楊秉珣, 劉 泉, 董廷旭

(綿陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院, 四川 綿陽(yáng)621000)

嘉陵江流域不同土地利用類(lèi)型土壤微生物功能多樣性特征

楊秉珣, 劉 泉, 董廷旭

(綿陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院, 四川 綿陽(yáng)621000)

基于2013—2015年對(duì)嘉陵江流域中游(四川段)不同土地利用類(lèi)型(混交林、草甸、針葉林、闊葉林、灌叢和裸地)土壤生境的調(diào)查分析數(shù)據(jù)，利用Biolog微平板法和磷脂脂肪酸甲酯法(FAMEs)系統(tǒng)研究了土壤微生物多樣性群落特征。不同土地利用類(lèi)型土壤養(yǎng)分和有效養(yǎng)分基本表現(xiàn)為混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地。不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落代謝平均顏色變化率(AWCD)隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加，土壤微生物群落代謝活性依次是混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地。土壤微生物對(duì)不同種類(lèi)碳源的利用強(qiáng)度存在較大差異，碳水化合物和羧酸類(lèi)碳源是不同土地利用類(lèi)型土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類(lèi)、酚酸類(lèi)和聚合物類(lèi)，胺類(lèi)碳源的利用率最小。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(shì)度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)總體趨勢(shì)為混交林最高，針葉林和闊葉林次之，裸地最低，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在不同土地利用類(lèi)型差異并不顯著(p>0.05)。主成分分析結(jié)果表明，從31個(gè)因素中提取的與碳源利用相關(guān)的主成分1，主成分2分別能解釋變量方差的65.154%和81.047%，在主成分分離中起主要貢獻(xiàn)作用的是胺類(lèi)和氨基酸類(lèi)碳源；土壤微生物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分之間呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)，而土壤全碳和全氮含量對(duì)土壤微生物多樣性貢獻(xiàn)較大，這是造成土壤微生物群落功能多樣性差異的主要原因。H，E和S與土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均高于Ds，說(shuō)明了土壤養(yǎng)分對(duì)土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的影響作用較小。

嘉陵江流域; 土地利用; 土壤微生物; 土壤養(yǎng)分

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，作為一種重要的自然資源維持著陸地生態(tài)系統(tǒng)健康，在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)方面起著重要作用[1-2]；土壤養(yǎng)分在養(yǎng)分的分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著主導(dǎo)作用，影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，并且能夠反映出土壤質(zhì)量及健康狀況等[3-5]；土壤微生物參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過(guò)程，是土壤生物化學(xué)特征的重要組成部分，在評(píng)價(jià)土壤肥力、環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地利用等方面有廣泛的作用[6-9]。近年來(lái)，碳素利用法通常用Biolog微平板來(lái)實(shí)現(xiàn)，其理論依據(jù)是Biolog代謝多樣性類(lèi)型的變化與群落組成。Biolog對(duì)功能微生物群落變化較為敏感的指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤微生物群落的功能多樣性，也可以用于估價(jià)土壤微生物群落代謝多樣性和功能多樣性的研究[10-12]。

四川嘉陵江流域地貌類(lèi)型復(fù)雜多變，是我國(guó)土地利用類(lèi)型多樣化的重要區(qū)域，長(zhǎng)期以來(lái)受到自然和高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)的影響，山洪暴發(fā)、泥石流災(zāi)害以及水質(zhì)污染等問(wèn)題日益突出，尤其是嚴(yán)重的水土流失使其生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)脆弱[13-14]。自1998年長(zhǎng)江特大洪水災(zāi)害以來(lái)，該流域的生態(tài)環(huán)境逐漸引起人們重視。土地利用是人類(lèi)活動(dòng)和自然作用相結(jié)合的過(guò)程，隨著該流域人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，嘉陵江流域人口與土地矛盾越顯突出，土地墾殖系數(shù)居高不下。不同土地利用類(lèi)型可以改變土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性及土壤的環(huán)境狀況[15-16]。合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的抵抗力，而不合理的土地利用方式則會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，加速侵蝕，導(dǎo)致土壤退化[15-16]。當(dāng)前了解微生物功能多樣性信息對(duì)于我們明確不同環(huán)境中微生物群落的作用具有重要的意義，可以為控制和優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化微生物群落代謝功能提供理論指導(dǎo)?，F(xiàn)階段的研究比較重視用分子生物學(xué)方法分析微生物群落的功能多樣性。但是，分子生物學(xué)方法要求的勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)、技術(shù)含量較高，難以在較短的時(shí)間內(nèi)分析較多的樣品。而以Biolog-ECO微孔板碳源利用為基礎(chǔ)的定量分析技術(shù)為描述微生物群落功能多樣性提供了一種更為簡(jiǎn)便、快速的方法，并已被廣泛應(yīng)用于比較和評(píng)價(jià)不同類(lèi)型的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[9-10]。鑒于此，本文以四川嘉陵江中下游流域?yàn)檠芯繉?duì)象，連續(xù)3 a的數(shù)據(jù)分析不同土地利用類(lèi)型土壤養(yǎng)分和土壤微生物多樣性差異，對(duì)該區(qū)域不同土地利用類(lèi)型的管理提供科學(xué)理論依據(jù)，為該流域的綜合治理和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

嘉陵江(102°35′36″—109°01′08″E，29°17′30″—34°28′11″N)是長(zhǎng)江水系中流域面積最大的支流，發(fā)源于秦嶺南麓，向西南流經(jīng)陜西、甘肅、四川、重慶4省，于重慶市匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)1 120 km，流域面積1.598×105km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降水1.494×1011m3，水土流失較為嚴(yán)重，侵蝕面積占到52.14%，是長(zhǎng)江各大支流中水土流失較嚴(yán)重的區(qū)域，整個(gè)流域由嘉陵江干流、渠江和涪江3大水系構(gòu)成。嘉陵江流域的地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，地層以中生界侏羅系紅色巖層分布最廣。土壤類(lèi)型主要有黃壤土、紫色土、水稻土、沖積土、潮土和紅壤等。流域大部分地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，年內(nèi)降水主要集中在5—10月，其中7—9月降水量可占全年的50%以上，上游年降水量600～800 mm，中下游約1 000 mm，多年平均徑流量約7×1010m3。由于復(fù)雜的地貌類(lèi)型、充沛的降水和易侵蝕的土壤等自然環(huán)境及強(qiáng)烈的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，嘉陵江中下游地區(qū)則是長(zhǎng)江流域的重點(diǎn)土壤侵蝕地區(qū)和環(huán)境保護(hù)區(qū)域。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)嘉陵江流域特點(diǎn)和植被劃分原則，采用《中國(guó)植被圖集》的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將整個(gè)流域內(nèi)的植被景觀劃分為針葉林、混交林、闊葉林、灌叢、草甸、裸地6類(lèi)，布設(shè)6×3=18個(gè)樣地(面積由植被類(lèi)型決定)。數(shù)據(jù)為2013年和2015年的9月中旬連續(xù)3 a的平均值(定點(diǎn)采樣)，根據(jù)其植被劃分，每個(gè)植被類(lèi)型選取3個(gè)樣地，每個(gè)樣地布設(shè)5個(gè)樣方，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°，同時(shí)保證其海拔和生境基本一致，對(duì)于草本和裸地，每個(gè)樣地面積50 m×50 m，每個(gè)樣地按“S”曲線(xiàn)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m樣方。采用四分法在每個(gè)樣方內(nèi)取樣(保留1 kg左右)，采用五點(diǎn)取樣法，取樣深度為0—20 cm混合土樣(除去表層的枯落物層)，充分混勻后用無(wú)菌塑料袋4℃保溫箱保存，并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析測(cè)定，所取土樣分為2份，一份新鮮土樣過(guò)40目篩后測(cè)定土壤酶活性，一份自然風(fēng)干(20 d)去除碎片和部分根后過(guò)80目篩后測(cè)定土壤養(yǎng)分。

1.3 土壤養(yǎng)分測(cè)定

一部分土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干20 d后，去除植物根系等雜物過(guò)2 mm篩。土壤pH值采用電極電位法(2.5∶1水土比浸提液)；全碳和全氮含量采用元素分析儀；速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；堿解氮采用NaOH—H3BO3法；有效鉀和全鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法[17]。

1.4 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(lái)表征。在計(jì)算Simpson指數(shù)時(shí)，將數(shù)據(jù)擴(kuò)大1 000倍，以防止出現(xiàn)負(fù)數(shù)。采用Biolog-Eco 溫育72 h 的數(shù)據(jù)進(jìn)行多樣性分析。在無(wú)菌條件下，稱(chēng)取相當(dāng)于烘干質(zhì)量10 g的土壤，加入90 ml無(wú)菌0.145 mol/L的NaCl溶液，搖床震蕩30 min，樣品稀釋1 000倍，用BIOLOG排槍取100 μl 接種于ECO板上，初次讀數(shù)后，于25℃恒溫培養(yǎng)，每隔12 h于波長(zhǎng)590 nm的BIOLOG儀器上讀數(shù)，共培養(yǎng)216 h。然后用0.85%NaCl無(wú)菌溶液稀釋至10～3倍接種于Biolog-Eco微孔板中，在(25±1)℃暗箱培養(yǎng)。在溫育過(guò)程中，每隔24 h用酶標(biāo)儀在590 nm下讀取吸光值。

Biolog-Eco微平板中31種單一碳源的反應(yīng)程度，即土壤微生物對(duì)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(lái)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(jì)算公式為[18-19]：

AWCD=∑[(Ci-R)/31]

式中：Ci為第i孔的吸光值；R為對(duì)照孔的吸光值。對(duì)(Ci-R)<0的孔，計(jì)算中記為0，即(Ci-R)≥0。

土壤微生物群落功能多樣性分析采用Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、豐富度指數(shù)和McIntosh指數(shù)表征[18-19]。

AWCD=∑(Ci-Ri)/n

式中：Ci為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的吸光值；Ri為對(duì)照孔的吸光值；n為培養(yǎng)基孔數(shù)，Biolog-Eco板n值為31。

H=-∑Pi(lnPi)

式中：Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與所有整個(gè)微平板的相對(duì)吸光值總和的比值，計(jì)算公式:

Pi=(Ci-Ri)/∑(Ci-Ri)

S=被利用碳源的總數(shù)(吸光值≥0.25所有微孔的總和)

Ds=1-∑Pi

主成分分析采用培養(yǎng)96 h后的光密度值，提取兩個(gè)主因子進(jìn)而分析不同土地利用類(lèi)型土壤利用碳源的結(jié)構(gòu)。利用Excel 2003和SPSS 13.00軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單因素方差進(jìn)行分析(One-way ANOVA)，顯著性分析采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類(lèi)型土壤養(yǎng)分特征

由圖1可知，嘉陵江流域不同土地利用類(lèi)型土壤養(yǎng)分具有明顯差異，不同土地利用類(lèi)型土壤全碳依次表現(xiàn)為：混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，混交林和闊葉林差異并不顯著(p>0.05)，顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，而裸地則顯著低于其他植被類(lèi)型(p<0.05)；全氮依次表現(xiàn)為：混交林>闊葉林>針葉林>草甸>灌叢>裸地，混交林顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，針葉林、闊葉林、灌叢和草甸之間差異并不顯著(p>0.05)，而裸地則顯著低于其他植被類(lèi)型(p<0.05)；全鉀依次表現(xiàn)為：混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，混交林顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，針葉林和闊葉林之間差異并不顯著(p>0.05)，而裸地則顯著低于其他植被類(lèi)型(p<0.05)；堿解氮依次表現(xiàn)為：混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，混交林、針葉林和闊葉林顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，而裸地則顯著低于其他植被類(lèi)型(p<0.05)；速效磷依次表現(xiàn)為：闊葉林>混交林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，混交林和闊葉林之間差異不顯著(p>0.05)，顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，而裸地則顯著低于其他植被類(lèi)型(p<0.05)；有效鉀依次表現(xiàn)為：混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，混交林和闊葉林顯著高于其他植被類(lèi)型(p<0.05)，針葉林、灌叢和草甸之間差異不顯著(p>0.05)，而裸地則顯著低于其他植被類(lèi)型(p<0.05)。

2.2 不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落代謝平均顏色變化率

不同土地利用類(lèi)型土壤開(kāi)始培養(yǎng)后每隔24 h測(cè)定AWCD值，得到AWCD隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化圖(圖2)，由圖可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同土地利用類(lèi)型土壤微生物碳源利用總體上呈逐漸增加的趨勢(shì)，培養(yǎng)起始的24 h內(nèi)AWCD變化不明顯，針葉林、混交林和闊葉林土壤微生物碳源利用在培養(yǎng)24～72 h內(nèi)AWCD快速增長(zhǎng)，此時(shí)微生物活性旺盛，72 h后增長(zhǎng)緩慢，192 h后急劇增長(zhǎng)；灌叢和草甸土壤微生物碳源利用在培養(yǎng)72 h后急劇增長(zhǎng)，并且增長(zhǎng)幅度逐漸變大；在培養(yǎng)48 h以前，不同土地利用類(lèi)型土壤微生物碳源利用基本相一致，在48 h以后，相同時(shí)間針葉林、混交林和闊葉林土壤微生物碳源利用顯著高于灌叢、草甸和裸地，而灌叢和草甸土壤微生物碳源利用基本相似；相同時(shí)間土壤微生物碳源利用大致表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>混交林>灌叢>草甸>裸地，局部有所波動(dòng)。

圖1土地利用類(lèi)型土壤養(yǎng)分特征

圖2不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落代謝平均顏色變化率

2.3 不同土地利用類(lèi)型土壤微生物對(duì)碳源利用強(qiáng)度

根據(jù)不同土地利用類(lèi)型土壤微生物碳源利用情況，綜合考慮其變化趨勢(shì)，選取光密度增加較快的120 h的AWCD值進(jìn)行土壤微生物群落代謝多樣性的分析，按化學(xué)基團(tuán)的性質(zhì)將ECO板上的31種碳源分成6類(lèi)：氨基酸類(lèi)、碳水化合物類(lèi)、羧酸類(lèi)、聚合物、胺類(lèi)、酚酸類(lèi)，6類(lèi)碳源均呈現(xiàn)出隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，微生物利用碳源的量逐漸增加的趨勢(shì)。將每類(lèi)碳源的AWCD取平均值，其結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，土壤微生物對(duì)不同種類(lèi)碳源的利用強(qiáng)度存在較大差異。不同土地利用類(lèi)型土壤微生物對(duì)6種不同碳源的利用率表現(xiàn)大致相同，即混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，混交林利用率最高，裸地利用率最低。不同土地利用類(lèi)型對(duì)氨基酸類(lèi)利用率變化范圍為0.32～0.72，對(duì)碳水化合物類(lèi)利用率變化范圍為0.53～1.36，對(duì)羧酸類(lèi)利用率變化范圍為0.43～1.39，對(duì)聚合物類(lèi)利用率變化范圍為0.38～0.69，對(duì)胺類(lèi)利用率變化范圍為0.08～0.27，對(duì)碳水化合物類(lèi)利用率變化范圍為0.38～0.86。總體而言，碳水化合物和羧酸類(lèi)碳源是不同土地利用類(lèi)型土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類(lèi)、酚酸類(lèi)和聚合物類(lèi)，胺類(lèi)碳源的利用率最小。

表1 不同土地利用類(lèi)型土壤微生物對(duì)碳源利用強(qiáng)度

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.4 不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落多樣性

微生物群落多樣性指數(shù)可用來(lái)指示土壤微生物群落利用碳源的程度，根據(jù)培養(yǎng)第96 h的AWCD值計(jì)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(shì)度指數(shù)(Ds)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)。結(jié)果表明，不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定差異，不同土地利用類(lèi)型土壤微生物物種豐富度指數(shù)(H)變化范圍為1.62～3.25，依次表現(xiàn)為混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，闊葉林和針葉林差異不顯著(p>0.05)，顯著高于灌叢、草甸和裸地(p<0.05)；均勻度指數(shù)(E)變化范圍為0.43～0.89，依次表現(xiàn)為混交林>闊葉林>針葉林>灌叢>草甸>裸地，其中混交林、闊葉林和針葉林差異不顯著(p>0.05)，顯著高于灌叢、草甸和裸地(p<0.05)；優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)變化范圍為0.76～0.86，其中不同土地利用類(lèi)型土壤微生物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)差異均不顯著(p>0.05)；碳源利用豐富度指數(shù)(S)變化范圍為5.6～26.7，依次表現(xiàn)為針葉林>混交林>闊葉林>灌叢>草甸>裸地，其中針葉林和混交林差異不顯著(p>0.05)，其他補(bǔ)貼土地利用類(lèi)型碳源利用豐富度指數(shù)差異均顯著(p<0.05)。

圖3不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落多樣性

2.5 不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落碳源利用類(lèi)型的主成分分析

為了進(jìn)一步了解不同土地利用類(lèi)型根區(qū)土壤微生物群落功能的差異，對(duì)31種碳源的利用情況進(jìn)行主成分(PC)分析(PCA)，采用培養(yǎng)第120 h時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，提取出4個(gè)主成分，主成分1，主成分2分別能解釋變量方差的65.154%和81.047%，前3個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到93.841%，因此第一主成分、第二主成分和第三主成分為本文所要解釋的主成分。主成分分析結(jié)果顯示：31個(gè)碳源在3個(gè)主成分上的載荷值(表2)，初始載荷因子反映主成分與碳源利用的相關(guān)系數(shù)，載荷因子越高表示碳源對(duì)主成分的影響越大。由表3可知與第一主成分具有較高相關(guān)性的碳源有23種，其中，羧酸類(lèi)化合物有5種，多聚化合物有3種，碳水化合物有7種，芳香化合物1種，氨基酸3種，胺類(lèi)化合物2種；第二主成分利用碳水化合物4種，氨基酸1種，共5種碳源；與第三主成分具有較高相關(guān)性的碳源僅有2種，碳水化合物1種，氨基酸1種；在主成分分離中起主要貢獻(xiàn)作用的是胺類(lèi)和氨基酸類(lèi)碳源。

表2 方差分解主成分提取分析

2.6 土壤養(yǎng)分與微生物多樣性之間相關(guān)性

土壤養(yǎng)分為土壤微生物的重要碳源和氮源，為探討土壤養(yǎng)分與土壤微生物群落多樣性之間的關(guān)系，進(jìn)行土壤養(yǎng)分與微生物群落多樣性相關(guān)性分析(表4)。結(jié)果表明，土壤微生物群落功能多樣性各指標(biāo)與土壤pH值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤養(yǎng)分等均呈正相關(guān)關(guān)系，其中，土壤微生物群落功能多樣性各指標(biāo)均與土壤有效養(yǎng)分呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)與土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均高于優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)，說(shuō)明土壤養(yǎng)分對(duì)土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的影響作用較小。

表3 31種碳源的主成分載荷因子

表4 土壤養(yǎng)分與微生物多樣性之間相關(guān)性

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著。

3 討論與結(jié)論

平均顏色變化率(AWCD)是反映土壤微生物活性，即利用單一碳源能力的一個(gè)重要指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤中微生物種群的數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征[18]。AWCD值越大，表明細(xì)菌密度越大、活性越高；反之，細(xì)菌密度越小、活性越低。分析不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落的代謝活性發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類(lèi)型土壤微生物活性呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，裸地、草甸和灌叢土壤微生物對(duì)Biolog-ECO板中碳源的代謝能力明顯低于混交林、闊葉林和針葉林，分析其可能的原因是：?jiǎn)棠玖滞寥乐写嬖谥cBiolog-ECO板中碳源物質(zhì)高度協(xié)調(diào)的微生物(其養(yǎng)分含量較高)，植物殘?bào)w和根系分泌物數(shù)量都很多，導(dǎo)致進(jìn)入土壤的新鮮有機(jī)物質(zhì)顯著增加，這大大刺激了土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖，進(jìn)而代謝活性顯著提高[20-21]。因此，在微生物生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，生長(zhǎng)速度加快，代謝活性增強(qiáng)。與草甸和灌叢相比，喬木是自然植被條件下長(zhǎng)期自然選擇的結(jié)果，形成了較和諧、平衡的微生態(tài)環(huán)境，而且人為干擾少，植被種類(lèi)豐富，每年產(chǎn)生大量凋落物，豐富了微生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源，因而其土壤微生物活性明顯高于灌叢、草甸和裸地。由此可見(jiàn)，地上部植被歸還土壤有機(jī)物的多寡可能是土壤微生物群落代謝活性的影響因素之一，其土壤微生物群落代謝活性較低，碳源利用能力相對(duì)較弱[20-21]。本研究中土壤微生物對(duì)不同種類(lèi)碳源的利用強(qiáng)度存在較大差異，混交林土壤微生物群落對(duì)6類(lèi)碳源的利用率最高，灌木居中，裸地最低，不同土地利用類(lèi)型土壤微生物對(duì)6類(lèi)碳源的優(yōu)先利用順序雖存在差異，而土壤養(yǎng)分與土壤微生物多樣性的變化趨勢(shì)相一致?？傮w而言，碳水化合物和羧酸類(lèi)碳源是不同土地利用類(lèi)型土壤微生物的主要碳源，其次為氨基酸類(lèi)、酚酸類(lèi)和聚合物類(lèi)，胺類(lèi)碳源的利用率最小。

根據(jù)培養(yǎng)第96 h時(shí)的AWCD值計(jì)算土壤微生物群落的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、豐富度指數(shù)和McIntosh指數(shù)。Shannon-Wiener指數(shù)反映了微生物群落物種變化度和差異度，較高的Shannon-Wiener指數(shù)代表微生物種類(lèi)多且分布均勻，該值混交林最高，表明混交林植物的土壤微生物群落種類(lèi)最多且較均勻，并且不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定的差異。

碳源利用類(lèi)型的主成分分析結(jié)果表明：不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落代謝功能多樣性有顯著差異，受影響最大的碳源主要是羧酸類(lèi)和聚合物類(lèi)，而這些碳源與根系分泌物關(guān)系密切，說(shuō)明羧酸類(lèi)和聚合物類(lèi)的根系分泌物對(duì)微生物群落功能有較大影響。而根系分泌物起到了直接或間接的作用，這些物質(zhì)對(duì)微生物和植株具有自毒作用而導(dǎo)致其積累[22-23]。土壤養(yǎng)分為土壤微生物的重要碳源和氮源，為探討土壤養(yǎng)分與土壤微生物群落多樣性之間的關(guān)系，進(jìn)行了土壤養(yǎng)分與微生物群落多樣性相關(guān)性分析(表4)。結(jié)果表明，土壤微生物群落功能多樣性各指標(biāo)與土壤pH值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤養(yǎng)分等均呈正相關(guān)關(guān)系，其中，土壤微生物群落功能多樣性各指標(biāo)均與土壤有效養(yǎng)分呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；物種豐富度指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)和碳源利用豐富度指數(shù)(S)與土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均高于優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Ds)，說(shuō)明了土壤養(yǎng)分對(duì)土壤微生物群落優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的影響作用較小。由此可知，土壤養(yǎng)分和土壤pH值與微生物群落功能多樣性密切相關(guān)，其中土壤pH值對(duì)土壤微生物群落功能多樣性貢獻(xiàn)為負(fù)，土壤養(yǎng)分對(duì)土壤微生物群落功能多樣性貢獻(xiàn)為正，這是造成不同土地利用類(lèi)型土壤微生物群落多樣性差異的重要原因，其中有機(jī)質(zhì)和全氮是土壤微生物的主要養(yǎng)分來(lái)源。綜上所述，土壤本底因子、植物種類(lèi)組成和覆蓋度均影響土壤微生物活性和群落功能多樣性，深入研究這些因素對(duì)土壤健康、生物肥力培育及土壤可持續(xù)利用具有重要的理論和實(shí)踐意義。

[1] Westerdahl B. Biological Control of Plant-Parasitic Nematodes: Soil ecosystem management in sustainable agriculture, second edition[J]. Soil Science Society of America Journal, 2015,79(3):972.

[2] Soil ecology and ecosystem services[M]. Oxford: Oxford University Press, 2012.

[3] DeLuca T H, Gundale M J, MacKenzie M D, et al. Biochar effects on soil nutrient transformations[J]. Biochar for Environmental Management: Science, Technology And Implementation, 2015,2:421-454.

[4] Prendergast-Miller M T, Duvall M, Sohi S P. Biochar-root interactions are mediated by biochar nutrient content and impacts on soil nutrient availability[J]. European Journal of Soil Science, 2014,65(1):173-185.

[5] Mukai M, Aiba S, Kitayama K. Soil-nutrient availability and the nutrient-use efficiencies of forests along an altitudinal gradient on Yakushima Island, Japan[J]. Ecological Research, 2016,31(5):719-730.

[6] Berthrong S T, Buckley D H, Drinkwater L E. Agricultural management and labile carbon additions affect soil microbial community structure and interact with carbon and nitrogen cycling[J]. Microbial Ecology, 2013,66(1):158-170.

[7] Fierer N, Leff J W, Adams B J, et al. Cross-biome metagenomic analyses of soil microbial communities and their functional attributes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012,109(52):21390-21395.

[8] Lauber C L, Ramirez K S, Aanderud Z, et al. Temporal variability in soil microbial communities across land-use types[J]. The ISME Journal, 2013,7(8):1641-1650.

[9] Barberán A, Bates S T, Casamayor E O, et al. Using network analysis to explore co-occurrence patterns in soil microbial communities[J]. The ISME Journal, 2012,6(2):343-351.

[10] Sradnick A, Murugan R, Oltmanns M, et al. Changes in functional diversity of the soil microbial community in a heterogeneous sandy soil after long-term fertilization with cattle manure and mineral fertilizer[J]. Applied Soil Ecology, 2013,63:23-28.

[11] Lange M, Habekost M, Eisenhauer N, et al. Biotic and abiotic properties mediating plant diversity effects on soil microbial communities in an experimental grassland[J]. PLoS One, 2014,9(5):e96182.

[12] Paula F S, Rodrigues J L M, Zhou J, et al. Land use change alters functional gene diversity, composition and abundance in Amazon forest soil microbial communities[J]. Molecular Ecology, 2014,23(12):2988-2999.

[13] 齊師杰,張行南,夏達(dá)忠,等.嘉陵江流域土地利用/覆被變化特征及其驅(qū)動(dòng)力分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2013,30(1):1-7.

[14] 許炯心,孫季.嘉陵江流域年徑流量的變化及其原因[J].山地學(xué)報(bào),2007,25(2):153-159.

[15] 仙巍,邵懷勇,周萬(wàn)村.嘉陵江中下游地區(qū)土地利用格局變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)[J].水土保持研究,2005,12(2):61-64.

[16] 劉瑞民,楊志峰,丁曉雯,等.土地利用/覆蓋變化對(duì)長(zhǎng)江上游非點(diǎn)源污染影響研究[J].環(huán)境科學(xué),2006,27(12):2407-2414.

[17] 王國(guó)梁,劉國(guó)彬.黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域植被恢復(fù)的土壤養(yǎng)分效應(yīng)[J].水土保持通報(bào),2002,22(1):1-5.

[18] Fierer N, Leff J W, Adams B J, et al. Cross-biome metagenomic analyses of soil microbial communities and their functional attributes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012,109(52):21390-21395.

[19] Lauber C L, Ramirez K S, Aanderud Z, et al. Temporal variability in soil microbial communities across land-use types[J]. The ISME Journal, 2013,7(8):1641-1650.

[20] Zak D R, Holmes W E, White D C, et al. Plant diversity, soil microbial communities, and ecosystem function:are there any links[J]. Ecology, 2003,84(8):2042-2050.

[21] Yao H, Jiao X, Wu F. Effects of continuous cucumber cropping and alternative rotations under protected cultivation on soil microbial community diversity[J]. Plant and Soil, 2006,284(1/2):195-203.

[22] Frey S D, Knorr M, Parrent J L, et al. Chronic nitrogen enrichment affects the structure and function of the soil microbial community in temperate hardwood and pine forests[J]. Forest Ecology and Management, 2004,196(1):159-171.

[23] Kennedy A C, Smith K L. Soil microbial diversity and the sustainability of agricultural soils[J]. Plant and Soil, 1995,170(1):75-86.

VariationofSoilNutrientsandMicrobialCommunityDiversityofDifferentLandUseTypesintheJialingRiver,SichuanProvince

YANG Bingxun, LIU Qua, DONG Tingxu

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,MianyangNormalUniversity,Mianyang,Sichuan621000,China)

We present a comprehensive analysis of soil nutrients and soil microbial community diversity of different land use types in Jialing River from 2013 to 2015, based on the soil habitat, the structure and function of soil microbial community were studied by using Biolog plate and phospholipid fatty acid methyl ester (FAMEs), respectively. The results are as follows. The soil nutrients of different land use types decrease in the order: mingled forest>broad-leaved forest>coniferous forest>shrub>meadow>bare land. There were significant differences in functional diversity of microbial communities of different land use types. The average well color development (AWCD), which directly reflects microbial activity and functional diversity, increased and then decreased with the order: mingled forest>broad-leaved forest>coniferous forest>shrub>meadow>bare land. The carbon sources mostly used by soil microbes were carbohydrates and carboxylic acids, followed by amino acids, phenolic acids and polymers, the lowest was amines. The Simpson index, Shannon-Wiener index, richness index and McIntosh index of different land use types showed the sequence: mingled forest>broad-leaved forest>coniferous forest>shrub>meadow>bare land. Principal component analysis identified two factors in relation to carbon sources, they explained 65.154% and 81.047% of the variation, respectively. The carbon sources used by soil microbial communities were different among different land use types. Amino acids and amides were the two main carbon sources separating the two principal component factors. Correlation analysis showed that soil microbial diversity index was significantly or very significantly positively correlated with soil nutrients, and was negatively correlated with pH value, the soil nutrients had the more positive contribution to soil microbial diversity and soil pH value had the negative contribution, which were the reason for variation of soil microbial community diversity of different land use types in Jialing River.

Jialing River; land use types; soil microbial community diversity; soil nutrients

2016-10-01

：2016-10-18

四川省生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目“基于GIS的龍門(mén)山北段區(qū)域土地利用景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)”

楊秉珣(1975—),男,四川綿陽(yáng)人,講師,研究方向:文地理與土地利用。E-mail:13990198977@163.com

董廷旭(1968—),男,四川彭州人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:土壤學(xué)、土地利用與生態(tài)環(huán)境等。E-mail:Dong_zx@126.com

S154.3；X144

：A

：1005-3409(2017)05-0014-07