漓江河岸带不同水文环境土壤微生物与土壤养分的耦合关系

王 静,王冬梅,任 远,王 斌

1 北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,北京 100083 2 桂林理工大学地球科学学院,桂林 541006 3 广西壮族自治区中国科学研究院广西植物研究所,广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室, 桂林 541006

河岸带是河流生态系统和陆地生态系统的关键过渡地带[1],具有明显的边缘效应和较高的生物多样性,是地球上最具复杂、多样性最高和动态的生态系统之一[2- 3],它在河溪生物多样性维护、污染物吸收和过滤[4]以及河流水质保护等方面有重要的作用[5]。水文地貌过程(洪水动态)和生态学过程(生物学演替)创造了河岸带连续变化的水文环境梯度—从靠近河道较低处的砾石滩,到远方高处茂密的河岸森林。这些水文梯度在水淹频率、群落组成(植被和微生物等)、演替阶段、土壤理化性质和养分循环等方面均有显著差异[6- 7]。因此,在这种变化的水文梯度下土壤的理化性质及微生物特性变化规律及它们之间的耦合关系是一个重要的生态学问题,对了解河岸带土壤质量现状及理解河岸带生态系统结构及功能等具有重要意义。

河岸带土壤是植被生长的介质,其质量直接决定了植被生长状况,从而影响到河岸带的结构和功能,而土壤微生物作为土壤的重要组成部分,参与了大部分土壤生态过程,如元素地球化学循环、有机物质分解转化、污染物净化等,对土壤健康状况的维持和改善有很大作用[8- 9],因此,河岸带土壤微生物对河岸带的结构和功能也有很大程度的影响。土壤微生物不仅与土壤营养物质分解转化密切相关,还能将不易被植物吸收利用的难溶性无机物变为可溶性物质,从而提高土壤肥力水平。因此,微生物是研究和评价土壤质量和生态系统功能变化的敏感指标[10- 11]。土壤微生物量是土壤养分“库”和“源”,虽只占土壤有机质的很小部分,却在土壤有机质和碳、氮、磷等养分循环转化过程中起重要作用。研究土壤微生物生物量对了解和评价土壤肥力及质量状况也有重要意义[12]。许多研究学者对河岸带不同植物群落下[13- 14]、不同土地利用方式[15]、不同受扰区[16]、不同盐碱土壤下[17]微生物特性进行了研究,并探讨了土壤微生物特性与土壤养分之间的关系,而在漓江河岸带的研究主要集中在植被多样性与土壤特征[18]、植被配置[19- 20]、植物根系分布[21- 22]及护岸措施[23]等方面,有关不同水文环境下的土壤微生物及其与土壤养分因子的相互关系的研究鲜有报道。

广西桂林市是世界著名的旅游城市和历史文化名城,千百年来享有“桂林山水甲天下”的美誉,漓江则是其美的灵魂。然而,近年来随着人口数量激增,工农业迅速发展,旅游业的开发力度的加强,漓江流域出现了一系列严重的生态环境问题,主要表现在季节性洪涝灾害频繁出现、河水自净能力下降、水资源污染严重、河岸植被退化、河床裸露、湿地萎缩等[24],因此急需对其河岸生态系统进行恢复和重建。本文以漓江河岸带为研究对象,通过对土壤主要养分因子、微生物数量及微生物量进行分析,揭示河岸带不同水文环境微生物数量及微生物量的变化规律以及它们与土壤养分因子的耦合关系,以期为研究和改善河岸带土壤质量现状提供理论依据,同时也对退化河岸生态系统恢复和重建工作有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 样地概况

漓江流域位于广西壮族自治区的东北部(110°18′—110°18′E、25°59′—23°23′N),属珠江流域,流域长度为214 km,面积为12285 km2[25]。漓江流域地处亚热带季风湿润气候区,年平均温度为17.8—19.1℃,年均降雨量为1814—1941 mm,年均蒸发量为1377—1857 mm,雨热同期,年径流量十分丰富,但极不均匀,3到8月份为洪水季节,径流量占全年的80%[26]。漓江流域属喀斯特地貌,大量碳酸盐岩出露,其中桂林到阳朔河段为最典型的岩溶发育区,河道分布沙石。土壤类型为山地红壤且砾石含量很高,砂粒、粉粒和黏粒含量分别为73.41%—86.65%、6.17%—13.98%、5.40%—11.00%。乔木主要有枫杨(Pterocaryatonkinensis)、阴香(Cinnamomumburmannii)、马尾松(pinusmassoniana)、毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.Gracilis)等。灌木主要有水杨梅(Geumaleppicum)、黄荆(Vitexnegundo)等。草本主要有狗牙根(Cynodondactylon)、水蓼(Polygonumhydropiper)、葎草(Humulusscandens)等[18]。

1.2 试验设计和采样

选取漓江桂林到阳朔段的左侧河岸带为研究区域,分别设置10个人类干扰较少河岸带样地。每个样地根据水淹时间、相对高程(相对于水平面)和植被类型[18]划分为砾石滩、草地、灌草地和疏林地4种水文环境梯度,并进行土壤样品的采集。其中砾石滩年均水淹时间大于7个月,相对高程小于0.6 m,几乎无植被覆盖；疏林地年均淹没时间小于2个月,相对高程大于2 m,植被类型为林地。样地基本特征见表1。

表1 样地基本特征

SD：水淹时间,Submersion duration；RE：相对高程Relative elevation

于2014年9月(避开雨季)每种水文环境梯度各选择3块10 m×10 m地块采集土样,每个地块沿“S”形采集5—8处的土壤并混合为一个土样,采土深度为0—15 cm,共取土壤样品120个。土壤放置于便携式冰箱内并运送到实验室。在实验室内,对每个土样进行过筛(2 mm)并混匀,去除可见根系和石头等。再采用四分法将每个土样分为两份,一份室内风干后用于分析土壤理化指标,一份保存在4℃冰箱内用于土壤微生物数量和微生物量的测定。

1.3 数据测定及分析

土壤养分的测定[27]：土壤含水量的测定采用烘干法(105℃),土壤pH值采用电位法,有机质(SOM,g/kg)采用重铬酸钾氧化法,全氮(TN,g/kg)采用凯氏定氮法,全磷(TP,g/kg)采用钼锑抗比色法,全钾(TK,g/kg)采用火焰光度计法,有效氮(AN,mg/kg)采用碱解扩散法,有效磷(AP,mg/kg)采用碳酸氢钠浸提后钼锑抗比色法,速效钾(AK,mg/kg)采用醋酸铵提取和火焰光度法测定。每个土样测3次。

土壤微生物三大类群(细菌、放线菌和真菌)数量的测定均采用稀释平板计数法[28]。所用培养基为：细菌为牛肉膏蛋白胨培养基,放线菌为改良高氏1号(苯酚500 mg/L)培养基,真菌为孟加拉红-链霉素(链霉素30 mg/L)培养基。结果计算方法：每克干土所含的微生物菌落数(cfu/g)=同一稀释度N次重复的菌落平均数×稀释倍数。

土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)和土壤微生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸浸提法测定[29],熏蒸后提取液分别由日本岛津TOC- 5000A有机碳分析仪、美国哈希QC8500型流动注射(FIA)分析仪和美国Thermo Fisher Evolution 300紫外-可见分光光度计测定。

1.4 统计分析

使用Microsoft Office Excel 2007软件进行数据基本处理,使用SPSS 16.0对数据进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和Pearson相关分析,使用R语言[30]对土壤微生物指标和土壤养分指标进行冗余分析Redundancy Analysis(RDA)。

2 结果与分析

2.1 不同水文环境土壤养分的变化

漓江河岸带不同水文环境土壤理化性质如表2所示,随着水淹时间的减少,土壤含水量、pH值、有效氮、有效磷和速效钾均呈先增后减的趋势,土壤含水量、有效氮、有效磷和速效钾含量在灌草地最高,分别为24.01%、109.56 mg/kg、11.84 mg/kg、71.77 mg/kg,在砾石滩最低,分别为13.52%、41.72 mg/kg、6.01 mg/kg和30.78 mg/kg；土壤pH值在草地最高,为7.71,疏林地最低,为6.99；有机质呈增加趋势,在疏林地最高,为32.68 g/kg,砾石滩最低为23.72 g/kg。全氮在草地最高,为1.40 g/kg,在砾石滩最低,为0.93 g/kg。不同水文环境梯度之间的土壤全磷含量无显著差异。总体上看,土壤养分含量最大值多出现在灌草地和草地,养分最小值多出现在砾石滩和疏林地。

表2 不同水文环境梯度土壤养分的方差分析

SWC：土壤含水量,Soil water content；SOM：有机质,Soil organic matter；TN：全氮,Total nitrogen； TP：全磷,Total phosphorus； TK：全钾,Total potassium； AN：有效氮,Available nitrogen； AP：有效磷,Available phosphorus； AK：有效钾,Available potassium；表中4种水文环境梯度的土壤数据为10个样地的均值和标准差,不同小写字母表示不同水文环境梯度差异显著(P<0.05)

2.2 不同水文环境土壤微生物数量的变化

对漓江河岸带土壤三大类群微生物数量进行了测定,种群数量特征见图1。在漓江河岸带土壤中,细菌数量占绝对优势,占微生物总数的79.75%—86.35%；其次是放线菌,占10.31%—13.40%；真菌最少,仅占3.34%—7.82%。不同水文环境下土壤微生物种群数量及组成不同。随着水淹时间的减少,微生物总数、细菌和放线菌数量的变化趋势相同,均为先增后减趋势。灌草地微生物总数、细菌和放线菌数量最多,分别为48.57×106、40.30×106和6.02×106cfu/g；而砾石滩最少,分别为21.98×106、18.29×106和2.94×106cfu/g。真菌数量随水淹时间的减少为上升趋势,疏林地最多,为2.84×106cfu/g,砾石滩最少,仅为0.74×106cfu/g。可见微生物总数、细菌和放线菌数量最大值出现在灌草地,最小值出现在砾石滩,而真菌数量最大值出现在疏林地和灌草地,最小值出现在砾石滩。

图1 不同水文环境梯度土壤微生物数量的方差分析Fig.1 Variance analysis of soil microbial number from different hydrologic gradients图中4种水文环境梯度的土壤数据为10个样地的均值和标准差,不同小写字母表示不同水文环境梯度差异显著(P<0.05)

2.3 不同水文环境土壤微生物量的变化

漓江河岸带不同水文环境下土壤微生物量不同。由图2可以看出,随着水淹时间的减少,MBC、MBN和MBP的变化趋势均为先升高后降低,MBC和MBN在灌草地最高,分别为81.92 mg/kg和59.51 mg/kg,在砾石滩最低,分别为22.19 mg/kg和18.71 mg/kg,而MBP在草地最高为12.00 mg/kg,在砾石滩最低为3.40 mg/kg。以上结果得出：漓江河岸带土壤微生物量各个指标(MBC、MBN和MBP)最大值多出现在灌草地,最小值多出现在砾石滩。

图2 不同水文环境梯度土壤微生物量的方差分析Fig.2 Variance analysis of soil microbial biomass from different hydrologic gradientsMBC：微生物量碳,Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮,Microbial biomass nitrogen；MBP：微生物量磷,Microbial biomass phosphorus

2.4 土壤微生物及其与土壤养分之间的相关分析

漓江河岸带土壤微生物与土壤养分的相关性分析结果如表3所示。土壤细菌、真菌数量与土壤有机质、有效氮、有效磷和速效钾均呈极显著正相关,而放线菌与有机质、全氮和全磷呈显著负相关,与全钾和有效磷为极显著正相关。土壤MBC、MBN和MBP与土壤含水量、pH值、有效氮、有效磷和速效钾均为极显著正相关关系。相对而言,漓江河岸带各微生物指标与土壤有效氮、有效磷及速效钾相关性较强,与土壤全氮、全磷和全钾的相关性较弱。

表4土壤微生物特征指标之间的相关性分析表明,细菌和放线菌呈极显著负相关,和真菌呈极显著正相关；放线菌和真菌为极显著正相关。细菌、放线菌和真菌均和微生物量呈极显著正相关。MBC、MBN和MBP两两之间均为极显著正相关,且MBC和MBN相关系数最大,为0.916。可见,本研究区域不同土壤微生物数量和微生物量等微生物学指标相互之间关系密切,且与土壤有效养分因子相关性显著。说明漓江河岸带土壤微生物数量及其微生物量与土壤有效养分含量关系密切,它们之间具有协同效应,可作为评价土壤养分有效性的指标。

表3 土壤微生物与土壤养分间的相关分析

MBC：微生物量碳,Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮,Microbial biomass nitrogen；MBP：微生物量磷,Microbial biomass phosphorus；下同。数据为Pearson相关系数,* 表示在P<0.05 水平(双侧)上显著相关,** 表示在P<0.01水平(双侧)上极显著相关

表4 土壤微生物之间的相关分析

2.5 土壤微生物与土壤养分之间的冗余分析

漓江河岸带土壤微生物与土壤养分之间的冗余分析(RDA)结果如图3所示。做“向前选择”检验,剔除掉无关的土壤养分指标得出：有效氮、pH、全氮、含水量、有机质、全磷和有效磷对土壤微生物有显著影响。这些土壤养分变量可解释微生物变异的31.2%,其中RDA1轴占可解释部分的61.4%,RDA2轴占19.8%。RDA1轴(大部分被有效氮、有效磷和含水量所解释)与微生物总量、细菌数量、MBC、MBN和MBP有极显著相关性,而RDA2轴(大部分被有机质和全氮所解释)与放线菌数量有极显著相关性。因此可得出,土壤有效氮、有效磷和含水量是影响微生物总数、细菌数量、MBC、MBN和MBP的重要因素,而有机质和全氮是影响放线菌数量的重要因素。

图3 土壤微生物与土壤养分之间的冗余分析 Fig.3 Redundancy analysis among soil microorganisms and soil nutrientsSWC：土壤含水量,Soil water content；SOM：有机质,Soil organic matter；TN：全氮,Total nitrogen； TP：全磷,Total phosphorus； AN：有效氮,Available nitrogen； AP：有效磷,Available phosphorus；Total：微生物总数；Bacteria：细菌；Actinomycetes：放线菌；Fungi：真菌

3 讨论

3.1 土壤微生物数量及其生物量变化特征

漓江河岸带土壤三大微生物类群数量中细菌数量最多,放线菌次之,真菌最少,与大多数土壤中三大类群微生物数量分布情况相同。细菌、真菌和放线菌在土壤动植物残体分解过程中起到不同的作用,同时,对环境的偏好也有所不同,例如,细菌和放线菌喜中性和微碱性的土壤环境,而真菌适合生长在酸性条件下的土壤[31]。漓江河岸带地处喀斯特地貌,土壤中性偏碱(pH值为6.99—7.71),所以细菌和放线菌数量最多,尤其是细菌数量远远大于其他几种微生物数量,说明细菌的生存繁殖力、竞争力、抗干扰力以及分解养分的能力要强于其他类群。放线菌和真菌的数量不及细菌,但其绝对数量也较多,反应其对于河岸带土壤的物质养分循环和系统稳定性也具有一定的作用。本研究发现漓江河岸带微生物数量(细菌：18.29×106—40.30×106,放线菌：2.94×106—6.02×106,真菌：7.4×105—28.4×105cfu/g)与其他喀斯特或非喀斯特区域微生物数量范围相比并无明显差异,例如会仙喀斯特溶洞湿地系统内土壤细菌、放线菌和真菌数量分别为6.1×106—43.60×106、1.44×106—2.65×106、2.92×104—6.52×104cfu/g[32],岩质海岸防护林细菌、放线菌和真菌数量分别为6.98×106—52.89×106、0.59×106—6.27×106、2.11×105—20.23×105cfu/g[33]。

一般情况下,微生物量碳(MBC)占土壤有机碳的1%—4%[34],而微生物量氮(MBN)占土壤全氮的2%—6%[35]甚至更高[36]。但也有学者认为土壤中的微生物量碳、氮含量变化范围很大,极高或极低的生物量值均有可能存在,并不是土壤固定的特征[37]。本研究结果发现漓江河岸带土壤MBC含量很低,均值为54.44 mg/kg,其结果要远远低于其他喀斯特峰丛洼地土壤[38- 39],其MBC含量均值分别为403.48 mg/kg、766.65 mg/kg。分析认为存在这种巨大差距的原因在于,刘艳等和徐广平等研究的峰丛洼地土壤黏粒含量及有机质均高于漓江河岸带土壤。其土壤黏粒含量均值都在45%左右,而漓江河岸带土壤黏粒含量均值仅为8.70%。一些研究结果显示,土壤质地中较细的颗粒相较于粗颗粒能保存更多的有机物[40- 42]。细粒级土壤中的微生物量碳、氮的比例也要高于粗质地土壤[37, 43]。漓江水流湍急,水位上升迅速,对河岸产生了强烈而频繁的冲刷造成了河岸土壤砾石含量很高而无法保存更多的有机物质,再加上该区域植被分布较少,凋落物、根系以及土壤腐殖质等也较为缺乏,土壤肥力相对贫瘠,这些因素都是导致土壤微生物量碳含量偏低的原因。

漓江河岸带土壤微生物总数、细菌和放线菌数量以及微生物量(MBC、MBN和MBP)随着水淹时间的减少呈先增后减趋势,在灌草地最高,其次是草地,再次为疏林地,砾石滩最低。不同水文环境梯度土壤结构、养分含量及通气透水性不同,因而影响到土壤微生物数量及活性。灌草地和草地植被多样且生物量较大,凋落物非常丰富使其土壤养分含量较高,再加上河水影响(洪水冲刷、淹没和沉积)带来的死亡动植物残体滞留,待它们腐败之后也会进一步增加该区域的土壤养分,较高的土壤养分含量有利于土壤微生物生存及数量和活性的提高；另外,灌草地和草地水淹时间相对适中,土壤的通气透水性较好,也有利于微生物生存及活动。Bertrand 等[44]的中度干扰假说也认为中等程度的干扰能维持高水平的生物多样性。砾石滩几乎无植被分布,水淹时间最长,相对高程最低,因此,受到河水影响的频率和强度也最大,土壤侵蚀严重且部分土壤养分被河水冲走,贫瘠的土壤和厌氧环境不易微生物生存和繁殖,所以微生物数量及活性最低；疏林地靠近陆地,虽然植被丰富,但是水淹时间最短且相对高程最高,河水对其影响强度最小,土壤养分来源绝大部分依靠植物凋落物而无河水的输入,因此土壤微生物数量及活性略低于灌草地和草地。

3.2 土壤微生物与土壤养分之间的关系

土壤有机质、氮、磷等是微生物生存活动的限制性养分元素,微生物的一切生命活动都需要土壤养分的支持,而土壤微生物活动对土壤结构的形成和养分元素的转化有密切的关系,因此土壤养分与微生物数量关系十分密切,土壤养分含量可直接影响土壤微生物数量及其活性[45- 46]。土壤有机质、全氮和有效氮的提高会促进微生物量碳氮的积累[47- 48],土壤微生物量与土壤可利用氮之间有极显著正相关关系[49]。本研究发现漓江河岸带随着水淹时间的减少土壤细菌、放线菌和微生物量(MBC、MBN、MBP)与土壤有效养分(AN、AP、AK)变化规律相同,均呈现先增后减的趋势；相关性分析得出微生物数量及微生物量和土壤全效养分含量(TN、TP、TK)的关系不密切,但却和土壤有效养分(AN、AP 、AK)的相关性较大,与卢成阳等(2013)研究结果一致[50],表明土壤微生物数量可指示土壤有效养分含量水平,微生物生物量也可作为判断土壤有效养分含量高低的敏感指标,是土壤有效养分的源和库。土壤微生物与土壤养分之间的冗余分析也表明,土壤有效氮、有效磷和含水量是影响微生物总数、细菌数量、MBC、MBN和MBP的重要因素,而有机质和全氮是影响放线菌数量的重要因素。由此可见,漓江河岸带土壤有机质和有效养分含量(AN、AP等)与微生物数量及微生物量有紧密联系,土壤微生物的活性有赖于土壤有效养分水平及环境状况,土壤微生物与土壤有效养分之间相互促进,协同发展。因此,漓江河岸生态系统在进行土壤或植被恢复过程中应充分考虑土壤养分与微生物的变化特征及耦合关系,采取措施控制土壤有机质、有效氮和有效磷含量,改善土壤养分有效性及微生物特性,使得河岸带生态系统朝更健康、更高级的方向发展。