云頂山亞高山草甸土壤可培養(yǎng)細菌數(shù)量特征

張寶貴 朱茜 劉曉嬌 吳佳靈 常麗娟

摘 ? ?要：作為土壤生物的主要組成部分，土壤微生物在整個陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮著非常重要的作用，且對環(huán)境變化極其敏感。以呂梁山中麓云頂山亞高山草甸為研究區(qū)域，以不同海拔（2 450 m、2 500 m和2 550 m）、不同深度（0～10 cm和20～30 cm）土壤為研究對象，采用可培養(yǎng)方法測定了土壤細菌的數(shù)量，同時測定了土壤理化性質(zhì)并進行了相關(guān)分析。結(jié)果表明，研究區(qū)不同海拔、不同深度可培養(yǎng)細菌數(shù)量介于3.13×109 ～10.4×109 CFU/g，且同一海拔表層土壤細菌數(shù)量均顯著高于30 cm深處（P<0.05），不同海拔0～10 cm與20～30 cm深度土壤細菌數(shù)量均隨著海拔高度的升高而顯著下降（P<0.05）。細菌數(shù)量與土壤全碳（STC）和土壤溫度（ST）呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與土壤酸堿度（pH值）呈顯著正相關(guān)（P<0.05），表明土壤全碳、土壤溫度及土壤pH值是影響該區(qū)域土壤細菌數(shù)量的主要環(huán)境因子。研究結(jié)果可為區(qū)域應(yīng)對氣候變暖提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：云頂山;亞高山草甸;可培養(yǎng)細菌;數(shù)量特征

文章編號：1005-2690（2022）01-0017-05 ? ? ? 中國圖書分類號：S812.2 ? ? ? 文獻標志碼：B

土壤微生物是地球上多樣性最高、物種最豐富的生物類群之一，參與了土壤中幾乎所有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，對森林、草原、濕地及農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響，是驅(qū)動地球生物化學過程的關(guān)鍵因素[1]。作為土壤圈層能量交換的中介，土壤微生物可以直接分解土壤中的有機質(zhì)，促進腐殖質(zhì)形成[2]，提供植被生長所需的營養(yǎng)[3]，還能間接反映土壤的肥力狀況[4]。雖然土壤微生物生物量只占土壤有機質(zhì)的3%左右，卻是植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的驅(qū)動力，在土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)評價中起著非常重要的作用[5]。

在當前氣候變化具有區(qū)域差異性的背景下，人類活動對土壤生態(tài)系統(tǒng)的干擾不斷加強，使得我國土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更為復雜[6]。作為響應(yīng)氣候變暖的產(chǎn)物，亞高山草甸目前已經(jīng)引起諸多國內(nèi)外學者的重視。學者主要針對亞高山草甸植物物種的高氮保留能力[7]、物種擴張和土壤養(yǎng)分的影響[8]開展了相關(guān)研究，而對地下微生物研究鮮有報道。王萍（2011）[9]研究發(fā)現(xiàn)，亞高山草甸土壤微生物多樣性在棄耕地恢復中能夠得到較好恢復;宋三多（2011）[10]研究發(fā)現(xiàn)，在不同雪被厚度覆蓋下，亞高山草甸土壤細菌種群結(jié)構(gòu)無明顯變化，但對細菌的分布比例影響較大;謝勇等（2017）[11]研究發(fā)現(xiàn)，封育后亞高山草甸土壤細菌數(shù)量和土壤微生物總數(shù)顯著降低;朱雪梅（2009）[12]研究發(fā)現(xiàn)若爾蓋亞高山草甸不同土壤層次的細菌數(shù)量有明顯差異，隨著剖面層次增加，細菌數(shù)量逐漸變小。研究亞高山草甸土壤微生物有助于理清高海拔地區(qū)土壤微生物對環(huán)境變化的響應(yīng)特征。

云頂山位于山西省呂梁山中部，生態(tài)環(huán)境復雜，具有大面積的亞高山草甸，屬于典型的中緯度、低海拔亞高山草甸[13]。作為全球氣候變化的敏感區(qū)域，山西省亞高山草甸成為諸多學者關(guān)注研究的熱點。近幾年對山西境內(nèi)土壤微生物研究多是結(jié)合典型植被類型進行宏觀方面的研究[14]。相關(guān)學者主要對山西境內(nèi)亞高山草甸植被群落、物種多樣性等地上生物進行了時空變化格局的研究[15-17]。上官鐵梁、張峰、劉明光、劉瑩、李素清、張金屯、楊斌勝等則針對云頂山這一地區(qū)的特定植物群落進行了集中研究[18-22]。

以上研究多集中在環(huán)境類型和人為干擾對植被群落多樣性產(chǎn)生的影響上，沒有對該區(qū)域土壤微生物進行研究。基于此，本研究以山西省境內(nèi)云頂山不同海拔、不同深度亞高山草甸土壤為研究對象，通過可培養(yǎng)技術(shù)研究云頂山亞高山草甸土壤細菌數(shù)量特征，同時分析細菌數(shù)量與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，找出限制該區(qū)域細菌數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子。研究結(jié)果可為系統(tǒng)認識區(qū)域內(nèi)亞高山草甸土壤微生物響應(yīng)氣候變化提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云頂山地處呂梁山中麓，位于山西省呂梁市交城縣、方山縣和太原市婁煩縣的交界處（111°30'～111°47'E，37°50'～38°02'N），最高海拔2 720 m，年平均氣溫為3～4 ℃，最熱月為7月，平均氣溫16.1 ℃，最冷月為1月，平均氣溫-10.6 ℃，年均降水量600～800 mm，降水集中于6—9月，相對濕度70.9%，無霜期100 d，屬于溫帶大陸性季風氣候;土壤類型從低海拔到高海拔依次為褐土、山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤、亞高山草甸土;植被類型從山麓到山頂依次為1 200～1 750 m落葉闊葉林帶、1 750～2 200 m針闊葉混交林帶、2 200～2 600 m寒溫性針葉林帶、2 600～2 720 m亞高山灌叢草甸帶。

1.2 樣地設(shè)計與樣品采集

樣品采集于2019年9月，根據(jù)云頂山亞高山草甸分布的實際范圍，從底部到頂部按50 m高差確定3個采樣點，分別為海拔2 450 m（YDL）、2 500 m（YDM）、2 550 m（YDT）。在每個海拔高度處，選取地勢平坦的區(qū)域，設(shè)置3個間隔5 m的平行樣地，在每個樣地的中心挖取土壤剖面。

由于山地土層較薄，根據(jù)實際情況分別采集表層土（0～10 cm）和剖面底部（20～30 cm）土壤樣品，盛于微生物采樣袋中，隨后放置于儲有冰袋的低溫保存箱中并運回實驗室，保存于-20 ℃冰箱備用。同時采集用于土壤理化性質(zhì)分析的樣品。為保證采樣的準確性，采樣過程嚴格按照無菌要求進行。采樣過程中使用一次性無菌PE手套，以免對土壤造成污染。采樣點信息見表1。

1.3 細菌的分離培養(yǎng)

細菌的分離培養(yǎng)采用稀釋涂布平板法培養(yǎng)，使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，具體操作步驟如下。在超凈工作臺中稱取2 g新鮮土壤放入無菌三角瓶中，加入高溫滅菌后的18 mL無菌生理鹽水（0.85%），以室溫250 rmp搖振30 min，靜置數(shù)分鐘后取土壤懸液上清液200 μL加入800 μL無菌生理鹽水中并混合均勻，從此溶液中吸取200 μL土壤懸液加入到800 μL無菌生理鹽水中。

重復以上步驟將溶液稀釋至10-7數(shù)量級。為了確保微生物培養(yǎng)計數(shù)的準確性，可培養(yǎng)細菌進行預試驗，用各種稀釋濃度的土壤懸液進行涂布并培養(yǎng)，最終確定最適合細菌生長的濃度為10-6數(shù)量級。用移液槍吸取對應(yīng)濃度的土壤懸液涂布到滅菌的固體培養(yǎng)基平板上，同一樣品同一類微生物進行3個重復處理，放置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d后計數(shù)。

1.4 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤含水量（SWC）采用烘干法（105 ℃，24 h）測定;土壤pH值采用METTLER TOLEDO FE28-Standard酸度計測定;土壤電導率（EC）、土壤總?cè)芙庑怨腆w（TDS）和土壤鹽度（SSC）采用電導率儀FE38 Standard測定;土壤全碳（STC）采用C/N分析儀2100（Elementar Vario-EL，Germany）測定;土壤溫度ST采用土壤溫度傳感器（S-

TMB-M006）測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010處理所有數(shù)據(jù);用SPSS 17.0進行相關(guān)統(tǒng)計分析，包括單因素方差分析和相關(guān)性分析;用Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔、不同深度土壤理化性質(zhì)變化特征

云頂山亞高山草甸不同海拔、不同深度下的土壤理化性質(zhì)特征，詳見表2。從表2可知，STC介于19.57～47.51 g/kg之間。從橫向來看，同一海拔下隨著土壤深度增加，STC呈現(xiàn)顯著下降趨勢（P<0.05）;從縱向來看，同一深度STC隨著海拔高度的增加而呈現(xiàn)先下降后上升的顯著趨勢（P<0.05）。

EC介于48.24～81.26 μS/cm之間。

SWC介于12.55%～51.01%之間，且變化趨勢與STC一致。

ST介于9.41～17.00 ℃之間，從橫向來看，同一海拔下ST變化范圍與STC一致;從縱向來看，同一深度下ST隨著海拔的升高呈現(xiàn)下降趨勢。

TDS介于25.16～49.58 mg/L之間，從橫向來看，隨著土壤深度的增加，不同海拔樣品變化趨勢不同，高海拔與低海拔地區(qū)呈現(xiàn)顯著下降趨勢（P<0.05），中海拔則呈現(xiàn)相反趨勢;從縱向來看，同一深度TDS變化趨勢與STC相同，但未達到顯著水平。

土壤pH值和SSC變化范圍較小。其中pH值介于7.39～8.79之間，呈弱堿性;SSC介于0.03～0.04 psu之間。兩者的變化趨勢均與STC一致，但未達到顯著水平。

2.2 不同海拔、不同深度土壤可培養(yǎng)細菌數(shù)量變化特征

從圖1可以看出，研究區(qū)域可培養(yǎng)細菌數(shù)量介于3.13×109～10.4×109 CFU/g之間，YDL3樣點0～10 cm可培養(yǎng)細菌數(shù)量最高，為10.4×109 CFU/g，而YDT1樣點20～30 cm數(shù)量最少，為3.13×109 CFU/g，低了1個數(shù)量級。此外，從圖1可以看出，同一海拔所有3個重復均表現(xiàn)為0～10 cm細菌數(shù)量顯著高于20～30 cm細菌數(shù)量（P<0.05），說明土壤深度對細菌數(shù)量存在顯著影響。

縱向來看，從圖2可以看出，海拔高度對細菌數(shù)量影響顯著。不同海拔高度0～10 cm與20～30 cm深度土壤細菌數(shù)量均表現(xiàn)為隨著海拔高度的升高而顯著下降（P<0.05），具體表現(xiàn)為YDL樣點土壤細菌數(shù)量顯著高于YDM與YDT樣點（P<0.05），且YDM與YDT樣點之間土壤細菌數(shù)量也存在顯著性差異。

2.3 環(huán)境因子與土壤微生物數(shù)量的相關(guān)分析

采用SPSS 17.0進行環(huán)境因子與可培養(yǎng)細菌數(shù)量的相關(guān)性進行分析。從表3可知，可培養(yǎng)細菌數(shù)量與STC和ST均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與pH值均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

3 討論

細菌是土壤微生物中數(shù)量最多的一個類群，占土壤微生物總量的70%～90%，在土壤肥力形成過程中起著重要的作用[23]。研究結(jié)果表明，云頂山亞高山草甸土壤細菌數(shù)量介于3.13×109 ～10.4×109 CFU/g之間。而相關(guān)學者研究發(fā)現(xiàn)若爾蓋亞高山草甸土壤細菌的數(shù)量介于0.5×105～28.5×105 CFU/g之間，這可能是由不同地區(qū)環(huán)境異質(zhì)性間接通過凍土溫度、植被覆蓋度、土壤理化性質(zhì)等因素對土壤微生物生長繁殖產(chǎn)生影響。

土壤深度和海拔高度也對可培養(yǎng)細菌數(shù)量影響明顯。本研究表明，同一海拔0～10 cm和20～30 cm深度土壤可培養(yǎng)細菌數(shù)量隨著土壤深度的增加逐漸變小。這與李定瑤（2014）[24]和李越（2012）[25]等研究者的成果一致，其研究均發(fā)現(xiàn)可培養(yǎng)微生物的數(shù)量隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢。表層土壤物理環(huán)境變化較為劇烈，底物輸入波動較大、植物根系與土壤微生物對養(yǎng)分的競爭較為激烈[26]，適宜的水分、高含量的有機質(zhì)和養(yǎng)分狀況，使得微生物所受脅迫小，有利于微生物群落的發(fā)展[27]，而深層土壤水分長期處于飽和狀態(tài)且土壤溫度更低[28]，制約了微生物群落的發(fā)展，造成不同深度土壤微生物數(shù)量變化的因素。

本研究還發(fā)現(xiàn)，不同海拔0～10 cm和20～30 cm深度可培養(yǎng)細菌數(shù)量均隨著海拔的升高呈現(xiàn)下降趨勢。這與毛文梁等（2013）[29]研究結(jié)果一致，其研究發(fā)現(xiàn)不同海拔下祁連山土壤中可培養(yǎng)細菌數(shù)量隨著海拔的升高而呈現(xiàn)降低的趨勢，且兩者之間呈現(xiàn)負相關(guān)。顯然，海拔高度能間接導致溫度、水分、光照、土壤微環(huán)境及植物群落等環(huán)境因子的變化，最終影響到土壤微生物的生長和活性[30]。

相關(guān)分析表明，限制研究區(qū)內(nèi)亞高山草甸細菌數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子包括STC、ST與土壤pH值。類似的，相關(guān)學者發(fā)現(xiàn)北麓河北高寒草原區(qū)土壤全碳、含水率與細菌群落結(jié)構(gòu)極顯著相關(guān)[31];甘南亞高寒草甸不同坡向土壤微生物群落分布的顯著差異是受土壤pH值、全磷和含水量等多種環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[32];亞甲貢山土壤溫度和總氮是影響細菌生物量的主要因素[33]。也有學者發(fā)現(xiàn)，土壤溫度是對土壤微生物多樣性變化貢獻最大的因素[34]，這可能是因為細菌適合生存在溫度適宜、營養(yǎng)豐富、有機物易于分解的土壤中，而隨著海拔不斷升高，溫度成為環(huán)境的主導性因素，因而使得細菌數(shù)量呈現(xiàn)隨海拔升高而遞減的趨勢。綜上所述，不同區(qū)域限制微生物數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子不盡相同，需要區(qū)別對待。

4 結(jié)論

云頂山亞高山草甸不同海拔、不同土壤深度細菌數(shù)量具有明顯差異，且與環(huán)境因子具有密切關(guān)系。本研究結(jié)論如下：研究區(qū)不同海拔、不同深度可培養(yǎng)細菌數(shù)量介于3.13×109～10.4×109 CFU/g之間;不同海拔、不同土壤深度下可培養(yǎng)細菌數(shù)量明顯不同，具體表現(xiàn)為同一海拔0～10 cm深度土壤細菌數(shù)量顯著高于20～30 cm深度（P<0.05），不同海拔0～10 cm與20～30 cm深度土壤細菌數(shù)量均隨著海拔高度的升高而顯著下降（P<0.05）。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境因素對土壤細菌數(shù)量的影響方面，細菌數(shù)量受STC和ST極顯著影響，受土壤pH值顯著影響。

參考文獻：

[1]VERESOGLOU S D， HALLEY J M， RILLIG M C. Extinction risk of soil biota[J].Nature Communications，2015（6）：8862-8871.

[2]許光輝，鄭洪元，張德生，等.長白山北坡自然保護區(qū)森林土壤微生物生態(tài)分布及其生化特性的研究[J].生態(tài)學報，1984，4（3）：207-223.

[3]ROY S， SINGH J. Consequences of habitat heterogeneity foravailability of nuterients in a dry tropical forest[J].Journal of Ecology，1994，82（3）：503-509.

[4]DILLY O， MUNCH J C. Ratios between estimates of microbialbiomass content and microbial activity in soils[J].Biology and Fertility of Soils，1998，27（4）：374-379.

[5]宋長青，吳金水，陸雅海，等.中國土壤微生物學研究10年回顧[J].地球科學進展，2013，28（10）：1087-1105.

[6]金凱.中國植被覆蓋時空變化及其與氣候和人類活動的關(guān)系[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學，2019.

[7]André Pornon， Marion Boutin， Thierry Lamaze. Contribution of plant species to the high N retention capacity of a subalpine meadow undergoing elevated N deposition and warming[J].Environmental Pollution，2018，245（2）：235-242.

[8]歐陽青，任健，尹俊，等.短期增溫對亞高山草甸土壤養(yǎng)分和脲酶的影響[J].草業(yè)科學，2018，35（12）：2794-2800.

[9]王萍.亞高山草甸棄耕地恢復演替過程中土壤微生物多樣性研究[D].蘭州：蘭州大學，2011.

[10]宋三多.不同雪被厚度下亞高山草甸土細菌群落結(jié)構(gòu)變化研究[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學，2011.

[11]謝勇，尹海燕，初曉輝，等.放牧和封育對滇西北亞高山草甸土壤養(yǎng)分及微生物特性的影響[J].云南農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學），2017，32（6）：1121-1128.

[12]朱雪梅.若爾蓋高原亞高山草甸土壤細菌遺傳多樣性分析[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學，2009.

[13]李曉麗，徐滿厚，孟萬忠，等.模擬增溫對云頂山亞高山草甸水熱因子及群落結(jié)構(gòu)的影響[J].生態(tài)學報，2020，40（19）：6885-6896.

[14]吳然，康峰峰，韓海榮，等.山西太岳山不同林齡華北落葉松林土壤微生物特性[J].生態(tài)學雜志，2016，35（12）：3183-3190.

[15]張世雄，楊曉艷，溫靜，徐滿厚.山西呂梁山亞高山草甸物種多樣性的時空變化格局[J].生態(tài)學報，2018，38（18）：685-6693.

[16]馬麗，徐滿厚，周華坤，等.山西亞高山草甸植被生物量的地理空間分布[J].生態(tài)學雜志，2018，37（8）：2244-2253.

[17]王譽陶，畢玉婷，王倩，等.山西亞高山草甸植物群落物種多樣性的空間分異[J].中國農(nóng)學通報，2018，34（18）：77-83.

[18]上官鐵梁，張峰.云頂山虎榛子灌叢群落學特性及生物量[J].山西大學學報（自然科學版），1989，12（3）：347-352.

[19]上官鐵梁，張峰.云頂山植被及其垂直分布研究[J].山地研究，1991，9（1）：26-29.

[20]劉明光，劉瑩，張峰，等.云頂山自然保護區(qū)植物群落的分類與排序[J].林業(yè)資源管理，2011（4）：82-88.

[21]李素清，張金屯.山西云頂山亞高山草甸群落生態(tài)分析[J].地理研究，2007，26（1）：83-90.

[22]李素清，楊斌勝，張金屯.山西云頂山亞高山草甸優(yōu)勢種群和群落的格局分析[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學報，2007，13（1）：9-13.

[23]Wang K Y， YangW Q， Hu T X. Processes of subalpine forest ecosystem s in the West of Sichuan[M].Chengdu： Sichuan Science& Technologv Press，2004.

[24]李定瑤.青藏高原多年凍土區(qū)可培養(yǎng)微生物多樣性及生長特性研究[D].蘭州：蘭州大學，2014.

[25]李越.土壤可培養(yǎng)微生物在黑土碳氮轉(zhuǎn)化中的作用研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學，2012.

[26]Zhu S Y， Zhou B， Mao Z J，et al. Space-time dynamics of fine root biomass of six forests in Maoershan forest region[J].Scientia Silvae Sinicae，2006，42（6）：13-19.

[27]李香真，曲秋皓.蒙古高原韻原土境微生物量碩氧特征[J].土壤學報，2002，39（1）：97-104.

[28]王長庭，龍瑞軍，王啟基.不同類型高寒草地群落物種特征和均勻度的重要性[J].草地學報，2005，13（4）：320-323.

[29]毛文梁，臺喜生，伍修錕，等.黑河上游祁連山區(qū)土壤可培養(yǎng)細菌群落生境的垂直分異特征[J].冰川凍土，2013，35（2）：447-456.

[30]都耀庭.高寒草甸土壤微生物數(shù)量沿海拔梯度的變異[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2015（9）：130-133.

[31]張曉蘭.熱融滑塌對青藏高原中部多年凍土區(qū)土壤細菌群落的影響[D].蘭州：蘭州交通大學，2019.

[32]李瑞，劉旻霞，張燦，等.甘南亞高寒草甸不同坡向土壤微生物群落分布特征[J].生態(tài)環(huán)境學報，2017，26（11）：1884-1891.

[33]CUI H J， WANG G X， YANG Y， et al. Soil microbial community composition and its driving factors in alpine grasslands along a mountain elevational gradient[J].Journal of Mountain Science，2016，13（6）：1013-1023.

[34]金裕華.武夷山不同海拔土壤微生物多樣性的變化特征[D].南京：南京林業(yè)大學，2012.