新疆泥火山不同生境土壤微生物數量、酶活性與理化因子的關系

楊娟　張亞平　郝志成

摘要：為了揭示新疆泥火山不同生境土壤微生物數量與土壤酶活性、理化因子之間的關系，以新疆泥火山區域山地荒漠帶、草原帶、泥火山口、灌木帶4種不同生境為研究對象，用稀釋平板法對該區域的細菌、放線菌、真菌進行分離計數，研究土壤的微生物數量、酶活、理化性質，并對其進行方差分析、簡單相關分析和主成分分析。結果表明：泥火山不同生境土壤微生物數量具有顯著差異，且細菌數量>放線菌數量>真菌數量；土壤微生物數量在不同生境表現為：草原帶>山地荒漠帶>灌木帶>泥火山口；真菌數量與土壤含水量、有機質含量、全氮含量呈極顯著正相關，細菌、放線菌數量與有機質含量、全氮含量呈顯著正相關；土壤細菌、放線菌數量與土壤轉化酶活性呈顯著或極顯著正相關，與磷酸酶活性呈顯著負相關；主成分分析結果顯示，有機質含量、全氮含量、全磷含量、含水量、磷酸酶活性、轉化酶活性等可以作為影響該區域土壤養分組成的重要因子。由結果可知，新疆泥火山不同生境土壤微生物數量分布均存在顯著差異，并與土壤環境因子呈正相關或負相關，可以較好地反映泥火山區域土壤養分的組成情況。

關鍵詞：新疆；泥火山；不同生境；土壤微生物數量；土壤酶活性；理化因子；相關關系

中圖分類號： Q938；S154.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0537-05

泥火山與真正意義上的火山不同的是，它們是由泥漿形成的，不具有火山的巖漿通道，名稱中之所以有泥，是因為其組成成分主要是黏土、巖屑、鹽粉等，并且其外形很像一個火山，具有噴發口，有時還會有噴發冒火現象。由于泥火山的噴發形式和噴發后形成的堆積物在外形上與火山有些相似，因而稱其為泥火山[1]。新疆烏蘇具有亞洲最大的泥火山群，位于天山北坡丘陵地帶、烏蘇市南約42 km的山區。據地質專家介紹，泥火山是地質斷裂活動形成的罕見自然景觀，除新疆外，目前僅在美國、墨西哥、新西蘭等少數國家以及我國臺灣高雄地區發現，但是規模、數量都比不上新疆烏蘇泥火山群。烏蘇泥火山群形態較全，具有重要的科學價值，是研究地形、地層變化的活教材[2]，其特殊的環境是研究極端微生物的最佳場所，并且周圍具有豐富的礦產和石油資源，可以為今后油氣資源的開發和利用提供研究基礎[3]。

土壤微生物是生態系統中重要的角色扮演者，在生態系統中發揮著不可或缺的作用，其微生物本身的代謝對土壤的結構、營養物質轉化可以產生一定的影響。因此，土壤微生物作為土壤質量變化的最敏感指標之一，在土壤質量評價中越來越受到重視[4]。土壤酶作為土壤肥力的指標，具有重要的作用[5]，土壤酶活性的大小可以直接反映土壤中物質轉化狀況、肥力水平[6]。本研究以植被退化遷移、微生物演替變化、生物化學風化、土壤轉化過程所造成的獨特環境為背景，研究泥火山不同生境土壤微生物與土壤酶活性、理化因子的相互關系，以期為持續利用和合理開發新疆天山北坡天然牧場提供有利證據，同時有助于改善土壤養分、保持生態平衡，為揭示泥火山不同生境的生態系統結構提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏蘇泥火山群位于新疆天山北麓烏蘇市南約40 km、白楊溝鎮東南約2 500 m處，屬天山北坡山前丘陵地帶，地理坐標為44°10′06″N、84°23′20″E，海拔為1 275 m左右，星散分布在長約200 m、寬約100 m的范圍內[7]。本研究以新疆天山北坡不同生境土壤為研究對象，采集灌木帶（海拔1 100～1 300 m）、泥火山口泥漿沉積物光地（海拔1 150～1 280 m）、草原帶（海拔900～1 000 m）、山地荒漠帶（海拔600～800 m）原位條件下的土壤。具體采樣地情況見表1。

1.2 土樣采集

采樣時間為2014年9月，以機械抽樣的方法在樣地內設置樣方，草本采用1 m×1 m樣方，5次重復；灌木采用5 m×5 m 樣方，3次重復。在每個樣方內分層采集0～20 cm土壤，裝入無菌袋中，放到冰袋盒內保鮮，盡快帶回實驗室，去除土樣里的植物根系、礫石。將土樣分成3份：1份放入4 ℃冰箱，用于微生物計數研究；1份在室內風干，將風干土分別過1.00、0.15 mm篩，用于土壤理化性質、酶活性研究；1份放入-20 ℃冰箱，用于后續的分子生物學方面的研究。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤微生物測定 土壤微生物數量使用稀釋平板法測定[8-9]，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，于37 ℃倒置培養48 h左右；放線菌采用高氏1號培養基，于28 ℃倒置培養7 d左右；真菌采用馬丁氏-孟加拉紅培養基，于33 ℃倒置培養3～5 d。菌數（CFU/g）計算公式：

菌數=（菌落平均數×稀釋倍數）/干土質量。

1.3.2 土壤理化性質的測定 土壤含水量采用烘干法測定；pH值、電導率的測定采用pH電導率儀；根據水土體積比 2.5 ∶ 1、5 ∶ 1進行測定；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4法測定；速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全氮含量采用半微量凱氏法測定[10]。

1.3.3 土壤酶活的測定 過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；轉化酶活性用茚三酮比色法測定；脲酶活性用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[11]測定。

1.3.4 數據處理 采用Excel 2003進行數據初步處理，用SPSS 17.0統計軟件進行數據的方差分析、相關性分析、主成分分析[12]。

2 結果與分析

2.1 泥火山不同生境土壤微生物組成

由表2可知，不同生境土壤微生物存在顯著差異（P山地荒漠帶>灌木帶>泥火山口。

2.3 泥火山不同生境土壤的酶活性

由圖1可以看出：土壤過氧化氫酶、轉化酶、脲酶、磷酸酶在不同生境之間存在顯著差異（P<005），下層土壤中除了泥火山口，與其他2種生境類型差異顯著（P<0.05）。

2.4 土壤微生物數量與土壤理化因子的相關性分析

從表4可以看出：土壤有機質含量、全氮含量與土壤微生物有密切的關系，并且與真菌數量呈極顯著正相關，相關系數達到0.954；土壤含水量與真菌數量呈極顯著正相關，相關系數為0.767；而pH值與真菌數量呈顯著負相關，相關系數為-0.608；土壤全磷含量與細菌數量呈顯著負相關， 相關系數

2.5 土壤微生物數量與土壤酶活性的相關性分析

土壤酶是各種生化反應中的催化劑，是反映土壤綜合肥力、養分轉化的指標。通過對土壤微生物數量、酶活性相關性分析發現，大部分土壤酶活性與微生物數量之間呈正相關，其中轉化酶活性與細菌數量之間呈極顯著正相關，相關系數為0.736，而與放線菌也具有顯著關系，相關系數達到0.731；磷酸酶活性與細菌、放線菌之間呈負相關，相關系數分別為-0.663、-0.654（表5）。

2.6 土壤理化因子與土壤酶活性的相關性分析

由表6可知：電導率與脲酶、轉化酶活性呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.874、-0.871；含水量與脲酶活性有顯著關系，相關系數為-0.679；全磷含量與轉化酶活性呈極顯著負相關，相關系數為-0.743，與脲酶活性有顯著關系，相關系數為-0.638。

2.7 主成分分析

近年來，統計學方法中的變量分析方法在一些領域的應用越來越多，它將大量土壤性質指標集成綜合指標、函數關系式或圖示來評定土壤質量狀況[13-14]。目前主成分分析法在土壤質量評價中應用較廣泛[15]，一般認為主成分分析可以弱化變量間的自相關性所引起的誤差，形成互不相關主成分，獲得各主成分得分，同時通過計算得到綜合評價得分，從而達到對土壤質量的精確評價[16]。本研究對土壤微生物組成、土壤理化因子和酶活性進行主成分分析，進一步研究土壤因素變化之間的主要控制因素，詳見表7。

主成分分析得到3個主成分，它們的特征值均大于1，累積貢獻率達到91.434%，能較好地反映烏蘇泥火山不同生境土壤的營養成分狀況和肥力條件，并且較好地解釋了土壤因素綜合作用與控制因素之間的關系。第1主成分的貢獻率達到44.073%，決定第1主成分的主要是有機質含量（0853）、全氮含量（0.851）、全磷含量（-0.727）、轉化酶活性（0745）、細菌數量（0.850）、放線菌數量（0.868）、真菌數量（0.842）7個因素?？梢钥闯?，第1主成分主要是由有機質含量、全氮含量、全磷含量、轉化酶活性、細菌數量、真菌數量、放線菌數量決定其大小，所以可以將第1主成分定義為微生物數量主成分。第2主成分貢獻率為28.818%，決定其主成分的因子主要有含水量（0.897）、脲酶活性（-0.787），可見土壤含水量是影響第2主成分的主要因子，所以將第2主成分定義為土壤理化主成分。第3主成分貢獻率達到18543%，只有磷酸酶活性（-0.931）與其呈極顯著相關，可以將其定義為酶活性主成分。通過以上主成分分析表明，土壤理化性質、土壤微生物數量和土壤酶活性可以較好地反映新疆烏蘇泥火山不同生境土壤條件狀況，尤其是有機質含量、全氮含量、全磷含量、含水量、磷酸酶活性、轉化酶活性等可以作為影響該區域土壤養分組成的重要因子。

3 結論與討論

3.1 新疆泥火山不同生境土壤微生物數量的分布特征

土壤微生物數量可以作為表征土壤肥力狀況的重要生物學指標[17]。泥火山區土壤微生物數量與其地理環境、生境類型、土壤理化性質等因素有關。泥火山區域中土壤微生物三大類群數量的關系是：細菌>放線菌>真菌，與大多數土壤中三大類群微生物數量分布特征相同。不同生境土壤微生物數量存在一定差異，其中草原帶、山地荒漠帶微生物數量較高，是灌木帶、泥火山口數量的近3倍，反映草原帶、山地荒漠帶土壤微生物活躍，而灌木帶、泥火山口土壤微生物活動較弱。這一方面可能是由于草原帶、山地荒漠帶植被相對較多，表層土壤較為肥沃，植被通過影響土壤環境從而影響土壤微生物群落結構、多樣性。研究表明，受植被影響的土壤環境中土壤微生物的群落結構多樣性比不受植被影響或沒有植被的土壤環境中微生物群落結構多樣性要高很多[18]。另一方面，由于其海拔較低，周圍鄰近耕地、人類活動比較頻繁，所以與人類對區域的干預、利用情況有關。

3.2 新疆泥火山不同生境土壤理化因子和酶活性的分布特征

研究表明，草原帶的含水量、有機質和全氮含量高于泥火山口、山地荒漠帶、灌木帶，分析其原因，可能因為草原帶的植被比較多，由于植被的影響能夠使土壤養分、水分涵養功能提高[19]，自然土壤的有機質主要來源于高等植物殘體，但是因為植被類型不同，植物殘體的數量、成分差異很大，草原土壤的一些草、植物根系給土壤累積了有機質，這就是土壤腐殖質積累過程。土壤全氮變化趨勢與有機質的變化規律表現一致，主要是由于土壤氮多數來自有機質的分解，土壤全氮含量的變化與有機質含量的變化呈正相關。許多學者的研究也證實了這種關系，王海燕等研究表明，原始林、天然次生林中有機質含量與土壤全氮含量的正相關性均達到極顯著或顯著水平[20]。張慶費等研究表明，土壤全氮與土壤有機質演替過程的增長趨勢相似，土壤全氮含量與有機質含量呈顯著相關（r=0.95）[21]。魏孝榮等研究表明，黃土高原土壤全氮與有機質含量之間存在密切的正相關關系（r=0.970，n=141，P<001）[22]。本研究中泥火山區域土壤全氮含量也表現出與有機質含量相似的變化規律，而草原帶的有效磷含量卻低于其他3種生境，這可能是由于在草原帶長期放牧影響下，家畜的頻繁采食使磷從系統中輸出增加，從而使土壤中速效磷含量下降[23]。而在土壤酶活性研究中，土壤過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶、轉化酶活性在這4種生境中均有差異，除了磷酸酶在泥火山口的變化規律外，土壤酶活性大體上隨土層的增加呈遞減趨勢，這與侯彥會等研究結果[24]一致，主要原因在于土壤表層累積了較多的枯枝落葉、腐殖質，有機質含量高，有充分的營養源以利于土壤微生物的生長，再加上水熱條件和通氣狀況，微生物生長旺盛，代謝活躍，呼吸強度加大而使表層積聚了較高的土壤酶活性。

3.3 土壤微生物數量、土壤理化因子、土壤酶活性的相關性分析

相關分析結果表明，土壤酶活性與土壤養分、土壤含水量、土壤電導率、微生物數量具有不同程度的相關性，分析原因，可能是因為在土壤酶的作用下，土壤有機物質、有機殘體分解成不同的中間產物、最終產物，為微生物、植物提供了營養物質和能量，同時有機物質也在調節土壤酶活性上起重要作用，因為它們能誘導生成胞外酶，起到激活劑的作用。土壤酶、微生物在土壤有機物質轉化過程中的作用彼此之間并不是孤立的，而是存在著相互制約、互相促進的復雜關系[25]。其中細菌、放線菌數量與有機質、全氮含量呈顯著正相關，真菌數量與土壤有機質含量、全氮含量、含水量呈極顯著正相關，表明該區域土壤有機質、全氮含量是影響微生物數量的關鍵因素。另外，土壤真菌數量還與土壤含水量相關，說明其分布與該區域水熱條件有一定的聯系[26]。泥火山土壤磷酸酶、脲酶、轉化酶、過氧化氫酶活性與土壤微生物數量密切相關。磷酸酶能夠在pH值呈堿性條件下加速土壤有機質的脫磷速度，而脲酶能促進尿素水解，二者通過影響土壤微生物可利用氮素、有效磷含量，進而改變土壤微生物數量。過氧化氫酶能夠酶促水解過氧化氫，是土壤合成腐殖質、防止過氧化氫對生物毒害的重要氧化還原酶系，其活性與土壤微生物數量有關。轉化酶與土壤許多因子有相關性，如與土壤有機質氮與磷含量、微生物數量及土壤呼吸強度有關。在一般情況下，土壤肥力越高，轉化酶活性越強，它能夠表征土壤生物學活性強度，也可以作為評價土壤熟化程度、土壤肥力水平的一個指標，進而改變土壤微生物數量[27]。泥火山區土壤酶活性中，轉化酶、磷酸酶是影響土壤細菌、放線菌數量的重要因子。

3.4 土壤微生物數量、土壤理化因子、土壤酶活性對土壤條件的綜合影響

從土壤因子的主成分分析可知，土壤酶活性、土壤微生物數量是土壤營養成分評估的重要標志，它們與土壤理化因子三者相互作用，共同決定著土壤營養狀況與肥力的大小[28-29]。土壤磷酸酶活性、細菌數量、放線菌數量、真菌數量和含水量、有機質含量、全氮含量、全磷含量等因子通過彼此之間的相互作用，在對泥火山不同生境土壤營養成分的形成中起著關鍵作用。磷酸酶、轉化酶活性直接影響土壤微生物數量，轉化酶活性與細菌數量之間呈顯著相關，轉化酶活性也是反映電導率、全磷含量的主要因子。本研究通過主成分分析，更進一步了解影響土壤綜合條件的主控因素，以期為泥火山不同生境的生態系統結構研究提供基礎。然而，本研究僅選取了幾種主要的酶活性和理化因子與土壤微生物數量進行探討，更多酶學指標與環境因子關系尚待深入研究。因此，今后的工作重點除了解微生物的數量分布及其變化規律外，還應該加大采樣數量和研究范圍，考慮更多影響土壤肥力的指標并加以分析，以便為該區域土壤生態環境研究提供科學依據。

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