馬侖亞高山草甸土壤可培養微生物數量特征

張寶貴,劉曉嬌,朱 茜,徐滿厚,常麗娟,吳佳靈,馮煜清,趙慧茹

(太原師范學院 地理科學學院,山西 晉中 030619)

0 引言

微生物存在于各類極端環境中,如沙漠[1]、冰川[2]、凍土[3]、海底熱液[4]等,并在以上各類環境中扮演著極其重要的角色.作為土壤生物的重要組成部分,土壤中微生物數量也十分龐大[5].雖然在土壤有機質中土壤微生物生物量所占比例很小,但土壤微生物卻是土壤中最活躍的組成部分,它們在養分有效性和維持土壤質量方面發揮著至關重要的作用[6].研究土壤微生物及其影響因素對于預測生態系統對環境變化的響應以及改善各種生態系統的變化至關重要[7].因此,有必要研究各類生境土壤微生物數量及群落如何受環境變化或干擾的影響.

氣候變暖已經成為不爭的事實,自1850年以來,全球地表平均溫度已上升約1 ℃,且在未來幾十年里,所有地區的氣候變化都將繼續加劇[8].高山草甸是一種特定的氣候產物,對氣候變化極其敏感,該生態系統中土壤微生物數量引起了眾多學者的廣泛關注,如相關研究發現高寒草甸土壤微生物數量對增溫的響應隨著海拔的升高而變化,且與土壤溫度顯著正相關[9-10];也有研究表明青藏高原東端高寒草甸退化過程中土壤三大類微生物數量及微生物總數均呈現先增加后減少的趨勢[11];類似地,筆者對青藏高原東北邊緣過渡帶研究發現翻耕補播措施并沒有恢復該區域高寒草甸土壤微生物數量[12];也有研究表明海拔梯度通過影響土壤溫度、植被類型、物種數和土壤養分等環境因子來改變高山草甸土壤微生物數量[13].

與高山草甸一樣,亞高山草甸也是一種特定的氣候產物,不同研究表明不同區域亞高山草甸土壤微生物數量或多樣性具有不同特點.如滇西北地區植物種群擴散使該區域亞高山草甸土壤細菌、放線菌、真菌數量均顯著增加[14];而人類干擾條件下該地區亞高山草甸只有土壤真菌數量顯著增加,其他類型微生物數量均顯著減少[15].類似地,草地利用強度的增加使得祁連山亞高山草甸土壤微生物總DNA量呈減少趨勢[16].在青藏高原東部棄耕地恢復演替過程中亞高山草甸土壤微生物多樣性則得到了較好的恢復[17].相關分析表明,川西北亞高山草甸土壤真菌多樣性受雪被厚度的顯著影響[18-19],而土壤深度則是若爾蓋亞高山草甸土壤微生物數量變化的主要影響因子[20].

馬侖亞高山草甸地處山西省呂梁山脈北部地區,該地區亞高山草甸分布于海拔2500 m以上,是華北地區最典型的亞高山草甸之一,屬于全球氣候變化的敏感區[21].已有學者對該地區植物進行了研究[22-23],而關于該地區土壤微生物的研究還未見報道.基于此,本研究以該地區不同海拔、不同深度亞高山草甸土壤為研究對象,借助可培養方法系統研究該區域土壤三大類微生物數量特征,并結合環境因子分析影響該地區微生物數量的關鍵因子.研究結果不僅可以填補該區域微生物研究的空白,同時可為區域亞高山草甸土壤微生物響應氣候變暖提供理論依據與數據支撐.

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

馬侖亞高山草甸地處晉西北黃土高原,位于山西省呂梁山北段寧武縣境內的管涔山頂(112°36′～112°37′ E、38°57′～39°03′ N),最高海拔2721.7 m,面積大約230 hm2.該區年平均氣溫6.2 ℃,最熱月為7月,平均氣溫20.1 ℃.年均降水量475 mm,屬于溫帶大陸性季風氣候;土壤類型主要為亞高山草甸土;主要植被類型為典型的亞高山草甸[23].

1.2 樣地設計與樣品采集

前期對該區域進行實地考察后,如表1所示,于2019年9月在該區域亞高山草甸的分布范圍內設置采樣點,海拔分別為2600 m(MLL)、2650 m(MLM)和2700 m(MLT),每個采樣點均在地勢平坦處設置三個平行樣地,每個樣地均采集0～10 cm和20～30 cm兩個不同深度的土壤,包括微生物樣品和土壤理化性質樣品,具體采集方法見參考文獻[5].

表1 采樣點信息表

1.3 三大類土壤微生物的分離培養

本研究采用稀釋涂布平板法對三大類土壤微生物進行分離培養,其中采用富營養培養基牛肉膏蛋白胨對細菌進行分離培養,采用改良高氏一號培養基對放線菌進行分離培養,真菌的分離培養則采用馬丁氏孟加拉紅培養基.在正式涂布之前,對每類微生物的最適合涂布濃度進行預實驗以確保計數的科學性與準確性.最終確定10-6為細菌生長的最佳濃度,10-5為放線菌生長的最佳濃度,10-2為真菌生長的最佳濃度.之后對各類微生物進行涂布,具體操作步驟見參考文獻[5].涂布后于25 ℃恒溫培養箱對細菌進行培養并在培養7 d后計數,放線菌置于28 ℃恒溫培養箱培養8 d后計數,真菌置于28 ℃恒溫培養箱培養10 d后計數.

1.4 土壤理化性質的測定

采用雷磁電導率儀 FE38-Standard測定土壤總溶解性固體(TDS)、電導率(EC)與鹽度(SS);采用METTLER TOLEDO FE28-Standard酸度計測定土壤pH值;采用烘干法(105 ℃,24 h)測定土壤含水量(SWC);采用德國耶拿C/N 分析儀2100測定土壤全碳(STC);采用土壤溫度傳感器(S-TMB-M006)測定土壤溫度(ST).

1.5 數據處理與分析

所有數據均采用Excel 2016進行處理并利用SPSS 19.0統計分析軟件進行單因素方差分析和相關性分析;用Origin 9.0進行繪圖.

2 結果與分析

2.1 不同海拔、不同深度土壤理化性質變化特征

表2為馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤理化性質特征.從表中可知,EC介于50.89～152.88 μS·cm-1之間,STC含量介于26.9～57.63 g·kg-1之間,且同一海拔20～30 cm STC含量顯著低于0～10 cm(P<0.05);而隨著海拔高度的增加同一深度STC含量則呈顯著上升趨勢(P<0.05).ST介于6.45～10.82 ℃之間,SWC 介于40.58～54.74 %之間,且變化趨勢與STC一致.TDS含量介于25.44～49.91 mg·L-1之間,其中海拔2700 m處20～30 cm TDS含量高于0～10 cm,其余兩個海拔則表現為0～10 cm TDS含量高于20～30 cm;此外,隨著海拔高度增加,同一深度TDS含量呈上升趨勢,但沒有達到顯著水平.土壤pH值總體呈弱堿性,變化范圍介于7.48～8.55之間;SS變化范圍介于0.01～0.06 psu之間.兩者與STC的變化趨勢相同,但均未達到顯著水平.

表2 不同海拔梯度亞高山草甸土壤理化性質

2.2 不同海拔、不同深度土壤可培養細菌數量變化特征

如圖1所示,研究區域可培養細菌數量介于2.13×109～16.53×109CFU·g-1之間,其中MLM1樣點20～30 cm土壤細菌數量最少,為2.13×109CFU·g-1,而MLL1樣點 0～10 cm土壤可培養細菌數量最多,為16.53×109CFU·g-1,高一個數量級.此外,由圖1可知,每個海拔下的三個樣地均表現為0～10 cm土壤細菌數量顯著高于20～30 cm土壤細菌數量(P<0.05),表明可培養細菌數量受土壤深度的顯著影響.

圖1 馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤細菌數量特征

此外,圖2表明可培養細菌數量受海拔影響顯著.具體表現為不同海拔、不同深度土壤細菌數量均隨海拔高度的升高而顯著下降(P<0.05),MLM與MLT樣點土壤細菌數量顯著低于MLL樣點(P<0.05)、但MLM與MLT樣點之間土壤細菌數量未達到顯著性差異.

圖2 馬侖亞高山草甸不同海拔、同一深度土壤細菌數量變化特征

2.3 不同海拔、不同深度土壤可培養放線菌數量變化特征

如圖3所示,研究區域可培養放線菌數量介于5.6×107～1.56×109CFU·g-1之間,其中MLM3樣點0～10 cm土壤放線菌數量最少,為5.6×107CFU·g-1,而MLL3樣點0～10 cm土壤可培養細菌數量最多,高達1.56×109CFU·g-1,高兩個數量級.此外,由圖3可知,MLL樣點的三個樣地均表現為0～10 cm土壤放線菌數量顯著高于20～30 cm土壤放線菌數量(P<0.05);而MLT樣點的三個樣地變化趨勢恰恰相反,均表現為0～10 cm土壤放線菌數量顯著低于20～30 cm土壤放線菌數量(P<0.05).MLM樣點的MLM1樣地0～10 cm土壤放線菌數量顯著高于20～30 cm土壤放線菌數量(P<0.05);MLM3樣地則恰恰相反,0～10 cm土壤放線菌數量顯著低于20～30 cm土壤放線菌數量(P<0.05);MLM2樣地不同深度土壤放線菌數量之間不存在顯著性差異.與細菌一樣,以上結果表明可培養放線菌數量同樣受土壤深度的顯著影響.

圖3 馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤放線菌數量特征

此外,圖4表明可培養放線菌數量受海拔影響顯著.不同海拔、不同深度土壤放線菌數量均隨海拔高度升高呈先下降后上升的顯著趨勢(P<0.05).具體表現為0～10 cm MLL樣點土壤放線菌數量顯著高于MLT樣點(P<0.05),而20～30 cm MLL樣點土壤放線菌數量則顯著低于MLT樣點(P<0.05).

圖4 馬侖亞高山草甸不同海拔、同一深度土壤放線菌數量變化特征

2.4 不同海拔、不同深度土壤可培養真菌數量變化特征

如圖5所示,研究區域可培養真菌數量介于6×103～8.42×105CFU·g-1之間,其中MLL1樣點20～30 cm土壤真菌數量最少,僅為6×103CFU·g-1,而MLT1樣點 0～10 cm土壤真菌數量最高,高達8.42×105CFU·g-1,高兩個數量級.此外,由圖5可知,除MLL1、MLL3兩個樣地外,其余樣地均表現為0～10 cm土壤真菌數量顯著高于20～30 cm土壤真菌數量(P<0.05),表明可培養真菌數量同樣受土壤深度的顯著影響.

圖5 馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤真菌數量特征

此外,圖6表明可培養真菌數量受海拔影響顯著.不同海拔、不同深度土壤真菌數量均隨海拔高度的升高而顯著上升(P<0.05),具體表現為MLT樣點土壤真菌數量顯著高于MLM與MLL樣點(P<0.05).

圖6 馬侖亞高山草甸不同海拔、同一深度土壤真菌數量變化特征

2.5 環境因子與土壤微生物數量的相關分析

由表3可知,可培養細菌數量與ST顯著正相關(P<0.05);真菌數量與土壤pH值極顯著正相關(P<0.01);放線菌數量與TDS含量極顯著正相關(P<0.01),與ST顯著正相關(P<0.05).

表3 環境因子與可培養微生物數量相關性分析

3 討論

3.1 可培養微生物數量變化特征

馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤可培養細菌數量最多,介于2.13×109～1.65×1010CFU·g-1之間,且明顯高于其他相似高寒草甸生態系統.如甘南高寒草甸不同海拔、不同根系細菌數量介于2.06×107～3.30×108CFU·g-1之間[24];青藏高原北麓河不同類型高寒草地生態系統細菌數量介于0.40×107～4.60×107CFU·g-1之間[25];祁連山中段黑河上游不同海拔細菌數量介于4.60×107～3.70×108CFU·g-1之間[26];天祝高寒草甸不同干擾生境下的細菌數量介于1.95×106～7.31×106CFU·g-1之間[27];而在若爾蓋亞高原區,細菌數量僅介于1.40×105～2.85×105CFU·g-1之間[20].馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤可培養放線菌數量次之,介于5.6×107～15.63×108CFU·g-1之間,與細菌一樣,也明顯高于其他相似高寒草甸生態系統.如三江源地區不同退化程度高寒草地土壤放線菌數量介于6.68×104～19.88×104CFU·g-1之間[28];青藏高原海北高寒草甸生態系統土壤放線菌數量介于1.23×104～8.22×104CFU·g-1之間[29];西藏地區土壤放線菌數量僅介于0.1×103～5.22×105CFU·g-1之間[30].馬侖亞高山草甸不同海拔、不同深度土壤可培養真菌數量最少,介于6×103～8.42×105CFU·g-1之間,同樣高于相似的高寒草甸生態系統.如三江源區不同類型高寒草甸土壤真菌數量介于1.2×103～4.3×103CFU·g-1之間[31];天祝高寒草原不同生境土壤真菌數量介于2.35×104～4.55×104CFU·g-1之間[27].究其原因,可能是由于青藏高原高寒草甸生態系統所處海拔更高,環境更惡劣,土壤在長期低溫脅迫下容易凍結,通透力差,從而對土壤微生物的生長繁殖具有較強的抑制作用[3].而馬侖亞高山草甸地處華北地區,相對于高寒冷環境而言,土壤環境較好,有利于土壤微生物的大量生長繁殖.

3.2 可培養微生物數量與土壤深度、海拔高度關系

本研究發現土壤深度對可培養微生物數量影響顯著.在本研究中,同一海拔高度土壤可培養細菌和真菌數量均表現為0～10 cm顯著高于20～30 cm,與相關學者在青藏高原、東北黑土地以及內蒙古荒漠草原的研究結論一致[32-34].可培養放線菌數量變化特征略有不同.由此可見,不同類型土壤微生物隨著土壤深度的變化表現出不同的變化趨勢.究其原因,可能是由于0～10 cm 土壤有機質含量較高,能提供微生物生長發育所需的各類營養元素,因而更適合土壤微生物的生長發育.因此0～10 cm土壤細菌和真菌數量高于20～30 cm,而放線菌則更能適應相對貧瘠的環境[35-36].

其次,本研究發現0～10 cm和20～30 cm兩個深度不同類型土壤微生物數量隨海拔高度的升高變化趨勢也不同.具體表現為細菌數量隨海拔高度的升高均呈下降的趨勢.與本研究結果一致,張丹丹等在珠穆朗瑪峰不同海拔梯度上同樣發現土壤細菌豐度隨海拔增加而降低,且與海拔高度存在顯著負相關關系[37].但是在疏勒河上游土壤可培養細菌數量隨著海拔高度的升高卻呈現先下降后上升的趨勢[38].本研究放線菌數量隨海拔高度的升高呈現先下降后上升的變化趨勢,而在甘南高寒草甸區及青海高寒草甸區,相關學者發現隨著海拔高度的升高放線菌數量呈現下降的趨勢[29,39],表明微生物的環境異質性很強.本研究真菌數量隨海拔高度的升高呈上升趨勢,但是在色季拉山研究者發現海拔越高,真菌數量越少[40].綜上所述,不同區域、不同類型、不同深度土壤微生物數量隨海拔高度變化趨勢不同,可能是由于地理環境的區域差異性,造成不同區域的地理環境因子不同,這些環境因子通過影響植被特征與土壤特征進而影響土壤微生物數量[5].

3.3 可培養微生物與環境因子的關系

本研究表明,制約不同海拔、不同類型土壤微生物數量的關鍵環境因子不同.細菌數量受ST顯著影響.在南方紅壤丘陵區,土壤細菌也受到ST的顯著影響[41].類似地,在東北寒溫帶落葉松天然林區域,氣候變化導致的溫度變化對土壤細菌群落存在顯著影響[42].相關學者在江西官山不同海拔梯度的研究同樣表明ST對細菌影響顯著[43],可能是由于高海拔地區低溫脅迫造成的[44].作為僅次于細菌的第二大類微生物,放線菌也是生態環境中一類非常重要的微生物群類.本研究中TDS與ST是影響放線菌數量的主要環境因子.類似地,李博文[39]在甘南高寒草甸區發現ST是限制放線菌生長的關鍵環境因子.也有研究表明該類型微生物數量往往受到土壤pH值、溫度、濕度、海拔和區域小氣候等局部因素的共同影響[45-47].本研究中土壤真菌數量相對較少,且受土壤pH值影響顯著,與前人研究結果一致[48-49].此外,Liu等[50]研究表明pH值也是影響中國西南地區不同海拔土壤真菌多樣性的重要環境因子之一,且土壤pH值越高,土壤真菌多樣性指數越高.類似地,相關學者研究表明長白山不同海拔土壤真菌的豐富度與土壤pH值有很強的相關性[45].當然,也有學者研究表明土壤真菌數量及多樣性主要受土壤含水量[51]、土壤溫度[52]等環境因子的影響.綜上所述,土壤微生物與環境因子之間的關系十分復雜,不同區域之間具有區域差異性,同一區域不同類型微生物之間也有差異性,有待進一步深入研究.

4 結論

研究區不同海拔、不同深度可培養細菌數量最多,介于2.13×109～16.53×109CFU·g-1之間;放線菌次之,介于5.6×107～15.63×108CFU·g-1之間;真菌最少,介于6×103～8.42×105CFU·g-1之間.

不同海拔、不同深度土壤可培養微生物數量明顯不同.具體表現為同一海拔0～10 cm土壤細菌、真菌數量均顯著高于20～30 cm(P<0.05),放線菌略有不同.不同海拔0～10 cm與20～30 cm土壤細菌數量均表現為隨著海拔高度的升高而顯著下降(P<0.05).土壤放線菌數量均表現為隨著海拔高度的升高呈現先下降后上升的顯著趨勢(P<0.05).而土壤真菌數量均表現為隨著海拔高度的升高而顯著上升(P<0.05).

限制不同類型土壤微生物數量的關鍵環境因子不同.細菌數量主要受ST影響;放線菌數量主要受TDS影響;真菌數量則主要受土壤pH值影響.