退化草地土壤微生物与土壤理化因子的相关性分析

徐春光 乌仁其其格 柴会祥

(1.呼伦贝尔学院生命科学学院 内蒙古 海拉尔 021008 2.呼伦贝尔学院农林学院 内蒙古 海拉尔 021008)

引言

过度放牧、不合理的开垦和挖掘、重度刈割、掠夺性经营、旅游发展、全球气候变化、鼠虫害严重等人为活动及不利自然因素导致草地生态系统退化[1][2]。其中，引起草原生态系统退化的首要因素是过度放牧[3][4]。放牧是人类对草地的主要干扰方式之一[5]，由于草地类型、放牧年限、放牧压力的不同，不同研究区域中草地土壤微生物量的变化对放牧的响应也不同。一般来说，适度放牧使土壤微生物量增加，而过度放牧则会降低草地土壤微生物量。土壤微生物是草原土壤生态系统不可缺少的重要环节，对环境变化敏感，且与生态系统进化具有协同性，是反映生态系统功能变化和土壤质量的敏感指标之一[6][7]。土壤微生物特性与土壤质量的关系密切，土壤微生物量与其功能的发挥受到温度、PH值、含水率、有机质含量等 多种土壤理化性质的影响[8]。为了揭示过度放牧、重度刈割等不合理利用如何通过改变土壤质量而直接或间接影响土壤微生物量，本研究采用野外生态学调查方法，探讨土壤微生物量对草原土壤退化程度的响应，分析退化草地土壤微生物数量与土壤理化因子之间的关系，以期为草原的合理利用和退化草地的生态修复提供理论依据。

1 试验区概况

本试验区位于呼伦贝尔市谢尔塔拉草原，地理位置为E120°2′061″～E120°2′14″，N 49°23′14″～N 49°23′65″，海拔高度为629m～635 m，属中温带半干旱大陆性气候。年均气温为-2.4℃，最高气温36.17℃、最低气温可达- 48.50℃；≥10℃年积温1580℃～1800℃，无霜期为110d；年均降水量为350 mm，分布不平衡，多集中在7至9月，雨热同季。本试验区样地为羊草+杂类草群落，土壤为暗栗钙土。

2 材料与方法

2.1 样地设置与样品采集

依据中国北方草地退化分级及其划分标准[9]，将居民点和轻度退化区设置为样带两端，选择两条样带，分别设置轻度、中度和重度三个退化梯度。草原植物群落生物量达到高峰期时(8月中旬)，在轻度、中度和重度退化程度草地随机选取5个面积为1m×1m的样方，采集0cm～10cm、10cm～20cm、20cm～30cm、30cm～40cm共4个垂直深度土层中土壤样品三份，重复三次。第一份土壤样品用铝盒盛装带回实验室，测定土壤含水量和容重；第二份土壤样品装入布袋，样品风干后用于土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾、速效磷、PH、土壤机械组成的测定；第三份土壤样品用自封袋带回实验室，测定土壤微生物数量。

2.2 测定指标与方法

2.2.1 土壤微生物数量的测定：可培养好气性细菌、放线菌和真菌的数量，采用传统的涂布平板计数法测定。选用的培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、淀粉铵盐培养基、孟加拉红培养基。将配制的土壤稀释悬液分别接种于上述培养基表面，用无菌刮铲涂抹均匀。细菌置37℃恒温培养1d～2d、放线菌置28℃恒温培养5d～7d、真菌置28℃恒温培养3d～5d。对细菌、放线菌和真菌菌落进行计数，代入平板菌落计数公式进行计算，平板菌落计算公式：土壤微生物数量(CFU·g-1干土) = (菌落平均数×稀释倍数)/干土质量[10]，式中CFU为菌落形成单位。

2.2.2土壤理化因子的测定：新鲜的土壤样品先称湿重，再于105℃下持续加热24h，称干重，计算土壤含水量和容重。分别采用重铬酸钾容量法[11]、半微量凯氏定氮法[12]、蒸馏法[13]、钼锑抗比色法、NH4OAc 浸提—火焰光度法和电位法测定风干土壤样品中有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾和PH值。土壤机械组成(1mm～2mm粗粒占总土壤比率)用简易比重计法测定。

2.2.3数据分析：用简单相关分析、主成分分析和典型相关分析方法分析轻度、中度和重度退化程度下羊草草原土壤微生物数量与土壤理化因子的相关关系。基础微生物数量特征采用Excel2010，方差分析和简单相关分析采用SPSS16.0软件。土壤理化因子主成分分析、土壤微生物数量与土壤理化因子的典型相关分析用SAS9.0软件。

3 结果与分析

3.1 退化草地土壤微生物数量特性

3个退化梯度下羊草+杂类草群落不同土层中土壤细菌、放线菌、真菌数量及微生物总数见表1。由表1可见，细菌数在0cm～30cm土层中轻度退化区显著(P<0.05)高于中度和重度退化区，30cm～40cm土层中中度退化区显著(P<0.05)高于轻度和重度退化区。放线菌数在所有土壤深度土层中均表现为随着退化程度的加剧逐渐减少的规律。真菌数在0cm～30cm土层中重度退化区显著(P<0.05)高于轻度和中度退化区，30cm～40cm土层中轻度退化区显著(P<0.05)高于中度和重度退化区。土壤真菌在土壤生态系统的物质循环中发挥重要作用，是衡量土壤肥力的重要指标。有学者认为特殊的温湿度条件、土壤盐渍化、酸化和连作年限的延长使土壤从细菌型向真菌型转化，导致土壤肥力下降[14]。0cm～30cm土层，土壤微生物的区系组成随退化程度的加剧发生显著变化，优势种群细菌和放线菌被真菌替代；而30cm～40cm土层，区系组成未发生显著变化，优势种群仍是细菌和放线菌。在重度退化草地，超载放牧使得大量家畜粪尿回归表层及浅层土壤(0cm～30cm土层)，会在短时期内补充土壤有机质、全氮、速效氮等营养物质，以及未被消化分解的纤维素类物质，这为真菌提供了生长的良好营养条件和生长的基质。可见，放牧家畜主要影响0cm～30cm土层土壤质量，使土壤从细菌型向真菌型转化，导致地力衰竭；而对30cm以下深度土层影响不大，未使土壤微生物的区系组成有实质性改变，土壤仍然属于细菌型。

0cm～20cm土层中，微生物总数的变化趋势为：重度退化>轻度退化>中度退化，与大多数的报道不一致；而在20cm～40cm土层中微生物数量的变化趋势为：轻度退化>中度退化>重度退化，与大多数的报道一致[15][16]。放牧家畜通过放牧践踏、采食和排泄等途径的综合作用缓慢改变土壤质量，影响土壤微生物生存环境，最终影响土壤微生物的生命活动。本研究中，在土壤表层及浅层(0cm～20cm)影响重度退化程度下微生物数量的主要因素是土壤有机质、全氮、速效钾、速效磷等土壤营养物质的含量。由于大量粪尿的返还，短期的放牧行为不仅没有降低草地土壤有机质、全氮、速效钾、速效磷等土壤营养物质的含量，可能还会有短时期的增加。可见，排泄有可能是影响重度退化草地表层及浅层土壤质量的主要途径。在土壤深层(20cm～40cm)，土壤有机质、全氮、速效钾、速效磷等土壤营养物质主要来源于植物凋落物和植物根系的分泌物。随着土壤退化程度加剧，草地植被变少，植物根系大量死亡，又由于家畜采食和践踏使得回归土壤中的有机质、全氮、速效钾、速效磷等土壤营养物质逐渐减少，土壤通气透水性下降，微生物数量随之降低。可见，放牧会通过改变土壤理化性质，进而直接或间接影响土壤微生物生长与繁殖。

表1 不同退化程度羊草草原土壤微生物数量(cfu·g-1干土) Tab. 1 The quantity of soil microbial in different degradation degrees of Leymus chinensis steppe (cfu·g-1 dry soil)

注：同列不同小写字母表示不同退化程度下不同土层中微生物数量在P<0.05水平上差异显著。

3.2简单相关性分析

由表2可知，各土壤理化因子与不退化程度下土壤各微生物类群数量之间的相关程度不同。在轻度退化程度下有机质含量、全氮、速效氮、速效钾、速效磷与细菌、真菌的数量呈正相关；机械组成与细菌、真菌的数量呈负相关；只有速效钾与放线菌数量呈负相关。在中度退化程度下除了PH值外的其他土壤理化因子均与放线菌数量呈正相关；只有机械组成和PH值分别与细菌和真菌数量呈相关关系。在重度退化程度下有机质含量、全氮、速效氮、速效钾、速效磷与各微生物类群数量之间均呈正相关；机械组成与细菌、真菌的数量呈负相关。

表2 土壤微生物数量与土壤理化因子的简单相关性Tab. 2 Simple correlation between soil microbial quantity and soil physicochemical factors

注： *表示在P<0.05水平上差异显著，**表示在P<0.01水平上差异显著

3.3典型相关性分析

3.3.1土壤理化因子的主成分分析：各土壤因子之间具有高度相关性，为排除共线问题，所以对土壤理化因子进行主成分分析，结果见表3-表5。轻度、中度退化程度下前两维主成分就可以代表土壤因子0.8968、0.9253的信息，重度退化程度下前三维主成分就可以代表土壤因子0.9186的信息，均达到85%以上，完全可以用轻度、中度退化程度下前两维，重度退化程度下前三维来代表土壤因子，进行下一步分析。由特征向量可以看出轻度退化程度下，第一主成分主要由有机质含量、土壤全氮、速效氮、速效钾、速效磷、机械组成决定；第二主成分由含水量、容重决定。中度退化程度下，第一主成分主要由有机质含量、土壤全氮、速效氮、速效钾、速效磷决定；第二主成分主要由有PH、含水量决定。重度退化程度下，第一主成分主要由有机质含量、土壤全氮、速效氮、速效磷决定；第二主成分主要由PH、含水量决定；第三主成分主要由容重决定。

表4 中度退化程度下土壤理化因子主成分分析Tab.4 Principal component analysis of soil physicochemical factors under degree of moderate degradation

表5 重度退化程度下土壤理化因子主成分分析Tab. 5 Principal component analysis of soil physicochemical factors under severe degradation

3.3.2典型相关分析：将土壤微生物数量与土壤理化因子的主成分做典型相关性分析，结果见表6。由表6可见，在轻度退化程度下，第一对典型变量的累计贡献率达到0.9503，能反映出大部分信息；在中度退化程度下，第一对典型变量的累计贡献率达到0.8882，能反映出大部分信息；在重度退化程度下第一对典型变量的累计贡献率达到0.9773，能反映出大部分信息。由此建立两两之间的典型变量的构成(表7)。在轻度退化程度下，第二对典型变量、重度退化程度下，第三对典型变量的影响较小。因此，只取第一对典型变量进行分析。在中度退化程度下对第一、第二典型变量进行分析。

在轻度退化程度下，土壤微生物的数量与土壤理化因子的第一对典型相关系数为0.9147，达到了显著水平，表明土壤理化因子的第一典型变量对土壤微生物的第一典型变量影响较大。由表7可知，细菌与有机质含量、全氮、速效氮、速效钾、速效磷、机械组成相互影响较大。在中度退化程度下，土壤微生物数量与土壤理化因子的第一、二对典型变量相关系数为0.9581、0.7646，达到了极显著水平、显著水平，表明土壤理化因子的第一、二典型变量对土壤微生物数量第一、二典型变量影响较大。由表7可知，放线菌与有机质含量、土壤全氮、速效氮、速效钾、速效磷影响显著，真菌与PH、含水量相互影响较大。在重度退化程度下土壤微生物数量与土壤理化因子的第一对典型变量相关系数为0.9863，达到了极显著水平，表明土壤理化因子的第一典型变量对土壤微生物数量的第一典型变量影响显著。由表7可知，放线菌和真菌与有机质含量、土壤全氮、速效氮、速效磷、容重相互影响显著。

结合简单相关性分析的结果可知，土壤微生物的数量与土壤理化因子有密切关系，在不同退化程度下，影响草地各类群微生物的数量的主导因素是不同的。在轻度退化程度下，细菌是土壤微生物区系中的优势种群，与有机质含量、全氮、速效氮、速效钾、速效磷、机械组成呈显著相关，这些土壤理化因子是影响细菌数量的主导因素。在中度退化程度下，0cm～10cm土层，放线菌是土壤微生物区系中的优势种群，有机质含量、全氮、速效氮、速效钾、速效磷是影响放线菌数量的主导因素。在重度退化程度下0cm～30cm土层，真菌是优势种群，影响真菌数量的主导因素为有机质含量、全氮、速效氮、速效磷。由此可见，在影响土壤微生物数量的各土壤理化特性中，有机质含量、全氮、速效氮、速效磷与三个不同退化程度下的土壤微生物区系中的优势种群数量均有密切关系。

表6 土壤微生物数量与土壤理化因子主成分典型相关性Tab. 6 Typical correlation between soil microbial quantity and main components of soil physicochemical factors

表7 土壤微生物数量与土壤理化因子的典型变量构成Tab. 7 Typical variables of soil microbial quantity and soil physicochemical factors

注：V1、W1：第一对综合变量， V2、W2：第二对综合变量， Y1：细菌， Y2：放线菌， Y3：真菌， X1：第一主成分，X2：第二主成分， X3：第三主成分。

4 结论

4.1 不同土壤微生物类群对草原退化程度的响应不同。随着退化程度的加剧，0cm～40cm土层中细菌和放线菌数量总体呈现降低的趋势，而真菌的数量呈现增加的趋势；不同深度土层中的微生物总数对草原退化程度的响应不同，浅表层(0cm～20cm)土层中微生物总数的变化趋势为：重度退化>轻度退化>中度退化，相对深层(20cm～40cm)土层中微生物总数却随着退化程度的加剧而减少。

4.2 土壤微生物的数量与土壤理化因子有密切关系。不同退化程度下土壤各微生物类群数量与土壤理化因子之间的相关程度不同。但是，影响土壤微生物区系中的优势种群数量的主导因素是相同的，均为土壤有机质、全氮、速效氮和速效磷。可见，过度放牧、重度刈割等不合理的利用主要是通过改变土壤有机质、全氮、速效氮和速效磷的含量而间接影响微生物数量和区系组成。