全 文 ：第 卷第 期
年 月
兰州大学学报 自然科学版 从 〕
文章编号 一 一 一
添加豆科植物对弃耕地土壤微生物多样性的影响
秦燕燕 , 李金花 , 王 刚 , 李文金
兰州大学 干旱与草地生态教育部重点实验室 ,兰州
摘 要 采用氯仿熏蒸法和 检测法 , 分别研究了黄土高原地区弃耕地在演替早期人工添加
豆科植物紫花首楷 , 、草木棍 云。 二 。 、沙打旺 忿二。 、 。, ` 后
土壤微生物生物量和生物多样性的变化 结果表明 添加豆科植物后 ,土壤微生物量碳 显著增
加 除草木棵外 质量分数与土壤有机碳质量分数的比率 、土壤微生物在 微平板上的平
均每孔颜色变化率和碳源利用能力及其代谢多样性指数均显著提高
关键词 豆科植物 弃耕地 土壤微生物群落 土壤微生物生物量 功能多样性 黄土高原
中图分类号 文献标识码
。一 , 几 一 , 环今 , 口执
盯 ,
, ,
五 云夕 坛。 ,材 乞 二 二 二 夕
坛
朋
` 、
一
土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分 ,
它们参与土壤有机质的分解 、腐殖质的形成 、土壤
养分的转化和循环过程 反映土壤微生物群落状
态与功能的指标通常包括微生物生物量和代谢多
样性类型 检测法 微生物生物量是反
映土壤质量的理想指标之一 , 作为对
功能微生物群落变化较为敏感的指标阁 , 已广泛
应用于评价土壤微生物群落的功能多样性 目
前主要集中于对不同的农业管理措施 、有机肥
料阁、栽培方式圈 、植被根际阔的土壤微生物群落
的代谢多样性的评价 土壤微生物对 微
平板中各类碳源利用情况的不同反映了土壤微生
物群落代谢功能的差异 , 微孔板为描述
微生物群落功能多样性等基础定量分析提供了一
种更为简单 、快速的方法【一 。`
土壤微生物群落结构与活性作为土壤微生
收稿日期 不 修回日期 一 一
基金项目 国家自然科学基金项目 长江学者和创新团队发展计划项目
作者简介 秦燕燕 一 , 女 , 甘肃秦安人 , 硕士研究生 , 创 , 研究方向为土壤微生物生态学
李金花 一 , 女 , 甘肃武威人 , 副教授 , , 研究方向为恢复生态学 , 通讯联系人
DOI :10.13885/j.issn.0455-2059.2009.03.022
兰州大学学报 自然科学版 第 卷
物生态学研究的基础内容 , 对其深人研究不仅能
够丰富土壤微生物生态学的理论 、促进相关学科
的发展 , 而且能够为生态系统的恢复提供理论依
据卜 土壤微生物群落组成 、功能和活性的测定 ,
作为土壤质量健康 、维持土壤肥力和作物生产力
的一个重要指标已受到越来越多的关注 一 本
文分析了人工添加豆科植物对弃耕地土壤微生物
活性和多样性的影响 , 目的在于根据土壤微生物
活性的变化来真实反应土壤质量及其生产力水平 ,
并尝试把土壤微生物多样性纳人评价弃耕地土壤
健康质量指标体系 通过对添加豆科植物后土壤
质量变化规律的研究 , 试图为半干旱地区弃耕地
土壤合理有效恢复提供理论支持和示范样板
研 究地 区与研 究方法
自然概况
本研究在兰州大学黄土高原实验站 , ,
, 进行 该站位于甘肃省榆中县北部黄土
丘陵区中连川流域 ,属半干旱气候 ,海拔 ,年
均气温 “ , 以上 的积温 , 无霜期
,年降雨量 ,作物生长期降雨量 ,
主要土壤类型为黄绵土 、黑麻土与灰钙土 该区
域农业生产为雨养型 ,主要作物为胡麻 。二二二衬
乞 二 、豌豆 乞。饥 乞二二 、马铃薯 。。
助 二 。。 、春小麦 升乞该。。 坛 等
实验设计
试验于 年进行 , 以当年弃耕的农 田为对
象 ,种植豆科植物 ,设置单播豆科植物紫花首蓓
乞叩 乞 、草木挥 乞 、沙打
旺 、二 、 。二 及不播种 自然撂荒 种
处理 ,分别用 , , , 表示 ,每种处理设置 个重
复 共 个小区 ,小区面积为
样品采集及测定
实验从 年开始 ,每年于 月中旬 生物量最
大 测定地上生物量 , 采用多点混合法采样
,测定土壤有机碳质量分数 、全氮质量分数 、
土壤微生物量碳质量分数及土壤微生物多样性
土壤总有机碳 采用重铬酸钾外加热法
测定 ,土壤全氮质量分数用凯氏定氮法 , 土壤微生
物量碳质量分数采用氯仿熏蒸法 ,微生物多样性
采用 法测定 , “` 秤 新鲜土 , 在超净
工作台中将土壤加人存有 无菌的
的 溶液中 ,加盖振荡 转速为 ,
将土样稀释一 倍 ,静置 、 ,抽取 拼 的悬
浮液接种至 生态盘中 , 放 人 “ 培养
箱中培养 , 每隔 在 处用 自
动 读 盘 机 进 行 自动 读 数 软
件 `一
土壤基本理化性质见表
表 添加豆科植物后土壤基本理化性质
朋 一
处理方法 值二 · 一
士 乃
士
士
士
切 一`
石 士
士 刀
士 刀
士
含水量 土壤容重 · 一“
士 刀 `
乃 士
士 刀
召 士
士 刀
士 ,
士 刀
, 士
, 士
士
士 刀
士 ,
同列中不同小写字母表示差异达显著水平 尸
土壤微生物群落 代谢的表达
生态盘微平板中 种单一碳源反应程度 土
壤微 生 物 碳 源利 用 能 力 采用 每 孔 平均 吸 光
值 从了 来描述 , 其计算式为
一艺 一卿 ”`卜
其中 为所测 个反应孔的吸光值 是对照孔
的吸光值
多样性指数
一 艺只
其中只为每孔的相对吸光值与所有 孔的吸光
值总和之比
均匀度
二
微生物群落的丰富度 可用代谢剖面反应
孔的数目来表示
本试 验 由于荒地 的 值较小 , 所 以采
用 工 微平板培养 的数据来 比较土壤
微生物群落功能多样性 , 同时用 作方差
分析和主成分分析
结果与分析
添加豆科植物后土壤理化性质和土墉
微生物量碳质量分数变化
添加豆科植物后 , 土壤理化性质得到了改
第 期 秦燕燕 ,等 添加豆科植物对弃耕地土壤微生物多样性的影响
善 表 弃耕地全氮质量分数和土壤微生物量碳
质量分数的变化趋势为 表 ,表明添
加豆科植物后 , 全氮质量分数和土壤微生物量碳
质量分数显著增加 草木棵除外 与荒地相比 , 引
人紫花首楷和沙打旺后全氮质量分数分别增加
了 , 表 , 土壤微生物量碳质量分数分别
增加了 , 表 土壤微生物量碳占总有
机碳的比率也明显大于荒地 添加了紫花首蓓的
土壤有机质质量分数高于荒地的 , 而添加草木棵
和沙打旺的却低于荒地的 添加豆科植物后土壤
含水量和容重均低于荒地的 表 同时 ,单因素
方差分析结果表明 添加了豆科植物后 , 各处理间
有机质质量分数 、全氮质量分数和土壤微生物量
碳质量分数和 值差异显著沪 , 而土壤容
重以及微生物量碳质量分数与有机碳质量分数的
比值均不显著 表 ,
表 不同处理下土壤微生物量碳的变化
三
处理 二微生物量碳 勿微生物量碳
方法 · 一` 、 有机碳
士 士 名
, 士 忍 名 士 石
土 士
士 滩 士
同列中不同小写字母表示差异达显著水平 尸
添加豆科植物后土壤微生物群落功能
多样性变化
添加豆科植物后土壤微生物群落代谢
由图 可知 ,微生物活性随培养时间的延长而
提高 , 不同生态系统土壤微生物利用单一碳源能
力 的顺序为 ,即添加了沙打旺
的土壤微生物群落具有最强的代谢能力 , 培养前
期微生物活性较强 , 值上升最快 而添加了
草木枫和紫花首蓓的土壤 ,户八 值开始时增长
较慢 ,但最后也达到最大值 这说明添加沙打旺的
土壤中某些种类的微生物数量多 , 且种群丰富度
较高 , 而添加草木棵和紫花首蓓的土壤中微生物
个体数量少且种群丰富度较低 荒地的 值
一直处于最低水平 , 则说明荒地土壤中微生物数
量和丰富度都远远低于添加了豆科植物的 这与
前人研究结果一致 等 认为土壤微
生物群落的酶联反应速度和最终能达到的程度 ,
与群落能利用单一碳底物的微生物的数目和种类
有关 因此 , 不同处理的土壤微生物群落结构是
有差异的 培养到 , 种处理的 值 已
基本稳定 ,其平均值分别为 , , ,
多重比较结果显示 添加了草木棵和沙打旺的土
壤 值与荒地的差异显著 尸 ,而添加
的 种豆科植物之间并无显著差异
兄︺﹃才、件,`…,`八
自口奋产咬
叹培养
图 不同土壤平均颜色变化率
罗
毛
土壤微生物利用碳源的主成分分析
应用主成分分析 , 提取了 个主成分因子 ,分
别可以解释所有变量方差的 和 ,结
果如图 所示 添加豆科植物后的碳源利用模式
分为两组 , 即荒地组和豆科植物组 ,且两组之间差
异明显 二者在 轴和 轴上的得分值有很
好的分离 ,也就是说 , 添加豆科植物后的土壤微生
物对碳源利用的模式与荒地有较大差异
巨
一
图 不同土壤微生物群落主成分分析
由主成分载荷 矩阵可 知 表 第 主成分
基本反映 了梭酸类碳源利用信息 除了 一一乳糖
和 一纤维二糖 , 第 主成分基本反映的是糖类和
聚合物碳源利用信息 除了 一磷酸酸葡萄糖和甘氨
酞一谷氨酸 , 表明微生物利用碳源的类型也存在
差异 这可能是 由于添加豆科植物后 , 增加 了土
壤中的碳源和氮源 随着土壤中可利用 和 质
量分数的增加 , 一方面土壤微生物的正常生长和
活性增强 , 导致土壤微生物数量增加 , 微生物群
落结构发生改变 另一方面提供了适合土壤微生
物生长所需合适二 二 的环境 , 使微生物得
到了丰富 这与添加了豆科植物后的微生物量碳
和 从厂 值的变化相吻合 , 也与微生物量碳占总
有机碳比率的变化相一致
兰州大学学报 自然科学版 第 卷
两个主成分 即在所有的线性组合 中包含
信息最多的 和凡 如果第 主成分不足以代表原
来所有指标的信息则将提取第 主成分凡 及综合
主成分 凡 , 值越大说明主成分解释
的信息越多 ,土壤质量越好 结果表明 在不同的
处理中 ,综合主成分得分顺序依次为
表 ,也就是说 ,土壤质量高低顺序依次为
, 这说明添加不同物种对土壤改善的作用不
同
表 土壤中与 和 相关的主要碳源
。一丁酮酸
苯乙胺
衣康酸 住
一木糖 戊醛糖
一苏氨酸 名
, 一经丁酸
一乙酞一 葡萄糖 住
。一 一乳糖
一纤维二糖 住
今经基苯甲酸
一丝氨酸
。一环式糊精
一磷酸酸葡萄糖
口一甲基 葡萄糖昔
吐温
甘氨酞一谷氨酸
昔糖
丙酮酸甲醋
吐温
一葡萄糖昔酸
一
表 各主成分得分值分析
处理方法
士 石
一 士
一 士 石
士
一 士
一 土
士
一 士 石
士
一已 士住
一 士
滩 士
显色孔数最少 为 目 ,其微生物群落丰富度亦最
小 与荒地土壤相比 ,添加沙打旺 、紫花首蓓 、草木
挥后土壤的微生物群落丰富度分别增加了 ,
, ,说明土壤微生物群落的丰富度能够简
明地表达土壤微生物群落功能多样性的一个侧面 ,
但它未能反映群落功能多样性相对多度的信息
指数是研究群落物种数及其个体分
布均匀程度的综合指标 , 是 目前应用最为广泛
的群落多样性指数之一 叭 本文采用这个指数
来研究添加豆科植物后土壤微生物群落功能多
样性相对多度的信息 , 均匀度在一定程
度上也能反映不 同土壤利用碳源类型 的差异
以 吸光值为依据的 指数及均匀度表
明 表 添加豆科植物后 , 弃耕地土壤微生物群
落的 指数依次为 均
匀度依次为 , 即添加了豆科植物的微
生物群落功能多样性的 指数和均匀度明
显高于荒地的 , 但添加了紫花首蓓 , 草木杯和沙
打旺的各个处理间的变化又不一致 这可能是
由于它们各 自的有机质和全氮质量分数不同 , 这
与 等 的研究结果一致 ,他们认为有机质
和全氮质量分数高的土壤的微生物多样性指数反
而低于某些全氮质量分数低的土壤的 , 这还可能
与其根系分泌的营养物质不同有关即 统计分析
显示 豆科植物组与荒地组的 指数和均
匀度分别达差异显著水平 尸 , 而添加了豆
科植物的各处理之间并无显著差异 表
添加豆科植物后 土壤微生物群 落丰富度
和 指数及 均 匀度 的变化
由于 板中制备有 种不同性
质 的碳源 , 在培养过程 中土壤 的不同类群微生
物对各自的优先利用碳源基质具有选择性 , 进而
使 盘中反应孔的颜色变化出现不
同程度的差异 , 因此 盘中反应孔的
颜色变化数 目在一定程度上可以间接反映土壤
微生物群落结构组成上的差异 颜色变化孔数越
多 , 表明土壤微生物群落种类越丰富 , 通常把颜
色变化孔数 作为土壤微生物群落功能多样性的
丰富度扭一 以 吸光值为依据的丰 富度表
明 表 添加豆科植物后 , 弃耕地的土壤微生物
群落的丰富度依次为 这与 值
的变化相一致 其 中添加沙打旺的显色孔数最
多 达 目 , 其微生物群落丰富度也最大 荒地的
表 供试土壤微生物群落丰富度和 指数
及均匀度的分析
,
处理方法 丰富度 多样性指数
士
土
士 刀
士
均匀度指数
士
士 刀
士
士
污匕了阿了
同列中不同小写字母表示差异达显著水平 尸
讨论
研究结果表明 在弃耕地添加豆科植物后土
壤理化性质明显改善了 添加豆科植物后 , 全氮
质量分数 、土壤微生物量碳质量分数和微生物
嫡均明显增加 表 , 这是 由于添加豆科植物
后 ,全氮质量分数和土壤有机碳质量分数 紫花首
蓓 均增加了 , 高的有机质会为微生物的生长提供
足够的碳氮和能源 , 这就使得土壤微生物活性增
第 期 秦燕燕 ,等 添加豆科植物对弃耕地土壤微生物多样性的影响
强 , 值增加 , 从而碳源利用能力产生差异 ,
进一步影响土壤质量的变化 研究微生物群落对
不同碳源利用能力的差异 , 可深人了解微生物群
落的功能变化 在弃耕地添加豆科植物后 ,不同
处理的 值及其对各类碳源利用率差异很
大 测定 时 , 值已基本稳定 , 此时 , 添
加了紫花首蓓 、草木框和沙打旺土壤的 值
与荒地相比分别增加了 , 和 这说
明添加豆科植物后 , 土壤微生物利用碳源的能力
明显增强 , 其中添加沙打旺的 值最大 , 荒地
的 值最小 ,说明前者的微生物代谢功能较
强 ,后者的代谢功能较差 这可能是由于沙打旺自
身高大的植物个体和发达的根系 , 增加了地下根
的生物量 ,贮存了一定的水分 ,保持了相应的湿度
和 值 , 创造了微生物生长的良好环境 , 刺激了
微生物活性 而相对裸露的荒地地温较高 ,微生物
呼吸较高 ,微生物碳矿化相对较快哪 这也说明
微生物群落功能受根系分泌物影响很大 , 密集于
土壤表层根系的分泌物和死亡的根是微生物丰富
的能源物质
碳源利用类型的主成分分析结果表明 添加
豆科植物的土壤微生物群落代谢多样性与荒地对
照组差异显著 , 受影响较大的碳源主要是糖类和
梭酸类物质 , 这可能与豆科根系能够分泌大量糖
类 、氨基酸类等低分子量有机物能刺激根际微生
物群落的生长有关阳 , 同时主成分得分值表明不
同物种恢复对土壤改善的作用不同 本研究中添
加紫花首楷后土壤的有机碳和全氮以及微生物量
碳的质量分数均最高 , 即土壤质量最好 添加草木
择的土壤中有机碳和全氮以及微生物量碳的质量
分数均最低 , 即土壤质量最差 而荒地的土壤质量
介于两者之间 这说明紫花首楷对增加土壤有机
碳和全氮以及微生物碳的效果较好 , 它能够增加
土壤养分通量 ,从而提高土壤质量 添加草木择的
群落具有最高的地上生物量和植被盖度 , 对养分
的输出高 ,导致土壤养分较低 ”一“ 而荒地土壤
中的有机碳和全氮质量分数并不是最低 , 是由于
其土壤本身含有一定的养分 ,且微生物比较少 ,这
些养分的价值未被利用而已 由此说明微生物利
用碳源类型的差异可以作为评价添加不同物种改
善土壤质量的指标因子 目前关于土壤微生物功
能多样性 法 与土壤质量之间关系的研
究还较少 , 要建立一个准确表征土壤肥力的微生
物指标体系仍需要进行深人的研究
不同学者采用的多样性指数不同 ,其研究结
果存在较大差异卿 , “ , 目前应用较广的是丰富
度 、 指数和均匀度 , 这 个参数基本代表
了土壤微生物群落多样性的特征 本实验中 , 比较
添加豆科植物组和荒地组的丰富度和 指
数以及均匀度可知 添加豆科植物后 , 不仅微生物
的种群多样性增加了 , 而且种群丰富度也增加了
可见 , 添加豆科植物能大大提高土壤微生物的功
能多样性 , 这是 由于植物群落类型初步决定了微
生物群落的组成 等阳 通过研究发现
植物物种组成及群落结构能够明显地改变植物根
际土壤微生物的群落结构和多样性 , 从而使其微
生物群落功能多样性出现相应变化 因此 ,地上植
被类型对土壤微生物群落碳源利用类型多样性的
影响较大 土壤微生物群落功能多样性是反映该
地区土壤生态系统稳定性的重要指示因子 要较
为理想地恢复弃耕地的土壤生态系统 、建立一个
高质量的健康土壤生态应该具有良好的生物活性
状况和稳定的微生物种群组成 , 不仅要恢复地上
部植被 ,还应考虑恢复地下部土壤微生物多样性
本研究借助 测试系统这一现代微生
物学手段对添加豆科植物后弃耕地土壤微生物功
能多样性进行定量描述 , 并探讨了土壤微生物多
样性与土壤质量的关系 , 力求使微生物活性能够
更加真实全面地反映土壤质量和生产力 , 这也是
将土壤微生物多样性作为评价弃耕地土壤健康质
量指标的一次有益尝试 但是 ,如何结合其他微生
物活性变化特征来建立全面合理的土壤质量标准
的土壤微生物学预警体系 , 尚有待于进一步研究
参 考 文 献
」 ,
【 , 一,
一
徐秋芳 , 姜培坤 , 乌仔奇峰 , 等 集约经营板栗林土
壤微生物量碳与微生物多样性研究 林业科学 ,
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郑华 ,欧阳志云 ,王效科 ,等 不同森林恢复类型对
土壤微生物群落的影响同 应用生态学报 , ,
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微生物群落功能多样性的影响同 生态学报 , ,
一
孔维栋 ,刘可星 ,廖宗文 ,等 不同腐熟程度有机物
料对土壤微生物群落功能多样性的影响 生态
学报 , , 一
兰州大学学报 自然科学版 第 卷
【 , , ,
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一
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邵 一二 , ,
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一
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郑华 ,欧阳志云 ,赵同谦 ,等 不同森林恢复类型对
土壤生物学特性的影响闭 应用与环境生物学报 ,
, 一 ·
川 胡亚林 , 汪思龙 , 颜绍馗 ,等 影响土壤微生物活
性与群落结构因素研究进展 土壤通报 , ,
一
取 , 。
盯 , , 一
』
, , 一
【 龙健 ,黄昌勇 ,滕应 ,等 红壤矿区复垦土壤的微生
物生态特征及其稳定性恢复研究 应用生态学
报 , , 一
【 林启美 , 吴玉光 , 刘焕龙 , 等 熏蒸法测定土壤
微生物量碳的改进 生态学杂志 , ,
一
【」 ,
一
一 一 ,
, 一
【 杨永华 ,姚健 ,华晓梅 ,等 农药污染对土壤微生物
群落功能多样性的影响 微生物学杂志 , ,
一
【 蔡燕飞 ,廖宗文 ,章家恩 ,等 生态有机肥对番茄青
枯病及土壤微生物多样性的影响 应用生态学
报 , , 一
【 ,
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, , 一
【」
二 卜
, 一
【」 , , ,
, ,
一
咒 周桔 , 雷霆 土壤微生物多样性影响因素及研究
方法的现状与展望 生物多样性 , ,
一
」李海燕 ,贾国梅 ,王刚 ,等 裸地休闲和春小麦生长
条件下土壤微生物量和土壤有机质动态研究
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李春格 ,李晓鸣 , 王敬国 ,等 大豆连作对土体和
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一
降 」贾举洁 ,李金花 ,王刚 ,等 添加豆科植物对弃耕地
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然科学版 , , 一
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