不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆的土壤微生物数量、养分含量及酶活性的比较研究

张 玮，韩 磊，解李娜，李清芳，马成仓

（天津师范大学a.生命科学学院，b.天津市动植物抗性重点实验室，天津300387）

狭叶锦鸡儿（Caragana stenophylla）是豆科锦鸡儿属灌木，由于具有抗旱、耐瘠薄、耐风蚀和繁殖性强等特点[1]，因此适应能力较强，在内蒙古典型草原区、荒漠草原区和荒漠区都有分布，并且在荒漠区形成优势种.狭叶锦鸡儿可以防风固沙、保持水土，并且是重要的饲用植物[2].目前对其研究主要集中于光合特性[3]、水分调节特性、遗传特征、形态适应特性[4]和繁殖特性[5]等方面.在狭叶锦鸡儿灌丛防风固沙方面，本课题组研究了典型草原、荒漠草原和荒漠区狭叶锦鸡儿灌丛沙堆的形态、发育特征和固沙能力[6].

土壤是植物群落发育演化的重要物质基础，它深刻影响着植被的发展变化，自身也会随气候和植被的变化而变化.土壤养分、土壤微生物和土壤酶是表征土壤系统的重要特性.土壤养分的含量直接影响植物的生长状况，土壤微生物作为分解者参与生态系统的能量流动和物质循环，而土壤酶参与土壤中许多生物化学过程，可以在一定程度上反应土壤肥力状况[7].本课题组选取内蒙古典型草原、荒漠草原、荒漠区的狭叶锦鸡儿灌丛，分析灌丛沙堆下土壤微生物的数量、养分含量和酶活性，以此了解狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤中的微生物与生境、土壤养分和土壤酶活性之间的关系.

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

选取锡林浩特市为典型草原采样点、苏尼特右旗为荒漠草原采样点、阿拉善左旗为荒漠区采样点，其自然概况如表1所示.

表1 采样点的自然概况Tab.1 Environmental data for main sampling sites

1.2 灌丛沙堆的选取及样品采集

野外采样于2010年9月进行.三地的狭叶锦鸡儿灌丛和其固定的沙堆均呈岛屿状散乱分布，每个采样点分别选取6个形态和发育特征相似的灌丛.在每个沙堆的顶部、中部、基部各采集10～20cm土层的土壤样品，将每一灌丛3个位置的土壤进行混合，作为1组，共6组重复.土壤样品装于自封袋，带回实验室后于4℃冰箱保存.实验时去除植物根系和砾石，在室内风干，分别过筛（1.00mm和0.15mm），用于测定土壤微生物数量、土壤养分和土壤酶活性.

1.3 土壤微生物的分离计数

细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌培养采用改良高氏一号培养基，真菌培养采用马丁-孟加拉红培养基，表面涂抹法平板接种[8].称取鲜土样5g，放入装有无菌水的加玻璃珠三角瓶中（以充满瓶底为宜），振荡10min使土样充分打散.准确吸取土壤溶液 1mL，依次稀释 101、102、103、104倍，再准确吸取0.2mL不同浓度的土壤溶液接种到培养皿中.其中，细菌和放线菌为稀释102、103、104倍的土壤悬液，真菌为稀释101、102、103的土壤悬液，每一个稀释度重复3次.接种后，用无菌玻璃棒均匀涂布于培养基表面.接种有土壤悬液的培养皿水平放置20～30min，使菌液渗透入培养基内，然后倒置培养于25～28℃恒温箱中，培养时间为：细菌2～3 d，真菌5～7d，放线菌7～10d.选取每皿15～150个菌落对应的稀释度统计菌落数，按下列公式计算每克干土中的菌数.

1.4 土壤理化性质的测定

土壤有机质、全氮、全磷、速效磷的测定参照文献[9]，土壤水分用105℃、24h烘干法测定.

1.5 土壤酶活性的测定

土壤酶活性测定参考文献[10].脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，酶活性以24h后1g土壤中NH4+-N的质量（mg）表示；过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾容量法，其活性以20min后1g土壤消耗的0.1mol/L KMnO4的体积（mL）表示；转化酶采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定，其活性以24h后1g土壤中葡萄糖的质量（mg）表示；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，其活性以2h后100g土壤中P2O5的质量（mg）表示.

1.6 数据处理

利用SPSS17.0软件进行单因素方差分析，用Duncan检验对平均数进行多重比较.

2 结果与分析

2.1 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物的数量与组成

对内蒙古高原不同生境下狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤中的微生物进行分离和计数，结果如表2所示.

表2 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物的数量Tab.2 Amount of soil microorganisms in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats ×105/g干土

从表2可以看出，狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤的细菌数量在3个生境中的差异具有统计学意义（p≤0.05），典型草原区的细菌数量最多，分别为荒漠草原区和荒漠区的3.26和8.00倍.对于放线菌和真菌，荒漠区的数量都显著高于荒漠草原区和典型草原区，约为后两者的1倍，典型草原和荒漠草原区之间的差异没有统计学意义.在微生物总量上，典型草原区狭叶锦鸡儿灌丛沙堆的土壤微生物总量明显高于荒漠草原区和荒漠区，荒漠区数量最少.

3个生境的狭叶锦鸡儿灌丛沙堆中，土壤微生物的组成差异较大，如图1所示.

图1 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物的组成比例Fig.1 Composition of soil microorganisms in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

从图1可以看出，在3个生境中，细菌在微生物总量中所占比例最大，放线菌次之，真菌最小.随着干旱加剧，细菌所占比例逐渐降低，放线菌和真菌比例增高.荒漠区放线菌在微生物总量中的比例分别是荒漠草原区和典型草原区的3.47和10.39倍，真菌所占比例分别为荒漠草原区和典型草原区的9.33和33.85倍.

2.2 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤养分的比较

3个生境下狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤的养分含量如表3所示.

表3 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤养分含量Tab.3 Soil nutrients in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

由表3可以看出，狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤中，有机质、全氮、全磷、速效磷的含量均表现为典型草原区最高，荒漠草原区次之，荒漠区含量最低；荒漠草原区和典型草原区的含水量相近，二者均大于荒漠区，差异具有统计学意义（p≤0.05）.

2.3 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤酶活性的比较

比较3个生境下狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤的酶活性，结果如表4所示.

表4 不同生境狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤酶活性Tab.4 Enzymes activities in shrub nabkhas soil of C.stenophylla in different habitats

从表4可以看出，狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤中，脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均表现为荒漠草原区＞典型草原区＞荒漠区，过氧化氢酶活性和蔗糖酶活性在3种生境之间的差异具有统计学意义（p≤0.05）；脲酶在典型草原区和荒漠草原区之间的差异没有统计学意义，二者与荒漠区的差异具有统计学意义（p≤0.05）；碱性磷酸酶活性表现为典型草原区最高，其次为荒漠草原区，荒漠区最低，其在3个生境间的差异具有统计学意义（p≤0.05）.

3 讨论

3.1 狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物与生境的关系

从典型草原、荒漠草原到荒漠区，光辐射和气温递增，降水递减，风力侵蚀渐强，沙源渐丰富.典型草原区适宜的水热条件能够促进狭叶锦鸡儿和其他植被的发育，植物的根系分泌物、枯枝落叶以及这些物质长期积累形成的有机质为土壤微生物的生长提供了丰富营养；同时，典型草原区的气候和土壤的通气状况也有利于微生物的生存与繁衍，因此该地区狭叶锦鸡儿灌丛沙堆的土壤微生物总量最高.从典型草原到荒漠区，气候越来越不利于植物生长，植被盖度逐渐降低，植物的根系分泌物、枯枝落叶和土壤有机质逐渐减少，营养趋于匮乏，这些因素导致狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物逐渐减少.

有研究表明，细菌对湿润、温和环境的适应性强，而真菌和放线菌对干旱、高温恶劣环境耐受性强[11].典型草原的气候较湿润，温度适中，所以细菌在狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物中所占比例最高，而土壤细菌数量的增加会抑制真菌和放线菌生长[12]，使真菌和放线菌的数量较低.从典型草原到荒漠区，降水逐渐减少，气温逐渐升高，干旱胁迫越来越严重，气候变化导致真菌和放线菌在狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物中所占比例逐渐增加，细菌所占比例逐渐降低，这与田晓堃等[13]的研究结果相似.

本研究表明，气候差异和受气候决定的植被差异共同导致了不同生境下土壤微生物数量的变化，而气候差异和微生物的适应性差异决定了生境间土壤细菌、放线菌和真菌组成的变化.

3.2 狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物与养分的关系

土壤营养元素如全氮、全磷、速效磷含量均表现为典型草原最高，荒漠草原次之，荒漠区含量最低.含氮土壤酸度的增加、植物根系及微生物对土壤磷的活化作用[14]都会提高土壤有效磷的含量.养分含量会直接影响3个地区狭叶锦鸡儿和其他植被的生长状况，而植被生长状况又会导致有机物含量从典型草原、荒漠草原到荒漠区呈下降趋势.有机质的差异能够直接影响微生物的生长状况[15]，导致了微生物数量从典型草原、荒漠草原到荒漠区呈下降趋势；另一方面，土壤中的无机养分含量也直接影响微生物的生长，养分含量充足的典型草原为微生物生长提供了更有利的条件，从典型草原区向荒漠区，无机养分的减少也使微生物数量下降.

有研究表明，微生物能促进土壤养分的积累，主要表现在固氮微生物能够促进氮素积累[16].本研究表明，从荒漠区到典型草原区，土壤营养逐渐升高，导致了土壤微生物数量的增加，而微生物数量的增加反过来又加快了土壤营养的积累，加大了地区之间的营养差异.

3.3 狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物与酶活性的关系

土壤酶来源于土壤中动物、植物和微生物细胞的分泌物及其残体的分解物，其中微生物细胞是其主要来源[10].蔡晓布等[17]对藏北退化高寒草地的研究发现，微生物的数量与土壤中脲酶、过氧化氢酶的活性呈正相关.本研究发现，从典型草原区到荒漠区，狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤中碱性磷酸酶的活性逐渐降低，典型草原区狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤的脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均高于荒漠区，这与从典型草原区到荒漠区狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤微生物数量的递减密切相关.本研究还发现荒漠草原区狭叶锦鸡儿灌丛沙堆土壤的脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性高于典型草原，这一现象说明土壤微生物数量与土壤酶活性存在复杂的关系，不能笼统认为土壤微生物数量的增多一定有助于土壤酶活性的提高，需要将具体的土壤酶与分泌这些酶的微生物类群或种群对应起来加以分析[18]，甚至要结合酶与植物根系和土壤动物的对应关系，才能准确说明土壤酶活性变化的原因.

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