楊澤良, 任建行, 況園園, 李萍芳, 向國紅， 薛濤

(1.湖南人文科技學院 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院, 湖南 婁底 417000； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，長沙410128)

土壤是植物生長的基礎(chǔ)和土壤肥力的重要標志，土壤不僅影響植被的發(fā)生、發(fā)育和演替速度，而且也對生態(tài)系統(tǒng)過程、生產(chǎn)力和結(jié)構(gòu)具有重要影響[1-3]。土壤微生物量是指示植被恢復過程中生態(tài)系統(tǒng)健康水平的重要指標，對土壤養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和植被生態(tài)恢復產(chǎn)生重要影響[4-5]；另一方面，微生物量周轉(zhuǎn)快，對環(huán)境變化敏感，能夠反映土壤質(zhì)量在時間序列或不同環(huán)境條件下的變化[6]。土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的成分，對土壤養(yǎng)分循環(huán)、礦物分解起著決定性作用，對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變化也較敏感。同時，土壤微生物擔負著分解動、植物的重要使命，推動生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)[7-9]。

喀斯特地貌是世界上主要的地貌類型之一，由于其土層發(fā)育淺、成土速率低、土壤滲漏性強，巖石界面與土壤之間缺乏風化母質(zhì)的過渡層，其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，與黃土高原、荒漠、寒漠地區(qū)并列為我國四大生態(tài)脆弱區(qū)[10-11]。桂西北喀斯特地處西南喀斯特南部的過度地帶，其景觀單元為峰叢洼地，伴有大量山地草地，資源短缺，人類通過不斷的采伐、開墾、采樵、采礦和旅游開發(fā)對本來脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境進行不斷的破壞，絕大部分森林已經(jīng)退化成灌叢或者草坡，造成其生境質(zhì)量嚴重下降，水土流失嚴重[12]；而進入60年代中期，人為干擾顯著減少，植被自然恢復了30 a，但大部分地區(qū)仍持續(xù)在草叢和草灌叢階段[8,10-11]。自20世紀80年代中期對這一區(qū)域采取一系列環(huán)境保護措施后，人為干擾顯著減少，植被得到緩慢恢復，形成了綜合治理人工林、自然恢復次生林和自然保護原生林等生態(tài)系統(tǒng)[13]。為了遏制石漠化不斷擴張的態(tài)勢，許多學者對喀斯特地區(qū)不同環(huán)境條件下的土壤微生物特性進行了研究，結(jié)果表明，不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物的空間分布格局不同，退耕還林還草措施能改善土壤微生物特性，其中以自然恢復方式效果最佳。但是，喀斯特地區(qū)不同土地利用方式土壤微生物群落特征相關(guān)研究甚少[14]。也有學者對該區(qū)域土壤微生物生物量和酶活性展開研究，但是，對于該類指標隨植被演替的變化趨勢沒有統(tǒng)一的認識。部分研究結(jié)果表明喀斯特地區(qū)土壤微生物生物量隨植被的恢復而增加[11]，然而也有研究顯示土壤微生物生物量碳(SMBC)和土壤微生物生物量氮(SMBN)隨植被正向演替呈先增加后降低的趨勢[12]。綜上所述，已有研究對喀斯特地區(qū)土壤微生物生物量隨植被演替的變化趨勢有了初步了解，但是由于喀斯特景觀類型多樣，不同研究的結(jié)果并不一致，應(yīng)有更多針對典型地域的深入研究對其提供理論支持。此外，應(yīng)結(jié)合土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分來深入探討土壤微生物生物量和群落多樣性與土壤環(huán)境因子的相互關(guān)系，明確土壤微生物學特性隨植被演替而變化的驅(qū)動因素。本文借鑒前人的研究成果和存在的問題，在喀斯特峰叢洼地4個典型生態(tài)系統(tǒng)(草地、灌叢、次生林、原生林)中，分析不同演替階段下土壤微生物群落多樣性及微生物生物量碳、氮、磷的特征，以及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，以期為該地區(qū)乃至整個喀斯特地區(qū)植被恢復與生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇的是廣西古周村自然保護區(qū)典型喀斯特叢洼地貌，地處環(huán)江縣西南，海拔在800 m以上，呈現(xiàn)亞熱帶季風氣候，通過近年來的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，該地區(qū)的年均氣溫在18℃，年均降雨量為1 380 mm，整個雨季從4月開始持續(xù)到9月份，長達130 d；該地區(qū)土壤主要是石灰土，這種土壤結(jié)構(gòu)是石灰?guī)r在長年的風化作用導致的，灌木和次生林的土層都不厚，基本上在30 cm以下，并且不同區(qū)域呈現(xiàn)較大差異；地土層相對較厚，平均約為40 cm。古周村是喀斯特生態(tài)移民遷出區(qū)，雖已實施“退耕還林還草”工程多年，但仍有村民居住。由于人類干擾強度和封育年限不同，不同演替階段的植被均有分布。其中，退耕草地的恢復年限為8～15 a，優(yōu)勢種以五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)等為主；灌木林封育年限為20～30 a，至今偶有砍伐，優(yōu)勢種主要為紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、廣西密花樹(Rapaneakwangsiensis)等；次生林封育年限為50～60 a，少有砍伐，優(yōu)勢種為聚果羊蹄甲(Bauhiniabrachycarpavar.cavaleriei)、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)等；次生林喬木層下伴生有扁擔藤(Tetrastigmaplanicaule)、藤黃檀(Dalbergiahancei)等藤本，以及麒麟尾(Epipremnumpinnatum)、腎蕨(Nephrolepiscordifolia)等林下物種[10-11]。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣地設(shè)置 本研究采用“空間代替時間”的方法，于2017年12月—2018年1月，結(jié)合研究區(qū)植被現(xiàn)狀，選取草叢、灌木林、次生林和原生林(常綠落葉闊葉林群落)4種不同演替階段的典型群落。每種植被類型選取3條不同坡向的標準樣線，其中1條每隔30 m設(shè)3個標準樣方(20 m ×20 m)。共設(shè)樣方108個。每個樣方分成大小相同的4個亞樣方，每個亞樣方設(shè)置采樣點5～8個，用內(nèi)徑2.5 cm的土鉆按S形在有土被分布的小生境取表層0—20 cm土壤樣品，混合之后作為該亞樣方的土壤樣品，合計432個土壤樣品。土壤樣品采集后，及時帶回實驗室，去除樣品中的石礫、根系和土壤動物等，一部分過2 mm篩后于4 ℃冰箱保存，用于測定土壤微生物生物量碳、氮；一部分風干后制樣，用于分析理化性質(zhì)和養(yǎng)分。此外，挖取土壤剖面用環(huán)刀取樣以測定土壤容重，同時用鋁盒測定土壤含水量。

1.2.2 土壤樣品的測定 采用平板菌落計數(shù)法測定微生物數(shù)目；土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤微生物生物量氮(MBN)和土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸—K2SO4提取—自動分析法，參照吳金水等[15]的步驟，提取液中C采用總有機碳自動分析儀(TOC 2500)測定，N采用流動注射儀(FIAstar5 000)測定，P采用鉬藍比色法測定。土壤全碳和全氮采用元素分析儀；速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效氮采用NaOH—H3BO3法；速效鉀和全鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法[16]。

1.2.3 土壤微生物群落功能多樣性 土壤微生物群落功能多樣性可以用Shannon多樣性指數(shù)、McIntosh指數(shù)和Simpson指數(shù)來表征。Biolog-Eco微平板中單一碳源的反應(yīng)程度，即土壤微生物對單一碳源的利用能力，采用平均每孔顏色變化率(Average well color development，AWCD)來描述。AWCD值較大表示土壤微生物具有較高的碳源利用能力和微生物豐度，AWCD的計算公式為[15]：

AWCD=∑(Ci-Ri)/nPi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

式中：Ci為每個有培養(yǎng)基孔的吸光值；Ri為對照孔的吸光值；Pi為第i孔的相對吸光值與所有整個微平板的相對吸光值總和的比值；n為培養(yǎng)基孔數(shù)；Biolog-Eco板n值為31。

H=-∑Pi(lnPi)

Ds=1-∑Pi

式中：H為物種豐富度指數(shù)；Ds為優(yōu)勢度指數(shù)。

Excel 2010和SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差檢驗，以平均值±標準誤差表示(Mean±SE)，單因素方差分析(One-way ANOVA)，所有原始數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換；變量的顯著性經(jīng)過的蒙特卡洛(Monte Carlo)檢驗(499次)，CANOCO 4.5軟件進行排序分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被演替階段土壤養(yǎng)分

不同植被演替階段的土壤養(yǎng)分見表1，植被演替對土壤養(yǎng)分有很大影響，除了土壤容重和全磷含量以外，由草地到原生林的演替過程中，土壤養(yǎng)分均呈顯著的變化趨勢(p<0.05)。pH值變化范圍在6.14～7.13，隨著演替的進行，土壤pH值逐漸減小。土壤含水量變化范圍在9.53%～14.02%，隨著演替的進行，土壤pH值逐漸增加。土壤有機碳、全氮、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量隨著演替而逐漸增加趨勢，其大小依次變現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，其中不同演替階段土壤有機碳全氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量差異均顯著(p<0.05)。綜合來看，演替對土壤有效養(yǎng)分的降低幅度最大，表現(xiàn)最為敏感。

表1 不同植被演替階段土壤養(yǎng)分

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同植被演替階段土壤微生物生物量

由表2可知，植被演替對土壤微生物生物量有較大的影響，由草地到原生林的演替過程中，土壤微生物生物量均呈顯著的變化趨勢(p<0.05)。其中MBC，MBN變化范圍在269.23～452.01 mg/kg，62.32～201.78 mg/kg之間，隨著演替而逐漸增加趨勢，其大小依次變現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，其中不同演替階段MBC，MBN差異均顯著(p<0.05)；MBP變化范圍在15.26～21.03 mg/kg，其大小依次變現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，其中灌叢和次生林MBP含量差異不顯著(p>0.05)。MBC/MBN隨著演替的進行呈逐漸減小趨勢，MBC/MBP和MBN/MBP隨著演替的進行呈逐漸增加趨勢。

表2 不同植被演替階段土壤微生物生物量

2.3 不同植被演替階段土壤微生物數(shù)量

由圖1可知，桂西北喀斯特不同植被演替階段土壤微生物數(shù)量及組成不同，其中以細菌數(shù)目最多，土壤微生物種群總數(shù)量和放線菌數(shù)目依次為原生林>次生林>灌叢>草地，其中原生林和次生林差異不顯著(p>0.05)；土壤細菌數(shù)目依次為原生林>次生林>灌叢>草地，不同演替階段土壤細菌數(shù)目差異均顯著(p<0.05)；土壤真菌數(shù)目依次為原生林>次生林>灌叢>草地，其中次生林和灌叢土壤真菌數(shù)目差異不顯著(p>0.05)。

圖1 不同植被演替階段土壤微生物種群數(shù)量

2.4 不同植被演替階段土壤微生物群落多樣性

微生物群落多樣性指數(shù)可用來指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根據(jù)培養(yǎng)第100小時的AWCD值計算土壤微生物群落的物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)。結(jié)果表明，不同演替階段土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定差異，其中物種豐富度指數(shù)(H)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)依次表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，不同演替階段物種豐富度指數(shù)(H)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)差異均顯著(p<0.05)；均勻度指數(shù)(E)依次表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草地，次生林和灌叢差異不顯著(p>0.05)；而優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)依次表現(xiàn)為原生林<次生林<灌叢<草地，不同演替階段優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)差異不顯著(p>0.05)。

2.5 土壤微生物與養(yǎng)分的典型相關(guān)分析

將不同植被演替階段土壤微生物指標分成3組變量，其中，土壤養(yǎng)分(有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀)構(gòu)成第1組變量，土壤微生物量(MBC，MBN和MBP)、土壤微生物數(shù)量(細菌、真菌和放線菌)分別構(gòu)成第2，3組變量。用典范相關(guān)分析來研究土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和微生物量之間的關(guān)系(表3)，由表可知，土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、土壤微生物數(shù)量均與土壤微生物群落多樣性具有顯著的相關(guān)性，其中，土壤微生物量對微生物群落多樣性的貢獻最大(其相關(guān)系數(shù)絕對值最大)。

圖2 不同植被演替階段土壤微生物群落多樣性

表3 土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和

微生物具有多樣性，但是植被分布、土壤特性等一系列環(huán)境因素會對其產(chǎn)生至關(guān)重要的影響作用，這也是微生物群落分布差異較大的原因之一，本試驗通過冗余分析的方法來探究微生物群落、環(huán)境因子之間的復雜作用關(guān)系，并主要探究其相關(guān)性程度，環(huán)境因子直接決定土壤微生物分布，為了探究多個環(huán)境因子的影響機理，通過冗余分析能夠?qū)⒍喾N環(huán)境因子結(jié)合起來，其中的響應(yīng)變量為微生物群落多樣性，而相應(yīng)的解釋變量主要是養(yǎng)分、微生物量及數(shù)量等，借助于統(tǒng)計分析來提取相關(guān)性較高的解釋變量；在該研究方法的介入下，能夠在一個圖上同時顯示響應(yīng)變量、解釋變量排序，通過重要性區(qū)分來更直觀剖析其關(guān)系，并分析其影響的相關(guān)程度。通過試驗中的RDA排序圖可知(圖3)，前兩個排序軸對響應(yīng)變量的解釋度分別是38.9%，28.5%，并通過了顯著性檢驗；研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分與微生物多樣性存在顯著正相關(guān)關(guān)系，也就是說在土壤養(yǎng)分供應(yīng)充足的情況下能夠利于微生物生長及新陳代謝活動，從而利于微生物生長發(fā)育等；通過RDA第1排序軸可以看出，在土壤養(yǎng)分各含量上升的情況下，微生物豐富度指數(shù)也隨之上升，但該指數(shù)與pH值、BD均呈顯著負相關(guān)；不僅MBN，SOC與微生物豐富度關(guān)系較為明顯，細菌數(shù)目也與之存在很大相關(guān)性，綜合來看，微生物群落分布的主要影響因子有MBN，SOC和細菌數(shù)目。

圖3 土壤微生物與與土壤養(yǎng)分的RDA排序

3 討論與結(jié)論

近年來，隨著退耕還林還草、天然林保護工程和石漠化治理工程的全面實施，以及各種環(huán)保政策的落實，喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)正在逐步恢復[15]。土壤微生物、養(yǎng)分也在不斷發(fā)生變化，喀斯特峰叢洼地碳酸鹽巖風化過程中生成的次生礦物源源不斷地釋放各種養(yǎng)分，土壤肥力逐步增強，改善了土壤的微生物性狀，共同調(diào)控了植被的物種組成、群落類型和生長發(fā)育狀況[15]；植物的生物量累積和凋落物反過來不斷地改善土壤肥力和微生物性狀[17-20]。本試驗中，原生林具有最高水平的微生物種群分布，不僅存在較多數(shù)量的種群，而且具有大量的細菌和放線菌，其次是次生林、灌叢，而草地微生物群里分布最低；微生物群落分布中數(shù)量最多的是細菌[13-15]，其中原生林中微生物細菌數(shù)量最多，其次是次生林、灌叢，最少的是草地；綜合來看，原生林土壤微生物具有較強的生存能力，且具有多種群落分布，這也印證了以往學者的研究。

土壤微生物生物量是研究土壤質(zhì)量理想的生物學指標。土壤微生物生物量碳、氮、磷的高低是衡量土壤生物肥力的重要指標[20-22]?？λ固胤鍏餐莸氐耐寥牢⑸锷锪刻?、氮、磷含量均接近和超過了亞熱帶稻田土壤，以原生林土壤含量最高。這表明在喀斯特峰叢洼地脆弱生態(tài)系統(tǒng)中，植被恢復對土壤微生物生物量的影響顯著，也反映了土壤微生物生物量在監(jiān)測土壤質(zhì)量中具有指示作用。在無外部因素干擾的情況下，土壤微生物生物量并不能完全反映微生物的活性、結(jié)構(gòu)和功能，因此除分析其絕對量外，還應(yīng)考慮微生物生物量碳、氮、磷在全碳、全氮和全磷中的比例。有研究表明，旱地土壤表層MBC/SOC為0.5%～4%，MBN/TN為2%～6%，MBP/TP為1%～5%。本研究MBC/SOC，MBP/TP均比較低，土壤SOC與MBC，TP與MBP含量同步下降。而土壤微生物生物量碳與微生物量氮(MBC/MBN)的比值是否恒定，不同學者的觀點各異[23-24]。本研究中，灌叢和草地MBC/MBN偏大，原生林和次生林明顯偏低，表明喀斯特峰叢洼地的土壤雖少，但周圍裸露巖石的分布會增加風化凋落物向土壤的輸入，導致土壤有機碳和氮含量較高，微生物代謝功能期長。因此，要維持植物生長所需的氮源和其他營養(yǎng)物質(zhì)，必須提高微生物活性來維持高的物質(zhì)代謝能力。

將不同植被演替階段土壤微生物指標分成3組變量，用典范相關(guān)分析來研究土壤微生物群落多樣性與土壤養(yǎng)分和微生物量之間的關(guān)系(表3)，可以得到，土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、土壤微生物數(shù)量均與土壤微生物群落多樣性具有顯著的相關(guān)性，其中，土壤微生物量對微生物群落多樣性的貢獻最大。RDA的分析表明MBN，SOC和細菌數(shù)目是影響該區(qū)土壤微生物群落多樣性分布的主要因子，這些因子反映了對其微生物群落的指示作用，也能夠表征該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性，但還需要深入研究微生物群落多樣性與生態(tài)因子之間的內(nèi)在聯(lián)系，進而揭示該區(qū)微生物群落格局及其對土壤養(yǎng)分的響應(yīng)。同時研究區(qū)域只局限與小尺度空間范圍，因此大尺度下的微生物群落演替格局有待進一步研究探討。