松材线虫灾毁迹地不同地表处理对土壤化学和生物性状的影响
doi: 10.11838/sfsc.1673-6257.24435
李静凯1,2 , 邹显花1,2 , 秦易1 , 郭志娟1 , 涂龙平3 , 黄智军1 , 朱丽琴1 , 黄荣珍1
1. 流域水土保持江西省重点实验室,江西 南昌 330029
2. 流域生态智能监测与综合治理江西省重点实验室,南昌工程学院,江西 南昌 330099
3. 福建省三明市郊国有林场,福建 三明 365000
基金项目: 江西省水利科学院开放研究基金项目(2022SKTR04) ; 江西省教育厅重点项目(GJJ211901)
Effects of different surface treatments on soil chemical and biological properties in pine wood nematode damaged area
LI Jing-kai1,2 , ZOU Xian-hua1,2 , QIN Yi1 , GUO Zhi-juan1 , TU Long-ping3 , HUANG Zhi-jun1 , ZHU Li-qin1 , HUANG Rong-zhen1
1. Jiangxi Key Laboratory of Watershed Soil and Water Conservation,Nanchang Jiangxi 330029
2. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Watershed Ecological Intelligent Monitoring and Integrated Governance,Nanchang Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330099
3. Suburban State-owned Forest Farm,Sanming City,Fujian Province,Sanming Fujian 365000
摘要
松材线虫病是松树毁灭性病害,目前对疫木进行除治性采伐是主要的治理途径,而由此也造成大面积的松材线虫灾毁迹地和裸露地表。因此,采用防草布覆盖、生物降解膜覆盖、施用土壤改良剂聚丙烯酰胺(PAM)3 种地表处理措施,对松材线虫灾毁迹地土壤化学性质和土壤微生物特征进行比较,以探索不同地表处理措施对松材线虫灾毁迹地土壤养分的保持效果差异,为松材线虫灾毁迹地的地力提升和生态修复提供理论依据。研究结果表明,松材线虫灾毁迹地土壤呈酸化趋势,且有机质含量降低,而 95% PAM 处理对土壤酸化和土壤有机质降低的缓解作用最显著,10 ~ 60 cm 土层的 pH 降幅比对照低 81.63% ~ 95.24%,同时,95% PAM 处理对速效钾的提升效果最优,增幅最大达到对照的 116.05%;对土壤全氮降低的缓解作用,则是 95% 生物降解膜覆盖处理表现最佳,同时它显著提高了 20 ~ 60 cm 土层的有效磷含量,提高幅度是对照的 208% ~ 220%。不同地表处理措施下松材线虫灾毁迹地的土壤细菌、真菌、放线菌、丛枝菌根真菌含量、磷脂脂肪酸(PLFA)总量整体上不断增加。 67% 生物降解膜覆盖在处理 1 年后对土壤细菌和 PLFA 总量提高效果最好,分别比对照高 18.98% 和 16.37%,同时其香农指数与均匀度指数最高,革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌和真菌 / 细菌也较优。综上,不同地表处理措施对松材线虫灾毁迹地土壤化学性质的提升效果由优到劣依次为施用土壤改良剂 PAM、覆盖生物降解膜、覆盖防草布,优选可采取 95% PAM 处理与 67% 生物降解膜覆盖相结合的方式,从而达到较优的地力提升效果。
Abstract
Bursaphelenchus xylophilus is a devastating disease of pine trees. At present,the main way to control the disease is to cut down the diseased wood,which also causes a large area of pine wood nematode disaster and bare surface. Therefore,in this study,three kinds of surface treatment measures,including grass-proof cloth mulching,biodegradable film mulching and soil conditioner polyacrylamide(PAM),were used to compare the soil chemical properties and soil microbial characteristics of pine wood nematode disaster sites,so as to explore the difference of soil nutrient retention effect of different surface treatment measures on pine wood nematode disaster sites,and provide theoretical basis for soil fertility improvement and ecological restoration of pine wood nematode disaster sites. The results showed that the soil in the pine wood nematode disaster area showed an acidification trend,and the organic matter content decreased,while the 95% PAM treatment had the most significant mitigation effect on soil acidification and soil organic matter reduction. The pH of the 10-60 cm soil layer was decreased by 81.63%-95.24%,compared with the control. At the same time,the 95% PAM treatment had the best effect on the increase of available potassium,and the maximum increase was 116.05% of the control. The mitigation effect on the decrease of soil total nitrogen was the best in the 95% biodegradable film mulching treatment. At the same time,it significantly increased the available phosphorus content in the 20-60 cm soil layer,which was 208%-220% of the control. The content of soil bacteria,fungi,actinomycetes,arbuscular mycorrhizal fungi and the total amount of PLFA in the pine wood nematode disaster area under different surface treatment measures were increased as a whole. The 67% biodegradable film mulching had the best effect on the total amount of soil bacteria and PLFA after one year of treatment, which was 18.98% and 16.37% higher than that of the control,respectively. At the same time,the shannon index and evenness index were the highest,and the Gram-positive bacteria/Gram-negative bacteria and the fungi/bacteria were also better. In summary,the effect of different surface treatment measures on the improvement of soil chemical properties in the pine wood nematode disaster area from good to bad was the application of soil conditioner PAM,covering biodegradable film,and covering grass-proof cloth. Preferably,95% PAM treatment could be combined with 67% biodegradable film coverage to achieve bettersoil fertility improvement effects.
松材线虫病是以松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)为主导引起的综合人为因素、寄主松树、环境因素等相互作用的松树毁灭性病害,当松材线虫侵染松树后会引起松树维管系统失去水分输导功能,进而导致松树快速萎蔫死亡[1-2]。松材线虫入侵我国 40 余年,导致大量松树死亡,对我国造成了严重的生态损失[3]。当前松材线虫病防治技术是坚持以清理病死(濒死、枯死等)松树为主,以打孔注药、诱捕器诱杀、药剂防治等为辅助措施的综合防治策略[4]。针对疫木,国家林业和草原局于 2018 年修订的《松材线虫病防治技术方案》(林生发〔2018〕110 号)中明确要求各地林业主管部门对病死(濒死、枯死)松树集中进行除治性采伐,采伐的疫木就地粉碎,并对采伐迹地上 1 cm 以上的枝桠全部清理、销毁,疫木伐桩采取挖出后粉碎、烧毁及钢丝网罩等方法处理[5]。而就地除治性采伐将造成大面积的松材线虫灾毁迹地。因此,如何防治因疫木砍伐、地表裸露造成的水土流失、生态破坏,对松材线虫灾毁马尾松迹地的生态修复极为重要。
地面覆盖技术具有改良土壤结构、蓄水保墒、减少水土流失、调节微域生态系统环境等生态功能,是当今广泛采用的土壤管理调控技术之一[6]。其中,防草布覆盖既能避免雨滴对土壤的直接溅蚀,改善土壤结构,还可以有效防草,抑制土壤水分蒸发,提高持水量和贮水量,增强土壤蓄水、保墒能力[7]。生物降解膜作为一种新型地膜材料,它可以改善土壤通透性、提高水分利用率,能发挥良好的保温、保墒作用,与普通塑料地膜相比,它还能自然降解,减少白色污染[8-9]。高分子材料因其具有独特的分子结构,含有丰富的活性基团,具备良好的黏结性,人工合成高分子聚合物型的土壤改良剂对土壤性质改良具有实质效果[10]。其中,聚丙烯酰胺(PAM)改良剂可通过氢键与静电作用吸附在土壤黏粒表面,而被吸附的 PAM 分子可通过桥接作用促进土壤黏粒之间的凝聚,能够加快土壤颗粒沉聚,有效促进大团聚体的形成,进而抑制水土流失、提高土壤肥力[11]
不同地表处理措施各有优势,而针对松材线虫灾毁马尾松林迹地,采用哪种处理措施的生态修复效果更好目前尚不清楚,因此本研究以不作处理的松材线虫病采伐迹地为对照,以覆盖防草布、覆盖生物降解膜、施用土壤改良剂 PAM 为地表处理措施,设置不同的覆盖度和撒施度。通过比较不同地表处理下松材线虫灾毁迹地的土壤化学性质和土壤微生物含量,阐明不同地表处理措施对松材线虫灾毁马尾松迹地土壤养分和土壤微生物的保持效果差异,进而为松材线虫灾毁马尾松林迹地的地力维持和生态修复提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地位于福建省三明市郊国有林场(26° 12′07″N,117°36′20″E),地处武夷山脉西南段与戴云山脉的西北坡之间,周边山地多为低山丘陵。由于受武夷山脉和戴云山脉所形成的地形作用和东南季风的综合影响,本区域属于河谷地温暖湿润区,气候温和、雨量充沛,属典型亚热带季风气候,年均气温 19.6℃,平均日照时间 1822.7 h,年均降水量 1820.7 mm、蒸发量 1504.1 mm,无霜期为 306 d,土壤类型为山地红壤,土层石砾含量高。试验处理前,样地不同土层的基本物理、化学性质分别见表1表2
1试验地土壤物理性质
注:不同小写字母表示不同土层之间的土壤物理性质差异显著(P<0.05)。
2试验地土壤化学性质
注:不同小写字母表示不同土层之间的土壤化学性质差异显著(P<0.05)。
1.2 样地设计与样品采集
2021 年 7 月,在松材线虫灾毁迹地设置 8 m×4 m 的处理样方,长边顺坡垂直于等高线,短边与等高线平行。试验设 7 个处理,3 次重复,随机区组排列(表3)。
2021 年 7 月布设完不同地表处理措施之后的 3、6、9、12 个月在每个样方的上、中、下坡各随机取 1 份 0~10 cm 土层土样,将同一样地的全土均匀混合置于无菌自封袋中作为 1 份土壤样品(每份样品重量为 1 kg),共采集 84 份全土样品,每次采集完毕将样品置于低温保温箱中并尽快带回实验室,并过 2 mm 筛置于-24℃冰箱用于土壤生物学特性指标测定;另外,在布设样地前以及地表措施处理 12 个月后在每块样地的上、中、下坡随机取 0~10、10~20、20~40、40~60 cm 土样,将同一样地同一土层样品均匀混合置于无菌自封袋中作为 1 份土壤样品,共采集 168 份土壤样品,带回实验室后将其自然风干后过 2 和 0.15 mm 筛进行土壤化学性质测定。以地表措施处理 1 年后的土壤化学性质指标值减去试验处理前样地的本底值表征土壤化学性质的变化情况,比较不同地表覆盖措施对土壤化学性质的影响。
3各处理及其布设方法
注:PAM 为聚丙烯酰胺。
1.3 土壤化学性质测定
土壤化学性质的测定参考《土壤农业化学分析方法》[12]:电位法测定土壤 pH,重铬酸钾外加热法测定土壤有机质,凯氏定氮法测定土壤全氮,碱解扩散法测定土壤碱解氮,盐酸-硫酸浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷,乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾。
1.4 土壤微生物磷脂脂肪酸测定
土壤微生物群落结构采用磷脂脂肪酸(PLFA) 法[13] 测定:脂类提取和 PLFA 采用修正过后的 Bligh-Dyer 法。称取 1.5 g 冷冻干燥土于特氟龙管中,加入 10 mL 提取液(氯仿、甲醇、柠檬酸体积比为 1∶2∶0.8)振荡离心,之后加入 4 mL 氯仿和 4 mL 柠檬酸缓冲液提取总脂,放入 4℃冰箱中静置过夜;取氯仿相在氮吹仪上水浴吹干,利用氯仿溶解后过 SPE 硅胶柱,再分别加入 1.5 mL 氯仿、6 mL 丙酮和 3 mL 甲醇,过滤得到 PLFA,最后将 PLFA 进行甲酯化,利用气相色谱仪分析进而得到土壤微生物群落中不同微生物的种类和含量。
1.5 数据处理
利用 SPSS 26.0 对土壤理化性质、土壤微生物群落及多样性进行单因素方差分析(P<0.05),利用 Origin 2021 统计数据并绘制柱状图。
2 结果与分析
2.1 不同地表处理措施下土壤化学性质变化量的比较
表4可知,不同处理措施下的土壤 pH 均有不同程度的降低,这表明无论是否采取地表处理措施,土壤均呈现酸化的趋势。而与 CK 相比,除 S2 处理加剧了 0~10 cm 土层土壤酸化外,不同地表处理措施均缓解了 10~60 cm 土层的土壤酸化,其中 P2 处理的缓解作用最显著,10~20、 20~40、40~60 cm 的 pH 的降幅分别比 CK 低 81.63%、95.75%、95.24%。经过处理 1 年后,灾毁迹地不同处理措施下的土壤有机质含量整体呈现降低的趋势。除了 0~10 cm 土层的 P2 处理土壤有机质含量增加,其他处理的土壤有机质含量均降低;与 CK 相比,10~60 cm 土层的 P1、P2 处理对土壤有机质的降低程度较低,并且 P2 处理表现更显著,因此 P2 处理对土壤有机质流失的缓解作用最优。与有机质相似,处理 1 年后,灾毁迹地不同处理措施下的土壤全氮含量呈现不同程度的降低。除了 40~60 cm 土层外,其他土层 CK 处理的土壤全氮含量降低程度最高,其降低幅度是相应土层降低程度最低值的 5.41~10.43 倍。与 CK 相比,不同处理措施均减缓了土壤全氮的流失,其中,S2 处理总体上对土壤全氮流失的缓解作用最优,除 0~10、20~40 cm 土层外,S2 处理的全氮含量降低幅度均最低。与 CK 相比,S2 处理在 0~60 cm 4 个土层中的全氮降低幅度分别降低 72.27%、 90.41%、71.25%、68.29%。不同处理措施下的土壤碱解氮含量均增加,并且随着土层加深土壤碱解氮含量呈逐渐递减的趋势,与 CK 相比,除了 0~10 cm 土层之外,F2、P1、P2 处理下的土壤碱解氮含量均有不同程度的增加。与土壤碱解氮的变化规律相似,不同处理措施下的土壤有效磷含量和速效钾含量均有不同程度的增加。P2 处理在 10~20 cm 土层对土壤有效磷含量的增加效果最显著,其土壤有效磷增幅是 CK 的 2 倍,而 S2 处理在 20~60 cm 土层的增加效果最显著,20~40、40~60 cm的土壤有效磷的增幅分别是 CK 的 2.20 和 2.08 倍。与 CK 相比,F2、P1 和 P2 处理对土壤速效钾含量的提升程度较高,除表层土外,P2 处理的土壤速效钾含量提高幅度均最高,P2 处理在不同土层的提高幅度为 11.12%~116.05%。
2.2 不同地表处理措施下土壤微生物群落组成的比较
土壤 PLFA 总量可以反映微生物种群的数量,其总量越高,代表土壤微生物数量越多[14]。由图1可知,F1、F2、S1 处理的土壤 PLFA 总量随时间延长不断增加,处理 3 个月时的 F1、F2 处理含量较低,但处理 6 个月后增幅较缓并保持稳定,而 S1 处理增幅较快,并在处理 9 个月后 PLFA 总量最多。除了 P2 和 S2 处理之外,处理 3 个月时的其他处理均低于 CK,随着处理时间的延长,除了 P2 处理之外,其他处理的土壤 PLFA 总量均高于 CK,处理 12 个月时, F1、F2、P1、S1、S2 处理的土壤 PLFA 总量分别比 CK 高 13.48%、16.02%、7.08%、16.37%、7.59%。
4不同地表处理措施下土壤化学性质变化量的比较
注:不同大写字母表示相同土层不同处理之间的土壤化学性质差异显著,不同小写字母表示相同处理不同土层之间的土壤化学性质差异显著 (P<0.05)。
1不同地表处理措施不同处理时间的磷脂脂肪酸总量
注:柱上不同大写字母表示相同处理时间不同处理措施之间的微生物含量差异显著,不同小写字母表示相同处理措施不同处理时间之间的微生物含量差异显著(P<0.05),下同。
对同一处理在不同处理时间的土壤细菌含量对比可知,F1、F2、P1、S1 处理在 6 个月后稳步增加,并且维持相对稳定,其中 S1 处理的增幅最明显,并在处理 9 个月之后的土壤细菌含量最高。同一处理时间不同处理措施比较可见,除了处理 12 个月时的 P2 处理低于 CK,各处理土壤细菌含量在 6 个月后均高于 CK,处理 12 个月时 S1 处理的土壤细菌最高,是 CK 的 1.19 倍(图2a)。对同一处理在不同处理时间的土壤真菌含量对比可知,F1、 F2、S1 处理稳步增加,并且在处理 12 个月时土壤真菌含量最高,其中,F1 和 S1 处理的增幅明显。同一处理时间不同处理措施比较可见,处理 3 个月时 S1 处理土壤真菌含量显著低于 CK,处理 6 个月之后 F1、F2、S1 处理土壤真菌含量不断增加并高于 CK,其中 F1 处理在 9 个月之后的土壤真菌含量最高,F1 处理在 9 和 12 个月的土壤真菌含量分别是 CK 的 1.66 和 1.34 倍( 图2b)。F1、F2、S1、S2 处理的土壤丛枝菌根真菌含量随时间延长不断增加,处理 12 个月时含量维持在较高水平,处理 9 个月后 P1 处理增速最显著,并在处理 12 个月时含量最高。处理 3 个月时 S1 处理的土壤丛枝菌根真菌含量低于 CK,处理 6 个月后各处理的土壤丛枝菌根真菌含量均高于 CK,处理 12 个月时 P1 处理含量最高,是 CK 的 1.4 倍(图2c)。处理 6 个月后的 F1 处理的土壤放线菌含量维持相对稳定,S1 处理的土壤放线菌含量随处理时间延长不断增加; 处理 3 个月时 S1 处理的放线菌含量显著低于 CK,处理 6 个月后各处理的土壤放线菌含量均高于 CK (图2d)。
2不同地表处理措施不同处理时间的微生物群落组成
革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌表示土壤的营养状况,该比值越高表示营养胁迫越强[15]。如图3a所示,处理 9 个月后,各处理的革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌均低于 CK,其中处理 9 个月时的 F1 处理显著降低了革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌,降幅为 29%,总体而言,F1 处理对革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌的降低效果最佳。土壤中的真菌 / 细菌是养分有效性的重要特征之一,能够衡量土壤生境变化和土壤微生物群落功能的响应情况,真菌 / 细菌越高,土壤生态系统越稳定[16]。如图3b所示,除 3 个月时 S2 处理高于 CK 外,其余处理 3~9 个月各处理的真菌 / 细菌均低于 CK,处理 12 个月时, F1 的真菌 / 细菌最高,比 CK 高 14.90%。
2.3 不同地表处理措施下土壤微生物群落多样性的比较
表5可知,随着处理时间的延长,土壤微生物的丰富度指数和均匀度指数处在一定的变化范围之中,香农指数先减少后增加,辛普森指数较为稳定。与 CK 相比,处理 3~9 个月,F1 处理的丰富度指数和香农指数最高,处理 12 个月时 P1 处理的丰富度指数最高,S1 处理的香农指数最高。处理 6 和 9 个月时 P2、S1 处理的均匀度指数高于 CK,而处理 3 和 12 个月时 S1 处理的均匀度指数高于 CK,总体上 S1 处理的土壤微生物均匀度指数最高。
3不同地表处理措施不同处理时间的土壤革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌和真菌 / 细菌
注:不同大写字母表示相同处理时间不同处理措施之间的微生物比值差异显著,不同小写字母表示相同处理措施不同处理时间之间的微生物比值差异显著(P<0.05)。
5不同地表处理措施不同处理时间的微生物多样性比较
续表
注:不同大写字母表示相同处理时间不同处理措施之间的微生物多样性差异显著,不同小写字母表示相同处理措施不同处理时间之间的微生物多样性差异显著(P<0.05)。
3 讨论
3.1 不同地表处理措施对土壤化学性质的影响
与对照相比,施用 PAM 土壤改良剂缓解了土壤 pH 的降低,这是因为 PAM 的阴离子溶于水呈碱性[17],在酸性土壤中施用 PAM 可以一定程度提高土壤的 pH,较好地调控土壤性质[18],而 95% 生物膜覆盖显著降低了表层土的土壤 pH,这可能是因为覆膜提高了膜下的 CO2 浓度而造成膜下土壤酸性的增加[19]。未进行地表处理的松材线虫灾毁迹地由于雨水冲刷、土壤结构破坏等导致土壤有机质含量降低,而进行地表处理的土壤有机质仍然降低,这与刘玉兵等[20]对地表覆膜处理的研究结果相反,造成这种差异的原因可能是耕作方式不同,后者采用垄作方式,空气、水分都得以流通,而本研究未起垄,地膜覆盖后温度升高,微生物代谢加强,土壤有机碳的矿化速率加快[21]。虽然不同地表处理措施下的土壤有机质含量均降低,但 PAM 撒施有利于保护有机碳,因此 95% PAM 处理较好地减少土壤有机质的流失[22]。生物降解膜中的水溶性聚合物可不断被土壤微生物分泌的酶分解或氧化降解为小分子化合物,直至被最终分解为有机质[23],当其未被分解时,由于其保温保墒性能,土壤水分和温度过高会加速微生物对土壤有机质的分解矿化,导致土壤有机质含量降低[24]。未进行地表处理的松材线虫灾毁迹地由于雨水冲刷、土壤结构破坏等导致土壤全氮含量降低;进行地表处理的松材线虫灾毁迹地土壤全氮含量仍然降低,这与党昆等[25]研究地膜覆盖对稻区土壤理化性质的研究结果一致,这可能是因为地表处理会在一定程度上延缓了降水对土壤水分的补给,使得地表处理措施下的土壤含水量较低,影响氮的矿化速率,从而引起土壤全氮含量降低[26]。由于生物降解膜中具有壳聚糖,它可以向土壤中转移养分[27],因此生物降解膜覆盖可以减缓土壤全氮的流失。67% PAM 处理显著减缓了土壤全氮流失,而 95% PAM 处理施用量对全氮的减缓作用不显著,这是因为 PAM 的施用量在一定范围内可以提高土壤肥力,超量后则结果不显著[28],因此在后续试验中将会设置更多梯度的 PAM 处理,进而探究最优的 PAM 施用量。本研究发现施用 PAM 可以明显提高浅层土壤的有效磷含量,这是因为 PAM 分散在表土层中的颗粒较多,和土壤结合后发挥的作用更加明显[29]。95% 生物降解膜对深层土壤有效磷含量的提高作用明显,这可能是因为土层越深全生物降解膜的保水效果越好,土壤对磷的固定能力减弱,土壤有效磷含量上升[30-31]。本研究发现 95% PAM 处理显著提高了土壤速效钾含量,王玺洋等[32]对南方茶园红壤研究发现施用 PAM 在 1 年内可以并有效减少茶园土壤有效磷、碱解氮和速效钾的流失,与本研究结果一致。由于 PAM 可以增加大团聚体的数量,改善土壤结构,同时 PAM 本身具有吸附离子的作用,而被吸附的离子会随着外界条件缓慢释放从而可以缓解肥效,因此 95% PAM 处理显著提高了土壤速效钾含量[33]
3.2 不同地表处理措施对土壤微生物群落的影响
由于防草布覆盖后会形成温暖、湿润的土壤环境,这会促进土壤细菌、真菌等菌群的活动进而引起土壤 PLFA 总量增多[34]。处理 12 个月时,95% PAM 处理的 PLFA 总量低于对照,这是因为 PAM 可以将微生物与土壤颗粒相互结合,限制其流动性和对营养物质的获取来抑制微生物的生长[35]。由于生物降解膜具有保温、保湿、保熵等优点[36],因此 95% 生物降解膜覆盖下的土壤温度和湿度较好,土壤细菌含量丰富且稳定。67% 生物降解膜覆盖处理在 3 个月后土壤细菌、真菌、丛枝菌根真菌、放线菌含量显著低于对照,这可能是因为生物降解膜覆盖时间较短,膜内成分未被土壤微生物利用,进而导致含量显著降低[37]。本研究发现防草布覆盖 3 个月后的土壤微生物整体低于对照,骆娟[38]通过对海南火龙果园土壤微环境研究,发现防草布覆盖处理细菌和真菌的丰度较低,高温高湿的雨季防草布覆盖不利于土壤微生物的生长繁殖,本研究处理 3 个月正值 7、8 月份,温度高、降水多,防草布覆盖处理下温度、湿度较大,导致土壤微生物的生命活动受到影响,从而土壤微生物含量较低,与骆娟的研究结果一致,而后期防草布覆盖处理的土壤微生物数量不断增多并高于对照,说明防草布覆盖有利于土壤微生物的生长与代谢[39]。革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌和真菌 / 细菌均可以作为土壤微生物群落变化的指标[40]。本研究发现,随着时间的推移,不同地表处理措施下的兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌呈逐渐升高的趋势,而真菌 / 细菌呈逐渐降低的趋势(图3),这在一定程度上表明土壤微生物群落结构向着更稳定的方向发展,可见防草布覆盖、生物降解膜覆盖、PAM 处理均可以改善微生物群落结构进而改良土壤。当易分解有机碳被利用耗尽,土壤微生物群落将发生演替,引起真菌 / 细菌提高,这可能是对照处理在处理 9 个月后真菌 / 细菌明显提高的原因[41]
香农指数可以反映群落的物种多样性,其中香农指数越大,其物种多样性就越高[42],处理 6 个月后正值冬季,土壤微生物代谢减慢,部分微生物活性受到抑制,因此此时各处理的香农指数整体较低。处理 3 个月后的 P2 处理显著降低了香农指数,这可能是施用的 PAM 吸水后体积膨胀堵塞了土壤孔隙,从而降低了土壤水的入渗,影响土壤微生物活性进而使得香农指数降低[43]。均匀度指数可以反映群落组成的协调性及空间资源利用的合理分配性,均匀度指数越大,群落结构越复杂对环境变化的缓冲作用就越强,群落越稳定。处理 3 个月后的 S1 处理的均匀度指数显著高于 S2 处理,这可能是因为 67% 生物降解膜覆盖条件下,土壤细菌、真菌等微生物含量低,土壤微生物群落不稳定造成的。不同地表处理措施下的土壤微生物群落的丰富度指数和辛普森指数无显著差异,表明地表处理措施对土壤微生物群落的物种组成影响不大。
4 结论
松材线虫灾毁迹地土壤呈酸化趋势,而与对照相比,不同地表处理措施总体上均缓解了土壤酸化,其中,95% PAM 处理的缓解作用最显著,10~60 cm 的 pH 降幅比对照低 81.63%~95.24%。土壤有机质和全氮整体表现出减少趋势,95% PAM 对土壤有机质流失的缓解作用最佳,对土壤全氮降低的缓解缓解作用则表现为 95% 生物降解膜最佳,比流失量最高的对照低 68.29%~90.41%。与 pH、有机质和全氮不同,松材线虫灾毁迹地土壤的碱解氮、有效磷和速效钾含量呈增加趋势,与对照相比,95% PAM、95 % 防草布覆盖、67% PAM 的碱解氮和速效钾含量均有不同程度的增加,95% PAM 对速效钾的提升效果尤为突出,其增幅最大达到对照的 116.05%。
不同地表处理措施下的土壤 PLFA 总量整体上不断增加,除 95% PAM 外,1 年后其他处理的土壤 PLFA 总量均高于对照,其中,67% 生物降解膜覆盖处理的值最高。此外,67% PAM 的丰富度指数最高,67% 生物降解膜覆盖的香农指数和均匀度指数最高,革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌和真菌 / 细菌也较优。
综上可见,在松材线虫灾毁迹地的水土流失治理与生态恢复工作中可采取中 95% PAM 处理与 67% 生物降解膜覆盖相结合的方式,从而达到较优的地力保持及生态恢复效果。
1不同地表处理措施不同处理时间的磷脂脂肪酸总量
2不同地表处理措施不同处理时间的微生物群落组成
3不同地表处理措施不同处理时间的土壤革兰氏阳性菌 / 革兰氏阴性菌和真菌 / 细菌
1试验地土壤物理性质
2试验地土壤化学性质
3各处理及其布设方法
4不同地表处理措施下土壤化学性质变化量的比较
5不同地表处理措施不同处理时间的微生物多样性比较
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