引用本文
席军强, 杨自辉, 郭树江, 王强强, 张剑挥, 王多泽. 不同类型白刺沙丘土壤理化性状与微生物相关性研究.草业学报, 2015,24(6): 64-74
XI Jun-Qiang, YANG Zi-Hui, GUO Shu-Jiang, WANG Qiang-Qiang, ZHANG Jian-Hui, WANG Duo-Ze. The correlation between soil physical and chemical properties and soil microbes in different types of Nitraria dune .Acta Prataculturae Sinica, 2015,24(6): 64-74  
Permissions
Copyright©2015, 草业学报编辑部
本文属于开放获取期刊
不同类型白刺沙丘土壤理化性状与微生物相关性研究
席军强1,2, 杨自辉2*,*, 郭树江2, 王强强2, 张剑挥2, 王多泽2
1.甘肃农业大学林学院,甘肃 兰州 730070
2.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站,甘肃 民勤 733300
*通讯作者Corresponding author. E-mail:zihyang@126.com

作者简介:席军强(1988-),男,甘肃会宁人,在读硕士。E-mail:junqxi@163.com

收稿日期: 2014-07-14
基金: 国家重大林业公益性行业科研专项(201404306),国家自然科学基金项目(31260200)和甘肃省技术研究与开发专项(1105TCYA037)资助
摘要

利用民勤荒漠绿洲过渡带不同类型白刺沙丘的土壤微生物、土壤理化性状及二者之间的相关性进行研究,旨在探讨白刺沙丘的成土过程,为绿洲生态建设提供基础数据,结果表明,1)固定、半固定和流动沙丘粘粒、粉粒、细砂粒、粗砂粒含量差异较大;土壤养分含量与土壤粘粒、粉粒、细砂粒等细沙物质含量呈正相关性,与粗砂粒含量呈负相关性,表现为土壤养分含量随土壤颗粒的增大,相关性减弱。2)土壤微生物类群数量在半固定沙丘明显高于固定沙丘和流动沙丘。3)过渡带土壤均处于偏碱性状态,有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、速效磷和CaCO3含量随沙丘发育年代的增加逐渐增加。4)不同年代沙丘中土壤微生物和土壤理化因子均具较好的相关性,尤其是细菌和放线菌与pH值呈显著的负相关关系,土壤有机质含量与三大菌群数量都表现出显著的正相关关系。

关键词: 白刺灌丛沙丘; 土壤微生物; 土壤理化性状; 相关性
doi: 10.11686/cyxb2014315
The correlation between soil physical and chemical properties and soil microbes in different types of Nitraria dune
XI Jun-Qiang1, YANG Zi-Hui2,*, GUO Shu-Jiang2, WANG Qiang-Qiang2, ZHANG Jian-Hui2, WANG Duo-Ze2
1.College of Forestry, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
2.Gansu Minqin National Field Observation & Research Station on Ecosystem of Desert Grassland, Minqin 733300, China
Abstract

In order to explore soil-forming processes and to provide basic data for oasis ecological construction, a study has been undertaken that correlates soil microbes with soil physical and chemical properties in different Nitraria sand dunes in the oasis-desert ecotone of Minqin. Results showed significant differences in soil clay, silt, fine sand and coarse sand content among fixed, semi-fixed and flowing sand dunes. Soil nutrients showed a positive correlation with soil clay, silt and fine sand. However, they were negatively correlated with coarse sand. Correlations decreased with increasing soil particle size. The quantity of soil microbes in semi-fixed sand dunes was clearly higher than in fixed and flowing sand dunes. The ecotone exhibits alkaline soils. The older the sand dune the greater the content of organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, hydrolytic nitrogen, potassium, available phosphorus and CaCO3. In addition, soil microbes were significantly correlated with the physical and chemical properties of different ages of sand dune, especially bacteria and actinomycetes, which showed a prominent negative correlation with pH value. Soil organic matter had a significant positive correlation with the quantity of these microbes.

Key words: shrub-coppice dunes ofNitraria; soil microbes; soil physical and chemical properties; correlation

民勤绿洲地处石羊河下游的腾格里与巴丹吉林两大沙漠交汇区。据测定, 民勤荒漠绿洲过渡带从沙漠到绿洲主要的地貌类型依次为稀疏的白刺灌丛流动沙丘, 盖度6%左右; 而后为白刺灌丛半固定沙丘、稀疏沙拐枣沙丘、人工梭梭林半固定沙丘, 盖度分别为11%, 4%和2%左右; 靠近绿洲为梭梭(Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitraria tangutorum)、沙拐枣(Calligonum arborescens)固定沙丘, 盖度分别为5%, 4%和4%左右; 整个绿洲过渡带宽约10 km。白刺灌丛沙丘是风沙流遇到白刺灌丛阻拦逐步形成, 是沙物质在灌丛及其周围堆积而形成的一种地貌类型。白刺灌丛沙丘固定了绿洲外围的大量流沙, 阻止了流沙对绿洲的危害, 对保护绿洲具有重要作用。

白刺灌丛沙丘的稳定性由植物和地表土壤决定, 随着发育时间的不同, 白刺灌丛沙丘表层土壤理化性状与微生物发生变化。研究白刺灌丛沙丘不同发育阶段的土壤理化性状、微生物特征及其二者之间的相关性, 探讨白刺灌丛沙丘土壤形成机理、对于荒漠生态环境建设、保护绿洲等方面具有重要的科学价值。

土壤微生物和土壤养分是生态系统的重要组成部分[1]。土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力, 直接参与养分循环、有机质分解等诸多生态过程, 影响植物营养、土壤结构和土壤肥力等变化[2, 3, 4], 推动着生态系统的能量流动和物质循环[5, 6, 7, 8]。土壤微生物类群与数量的变化是反映土壤质量、土壤表面状况的指示物和土壤养分资源生物有效性的重要活指标[9, 10, 11], 它与植物营养和土壤肥力密切相关, 并能预测土壤发育趋势[12]。土壤物理性状直接或间接地影响着土壤微生物数量和土壤养分含量; 土壤养分含量决定着植被的生长发育。

国内学者以白刺灌丛群落为研究对象, 开展了白刺灌丛沙丘的土壤特性[13]、白刺灌丛的光合特性[14]、空间格局[15]及白刺灌丛对降水与地下水利用[16]等方面进行了探讨。国外学者对灌丛沙丘的形态、沉积学、生态学和动力过程等方面进行了较系统的研究; 在荒漠土壤的研究中, 主要在土壤微生物多样性[17, 18, 19, 20]、土壤种子库、土壤理化性质、土壤微生物生物量和土壤酶[21, 22, 23, 24]等方面开展了研究。在干旱区荒漠-绿洲过渡带白刺灌丛沙丘, 随着发育年限的增加, 沙丘表层从风沙土逐步发育成土壤的过程中, 土壤理化性质和微生物的变化规律研究尚未有报道。本文通过对民勤荒漠-绿洲过渡带不同发育年代白刺灌丛沙丘土壤理化性质、土壤微生物的测定分析, 研究不同年代白刺灌丛沙丘土壤微生物数量与土壤理化因子的空间分布格局及其二者之间的关系, 探讨白刺灌丛沙丘表层土壤形成机理, 防治白刺灌丛沙丘退化, 以其为荒漠绿洲过渡带生态建设、绿洲生态安全提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区位于民勤绿洲边缘沙井子地区绿洲与荒漠过渡带, 从沙漠到绿洲的过渡带, 沙丘从流动逐步到固定, 主要植被与地貌类型依次为稀疏白刺灌丛沙丘-固定白刺沙丘、半固定稀疏沙拐枣沙丘、半固定人工梭梭沙丘-固定白刺沙丘、固定梭梭沙丘-绿洲防护林带, 形成一个完整的绿洲防护林体系。该区属典型干旱荒漠气候区, 具有日照强烈、降水量少、降水变率大、年内分配不均、蒸发量大等特点; 年平均气温7.6℃, 多年平均降水量为118 mm, 蒸发量2604.3 mm; 降水量主要集中在6-9月, 占全年降水量的74.7%, 年均日照时数2799.4 h, 年平均风速2.45 m/s, 多年平均瞬时最大风速22.35 m/s, 年平均≥ 17 m/s的大风时间为28.6 d, 能见度< 1000 m的沙尘时间为25.2 d。年9级以上大风日为27.8 d, 年沙尘暴日数为37.7 d, 年均扬沙日数32.9 d, 浮尘日数18.9 d, 是我国沙尘暴的主要策源地之一。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

样地设在甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站(简称民勤国家野外站)荒漠到绿洲过渡带的观测场, 随着不同年代沙丘发育形成:流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。在3个不同发育年代的白刺沙丘中设10 m× 10 m的9个固定样地, 样品分别在3个类型沙丘中采集, 采样地的详细特征见表1。

表1 采样地特征 Table 1 Main features of sampling sites

1.2.2 样品采集

土壤取样在2013年8月进行, 在样地内运用土壤剖面法和多点混合取样法分别采集0~2 cm, 2~10 cm, 10~20 cm土样, 即各固定样地随机选5个采样点, 挖土壤剖面分层采5份土样, 再将9个固定样地各相同土层组成1个混合样, 各类型沙地重复5次, 挑取石块、植物残根等杂物后用四分法取舍, 装入事先准备的无菌塑料袋, 带回实验室放入4℃冰箱供土壤微生物类群数量、土壤粒度组成和土壤理化性质等的测定分析。

1.2.3 测试方法

真菌数量测定采用马丁孟加拉红培养基, 以平板表面涂抹法计数[25, 26]。即称取土壤鲜样10 g, 在无菌条件下用无菌水配成不同浓度梯度悬浮液, 取稀释度为10-2, 10-3, 10-4 的土壤悬浮液各1 mL, 接种于盛有灭菌的马丁孟加拉红培养基的培养皿中, 用无菌刮刀涂抹均匀。每个浓度3个重复, 恒温(25℃)培养5~7 d, 选取每皿菌落数为15~150的1个稀释度统计菌落数, 按下列公式计算真菌数量 。

菌数(cfu/g)=菌落平均数× 稀释倍数× 10/干土

放线菌数量测定采用高氏一号培养基, 以平板表面涂抹法计数[25, 26] 。取稀释度为10-3, 10-4, 10-5的土壤悬浮液各1 mL接种于盛有灭菌的高氏一号培养基, 其余与真菌数量测定方法相同。恒温(28℃)培养7~10 d, 按上述方法和公式统计菌落数并计算放线菌数量。

细菌数量测定采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基, 以平板表面涂抹法计数[25, 26]。取稀释度为10-6, 10-7, 10-8的土壤悬浮液各1 mL接种于盛有灭菌的牛肉膏蛋白胨琼脂培养基, 恒温(28℃)培养3 d统计菌落数, 其余与放线菌数量测定方法相同。

土壤理化性质分析方法[27]:土壤粒度组成采用Malvern 2000型激光粒度仪测定, 粘粒(0.01~2 μ m), 粉粒(2~20 μ m), 细砂粒(20~200 μ m), 粗砂粒(200~2000 μ m); 土壤含水量采用烘干法; 全氮采用半微量凯氏法; 全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法; 全钾采用碱熔-火焰光度法; 有机质采用重铬酸钾氧化-油浴加热法; 水解氮采用碱解扩散法; 速效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法; 速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法; 土壤碳酸钙采用快速中和滴定法; pH采用玻璃电极法。

植被资料取自民勤国家野外站样地调查数据(调查时间2013年9月)。

1.3 数据处理与分析

根据野外调查资料和实验室的分析资料, 采用SPSS 17.0统计分析软件进行数据分析, 采用DPS软件的LSR法进行数据的显著性检验。

2 结果与分析
2.1 不同类型沙丘土壤粒度特征

过渡带不同年代白刺沙丘类型的土壤粒度组成以细砂粒含量最多(36.71%~69.94%), 粗砂粒含量次之(0.76%~59.38%), 粘粒含量最少(0.82%~11.84%), 且砂粒主要集中在细砂粒含量和粗砂粒含量(表2)。就不同类型沙丘粒度组成而言, 粘粒、粉粒和细砂粒含量均以固定沙丘最大(分别为5.31%, 14.74%, 63.27%), 半固定沙丘次之(分别为3.28%, 10.16%, 56.07%), 流动沙丘最小(分别为0.94%, 2.98%, 49.28%), 而粗砂粒含量以流动沙丘最大(46.79%), 半固定沙丘次之(30.50%), 固定沙丘最小(16.56%)。不同类型沙丘粘粒、粉粒、细砂粒和粗砂粒含量表现为固定沙丘和半固定沙丘各土层(0~2 cm, 2~10 cm, 10~20 cm)差异极显著(P< 0.01), 流动沙丘各土层差异不显著(P> 0.05), 尤其固定沙丘和半固定沙丘表层(0~2 cm)粘粒和粉粒含量显著高于2~10 cm和10~20 cm土层, 相反表层(0~2 cm)细砂粒和粗砂粒含量小于2~10 cm和10~20 cm土层, 而流动沙丘粘粒、粉粒、细砂粒和粗砂粒含量各土层(0~2 cm, 2~10 cm, 10~20 cm)基本一致。

由此可见, 固定沙丘和半固定沙丘结皮的形成, 减弱了表层的风蚀和沙子的搬运能力, 提高了土壤中粉粘粒含量; 裸露的流动沙丘, 流沙的不断移动, 沙粒的往复更迭, 从而造成各层沙粒大小基本一致。

表2 不同类型沙丘土壤粒度组成 Table 2 The composition of soil particles in different types of dune%
2.2 不同类型沙丘土壤微生物数量特征

2.2.1 土壤微生物在土层垂直分布上的特征

不同类型沙丘土壤微生物数量随土层深度的增加变化不具规律性(表3), 其中固定沙丘, 细菌数量各土层差异显著(P< 0.01), 真菌和放线菌数量各土层差异不显著(P> 0.05), 细菌、真菌和放线菌的数量在2~10 cm土层含量最多; 半固定沙丘和流动沙丘, 细菌数量各土层差异显著, 真菌和放线菌数量在10~20 cm土层显著高于0~2 cm和2~10 cm土层, 但在0~2 cm和2~10 cm土层之间真菌和放线菌数量差异不显著。

2.2.2 土壤微生物在不同类型沙丘的分布特征

各类型沙丘中微生物总量分布依次排列为:半固定沙丘> 流动沙丘> 固定沙丘。此外, 不同类型沙丘, 细菌数量各土层差异显著, 而真菌和放线菌数量各土层差异不显著。固定沙丘和半固定沙丘微生物类群数量依次为:细菌> 放线菌> 真菌, 而流动沙丘微生物类群数量依次为:放线菌> 细菌> 真菌。

表3 不同类型沙丘土壤微生物区系 Table 3 The quantity and composition of soil microbes in different types of dune
表4 不同类型沙丘土壤化学特性 Table 4 The chemical properties of soil in different types of dune
2.3 不同类型沙丘土壤化学特性

1)不同类型沙丘的pH值和CaCO3特征:从土壤的pH值来看(表4), 该区土壤均处于偏碱性状态, 不同类型沙丘各土层pH值变化差异显著(P> 0.05), 从土壤碱化度来看, 依据目前通用的划分标准[28], 沙地土壤基本上处于碱化发育过程当中; 从CaCO3含量来看, 固定沙丘和半固定沙丘各土层差异显著, 流动沙丘表层含量显著高于深层且深层CaCO3含量差异不显著; 不同沙丘CaCO3含量依次表现为:固定沙丘> 半固定沙丘> 流动沙丘。有关研究表明, 土壤中碳酸盐的含量主要受石灰性母质和风积灰尘的影响[28], 在该研究区域, 土壤母质基本一致, 因此, 不同沙丘CaCO3含量的差异只能是是由风积灰尘的差异所引起的。

2)土壤养分在土层垂直分布上的特征:研究区土壤中的有机质含量较低(均小于1%), 各土层在0.072%~0.829%之间变化(表4)。其中, 固定沙丘和半固定沙丘表层(0~2 cm)土壤有机质含量最高, 流动沙丘表层土壤经常处于风蚀和移动状态, 深层基本趋于稳定, 微生物生存条件好, 深层土壤有机质含量略高于表层; 同一沙地各土层全氮、全磷和全钾含量均高于水解氮、速效磷和速效钾, 但全氮、全磷和全钾含量垂直变化的趋势不明显, 尤其在深层土壤之间。

3)土壤养分在不同类型沙地的分布特征:从表4可以看出, 就不同类型沙丘土壤养分而言, 沙丘固定形成结皮, 尤其生物结皮, 对土壤养分含量影响显著, 总体趋势表现为固定沙丘最大, 半固定沙丘次之, 流动沙丘最小。此外, pH值、有机质、水解氮、速效磷、速效钾和CaCO3含量各类型沙地之间差异显著(P< 0.01), 而全氮、全磷和全钾含量各类型沙丘之间差异不显著(P> 0.05)。

2.4 不同类型沙丘土壤理化性状之间的相关性

2.4.1 固定沙丘土壤理化性状之间的相关分析

固定沙丘土壤有机质含量和全氮、全磷、速效磷和CaCO3含量呈极显著的正相关关系(P< 0.01)(表5), 与pH值和水解氮呈极显著的负相关关系(P< 0.01)。其中有机质和全钾呈负相关关系, 与速效钾呈正相关关系, 但均不显著(P> 0.05)。除全钾和速效钾外, 土壤pH值、有机质、全氮、全磷、速效磷、水解氮和CaCO3含量与土壤粒度组成均表现出较大的相关性。其中, 粘粒和粉粒与pH值、水解氮呈极显著的负相关关系, 与全氮、全磷、有机质和CaCO3含量呈极显著的正相关关系; 相反细砂粒和粗砂粒与pH值、水解氮呈极显著的正相关关系, 与全氮、全磷、有机质和CaCO3含量呈极显著的负相关关系。粘粒和粉粒与细砂粒和粗砂粒均呈显著的负相关关系。由此可见, 大部分土壤养分含量与粒度组成的相关性随着土壤颗粒的增大而呈减弱的趋势, 至细砂粒时转变成负相关性。

表5 固定沙丘土壤理化性状之间相关性分析 Table 5 The correlation between soil physical and chemical properties in fixed dune

2.4.2 半固定沙丘土壤理化性状之间的相关分析

半固定沙丘土壤有机质含量与速效钾含量呈极显著的负相关关系(P< 0.01), 与全氮、全钾、水解氮含量呈正相关关系, 与pH值、全磷、速效磷和CaCO3含量呈负相关关系, 但均不显著(P> 0.05) (表6)。另外, 粘粒、粉粒和细砂粒与全氮、速效磷和CaCO3含量呈极显著的正相关关系(P< 0.01), 与pH值、全钾、水解氮呈显著的负相关关系(P< 0.05), 相反粗砂粒与全氮、速效磷和CaCO3含量呈极显著的负相关关系, 与pH值、全钾和水解氮含量呈显著的正相关关系。粘、粉粒与细砂粒呈显著正相关关系, 与粗砂粒含量呈显著负相关关系, 细砂粒与粗砂粒呈显著负相关关系。这说明粘、粉粒和细砂粒含量与大气降尘密切相关, 土壤粒度组成影响着土壤的养分状况, 尤其对有机质含量影响特别明显, 粗砂粒含量的增多对土壤养分贡献很小且促使土壤不断地恶化, 粘粒、粉粒和细砂粒含量的增加对土壤养分贡献很大, 有助于土壤团粒结构的形成, 对土壤质量的提高有重要的作用。

表6 半固定沙丘土壤理化性状之间相关性分析 Table 6 The correlation between soil physical and chemical properties in semi-fixed dune

2.4.3 流动沙丘土壤理化性状之间的相关分析

流动沙丘土壤有机质含量与速效钾含量呈极显著的正相关关系(P< 0.01), 与速效磷、水解氮含量呈极显著负相关关系(表7)。另外, 粘粒和粉粒与pH值、全钾呈显著的负相关关系(P< 0.05), 细砂粒与水解氮、速效磷和CaCO3含量呈极显著的负相关关系, 与有机质含量呈显著的正相关关系, 相反粗砂粒有机质含量呈显著的负相关关系, 与水解氮、速效磷和CaCO3含量呈极显著的正相关关系。粘粒与粉粒呈显著正相关关系, 与粗砂粒呈显著负相关关系, 细砂粒与粗砂粒相关但不显著(P> 0.05)。可见, 在流动沙丘提高速效钾的含量有助于土壤有机质的形成, 加快沙丘的固定。

2.5 不同类型沙丘土壤微生物数量与土壤理化性状之间的相关分析

不同类型沙丘中的细菌、真菌和放线菌数量与土壤理化因子之间均具有一定的相关性(表8)。在流动沙丘, 细菌数量与pH值呈显著的负相关关系(P< 0.01), 与全氮、有机质和速效钾含量呈显著的正相关关系, 真菌数量与有机质含量呈显著的正相关关系, 放线菌数量与有机质和速效钾含量呈显著的正相关关系, 与水解氮含量呈显著的负相关关系; 在半固定沙丘, 细菌数量与pH值呈显著的负相关关系, 与全氮、有机质、速效钾和粒度呈显著的正相关关系, 真菌数量与有机质、水解氮和速效钾含量呈显著的正相关关系, 放线菌数量与全氮、有机质和速效钾含量呈显著的正相关关系, 与水解氮含量呈显著的负相关关系; 在固定沙丘, 细菌数量与pH值呈显著的负相关关系, 与全氮、有机质、速效钾和粒度呈显著的正相关关系, 真菌数量与有机质和速效钾含量呈显著的正相关关系, 与全钾和粒度呈显著的负相关关系, 放线菌数量与有机质和速效钾含量呈显著的正相关关系, 与pH值呈显著的负相关关系。

表7 流动沙丘土壤理化性状之间相关性分析 Table 7 The correlation between soil physical and chemical properties in flowing dune
表8 不同类型沙丘土壤微生物数量与土壤理化性状之间相关分析 Table 8 The correlation between soil microbes and soil physical and chemical properties in different types of dune
3 讨论

土壤物理组成作为重要的土壤物理属性, 其土壤颗粒的大小、含量和分布状况构成了不同的土壤质地, 对土壤呼吸、土壤微生物、土壤养分状况等有着显著影响。本研究表明土壤物理组成影响着土壤养分状况, 粘粒、粉粒和细砂粒含量的增加对土壤养分的增加贡献较大, 粗砂粒含量的增加对土壤养分的增加贡献较小。在民勤荒漠区围封的固定沙丘, 尽管植被覆盖度很低, 但表层形成的褶皱状的生物结皮, 能够降低临界起沙的风速[29], 能有效地促进风积沙尘和大气降尘的积累, 经过长期的沉积形成表层土壤; 半固定沙丘丰茂的白刺灌丛植被能有效地阻止沙丘细颗粒物质的进一步损失, 增加了细颗粒物质的含量, 有助于形成粘土和结皮; 而流动沙丘随风沙运动而不断往复摆动的现象和土壤细颗粒的迁移和损失, 使粗砂粒含量保持较高水平。可见, 从流动沙丘逐步过渡到固定沙丘的过程中, 结皮的形成和植被覆盖度的增加有利于细颗粒物质的积累, 提高养分含量。另外, 对流动沙丘进行围栏封育, 减少人为破坏, 有利于植被恢复和土壤形成。

荒漠-绿洲过渡带流动沙丘地上植被稀疏, 地上生物量低, 多为草本, 白刺根系分布较浅而水分蓄积量较少, 植被盖度较小, 为土壤提供的凋落物少, 地表基本处于裸露状态, 生境条件恶劣, 不利于土壤养分的积累, 使得其微生物生长发育受到一定程度的限制; 半固定沙丘, 地上植物生物量大, 每年白刺的枝叶凋落物为土壤微生物提供大量的生存物质, 且白刺的地下根系发达, 其分泌物和死根是土壤微生物的能源物质, 有利于土壤微生物的生长繁殖; 固定沙丘, 长期表层微细粒子聚集, 土壤颗粒组成紧实, 形成坚硬的结皮, 通透性差, 降低了水分下渗速率, 结皮层水分蒸发快[30], 灌木植物几乎全部退化, 而草本植物随季节性降水生长, 且生长量很低, 土壤养分基本不能累积, 对土壤微生物无法提供生存能源物质。因此, 本研究发现半固定沙丘土壤微生物类群数量明显高于固定沙丘和流动沙丘。这与王素娟[31]半固定沙丘微生物总量最多有相同的结论。此外, 土壤有机质、氮素和磷素等是土壤主要的养分指标, 其中土壤有机质能增强土壤孔隙度、通气性和结构性, 有显著的缓冲作用和持水力, 含有大量的植物营养元素, 是微生物的营养源和能源[32, 33, 34]。通过对不同类型沙丘的土壤化学性质进行分析, 表明不同类型沙丘的土壤特性存在明显差异, 该沙区土壤均处于偏碱性状态(pH, 8.12~9.15), 有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、速效钾、速效磷和CaCO3含量随沙丘的固定逐渐增加。这与贾晓红等[35]对沙坡头流沙固定过程中土壤性质变化的研究结果一致。贾宝全等[22]对沙坡头地区围封后的固定沙地表面结皮性质研究表明, 围封后能够显著地促进结皮的生长发育, 提高结皮中的有机质、全氮、全磷、速效氮等养分。这与本研究结果:固定沙丘和半固定沙丘表层(0~2 cm)土壤有机质、全氮、全磷等含量最高, 流动沙丘含量最高的不在表层这一结论相吻合。可见, 在民勤沙区围封对沙丘的固定、结皮的形成和土壤养分的提高有显著的作用。本研究还发现, 已围封40多年的固定沙丘, 尽管土壤养分含量较高, 但微生物数量很低, 这可能是紧实坚硬的结皮, 影响了水分入渗, 降低了土壤生产力, 抑制了植物的生长发育, 减小了荒漠生境中生物多样性和植物覆盖度, 改变了微生物生长环境。

本研究还发现, 3种白刺沙丘中, 土壤粘粒、粉粒的含量与土壤全氮、速效磷、碳酸钙的含量呈显著正相关, 而粗砂粒含量与之相反, 呈显著的负相关; 细砂粒的含量与土壤全氮、速效磷、碳酸钙的含量在固定白刺沙丘中呈负相关, 而在半固定、流动白刺沙丘中呈正相关; 全磷和有机质含量在固定白刺沙丘中与土壤粘粒、粉粒呈显著正相关, 与细砂粒、粗沙粒呈负相关, 在半固定、流动白刺沙丘中与土壤粒度无关; 在固定白刺沙丘中, 土壤全钾含量与土壤粒度无相关性, 在半固定、流动白刺沙丘中与土壤粘粒、粉粒、细砂粒含量呈负相关, 而与粗砂粒无关。微生物数量的多少与土壤有机质、速效钾含量存在显著正相关关系, 细菌、放线菌与土壤全氮含量呈正相关, 与pH值呈负相关; 在固定、半固定白刺沙丘表层, 土壤细菌数量与土壤粒度呈正相关关系; 土壤含水量与微生物没有相关性。总之, 不同年代类型沙丘中土壤微生物和土壤理化因子均具较好的相关性, 土壤微生物与土壤养分之间存在相互依存、相互制约的互作关系。

另外, 荒漠绿洲草地生态系统中沙丘植被群落组成能影响土壤微生物活性和功能类群[36], 地上植物、地下微生物和土壤微环境之间的相互响应机制与群落演替存在着明显的关联性[37]。在荒漠绿洲区不同年代类型沙丘之间, 群落的多样性、物种丰富度和植被覆盖度在半固定沙丘最高。地下部分土壤理化性质的改良、土壤微生物数量、多样性和土壤酶活性的提高可能会引起地上植物多样性、覆盖度和丰富度的提高, 反之, 地上部分高的生物多样性可能会引起作为地下生物资源的凋落物质量、数量和类型的多样性, 而资源的差异性也可能会引起微生物分解者的多样性, 这能在很大程度上改良土壤, 而民勤荒漠区对植被和土壤的研究较多, 对植被-土壤之间的相互作用机制和关联性的研究较少, 今后有待进一步深入研究。本研究的不足之处在于没有把土壤微生物和土壤酶结合起来来评价土壤的形成机理, 其是今后研究的课题。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Hou B D, Ma F Y, Song Y M, et al. A study on effects of different tree species on soil nutrients, enzyme activities and microorganisms. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis, 2006, 28(5): 734-738. [本文引用:1]
[2] Yang C D, Long R J, Chen X R, et al. Study on microbial biomass and its correlation with the soil physical properties under the alpine grassland of the east of Qilian mountains. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(4): 62-68. [本文引用:1]
[3] Jennifer L K, Lee A B, Mirand a H. Methods of studying soil microbial diversity. Journal of Microbiological Methods, 2004, 58(2): 169-188. [本文引用:1] [JCR: 2.161]
[4] Donald R Z, Willame H, David C W. Plant diversity, soil microbial communities, and ecosystem function: Are there any links. Ecology, 2003, 84(8): 2042-2050. [本文引用:1] [JCR: 5.175]
[5] Burns R G. Soil Enzymes[M]. New York: Academic Press, 1978. [本文引用:1]
[6] Clark F E, Pawl E A. The microflora of grassland . Advances in Agronomy, 1970, 22: 375-435. [本文引用:1] [JCR: 5.06]
[7] Xue K, Liu G B, Dai Q H, et al. Dynamic changes of soft microbial biomass in the restoration process of shrub plantations in loess hilly area. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(3): 517-523. [本文引用:1]
[8] Zhang Q S, Yu X T. Seasonal dynamics of soil microorganisms under various mixture after chinese fir replanting in Fujian. Acta Ecologica Sinica, 1990, 10(2): 121-126. [本文引用:1]
[9] Shao Y Q, Ao X L, Song G B, et al. Soil microbial biomass in degenerated and recovered grassland s of Huangfuchuan watershed. Chinese Journal of Ecology, 2005, 24(5): 578-580. [本文引用:1]
[10] Zhao J, Guo T, Shao Y Q. Preliminary studies on soil microbial biomass and its turnover in typical grassland s of neimongol region. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Neimongol, 2004, 35(6): 673-676. [本文引用:1]
[11] Liu Y M, Li X R, He M Z, et al. Effect of biological soil crusts on soil microbial biomass carbon content. Journal of Desert Research, 2012, 32(3): 669-673. [本文引用:1]
[12] Jin Z Z, Lei J Q, Xu X W, et al. Diversity of soil microbe at different sites in shelterbelt of moving sand area. Journal of Desert Research, 2011, 31(6): 1430-1436. [本文引用:1]
[13] Han S L, Ye D M, Qin J Q, et al. Moisture content and physical properties of soil under brushwood of Nitaria tangutorum in the ulanbuh desert. Arid Land Geography, 2005, 28(4): 506-510. [本文引用:1]
[14] Zhao C M, Wei X P, Wei Q S, et al. Photosynthetic characteristics of Nitraria tangutorum and Haloxylon ammodendron in the ecotone between oasis and desert in Minqin, Region, Country. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(8): 1908-1913. [本文引用:1]
[15] He Z B, Zhao W Z. Spatial pattern of two dominant shrub populations at transitional zone between oasis and desert of Heihe river basin. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(6): 947-952. [本文引用:1]
[16] Yang Z H, Gao Z H. Impact of precipitation and underground water level in the edge of oases on growth and decline of Nitraria tangugtorum community. Chinese Journal of Applied Ecology, 2000, 11(6): 923-926. [本文引用:1]
[17] Bhatnagar A, Bhatnagar M. Microbial diversity in desert ecosystems. Microbial Diversity, 2005, (1): 91-100. [本文引用:1]
[18] Shamir I, Steinberger Y. Vertical distribution and activity of soil microbial population in a sand y desert ecosystem. Microbial Diversity, 2007, (2): 349-347. [本文引用:1]
[19] Chanal A, Chapon V, Benzerara K, et al. The desert of tataouine: an extreme environment that hosts a wide diversity of microorganisms and radiotolerant bacteria. Environmental Microbiology, 2006, (3): 514-525. [本文引用:1] [JCR: 5.756]
[20] Orland o J, Alfaro M, Bravo L, et al. Bacterial diversity and occurrence of ammonia-oxidizing bacteria in the atacama desert soil during a “desert bloom” event. Soil Biology and Biochemistry, 2010, (7): 1183-1188. [本文引用:1] [JCR: 3.654]
[21] Dou H X, Wang M J. The temporal and spatial dynamics of soil seed bank under different types of sand dunes in Hunshand ake sand y land . Pratacultural Science, 2008, 25(3): 116-118. [本文引用:1]
[22] Jia B Q, Zhang H Q, Zhang Z Q, et al. The study on the physical and chemical characteristics of sand soil crust in the Minqin county, Gansu province. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(7): 1442-1448. [本文引用:2]
[23] Yang X J, Wang Y S, Duan L D, et al. Changes of soil microbial biomass and enzymatic activities among restoration stages of Langshan forest park, Hunan province. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(1): 142-148. [本文引用:1]
[24] Hu L, Wang C T, Wang G X, et al. Changes in the activities of soil enzymes and microbial community structure at different degradation successional stages of alpine meadows in the headwater region of three rivers, China. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(3): 8-19. [本文引用:1]
[25] Xu G H. Microbial Analysis Methods Manual[M]. Beijing: Agriculture Publishing, 1986. [本文引用:3]
[26] Chinese Academy of Sciences Institute of Soil Microbes Edited. Microbial Research Method[M]. Beijing: Scientific Publishing, 1985. [本文引用:3]
[27] Institute of Soil Science in Nanjing, CAC. Analysis Soil Physical and Chemical Property[M]. Shanghai: the Science & Technology Press, 1978. [本文引用:1]
[28] Yu T R, Chen Z C. Chemical Processes Occur in Soil[M]. Beijing: Science Press, 1990: 184-186. [本文引用:2]
[29] Williams J D. Microphytic crust influence on interrill erosion and infiltration capacity. Engin, 1995, 38(1): 139-146. [本文引用:1]
[30] Liu L C, Li S Z, Song Y X, et al. Effect of microbiotic crust on evaporation process in vegetated area in Shapotou region. Journal of Desert Research, 2005, 25(2): 192-195. [本文引用:1]
[31] Wang S J. The Research of Soil Microbes in the Eastern Edge of Kubuqi[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2008: 45-46. [本文引用:1]
[32] Lu R S, Shi Z Y. Fertility restoration of degraded red soil Ⅲ. Accumulation of phosphorus in red soil and its possible effect on environment. Soils, 2000, (6): 310-314. [本文引用:1]
[33] Wang C T, Long R J, Wang G X, et al. Relationship between plant communities, characters, soil physical and chemical properties, and soil microbiology in alpine meadows. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(6): 25-34. [本文引用:1]
[34] Zhao P, Dai W A, Du M X, et al. Response of amorpha fruiticosa planting to soil nutrients in the tibetan plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(3): 175-181. [本文引用:1]
[35] Jia X H, Li X R, Wang X P, et al. Primary study of spatial heterogeneity of soil property in processes of shifting sand fixation in southeaster tengger desert. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 17(4): 46-50. [本文引用:1]
[36] Melany C F, Kristin F R, Joseph B Y. Microbial activity and functional composition among northern peatland ecosystems. Soil Biology & Biochemistry, 2003, 35(4): 591-602. [本文引用:1]
[37] Liu X N, Sun J L, Zhang D G, et al. A study on the community structure and plant diversity of alpine meadow under different degrees of degradation in the Eastern Qilian mountains. Acta Prataculturae Sinica, 2008, 17(4): 1-11. [本文引用:1]
[1] 侯本栋, 马风云, 宋玉民, 等. 不同树种对土壤养分、酶活性与微生物影响的研究. 江西农业大学学报, 2006, 28(5): 734-738. [本文引用:1]
[2] 杨成德, 龙瑞军, 陈秀蓉, 等. 东祁连山高寒草甸土壤微生物量及其与土壤物理因子相关特征. 草业学报, 2007, 16(4): 62-68. [本文引用:1]
[7] 薛蔻, 刘国彬, 戴全厚, 等. 黄土丘陵区人工灌木林恢复过程中的土壤微生物生物量演变. 应用生态学报, 2008, 19(3): 517-523. [本文引用:1]
[8] 张其水, 俞新妥. 杉木连栽林地营造混交林后土壤微生物的季节性动态研究. 生态学报, 1990, 10(2): 121-126. [本文引用:1]
[9] 邵玉琴, 敖晓兰, 宋国宝, 等. 皇甫川流域退化草地和恢复草地土壤微生物生物量的研究. 生态学杂志, 2005, 24(5): 578-580. [本文引用:1]
[10] 赵吉, 郭婷, 邵玉琴. 内蒙古典型草原土壤微生物生物量及其周转与流通量的初步研究. 内蒙古大学学报(自然科学版), 2004, 35(6): 673-676. [本文引用:1]
[11] 刘艳梅, 李新荣, 何明珠, 等. 生物土壤结皮对土壤微生物量碳的影响. 中国沙漠, 2012, 32(3): 669-673. [本文引用:1]
[12] 靳正忠, 雷加强, 徐新文, 等. 流沙区不同立地条件下防护林土壤微生物多样性分析. 中国沙漠, 2011, 31(6): 1430-1436. [本文引用:1]
[13] 韩胜利, 叶冬梅, 秦佳琪, 等. 乌兰布和沙漠白刺灌丛土壤水分及物理特性的研究. 干旱区地理, 2005, 28(4): 506-510. [本文引用:1]
[14] 赵长明, 魏小平, 尉秋实, 等. 民勤绿洲荒漠过渡带植物白刺和梭梭光合特性. 生态学报, 2005, 25(8): 1908-1913. [本文引用:1]
[15] 何志斌, 赵文智. 黑河流域荒漠绿洲过渡带两种优势植物种群空间格局特征. 应用生态学报, 2004, 15(6): 947-952. [本文引用:1]
[16] 杨自辉, 高志海. 漠绿洲边缘降水和地下水对白刺群落消长的影响. 应用生态学报, 2000, 11(6): 923-926. [本文引用:1]
[21] 窦红霞, 王明玖. 浑善达克沙地不同沙丘类型土壤种子库时空动态. 草业科学, 2008, 25(3): 116-118. [本文引用:1]
[22] 贾宝全, 张红旗, 张志强, 等. 甘肃省民勤沙区土壤结皮理化性质研究. 生态学报, 2003, 23(7): 1442-1448. [本文引用:2]
[23] 杨贤均, 王业社, 段林东, 等. 湖南良山森林公园不同植被条件下土壤微生物量及酶活性研究. 草业学报, 2014, 23(1): 142-148. [本文引用:1]
[24] 胡雷, 王长庭, 王根绪, 等. 三江源区不同退化演替阶段高寒草甸土壤酶活性和微生物群落结构的变化. 草业学报, 2014, 23(3): 8-19. [本文引用:1]
[25] 许光辉. 土壤微生物分析方法手册[M]. 北京: 农业出版社, 1986. [本文引用:3]
[26] 中国科学院南京土壤研究所微生物室编著. 土壤微生物研究法[M]. 北京: 科学出版社, 1985. [本文引用:3]
[27] 中国科学院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1978. [本文引用:1]
[28] 于天仁, 陈志城. 土壤发生中的化学过程[M]. 北京: 科学出版社, 1990: 184-186. [本文引用:2]
[30] 刘立超, 李守中, 宋耀选, 等. 沙坡头人工植被区微生物结皮对地表蒸发影响的试验研究. 中国沙漠, 2005, 25(2): 192-195. [本文引用:1]
[31] 王素娟. 库不齐沙地东缘土壤微生物研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2008: 45-46. [本文引用:1]
[32] 鲁如坤, 时正元. 退化红壤肥力障碍特征及重建措施Ⅲ. 典型地区红壤磷素积累及其环境意义. 土壤, 2000, (6): 310-314. [本文引用:1]
[33] 王长庭, 龙瑞军, 王根绪, 等. 高寒草甸群落地表植被特征与土壤理化性状、土壤微生物之间的相关性研究. 草业学报, 2010, 19(6): 25-34. [本文引用:1]
[34] 赵萍, 代万安, 杜明新, 等. 青藏高原种植紫穗槐对土壤养分的响应. 草业学报, 2014, 23(3): 175-181. [本文引用:1]
[35] 贾晓红, 李新荣, 王新平, 等. 流沙固定过程中土壤性质变异初步研究. 水土保持学报, 2003, 17(4): 46-50. [本文引用:1]
[37] 柳小妮, 孙九林, 张德罡, 等. 东祁连山不同退化阶段高寒草甸群落结构与植物多样性特征研究. 草业学报, 2008, 17(4): 1-11. [本文引用:1]