戴雅婷,侯向陽,*,閆志堅(jiān),吳洪新,解繼紅,張曉慶,高 麗

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所, 呼和浩特 010010 2 農(nóng)業(yè)部牧草資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010010

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庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型根際土壤微生物和土壤化學(xué)性質(zhì)比較研究

戴雅婷1,2,侯向陽1,2,*,閆志堅(jiān)1,2,吳洪新1,2,解繼紅1,2,張曉慶1,2,高 麗1

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所, 呼和浩特 010010 2 農(nóng)業(yè)部牧草資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010010

油蒿(Artemisiaordosica)與中間錦雞兒(Caraganaintermedia)是庫布齊沙地分布廣泛的優(yōu)良固沙植被類型,在植被恢復(fù)過程中受到關(guān)注。以庫布齊沙地自然恢復(fù)的油蒿群落與人工種植的中間錦雞兒群落為研究對(duì)象,以流動(dòng)沙地為對(duì)照,采用野外調(diào)查、室內(nèi)生化實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法,分析兩種植被恢復(fù)類型根際與非根際土壤微生物、土壤化學(xué)性質(zhì)的差異,研究土壤微生物與土壤化學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系,并運(yùn)用綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)兩種植被恢復(fù)類型對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)效果,為庫布齊沙地植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：(1)與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤微生物數(shù)量、微生物生物量碳、氮含量均有不同程度的提高,其中,自然恢復(fù)的油蒿群落根際土壤微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)量、微生物量碳和氮含量均顯著高于中間錦雞兒根際,真菌和放線菌數(shù)量分布表現(xiàn)為中間錦雞兒>油蒿；(2)兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效鉀含量均比流動(dòng)沙地有不同程度地提高,其中,油蒿根際、非根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量顯著高于中間錦雞兒；(3)影響油蒿和中間錦雞兒群落土壤微生物數(shù)量、生物量碳和氮的土壤因子是有機(jī)質(zhì)、pH值、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷,其中,對(duì)兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物數(shù)量和生物量有正向促進(jìn)作用的主要因子是土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和全氮含量；(4)運(yùn)用綜合指數(shù)法計(jì)算出基于14個(gè)土壤指標(biāo)的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI),SQI值排序?yàn)椋河洼锔H>中間錦雞兒根際>油蒿非根際>中間錦雞兒非根際>流沙對(duì)照。自然恢復(fù)的油蒿群落對(duì)土壤質(zhì)量的改良效果顯著優(yōu)于人工種植的中間錦雞兒群落,是庫布齊沙地生態(tài)恢復(fù)的適合途徑之一。

微生物；根際；土壤化學(xué)性狀；土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

植被恢復(fù)是荒漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的第一步,是改善生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵,已成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究重點(diǎn)之一[1]。植被恢復(fù)過程中,植物根系通過分泌物、根產(chǎn)物和植物殘?bào)w等形式,不僅影響根際土壤微生物生長代謝和種群結(jié)構(gòu),而且改變了根際土壤的化學(xué)物理環(huán)境[2],而較好的土壤養(yǎng)分條件又可以促進(jìn)植被生長發(fā)育,進(jìn)而促進(jìn)植被演替進(jìn)程[3]。因此,通過了解不同植被類型根際與非根際土壤理化及生物學(xué)等性質(zhì),可以直接或間接反映植被對(duì)土壤的改良作用及植被恢復(fù)的生態(tài)效果。

根際是連接植物、土壤和微生物的紐帶,許多重要的土壤生態(tài)過程都發(fā)生在這一微小區(qū)域,隨著恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的深入以及多學(xué)科交叉,根際土壤環(huán)境的研究不斷受到重視,已成為生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn),國內(nèi)外研究主要集中在根際與非根際土壤理化性質(zhì)、土壤微生物多樣性、土壤酶活性等方面[4-7]。在現(xiàn)有研究報(bào)道中,僅有少量學(xué)者在黃土丘陵區(qū)、西寧南山區(qū)開展了根際微域角度的植被恢復(fù)評(píng)價(jià)研究[8-9],對(duì)于鄂爾多斯高原干旱、半干旱區(qū)不同植被恢復(fù)類型根際和非根際土壤養(yǎng)分、生物學(xué)性質(zhì)比較分析及土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少。

庫布齊沙地是我國西北沙漠與東部農(nóng)業(yè)的生態(tài)屏障,也是具有特殊地理景觀的生態(tài)過渡地帶。多年來,由于自然和人為的影響,該地區(qū)植被破壞嚴(yán)重,土壤沙化和荒漠化問題嚴(yán)重,使其成為退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的重點(diǎn)區(qū)域。加快植被恢復(fù)和提高土壤質(zhì)量是庫布齊沙地水土保持、防風(fēng)固沙和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的主要目標(biāo)。在庫布齊沙地植被恢復(fù)的過程中形成了自然恢復(fù)狀態(tài)下的植被群落和人工種植的植被群落類型,其中油蒿是當(dāng)?shù)?/p>

天然分布的優(yōu)良固沙植被,其枝條分枝角度大,空間擴(kuò)展能力強(qiáng),且根系通過對(duì)土壤的固定、與土壤的物質(zhì)交換能促進(jìn)土壤發(fā)育[10]。中間錦雞兒因其耐旱、耐沙埋、抗風(fēng)蝕、成活率高、固沙能力強(qiáng)等特性,成為庫布齊沙地廣泛種植的防風(fēng)固沙、水土保持樹種[11]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)不同灌木樹種通過根際效應(yīng)對(duì)土壤的改良效果不同[12-13],因此,對(duì)當(dāng)?shù)夭煌脖换謴?fù)類型根際和非根際土壤性質(zhì)進(jìn)行比較研究,對(duì)于一個(gè)地區(qū)科學(xué)篩選植被恢復(fù)方式及種類具有重要參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。為此,本研究選取庫布齊沙地自然恢復(fù)的油蒿群落、人工種植的中間錦雞兒群落作為研究對(duì)象,通過測(cè)定根際和非根際土壤理化性質(zhì)、微生物學(xué)特征,并建立土壤質(zhì)量指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期通過比較自然恢復(fù)與人工種植的兩種植被改良根際和非根際土壤的效果,對(duì)庫布齊沙地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)參考和理論支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市達(dá)拉特旗黃河南岸的庫布齊沙帶東段,農(nóng)業(yè)部鄂爾多斯沙地草原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站內(nèi),地處庫布齊沙漠和沿河平原的交界處,氣候干旱,風(fēng)沙較大,形成典型的荒漠草原干旱、半干旱的風(fēng)沙地貌,土壤為風(fēng)成沙性母質(zhì)上形成的風(fēng)沙土,地層多數(shù)由侏羅系白堊系的砂巖、砂礫巖組成,交接程度松散,極易形成風(fēng)化沙粒。試驗(yàn)站所處位置屬于溫帶大陸性氣候,年平均氣溫6.1℃,最低溫度為-32.3℃,最高溫度為38.3℃,年降水量在310 mm左右,而且都集中在6、7、8三個(gè)月中,夏季降水變率在33%—43%之間,地表蒸發(fā)強(qiáng)烈,全年蒸發(fā)量為2 130.2 mm,濕潤度為0.4,無霜期156d。試驗(yàn)區(qū)天然植被在長期的人類活動(dòng)影響下,形成天然灌叢、人工灌叢、人工草地等多種植被群落類型,主要為耐風(fēng)蝕與干旱的灌木中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、油蒿(Artemisiaordosica)、羊柴(Hedysarummongolicum)、沙柳(Salixpsammophila)、白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

本試驗(yàn)在研究區(qū)選擇2種不同的植被恢復(fù)類型：油蒿群落(Artemisiaordosica)、中間錦雞兒群落(Caraganaintermedia),并以流動(dòng)沙地作對(duì)照(LS)。其中,用YH表示研究區(qū)固定沙地自然恢復(fù)16a的油蒿群落；ZJ表示研究區(qū)人工種植16年后形成的中間錦雞兒群落。

表1 研究樣地基本情況

YH: 油蒿群落，ZJ: 中間錦雞兒群落,LS: 并以流動(dòng)沙地

1.2.2 土壤樣品采集

土壤樣品于2011年4月采集,在各樣地中按“S”型選取9株植物,采集0—10、10—20、20—30、30—40cm不同深度根際、非根際土壤。采集方法參考Riley等[14]的抖落法,附著植物根系周圍1cm的土壤作為根際土壤,采集離植物根系20cm以外的土壤作為非根際土壤。分層混合,3次重復(fù)。土樣分裝于無菌塑料袋中包扎密封,帶回實(shí)驗(yàn)室于4℃冷藏。

1.2.3 測(cè)定方法

(1)土壤微生物測(cè)定

土壤微生物數(shù)量測(cè)定采用稀釋涂布平板法。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)；放線菌采用高氏1號(hào)瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)。將培養(yǎng)基在12l℃下滅菌20min,選用2個(gè)稀釋度,3次重復(fù),培養(yǎng)溫度為25—28℃,在2—7d內(nèi)對(duì)細(xì)菌、真菌、放線菌進(jìn)行分別計(jì)數(shù)。

土壤微生物量碳采用熏蒸法進(jìn)行測(cè)定,土壤微生物量氮采用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。

(2)土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤含水量測(cè)定采用烘干法,pH值測(cè)定采用1∶2.5土水比浸提酸度計(jì)法,有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱容量法,全氮測(cè)定采用凱氏定氮法,速效氮測(cè)定采用堿解蒸餾法,全磷測(cè)定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法,速效磷測(cè)定采用Olsen法,速效鉀測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法。

1.2.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

在研究土壤微生物與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系基礎(chǔ)上,應(yīng)用主成分分析法,以各指標(biāo)特征值貢獻(xiàn)率為權(quán)重,加權(quán)計(jì)算兩種植物根際、非根際土壤理化和微生物指標(biāo)值,運(yùn)用土壤綜合指標(biāo)數(shù)法,綜合評(píng)價(jià)其土壤健康狀況。

(1)由于評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的量綱不同,各指標(biāo)間絕對(duì)值大小和變幅差異較大,甚至差幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此,為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,在應(yīng)用主成分分析法之前,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式:

(1)

式中,Q(Xi)表示各因子的隸屬度值,Xij為各因子值,Ximax和Ximin分別為第i項(xiàng)因子中的最大值和最小值。

(2)由于土壤質(zhì)量的各個(gè)指標(biāo)重要性不同,所以一般用權(quán)重系數(shù)來表示各指標(biāo)的重要性程度,本研究運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算因子主成分負(fù)荷量,確定各因子在土壤質(zhì)量中的作用大小,公式為：

(2)

式中,Wi為土壤各指標(biāo)的權(quán)重,Ci為第i個(gè)土壤指標(biāo)的因子負(fù)荷量。

3)計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI)的計(jì)算公式為：

(3)

式中,n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),取14；m為所選主成分個(gè)數(shù),取3；ki為第i個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、多重比較、逐步回歸分析及主成分分析,采用Sigmaplot進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物性質(zhì)差異比較

2.1.1 土壤微生物數(shù)量差異比較

土壤中微生物的分布一方面可以反映土壤物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化循環(huán)程度,另一方面也可以反映出土壤肥力狀況。與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤微生物總數(shù)顯著提高(P<0.05),其中,油蒿根際、非根際土壤微生物總數(shù)提高了9.23倍和5.73倍,中間錦雞兒提高了6.49倍和4.20倍。比較兩種植被恢復(fù)類型,油蒿根際、非根際土壤微生物總數(shù)在0—40cm土層總體高于中間錦雞兒(圖1),兩者在根際0—20cm土層差異顯著(P<0.05)。

圖1 兩種植物根際與非根際土壤微生物總數(shù)Fig.1 The distribution of total number of microorganisms in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plantsYH: 油蒿群落，ZJ: 中間錦雞兒群落,LS: 并以流動(dòng)沙地;R= rhizospheric,S= non-rhizospheric;不同小寫字母代表同一土層不同植物間差異顯著(P<0.05)

從各樣地土壤微生物三大類群分布來看,與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均有顯著提高(P<0.05),尤其是根際環(huán)境對(duì)細(xì)菌、真菌等生長繁殖的促進(jìn)作用更為顯著。其中,油蒿根際土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量提高了8.16倍、3.91倍、11.14倍,中間錦雞兒根際土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量提高了3.84倍、11.47 倍、23.57 倍。比較兩種植被恢復(fù)類型,油蒿根際土壤細(xì)菌數(shù)量高于中間錦雞兒(圖2),兩者在0—30cm土層差異顯著(P<0.05)。中間錦雞兒根際土壤真菌和放線菌數(shù)量高于油蒿(圖3,圖4),在0—40cm土層差異顯著(P<0.05)。在兩種植被恢復(fù)類型非根際土壤中,放線菌數(shù)量具有顯著性差異(中間錦雞兒>油蒿),細(xì)菌、真菌數(shù)量均無顯著差異。

圖2 兩種植物根際與非根際土壤的細(xì)菌數(shù)量Fig.2 The distribution of bacterial number in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

圖3 兩種植物根際與非根際土壤真菌的數(shù)量Fig.3 The distribution of fungi number in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

圖4 兩種植物根際與非根際土壤放線菌的數(shù)量Fig.4 The distribution of actinomycetes number in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

2.1.2 土壤微生物生物量差異比較

從各樣地土壤微生物量碳含量分布來看(圖5),與流沙對(duì)照相比,油蒿根際和非根際、中間錦雞兒根際土壤微生物量碳含量顯著提高(P<0.05),其中,油蒿根際和非根際土壤微生物量碳含量分別提高了300.05%、118.31%,中間錦雞兒根際土壤微生物量碳含量提高了236.34%,非根際土壤微生物量碳含量與流沙對(duì)照無顯著差異。比較兩種植被恢復(fù)類型,油蒿根際、非根際土壤微生物量碳含量總體高于中間錦雞兒,分別提高了96.95%和174.22%。從圖6可以看出,各樣地土壤微生物量氮含量分布為：與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤微生物量氮含量均顯著增加(P<0.05),其中,油蒿根際、非根際土壤微生物量氮含量提高了2858.13%、1674.52%,中間錦雞兒提高了1895.06%、936.25%。比較兩種植被恢復(fù)類型,油蒿根際、非根際土壤微生物生物量氮含量總體高于中間錦雞兒,分別提高66.72%和92.65%。土壤微生物生物量是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分及速效養(yǎng)分的來源,參與調(diào)節(jié)土壤礦化和物質(zhì)能量流動(dòng)過程[15],可以用來反映土壤微生物功能活性[16]。土壤微生物量碳對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)起著重要作用,比有機(jī)碳更能反應(yīng)土壤質(zhì)量的變化[17],土壤微生物生物量氮是土壤微生物同化、礦化活性的重要指標(biāo),是植物氮素的“活性庫”[18]。以上結(jié)果表明,兩種植被恢復(fù)類型對(duì)土壤微生物活性有不同程度的促進(jìn)作用,其中,自然恢復(fù)的油蒿群落對(duì)土壤有效碳和氮的利用和轉(zhuǎn)化能力要高于中間錦雞兒群落。

圖5 兩種植物根際和非根際土壤微生物量碳含量Fig.5 The distribution of soil microbial biomass C in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

圖6 兩種植物根際和非根際土壤微生物生物量氮含量Fig.6 The distribution of soil microbial biomass N in rhizosphere and non-rhizosphere soil of two plants

2.2 兩種植被恢復(fù)類型土壤化學(xué)性質(zhì)差異比較

由表2可以看出,試驗(yàn)區(qū)沙地土壤pH值總體呈弱堿性。與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型土壤pH值升高明顯(P<0.05),其中,中間錦雞兒根際pH值顯著高于油蒿根際,兩者在非根際土壤中無顯著差異；有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分方面,與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均有所提高,其中,油蒿根際和非根際土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了303.58%和142.86%,全氮含量分別提高了273.88%和158.62%,全磷含量分別提高了87.27%和97.41%,中間錦雞兒根際和非根際土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高了121.43%和85.72%,全氮含量分別提高了67.35% 和30.27%,全磷含量分別提高了143.60%和140.42%。比較兩種植被恢復(fù)類型,油蒿根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著高于中間錦雞兒(P<0.05),中間錦雞兒土壤全磷含量總體高于油蒿。

速效養(yǎng)分方面,與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤速效氮、速效鉀含量有不同程度提高。其中,油蒿根際、非根際土壤速效氮含量分別提高了501.99%和379.37%,速效鉀含量分別提高了36.90%和37.09%,中間錦雞兒根際和非根際土壤速效氮含量提高了11.12% 和96.43%,速效鉀提高了33.0%和32.83%。比較兩種植被恢復(fù)類型,油蒿根際、非根際速效氮含量顯著高于中間錦雞兒(P<0.05),速效鉀含量在兩者間無顯著差異。速效磷含量除油蒿根際外,均顯著高于流沙對(duì)照(P<0.05),總體表現(xiàn)為中間錦雞兒>油蒿。

上述結(jié)果表明,植被的生長恢復(fù)對(duì)于土壤有效養(yǎng)分的積累具有促進(jìn)作用,由于植物根系分泌物以及植物自身的生理代謝的不同,導(dǎo)致了兩種植物對(duì)土壤有效養(yǎng)分的促進(jìn)作用不同。除磷元素外,自然恢復(fù)的油蒿群落根際、非根際環(huán)境對(duì)土壤養(yǎng)分的正向積累作用較中間錦雞兒明顯。

表2 兩種植物根際與非根際土壤pH值和土壤養(yǎng)分特征

YH-R: 油蒿群落根際土壤,YH-S: 油蒿群落非根際土壤,ZJ-R: 中間錦雞兒群落根際土壤,ZJ-S: 中間錦雞兒群落非根際土壤,LS: 流動(dòng)沙地；同行不同小寫字母表示同一土層不同土壤類型間有顯著性差異(P<0.05)

2.3 兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

土壤微生物與土壤化學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系密切,土壤微生物可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累,土壤養(yǎng)分的積累又可增強(qiáng)微生物活性,為微生物提供碳源。從表3可以看出,有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量是影響微生物數(shù)量與生物量碳、氮含量的主要因素,與微生物各指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。全氮與微生物總數(shù)、細(xì)菌、放線菌、生物量碳呈顯著正相關(guān),pH值和速效磷含量與微生物總數(shù)、細(xì)菌、放線菌、生物量碳呈顯著負(fù)相關(guān),速效氮含量與細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)。全磷、含水量與微生物各指標(biāo)相關(guān)性程度均不顯著。

表3 土壤因子相關(guān)矩陣

r0.05=0.4973,r0.01=0.6226,*一般相關(guān),**密切相關(guān)

2.4 兩種植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量綜合指數(shù)是土壤因子的集成和綜合,土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)可以敏感反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化以及土壤恢復(fù)退化的能力[19]。本研究應(yīng)用主成分分析法,以各指標(biāo)特征值貢獻(xiàn)率為權(quán)重,加權(quán)計(jì)算兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤化學(xué)和微生物學(xué)指標(biāo)值,運(yùn)用土壤綜合指標(biāo)數(shù)法,綜合評(píng)價(jià)其土壤健康狀況。

對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到兩種植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度值(表4),由表4可知,流沙對(duì)照樣地除速效磷外,其他指標(biāo)隸屬度值均為0。油蒿根際土壤細(xì)菌數(shù)量、微生物總數(shù)、微生物量碳和氮含量、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮隸屬度值均為1,中間錦雞兒根際土壤真菌、放線菌數(shù)量、全磷隸屬度值為1。

兩種植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主成分分析結(jié)果見表5,由表5可以看出,第1主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)61.58%,第1和第2主成分的方差貢獻(xiàn)率達(dá)84.20%,第1、第2和第3主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)98.54%。一般認(rèn)為當(dāng)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率高于85%時(shí)即可用來反映系統(tǒng)的變異信息,因此,用第1、第2和第3各主成分可以代表兩種固沙植物土壤質(zhì)量的變異信息。第1主成分主要反映的是細(xì)菌、微生物總數(shù)、微生物量碳、微生物量氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀以及含水量指標(biāo)的綜合變量,說明這些指標(biāo)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中起著重要作用；第2、第3主成分主要反映的是放線菌、真菌、pH值、全磷以及速效磷等指標(biāo)的綜合變量,這些指標(biāo)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中具有一定的作用,但其影響較小。

表4 不同樣地土壤質(zhì)量指標(biāo)隸屬度值

A:土壤指標(biāo)的測(cè)定值,B:土壤指標(biāo)的隸屬度值

表5 不同樣地土壤質(zhì)量因子的負(fù)荷量和權(quán)重

由規(guī)格化特征向量得出土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的第一、第二和第三主成分方程：

F1=0.3165X1+0.1682X2+0.1943X3+0.3261X4+0.2927X5+0.3318X6+0.3146X7+0.2401X8+0.2783X9+

0.2282X10+0.2364X11+0.0393X12+0.3128X13+0.3005X14

F2=-0.1838X1+0.2321X2+0.3709X3-0.0945X4-0.1336X5-0.1061X6-0.2110X7+0.3773X8-0.3066X9+

0.4114X10-0.3066X11+0.3967X12+0.1723X13+0.0747X14

F3=-0.0580X1-0.5103X2-0.3285X3-0.1174X4-0.3045X5-0.0677X6+0.0004X7+0.1590X8+0.1192X9+

0.0007X10+0.3297X11+0.4901X12+0.1761X13+0.3128X14

由各土壤質(zhì)量隸屬度值(表4) 及其權(quán)重值(表5),根據(jù)式(3) 計(jì)算即可得到兩種植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(表6)。由表6得出土壤綜合指數(shù)排序?yàn)椋河洼锔H>中間錦雞兒根際>油蒿非根際>中間錦雞兒非根際>流沙對(duì)照,通過SQI值對(duì)比可以看出與流沙對(duì)照相比,兩種植被恢復(fù)類型均對(duì)土壤質(zhì)量有大幅提高,其中,油蒿根際與非根際土壤SQI值明顯高于中間錦雞兒,土壤質(zhì)量達(dá)到一個(gè)相對(duì)較高的水平。

表6 不同樣地土壤綜合指數(shù)排序

3 討論與結(jié)論

3.1 兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物性質(zhì)差異比較

植被恢復(fù)過程中,根系向土壤分泌質(zhì)子、離子及有機(jī)物質(zhì),改善了根際土壤環(huán)境,促進(jìn)了土壤微生物數(shù)量及活性。陳家模[20]、羅明等[21]研究均得出,在流動(dòng)沙地建立植物群落后,土壤微生物數(shù)量和活性顯著提高。在本研究中,油蒿群落和中間錦雞兒群落根際、非根際土壤微生物數(shù)量、微生物生物量碳和氮含量均比流動(dòng)沙地有大幅提高,說明兩種植被恢復(fù)類型可不同程度提高土壤微生物數(shù)量及活性。其中,在根際土壤中,油蒿土壤微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)量、微生物生物量碳和氮含量均顯著高于中間錦雞兒,而放線菌和真菌數(shù)量均為中間錦雞兒高于油蒿。在較高營養(yǎng)土壤中,細(xì)菌大量存在,有機(jī)質(zhì)分解徹底,纖維素和木質(zhì)素較少,從而不利于真菌群落的生長。在土壤養(yǎng)分下降的條件下,細(xì)菌生長繁殖受到抑制,真菌有明顯上升趨勢(shì),放線菌菌絲體產(chǎn)生的孢子使其種群能夠在嚴(yán)酷環(huán)境中更有生存優(yōu)勢(shì)[22],Beatriz等[23]認(rèn)為土壤真菌和放線菌比例升高是土壤質(zhì)量退化的標(biāo)志。本研究的結(jié)果反映出自然恢復(fù)的油蒿群落根際土壤環(huán)境比人工種植的中間錦雞兒群落更有利于微生物活動(dòng),土壤營養(yǎng)狀況較好,人工種植的中間錦雞兒群落根際土壤肥力呈下降趨勢(shì)。韓艷潔[24]對(duì)幾種喬木樹種天然及人工林根際微生物比較研究發(fā)現(xiàn),天然林根際土壤養(yǎng)分富集,根際土壤微生物數(shù)量及活性均大于人工林。曹成有等[25]研究發(fā)現(xiàn),小葉錦雞兒天然群落土壤微生物量大于人工群落,與本研究的結(jié)論一致。

3.2 兩種植被恢復(fù)類型土壤化學(xué)性質(zhì)差異比較

植被的存在,促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán),增加了主要土層有機(jī)質(zhì)含量。有研究指出,流動(dòng)沙地種植植被后,沙面枯落物堆積,容重變小,養(yǎng)分條件得到改善[26-27]。在本研究中,兩種植被恢復(fù)類型根際、非根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效鉀含量均比流動(dòng)沙地有不同程度地提高,試驗(yàn)結(jié)果表明沙地植被恢復(fù)可有效提高土壤肥力。植被恢復(fù)類型的不同,對(duì)土壤營養(yǎng)物質(zhì)的積累和循環(huán)作用不同。在本研究中,油蒿根際、非根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮含量顯著高于中間錦雞兒。油蒿群落是當(dāng)?shù)胤植紡V泛的優(yōu)勢(shì)種,生長旺盛,根系分泌物對(duì)土壤環(huán)境的改造能力較強(qiáng),對(duì)土壤養(yǎng)分的富集作用較為明顯,而中間錦雞兒根際土壤環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)缺乏。

一般認(rèn)為,根系分泌物及根產(chǎn)物等引起根際土壤養(yǎng)分富集效應(yīng)。值得注意的是,在本研究中,兩種植被恢復(fù)類型根際土壤全磷、速效磷含量以及中間錦雞兒根際土壤速效氮含量均低于非根際土壤,出現(xiàn)不同程度的虧缺現(xiàn)象。Zoysa等[28]研究發(fā)現(xiàn),由于植物根系和微生物對(duì)磷元素的吸收利用強(qiáng)烈,而當(dāng)土壤磷緩沖能力較強(qiáng)的時(shí)候,非根際土壤中的磷無法迅速運(yùn)輸至根際,土壤固定磷解吸附作用較弱,造成植物根際磷元素出現(xiàn)了不同程度的虧缺。厲婉華[29]研究也指出杉木等植物根際土壤速效氮含量出現(xiàn)與非根際接近甚至虧缺現(xiàn)象,可能與根際土壤脲酶活性有關(guān)[9]。總而言之,有關(guān)速效養(yǎng)分變化的研究很多,但研究結(jié)果各不相同,產(chǎn)生差異的原因可能與植物根系分泌物、土壤pH值、鈣離子、微生物活性以及植物吸收、轉(zhuǎn)化和利用能力等因素有關(guān)。

3.3 兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)性

土壤是對(duì)微生物產(chǎn)生顯著影響的生態(tài)微環(huán)境,如土壤養(yǎng)分、水分、物理性狀等因子直接或間接影響著微生物結(jié)構(gòu)與活性[30],而微生物從另一方面又對(duì)土壤肥力改善與穩(wěn)定性產(chǎn)生作用。在對(duì)土壤微生物與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)研究中,許多研究表明有機(jī)質(zhì)是影響土壤微生物數(shù)量和生物量的重要因子[31-32],與細(xì)菌數(shù)量、微生物量呈正相關(guān)[33]。土壤全量和速效養(yǎng)分對(duì)微生物數(shù)量和生物量的相關(guān)關(guān)系在不同的研究中結(jié)論不同[34-35],研究區(qū)域、研究方法與植被類型等不同均是土壤微生物與土壤環(huán)境的相互關(guān)系產(chǎn)生差異的原因。在本研究中,影響油蒿和中間錦雞兒群落土壤微生物數(shù)量和生物量碳和氮的土壤因子是有機(jī)質(zhì)、pH值、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀,其中,對(duì)兩種植被恢復(fù)類型土壤微生物數(shù)量和生物量有正向作用的主要因子是土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和全氮含量。

3.4 兩種植被恢復(fù)類型土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是檢測(cè)土壤退化與恢復(fù)效果的重要手段,也是評(píng)價(jià)土壤可持續(xù)利用與有效管理的基礎(chǔ)?？茖W(xué)的選取評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量具有重要意義。鄭昭佩等[36]提出應(yīng)該加入土壤微生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。本研究選取了14個(gè)基于土壤微生物學(xué)和化學(xué)性質(zhì)的指標(biāo),可在一定程度上反映土壤肥力和生物活性。有研究表明,植被恢復(fù)可有效提高土壤綜合質(zhì)量[3],通過土壤綜合指數(shù)可以衡量土壤質(zhì)量的改善效果。在本研究中,土壤綜合指數(shù)排序?yàn)椋河洼锔H>中間錦雞兒根際>油蒿非根際>中間錦雞兒非根際>流沙對(duì)照,與流沙對(duì)照相比,油蒿、中間錦雞兒群落土壤SQI值分別提高了1307.83倍和822.67倍。從研究結(jié)果來看,兩種植被恢復(fù)類型均不同程度的改善了土壤狀況,其中,自然恢復(fù)的油蒿群落恢復(fù)效果較好,能較大幅度提高土壤質(zhì)量,在庫布齊沙地生態(tài)恢復(fù)過程中可以重點(diǎn)考慮作為適合途徑之一。

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Soil microbes and the chemical properties of the rhizosphere and non-rhizosphere soil under two types of vegetation restoration in the hobq sandy land of inner mongolia, China

DAI Yating1,2,HOU Xiangyang1,2,*, YAN Zhijian1,2,WU Hongxin1,2,XIE Jihong1,2,ZHANG Xiaoqing1,2,GAO Li1

1GrasslandResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Huhhot010010,China2KeyLaboratoryofGrasslandResourcesandUtilization,MinistryofAgriculture,Huhhot010010,China

Two widely-distributed and efficient sand-fixing shrubs in the Hobq Sandy Land,ArtemisiaordosicaandCaraganaintermedia, have received considerable attention related to their role in the process of vegetation restoration. This paper addresses the natural restoration ofA.ordosicaand the reintroduction ofC.intermediain the Hobq Sandy Land, begun in 1995. Variations in the soil microorganisms and chemical properties of the rhizosphere and non-rhizosphere soils were compared in areas restored with eitherA.ordosicaorC.intermedia. This was carried out using field investigations, indoor biochemical experiments, and statistical methods. The measured variables included the total abundance of microorganisms, the abundance of soil bacteria, fungi, and actinomycetes, the amounts of C and N in the microbial biomass and measures of soil organic matter, soil pH, total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen, available phosphorus, and available potassium. The relationship between soil microorganisms in the rhizosphere and soil chemical properties was also studied. Meanwhile, a synthetic index method was used to evaluate the effects of these two plant species on the recovery of the soil ecosystem, with the goal of providing scientific evidence to support vegetation restoration and redevelopment in the Hobq Sandy Land. Untreated sandy land subject to natural moving sand conditions was used as a control. The main findings were as follows: (1) compared to untreated sandy land, vegetation restoration resulted in varying increases in both the soil microbe abundance and microbial biomass of both the rhizosphere and non-rhizosphere soil of the two types of vegetation restoration analyzed here. Among these variables, the total numbers of microorganisms and bacteria, as well as the quantities of C and N in the microbial biomass of the rhizosphere, were higher in sites restored withA.ordosicathan in sites withC.intermedia. In addition, the numbers of fungi and actinomycetes in the rhizosphere of sites restored withC.intermediawere higher than that of sites withA.ordosica; this shows that the rhizosphere environment in areas with naturally restoredA.ordosicais more conducive to increases in microbial activity than areas with reintroducedC.intermedia. (2) The soil organic matter, soil total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen, and available potassium content of both the rhizosphere and non-rhizosphere soil under these two types of vegetation restoration were higher than in untreated sandy land. Among the soil conditions, the soil organic matter, soil total nitrogen, and available nitrogen content of both the rhizosphere and non-rhizosphere soil were higher in sites withA.ordosicathan in those withC.intermedia, showing that the soil nutrient enrichment was significantly higher at sites restored withA.ordosica. (3) The soil factors that affect the quantity of soil microbes present, as well as amounts of C and N in the microbial biomass of areas restored withA.ordosicaandC.intermedia, include soil organic matter, pH, total nitrogen, available nitrogen, available potassium, and available phosphorus. Among these, soil organic matter, total nitrogen, and available potassium had a positive effect on the quantities of soil microbes as well as the amounts of C and N in the microbial biomass under the two types of vegetation restoration analyzed here. (4) The synthetic index method was used to calculate a soil quality index that was based on 14 soil quality indices; the order of the values of the soil quality indices was as follows: rhizosphere soil ofA.ordosica> rhizosphere soil ofC.intermedia> non-rhizosphere soil ofA.ordosica> non-rhizosphere soil ofC.intermedia> soil of untreated sandy land. The results confirm that the effects of theA.ordosicacommunity on the soil during natural restoration were better for soil improvement than those of theC.intermediacommunity, making theA.ordosicacommunity more appropriate for use in the ecological restoration of the Hobq Sandy Land.

microorganism; rhizosphere; soil chemical properties; soil quality assessment

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(1610332014026)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB138806)

2015- 04- 19;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201504190802

*通訊作者Corresponding author.E-mail: houxy16@126.com

戴雅婷,侯向陽,閆志堅(jiān),吳洪新,解繼紅,張曉慶,高麗.庫布齊沙地兩種植被恢復(fù)類型根際土壤微生物和土壤化學(xué)性質(zhì)比較研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(20):6353- 6364.

Dai Y T,Hou X Y, Yan Z J,Wu H X,Xie J H,Zhang X Q,Gao L.Soil microbes and the chemical properties of the rhizosphere and non-rhizosphere soil under two types of vegetation restoration in the hobq sandy land of inner mongolia, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6353- 6364.