jī)質(zhì)含量、全氮、速效氮、速效磷與三個(gè)不同退化程度下的土壤微生物區(qū)系中的優(yōu)勢(shì)種群數(shù)量均有密切關(guān)系。

表6 土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子主成分典型相關(guān)性Tab. 6 Typical correlation between soil microbial quantity and main components of soil physicochemical factors

表7 土壤微生物數(shù)量與土壤理化因子的典型變量構(gòu)成Tab. 7 Typical variables of soil microbial quantity and soil physicochemical factors

注：V1、W1：第一對(duì)綜合變量， V2、W2：第二對(duì)綜合變量， Y1：細(xì)菌， Y2：放線菌， Y3：真菌， X1：第一主成分，X2：第二主成分， X3：第三主成分。

4 結(jié)論

4.1 不同土壤微生物類(lèi)群對(duì)草原退化程度的響應(yīng)不同。隨著退化程度的加劇，0cm～40cm土層中細(xì)菌和放線菌數(shù)量總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而真菌的數(shù)量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；不同深度土層中的微生物總數(shù)對(duì)草原退化程度的響應(yīng)不同，淺表層(0cm～20cm)土層中微生物總數(shù)的變化趨勢(shì)為：重度退化>輕度退化>中度退化，相對(duì)深層(20cm～40cm)土層中微生物總數(shù)卻隨著退化程度的加劇而減少。

4.2 土壤微生物的數(shù)量與土壤理化因子有密切關(guān)系。不同退化程度下土壤各微生物類(lèi)群數(shù)量與土壤理化因子之間的相關(guān)程度不同。但是，影響土壤微生物區(qū)系中的優(yōu)勢(shì)種群數(shù)量的主導(dǎo)因素是相同的，均為土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷?？梢?jiàn)，過(guò)度放牧、重度刈割等不合理的利用主要是通過(guò)改變土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮和速效磷的含量而間接影響微生物數(shù)量和區(qū)系組成。