兰州南北两山五类乔灌木林草地土壤养分与土壤微生物空间分布研究

书书书兰州南北两山五类乔灌木林草地土壤养分与土壤微生物空间分布研究钟芳１，赵瑾２，孙荣高３，李正平１，王万鹏１（１．兰州市南北两山环境绿化工程指挥部，甘肃兰州，７３００３０；２．甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州７３００７０；３．兰州市环境保护研究所，甘肃兰州７３００３０）摘要：对兰州南北两山５类乔灌木林草地土壤养分和土壤微生物空间分布进行了研究，结果表明，１）柠条林地的土壤有机质，全氮含量相比其他类型林地显著增加（犘＜０．０５），其土壤化学性质明显改善；土壤养分含量在所研究林草地的排序为：柠条类＞柽柳类＞枸杞类＞红砂类＞侧柏类；并且柠条林地中土壤三大类微生物（细菌、真菌和放线菌）的数量也最多。２）由于土壤有机质等因素影响，不同林草地的土壤养分含量与微生物数量在土壤剖面上具有相似的垂直分布特征，均随着土层深度增加而减少。其中０～１０ｃｍ土层土壤微生物数量占总量的４７．８６％。３）植被类型、土壤养分和土壤微生物群落三者之间存在着一定的互作关系。关键词：植被类型；土壤养分；土壤微生物；南北两山中图分类号：Ｓ１５１．９＋５；Ｓ１５４．３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００４５７５９（２０１０）０３００９４０８　土壤作为森林生态系统中生命活动的主要场所，对森林的生长发育起着至关重要的作用，土壤养分和土壤微生物是森林生态系统的重要组成成分［１］。土壤养分含量直接影响森林植被的生长与演替；土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，直接参与养分循环、有机质分解等诸多生态过程，是陆地生态系统中最活跃的成分，推动着生态系统的能量流动和物质循环［２４］。微生物类群与数量的变化是反映土壤质量的重要生物学指标［５，６］。通过对不同林地的土壤养分和微生物空间分布的研究，有助于合理利用土壤，营造最佳生态效应林地。近年来，不少学者对各类林地的植被类型、土壤养分和土壤微生物三者之间的影响开展了系统研究。例如，Ｍｅｌａｎｙ等［７］研究了美国北部泥炭地生态系统中植被类型对土壤微生物活性、功能群组成格局的影响，表明植被类型影响土壤微生物活性、功能类群。龙训建等［８］应用ＧＩＳ技术和地统计学空间内插法研究了我国黄河源区达日县跨热洼尔玛流域高寒草甸区典型景观单元土壤养分空间差异性，分析显示：不同植被覆盖下土壤有机质和养分的积累和平衡状况存在差异，其空间变异主要受海拔、地形、植被、根系分布状况等因素影响。目前，通过对林地土壤微生物数量和土壤养分进行系统研究，利用土壤微生物作用进行退化陆地生态系统的恢复已成为生态学领域的研究热点［９，１０］。兰州南北两山位于我国黄土高原西端，立地区划为甘肃黄土高原陇中北部黄土丘陵、河谷盆地类型区。由于受到多种生态因子共同作用，南北两山生态环境脆弱，区域内植被以人工林为主体，植物种类比较单一，林地土壤的自我更新和调节能力相对较差，土壤中各种微生物类群的数量和比例受到土壤成分和植被种类的影响颇大［１１，１２］。在近５０年的兰州南北两山生态环境改善的研究与实践进程中，学者们从植物种类、土壤水分和理化性质等不同方面对干旱半干旱黄土丘陵区生态修复机理和荒漠化治理措施进行了大量研究，但对反映土壤质量的重要生物学指标———土壤微生物的研究甚少，特别是对生态修复的土壤微生物机理研究，微生物与植被类型、土壤养分的相关性研究报道较少。兰州南北两山的植被类型以人工林为主，主要的建植树种有柠条（犆犪狉犪犵犪狀犪犽狅狉狊犺犻狀狊犽犻犻），柽柳（犜犪犿犪狉犻狓犪狌狊狋狉狅犿狅狀犵狅犾犻犮犪），枸杞（犔狔犮犻狌犿犮犺犻狀犲狀狊犲），红砂（犚犲犪狌犿狌狉犻犪狊狅狅狀犵狅狉犻犮犪）和侧柏（犘犾犪狋狔犮犾犪犱狌狊狅狉犻犲狀狋犪犾犻狊）。其中，柠条、柽柳、侧柏在各类人工林树种中的乔灌木重要值最高，属工程区代表种；枸杞、红砂在各类天然灌木树种９４－１０１２０１０年６月　　　草　业　学　报　　　　　　ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ　　　第１９卷　第３期Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．３收稿日期：２００９０９２３；改回日期：２００９１１１３基金项目：兰州市科技攻关计划项目（２００８ＳＹ１２）资助。作者简介：钟芳（１９７０），女，广东潮州人，高级工程师，本科。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]中的重要值较高，分布最广；工程区内草本代表种主要有芨芨草（犃犮犺狀犪狋犺犲狉狌犿狊狆犾犲狀犱犲狀狊）、铁杆蒿（犃狉狋犲犿犻狊犻犪狊犪犮狉狅狉狌犿）、中亚紫菀木（犃狊狋犲狉狅狋犺犪犿狀狌狊犮犲狀狋狉犪犾犻犪狊犻犪狋犻犮狌狊）、多裂骆驼蓬（犘犲犵犪狀狌犿犿狌犾狋犻狊犲犮狋狌犿）、蝎虎驼蹄瓣（犣狔犵狅狆犺狔犾犾狌犿犿狌犮狉狅狀犪狋狌犿）、阿尔泰狗娃花（犎犲狋犲狉狅狆犪狆狆狌狊犪犾狋犪犻犮狌狊）等。笔者通过对兰州南北两山的柠条、柽柳、枸杞、红砂和侧柏５类林草地的土壤养分和微生物空间分布进行研究，旨在探讨植被类型，土壤养分与微生物数量之间的相关性，为该地区人工林生境的建植物种选择提供土壤生态学方面的参考，同时为兰州干旱半干旱黄土丘陵区生态安全及生态系统稳定性评价提供科学依据。１　材料与方法１．１　研究区概况兰州南北两山位于我国黄土高原的最西端，地理坐标界于１０３°２１′０４″～１０４°００′３８″Ｅ，３５°５３′１８″～３６°３３′５６″Ｎ，东西长６０ｋｍ，南北宽５～５０ｋｍ，总土地面积４２０００ｈｍ２。兰州地区年平均气温９．１℃，年极端最高温３９．１℃，年极端最低温－２３．１℃，≥１０℃的年积温为３２４２．０℃；年平均降水量３２７．７ｍｍ，多集中在７－９月；年平均蒸发量１４６８ｍｍ，是降水量的４．４倍，相对湿度为５８％；年平均日照时数２６０７．６ｈ；无霜期１８５～２００ｄ；年平均风速仅为０．９４ｍ／ｓ，静风次数占观测次数的５３．４％。兰州处于季风区向非季风区的过渡带，气候类型属于北温带半干旱大陆性季风气候，该区域自然灾害主要为干旱。南山工程区属典型草原地带的最北端，也是甘肃省４００ｍｍ降水量的临界线，海拔１５６０～２１７１ｍ，坡度由东向西逐渐趋于平缓，除前山基部和沟壑底部有红土母质裸露外，山梁和沟坡上部均为风成黄土所覆盖，土壤类型多为暗灰钙土，土层深厚、土壤瘠薄，ｐＨ值７．８～８．２。北山区属半荒漠地带，降水在３００ｍｍ以下。地势北高南低，由西北向东南方向倾斜，海拔１５６０～２０６７ｍ，坡度一般在３０°以上。土壤以淡灰钙土为主，颗粒较粗，沟坡分布有红胶泥和红沙土，土质疏松、土壤瘠薄，ｐＨ值８．０～９．０。１．２　样地设置２００９年４月，分别在南山兰石林场，北山徐家山后山布设３块１０ｍ×１０ｍ的样地（表１）。在样地选择中，尽量考虑立地因子与林草植被类型基本一致的地块。按常规进行样地内物种数、植被盖度、高度、海拔、坡向、坡度等立地因子调查，并挂标牌和填表造册。表１　样地基本情况犜犪犫犾犲１　犅犪狊犻犮犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊狅犳狆犾狅狋狊犪狋犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狊犻狋犲样地Ｐｌｏｔ坡向Ｓｌｏｐｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ坡度Ｓｌｏｐｅｇｒａｄｉｅｎｔ海拔Ａｌｔｉｔｕｄｅ（ｍ）纬度Ｌａｔｉｔｕｄｅ（Ｎ）经度Ｌｏｎｇｉｔｕｄｅ（Ｅ）南山Ｓｏｕｔｈｈｉｌｌ北偏东Ｎｏｒｔｈｂｙｅａｓｔ３２°～３７°１７６０３６°０３′０４．３４″１０３°４８′０３．０５″北山Ｎｏｒｔｈｈｉｌｌ北偏东Ｎｏｒｔｈｂｙｅａｓｔ３０°～３８°１７３１３６°０５′２２．４９″１０３°５１′０４．４６″１．３　土壤样品采集考虑到研究区域林草地的土壤水分与养分的浅表性特征，决定了其上承载的大部分乔灌木的根系生长存在浅层现象［１３］，因此，试验设计的土壤采样深度在植物根区集中分布层，分别为０～１０，１０～２０，２０～３０ｃｍ。于２００９年４月进行采样。在布设的样地内，每树种随机选取５株，土壤分层按混合采样法在植被冠幅以内的区域取５～６个点的混合样，用四分法取适量装入无菌袋中。每样２份，１份保存在４℃的冰箱内，用于微生物的测定；另一份风干后用于土壤养分的测定。１．４　土壤养分测定按照常规法测定土壤含水量、ｐＨ值；有机质用重铬酸钾容量法测定；全Ｎ用半微量开氏法测定；用氢氧化钠碱熔法将土壤样品溶融后提取待测液，用钼蓝比色法测全Ｐ，火焰光度计测全Ｋ；碱解Ｎ用碱解扩散法测定；用０．１５ｍｏｌ／Ｌ的碳酸氢钠提取土壤样品后，用钼蓝比色法测速效Ｐ；用１ｍｏｌ／Ｌ的中性醋酸钠提取土壤样品后，用火焰光度计测速效Ｋ［１４］。５９第１９卷第３期草业学报２０１０年１．５　土壤微生物数量测定１．５．１　真菌数量测定　采用马丁－孟加拉红培养基，以平板表面涂抹法计数［１５］。即称取土壤鲜样１０ｇ，在无菌条件下用无菌水配成不同浓度梯度悬浮液，取稀释度为１０－２，１０－３，１０－４的土壤悬浮液各１ｍＬ，接种于盛有灭菌的马丁－孟加拉红培养基的培养皿中，用无菌刮刀涂抹均匀。每个浓度３个重复，恒温（２５℃）培养５～７ｄ，选取每皿菌落数为１５～１５０的１个稀释度统计菌落数，按下列公式计算真菌数量［１５］。菌数（ｃｆｕ／ｇ）＝菌落平均数×稀释倍数×１０／干土１．５．２　放线菌数量测定　采用改良高氏一号培养基，以平板表面涂抹法计数［１５］。取稀释度为１０－３，１０－４，１０－５的土壤悬浮液各１ｍＬ接种于盛有灭菌的改良高氏一号培养基，其余与真菌数量测定方法相同。恒温（２８℃）培养７～１０ｄ，按上述方法和公式统计菌落数并计算放线菌数量。１．５．３　细菌数量测定　采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，以平板表面涂抹法计数［１５］。取稀释度为１０－６，１０－７，１０－８的土壤悬浮液各１ｍＬ接种于盛有灭菌的牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，恒温（２８℃）培养３ｄ统计菌落数，其余与放线菌数量测定方法相同。１．６　数据处理与分析根据野外调查资料和实验室的分析资料，用Ｅｘｃｅｌ处理图表和ＳＰＳＳ１１．５统计分析软件进行数据分析，数据的显著性检验采用ＤＰＳ软件的ＬＳＤ法。２　结果与分析２．１　土壤养分２．１．１　土壤养分在土层垂直分布上的特征　兰州南北两山不同植被下土壤养分的含量总体呈随土层深度的增加而减少的趋势，０～１０ｃｍ土层养分含量明显高于１０～２０和２０～３０ｃｍ土层。１）这种垂直变化趋势在有机质含量方面表现尤为明显（表２，３），其中柠条和枸杞林地有机质含量的垂直变化最明显。在南山地区，枸杞和柠条林地０～１０ｃｍ土层有机质含量分别是１０～２０ｃｍ土层的１７６．８％和１７７．６％；在北山地区，枸杞和柠条林地０～１０ｃｍ土层有机质含量分别是１０～２０ｃｍ土层的１９８．８％和１７７．１％。土壤有机质含量在垂直方面的明显变化主要是由于土壤上生长的植物残体和根系分泌物是有机质的主要来源［１６］，研究地植被凋落物量在土壤表层形成枯枝落叶层，提供了大量的腐殖质，使得表层有机质含量明显高于深层土壤。２）这种垂直变化的趋势在土壤全氮含量方面表现不明显，特别是在１０～２０和２０～３０ｃｍ土层上，大部分林地的１０～２０和２０～３０ｃｍ土层中全氮含量基本相同。因为在１０～２０和２０～３０ｃｍ土层中，好气性微生物数量由于土壤含氧量的减少而减少，有机质的分解强度也随之减弱，这也进一步验证了张灵等［１３］提出的黄土高原土壤氮素主要取决于生物量的积累和土壤有机质分解的强度。３）南山地区的土壤养分含量普遍高于北山地区，这与南山地区的年均降水量大于北山地区有关，根据兰州地区各个雨情观测站的数据汇总，调查样地内降水量的南北差异平均在７０ｍｍ左右。土壤的水分条件与地上生物量密切相关，水分条件越好，地上生物量积累越多、植物残体和根系分泌物越多。因此，南山的土壤养分含量高于北山。４）５种林地土壤中磷的含量随着土壤的深度增加而减少，这主要是由于磷在土壤中移动性很低［１７］。２．１．２　土壤养分在不同林地的分布特征　１）在柠条，柽柳，枸杞，红砂和侧柏５种主要建群植被中，柠条，柽柳和枸杞林地中土壤有机质和碱解氮含量明显高于侧柏和红砂林地，其中柠条林地有机质含量在０～３０ｃｍ土层的平均值在南山与北山分别达到了１１．９２和１１．５ｍｇ／ｋｇ，碱解氮含量为６３．７１和５０．７６ｍｇ／ｋｇ。在全氮方面，柠条和柽柳林地