李 懿, 杨子松

(阿坝师范学院 资源与环境学院, 四川 阿坝 623002)

在土壤中，微生物具有极其重要的作用，虽然占据了不到3%的比例，却发挥了巨大的活性作用，能够有效促进生态系统养分循环。它不仅能够矿化、分解土壤中的养分，固持、促进和调控营养物质[1-2]，尤其是碳和养分的循环，还具有储存营养物质的功能，可作为营养物质储存的资源库，同时对土壤环境的变化非常敏感，能够及时准确反映土壤环境质量，常常被作为生物指标使用[3]。土壤微生物是促进土壤养分循环的关键性因素，理解其与土壤养分分布的关系，能够帮助人们了解生态系统中养分循环的情况。了解养分循环，需要了解微生物的生物量，指土壤中体积小于5 000 μm3的生物总量，不包括活植物体[1-2]。土壤和植被彼此影响、作用和制约，土壤是植被生长发育的根基，具有一定的基础性和包容性；植被又能够通过自身的生长和凋落影响土壤环境、肥力以及区域气候情况，提高土地的可利用价值[6]。

土地利用是人类利用自然获取能量与物质的途径，通过人为因素，干扰了土地利用的情况，造成土地利用结构和类型的变化[14]。人类利用土地后，在一定程度上会改变土壤的营养成分构成，如循环、数量等，以及土地的贫瘠或肥力状况，并改变土壤的水热条件，从而加速了土壤养分循环的速度和土壤肥力的变迁[15-16]。四川岷江流域地处我国西南地区，地形地貌复杂多变，多紫红壤，人们利用土地方式也很多，主要包括灌丛、次生林、撂荒地、果园和耕地等多种情况。在人口日益增长和经济不断发展的前提下，该地区尤其是岷江流域中下游，土地与人口之间的关系日渐紧张和突出，对土地的开垦非常频繁，对土地肥力的保持相对不利。要改变土地利用方式，需要从土壤质量、肥力的提高和恢复入手，构建良好的植被环境，并对土壤中的有机碳积累、循环和平衡产生一定的影响。本文主要以不同种类的利用方式为前提，分析土壤养分对土壤微生物特征的影响，从而促进土地的有效管理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

岷江源自岷山，干流长度为735 km，流水量大，流域广，落差大，分别为13.3万km2和3 560 m，支流众多。岷江可分为上中下游三个区段，都江堰市为上游和中下游的主要节点。岷江上游地形复杂多变，峡谷连绵，地广人稀，耕地更少；中下游地势较低，多丘陵平原，工农业和交通事业发达，从而导致人口和耕地较多，所以选取了中下游为研究区域。该区域的气候呈温带—亚寒热带，年均气温在17℃左右，高低温波动范围在38℃和-4℃之间，并由上游至下游呈升高趋势。该地区的雨季较明显，汛期较长，集中在6—9月，且暴雨多发。汛期的雨量能够达到全年雨量的80%以上。该地区的自然资源较丰富，尤其是水能资源最为突出，耕地资源为紫色土，分布区域很广。

1.2 样品采集

以岷江中游流域为范围，选择耕地、次生林、果园、灌丛、撂荒地5种土地类型，选取的年份时间为2014—2018年。每种土地类型又选择3个重复长期监测样地(面积大约100 m×100 m)。撂荒地多为废弃土地，95%区域覆盖紫茎泽兰；灌丛以热性为主，多与果园相邻，植被覆盖度20%～40%，灌木(杜鹃)是主要树种，植被大部分为三色堇、马兰、旱金莲等；果园以退耕还林的田地为主，植被覆盖度为50%～80%，大多种植苹果，其间生长有草本、灌木和苔藓等；次生林以封育多年后的森林构成，80%区域覆盖有植被；耕地是采用了该区域内比较传统的种植方式，植被覆盖度<10%，多种植蔬菜、豌豆、烟草等，其间夹杂紫茎泽兰群落。以上5种土地类型的土壤均为红紫土壤，选择坡度均小于5°的土壤，在每个样地和采样点分别进行3个和5次重复，后者作为平行，5个平行之间间隔2 m，在剖面选取0—20 cm的原状土样。取样土壤分成两部分，一部分采取自然风干的做法，另一部分维持原样，在4℃保存，最终检测土壤的养分和微生物的数量和种类。

1.3 土壤微生物群落功能多样性

有机碳采用重铬酸钾—外加热法；全氮采用半微量凯氏定氮法；全磷和有效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；全钾和有效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法[10]。

土壤多样性分析所用数据需要在Biolog-Eco下进行72 h的温育处理，之后将等同于10 g烘干土壤的土样加入NaCl溶液，要求浓度为0.145 mol/L，并进行长达30 min的振荡，然后将其中的100 μl接种于Eco板后读数，恒温培养要求在25℃下进行216 h，并隔12 h一次读数；之后，在NaCl溶液中进行稀释后进行恒温培养，并做好吸光值记录。

通过分析其对碳源的反应情况来探究微生物对碳源的利用水平，在研究中常用平均每孔颜色变化率AWCD来表示，该值越大说明其具有较高的微生物丰度，计算如下方式[17]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

式中：Ci，R分别表示第i孔、对照孔的吸光值。

物种丰富度指数H=-∑Pi(lnPi)

式中：Pi为第i孔的相对吸光值比值，计算公式:

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

碳源利用丰富度指数S=被利用碳源的总数

优势度指数Ds=1-∑Pi

均匀度指数E=Ds/HD

1.4 数据分析

Excel 2013.0和SPSS 21.0统计和分析数据，以2014—2018年5 a的平均值±标准误差表示(Mean±SE)，单因素方差分析(One-way ANOVA)，Pearson相关系数法检验各指标之间的相关性，CANOCO 4.5分析土壤养分对微生物多样性与环境因子的响应。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤养分的影响

表1显示不同土地利用方式下土壤养分特征，土壤pH值变化范围为6.13～7.02，其大小依次表现为撂荒地<次生林<灌丛<果园<耕地，其中耕地和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有机碳变化范围为4.51～9.77 g/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全氮变化范围为1.02～1.69 g/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤全磷变化范围为0.83～0.91 g/kg，不同土地利用土壤全磷差异不显著(p>0.05)；土壤全钾变化范围为12.17～26.39 g/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用土壤全钾差异均显著(p<0.05)；土壤有效磷和有效钾变化范围为24.90～39.84 mg/kg，33.58～54.81 mg/kg，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用土壤有效磷和有效钾差异均显著(p<0.05)。

表1 不同土地利用方式对土壤养分的影响

2.2 不同土地利用方式对土壤微生物数量的影响

由表2可知，不同土地利用土壤微生物数量及组成不同，其中以细菌数目最多，占到90%以上。土壤细菌数目变化范围为(1.02～1.69)×105，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和次生林差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；土壤真菌数目变化范围为3.02万～8.09万，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛、果园和耕地差异不显著(p>0.05)；土壤放线菌数目变化范围为5.01万～10.15万，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛、果园和耕地差异不显著(p>0.05)；土壤微生物总数目变化范围为(3.54～6.22)×106，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛、果园和耕地差异不显著(p>0.05)。

表2 土壤微生物种群数量垂直分布

2.3 不同土地利用方式对土壤微生物群落多样性

由表3可知，不同土地利用土壤微生物群落功能多样性指数存在一定差异，其中物种丰富度指数(H)变化范围为1.79～3.68，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，灌丛和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最低(p<0.05)；均匀度指数(E)变化范围为0.61～0.99，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用均匀度指数(E)差异不显著(p>0.05)；优势度指数(Ds)变化范围为0.51～0.70，其大小依次表现为撂荒地<次生林<灌丛<果园<耕地，不同土地利用优势度指数(Ds)差异不显著(p>0.05)；碳源利用丰富度指数(S)变化范围为9.45～16.47，其大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用碳源利用丰富度指数(S)差异均显著(p<0.05)。

表3 土壤微生物群落多样性垂直分布

2.4 土壤养分、微生物数量与微生物多样性之间相关性

土壤养分为微生物提供氮源和碳源，而要获知土壤养分与微生物群落多样性之间的关系，需要通过相关性分析才能获知，具体见表4，5。研究发现，微生物多样性受到土壤养分的正向影响(p<0.01)；在土壤养分各指标和微生物数量的相关系数方面，与物种丰富度指数(H)和碳源利用丰富度指数(S)相比，优势度指数(Ds)和均匀度指数(E)相对较低，且受微生物数量和土壤养分影响较小。所以，影响微生物群落功能多样性的因素为土壤养分和微生物数量，土壤养分的作用更大，土壤pH的贡献为负，由此造成不同土层土壤微生物群落多样性存在较大差异，也凸显了有机碳和全氮作为养分来源的重要作用。

表4 土壤养分与微生物多样性之间相关性

表5 土壤微生物数量与微生物多样性之间相关性

2.5 土壤微生物群落多样性与土壤养分、微生物数量的典范相关分析

土壤微生物指标一般可被分为3组变量。第1组变量由土壤养分构成，主要包括全氮、全钾、有机碳、有效氮、全磷、有效钾、有效磷等；第2和第3组变量由土壤微生物数量组成，主要包括真菌、细菌和放线菌。挖掘土壤微生物群落多样性、土壤养分、微生物数量的内在联系时，大多采用典范相关分析见表6。由表6可知，土壤微生物数量、土壤养分等都对土壤微生物群落的多样性产生了一定的影响，其中，土壤微生物数量具有显著影响，相关系数绝对值较大。

表6 土壤微生物群落多样性与土壤养分和微生物数量的典范相关分析

对于微生物群落来说，环境因子是重要影响因素，主要表现在分布及特性两方面。水热及地形地貌，都会对微生物的分布和活动情况产生影响，而对微生物群落分布进行对比研究时，一般多采用冗余分析RDA的方法进行。土壤中有机质的含量一般与周围环境、植被分布、凋落物情况有关。为弄清楚环境因子与微生物活动之间的关系，本文主要采用RDA进行探究。其中，响应变量主要是微生物的多样性，解释变量主要包括土壤养分和微生物数量。在研究中，可以将微生物及环境因子的排序呈现在一张图中，箭头象限表示相关性，箭头长度表示相关程度，相关性的强弱由夹角表示；经过试验可知，前两个排序轴的累积解释率为85.38%，85.38%，第一个因子的解释率为52.19%，并且统计检验显著(p<0.05)，由此说明环境因子与微生物之间具有明显的制约作用。另外，研究还发现，微生物的多样性除了与土壤pH值存在一定关系外，还与土壤养分含量及变化、微生物的数量呈正相关关系，有机碳及全氮作为主要影响因子而影响了微生物的分布；而土壤pH值的变化，会使土壤的肥力和活性产生较大影响，呈现负相关情况。

图1 土壤微生物多样性与土壤养分、

3 讨论

土壤养分往往会受到土地利用方式的影响和改变。在多种类型的土地中，耕地受到的影响最小，其次是果园、灌丛、次生林，撂荒地最易受到影响。不同的土地利用方式虽然会改变土壤养分的构成，但是却不会影响土壤中的全磷含量(p<0.05)，这是因为磷素具有沉积性的特征，不能有效促进微生物分解和变化，缺乏一定的变异空间[18]。人们发现，由于灌丛、次生林、撂荒地的自然性较强，动植物残体和腐殖化物质更多地进入土壤中，土壤中的生物量和有机物含量丰富，明显多于果园和耕地。而耕地经常被人类开垦，没有较多的落叶和动植物残体等进入土壤中，有机碳含量比较少[19-20]。另外，耕地种植的植被密度较小，种植年份较短，没有形成像林地那样庞大的地下根系[21]。在植被丰富的土壤中，植物的根系会释放分泌物，其中含有的高分子黏质有较强的黏着力，牢固粘着土壤颗粒，帮助形成有机碳，从而影响土壤的物理化学性质和微生物含量，间接影响了土壤中的养分。耕地则没有丰富的根系分泌物，导致土壤中的有机碳含量数量有限[20-21]。

本研究中，土壤微生物以细菌数目最多，占到90%以上，土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总数目大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地。根据培养第100小时的AWCD值计算土壤微生物群落的物种丰富度指数(H)、均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)和碳源利用丰富度指数(S)。结果表明，土壤微生物多样性指数大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)差异不显著(p>0.05)。不同的微生物群落，其对碳源的利用能力也会出现较大差异，这主要是其群落分布数量及功能等方面存在较大差异，在微生物研究过程中常常使用丰度及多样性指数开展相应的研究[22-24]。微生物能够将腐殖质等有机质进行分解及降解，从而使之能够转化为土壤养分以供植物吸收利用，这样形成了土壤肥力和养分；另一方面，微生物活动也需要必要的养分以维持其新陈代谢等活动，该部分养分主要来源于土壤，因此二者的关系密切[25-26]。本研究的相关性分析表明土壤养分、土壤微生物数量均与土壤微生物群落多样性具有显著的相关性(p<0.05)，其中，土壤微生物数量对微生物群落多样性的贡献最大(其相关系数绝对值最大)，此外，pH值与土壤微生物多样性呈显著的负相关，土壤pH不断升高的情况下，微生物分布反而减少，说明二者存在显著负相关，这表明微生物不适宜在过高pH状态下生长发育；而碳、氮等土壤养分不断增加的情况下，微生物分布种类更多且更均匀，说明二者存在明显的正相关关系，其中有效养分与微生物功能多样性之间在0.01检验水平下达到显著正相关；与优势度指数相比而言，丰度、均匀度指数与土壤养分的相关系数更高(表5)，说明土壤养分对丰富度及均匀度产生更大的作用，与此同时，土壤环境因子的复杂性使得微生物分布也具有很大的复杂性。

4 结 论

(1) 岷江流域不同土地利用方式下土壤pH值大小依次表现为撂荒地<次生林<灌丛<果园<耕地，其中耕地和果园差异不显著(p>0.05)，耕地最高(p<0.05)；土壤有机碳、全氮、全钾、有效磷和有效钾大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，土壤有效磷和有效钾差异均显著(p<0.05)，而不同土地利用土壤全磷差异不显著(p>0.05)。

(2) 土壤微生物以细菌数目最多，占到90%以上，土壤细菌、真菌、放线菌和微生物总数目大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地。土壤微生物物种丰富度指数(H)、均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)和碳源利用丰富度指数(S)大小依次表现为撂荒地>次生林>灌丛>果园>耕地，不同土地利用均匀度指数(E)、优势度指数(Ds)差异不显著(p>0.05)。

(3) 相关性分析表明土壤养分、土壤微生物数量均与土壤微生物群落多样性具有显著的相关性(p<0.05)，其中，土壤微生物数量对微生物群落多样性的贡献最大(其相关系数绝对值最大)。冗余分析表明土壤微生物群落多样性与土壤养分含量均呈正相关(除了pH)；有机碳和全氮与丰富度指数相关性最大，由此可知，有机碳和全氮是影响该区土壤微生物群落多样性分布的主要因子。