兰州市南山季节性土壤微生物特征及影响因素

刘旻霞,李 瑞,张 灿,李俐蓉,车应弟 (西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070)

土壤是地球环境的重要组成部分,承载着地球生态系统中诸多重要的生命体及物理化学变化过程[1].土壤中的微生物种类繁多,数量庞大,主要参与土壤中有机质的分解和养分元素的循环等过程,是土壤中物质迁移和能量流动的动力,土壤微生物群落在调控生态系统养分循环、土壤结构的改良与优化方面发挥着重要作用[2].由于土壤化学性质在短时间内变化较小,因此土壤化学性质作为土壤评价指标时,并不能全面评价土地管理及土地利用变化带来的影响[3],而土壤微生物能够对于外界环境的细微变化做出快速而敏感的反应[4],因此土壤微生物被认为是表征土壤结构与功能变化的重要参数之一[5].进行土壤微生物的研究,对于维持土壤生态系统服务功能具有十分重要意义[6].

近年来,依托先进技术的开发应用,土壤微生物多样性及其功能的研究渐具雏形.不同生境下,土壤微生物群落分布受到植被类型、土壤质地、土壤养分等因素的综合影响,从而呈现特殊的变化规律[7].许多研究认为环境因子中植物群落会对土壤微生物功能活性产生重要影响[8],王卫霞等[9]的研究表明,退耕还林地与宜林荒山地的土壤微生物群落差异较大,表现为退耕还林地土壤微生物各菌群生物量显著较高.季节变化会整体改变微生物的生存环境,对此戴雅婷等[10]研究了鄂尔多斯沙地油蒿土壤微生物区系的季节动态,表明土壤微生物数量春夏季略高于秋冬季.兰州市位于黄土高原最西端,地处半干旱气候带,降水偏少和水土流失是当地生态环境的主要问题[11],兰州市进行生态工程建设对于社会经济的发展具有十分重要的意义.以往对于半干旱地区的研究主要集中于植被特征、植物群落分布规律及土壤养分空间分布等问题[12-13],忽略了土壤微生物群落在协同植物生长、改良土壤性状等方面的作用,特别是探讨半干旱地区季节、海拔等生态环境变化对土壤微生物群落影响的研究更为鲜见.

本研究选取了兰州市南山绿化区不同海拔梯度下的两种植被类型作为研究对象,主要研究样地内土壤微生物和土壤理化因子的季节变化趋势及相关关系.旨在探究半干旱地区环境因子与土壤微生物之间的内在联系,并从微生物学的角度对南北两山绿化工程进行评价,改善林地的生物学功能,以指导未来的生态恢复规划和环境政策的发展,同时为探究不同地域环境因子对微生物区系分布的影响提供科学的理论依据.

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

研究区位于兰州市区南部,作为兰州市南北两山绿化工程的一部分,其地理坐标介于北纬 35°53′～36°33′,东 经 103°21′～104°38′,海 拔 高 度 为 1500～2500m.兰州市属于温带半干旱草原气候,春秋季少雨多风,温差较大,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,年平均气温10.3,℃全年平均日照时数2446h,无霜期180d以上.兰州市气候干燥,年平均降水量 327.7mm,年平均蒸发量1410.15mm,平均相对湿度58%.兰州市南山土壤类型以暗灰钙土和典型灰钙土为主,土壤贫瘠,水土保持能力较差.研究区内植被以旱生和盐生类型的植物物种为主,主要乔木有侧柏、国槐、云杉、圆柏、桃树、银杏、榆树,主要灌木及草本植物有冰草、油蒿、枸杞、麻花头、曼陀罗、芨芨草、狗尾草,形成以干旱荒漠为特征的温带荒漠植物种群的景观特色,植被恢复年限约为15a.研究区域基本情况见表1.

表1 研究区域基本情况Table 1 Characteristics of study area

1.2 试验设计与样品采集

本研究选取海拔为1600、1800和2000m的3个样区,每个样区内分别设置 1～2个 20×20m的人工林样地和1个荒地对照.在2016年的春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)以及冬季(12月),调查样地植被类型、海拔、坡度、坡向及盖度等环境因子,并在每个样地选取5点作为重复,清除地表植物残体(腐殖质厚度约为3～5cm),采集0～10cm深土壤约500g,去除土壤中的砂砾和植物根系,装入自封袋中保存.将鲜土带回实验室后,一部分放入 4℃冰箱保存,尽快完成微生物的分离计数.另一部分土壤自然风干后,研磨、过筛,用于土壤理化性质的测定.

1.3 土壤微生物培养计数

土壤微生物采用稀释涂布平板法,其中细菌使用牛肉膏蛋白胨培养基,稀释浓度选取 10-4、10-5、10-6,37℃下倒置培养 48h后计数.真菌使用马丁氏-孟加拉红培养基,稀释浓度选取10-1、10-2、10-3,28℃下倒置培养 3～4d后计数.放线菌使用改良高氏一号培养基(加入 3%的重铬酸钾溶液以抑制细菌生长),稀释浓度选取10-2、10-3、10-4,28℃下倒置培养5～7d后计数.

1.4 土壤理化性质测定

土壤理化性质采用如下方法测定:土壤含水量用烘干法(重复3次),土壤pH值用水浸提电位法,土壤全氮用半微量凯氏定氮法,土壤全磷用硫酸-高氯酸消煮法,土壤有机碳用硫酸消煮-重铬酸钾外加热法,土壤温度用土温计测定,容重采用环刀法测定.

1.5 数据分析与处理

高校的创新创业体系受制于高校内部小环境以及社会外部大环境，必然受到内外部环境的影响和制约。鉴于高校得天独厚的学术优势和实践优势，需要建立以高校为中心的创新创业共同体，整体协同推进创新创业教育。如美国就在全美创客行动中大力推进以斯坦福大学等高校为中心的创客教育，加强推进区域性创客行动的实践，为全美社区创客教育提供保障［4］。德国和日本等国也相应地形成以慕尼黑大学和筑波大学为中心的实践推进模式。

在 Excel2007中进行数据的统计与计算,在SPSS18.0中进行环境因子与土壤微生物的相关分析与单因素方差分析,运用CANOCO4.5软件对土壤微生物与环境因子进行冗余分析(RDA),运用 Origin9.0软件绘制分析图.

2 结果与分析

2.1 不同季节土壤微生物区系的变化趋势

兰州市南山土壤微生物区系季节分布如表 2所示,微生物3大类群均具有明显的季节动态变化.土壤中细菌为优势种群,细菌数量占微生物总数的96.22%～99.80%,说明细菌为微生物类群中的绝对优势类群.春夏季放线菌数量高于真菌数量,秋冬季则相反.不同季节土壤细菌数量差异显著,夏季土壤细菌数量最多,为89.22×106cfu/g soil,分别是春、秋、冬季的12.02、3.28、2.74倍,说明土壤微生物生长繁殖随季节变换而变化,夏季雨热同期,更有利于细菌生存.真菌数量随季节变化差异较小,春季最高为7.39×104cfu/g soil,其次是秋冬季,夏季真菌数量最低为 2.93×104cfu/g soil.放线菌数量随季节变化同样表现出显著差异,其中春夏季放线菌数量较高,是秋冬季的10倍左右.

表2 土壤微生物数量季节分布特征(平均值±标准误)Table 2 Seasonal distribution of soil microorganisms(Mean ± SE)

2.2 不同样地土壤微生物区系的变化趋势

兰州市南山不同样地细菌、真菌和放线菌的季节变化特征分别如图 1 中(a)～(d)、(e)～(h)、(i)～(l)所示,从图中可以看出,不同样地微生物数量的分布差异显著.春夏季土壤细菌数量表现为人工林样地略低于荒坡样地.夏季对照 3土壤细菌数量最丰富,为203.37×106cfu/g soil.随海拔高度的降低,春季细菌数量逐渐减少,秋季刚好相反,春冬季则表现为先减少后增加.同一海拔高度,真菌数量在各样地分布差异显著,其中春季荒坡样地真菌数量明显高于人工林样地,其余三季呈现的变化规律各异.随海拔高度的降低,夏季与冬季土壤真菌数量均呈下降趋势,秋季则呈上升趋势,春季土壤真菌数量随海拔变化未呈现明显变化规律.土壤放线菌分布具有明显的季节性,各样地均表现为春夏季远高于秋冬季;荒坡样地略高于人工林样地,但秋冬季样地3放线菌数量均最高,分别为5.27×104cfu/g soil和4.05×104cfu/g soil.放线菌数量随海拔升高整体表现为逐渐减少.

图1 不同样地土壤微生物区系随海拔变化特征Fig.1 Variation of soil microbial community with altitude

2.3 不同季节不同样地土壤理化性质的变化

土壤理化性质是土壤、植被以及周围环境共同作用的结果,是土壤质量变化与土壤发育最基本的表征和核心研究内容[14].本研究调查了兰州市南山土壤理化性质的季节变化情况,结果如图 2所示.土壤含水量呈现明显的季节变化,夏季土壤含水量显著高于其他季节,这主要与当地季节性降水有关.在同一海拔梯度,各样地土壤含水量差异较大,且普遍较低,介于(3.37±0.6)%～(27.06±1.2)%,平均为 13.93%.人工林样地土壤含水量略高于荒坡样地.土壤温度表现为夏季最高,最高温度为25.5,℃其次是春季和秋季,冬季则普遍低于0℃,随海拔高度的升高而降低.土壤容重介于 0.99～1.54g/cm3之间,各样地容重未出现明显差异,且随季节与海拔变化规律不明显.兰州市南山土壤养分含量普遍较低,春季土壤有机碳含量略高于其他季节,荒坡对照1与对照2土壤有机碳含量略低于同海拔人工林样地,其中对照 3各养分因子均显著高于其他样地.土壤全氮含量季节变化规律表现为春季最高0.86g/kg,其次是秋季和冬季,分别为 0.72g/kg, 0.73g/kg,夏季土壤全氮含量最少为0.67g/kg.土壤全磷含量季节变化规律尚不明显.土壤养分因子随海拔降低整体呈上升趋势.土壤电导率可衡量土壤盐分状况,各样地整体表现为夏季最高,秋冬季偏低.土壤 pH 值介于(7.70±0.01)～(8.84±0.07)之间,呈中性偏碱性.各样地土壤pH值随季节变化表现为春季最高,其次是秋冬季,夏季最低,随海拔高度的上升,土壤pH值整体呈现上升趋势.

图2 不同样地土壤理化性质随季节变化特征Fig.2 Variation of soil physical and chemical properties with different seasons

2.4 不同季节土壤微生物与土壤理化性质的相关关系

不同季节土壤微生物的主导因子各不相同,这主要由于季节的变化会引起外界环境的改变,进而导致微生物生存环境的不同.不同季节土壤微生物与土壤理化性质的相关关系如表3.春季,土壤细菌、真菌与土壤含水量及各养分因子均呈负相关(P＞0.05),但相关性不显著,放线菌与全氮、全磷呈显著正相关(P＜0.05),与有机碳呈极显著正相关(P＜0.01).夏季,放线菌与全磷呈显著负相关(P＜0.05),除此之外,3大菌群与土壤理化性质均为达到显著相关水平.其中细菌与pH值、土壤含水量呈负相关,与养分因子均呈正相关,而真菌与放线菌则与养分因子呈负相关.秋季,真菌与 pH 值呈显著负相关(P＜0.05),与有机碳、全氮呈极显著正相关(P＜0.01),与容重、土壤电导率呈显著正相关(P＜0.05).3大菌群与pH值、土壤含水量呈不同程度负相关,与养分因子、容重和土壤温度则呈不同程度正相关.冬季,细菌与 pH值呈显著负相关(P＜0.05),与有机碳、全氮、全磷呈显著正相关(P＜0.05),真菌土壤含水量呈显著负相关(P＜0.05),冬季放线菌与土壤理化因子相关系数均较低.

表3 不同季节土壤微生物与土壤理化性质的相关性Table 3 Correlation between soil microbes and soil physical and chemical properties in different seasons

2.5 不同样地土壤微生物与环境因子的冗余分析

图3 土壤微生物与环境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of soil microorganisms and environmental factors

冗余分析是通过分析响应变量和解释变量之间的相关性,对环境因子进行筛选,分析引起响应变量变异的原因.RDA可排序图可直观的反映环境因子对土壤微生物群落分布的影响及影响程度.分析结果如图3所示,第一轴序(Axis 1)与第二轴序(Axis 2)分别可以解释97.1%、2.5%的物种数据变化,累计解释了 99.6%的物种-环境关系.图中实线箭头代表土壤微生物类群,虚线箭头代表各环境因子;实线与虚线之间的夹角代表土壤微生物与各环境因子之间的相关性;样地间的差异可用连线的长短来表示.土壤微生物群落与土壤养分含量及土壤电导率均呈正相关关系,其中土壤细菌与真菌群落分布基本一致,且与土壤有机碳、全氮、全磷、电导率呈正相关,土壤放线菌数量与 pH 值呈负相关,与其余环境因子均呈正相关关系.对照1与对照2、样地3与样地 5呈现较高相似度.环境因子中土壤有机碳与第一物种轴的相关系数最高,为 0.520,因此土壤有机碳含量是土壤微生物类群分布的主导因子.环境因子中,土壤 pH值与土壤电导率呈极显著负相关(P＜0.01),有机碳、全氮、全磷之间呈极显著正相关(P＜0.01).

3 讨论

土壤微生物分布特征是对土壤发育状况与生态条件的综合反映,可依照生物学活性的不同来评价土壤发育程度[15].兰州市南山两种植被类型的土壤微生物区系分布均有明显的季节变化,有研究表明,季节的变化引起的土壤微生物群落结构的改变,远大于因植被类型改变和养分施用而引起的变化[16].土壤微生物在土壤能量转化及养分积累过程中发挥着重要作用,其中土壤细菌主要参与土壤有机质转化,真菌与放线菌主要参与土壤有机物质的分解.真菌主要分解纤维素、果胶和木质素等,放线菌相对于真菌可对氨基酸等蛋白物质更高效地分解[17].本研究结果显示,春季的真菌与放线菌数量均达到最大值,而细菌则在夏季达到最大值(表 2),分析认为春季温湿适宜,植物群落开始恢复生长,土壤表层存在大量未分解的动植物残体,凋落物的分解,需要借助腐殖质部分的有机物质来促进非腐殖质部分的降解,真菌和放线菌可破坏凋落物表层,帮助大量内居性动物侵入凋落物内部,分解土壤中的有机物质,供给植物吸收生长,因而春季土壤养分和真菌、放线菌数量均较高[18];夏季高温多雨,植物群落处于生长旺盛时期,植物根系分泌物增多,土壤养分循环与能量流动加快,需要大量的细菌参与其中,因而夏季微生物数量及代谢活性最高,这与洪丕征等[19]和 Bell等[20]的研究结果大致相同.秋冬两季细菌与真菌数量相对较低,放线菌数量在秋冬两季数量最低,有研究认为,秋季随着植物进入落叶期,土壤中养分供应减少,同时兰州地区秋季土壤温度偏低,对微生物的生长繁殖过程具有一定的抑制作用,并降低其代谢活性[21],而戴雅婷等[10]的研究结果为秋冬季高于春夏季,生长高峰出现在冬季,其认为这与放线菌耐低温干旱,对不良环境适应能力较强的生理特性有关.

植被类型对于微生物的影响是宏观的,两者相互作用于植物根际[22],植物主动从土壤中吸收养分形成有机体,随后以凋落物或根系分泌物等有机体的形态重新回到土壤[23],微生物可将有机物质转化为无机养分并促进植物根系吸收利用[24].人工林造林不仅改变地表覆被状况,还影响着土壤养分循环、化学性质变化和土壤发育等[9].研究表明,植树造林作为土地管理措施的一种,不仅改变地表覆被状况,还可明显促进土壤养分的积累和土壤肥力的演变,提高养分利用率,维系植被与土壤的良性关系[25].一方面,植物群落通过自身代谢释放根系分泌物,并产生衰老组织及凋落物,这些根系沉积物及树木凋落物作为土壤有机质和能源输入的主要来源,是微生物进行生命活动的能源基础,为该生境中土壤微生物群落繁殖提供适宜的环境;另一方面,地表植被产生的枯枝落叶可以起到截流蓄水的作用,有效降低土壤表面蒸发量,同时改良土壤通气状况,增加土壤有机物质的储量,最终达到保水保肥的目的.当植树造林地进入后期,土壤新陈代谢旺盛,大量有机物质以凋落物的形式返回土壤,植物残余物增加,土壤养分含量及土壤碳储量明显提高,土壤微生物活性趋于稳定,可通过分解土壤有机物质为植物生长发育提供养分,最终改善土壤结构及性状.

因此了解不同植被类型对土壤理化性质的影响,是合理利用土地资源进行绿化生态建设的前提[26].吴则焰等[27]对武夷山不同植被类型土壤微生物群落特征的研究发现,无论是土壤微生物功能多样性,还是土壤理化性质、酶活性,均表现为天然林优于人工林,荒地最差.本研究中,土壤含水量及土壤有机物质整体表现为人工林样地高于荒坡样地(图 2),这与任建宏等[28]的研究结果基本一致,这体现出植物群落可有效促进土壤蓄水保墒、防止水土养分流失.但土壤微生物数量却表现为荒坡样地略高于人工林样地(图1),与养分因子并未呈现相同的变化规律,这可能由于人工林样地植物群落生长旺盛,对土壤水分及养分的需求较大,相对抑制了土壤微生物的生命活动,这正体现出二者相互竞争的关系;另一方面,在生态恢复进程中,受到生态系统复杂性的制约,人工林样地在后续物种的引入及土壤培育措施等外力作用下,土壤发育相对不成熟,因此土壤微生物群落分布不均衡且略低于荒坡.

本研究表明,土壤含水量与雨季同步,表现为七月份最高,其余三季无显著差异;土壤养分因子表现为春季最高(图 2),这主要由于春季植物群落开始生长,土壤微生物将土壤中大量动植物残体、枯枝落叶分解为有机物质,供给植物消耗,这说明植物群落的生长可有效改善土壤养分结构,提高有机质含量.参照黄土丘陵区人工林地土壤肥力指数,兰州市南山土壤有机碳质量分数处于较低水平,全氮、全磷质量分数为中等水平.土壤有机碳质量分数为 5.46～44.02g/kg,全氮、全磷的含量分别为 0.34～1.61g/kg,0.38～0.87g/kg,其中对照3土壤养分因子异常(图2),这主要由于对照3并未处于自然状态下,受到较为严重人类活动的影响,生活污水及人和动物粪便等的排放均会导致土壤养分出现异常.自然状态下,海拔的变化会引起土壤温度、湿度、养分含量等因素的改变,影响植物群落多样性的空间分布[29].兰州市南山植被类型的分布具有一定的主观性,样地内灌木及草本的分布是一定的,但随着海拔发生变化,样地内土壤理化性质会相应发生变化.本研究中,随着海拔的升高,pH值逐渐上升,土壤温度、有机碳和全氮含量呈下降趋势,全磷含量则表现为先增加后减小的趋势,土壤含水量与容重随海拔变化趋势不明显(图 2).这与丛静等[30]和张灵等[13]的研究结果差异较大,分析认为受到气候及人为的影响,研究区及所选样地的生态环境区域性差异均会导致研究结果的不同.

土壤微生物的季节变化特征同时受到气候条件、植物群落、土壤类型及土壤养分因子的综合影响.管海英等[31]对荒漠植被区土壤微生物量碳的季节变化和影响因素的研究表明,不同植被区土壤微生物量碳与全氮、有机碳均呈显著正相关(P＜0.05).本文相关分析结果显示,春季放线菌与土壤养分因子均达到显著相关水平,夏季放线菌与全磷呈显著负相关,秋季真菌与有机碳和全氮呈显著正相关,冬季细菌与土壤养分因子均达到显著相关水平(表 3).兰州市水资源短缺,同时土壤保水能力较差,养分及水土流失严重,是制约当地人工林建设和农牧业发展的主要因素.Lu等[32]的研究表明土壤含水量是影响植物群落分布格局的关键因子,而本研究中土壤含水量与土壤微生物各类群及土壤养分因子的相关性均较低,分析认为兰州市供水与耗水量之间极度不平衡,植树造林所需水资源主要依赖人工喷灌,扰乱了自然状态下土壤含水量的变化规律[33].综合冗余分析表明环境因子中有机碳与微生物相关性最为显著(图 3),是该研究区域土壤微生物类群季节变异的重要影响因子,这主要由于兰州市南山植被恢复期土壤养分含量较低,限制了微生物群落的生长繁殖.

综上所述,兰州市南山不同植被类型下土壤微生物的主导影响因子不同,且这些影响因子随季节变化规律各有不同,最终导致不同季节土壤微生物群落分布差异显著.探究土壤微生物群落的季节性变化特征及影响因素,为区域退化生态系统恢复机理提供理论依据.植树造林是缓解土地退化、水土流失的重要途径,在生态恢复过程中考虑植被类型、土壤理化因子及微生物群落的相关关系,充分发挥生态平衡,提高实现环境政策目标的能力.

4 结论

4.1 不同季节土壤微生物总数差异显著,表现为夏季最高,为 89.22×106cfu/g soil,其次是冬季和秋季,春季最低.夏季土壤含水量最高,土壤养分含量整体表现为春季最高.

4.2 人工林样地土壤含水量及养分含量明显高于荒坡,但土壤微生物数量较低.

4.3 不同季节土壤微生物与环境因子的相关系数差异较大,其中有机碳与春季放线菌、秋季真菌呈极显著相关(P＜0.01),相关系数分别为0.839和0.795,与冬季细菌呈显著相关(P＜0.05),且冗余分析中有机碳与第一物种轴相关系数最高,因此有机碳是影响微生物类群分布的重要因素.