论文陇东黄土高原沟壑区杏树嵌套模式对土壤微生物组成的研究.docx

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论文陇东黄土高原沟壑区杏树嵌套模式对土壤微生物组成的研究

2011届本科毕业生毕业论文

题目：

陇东黄土高原沟壑区杏树嵌套模式对

土壤微生物组成的研究

院系：

生命科学与技术学院

学科专业：

生物科学

指导教师：

王鑫教授

作者姓名：

刘涛路金娟刘琦

作者学号：

2007041225

陇东黄土高原沟壑区杏树嵌套模式对土壤微生物组成的研究

路金娟

指导老师：

王鑫（教授）

（陇东学院生命科学与技术学院,甘肃庆阳745000）

摘要：

为了认识杏树不同嵌套模式对土壤微生物组成的影响，本研究利用“平板培养法”测定了不同模式下杏树土壤微生物三大类群和主要功能群组成；用“氯仿熏蒸法”测定了土壤微生物生物量碳（MBC）。

结果显示：

①微生物三大类群区系中：

细菌数量占绝对优势，放线菌次之，真菌数量最少；其中以杏树+苜蓿模式的土壤微生物总数明显高于其它模式。

②微生物功能群中：

杏树+苜蓿模式土壤中固氮菌的数量明显高于其他模式，杏树+黄花菜+苜蓿模式次之，这种数量的变化影响到了土壤C、N转化及杏树嵌套模式的选择。

③土壤MBC以杏树+荒地模式最低,杏树+苜蓿模式较CK有明显增加。

④由深度趋势看，三大类群、主要功能群及土壤MBC均表现为土壤表层高于其他各层。

以上表明，杏树和苜蓿，黄花菜套种可显著增加土壤微生物量。

本研究从土壤微生物学角度为黄土高原植被恢复和杏树套种模式的选种提供了借鉴。

关键词：

黄土高原；沟壑区；嵌套模式；杏树；土壤微生

SoilmicrobialcompositionofApricotnestedmodelstudyofLongdongPlateauarea

LuJin-juan

WangXin（Professor）

（CollegeofLifeSciencesandTechnology,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu,China）

Abstract:

Inordertostudytheinfluenceoftheapricotmodeondifferentnestonthesoilmicrobialcomponents，thisstudyusinga"flatculturemethod"measuredthesoilmicrobialthreegroupsandapricotmainfunctionalgroupcomposedindifferentmodes;Using"chloroformfumigationlaw"measuredsoilmicrobialbiomasscarbondetermination（MBC）.Resultsshowthat:

（1）Amongthreegroupsmicroorganisms:

bacterialfloraamountdominated,actinomycete;secondlyandfungiofleastAmongthemwithalmond+alfalfamodeobviouslyhigherthanothersoilmicrobialtotalpattern.

（2）Inthemicrobialfunctionalgroup:

thenumberofalmond+alfalfamodeofKentuckysoilobviouslyhigherthanothermode,almond+nextdaylily+alfalfamode,thiskindofvariationsinthenumberofaffectedsoilC、Ntransformationandalmondnestedpatternoptions.（3）ThesoilMBCwithalmondwastelandmodelowest,almond+alfalfamodeisCKsignificantlyincreased.（4）Wecanseebydeepthetrend,thethreegroups,mainfunctionalgroupandsoilMBC,bothpresentsurfacesoillayersthantheother.Aboveall,almondandalfalfacansignificantlyincreasedaylilyinterplanting,soilmicroorganismquantity.Thisstudyfromsoilmicrobiologyperspectivefortheloessplateauvegetationprotectionandapricotnestedmodelprovidereferencesforselection.

Keywords:

loessplateau;Region;Nestedmode;Almond;Soilmicrobial

黄土高原位于我国干旱半干旱地区,植被破坏和水土流失十分严重，生态恢复迫在眉睫[1]。

杏树（Prunusarmeniaca）是我国一种优良的果树，随着我国人民生活水平的提高和对外贸易的发展，杏子、杏仁的需求量越来越大，从而使杏树成为了很好的经济植被；又因为杏树具有强大的根系、耐寒、耐旱、抗风等生态习性，也使它成了水土保持很好的选择。

土壤微生物是土壤生态部分的重要组成部分，承担着森林生态系统的物质和能量循环，是林地中最活跃的部分，其数量组成的变化与土壤的通气性、水分状况、养分状况以及有机含量都有密切的联系[2]；其活性可以在一定程度上反映土壤肥力[3,4]；作为土壤中物质转化和养分循环的“驱动力”，土壤微生物是衡量土壤质量的重要指标之一，直接影响林木的生长；土壤微生物通过分解动植物残体而参与森林生态系统的物质循环和能量流动，直接影响土壤的生物化学活性以及土壤养分的组成与转化[5]。

土壤中生物微生物量越高、微生物活性程度越高，可以一定程度上代表该生态系统具有越强的物质循环能力和支持植物生长发育的能力[6]。

为植物提供可利用的矿质元素[7]。

本研究以黄土高原沟壑区不同嵌套模式的杏树为研究对象，利用“平板培养法”测定了不同嵌套模式下杏树生长地土壤微生物三大类群和主要功能群组成，用“氯仿熏蒸法”测定了土壤微生物生物量碳（MBC）。

其含量随杏树的嵌套模式不同而变化，研究结果将有助于对土壤微生物在杏树不同嵌套模式的生长与发展中的作用及地位的认识，为黄土高原经济植被发展及水土流失的防治提供套种模式的借鉴。

1实验材料与研究方法

1.1自然状况

研究区位于陇东黄土高原南部沟壑区庆阳市镇原县太平乡慕坪村西坡组，土壤黄绵土类，质地为壤土。

地理坐标地处东经107°38′～108°40′，北纬35°69′～35°71′，海拔1380～1400m。

该区属黄土高原沟壑地貌，是全国典型水土流失区之一，侵蚀面积25050.5km2，占全区总面积的92.4%，侵蚀模数6383~9000t/hm2。

属暖温带半干旱季风气候区，光、热、水气候资源比较丰富，可一年两熟。

由于季风的强烈影响，冬季寒冷干燥，春季多风且干旱少雨，夏季温暖多雨，水热同期，年降水量400~600mm，雨量分布不均，主要集中在7-9月份，多年平均蒸发量1000mm以上，地面蒸发量为350~560mm，地下水位深，属雨养农业区,在黄绵土类区农业发展的主要限制因素是干旱，土壤瘠薄，水土流失严重[8]；2002年为了落实国家退耕还林还草和生态环境重建政策，该地区在当地政府统一部署下，全面实施了人工杏树林的营造工作，对保持水土，提高土壤质量，改善生态环境有着重要意义。

为此，我们通过实地调查，选择了不同杏树嵌套模式作为研究样地。

1.2土壤样品采集

供试土壤样地基本情况

代码

嵌套模式

立地条件

主要植被分布与管理措施

MX

杏树-紫花苜蓿

梯田黄绵土，坡度2-5°，株距120cm，行距150-200cm。

树体长势最好，杏树叶色浓绿，已挂果。

树高200-350cm，径粗4-6cm，成活率＞90%，林下紫花苜蓿产草量2000-2500kg/667m2（管理一般）。

HD

杏树-荒草地

梯田黄绵土，坡度2-5°，株距120cm，行距150-200cm。

树体长势差，杏树叶片发黄，未挂果。

树高80-200cm，径粗2-4cm，成活率50-60%，林下为荒草（管理粗放）。

HHC

杏树-黄花菜

梯田黄绵土，坡度0-5°，株距120cm，行距150-200cm。

树体长势较好，杏树叶色浓绿，已挂果。

树高200-300cm，径粗4-5cm，成活率>90%，林下为黄花菜（精细管理）。

HHC+MX

杏树-黄花菜-苜蓿

坡黄绵土，坡度5-10°，株距100cm，行距400cm。

树体长势较差，杏树叶色浓绿，未挂果。

树高200-300cm，径粗3-4cm，成活率>90%，林下为黄花菜，苜蓿为零星分布，杂草丛生（精细粗放）。

CK

荒地

坡地黄绵土，坡度5-10°

各类杂草。

作为对照。

2010年6月15日，在区内选择立地条件基本一致的具有代表性的样点，采用网格随机取样方法，以5m的网格间隔各选择3个重复样方15个点，用土钻在每个采样区五点法采取0-10，10-20，20-30cm3个层次的土样，混合后装入塑料袋，带回室内，将采集的样品除去植物根系、石块等，然后在常温下晾干、研磨、全部过2mm筛，袋装密闭备用，放在-4℃冰箱冷藏,而后进行分析处理。

土壤水分含量的测定：

准确称取一定量的鲜土样品,放入铝盒中,在干燥箱内105～110℃烘干24h至恒重,冷却后称量。

1.3土壤微生物类群测定

微生物数量测定均采用稀释平板法，细菌用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌用高氏Ⅰ号培养基，真菌用孟加拉红培养基（成品），氨化细菌用蛋白胨琼脂培养基，固氮菌用改良阿须贝无氮琼脂培养基，纤维素分解菌用赫奇逊氏培养基，硝化细菌用改良的斯蒂芬逊培养基[9]。

1.4土壤微生物生物量碳（MBC）的测定

采用“熏蒸提取-容量分析法”测定了土壤微生物生物量碳[10,11]。

取相当于10g烘干土重的新鲜土样三份，置于干燥容器中，同时放置一小杯去乙醇氯仿（含有玻璃珠、防暴沸）和一小杯1mol/LNaOH溶液,抽真空后25℃培养24h,取出去乙醇氯仿和NaOH溶液瓶,抽尽土壤中残留的氯仿，用0.5mol/LＫ2SO4溶液浸提，振荡30min（300r/min），用中速定量滤纸过滤.熏蒸开始的同时，同时同样土壤三份，按照上述方法振荡浸提，得到未熏蒸的土样滤液，另外做三个无土空白对照。

吸取10ml上述土壤提取液于100ml三角瓶中,准备加入10ml0.018mol/LK2Cr2O7-12mol/LH2SO4标准溶液滴定，再加入少许玻璃珠，混匀后置于175置于玻℃石蜡浴中煮沸10min。

冷却后无损地转移到100mol三角瓶中，用去离子水洗涤消化管3-5次，使溶液体积为80ml，加入一滴邻啡罗啉指示剂，用0.05mol/LFeSO4标准溶液滴定，溶液颜色由橙黄色变为蓝绿色，再变为棕红色即为滴定终点。

有机碳量（mg/kg）=0.012/4×106×M×（V0-V）×f/W

式中M为FeSO4溶液浓度（mol/L）；V0、V分别为空白和样品消耗的FeSO4溶液体积（ml）；f为稀释倍数；W为烘干土重（g）；0.012为碳的毫摩尔质量（g）；106为换算系数。

土壤微生物生物量碳（MBC）：

Bc=Ec/kEC

式中Ec为熏蒸与未熏蒸土壤的差值：

kEC为转换系数。

1.5数据处理

利用SPSS16.0系统分析软件，对数据进行处理分析。

2结果与分析

2.1不同嵌套模式杏树土壤微生物三大类群组成的变化

表1为不同嵌套模式杏树土壤微生物三大类群模式组成。

F检验显示,不同模式间土壤微生物数量差异较显著；多重比较（Duncan,生物数.05）结果表明不同模式间土壤微生物总数量相互之间皆差异显著（P<0.05）。

由杏树的不同模式可以看出：

微生物总数量表现为MX>HHC>MX+HHC>HD>CK，不同嵌套模式间土壤细菌和放线菌数量差异显著（F细=1.966>F0.05；F放=3.066>F0.05，P<0.05），多重比较（Duncan，α=0.05）表明，不同嵌套模式之间细菌和放线菌数量差异较显著（P=0.05），细菌数量变化与微生物总量变化基本相似。

杏树+苜蓿模式土壤中细菌数量明显高于其它；放线菌数量表现为荒地+杏树模式与杏树+苜蓿模式间存在差异。

土壤真菌在不同嵌套模式间数量没有差异（F=0.3620.05）。

表2为不同嵌套模式杏树土壤微生物三大类群深度表。

由土壤深度来看：

F检验显示，不同深度间土壤微生物数量差异极显著（F细=20.878>F0.05；F放=14.048>F0.05，F真=41.325>F0.05P<0.05）；多重比较（Duncan,生物数.05）结果表明不同深度间土壤微生物总数量相互之间皆差异显著（P<0.05）。

三大类群微生物总数量均表现为土壤表层微生物数量高于其他各层。

土壤微生物数量组成是土壤、气候、植被及人为干扰等多方面因素对综合作用的微生物结果[12]。

研究表明土地利用方式对土壤微生物有着较大的影响[13]。

土壤细菌是土壤微生物的主要组成成分，能分解各种有机物质[14,15]，刘福德等（2008）研究了连作杨树人工林不同生长阶段林地内土壤微生态环境特征，结果表明，随着林龄增加，人工杨树林土壤细菌和放线菌数量呈下降趋势，而真菌数量无显著性变化[16]；真菌是常见的土壤微生物之一，从数量上看,它们明显低于其它种类微生物；但真菌可以抑制一些致病菌的生长，且真菌对于纤维素类物质有着较强的分解利用能力[17]，细菌和放线菌通常比较适合在中性至偏碱性的土壤环境生长，而真菌生长更适合偏酸性的土壤环境[18]。

研究表明，土壤中细菌、放线菌和真菌的数量及其比例是衡量土壤肥力及健康状况的重要指标；一般说来，土壤中细菌、放线菌密度越高,该土壤的肥力水平也越高[19]。

在垂直分布结果看：

不同嵌套模式3种微生物均随着土层的加深而急剧减少[20]。

本研究与上述结果基本相同,在杏树嵌套模式不同的情况下，杏树+苜蓿嵌套模式明显优于其它嵌套模式；就深度而言，土壤表层的微生物总数高于其他土层。

产生上述两种情况的原因可能与苜蓿是豆科植物，有较强的固氮能力及土壤表层通气状况良好和表层沉积物丰富有关，说明杏树＋苜蓿模式较其他模式更为突出。

表1为不同嵌套模式杏树土壤微生物三大类群模式组成（×不同4cfu/g干土）

土样模式

细菌

放线菌

真菌

总计

CK

310.00±58.60b

29.67±3.76a

19.33±2.60a

359.00±64.95

MX

420.00±91.65a

34.22±6.65a

18.44±2.96a

472.67±101.24

HD

323.33±49.10a

23.89±3.09b

17.33±3.46a

364.56±55.66

HHC

320.00±66.60a

29.11±3.07a

18.22±2.15a

367.33±71.88

HHC+MX

310.00±60.82b

26.78±5.84a

16.67±2.40a

353.44±69.08

表2为不同嵌套模式杏树土壤微生物三大类群深度表（×不同4cfu/g干土）

深度

细菌

放线菌

真菌

总计

0~10cm

458.00±35.83a

37.07±2.63a

22.40±0.57a

517.47±39.03

10~20cm

314.00±12.88b

27.40±2.13b

18.33±0.90b

359.73±15.91

20~30cm

238.00±18.55c

21.80±1.15b

13.27±0.62c

273.07±20.31

注：

数值为平均值±标准误.字母表示差异性

2.2不同嵌套模式杏树土壤微生物主要功能群组成的变化

图2为不同嵌套模式杏树土壤微生物主要功能群模式组成。

F检验结果显示,土壤微生物各个功能群在不同嵌套模式间均具有显著差异（F固=6.514>F0.05，F纤=0.688>F0.05，F氨化=0.570

对不同嵌套模式个功能群分别进行多重比较（Duncan，α=0.05），就土壤氨化细菌来看,不同模式之间无差异；而土壤固氮菌和纤维素分解菌在不同模式之间存在差异性。

从固氮菌可以知道和CK比较杏树+苜蓿模式（44.89×104cfu/g干土）最高，依次为黄花菜+苜蓿+杏树模式（34.44×104cfu/g干土），荒地+杏树模式（25.49×104cfu/g干土），黄花菜+杏树模式（23.67×104cfu/g干土）。

其中CK和黄花菜+杏树模式及荒地+杏树模式之间没有差异性（P>0.05）。

而杏树+苜蓿模式和黄花菜+苜蓿+杏树模式之间存在差异，并且这两者与其它三种模式均有差异。

土壤中氨化细菌依次为苜蓿+杏树模式（19.33×104cfu/g干土），黄花菜+杏树模式（17.68×104cfu/g干土）、CK（17.00×104cfu/g干土），黄花菜+苜蓿+杏树（16.33×104cfu/g干土）,荒地+杏树（15.67×104cfu/g干土），其中苜蓿+杏树模式和其它模式之间存在差异。

土壤中纤维素分解菌数量变化是荒地+杏树模式（25.82×104cfu/g干土）和黄花菜+杏树模式（25.12×104cfu/g干土）之间差异不显著，苜蓿+杏树模式（21.78×104cfu/g干土）和黄花菜+苜蓿+杏树模式（21.37×104cfu/g干土）之间差异不显著，但是前两种模式和后两种模式差异显著，这四种模式相对于CK（16.44×104cfu/g干土）均差异。

图2为不同嵌套模式杏树土壤微生物主要功能群深度组成。

F检验结果显示，土壤微生物各个功能群在不同土层间均具有显著差异（F固=1.610>F0.05，F纤=7.340>F0.05，F氨化=14.044

多重比较（Duncan，α=0.05）显示，主要功能群由于土层深度的不同而存在差异，就固氮菌来看随土壤深度的增加功能群数量渐少（36.18×104cfu/g干土>29.07×104cfu/g干土>25.13×104cfu/g干土），差异明显。

氨化细菌（21.40×104cfu/g干土>16.02×104cfu/g干土>14.20×104cfu/g干土）与纤维素分解菌（28.18×104cfu/g干土>20.93×104cfu/g干土>17.48×104cfu/g干土）表现趋势和固氮菌类似，但它们在10~20cm和20~30cm处差异不显著。

本研究涉及的土壤微生物主要功能群可以分两大类：

一类与氮素转化有关,包括固氮菌和氨化细菌；另一类是与纤维素的分解有关的纤维素分解菌。

氮素在森林土壤中的转化包括固氮作用、硝化作用和氨化作用等过程，土壤微生物氮素生理群数量的变化一定程度上反映了土壤氮素营养的水平和转化效率；土壤纤维素分解菌在森林，尤其是针叶林土壤纤维素的转化中起着极为重要的作用，与土壤氮素供给水平密切相关。

土壤中氮素生理群及纤维素分解菌的数量组成与植被类型和植被的演替阶段密切相关：

于学珍等（2005）对天童山常绿阔叶林退化演替中土壤微生物的变化研究表明,随着植被的退化演替，氨化细菌及多种土壤微生物功能群数量呈明显的下降趋势[18]；杜国坚等（1995）对杉木连栽林地中纤维素分解菌的变化情况研究表明，土壤中纤维素分解菌含量随连栽年限的增加呈下降趋势[21]。

本研究结果与上述研究结果不尽相同，究其原因,除植被类型不同外，杏树发展过程中土壤环境的不同变化是造成这种差异的主要原因。

而生物固氮过程中起着主导作用的固氮梭菌通常适宜于中性或偏碱性的土壤环境。

因此，好气性的固氮菌和氨化细菌的数量有所降低。

本研究中,土壤中固氮菌和氨化细菌数量升高和降低是相对应的,它们数量增高时，会影响到依赖于氮素生理群的纤维素分解菌的数量。

综上所述，杏树+苜蓿模式土壤中固氮菌的数量明显高于其他模式，杏树+黄花菜+苜蓿模式次之。

并且这种数量的变化影响到了土壤C、N转化及杏树嵌套模式的选择。

而主要功能群由于土壤深度的加深其数量表现的差异性更为明显。

图1为不同嵌套模式杏树土壤微生物主要功能群深度组成（成同嵌4cfu/g干土）

图2为不同嵌套模式杏树土壤微生物主要功能群模式组成（不同04cfu/g干土）

2.4不同嵌套模式杏树土壤微生物生物量碳（MBC）特征

图3为不同嵌套模式杏树土壤微生物生物量碳变化特征。

首先，以杏树的不同模式来看：

F检验结果显示，不同嵌套模式土壤微生物MBC差异极为显著（F=23.744>F0.01，P<0.01）。

土壤MBC的变化表现为：

杏树+苜蓿模式和杏树+黄花菜模式增加的幅度较大。

多重比较（Duncan，α=0.05）结果显示，与CK比较，杏树+荒地模式的MBC增加量最低（57.36mg/kg），杏树+黄花菜+苜蓿混合模式（69.49mg/kg）和杏树+黄花菜模式（102.52mg/kg）有所上升，且这两种模式之间差异较显著，杏树+苜蓿模式的MBC最高（121.27mg/kg），与其他各模式间均有显著差异。

其次，以杏树土壤不同深度来看：

F检验显示,不同深度土壤微生物MBC差异显著（F=6.172>F0.01，P<0.01）.土壤MBC的变化表现为：

0～10cm的土壤MBC最为丰富。

多重比较（Duncan，α=0.05）显示，0～10cm的土壤MBC（102.13mg/kg）明显高于其他土层（76.01mg/kg）和（64.60mg/kg）。

图3为不同嵌套模式杏树土壤微生物生物量碳变化特征.

土壤微生物生物量碳（MBC）是土壤中活微生物体中碳的总量,通常占微生物干物质的40%—45%，是反映土壤微生物量大小的主要指标[11]。

而土壤MBC对土壤环境的各种变化极为敏感，能充分反映土地利用方式和生态功能的变化[22]。

土壤MBC的大小和转化能力直接影响植物对养分的吸收[23]。

樊军等（2003）研究表明，根系庞大的植被，为土壤提供了较多的有机物质，其土壤MBC比小根系植被土壤中高[24]。

研究表明，生长季内增加一倍降水量会导致极地半干旱荒漠生态系统中土壤MBC增加[25]。

土壤呼吸强度明显升高，微生物代谢商显著降低，退耕后植物物种增加，为微生物代谢提供了丰富的可利用物质，使微生物群落的食物网复杂化生态系统更趋于稳定[22]。

在生态恢复过程中，植被的变化通过吸收养分和归还有机物等影响土壤理化和生物学性质，土壤微生物呼吸随之变化，指示着系统恢复中土壤质量的演替过程。

农业耕作活动可以造成土壤碳的损失，而植被恢复可以通过根系分泌物和残体可以增加土壤碳源，影响土壤物质循环,改善土壤性质[22]。

张笑培等（2008）研究了黄土高原沟壑区不同植被恢复模式对热生物学特性的影响，结果表明苜蓿地受苜蓿固氮、根系及落叶的共同作用，土壤C、N