卞瑩瑩, 張志敏, 付 鎮(zhèn), 劉文娟
(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)
荒漠草原是寧夏面積最大的天然草地類型,占寧夏草原面積的55%[1]。寧夏實(shí)施退耕還(林)草、草地圍封禁牧和休牧將近20年,為了恢復(fù)天然植被,在退化草地上采取草地圍封和補(bǔ)播、灌叢引入等措施[2],逐漸形成了以天然草地、天然檸條(CaraganaIntermedia)林地、人工檸條林地為主的植被恢復(fù)土地利用類型。為了有效防止人工檸條林木質(zhì)化,在該區(qū)域也形成了大面積的平茬人工檸條林地[3]。微生物是連接植物與土壤環(huán)境之間的紐帶,其菌落組成和結(jié)構(gòu)受植物和土壤因子的直接影響[4-8]。高肥力土壤具有良好的理化性狀,土壤中細(xì)菌、放線菌、微生物量碳、微生物量氮以及土壤酶活性數(shù)量均較高,而真菌數(shù)量較低,低肥力土壤則相反[9]。當(dāng)土地利用方式發(fā)生改變時(shí),土壤微生物數(shù)量及活性也相應(yīng)的發(fā)生變化。檸條灌叢的形成過(guò)程使水分和養(yǎng)分較多地聚集在灌叢內(nèi)形成“沃島”[10],加劇了由于土壤有機(jī)碳含量增加和氮素有效性增強(qiáng)而導(dǎo)致的土壤資源空間異質(zhì)性和斑塊化[11-15]。與自然恢復(fù)植物群落相比,人工檸條林地有較豐富的植物群落層次,蓋度大,多樣性和豐富度高,可以形成良好的草本植被,且在短時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到良好的水土保持效果[16]。
寧夏荒漠草原區(qū)不同植被恢復(fù)模式下土壤微生物的研究目前主要集中在土壤基礎(chǔ)呼吸量對(duì)土壤的生物活性和物質(zhì)代謝強(qiáng)度的影響[2]、檸條根際土壤微生物多樣性[4,17]、不同密度人工檸條林對(duì)土壤微生物的影響[18]、不同植物菌落微斑塊內(nèi)土壤微生物區(qū)系特征[19]等,鮮有針對(duì)荒漠草原區(qū)不同植被恢復(fù)模式下土壤微生物菌落分布特征及其與土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性的研究。
本文以寧夏荒漠草原區(qū)立地條件基本相似的人工檸條林地、平茬人工檸條林地、天然檸條林地為研究對(duì)象,以天然草地為對(duì)照,采用平板劃線法對(duì)不同植被恢復(fù)模式下土壤微生物菌落數(shù)量特征進(jìn)行分析,探究其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性,對(duì)比不同植被恢復(fù)方式下土壤肥力的好壞。目的是從微生物菌落變化的角度出發(fā),探究荒漠草原區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤肥力的影響,篩選出最適合荒漠草原區(qū)的植被恢復(fù)方式,為退化草地的恢復(fù)管理提供理論參考。
研究區(qū)寧夏回族自治區(qū)鹽池縣花馬池鎮(zhèn)四墩子行政村(37°04′~ 38°10′ N,106°30′~ 107°47′ E)位于鹽池縣中部城鄉(xiāng)過(guò)渡帶,海拔1 380~1 600 m,年均氣溫(7.7±1.3)℃,10℃以上年積溫(2 947.1±2.8)℃,無(wú)霜期(152±10) d,年均降水量(289.4±16.4) mm,主要集中在7—9月,年均蒸發(fā)量(2 131.8±10.4) mm,是典型的大陸性氣候。區(qū)域內(nèi)主要以灰鈣土和風(fēng)沙土為主,土壤礦化程度較高,以堿性土壤為主,部分區(qū)域土壤pH值超過(guò)9.0。該區(qū)域主要為荒漠草原,植被類型以草本和小灌木為主,植物菌落結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,主要植物有冰草(Agropyroncristatum)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、錦雞兒屬(Caragana)植物等。
在研究區(qū)圍封的草原內(nèi)選擇立地條件基本相似且相鄰的,林齡為6 a、帶間距為6 m的平茬人工檸條林地(樣地代號(hào)PACI,2011年種植,2014年平茬)、人工檸條林地(樣地代號(hào)ACI,2011年種植)、天然草地(樣地代號(hào)NG)及天然檸條林地(樣地代號(hào)NCI)設(shè)置樣地,各類樣地分別設(shè)置樣地3塊,樣地面積為150 m×150 m。
樣地基本特征見(jiàn)表1,各樣地內(nèi)植被株高差異顯著(P<0.01),植被蓋度、土壤容重、土壤粘粒含量、pH值均無(wú)顯著差異。林下主要草本種類為針茅(Stipacapillata)、大戟(Euphorbiapekinensis)、米口袋(Gueldenstaedtiaverna)、糙葉黃耆(Astragalusscaberrimus)、長(zhǎng)芒草(Stipa.bungeana)。
表1 樣地基本信息
1.3.1樣品采集 2020年9月在天然草地樣地中,用土鉆法按“S”形分別在0~5 cm,5~10 cm,10~20 cm和20~40 cm土層取土,各層3次重復(fù),同層土樣均勻混合,共取土樣12個(gè)。將平茬檸條林樣地、未平茬檸條林樣地和天然檸條林樣地按30 m×30 m劃分成網(wǎng)格,在每一網(wǎng)格內(nèi)選取檸條灌叢1叢,每個(gè)樣地選擇檸條灌叢25叢,共75叢;以灌叢根頸為中心,在20 cm半徑范圍內(nèi)用土鉆法按東、南、西、北4個(gè)方向分別在0~5,5~10,10~20和20~40 cm土層取土,各層3次重復(fù),同層土樣均勻混合,共取土樣300個(gè)。將土樣置于塑封袋密封后迅速稱重,放置于冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室,去除其中可見(jiàn)的植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物后過(guò)100目篩,一部分放置于冰箱內(nèi)—20℃冷凍保存,用于測(cè)定土壤微生物量碳氮、可溶性氮組分、微生物菌落數(shù)量等;另一部分在樣品盤上鋪開(kāi)自然風(fēng)干,用于測(cè)定土壤pH、全氮、有機(jī)質(zhì)等理化指標(biāo)。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自安裝在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的小型自動(dòng)氣象站。
1.3.2相關(guān)指標(biāo)測(cè)定方法 土壤質(zhì)量含水率(Moisture content,MC)測(cè)定采用烘干法[20]。蒸餾水(土水比1∶2.5,W/V)浸提15 min,用Mettler-To ledo 320 pH計(jì)測(cè)定土壤pH值。重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳(Organic carbon,OC)含量[20]。元素分析儀(Vario-MAX C/N)測(cè)定土壤全氮(Total nitrogen,TN)含量。氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[21-22]測(cè)定土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和土壤微生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)。K2SO4浸提,凱氏定氮儀測(cè)定可溶性全氮(Soluble total nitrogen,STN)含量;KCl浸提,流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤銨態(tài)氮(Ammonium nitrogen,AN)、硝態(tài)氮(Nitrate nitrogen,NN)含量。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次,結(jié)果取平均值??扇苄杂袡C(jī)氮(Dissolved organic nitrogen,DON)為可溶性全氮減去銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的差。
1.3.3土壤微生物菌落數(shù)量測(cè)定 采用稀釋平板法[23]估算土壤微生物菌落數(shù)量。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,按10倍法依次稀釋土懸液,土壤溶液稀釋到10—5。細(xì)菌、真菌、放線菌菌落培養(yǎng)分別用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、‘高氏1號(hào)’培養(yǎng)基、馬丁氏斯孟加拉紅培養(yǎng)基。土懸液接種采用平板涂布法,接種的培養(yǎng)基在恒溫培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng)3~5 d,各培養(yǎng)基重復(fù)4次。
Microsoft Excel 2007軟件用于數(shù)據(jù)整理、作圖。用SPSS 22.0軟件進(jìn)行不同植被恢復(fù)方式樣地不同土層內(nèi)微生物菌落數(shù)量間方差齊性檢驗(yàn)(Levene’s test)、單因素方差分析(One-way ANOVA)及相關(guān)性分析。
2.1.1不同植被恢復(fù)模式下0~40 cm土層微生物菌落數(shù)量變化特征 如圖1所示,各樣地0~40 cm土層中細(xì)菌、放線菌、真菌菌落數(shù)量差異顯著(P<0.01)。NG樣地土壤中細(xì)菌、真菌菌落數(shù)量最高。ACI樣地中放線菌菌落數(shù)量最高。
圖1 不同植被恢復(fù)模式下0~40 cm土層細(xì)菌、放線菌、真菌菌落數(shù)量
2.1.2不同植被恢復(fù)模式下不同土層細(xì)菌、放線菌、真菌菌落數(shù)量變化特征 各樣地0~5,5~10,10~20,20~40 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量差異顯著(P<0.01)。ACI,NG樣地土壤中細(xì)菌群落數(shù)量隨土層加深呈現(xiàn)波動(dòng)變化。PACI樣地土壤中細(xì)菌菌落數(shù)量隨土層加深先增加后逐漸減少。NCI樣地土壤中細(xì)菌群落數(shù)量隨土層加深而逐漸減少(趨勢(shì)線斜率=-7 144.3)(圖2)。
圖2 不同植被恢復(fù)模式下不同土層細(xì)菌群落數(shù)量變化特征
各樣地0~5,5~10,10~20,20~40 cm土層中放線菌菌落數(shù)量差異顯著(P<0.01)。ACI,NCI,NG樣地土壤中放線菌群落數(shù)量隨土層加深而波動(dòng)變化。PACI樣地土壤中放線菌數(shù)量隨土層加深先增加后減少(趨勢(shì)線斜率=—3083.8)(圖3)。
圖3 不同植被恢復(fù)模式下不同土層放線菌群落數(shù)量變化特征
各樣地0~5,10~20,20~40 cm土層中真菌菌落數(shù)量差異顯著(P<0.01)。ACI,PACI,NCI樣地土壤中真菌群落數(shù)量隨土層加深而波動(dòng)變化。NG樣地土壤中真菌菌落數(shù)量隨土層加深先增加后逐漸減少(圖4)。
圖4 不同植被恢復(fù)模式下不同土層真菌群落數(shù)量變化特征
2.2.1不同植被恢復(fù)模式下0~40 cm土層微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性 ACI樣地0~40 cm土層中菌群數(shù)量與土層中微生物量碳含量顯著正相關(guān)(P<0.01),細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤容重顯著正相關(guān)(P<0.05);放線菌菌落數(shù)量與土層中微生物量碳含量顯著正相關(guān)(P<0.01);真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。PACI樣地0~40 cm土層中菌落數(shù)量與土層中微生物量氮顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)間無(wú)顯著相關(guān)性;放線菌菌落數(shù)量與土層中銨態(tài)氮含量顯著正相關(guān)(P<0.01);真菌菌落數(shù)量與土層中可溶性有機(jī)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。NG樣地0~40 cm土層中菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性,細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);放線菌菌落數(shù)量與土壤質(zhì)量含水率顯著正相關(guān)(P<0.05);真菌菌落數(shù)量與土壤中有機(jī)碳含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。NCI樣地0~40 cm土層中菌落數(shù)量與土壤質(zhì)量含水率顯著正相關(guān),細(xì)菌、放線菌和真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)間無(wú)顯著相關(guān)性(表2)。
表2 不同植被恢復(fù)模式下微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性
2.2.2不同植被恢復(fù)模式下不同土層微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性 如表3所示,ACI樣地0~5 cm土層中,細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤質(zhì)量含水率顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);放線菌菌落數(shù)量與土壤粘粒含量顯著正相關(guān)(P<0.05);真菌菌落數(shù)量與硝態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。5~10 cm土層中,細(xì)菌菌落數(shù)量與微生物量碳含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);放線菌菌落數(shù)量與土壤有機(jī)碳含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);真菌菌落數(shù)量與土壤可溶性有機(jī)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。10~20 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量土壤質(zhì)量含水率顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),放線菌和真菌數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。20~40 cm土層中細(xì)菌、真菌和放線菌群落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。
表3 人工檸條林地不同土層微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性
如表4所示,PACI樣地0~5 cm土層中放線菌菌落數(shù)量與土壤微生物量氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),細(xì)菌和真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。5~10 cm土層中放線菌菌落數(shù)量與土壤質(zhì)量含水率顯著正相關(guān)(P<0.05),真菌菌落數(shù)量與土壤堿解氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。10~20 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量與硝態(tài)氮含量顯著正相關(guān)(P<0.01),放線菌和真菌菌落數(shù)量土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。20~40 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤質(zhì)量含水率顯著正相關(guān)(P<0.05),放線菌和真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。
表4 平茬人工檸條林地不同土層微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性
如表5所示,NG樣地中0~5 cm土層真菌菌落數(shù)量與微生物量碳含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),細(xì)菌和放線菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。5~10 cm土層放線菌菌落數(shù)量與土壤硝態(tài)氮含量顯著正相關(guān)(P<0.05),細(xì)菌和真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。10~20 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);真菌菌落數(shù)量與土壤銨態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),放線菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。20~40 cm土層中,細(xì)菌菌落數(shù)量與硝態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),放線菌和真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。
表5 天然草地不同土層微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性
如表6所示,NCI樣地0~5 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤粘粒含量、微生物量氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),放線菌菌落數(shù)量與土壤質(zhì)量含水率顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。5~10 cm土層細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤可溶性有機(jī)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),放線菌菌落數(shù)量與土壤粘粒含量顯著正相關(guān)(P<0.05),真菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。10~20 cm土層真菌菌落數(shù)量與土壤可溶性有機(jī)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),細(xì)菌和放線菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。20~40 cm土層細(xì)菌、真菌和放線菌菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。
表6 天然檸條林地不同土層微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性
人工植被恢復(fù)過(guò)程對(duì)退化草地植被恢復(fù)有積極的作用[24],人工種植檸條林加速土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)變化[25],對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變產(chǎn)生積極的影響。植被生長(zhǎng)改善了表土層水熱和通氣狀況,為微生物的繁殖和生長(zhǎng)提供有利條件[26],在植被、土壤微生物和植被凋落物輸入的共同作用下,加速土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化分解與固存過(guò)程,在土壤表層產(chǎn)生“聚表效應(yīng)”[27-28]。檸條冠層下的“沃島效應(yīng)”有效增加了人工檸條灌叢下土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量碳氮、可溶性氮組分含量[15,29],進(jìn)而加速氮素循環(huán)[30],提高了土壤中氮素的可利用性[31]。本研究中,4種植被恢復(fù)模式下土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量隨土層加深分別與土壤理化指標(biāo)表現(xiàn)出一定的顯著相關(guān)性,這表明植被恢復(fù)可以通過(guò)改變土壤的理化性質(zhì),進(jìn)而影響土壤中微生物菌落的數(shù)量和分布。人工檸條林地和天然檸條林地土壤中真菌數(shù)量低于天然草地,表明檸條林的生長(zhǎng)可以調(diào)整土壤真菌群落的數(shù)量。
土壤微生物的垂直分布狀況在一定程度上反映了不同植被恢復(fù)模式下土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況,隨著土層加深,土壤環(huán)境條件改變,微生物菌落數(shù)量、分布及結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生改變[32]。受地上植被的影響,本研究中人工檸條林地5~10 cm土層中細(xì)菌菌落數(shù)量最多,之后隨著土層的加深細(xì)菌菌落數(shù)量逐漸減少,真菌菌落數(shù)量的變化趨勢(shì)與細(xì)菌菌落數(shù)量的變化趨勢(shì)相反,表明隨著土層加深土壤中有機(jī)質(zhì)含量的減少。平茬人工檸條林地中細(xì)菌菌落數(shù)量隨土層加深而增加,在10~20 cm土層最多,之后又迅速減少,而真菌菌落數(shù)量變化趨勢(shì)與之相反,此現(xiàn)象可能是由于人工檸條林平茬后,土壤有機(jī)碳、全氮有效提高,改善了土壤養(yǎng)分狀況[29],進(jìn)而改善了微生物群落組成和結(jié)構(gòu)。
林草地生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化主要依靠微生物作用[33],微生物活性及菌落活動(dòng)受制于土壤溫度、濕度、有機(jī)碳含量等[34],不同微生物對(duì)土壤性質(zhì)的變化響應(yīng)不同[35]。自然植被恢復(fù)有利于土壤微生物菌落物種數(shù)量的增加,其中以細(xì)菌菌落數(shù)量對(duì)土壤養(yǎng)分含量變化的響應(yīng)最為顯著[36];本研究中4種植被恢復(fù)樣地中土壤微生物菌落數(shù)量隨土壤容重的增加而減小,其中人工檸條林地中細(xì)菌菌落數(shù)量與土壤容重顯著正相關(guān)(P<0.05),表明土壤容重通過(guò)影響土壤通氣性和孔隙度、根系穿透阻力以及根系的生長(zhǎng)和發(fā)育,間接影響土壤的生物活性,表現(xiàn)為微生物數(shù)量的降低[37]。天然草地微生物菌落數(shù)量高于人工檸條林地和天然檸條林地,天然草地中土壤有機(jī)碳含量高于人工檸條林地和天然檸條林地,此結(jié)果可能是由于天然草地中植物歸還土壤凋落物的數(shù)量和質(zhì)量以及根系分泌物的不同引起的微生物提供能源的差異,從而導(dǎo)致土壤微生物菌落數(shù)量的不同[38-40]。天然草地樣地中真菌菌落數(shù)量高于其他植被恢復(fù)方式,且真菌菌落數(shù)量與土微生物量碳含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),其原因可能是由于真菌菌落需要從土壤環(huán)境中攝取更多有機(jī)物作為碳源的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源,使土壤有機(jī)質(zhì)含量減少,進(jìn)而使土壤肥力下降[41-42]。
不同的學(xué)者在研究草原土壤微生物菌落變化的過(guò)程中指出地表植物群落變化與土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)存在顯著相關(guān)性[43],本研究主要研究了人工植被恢復(fù)過(guò)程中土壤微生物菌落數(shù)量的變化趨勢(shì),有關(guān)人工植被恢復(fù)過(guò)程中微生物菌落結(jié)構(gòu)和酶活性的研究將是今后繼續(xù)探索的一個(gè)主要方向。
4種不同植被恢復(fù)模式下,土壤表層(0~5,5~10 cm)微生物菌落數(shù)量與土壤理化指標(biāo)顯著相關(guān)(P<0.05)。天然植被恢復(fù)可增加土壤微生物菌落數(shù)量,人工種植檸條加速優(yōu)化土壤微生物菌落結(jié)構(gòu),人工檸條林平茬可有效增加人工檸條林地土壤中微生物菌落數(shù)量并改善微生物菌落結(jié)構(gòu),但其微生物菌落總數(shù)仍低于平茬前。4種植被恢復(fù)模式下,人工檸條林地土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)優(yōu)于天然草地,土壤中細(xì)菌、放線菌群落數(shù)量多,土壤肥力相對(duì)較好。人工種植檸條更有利于荒漠草原區(qū)植被恢復(fù)。