不同植被对石漠化地区土壤微生物数量的影响

覃勇荣 苏盛 黄小梅 白新高 牟光福

(河池学院 化学与生物工程学院, 广西 宜州 546300)



不同植被对石漠化地区土壤微生物数量的影响

覃勇荣 苏盛 黄小梅 白新高 牟光福

(河池学院 化学与生物工程学院, 广西 宜州 546300)

通过对桂西北石漠化地区不同植被调查样地细菌、真菌、放线菌等不同土壤微生物类群数量的测定，及其与相应样地凋落物纤维素分解强度和土壤有机质、速效磷、全磷、碱解氮、全氮、速效钾、全钾等生态因子的相关性分析，了解不同植被对石漠化地区土壤质量变化的影响，以便筛选出石漠化地区生态恢复的优良先锋树种，为桂西北岩溶地区退化生态系统的恢复与重建提供科学依据。实验结果表明：(1)不同植被对土壤微生物的影响作用不同，各样地土壤有机质及氮磷钾含量有明显差异，不同类群土壤微生物数量差异显著，其大小排序为：细菌>放线菌>真菌，细菌、放线菌和真菌所占比例分别为50.82%～73.70%、23.90%～49.12%和0.05%～4.85%；(2)土壤微生物数量与凋落物纤维素分解强度及土壤氮、磷、钾含量显著相关；(3)综合考虑不同类群土壤微生物数量及土壤营养状况，以任豆、青檀、圆果化香、侧柏为优势种的样地，其土壤质量状况较好，而以湿地松、小叶桉、湿地松+小叶桉、类芦为优势种的样地，其土壤质量状况较差，前者比较适合作为石漠化地区植被恢复的先锋树种，后者则应该谨慎使用或不宜使用。

桂西北；石漠化地区；不同植被；土壤微生物；植被恢复

0 引言

土壤微生物与土壤健康状况密切相关，其不同类群数量及活跃程度，可以作为土壤质量变化的监测指标[1-3]。在土壤微生物类群中，细菌、放线菌和真菌的组成及其所占比例，可以反映土壤的肥力水平。在肥力正常的土壤中,细菌的数量通常比放线菌和真菌的数量多，并占有明显的数量优势[4]。许多学者的相关研究表明：土壤微生物种群、群落结构及其功能群、微生物量、酶活性等，不仅可以客观反映土壤质量的演变，还可以作为土壤健康状况的评价指标[5]。土壤微生物生长繁殖所需的各种碳源大部分来源于植物的凋落物。由于不同植物的生物学特性差异较大，岩溶地区的空间差异也比较大，所以，不同植被必然会对其群落内的土壤微生物种群及其结构产生不同的影响。

石漠化是岩溶地区植被破坏，水土流失,基岩大面积裸露,土地生产力严重下降,地表出现类似荒漠化景观的土地退化过程[6-7]。喀斯特环境问题是国际地学研究的热点问题之一[8]。刘旭辉等人研究发现，在桂西北岩溶地区，不同植被对土壤有机质含量影响极大[9]。刘方等学者研究发现，土壤氮磷钾含量与植被覆盖率、土地复垦率之间均有显著相关,可用土壤有机质及氮磷钾含量作为判断石漠化发生程度的预警指标[10]。虽然人们对喀斯特环境问题进行了大量的研究，但以往的研究大多都集中在植被的生理生态、土壤理化性质、土壤酶活性变化以及土壤动物群落结构等方面[11-15]。作者以桂西北石漠化地区为背景，分别选取不同植被作为研究对象，通过平板计数法，分别对不同植被调查样地土壤微生物类群(细菌、放线菌和真菌)的数量进行测定，并对其与不同植被样地土壤理化背景的相关性进行比较分析，以便找出土壤微生物数量变化的主要影响因子，为桂西北岩溶地区石漠化治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域自然概况

本研究区域位于桂西北河池市，为典型的喀斯特地貌，地理坐标为106°34'～109°09' E，23°41'～25°37' N，属亚热带季风气候区，最高海拔1 693 m，年均日照1 447～1 600 h之间,年均气温为16.9～21.5 ℃，年均降雨1 200～1 600 mm，主要集中在5～8月。在研究区域内，选取具有代表性的不同植被样地，所选植被的优势植物种类分别为：类芦(Neyraudireynaudiana)、小叶桉(Eucalyptusexserta)、湿地松(Pinuselliottii)、湿地松(Pinuselliottii)+小叶桉(Eucalyptusexserta)、吊丝竹(Dendrocalamusminor)、枫树(Liquidambarformosana)、阴香(Cinnamomumbumanii)、侧柏(Thujaccidentalis)、任豆(Zeniainsignis)、青檀(Pteroceltistatarinowii)+鞍叶羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpa)、青檀(Pteroceltistatarinowii)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、圆果化香(Platycaryalongipes)。调查样地的基本情况见表1。

1.2 样品采集及预处理

土壤样品采集于2014年9月至11月,选择桂西北石漠化地区不同植被典型样地进行采样。采样时，综合考虑地形地貌、植被类型、优势种、植物群落结构、人为干扰程度、恢复年限等因素，按常规的采样方法[16]，分别在宜州市的下枧、六妹村、叶茂、白龙公园，罗城四把，环江吉祥等地采集样品。微生物培养统一采用现采的新鲜土，为减少林地内由于微生物群落分布不均而造成的误差，按梅花形采样方法，在每个样地选择5个样点，每个样点的面积大约为1 m×1 m，清除地表的凋落物、石块等杂物后，取深度为0～10 cm的表土，过2 mm标准筛，样品充分混匀后，用四分法随机选取一份，用塑料无菌袋封装并放入冰壶中，尽快将样品带回实验室，置4 ℃冰箱中保存。微生物实验在取样后96 h内进行，以免样品保存过久微生物群落结构发生变化造成实验误差。样品采回后，立即进行土壤含水量等理化性质的测定。

1.3 仪器及试剂

1.3.1 实验仪器

无菌超净工作台、SPX-150生化培养箱、FP6410火焰光度计、MP200A电子分析天平、UV-765紫外可见分光光度计、PHS-3B型pH酸度计、DDS-307型电导仪、HH-6恒温水浴锅、80-2型国华台式电动离心机、SHA-C水浴恒温振荡仪、SHB-3循环水多用真空泵、KDN-103F型自动定氮仪、华烨HYP-1040型消化炉、DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱、HPX-9052MBE数显电热培养箱、艾柯DZG-303A纯水仪。

1.3.2 实验试剂

孟加拉红、2,6-二硝基酚、琼脂粉、牛肉浸膏、蛋白胨、重铬酸钾、酒石酸锑钾、磷酸二氢钠、无磷活性碳、碳酸氢钠、钼酸铵、高氯酸、浓硝酸、浓硫酸、浓盐酸、葡萄糖、碘化钠、氯化钙、氢氧化钠、硼酸、甲基红、醋酸、乙酸铵、溴甲酚氯、乙醇、氨水、抗坏血酸。实验过程中所使用的药品均为分析纯(AR)，实验用水除特别说明外，均为去离子水或超纯水。

1.4 实验方法

1.4.1 土壤理化性质测定

水分含量测定用重量法；土壤pH值和电导率测定采用电位法；土壤有机质含量测定用重铬酸钾容量法—外加热法[17]；全氮含量测定用半微量凯氏定氮法；碱解氮用碱解扩散法；全磷含量采用H2SO4-HClO4消煮，钼锑抗比色法；有效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提+钼锑抗比色法[18]；土壤全钾含量测定用氢氧化钠碱熔—火焰光度法；土壤速效钾含量测定用乙酸铵浸提—火焰光度法；凋落物纤维素分解强度测定采用尼龙袋分解法，土壤纤维素分解强度的测定用埋片法，土壤微生物培养用刮刀法，具体方法参考文献[19]。

1.4.2 数据处理

试验均设3个重复，结果取平均值。实验数据的处理及相关分析用Excel2003和SPSS18.0进行，用相关性分析方法对各指标进行相关分析；用聚类分析的方法对不同植被调查样地的优势种进行聚类分析；用主成分分析的方法，对不同植被样地土壤微生物数量变化的影响因素进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被土壤微生物数量比较

本研究的13个不同植被调查样地土壤微生物数量测定结果见表2。

表2 不同植被样地土壤微生物类群及数量比较

从9至11月采集样品的实验结果来看，不同植被对不同类群土壤微生物数量的影响不同，且差异比较明显。其中，细菌数量大小排序为：圆果化香>青檀>枫树>任豆>青檀+鞍叶羊蹄甲>阴香>侧柏>吊丝竹>青冈>小叶桉>湿地松+小叶桉>类芦>湿地松；放线菌数量大小排序为：任豆>青檀>圆果化香>阴香>青檀+鞍叶羊蹄甲>枫树>侧柏>青冈>吊丝竹>湿地松+小叶桉>类芦>小叶桉>湿地松；真菌数量大小排序为：青檀+鞍叶羊蹄甲>圆果化香>湿地松+小叶桉>阴香>枫树>湿地松>侧柏>青檀>小叶桉>吊丝竹>任豆>青冈>类芦。若从不同类群土壤微生物数量的总和进行比较，不同植被土壤微生物总数的差异更加明显，其大小排序为：任豆>圆果化香>青檀>青檀+鞍叶羊蹄甲>枫树>阴香>侧柏>青冈>吊丝竹>湿地松+小叶桉>小叶桉>类芦>湿地松。在调查样地的土壤微生物数量中，细菌和放线菌数量之和均占土壤微生物总数的95%以上，而真菌的数量则远低于细菌和放线菌，其所占比例不到土壤微生物总数的5%。

2.2 相关性分析

土壤微生物数量及其活性、土壤养分含量是评价土壤质量的重要指标。为了说明不同类群土壤微生物数量与土壤理化因子的相互关系，可以对两者的相关性进行比较分析，结果见表3。

表3 不同植被土壤微生物类群数量与土壤理化因子的相关性比较

注：①**为在0.01水平(双侧)呈极显著相关；*为在0.05水平(双侧)呈显著相关。②表中符号代表意义分别为：Bac：细菌；Act:放线菌；Fun：真菌；SAP：土壤有效磷；STP：土壤全磷；SAHN：土壤碱解氮；STN：土壤全氮；SAK：土壤有效钾；STK：土壤全钾；SOM：土壤有机质；SWC：土壤水分含量；pH：酸碱度；EC：电导率；CDS：纤维素分解强度。

由表3可知，细菌与土壤有效磷、土壤有机质、水分、pH、纤维素分解强度呈显著正相关，与放线菌、土壤全磷、土壤碱解氮、土壤全氮、土壤有效钾呈极显著正相关，与真菌、土壤全钾、电导率无显著相关；放线菌与土壤有效磷、土壤全磷、土壤全氮、土壤有效钾呈极显著的正相关，与土壤碱解氮、土壤有机质、水分、pH、电导率、纤维素分解强度呈显著正相关，与真菌、土壤全钾无显著相关；真菌与土壤有机质呈显著正相关，与其余土壤理化因子无显著相关。

2.3 聚类分析

图1 不同植被调查样地的聚类分析结果

为了进一步了解不同植被调查样地性质的相似程度，根据实验所得的土壤微生物数量测定结果及土壤理化分析数据，可对不同植被调查样地做一个聚类分析，结果见图1。由图1可知，欧氏距离为5时，可把13个不同植被样地分为四类，其中第一类包括：湿地松+小叶桉、光板地(优势种为类芦)、小叶桉、湿地松；第二类包括：青冈、吊丝竹、枫树；第三类包括：青檀+鞍叶羊蹄甲、阴香、侧柏；第四类包括：青檀、森林(优势种为圆果化香)、任豆；说明了在欧氏距离为5的范围里，各组内植被的性质相似。在欧氏距离10时，所有样地可分为两类，第一类包括：湿地松+小叶桉、光板地、小叶桉、湿地松、青冈、吊丝竹、枫树；第二类包括：青檀+鞍叶羊蹄甲、阴香、侧柏、青檀、森林、任豆；而在欧氏距离为25的时候，所有的样地植被间才有关系。根据欧氏距离的性质，欧氏距离越大，被分析组分之间关系越小。

2.4 主成分分析

图2 不同土壤微生物类群和三类营养元素的主成分分析 说明：图中符号代表意义分别为：QG-青冈；QT-青檀；DSZ-吊丝竹；YTJQTHJ-羊蹄甲+青檀混交；RD-任豆；GBD-光板地；FS-枫树；JXSL-见夕森林；SS-松树；AS-桉树；SAHJ-松桉混交；CB-侧柏；YX-阴香。

通过主成分分析，根据不同植被调查样地土壤微生物类群数量的测定数据，以及土壤氮、磷、钾、有机质含量测定值在不同样地的得分情况，可以找出对不同植被土壤生态恢复影响较大的主要因子。在数据处理过程中，先对13个样地的微生物数量及营养元素以各样地单一变量除以同一变量总和，各变量成分以百分比的形式进行归一处理，再利用主成分分析，对13个不同植被样地的细菌、放线菌和真菌等3种不同类群土壤微生物数量及各营养元素含量进行分析，共提取出了3个主成分，即PC1(43.252%)、PC2(18.883%)和PC3(14.104%)，特征值分别为5.975、2.307和1.847，累计贡献率达76.24%，因而能解释绝大部分的变异。可见三个主成分可以表征13个不同植被样地土壤微生物群落代谢能力的基本轮廓。由图2可知，PC1代表了青冈、青檀、任豆、侧柏、枫树、圆果化香(见夕森林)；PC2代表了吊丝竹、松桉混交、松树、桉树、光板地；PC3代表了鞍叶羊蹄甲+青檀混交、阴香。各样地散点的密集程度反映了各个样地土壤微生物数量和相关营养元素含量的相似程度。通过主成分分析，可以得到各类微生物和营养元素的综合得分，得分越高，说明该成分对相应样地的贡献越大。选取对PC1、PC2和PC3的分异起促进作用的变量，由表4可知，与PC1显著相关的因素有3种，主要为细菌、真菌、放线菌；与PC2显著相关的因素有真菌、全磷、有效钾、全钾；与PC3显著相关的因素有真菌、有效磷、全钾、有机质。得分情况见表4。

表4 与PC1、PC2和PC3显著相关的主要因素

3 讨论

在土壤质量演变和植物群落演替的过程中，地表上的植被经历了从无到有，从简单到复杂的过程。在从裸地→草地→灌草地→乔灌林地→森林的发展过程中，植物与土壤环境之间相互影响，关系密切。植物通过光合作用制造有机物，通过根系吸收土壤中的营养物质，再以凋落物的形式将物质归还土壤。在岩溶地区生态系统物质循环的过程中，土壤微生物发挥了关键作用。不同植被对土壤的影响作用不同，土壤微生物对土壤环境因子的变化非常敏感，可以直接反映土壤的健康状况[20]。在本研究的13个不同植被样地中，优势种为圆果化香、任豆、青檀、枫树、青檀+鞍叶羊蹄甲和阴香的样地，其土壤细菌和放线菌数量都比较多；而优势种为青檀+鞍叶羊蹄甲、圆果化香、湿地松+小叶桉、阴香和枫树的样地，其土壤真菌数量相对较多。值得注意的是，湿地松以及湿地松+小叶桉的人工林样地，其土壤真菌数量也比较高。这说明，不同植被土壤微生物类群的数量，不仅与植被恢复时间有关，可能与植物群落结构及植物种类组成也有极大的关系。优势种为任豆的样地，植被恢复时间仅有6年，但其土壤微生物总数却是13个调查样地中最高的(超过了优势种为圆果化香的森林样地)。人们通常认为土壤微生物数量与植被恢复时间呈正相关，但本研究所得结果与上述结论不完全一致。由表1和表2可知，优势种为青冈、青檀、青檀+鞍叶羊蹄甲、侧柏、枫树、阴香的样地，植被恢复时间基本相同(>40 a),但其土壤微生物总数却有明显差异；优势种为湿地松、小叶桉、湿地松+小叶桉的人工林样地，植被恢复时间同为19年，其土壤微生物总数也有较明显差异。从土壤微生物数量和土壤氮磷钾含量的综合比较中发现，优势种为圆果化香、任豆、侧柏、枫树、阴香、青冈、青檀+鞍叶羊蹄甲的样地，其各项指标数值都比较高；优势种为吊丝竹、小叶桉、湿地松、湿地松+小叶桉、类芦的样地，其各项指标都比较低，土壤肥力恢复的效果也不太理想。究其原因，一方面可能与这些植被恢复年限有关，另一方面可能与这些物种本身也有关系[9,14,21]。在桂西北岩溶地区，圆果化香、任豆、侧柏、枫树、阴香、鞍叶羊蹄甲、青冈和青檀均为当地常见的乡土树种，对岩溶环境具有良好的适应性，而湿地松和小叶桉均为外来物种，虽有一定的经济效益，但其对土壤环境的不良影响也有不少报道[22]。因此，在岩溶地区引进外来树种，大面积种植湿地松或速生桉人工林，其对土壤质量和岩溶生境的负面影响值得关注[23]。

4 结论

根据以上实验结果及分析讨论，可以初步得出以下结论：

(1)不同植被对土壤细菌、放线菌和真菌的影响作用不同。土壤营养丰富，氮、磷、钾含量较高的样地，其土壤细菌和放线菌的数量都比较多，土壤微生物的数量可以反映土壤的质量变化及其健康状况。

(2)综合考虑土壤微生物的数量及土壤养分含量的差异，以圆果化香、任豆、侧柏、青檀为优势种的样地，对石漠化地区土壤质量变化的影响效果比较好，而以湿地松、小叶桉、湿地松+小叶桉、类芦为优势种的样地，其对石漠化地区土壤质量变化的影响效果比较差。因此，在石漠化地区植被恢复和生态重建时，应当选择圆果化香、任豆、侧柏、青檀为先锋种，而不宜选择湿地松和小叶桉作为先锋种。

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[责任编辑 刘景平]

Effects of Different Vegetation on Soil Microbial Quantity in Karst Rocky Desertification Areas

QIN Yongrong, SU Sheng, HUANG Xiaomei, BAI Xingao, MOU Guangfu

(School of Chemistry and Biological Engineering, Hechi University, Yizhou, Guangxi 546300, China)

In this paper, quantities of soil microbial, bacteria, antinomycetes and fungi of different vegetation plots in karst rocky desertification area of northwest Guangxi are determined by dilution plate method, correlation between different ecological factors, such as litter cellulose decomposition intensity, contents of soil organic matter, available phosphorus, total phosphorus, alkali solution nitrogen, total nitrogen, available potassium, total potassium are analyzed to understand the influence of different vegetation on soil quality changes of karst rocky desertification area, so as to select the excellent pioneer tree species for ecological restoration of this area, and provide scientific basis for rehabilitation of the degraded karst ecosystem of northwest Guangxi. The results show that the effects of different vegetation on soil microbial are different; contents of soil organic matter and soil nitrogen content, soil phosphorus content, soil potassium content have significant differences in different sites. The quantities of different groups of soil microbial have significant difference. The order of the size is as follows: bacteria > antinomycetes > fungi. Bacteria, antinomycetes and fungi account for 50.82%～73.70%, 23.90%～49.12% and 0.05%～4.85% of total numbers of the soil microbial respectively. There are significant correlations among soil microbial quantity and litter decomposition intensity and soil nitrogen, phosphorus and potassium content. Considering different groups of soil microorganism quantity and soil nutrient status, in the sample sites where dominant species areZeniainsignis,Pteroceltistatarinowii,PlatycaryalongipesorThujaccidentalis, the soil quality is better while in the plots where dominant species arePinuselliottii,Eucalyptusexserta,Pinuselliottii+Eucalyptusexserta,Neyraudireynaudiana, the soil quality is poorer. The former trees are suitable to serve as the pioneer tree species of vegetation restoration in karst rocky desertification area, and the latter should be cautious to use or should not be used.

northwest of Guangxi; karst rocky desertification area; different vegetation; soil microbial； vegetation restoration

Q938.1

A

1672-9021(2016)05-0001-08

覃勇荣(1963-)，男，广西平南人，河池学院化学与生物工程学院教授，主要研究方向：桂西北岩溶地区生物资源调查及石漠化生态恢复。

广西自然科学基金资助项目(桂科自0832273)；广西高校重点实验室资助项目(桂教科研2010〔6〕号);河池学院重点基金资助课题(2013ZX-N007)；广西教育科学“十二五”规划立项课题(2013B026)。

2016-09-07