天山北坡退化草地土壤环境与微生物数量的关系

书书书天山北坡退化草地土壤环境与微生物数量的关系顾爱星１，范燕敏２，武红旗２，朱进忠２，靳瑰丽２，热孜万古丽１（１．新疆农业大学农学院，新疆乌鲁木齐８３００５２；２．新疆草地资源与生态实验室，新疆乌鲁木齐８３００５２）摘要：通过对天山北坡退化草原微生物区系的试验，研究微生物区系与退化程度、与土壤水分系数的关系。结果表明，未退化草原土壤中微生物总数量最多，中度退化草原土壤中的微生物总数量最少。退化草原微生物区系中１０～２０ｃｍ土壤层的微生物数量比０～１０ｃｍ土壤层的微生物数量多。微生物区系中，真菌数量与土壤速效钾、有效磷、全磷呈显著正相关，与氮微弱正相关，与土壤容重、密度呈显著正相关。细菌、放线菌数量与ｐＨ值呈极显著正相关。极度退化土壤的碱解氮、全氮、速效钾、全钾、有效磷、全磷、有机质、总盐含量、ｐＨ均最大。关键词：退化；草地；土壤；微生物区系；环境中图分类号：Ｓ８１２．２；Ｓ１５４．３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２０１０）０２０１１６０８　新疆地处中温带极端干旱的荒漠地带，可利用草地面积４８００．６８万ｈｍ２，其中属于四、五等的低劣退化草地约占３４％［１］。昌吉州地处欧亚大陆中心，位于天山山脉北麓，准噶尔盆地东南缘，属中温带气候区，为典型的大陆性气候［２］。草地面积４８３．５×１０４ｈｍ２，可利用草场面积４３．３×１０４ｈｍ２，因超载畜量严重，退化草场面积高达３８９．７×１０４ｈｍ２。昌吉州可利用草场理论载畜量１４８．１５万只（羊单位），实际载畜量２２５万只（羊单位），超载５１．８７％［３］。古尔班通古特沙漠南缘沙尘暴、风沙等灾害性天气不断发生。地下水水位下降明显，野生植被衰退或死亡，荒漠化不断扩大。生态环境的恶化跟不合理的人类活动有着直接的关系，它加速了生态环境恶化的进程［４］。在草地生态系统服务功能中，土壤微生物的生物化学活性影响着土壤肥力，进而影响草地植物生长发育与土壤健康状况［５］。同时，土壤微生物受土壤环境和生物多样性的影响，并随草地健康状况变化而改变，揭示并指示着草地生态系统现状和发展趋势［６，７］。土壤微生物、土壤属性、生物多样性相互依存、互相影响［８１２］。土壤微生物参数可作为土壤质量变化的指标［１３］，微生物对土壤中的有机物和植物养分进行转化及循环，并且是活性养分的库（在固定过程中）和源（在矿质化过程中）［１４］。微生物对土壤的质量和肥力很重要。它们在土壤有机质分解和营养元素矿化中起主要作用［１５］。土壤生物多样性的保护对土壤性质的持续性和减少土壤与环境退化的危险性具有非常重要的作用［１６］。土壤微生物多样性受制于土壤性质［１７］，而微生物多样性又影响土壤功能多样性。土壤微生物作为土壤生物的一大类群，在自然生态系统中扮演消费者和分解者的角色，在养分持续供给、肥料管理措施、土壤保持中起着举足轻重的作用，是修复土壤生态环境和降解污染物质的先锋［１８２１］。土壤微生物指标已被公认为土壤生态系统变化的预警及敏感指标，数量作为土壤微生物群落状态与功能的指标之一，其变化与土壤肥力以及土壤环境状况密切相关，其数量分布不仅是土壤中有机养分、无机养分以及土壤通气透水性的反映，亦是土壤中生物活性的具体体现［２２２４］。本试验旨在通过退化草地微生物区系试验，研究土壤微生物区系数量与退化程度的关系，为今后恢复退化草地的功能提供理论基础。１１６－１２３２０１０年４月　　　草　业　学　报　　　　　　ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ　　　第１９卷　第２期Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．２收稿日期：２００９０１０５；改回日期：２００９０８１５基金项目：新疆草地资源与生态自治区重点实验室项目“新疆牧场受损草地生态系统的评价与恢复理论及模式的研究”（ＸＪＤＸ０２０９２００４０３）资助。作者简介：顾爱星（１９７３），女，江苏启东人，副教授，在读博士。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]１　材料与方法１．１　研究区概况研究区位于昌吉市南部阿什里乡春秋牧场地段，地处天山北坡中段，Ｎ４３°４９′～４３°５６′，Ｅ８７°０２′～８７°０５′，为山前洪积冲积扇河阶二级台地，海拔７５４～９４２ｍ。阿什里乡总土地面积为２３．３万ｈｍ２，其中天然草地面积为２３．２万ｈｍ２，可利用天然草地面积为２０．２万ｈｍ２［２５］。研究区地带性土壤类型属于灰漠土，成土母质以冲积物、洪积物及黄土状物质为主，土层较厚。伊犁绢蒿荒漠是该地区的地带性植被，春季有短生植物发育，夏季一年生植物形成优势层片，在时间序列上群落的植物组成、生活型结构以及某些经济性状特征要较亚洲中部气候型荒漠复杂，生产上用作春秋季利用草地［２６］。当地牧民一般采用冬季定居，春、夏、秋三季游牧方式利用草地，春秋牧场利用时间最长，达到５个月；夏牧场利用２．５个月。一般每户牧民都在定居点附近种植一定面积的饲草地，用来作为冬春季节的储备草料［２５］。由于春秋草地过度利用，草地呈不同程度的退化。１．２　取样方法２００６年５月，在研究区域内，把未退化的２个样地（１３，１５）设在阿魏滩军用飞机场，其他样地（１～１２，１４）选在平坦山坡，每隔１００ｍ作为１个样地，样地里随机抛３次１ｍ２的样圈，每个样圈分别按０～１０，１０～２０ｃｍ土层深度取土样，挑去植物及石砾，将同层的３份土壤混合，取１００ｇ装入灭菌封口袋，编号为１１（０～１０ｃｍ）、１２（１０～２０ｃｍ）等，冷藏。１．３　草地退化程度的确定对未退化样地内的植物进行主成分筛选后，选择叉毛蓬（犘犲狋狉狅狊犻犿狅狀犻犪狊犻犫犻狉犻犮犪）、顶冰花（犌犪犵犲犪犫狌犾犫犻犳犲狉犪）、伊犁绢蒿（犛犲狉犻狆犺犻犱犻狌犿狋狉犪狀狊犻犾犾犻犲狀狊犲）、角果藜（犆犲狉犪狋狅犮犪狉狆狌狊犪狉犲狀犪狉犻狌狊）４种植物的重要值为参数，运用ＳＰＳＳ１１．５统计软件，采用Ｒ型欧式距离平方值聚类法，以建群种伊犁绢蒿各种数量特征为指标，对研究区１４个样地进行聚类，划分退化演替序列，划分成４个阶段，根据各阶段样地的群落特征分别定义为：未退化阶段（Ｎ１３、Ｎ１４号样地）、中度退化阶段（Ｎ４、Ｎ５号样地）、重度退化阶段（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ６、Ｎ８号样地）、极度退化阶段（Ｎ７、Ｎ９、Ｎ１０、Ｎ１１、Ｎ１２号样地）［２７］。１．４　土壤微生物的测定采用稀释平板计数法，取１０ｇ土样，烘干至恒重，计算含水量及水分系数，加无菌水，依次稀释成浓度为１０－１、１０－２至１０－６的土壤溶液，将经过稀释的上清液涂平板，使用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌，马丁氏培养基培养放线菌，高氏１号培养基培养真菌，测定３个相邻稀释度土壤溶液中的菌落形成单位（ＣＦＵ）。细菌稀释度选取１０－４、１０－５、１０－６，真菌稀释度选取１０－１、１０－２、１０－３，放线菌稀释度选取１０－２、１０－３、１０－４，每稀释度３个重复，恒温２８～３０℃下倒置培养３～５ｄ后计数。并按照以下公式进行计算。水分＝（水分重／干土重）×１００％水分系数＝１／（１－水分％）菌落形成单位（ＣＦＵ／ｇ干土）＝计算皿平均菌落数×计数皿稀释倍数×样品水分系数［２８］。１．５　土壤各肥力因子的测定物理指标。土壤机械组成：比重计法。容重：环刀法。密度：比重瓶法。容重、密度参照贺瑶琴［２９］方法。化学指标采用鲍士旦［３０］方法。１）有机质：重铬酸钾－浓硫酸油浴法；２）ｐＨ：２．５∶１水土比－酸度计法；３）总盐：５∶１水土比－质量法；４）全氮：硫酸、高氯酸－凯氏定氮仪法；５）全磷：硫酸、高氯酸熔融－钼锑抗比色法；６）全钾：硫酸、高氯酸－火焰光度计法；７）碱解氮：碱解扩散吸收法；８）有效磷：碳酸氢钠钼锑抗比色法；９）速效钾：醋酸铵浸提－火焰光度计法。１．６　数据处理与分析根据野外调查资料和实验室分析资料，用Ｅｘｃｅｌ２００３处理图表，ＳＰＳＳ１１．５统计分析软件进行数据处理分析。２　结果与分析２．１　草地退化程度与微生物区系的关系对土壤样品测定微生物区系显示（表１），其中的三大微生物（细菌，放线菌，真菌）的数量有明显差异。７１１第１９卷第２期草业学报２０１０年表１　不同退化程度草地土壤的微生物数量犜犪犫犾犲１　犕犻犮狉狅犫犲狇狌犪狀狋犻狋狔犻狀犵狉犪狊狊狊狅犻犾狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犱犲犵狉犲犲狊狅犳犱犲犵犲狀犲狉犪狋犻狅狀×１０５ＣＦＵ／ｇ干土Ｄｒｙｓｏｉｌ退化程度Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ土层Ｓｏｉｌｌａｙｅｒ细菌Ｂａｃｔｅｒｉａ放线菌Ａｃｔｉｎｏｍｙｃｅ真菌Ｆｕｎｇｉ总数Ｔｏｔａｌ总数平均值Ａｖｅｒａｇｅ未退化Ｎｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ０～１０ｃｍ１０４．１０８．１２０．４４１１２．６６１９７．７６４１０～２０ｃｍ２７２．００１０．６５０．２２２８２．８８中度退化Ｍｏｄｅｒａｔｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ０～１０ｃｍ１３７．５０５．９１０．４２１４３．８３１１８．２５７１０～２０ｃｍ８１．４７１０．９６０．２６９２．６９重度退化Ｓｅｖｅｒｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ０～１０ｃｍ１４３．２３１１．９１０．３１１５５．４４１７３．９３７１０～２０ｃｍ１７６．４０１５．８２０．２１１９２．４３极度退化Ｅｘｔｒｅｍｉｔｙｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ０～１０ｃｍ１１５．７８９．２９０．３５１２５．４１１５４．５３９１０～２０ｃｍ１１５．３２２６．６７０．２７１８３．６６未退化草地的微生物总数量最多，为１９７．７６４×１０５ＣＦＵ／ｇ干土，中度退化的微生物总数量最少，为１１８．２５７×１０５ＣＦＵ／ｇ干土。结果表明，未退化草地土壤中植物根及分泌物多，微生物营养条件适宜，促进微生物数量增加，有利于微生物矿化作用（表１）。土壤样品经过培养测数，得到微生物区系的三大微生物（细菌，放线菌，真菌）的数量（图１），退化草原微生物区系中１０～２０ｃｍ土壤层的微生物数量比０～１０ｃｍ土壤层的微生物数量多。不同土壤草原土壤微生物的总数差异很大，因为不同草原土层营养状况和热条件的影响不同［３１］。营养条件及辐射，温度，水分系数等环境因素对微生物数量影响大，土壤层上面的辐射强，水分系数小，温度高，营养条件较差。图１　土壤层的微生物总数犉犻犵．１　犜狅狋犪犾犿犻犮狉狅犫犲狇狌犪狀狋犻狋狔犻狀狊狅犻犾２．２　不同土层微生物数量样品Ｎ１的０～１０ｃｍ土壤层中的细菌数量最多（图２），它的数量２４．２×１０６ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．２，它属于重度退化，这与草原所在地区的土壤水热条件，肥力状况有关［３２］，放牧过度，地面积累很多羊粪尿，增加土壤有机质含量；样品Ｎ２的０～１０ｃｍ土壤层中的细菌数量最少，它的数量１．５５×１０６ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．１４，它属于重度退化。同时，样品Ｎ１３的１０～２０ｃｍ土壤层中的细菌数量最多，它的数量２７．６×１０６ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．２９，属于未退化。样品Ｎ１２的１０～２０ｃｍ土壤层中的细菌数量最小，它的数量１．７３×１０６ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．２，它属于极度退化，此土壤层植物根及分泌物比较其他草地最少，所以细菌数量最少。样品Ｎ１１的０～１０ｃｍ土壤层中的放线菌数量最多（图３），它的数量１９．２×１０５ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．１，它属于极度退化。放线菌通常分布于含水量较低，呈微碱性土壤环境中。样品Ｎ５的０～１０ｃｍ土壤层中的放线菌数量最小，它的数量０．８５０３×１０５ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．１５，它属于中度退化。但是样品Ｎ１１的水分８１１ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１０）Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．２系数（１．１）小于样品Ｎ５的水分系数（１．１５），所以样品Ｎ１１的放线菌数量大。样品Ｎ１１的１０～２０ｃｍ土壤层中的放线菌数量最多，它的数量７７．１６×１０５ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．３，极度退化。放线菌适宜ｐＨ为７．０～８．０。样品Ｎ３的１０～２０ｃｍ土壤层中的放线菌数量最小，它的数量１．３×１０５ＣＦＵ／ｇ干土，水分系数是１．２，属于中度退化。原因是极度退化土壤上积累的大量羊粪尿使土壤呈碱性。样品Ｎ３的０～１０ｃｍ土壤层中的真菌数量最多，它的数量７．１３×１０４ＣＦＵ／ｇ