不同狀態(tài)高寒草甸土壤微生物分布及其變化

彭岳林，蔡曉布，于寶政

(西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

【研究意義】大量研究表明，土壤生物作為土壤中具有生命力的重要組成成分，在土壤形成和演化過程中起主導(dǎo)作用[1-4]。土壤微生物作為土壤生物主要組成部分是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，有著不可替代的地位與作用。對(duì)生存環(huán)境敏感的微生物，對(duì)土壤生態(tài)機(jī)制的變化和環(huán)境脅迫能及時(shí)做出反應(yīng)，隨著土壤生態(tài)環(huán)境的變化其微生物區(qū)系組成也隨之發(fā)生變化[5-6]。高寒草甸發(fā)育于高原亞寒帶寒冷、濕潤環(huán)境，是西藏面積僅次于高寒草原的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)。隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的日益增強(qiáng)，高寒草原生態(tài)系統(tǒng)已遭到不同程度的干擾和破壞[7-8]。【前人研究進(jìn)展】當(dāng)前，就藏北地區(qū)退化草地在時(shí)空特征、草地退化對(duì)氣候變化的響應(yīng)、群落生物量與土壤養(yǎng)分等方面進(jìn)行了研究[9-11]，在土壤微生物區(qū)系和特定生理種群等方面也有所報(bào)道[12-15]，但對(duì)藏北高原高寒草甸退化過程中土壤微生物變化的研究卻很少。因此，對(duì)高寒草甸微生物及其變化的認(rèn)識(shí)關(guān)系到對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)退化過程的整體理解?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以不同狀態(tài)(未退化、輕度退化、嚴(yán)重退化)高寒草甸為研究對(duì)象，通過探索高原冷濕環(huán)境中土壤微生物的變化過程，【擬解決的關(guān)鍵問題】以期對(duì)不同極端環(huán)境中的土壤微生物變化過程與土壤穩(wěn)定機(jī)制及探尋高寒草地生態(tài)系統(tǒng)預(yù)測與調(diào)控的新思路等提供理論支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究以藏北高原南部高寒草甸分布區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域年均溫、≥0 ℃年積溫分別為-2～-6 ℃、500～1000 ℃，年降水量450～600 mm，土壤含水量>30 %。高寒草甸土粗骨性強(qiáng)，土層厚度一般僅在20 cm左右，土層下具永凍層。植被以耐寒的多年生中生草本植物為主，優(yōu)勢植物為高山嵩草、矮嵩草、西藏嵩草等。該區(qū)域平均海拔4500 m以上，屬高原亞寒帶寒冷干旱、半濕潤氣候，全年分冷(10-6月)、暖(7-9月)兩季。高原冷濕環(huán)境中，土壤凍結(jié)期長達(dá)9個(gè)月，凍結(jié)深度一般>1.5 m，因此，土壤微生物對(duì)有機(jī)殘?bào)w的分解僅可在暖季緩慢進(jìn)行，而處于半分解狀態(tài)的有機(jī)殘?bào)w與活體根系交織，于土表形成致密、緊實(shí)的氈狀草皮層，其下則為腐殖質(zhì)層[16-17]。

1.2 研究方法

據(jù)資料[18]和前期實(shí)地調(diào)研，將植被蓋度為65 %～90 %、40 %～<65 %、<40 %的高寒草甸分別確定為正常草地(未退化草地)、輕度退化草地、嚴(yán)重退化草地(表1)。2015年9月，于N 30°35.612′～31°33.769′、E 91°29.754′～91°56.122′范圍內(nèi)分別選取3處高寒草甸作為研究區(qū)域(每個(gè)區(qū)域間隔50～100 km)。每個(gè)研究區(qū)域內(nèi)，均包括正常草地、輕度退化草地、嚴(yán)重退化草地等3個(gè)采樣區(qū)(面積均>10 hm2)；在每一采樣區(qū)內(nèi)，分別隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)(每一采樣點(diǎn)間隔>300 m)；于各采樣點(diǎn)按0～10、10～20 cm分層采集原狀土樣，再從同一采樣區(qū)的3個(gè)同層土樣中隨機(jī)取出等量土樣組成1個(gè)約重3 kg的原狀混合土樣，分別裝入經(jīng)滅菌處理的封口袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中備用。

1.3 分析測試方法

1.3.1 土壤微生物分離 細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏—孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌采用淀粉銨鹽培養(yǎng)基；采用涂抹平板法分離土壤微生物，每處理重復(fù)3次。各種菌接種后置恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(細(xì)菌、放線菌置28 ℃培養(yǎng)，真菌置25℃培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)3～5 d，真菌培養(yǎng)5～7 d，放線菌培養(yǎng)7～14 d)后檢查結(jié)果[19]。

表1 采樣點(diǎn)情況

注：NS：正常草地；LDS：輕度退化草地；SDS：嚴(yán)重退化草地。不同狀態(tài)草地相同土層間不同小寫字母表示差異顯著性達(dá)5 %。 Notes：NS:Normal steppe；LDS:Light degraded steppe；SDS:Severely degraded steppe. Different small letters represent a significant difference at 5 % among the same soil layers in the steppes in different statuses.

表2 不同退化程度高寒草甸土壤微生物數(shù)量

注：同一微生物不同小寫字母表示差異顯著性達(dá)5 %。

Note：Different small letters for in the Same microorganism represent a significant difference at 5 %.

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算 本研究以3次重復(fù)平均測定值作為結(jié)果。相關(guān)分析、差異顯著性測驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(版本號(hào)：16.50)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化程度高寒草甸土壤微生物數(shù)量變化

藏北高寒草甸土壤中3種微生物數(shù)量表現(xiàn)為放線菌>細(xì)菌>真菌的特征(表2)，不同狀態(tài)草地中放線菌占全部微生物數(shù)量的比例分別為67.1 %、59.9 %、66.2 %，放線菌占絕對(duì)優(yōu)勢，其次為細(xì)菌，其比例分別為25.3 %、24.1 %、31.0 %，真菌數(shù)量最少僅為7.6 %、15.9 %和2.8 %。

隨著高寒草甸退化程度的加劇同一種微生物也表現(xiàn)出不同的變化趨勢(圖1)。放線菌與細(xì)菌隨著草地退化程度的加劇表現(xiàn)出先下降再上升的趨勢；真菌則隨著草地的退化表現(xiàn)出先急劇上升又顯著下降的趨勢，輕度退化草地真菌數(shù)量較正常草地上升81.7 %，而嚴(yán)重退化草地真菌數(shù)量卻較正常草地和輕度退化草地分別下降62.5 %和79.4 %，藏北高寒草甸是在高原冷濕環(huán)境中形成的，土壤含水量大，土壤凍結(jié)期長，土壤微生物對(duì)有機(jī)殘?bào)w的分解相對(duì)較慢，因此，高寒草甸輕度退化時(shí)一定程度的土壤沙化所導(dǎo)致的土壤環(huán)境的改變使土壤通透性能得到了一定的改善，促進(jìn)了土壤真菌的活動(dòng)，其數(shù)量即呈增加態(tài)勢，但至重度退化階段，隨著土壤中易被土壤真菌利用的有機(jī)物質(zhì)的減少，土壤真菌的活動(dòng)又受到強(qiáng)烈抑制，其數(shù)量亦呈顯著下降的態(tài)勢(表1)。

圖1 不同狀態(tài)高寒草甸不同土層細(xì)菌數(shù)量Fig.1 Bacteria number with different soil layer in different stage in alpine meadow

2.2 不同退化程度高寒草甸不同土層微生物數(shù)量

高原冷濕環(huán)境中，高寒草甸亞表層土壤(10～20 cm)細(xì)菌數(shù)量高于表層土壤(0～10 cm)細(xì)菌數(shù)量，同時(shí)隨著土壤退化程度的逐步加深，表層土壤和亞表層土壤細(xì)菌數(shù)量均表現(xiàn)出隨著土壤退化程度的逐步加深土壤中細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)先減少再增加的變化趨勢，輕度退化草地表層和亞表層土壤中細(xì)菌數(shù)量較正常草地變化不大，而嚴(yán)重退化草地表層和亞表層土壤中細(xì)菌數(shù)量較正常草地和輕度退化草地顯著上升(圖2)。嚴(yán)重退化草地表層和亞表層土壤細(xì)菌數(shù)量分別較正常草地和輕度退化草地上升22.7 %、50.0 %和29.5 %、55.9 %。

在藏北不同退化程度高寒草甸土壤中，表層和圖4所示，不同程度退化高寒草甸不同土層土壤放線菌數(shù)量的變化也具有其自身的特點(diǎn)，表層土壤中放線菌數(shù)量隨草地退化程度的加劇呈逐步下降的趨勢，亞表層土壤中卻呈現(xiàn)隨退化程度加劇放線菌數(shù)量先輕微下降又顯著上升的變化趨勢。表層土壤中輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地土壤放線菌數(shù)量較正常草地分別下降30.0 %和43.3 %，亞表層土壤中輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地土壤放線菌數(shù)量較正常草地分別下降13.0 %和上升60.9 %。同一草甸類型不同土層土壤放線菌數(shù)量分別也不一樣，正常草甸表層土壤放線菌數(shù)量大于亞表層，輕度退化草甸表層和亞表層土壤放線菌數(shù)量相近，而嚴(yán)重退化草甸亞表層土壤放線菌數(shù)量遠(yuǎn)高于表層土壤。

圖2 不同狀態(tài)高寒草甸不同土層真菌數(shù)量Fig.2 Fungi number with different soil layer in different stage in alpine meadow

亞表層土壤真菌表現(xiàn)出截然不同地變化特征(圖3)。表層土壤(0～10 cm)中輕度退化草地土壤真菌較正常草地顯著升高，真菌數(shù)量增加了280 %，而隨著草甸退化程度的進(jìn)一步加深，嚴(yán)重退化草地土壤真菌又出現(xiàn)顯著下降的趨勢，嚴(yán)重退化草甸土壤真菌數(shù)量較正常草甸和輕度退化草甸分別下降84.0 %和95.79 %。在亞表層土壤(10～20 cm)中土壤真菌卻表現(xiàn)為先下降再輕微上升的趨勢，與正常草甸相比，輕度退化草地和嚴(yán)重退化草地土壤真菌較正常草地分別下降60.0 %和45.71 %。

3 討 論

土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌具有不同的生態(tài)屬性，其數(shù)量及所占比例對(duì)所處生態(tài)環(huán)境有一定的指示作用。本研究結(jié)果表明，青藏高原高寒草甸土壤微生物種群中放線菌占絕對(duì)優(yōu)勢，細(xì)菌次之，而真菌較少，說明放線菌對(duì)高寒草甸土壤的適應(yīng)性強(qiáng)，這與韓玉竹等[20]的研究結(jié)果相似，也可能是由于放線菌相對(duì)更適應(yīng)偏堿性的生活環(huán)境，而高寒草甸土壤pH值多數(shù)偏堿性的原因造成的(表1)。

相同土層不同小寫字母、相同狀態(tài)草地不同土層不同大寫字母均表示差異顯著性達(dá)5 % Different small letters for same soil layers and the different capital letters in different soil layers in the steppes in the same statuses represent a significant difference at 5 %圖3 不同狀態(tài)高寒草甸不同土層放線菌數(shù)量Fig.3 Actinobacteria number with different soil layer in different stage in alpine meadow

賀鳳鵬等[21]發(fā)現(xiàn)草地退化程度越嚴(yán)重,表層與亞表層土層之間土壤微生物學(xué)特征的差異越小,但在高原寒濕條件下形成的高寒草甸中卻沒有發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律。究其原因，可能是由于高寒草甸土壤含水量大，低溫條件下土壤長期凍結(jié)、通透性能差，對(duì)土壤微生物的活動(dòng)抑制作用較為強(qiáng)烈，不利于土壤微生物的繁殖，而隨著草地退化，土壤環(huán)境也隨之發(fā)生改變，可能促進(jìn)了土壤微生物的繁殖和活動(dòng)，使土壤表層和亞表層微生物數(shù)量相應(yīng)發(fā)生變化所導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

藏北高原不同退化程度高寒草甸中3種微生物數(shù)量均表現(xiàn)出放線菌>真菌>細(xì)菌的趨勢，放線菌為藏北高寒草甸土壤中的優(yōu)勢微生物種類。隨著草地退化程度的加劇，藏北高寒草甸不同退化階段土壤微生物的變化規(guī)律各不相同，不同微生物種類在表層和亞表層土壤中的分布規(guī)律亦不盡相同。