不同利用方式土地可培養(yǎng)微生物數(shù)量及其垂直分布特征

李俠 馬曉慧 杜世杰 葉誠誠 白靜 王潤梅

摘要：為探究不同土地利用方式下土壤中各類微生物數(shù)量的差異及其垂直分布特征，以山西省大同市云州區(qū)林地、作物旱地和菜園3種不同土地利用方式的土壤為研究對象，分別對土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌進(jìn)行培養(yǎng)，并統(tǒng)計其數(shù)量。不同土地利用方式下土壤微生物總數(shù)由大到小依次為林地、菜園、作物旱地，其中細(xì)菌和真菌數(shù)量均表現(xiàn)為林地>菜園>作物旱地;放線菌數(shù)量表現(xiàn)為林地>菜園≈作物旱地;不同土地利用方式下各土層均是細(xì)菌數(shù)量最多，占可培養(yǎng)微生物總數(shù)量的70%以上;而真菌和放線菌的數(shù)量相近，約占可培養(yǎng)微生物總數(shù)量的5%;不同土地利用方式下土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均隨著土層深度的增加而減少，具有明顯的垂直分布特征，尤其是真菌數(shù)量的下降較為明顯;林地、菜園和作物旱地土壤細(xì)菌和真菌的層化比率在2～2.5之間，土壤質(zhì)量基本良好。

關(guān)鍵詞：土地利用方式;土層深度;微生物;垂直分布特征

中圖分類號： S154.3;S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）24-0246-05

收稿日期：2019-07-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：31400479）;山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃（編號：201801D121258）。

作者簡介：李 俠（1981—），女，山西運(yùn)城人，碩士，講師，主要從事環(huán)境生態(tài)過程與調(diào)控研究。E-mail：lixia810504@163.com。

通信作者：王潤梅，碩士，教授，主要從事環(huán)境化學(xué)與生物學(xué)研究。E-mail：wangrunmei2004@tom.com 。

微生物是土壤中最活躍的組成部分，土壤微生物的存在使土壤成為一個活的生命體[1]。土壤微生物種類繁多，包括原核微生物如細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌、放線菌，以及真核生物如真菌、藻類、地衣和原生動物等，它們積極參與土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及循環(huán)過程，在土壤形成、肥力演變和土壤結(jié)構(gòu)的改良等方面起著重要作用[2-3]。研究土壤中微生物數(shù)量并對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價有助于改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力。大量研究表明，土地利用方式改變會引起土壤水分、養(yǎng)分及結(jié)構(gòu)等理化特性變化[4-6]，進(jìn)而影響土壤微生物的分布。然而由于選擇區(qū)域和方法的不同，目前關(guān)于土地利用方式對土壤中各類微生物群數(shù)量的研究結(jié)果存在很大差異。有研究表明，天然草地土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量均顯著高于農(nóng)田土壤，但農(nóng)田土壤中真菌數(shù)量顯著高于天然草地[7]。然而也有研究表明，隨著地表植物多樣性增加，土壤中真菌數(shù)量增加，而細(xì)菌和放線菌的數(shù)量卻降低[8]。除土地利用方式外，土層深度也是影響土壤微生物數(shù)量的一個重要因素，研究表明，土層深度是土壤環(huán)境和微生物的一個重要生態(tài)過濾器，底層土壤一般養(yǎng)分貧瘠、微生物數(shù)量較低[9]。如李雪夢等對大青山林地不同土層深度土壤的微生物進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)土壤微生物的總數(shù)量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢[10]。大同市位于山西省最北端，地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，四季鮮明，干旱少雨，林地、旱作農(nóng)田及大棚蔬菜地是該地區(qū)幾種重要的土地利用方式，然而關(guān)于該地區(qū)不同土地利用方式下土壤微生物種類、數(shù)量、所占比例及其在不同土層深度中的分布等方面的研究較少。本研究以山西省大同市云州區(qū)東坪村林地、作物耕地和菜園土壤為研究對象，分別對0～10、10～20、20～30 cm土層的土壤進(jìn)行培養(yǎng)，研究土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量在不同土地利用方式和土層深度下的變化規(guī)律，旨在優(yōu)化土地利用方式，為土地資源合理利用提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省大同市云州區(qū)瓜園鄉(xiāng)東坪村（113°20′～113°55′E，39°43′～40°16′N）屬于晉冀蒙交匯之地，屬于溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，年平均氣溫在6.4 ℃左右。地形主要呈南北高、中間低走勢。北靠火山群國家地質(zhì)公園，南靠京大高速公路。該地區(qū)林地面積占比最大，其次為耕地和菜園，且耕地為旱地。

1.2 土壤樣品采集

于2018年5月1日在東坪村分別采取林地、作物旱地和菜園3種不同利用方式土地的土壤樣品。每種土地利用方式選取3個樣方，每個樣方取3個點(diǎn)，去掉上層的雜物然后用土鉆分別采集每個樣點(diǎn)的0～10、10～20、20～30 cm 3個土層的土樣，將每個樣方每層土壤的3個點(diǎn)進(jìn)行混合，共得到27個樣品。用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物培養(yǎng)，同時做空白對照。

1.3 培養(yǎng)基制備

細(xì)菌、真菌及放線菌分別采用牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基、改良的馬丁氏培養(yǎng)基和高氏一號培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，稀釋平板法分離計數(shù)。

土壤微生物數(shù)量=菌落平均數(shù) × 稀釋倍數(shù)/土壤干質(zhì)量，CFU/g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2016進(jìn)行前期處理和作圖，數(shù)據(jù)通過Kolmogorov-Smirnov檢測正態(tài)性，通過Levene檢測方差齊次性。使用方差分析比較不同土地利用方式下不同土層深度微生物數(shù)量的差異，并用Duncan’s法檢驗(yàn)各處理間差異的顯著性（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的垂直分布

3種土地利用方式下土壤細(xì)菌數(shù)量均遠(yuǎn)大于真菌和放線菌。從圖1-A可以看出，土地利用方式和土層深度均明顯影響土壤細(xì)菌數(shù)量，不同土地利用方式下土壤細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)為林地>菜園>旱地;林地0～10、10～20 cm土層土壤細(xì)菌數(shù)差異不顯著，均顯著高于20～30 cm土層，而作物旱地和菜園3個土層間土壤細(xì)菌數(shù)差異不顯著。從圖1-B可以看出，土地利用方式和土層深度均顯著影響土壤真菌數(shù)量，不同土地利用方式下土壤真菌數(shù)量表現(xiàn)為林地>菜園>旱地，且三者間差異顯著;不同土層間林地、作物旱地和菜園土壤真菌數(shù)量均表現(xiàn)為0～10 cm土層>10～20 cm土層>20～30 cm土層，且3個土層之間差異顯著。從圖1-C可以看出，土地利用方式顯著影響土壤放線菌數(shù)量，林地土壤放線菌數(shù)量顯著高于菜園和作物旱地，而菜園和作物旱地之間差異不顯著;而土層深度對土壤放線菌數(shù)沒有顯著影響，雖然3個土層之間放線菌數(shù)量表現(xiàn)出隨著土層深度增加而減少的趨勢，然而差異沒有達(dá)到顯著水平。從圖1-D可以看出，3種土地利用方式下土壤微生物總數(shù)顯著不同，其中林地土壤微生物總數(shù)最高，菜園次之，作物旱地最低，林地土壤微生物總數(shù)分別是菜園和作物旱地的1.43倍和3.04倍;林地0～10、10～20 cm土層土壤微生物總數(shù)顯著高于20～30 cm土層，0～10 cm與10～20 cm 土層微生物總數(shù)差異不顯著，而作物旱地和菜園3個土層間土壤微生物總數(shù)差異均不顯著。

2.2 不同土地利用方式下土壤細(xì)菌、真菌和放線菌相對比例

由表1可知，土地利用方式顯著影響土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的相對比例。林地、作物旱地和菜園細(xì)菌數(shù)量的相對比例分別為84.63%、71.92%和83.82%，其中林地和菜園細(xì)菌數(shù)量的相對比例顯著高于作物旱地，林地與菜園細(xì)菌數(shù)量相對比例差異不顯著;真菌數(shù)量的相對比例分別為6.88%、11.74%和8.33%，放線菌數(shù)量的相對比例分別為8.48%、16.34%和7.85%，其中作物旱地真菌和放線菌數(shù)量的相對比例均顯著高于林地、菜園，且林地與菜園之間真菌和放線菌數(shù)量的相對比例差異不顯著。土層深度顯著影響林地土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量的相對比例，林地0～10 cm和10～20 cm土層細(xì)菌的相對比例顯著高于20～30 cm土層，但土壤放線菌的相對比例卻顯著低于 20～30 cm土層;且前2個土層之間細(xì)菌和放線菌的相對比例差異均不顯著;土層深度對作物旱地、菜園的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的相對比例均無顯著影響。

2.3 不同土地利用方式下土壤細(xì)菌/真菌和放線菌/真菌及土壤微生物層化比率

從表2可以看出，林地、作物旱地和菜園的細(xì)菌/真菌比值分別為12.73、7.31和12.26，放線菌/真菌比值分別為1.28、1.31和0.86，土地利用方式對土壤細(xì)菌/真菌和放線菌/真菌無顯著影響;土層深度對細(xì)菌/真菌、放線菌/真菌比值無顯著影響，但仍可看出，10～20 cm土層的細(xì)菌/真菌比值均為最大;20～30 cm放線菌/真菌比值均最大。

土壤微生物層化比率可以作為指示動態(tài)土壤質(zhì)量的指標(biāo)，以此判定土壤的質(zhì)量狀況，層化比率大于2或在2附近說明土壤狀況良好;明顯小于2或異常高則說明土壤存在退化現(xiàn)象[11]。由表3可知， 林地、菜園和作物旱地土壤細(xì)菌、真菌的層化比率均在2～2.5之間，林地和作物旱地土壤放線菌的層化比率明顯小于2，說明本試驗(yàn)調(diào)查樣地的土壤狀況基本良好。

3 討論

3.1 土地利用方式對土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，林地的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均顯著高于菜園和作物旱地，且菜園的細(xì)菌和真菌數(shù)量也均顯著高于作物旱地。陳艷等研究發(fā)現(xiàn)，玉溪市林地土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量顯著高于玉米地[12];章家恩等在廣州白云區(qū)與蘇濤等在魯西南地區(qū)的土壤中同樣也發(fā)現(xiàn)菜地土壤中可培養(yǎng)微生物數(shù)量顯著高于作物旱地[13-14]，可能是由于不同土地利用方式下土壤狀況、植被類型和植物凋落物等的不同所造成[15]，本研究結(jié)果與之一致。也有研究表明，在熟化程度高和肥力較好的土壤中，土壤微生物的數(shù)量較多，且細(xì)菌所占的比例較高;而在干旱及難分解物質(zhì)較多的土壤中，土壤微生物總數(shù)較少，細(xì)菌所占比例相對較低，而真菌和放線菌的比例相對較高[16-17]。林地植被覆蓋度高，凋落物多，且受人為干擾小，土壤有機(jī)質(zhì)積累多分解少，為微生物提供了豐富的碳源，有利于微生物的生長。鐵展暢等研究發(fā)現(xiàn)，林地土壤有機(jī)質(zhì)含量較草地等其他利用方式高[18]。菜園灌溉次數(shù)較多，同時大量施用有機(jī)肥和化肥，因而土壤中水分、有機(jī)碳源及養(yǎng)分均較高，也為微生物提供了良好的生長環(huán)境[19]。而作物旱地由于水分、有機(jī)碳及養(yǎng)分含量均較低，尤其是水分含量非常低，土壤水分是影響微生物數(shù)量和活性重要的外界因素之一，在一定水分范圍內(nèi)微生物數(shù)量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[20]。真菌在酸性土壤中具有優(yōu)勢[21]，而土壤酸化是菜地土壤的重要特征[22]，本試驗(yàn)中菜園和林地土壤真菌數(shù)量顯著高于作物旱地，然而菜園和林地土壤真菌數(shù)量的相對比例顯著低于作物旱地，因?yàn)橄啾扔诓藞@和林地，作物旱地土壤細(xì)菌數(shù)量大幅下降（分別比菜園和林地下降了58.49%和70.67%），下降幅度遠(yuǎn)超過真菌的下降幅度（分別比菜園和林地下降了31.78%和47.60%）。本研究中作物旱地放線菌數(shù)量的相對比例顯著高于林地和菜園，可能與放線菌喜好水分含量低的環(huán)境有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，林地、菜園和作物旱地土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量均是細(xì)菌遠(yuǎn)大于真菌、放線菌，這與大多數(shù)的研究結(jié)果[10-13，23]一致。土壤細(xì)菌具有個體小、比表面積大、代謝強(qiáng)和繁殖快的特點(diǎn)，因此具有很強(qiáng)的競爭力，本研究中細(xì)菌約占土壤微生物總量的71.92%～84.63%，以往研究發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌占土壤微生物總量的70%～90%[21]，本研究結(jié)果與之一致。本研究中林地和菜園的土壤細(xì)菌/真菌分別為12.26和12.73，而作物旱地土壤細(xì)菌/真菌為7.31;林地、菜園和作物旱地的放線菌/真菌分別為1.28、1.31和0.86。李玖燃等對全國17個?。ㄊ校┝值?、旱作耕地和菜地的土壤進(jìn)行調(diào)查，得出林地和菜地土壤細(xì)菌/真菌均能達(dá)到15以上，旱作耕地土壤細(xì)菌/真菌約為8左右;林地、旱作耕地和菜地土壤放線菌/真菌的比值均為1左右[24]，本研究結(jié)果與之基本一致。

3.2 土層深度對土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

土層深度是環(huán)境和微生物的生態(tài)過濾器，本研究中0～10 cm土層中土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均最高，隨著土層深度的增加，各類群微生物數(shù)量均呈現(xiàn)下降趨勢，這與李濤等在北方農(nóng)牧交錯帶研究的耕地和草地土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的垂直分布趨勢[11]一致。相比于0～10 cm和10～20 cm 的土層，林地20～30 cm土層土壤細(xì)菌數(shù)量急劇下降，可能由于表層土壤受植被根系、凋落物及人為活動的影響，其土壤有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分含量均顯著高于下層土壤，而植被與人為影響的土層范圍為0～20 cm[25]。王少昆等對科爾沁沙質(zhì)草甸土壤微生物數(shù)量的研究也得出20 cm土層以下細(xì)菌數(shù)量急劇減少[26]。土層深度對林地、作物旱地和菜園土壤細(xì)菌/真菌和放線菌/真菌的比值無顯著影響，說明各土層可培養(yǎng)微生物數(shù)量的相對含量較為穩(wěn)定。

李濤等提出土壤微生物層化比率的概念來判定土壤的質(zhì)量狀況，層化比率大于2或在2附近說明土壤狀況良好，明顯小于2或異常高則說明土壤存在退化現(xiàn)象[11]。本試驗(yàn)調(diào)查樣地中3種土地利用方式下的土壤微生物層化比率基本在2～2.5之間，僅林地和作物旱地放線菌的層化比率低于2，分別為1.47和1.60，說明本試驗(yàn)調(diào)查區(qū)土壤的質(zhì)量基本良好。但土壤質(zhì)量不僅包含土壤微生物數(shù)量，還須要進(jìn)一步考慮土壤結(jié)構(gòu)等物理指標(biāo)和土壤養(yǎng)分等化學(xué)指標(biāo)。因此，將來須要進(jìn)一步對云州區(qū)東坪村土壤基本的理化性質(zhì)進(jìn)行測定，從而更好地對該地區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行評價并為提高土壤健康、增加土地生產(chǎn)力提供實(shí)際指導(dǎo)。

4 結(jié)論

（1）土壤可培養(yǎng)微生物總數(shù)量由大到小依次為林地、菜園、作物旱地;其中細(xì)菌和真菌數(shù)量表現(xiàn)為林地>菜園>作物旱地;但放線菌數(shù)量表現(xiàn)為林地>菜園≈作物旱地。

（2）3種土地利用方式下各土層土壤均是細(xì)菌數(shù)量最多，相對比例均能達(dá)到70%以上;而真菌和放線菌的相對比例相近，均能達(dá)到5%以上。

（3）3種土地利用方式土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均隨著土層深度的增加而減少，具有明顯的垂直分布特征。尤其是真菌隨著土層深度的增加，數(shù)量下降較為明顯。

（4）林地、菜園和作物旱地土壤細(xì)菌和真菌的層化比率在2～2.5之間，因此本試驗(yàn)調(diào)查樣地土壤質(zhì)量良好。

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