不同状态高寒草原土壤微生物及其变化

彭岳林，蔡晓布，于宝政

(西藏农牧学院，西藏 林芝 860000)

【研究意义】在高寒、干旱条件下由耐寒的多年生典型旱生草本植物所构成的高寒草原生态系统是西藏高原分布最广、面积最大的一个草地类型[1]，是西藏最为主要的生态系统之一。然而随着全球气候变化和人类活动的日益增强，高寒草原生态系统已遭到不同程度的干扰和破坏[2-3]，而草地退化的实质是土壤退化。作为土壤中具有生命力的重要组成成分，在土壤形成和演化过程中起主导作用的土壤生物日益受到研究者的重视[4-7]。土壤微生物作为土壤生物主要组成部分是草地生态系统的重要组成成分，有着不可替代的地位与作用。微生物对生存的环境十分敏感，能及时对土壤生态机制变化和环境胁迫做出反应，随着土壤生态环境的变化最终微生物区系组成也相应发生变化[8-9]。【前人研究进展】目前，许多学者就藏北地区草地退化的时空特征、草地退化对气候变化的响应、群落生物量与土壤养分等方面进行了大量研究[10-12]，但有关该地区土壤微生物的研究主要集中在土壤微生物区系和特定生理种群等方面[13-16]，但对藏北高原高寒草地退化过程中土壤微生物变化的研究却很少。【本研究切入点】本研究对高寒草原不同退化阶段土壤微生物的变化特征开展研究。【拟解决的关键问题】通过了解藏北高寒草原不同退化程度微生物区系组成的变化规律以加深对藏北高原高寒草地退化过程和机理的认识，为高寒草原恢复与重建提供新思路及理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究以藏北高原南部为研究对象，该区域属高原亚寒带寒冷干旱、半干旱气候，全年分冷(10-6月)、暖(7-9月)两季[17-18]，年均温、≥0 ℃年积温分别为0～6、500～1500 ℃，年降水量100～300 mm。在高寒和干旱的共同作用下，高寒草原成土过程微弱，土层浅薄，土层厚度一般仅在20 cm左右，具有季节性冻土层(土壤冻结期7个月左右，冻结深度一般>1 m)，其成土过程以腐殖质弱积累和钙积作用为主，由于低温、干旱的土壤环境，土壤有机残体难以完全分解而不断积累，因此，高寒草原具有“高有机残体”的土壤有机物赋存特征[17-18]。土壤类型为高山草原土(石灰性土壤)，高寒草原植被构成相对简单，以耐寒的多年生典型旱生植物为主，建群种主要为紫花针茅、青藏苔草等。近几十年来，在超载过牧、气候旱化等各种不利因素的综合影响下，以植被稀疏化、草地沙漠化和土壤肥力衰退为主要过程的草地退化十分明显，已严重影响并制约着区域社会、经济和生态的持续、协调发展。

1.2 采样方法

由于高寒草原退化过程的特殊性，一般草地状态的划分标准[19]难以适用。因此，据资料[18]和实地调研，将植被盖度为45 %～65 %、20 %～45 %、<20 %的草地分别确定为正常草地、轻度退化草地、严重退化草地(表1)。2015年9月，于藏北高原南部(N 31°29.827′～31°35.125′、E 91°04.064′～91°34.114′)分别选取3处高寒草原作为研究区域(每个区域间隔50～100 km)；每个研究区域内，均包括正常草地(未退化草地)、轻度退化草地、严重退化草地等3个采样区(面积均>10 hm2)；在每一采样区内，分别随机设置3个采样点(每一采样点间隔>200 m)；于各采样点分别按0～10、10～20 cm土层采集原状土样，再从同一采样区的3个同层土样中随机取出等量土样组成1个原状混合土样(约重3.5 kg)，分别装入经灭菌处理的封口袋中，带回实验室储存于4 ℃冰箱中备用。

1.3 分析测试方法

1.3.1 土壤微生物分离 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌采用马丁氏—孟加拉红培养基；放线菌用淀粉铵盐培养基；采用涂抹平板法分离土壤微生物，每处理重复3 次。各种菌接种后置恒温培养箱中培养(细菌、放线菌置28 ℃培养，真菌置25 ℃培养，细菌培养3～5 d，真菌培养5～7 d，放线菌培养7～14 d)后检查结果[20]。

1.3.2 数据处理 本研究以3次重复平均测定值作为结果。相关分析、差异显著性测验等数理统计采用DPS数据处理系统(版本号：16.50)。

表1 采样点海拔与土壤理化特性Table 1 Altitude and soil physicochemical properties in sampling site

注：不同状态草地相同土层间不同小写字母表示差异显著性达5 %。
Note:Different lowercase letters represent a significant difference at 5 % among the same soil layers in the steppes in different statuses.

相同土层不同小写字母、相同状态草地不同土层不同大写字母均表示差异显著性达5%，下同图1 不同状态高寒草原土壤微生物类群数量Fig.1 Soil microorganisms number at different stage in alpine grasslands

2 结果与分析

2.1 不同退化程度高寒草原土壤微生物数量变化

3种微生物数量在不同退化程度高寒草原中均表现出放线菌>细菌>真菌的特征(表2)。正常草地、轻度退化草地、严重退化草地中，放线菌占全部微生物数量的比例分别为66.4 %、71.9 %、69.5 %，细菌为29.9 %、26.2 %、29.4 %，真菌则仅占3.7 %、1.9 %和1.1 %，放线菌在3种微生物中占绝对优势。

同一种微生物随着高寒草原退化程度的加剧也表现出不同的变化趋势(图1)。细菌随着草原退化程度的加剧表现出先下降再上升的趋势；真菌则随着草原的退化表现出逐渐下降的趋势，轻度退化草地和严重退化草地真菌数量较正常草地分别下降48.6 %和70.3 %；放线菌的表现则与细菌和真菌截然不同，其数量随着草原的退化表现出逐渐上升的趋势，轻度退化草地和严重退化草地真菌数量较正常草地分别上升15.7 %和19.6 %。刘世贵等[13]研究发现退化程度高的草地放线菌的数量要高于退化程度较低的草地，这与藏北高寒草原土壤放线菌的变化趋势总体上是吻合的。

图2 不同状态高寒草原不同土层细菌数量Fig.2 Bacteria number numbers with different soil layer in different stage in alpine grasslands

2.2 不同退化程度高寒草原不同土层微生物数量的变化

在藏北高寒草原随着土壤退化程度的逐步加深，表层土壤(0～10 cm)细菌数量表现出先下降、再上升的变化特征，而亚表层土壤(10～20 cm)细菌数量则随着土壤退化加剧表现出逐渐上升的趋势(图2)。表层土壤和亚表层土壤细菌数量也有差异，正常草地和轻度退化草地中亚表层土壤细菌数量较表层分别下降25.5 %和0.08 %，严重退化草地亚表层细菌数量却较表层轻微上升0.03 %。

表2 不同退化程度高寒草原土壤微生物数量Table 2 Soil micro-organism number at different degraded degree alpine grassland

注：同一微生物同列不同小写字母表示差异显著性达5 %。
Note：Different lowercase letters in the same column for same microorganism represent a significant difference at 5 %.

表3 不同状态高寒草原土壤微生物间的相关性(r)Table 3 The correlation of soil microbial biomass in alpine steppes

注：**：P≤0.01。
Note：**：P≤0.01.

在藏北不同退化程度高寒草原中，真菌数量变化在表层表现和细菌一样的先下降后上升的变化趋势，但在亚表层土壤中却表现为先上升再下降的趋势(图3)。与正常草地相比，表层土壤真菌轻度退化草地和严重退化草地较正常草地分别下降86.1 %和75.0 %，而亚表层土壤真菌轻度退化草地和严重退化草地较正常草地分别上升8.60 %和下降52.4 %。

图4所示，不同程度退化草地不同土层土壤放线菌数量的变化也具有其自身的特点，表现为表层土壤中放线菌数量随草地退化程度的加剧呈先上升后下降的趋势，亚表层土壤中却呈现随退化程度加剧放线菌数量增加的趋势。表层中轻度退化草地和严重退化草地土壤放线菌数量较正常草地上升15.6 %和下降9.4 %，亚表层土壤中轻度退化草地和严重退化草地土壤放线菌数量较正常草地分别上升15.8 %和68.4 %。

综合分析藏北高寒草原不同退化程度草地不同土层土壤微生物的变化可以看出，正常草地中三类微生物的数量在表层和亚表层土壤中的分布具有显著差异，表层数量大于亚表层，而随着草地退化的加剧，细菌在轻度退化草地，真菌和放线菌在严重退化草地都先后表现表层和亚表层土壤中的分布没有差异的变化，体现出随着草地的退化，各种微生物数量在土壤中的分布逐渐趋于一致的变化态势。贺凤鹏等[21]发现草地退化程度越严重, 表层与10～20 cm 土层之间土壤微生物学特征的差异越小,这与本研究的结果是一致的。

图3 不同状态高寒草原不同土层真菌数量Fig.3 Fungi number with different soil layer in different stage in alpine grasslands

2.3 高寒草原土壤微生物间的相互关系

分析表明，3种土壤微生物间在不同退化草原中表现出不同的相关性(表3)。正常草地和严重退化草地中土壤细菌(x)与土壤放线菌(y1)表现为极显著负相关(P≤0.01)，线性回归方程分别为y1=33.85-12.5x、y1=23.3-6.67x；与真菌(y2)表现为负相关，线性回归方程分别为y2= 10.61-3.38x、y2=1.07-0.05x，但在轻度退化草地中土壤细菌(x)和土壤放线菌间则呈显著正相关(P≤0.05)，与真菌表现为正相关，线性回归方程为y1=-1.25 + 3.19x、y2=1.00 + 0.10x。土壤真菌与土壤放线菌则在不同状态高寒草原中均表现为不同程度的正相关。由此可见，高寒草原环境中，不同微生物类群对土壤退化的反应不仅具有自身的专一性，而且体现了土壤退化进程中不同微生物类群相互影响的变化情况。

图4 不同状态高寒草原不同土层放线菌数量Fig.4 Actinobacteria number with different soil layer in different stage in alpine grasslands

3 讨 论

微生物在遇到不适宜条件时进入休眠状态是一个普遍的现象，尤其是能形成芽孢和孢子的微生物[22]。刘世贵等的研究发现随着草原退化程度的加深，芽孢杆菌属细菌在细菌数量中所占的比例逐步升高，最高可达73.36 %[13]，这可能是造成本研究中严重退化草地中细菌数量较正常草地和轻度度退化草地数量上升的原因之一。同时，藏北高寒草原是在高寒、干旱条件下形成的，尽管正常草地植被覆盖度、植物生长量以及年进入土壤中的有机残体量相对较大，但由于低温条件下土壤冻结期长、通透性能差，对土壤微生物的活动抑制作用较为强烈，不利于土壤微生物的繁殖，而随着草地退化，一定程度的土壤沙化所导致的土壤环境的改变，也可能促进了土壤细菌的繁殖和活动，使土壤细菌数量呈增加的趋势。

多数的研究认为土壤中细菌占多数[ 24-26]，这与本研究中藏北高寒草原土壤放线菌占优势的结果不一致，韩玉竹等[25]在研究东祁连山高寒草地时也发现高寒草地土壤中细菌和放线菌占绝对优势并且细菌和放线菌所占比例几乎相当，而本研究中放线菌的数量远高于细菌。究其原因，可能由于在高原低温寒冻条件下土壤冻结期长，土壤微生物的活性较低，从而较为强烈地抑制了土壤有机残体的分解，致使土壤有机质形成过程受阻，大量有机残体累积于土体。一般认为,放线菌在有机物残体分解的初期作用不明显,而在后期,特别是在性状稳定的有机成分如木质素/蜡质和几丁质分解中,能够发挥较大的作用。赵吉等[26]研究也发现植株回归草原土壤后的分解后期，放线菌的数量呈快速增加趋势。藏北高寒草原退化过程中随着土壤中的有机物特别是易于分解的有机成分被大量消耗，土壤中残存的主要是一些不易被其它种类微生物利用的有机物，而这部分有机物恰好为土壤放线菌提供了营养。

4 结 论

本研究结果表明，不同退化程度高寒草原中3种微生物数量均表现出放线菌>真菌>细菌的趋势，放线菌占绝对优势。不同土层中3种微生物的变化趋势各不相同，但随着土壤退化程度的加剧各种微生物数量在土壤中的分布逐渐趋于一致。同时研究还发现3种土壤微生物间在不同退化草原中相互间表现出不同的相关性。

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