两种退耕还林模式对土壤微生物优势类群的影响

李姝江，朱天辉，2，刘子雄

（1.四川农业大学 林学院，四川 雅安625014；2.四川农业大学 长江上游林业生态工程省级重点实验室，四川 雅安625014；3.四川省森林病虫防治检疫总站，四川 成都610081）

四川省地处长江上游，幅员面积占长江流域的近50%，是长江上游重要的生态经济区，也是长江中下游的重要生态屏障［1］。长期以来，由于自然灾害和人们对环境资源的不合理开发利用，使林草植被遭到严重破坏，导致四川地区出现生态环境脆弱，旱涝灾害频繁，森林、草地资源减少，水土流失严重［1］等生态问题，严重制约了该区社会经济的可持续发展。近年来，四川省率先在全国实行了退耕还林还草等一系列旨在恢复和重建长江上游生态环境的治理措施，并开展了大量关于退耕还林技术理论方面的研究。迄今为此，已有学者对该地区林草模式牧草特性［2］、土壤微生物特性［3］、细根和草根的土壤微生物量［4］等方面进行了研究，但还缺乏从微生物角度来研究不同退耕还林模式对改善生态环境方面的报道。土壤微生物是森林生态系统中的重要组成部分，参与森林生态系统的物质和能量循环，是林地中最活跃的部分，其数量组成与土壤通气性、水分状况、养分状况以及有机质含量都有密切的联系［5－6］，其活性可以在一定程度上反映土壤肥力［7－8］，是土壤质量评价的一个重要的生物学指标。为此，从2008—2009年对四川省洪雅县两种主要退耕还林模式下的土壤微生物优势类群数量及其生态分布进行了系统研究，以期揭示在相同立地条件下，不同退耕还林模式与土壤微生物优势类群活性之间、微生物优势类群与土壤酶的内在关系，为退耕还林造林树种的优化配置积累相关的微生物学资料以及为生态林业的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于四川省眉山市洪雅县，地理坐标为102°49′—103°47′E，29°24′—30°01′N，海拔620m。该区属中亚热带湿润山地季风气候，最高气温36.8℃，最低气温－3.3℃，年均气温16.8℃，春、夏、秋、冬季平均气温分别为17.2，25.2，17.3，7.7℃；年日照时数1 080h，太阳辐射量为338.1kJ／（cm2·a），无霜期352～360d；年降水量1 493.8mm，降雨多集中在夏、秋两季。该区地貌以低山丘陵为主，土壤层平均厚度50cm，土壤类型为酸性紫色土，pH值4.9～5.6。采样地为坡改梯形成的水平台状旱地，退耕前以种植玉米、红薯、蔬菜为主，主要还林模式包括光皮桦木（Betula luminifera）—扁穗牛鞭草（Hemarthria compressa）、苦竹（Pleioblastus amarus）—扁穗牛鞭草两种，于2000年1月退耕栽植。

1.1.1 光皮桦木—牛鞭草模式 光皮桦木为亚热带山地落叶浅根阔叶树，根系发达、穿透力强，生长快；适宜生长在年均温6～17℃，年降水量800～2 000mm，且降水集中在夏、秋两季的温凉湿润气候下［9］。在此模式中，土壤有机质含量12.71g／kg，林分密度2 070棵／hm2，林间郁闭度0.6，桦木平均胸径3.6cm，平均树高4.2m。由于光皮桦逐渐长大，林下的牛鞭草长势较弱。

1.1.2 苦竹—牛鞭草模式 苦竹为中国亚热带复轴混生竹类的代表竹种之一，是一种暖性喜湿，中性偏阴的竹类，地下有横向生长的竹鞭，鞭上的芽可以长成新的竹鞭或发育成笋出土成竹，竹鞭一般多分布在约20cm深的表土层中［10］；适宜生长在年均气温18～29.8℃，年降水量1 184～1 467mm，降水集中在4—9月的气候下［9］。在此模式中，土壤有机质含量14.32g／kg，林分密度12 000株／hm2，林间郁闭度0.9，平均地径2.4cm，平均竹高2.9m，苦竹的枯枝落叶覆盖度约占总面积的60%，平均厚度1.9cm。随着苦竹郁闭度的增加，林下牛鞭草长势十分弱。

1.1.3 农耕地（对照）土壤有机质含量为17.82 g／kg；春季休闲，上面长有少量的牛鞭草；夏季载种红薯并施农家肥；秋季时红薯生长良好并已成熟；冬季红薯收获完后，休闲。

1.2 土壤样品采集

在试验区选取立地条件相近的退耕还林地（光皮桦—牛鞭草、苦竹—牛鞭草）和农耕地（对照）作为研究样地，在3种样地中各设面积为10m×10m的采样标准地，3次重复，从2008年10月到2009年7月，按四季变化特点分3层（0—15cm，15—30cm，30—45cm）从下至上采集土壤样品。

按不同季节具体的采样时间为2008年10月中旬（秋季），2009年1月中旬（冬季），2009年4月中旬（春季），2009年7月中旬（夏季）。在桦木和苦竹林的标准地里，按五点法各选择生长中等的光皮桦和苦竹5～6株（篼）作为采样点，分别在树干和竹篼周围基部处先除去土壤表层的枯枝落叶和植被，顺其基部开挖土壤剖面，用无菌小铁铲在新挖的土壤剖面上，由下往上分3层取带完整根系的土块，以0—15cm土样为测定对象，其抖落物作为非根际土，附在根系周围小于1cm粒径的土壤作为根际土［11－12］。在农耕地中也按五点法取样。取5个不同点相应层次的土壤样品充分混匀后，用聚乙烯无菌塑料袋包好，并做好标记，迅速带回实验室内分析测定。每种样品充分混匀后分为2份，分别用来分析土壤微生物和测定土壤水分含量。

1.3 土壤样品分析

土壤微生物优势类群分析采用稀释平板表面涂抹法（细菌分析用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌采用马丁氏—孟加拉红培养基；放线菌用改良高氏一号培养基）［13］进行分离，并根据微生物的培养特性、形态特征和生理生化特性等指标［13－14］进行鉴定到属；每个处理4个重复，最终结果取其平均值。土壤水分含量采用烘干法测定，土壤酶活性在待测定样品前期处理后，其转化酶（蔗糖酶）、脲酶、纤维素酶、过氧化氢酶活性采用关松荫法［15］分析。

2 结果与分析

2.1 土壤优势微生物类群季节性动态变化

根据微生物的培养性状、形态特征、生理生化特性等指标可把细菌的优势类群鉴定为微球菌属和芽孢杆菌属两大类，放线菌优势类群鉴定为链霉菌属和游动放线菌属两大类，真菌优势类群鉴定为酵母菌和木霉菌属两大类。

结果显示（表1），两种退耕还林模式下优势微生物类群数量存在差异，春、夏、秋三季均为苦竹林所占比例最大，冬季为桦木林最大。另外，优势微生物类群的季节性动态变化存在一定的差异，有的随季节变化明显，而有的较稳定。在夏季，微球菌所占比例处于优势，其数量在桦木林、苦竹林、农耕地中分别占细菌总数的94.88%，88.15%，85.29%；在春季和冬季，其数量比夏季虽然有所下降，但微球菌数量占细菌总数的比例依然超过50%；而在3样地中的秋季所占比例最低。芽孢杆菌在3样地中则是在秋季最多，在夏季最少。链霉菌在苦竹林、农耕地中的季节变化趋势都是在夏季占放线菌的比例最大，分别为94.45%和84.29%，冬季最少，分别为32.54%和37.02%；而在桦木林中，链霉菌属在夏季仅占放线菌总数的30.55%，春季达到最大为65.65%，说明链霉菌属容易受外界气候条件及土地的不同利用的影响。游动放线菌在3样地中因季节变化的影响较小，其比例占放线菌总数的15%～25%。酵母菌在3样地中的夏季和冬季所占比例处于优势，而在春、秋季稍有下降；木霉菌在3样地中的季节变化趋势也基本一致，但与酵母菌的变化趋势相反。说明不同的微生物优势类群对外界气候的敏感性不同。从各优势微生物类群数量总的来看，微球菌、链霉菌和酵母菌的数量较多，芽孢杆菌、游动放线菌和木霉菌的数量相对较少。

2.2 土壤各优势微生物类群的垂直生态分布特征

在3样地土壤剖面中，各优势微生物类群垂直生态分布特征有的非常明显，有的不明显（表1）。微球菌、链霉菌、木霉菌和游动放线菌随土壤层的加深其所占比例逐渐降低；说明这3类菌大多集中在土壤表层活动，这可能与样地中栽培的植物根系主要分布在土壤上层刺激其生长繁殖有关。芽孢杆菌随土壤层的加深其所占比例逐渐增加，这也许与芽孢杆菌的抗逆性较强有关；酵母菌在3样地中的土壤层之间的增减变化趋势不明显。

2.3 林木根际和非根际土壤微生物优势类群数量的季节动态变化

桦木和苦竹对6大微生物优势类群的根际效应有差异（表2）。微球菌和游动放线菌在桦木林的R／S＞1，而在苦竹林的R／S＜1；芽孢杆菌则与微球菌和游动放线菌的变化规律相反，说明不同林木根系活动对同一微生物优势类群的影响不同。链霉菌和木霉菌在两林地的R／S＞1且两林地间R／S差异不大，可能是两林木根系分泌物对这两种优势微生物的生长繁殖具有促进作用。酵母菌在两林地的R／S＜1且两林地间R／S差异不大，说明这两种林木的根系分泌物可能对酵母菌有一定的抑制作用。

2.4 土壤微生物优势类群数量与酶活性之间的相关性分析

土壤微生物总数与土壤酶活性之间存在一定的相关性，而优势微生物类群是土壤微生物最重要的组成部分，所以优势微生物与土壤酶活性之间也应该有一定的相关性（表3）。在优势微生物类群和土壤酶之间，微球菌属与转化酶、芽孢杆菌属与纤维素酶、木霉和游动放线菌属与过氧化氢酶、酵母与脲酶成显著正相关。说明这些优势微生物类群对这4种土壤酶的活性贡献较大。

表1 土壤微生物优势类群数量百分率组成状况

表2 两种模式下林木根际和非根际土壤微生物优势类群数量百分率的季节变化

表3 土壤微生物优势类群数量与土壤酶活性间的相关系数（样本数＝44）

3 结论

6大微生物优势类群的季节性动态变化特性有的随季节变化明显，有的则变化不大；在3样地土壤剖面垂直生态分布中，各微生物优势类群层次性变化特征差异较大。两种退耕还林模式下优势微生物类群数量有差异，春、夏、秋三季均为苦竹林所占比例最大，冬季为桦木林最大。另外，在两种模式下的林木根际中，链霉菌、木霉菌、酵母菌在两林木根际的分布状况趋势相同；微球菌和游动放线菌在桦木林的根际效应较大，而在苦竹林的根际效应较小，芽孢杆菌则相反。说明微球菌和游动放线菌对桦木林有较强的根际正效应，而芽孢杆菌则对苦竹林有较强的根际正效应，该结果对土壤改良和生物学肥力的提高有积极意义。另外，酵母菌的R／S值都小于1，可能这两种林木的根系分泌物或脱落物对酵母菌有抑制作用，这与前人［16－18］的研究结论（根系分泌物和脱落物对微生物具有正、负两方面的影响）相似。从6大微生物优势类群数量组成来看，微球菌属、链霉菌属、酵母的数量分别在细菌、放线菌和真菌的组成中处于重要地位，但因为其个体的生物量均较小，所以其对土壤生物学肥力质量的评价影响不大，而那些数量相对较少但个体生物量较大的优势微生物类群，对土壤生物学肥力质量的评价具有十分重要的作用。

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