長期集約經(jīng)營條件下雷竹林土壤微生物量的變化

秦 華，徐秋芳，曹志洪，3

（1.浙江林學院 環(huán)境科技學院，浙江 臨安 311300；2.浙江林學院-中國科學院南京土壤研究所 森林土壤與環(huán)境聯(lián)合實驗室，浙江 臨安 311300；3.中國科學院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008）

雷竹Phyllostachy praecox是中國長江以南地區(qū)廣泛分布的優(yōu)良筍用竹種。由于雷竹易栽培，竹筍營養(yǎng)豐富，味道鮮美，因而雷竹栽培面積不斷擴大。為了獲得更高的經(jīng)濟效益，在最近十幾年來，雷竹早產(chǎn)高效栽培技術(shù)日益成熟，并已在生產(chǎn)上大面積推廣[1]。早產(chǎn)高效栽培技術(shù)的核心，一方面是竹林地表冬季覆蓋稻草、竹葉和礱糠等有機物質(zhì)，利用有機物料隔絕冷空氣侵入土壤以及有機物料腐爛所產(chǎn)生熱量來使土壤保持較高溫度，從而達到提前出筍的目的；另一方面是在雷竹林地大量施用肥料特別是化肥，從而增加竹筍產(chǎn)量[2]。但是，長期集約經(jīng)營也給雷竹林經(jīng)營帶來了一系列的問題，如改變了土壤物理、化學和生物學性質(zhì)，降低土壤品質(zhì)，造成竹林提前退化等等。土壤微生物直接參與了養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)分解等諸多生態(tài)過程，是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動力，微生物量碳、氮、磷也被認為是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫。同時，微生物量又能靈敏地反映環(huán)境因子、土地經(jīng)營模式和生態(tài)功能的變化[3]。因此，它又可作為評價土壤品質(zhì)的重要指標之一。目前，關(guān)于雷竹林土壤微生物量時空變化的系統(tǒng)研究尚不多見。筆者在浙江省臨安市西天目鄉(xiāng)和橫畈鎮(zhèn)，分別選取集約經(jīng)營時間為5，10，15 a的雷竹林，同時選取剛改種雷竹的田地（第1年）作為對照，研究了土壤養(yǎng)分以及微生物量碳、氮、磷的時空變化規(guī)律，目的在于揭示長期集約經(jīng)營對雷竹林土壤微生物學性質(zhì)及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響，為集約栽培條件下竹林土壤的生物學質(zhì)量評估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

采樣地點分別為浙江省臨安市西天目鄉(xiāng)和橫畈鎮(zhèn)。橫畈鎮(zhèn)試驗采樣范圍為30°21.354′N，119°45.844′E 與 30°21.287′N，119°45.905′E。西天目鄉(xiāng)試驗采樣范圍為 30°17.803′N，119°27.503′E 與30°18.038′N，119°27.348′E。2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均屬于中緯度北亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，雨水充沛（年降水量為1420 mm），多年平均氣溫為15.8°C。7月最熱，1月最冷。歷年平均日照時數(shù)為1939 h，無霜期234 d。2個試驗栽培區(qū)均屬低山丘陵地貌，土壤為粉砂巖母質(zhì)上發(fā)育的紅壤土類。雷竹林栽種在緩坡梯田上，改種雷竹前都是水稻Oryza sativa田。

1.2 研究方法

在研究區(qū)內(nèi)選擇立地條件基本一致，集約經(jīng)營歷史分別為5，10，15 a的雷竹林樣地各3個，同時選取剛剛由水稻田改種雷竹的樣地作為1 a的對照。按照5點取樣法采集各處理0～20 cm的表層土壤樣品。樣品采集后，帶回室內(nèi)過2 mm鋼篩并分成2份，一份新鮮土樣供土壤微生物量碳、氮、磷等測定使用，另一份風干處理后用于土壤總有機質(zhì)、總氮、堿解氮、全磷以及有效磷等質(zhì)量分數(shù)的測定。

土壤總有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；總氮采用半微量凱氏定氮法；堿解氮采用堿解擴散法；全磷采用硫酸高氯酸消煮，鉬銻抗比色法；有效磷采用鹽酸-氟化銨溶液浸提，鉬銻抗比色法[4]。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-直接提取法[5]，對照土壤和熏蒸后土壤用0.5 mol·L-1硫酸鉀提?。ㄍ?∶水=1∶5），濾液中碳質(zhì)采用TOC-VCPH有機碳分析儀測定，采用凱氏定氮法測定微生物量氮。土壤微生物量碳（BC）和氮（BN）以熏蒸和未熏蒸土樣0.5 mol·L-1硫酸鉀提取液中碳、氮質(zhì)量分數(shù)之差乘以系數(shù)得到，BC=2.64EC，BN=EN/0.54，其中EC和EN為熏蒸土樣與未熏蒸土樣提取液碳、氮質(zhì)量分數(shù)之差。土壤微生物量磷（BP）測定采用氯仿熏蒸-直接提取法[6]，對照土壤和熏蒸后土壤用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉提?。ㄍ?∶水 =1∶5），提取液中磷的測定采用鉬銻抗比色法，BP=EP/0.4，其中EP為熏蒸土樣提取液中的磷與未熏蒸土樣提取液中的磷之差。所有測定均設(shè)3次重復。

表1 不同集約經(jīng)營年限雷竹林土壤基本理化性質(zhì)Table1 Basic properties of soils of Phyllostachys praecox stands under intensive management

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2003整理，用SPSS 10.0軟件處理試驗數(shù)據(jù)，Duncun單因素方差分析比較各處理之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同經(jīng)營年限對雷竹林土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)是反映土壤品質(zhì)變化的理想指標。表2為種植1 a（對照）及集約經(jīng)營5，10，15 a雷竹林土壤其有機質(zhì)及微生物量碳的變化規(guī)律。隨著經(jīng)營年限的增加，以及冬季地表覆蓋措施，可以看出土壤中的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。由于臨安當?shù)氐脑灾擦晳T，雷竹林一般是從栽植的第5年起開始覆蓋，因此，橫畈的5 a雷竹林土壤有機質(zhì)與對照相比沒有顯著差異，而西天目可能是由于這期間采取的施肥措施，提高了土壤的有機質(zhì)。從第5年起，覆蓋物的下層稻草腐爛后進入土壤，使得土壤中的有機質(zhì)迅速增加；當雷竹長到7～8 a時開始進入產(chǎn)筍的高峰期，為了提高雷筍產(chǎn)量，竹農(nóng)對雷竹林的施肥量和覆蓋物的數(shù)量進一步提高，也導致土壤有機質(zhì)的大幅增加，15 a時的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)甚至達到或者超過對照土壤的2.0倍。

覆蓋和施肥等人為措施雖然大大提高了土壤有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，但由于經(jīng)營強度大，微生物量礦化速度加劇，從而導致土壤微生物量碳呈下降趨勢[3，7]。在前5 a間，由于沒有地表覆蓋，施肥量也不大，微生物量基本沒有大的改變。開始覆蓋后，隨著經(jīng)營時間的延長，土壤微生物量碳逐漸下降。與對照土壤相比，橫畈鎮(zhèn)經(jīng)營10 a的土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)平均下降了22.67%，經(jīng)營15 a的雷竹林平均下降了31.73%。西天目經(jīng)營10 a雷竹林土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)平均下降了42.01%，經(jīng)營15 a的林地其質(zhì)量分數(shù)稍有上升，平均下降了21.91%。造成這種現(xiàn)象的原因是由于長期的強度經(jīng)營，導致了土壤微生物活性的減弱，從而導致微生物量碳下降。這與之前已有的研究結(jié)果基本一致，說明隨著雷竹林集約經(jīng)營歷史的延長，土壤生物學活性有明顯的下降趨勢。

表2 雷竹林土壤碳變化Table2 Change of soil carbon content of Phyllostachy praecox stands

土壤微生物量碳與有機碳的比值能較好地表征土壤碳的動態(tài)變化，比值越大，則說明有機碳周轉(zhuǎn)速率越快[8]。據(jù)Zeller等[9]研究報道，土壤微生物量碳占有機碳的比例范圍為0.27%～7.00%。本研究所選取的樣地其結(jié)果也處于此范圍內(nèi)，屬于正常值。表2中可以看出，無論是橫畈鎮(zhèn)還是西天目鄉(xiāng)，隨著雷竹林經(jīng)營時間的延長，土壤微生物量碳/有機碳的比值總是逐漸降低的，可見長期的集約經(jīng)營同樣嚴重抑制了土壤微生物的生長代謝作用，從而降低了有機碳的周轉(zhuǎn)速度。另外，該結(jié)果與土壤中有機碳的快速累積也有一定的關(guān)系。

微生物量碳氮比在一定程度上也可以用來反映土壤微生物的種類和區(qū)系。研究表明，細菌的碳氮比在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右[10-11]。隨著經(jīng)營時間的延長，橫畈鎮(zhèn)雷竹林土壤微生物量碳/氮比值逐漸升高，推測認為，在經(jīng)營過程中細菌數(shù)量在微生物總數(shù)中所占的比例逐漸降低，大量施肥以及覆蓋物的腐爛導致微生物區(qū)系發(fā)生變化，土壤中放線菌與真菌的比例逐漸增加。而西天目鄉(xiāng)的研究結(jié)果表明，土壤微生物區(qū)系沒有發(fā)生明顯的變化。

2.2 不同經(jīng)營年限對雷竹林土壤微生物量氮的影響

研究表明，長期施氮肥可提高土壤氮素水平，主要原因是施用化學氮肥可增加氮素在土壤中的殘留，而且增加了土壤有機質(zhì)和根茬、根系以及根系分泌物，從而增加了土壤有機氮量[12]。隨著雷竹林集約經(jīng)營年限的上升，土壤總氮質(zhì)量分數(shù)也呈逐年上升趨勢（表3）。在經(jīng)營的前5 a中，由于竹林沒有覆蓋措施，也沒有大量施用復合肥和尿素，土壤總氮質(zhì)量分數(shù)基本保持穩(wěn)定，沒有顯著差異。雷竹林開始覆蓋后，由于施肥的大量增加以及覆蓋物的腐爛，大幅增加了土壤總氮質(zhì)量分數(shù)[13]。無論是橫畈鎮(zhèn)還是西天目鄉(xiāng)，其經(jīng)營10 a和15 a的竹林與經(jīng)營5 a的竹林相比，土壤總氮質(zhì)量分數(shù)都有明顯的增加，達到顯著差異（P＜0.05）。同樣的規(guī)律也體現(xiàn)在土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)上。堿解氮質(zhì)量分數(shù)與土壤有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)及土壤本身的水熱環(huán)境條件有關(guān)，一般情況下，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高，熟化程度高，土壤溫度高，微生物活動旺盛，堿解氮質(zhì)量分數(shù)亦高。蘇娜等[14]研究發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥或有機肥與氮肥配施均能極顯著地提高土壤堿解氮水平；而單獨施用氮肥，土壤堿解氮也有所增加，且隨著氮肥用量增加而遞增。由表3可知，雷竹林土壤的堿解氮質(zhì)量分數(shù)隨種植年限的增加而上升，西天目土壤的堿解氮質(zhì)量分數(shù)由1 a的199.9 mg·kg－1增加到15 a的405.3 mg·kg－1，有些樣點可以達到 508.7 mg·kg－1；橫畈從 1 a 的 99.5 mg·kg－1增加到 15 a 的 428.2 mg·kg－1，且經(jīng)營 15 a 的竹林土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)與經(jīng)營10 a的相比達到顯著差異（P＜0.05）。

表3 雷竹林土壤氮素變化Table3 Changes of soil N content of Phyllostachy praecox stands

與微生物量碳的變化規(guī)律相似，盡管土壤總氮逐年大幅提高，土壤微生物量氮卻隨著經(jīng)營年限的增加而逐漸減少，前5 a基本無變化，5 a后的冬季覆蓋和大量施肥造成了土壤微生物量氮的顯著降低。據(jù)Zeller等[9]研究報道，土壤微生物量氮占土壤全氮的比例為2.0%～6.0%，本研究結(jié)果基本上處于這個范圍之內(nèi)。兩處樣地的微生物量氮/全氮的比值也隨著經(jīng)營年限的增加呈降低趨勢。究其原因，一方面是因為此時土壤中微生物的生長受到嚴重抑制，另一方面可能也與土壤中氮素的大量累積有關(guān)。

2.3 不同經(jīng)營年限對雷竹林土壤微生物量磷的影響

研究結(jié)果表明，雷竹林土壤全磷質(zhì)量分數(shù)在時間上的變化同樣是隨著雷竹栽植年限增長而呈上升趨勢（表4），這與我們之前的研究結(jié)果一致[15]。橫畈鎮(zhèn)的雷竹林土壤，前5 a土壤全磷質(zhì)量分數(shù)沒有明顯的變化，但是10 a和15 a時的質(zhì)量分數(shù)分別是5 a時的1.8倍和2.3倍，達到了極顯著差異（P＜0.01）。而西天目的雷竹林土壤，到5 a時土壤全磷質(zhì)量分數(shù)即開始顯著增加，10 a后趨于穩(wěn)定，但都顯著高于對照土壤的全磷質(zhì)量分數(shù)。

土壤有效磷是土壤磷庫中對作物最速效的部分，是能直接為作物吸收利用的無機磷或小分子量的有機磷組分，因此是評價土壤供磷能力的重要指標[16]。表4可以看出，橫畈和西天目2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雷竹林土壤的有效磷質(zhì)量分數(shù)都隨著雷竹種植年限增長而表現(xiàn)出快速上升的趨勢。西天目雷竹林土壤中，1 a與5，10，15 a均存在顯著差異，而5 a和10 a間沒有差異，10 a以后土壤中速效磷快速積累，15 a時土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)已經(jīng)達到10 a時的2.4倍，具有極顯著差異（P＜0.01）。在橫畈鎮(zhèn)，土壤速效磷質(zhì)量分數(shù)先是快速增加，10 a后即趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，大量的施肥和稻草、礱糠的覆蓋顯著提高了土壤全磷和速效磷的質(zhì)量分數(shù)。

微生物量磷是土壤有機磷最活躍的部分，通過生物量磷釋放的磷對植物的生長非常重要，能很好地反映土壤活性磷庫的容量、周轉(zhuǎn)強度以及微生物數(shù)量和活性[17－18]。研究結(jié)果表明，隨著經(jīng)營時間的延長，所有雷竹林土壤的微生物量磷都有先增加而后下降的趨勢，這與先期的地表覆蓋有關(guān)，有研究表明稻草覆蓋能明顯增加土壤表層微生物含量[19]。然而在后期，隨著經(jīng)營強度的增加，微生物生長受到抑制，微生物量磷再次出現(xiàn)下降趨勢?？傮w上來說，橫畈的雷竹林土壤微生物量磷要高于西天目，可能與2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)竹農(nóng)的經(jīng)營措施稍有差異有關(guān)。Smith等[20]研究報道，土壤微生物量磷占土壤全磷的比例為2.4%～23.3%。本研究結(jié)果中土壤微生物量磷/全磷比值基本處于這個范圍內(nèi)，但西天目經(jīng)營10 a及15 a后的雷竹林其比值偏低，與薛萐等[21]研究結(jié)果相似，由于此時雷竹的生長已經(jīng)開始明顯退化，而微生物代謝功能期短，要維持雷竹生長所需要的碳源、氮源，就必須提高微生物量在有機碳和全氮中的比例來維持高的物質(zhì)代謝能力，但其機制還需進一步研究驗證。李東坡等[17]研究表明，微生物量磷與磷植物有效性具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，微生物量磷的下降也將導致磷植物有效性的明顯降低，使雷竹林出現(xiàn)提前退化。

表4 雷竹林土壤磷素變化Table4 Changes of soil P content of Phyllostachy praecox stands

張?zhí)伊值萚22]認為，集約農(nóng)業(yè)利用下農(nóng)用化學品的大量投入和土地的高強度利用導致了土壤養(yǎng)分富余和失衡以及土壤的生物功能衰減等退化現(xiàn)象，可能是生態(tài)系統(tǒng)在超負荷運行下的疲勞狀態(tài)（土壤疲勞），若不能得到有效控制和恢復，將會對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重損害。在本研究結(jié)果中，雖然土壤養(yǎng)分顯著增加，但是土壤微生物活性卻反而降低了，其原因可能是由于雷竹林土壤生態(tài)系統(tǒng)變化超過了其忍受限度，使系統(tǒng)本身的功能受到了很大的破壞。

3 結(jié)論

橫畈鎮(zhèn)和西天目鄉(xiāng)的雷竹林經(jīng)過長期大量施肥以及冬季覆蓋后，均顯著增加了土壤（0～20 cm）中有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷的質(zhì)量分數(shù)，然而pH值隨之逐年下降。

雖然長期集約經(jīng)營增加了土壤中的有機碳質(zhì)量分數(shù)，但是無論橫畈還是西天目，雷竹林土壤的微生物量碳質(zhì)量分數(shù)以及微生物量碳/有機碳的比值都呈明顯的下降趨勢，表明長期的施肥和覆蓋措施降低了土壤微生物的活性，使土壤生物學性質(zhì)衰退。

土壤微生物量氮質(zhì)量分數(shù)及微生物量氮/全氮比值也隨著經(jīng)營年限的延長而呈下降趨勢，但都處于正常值范圍內(nèi)；橫畈雷竹林土壤微生物量碳氮比值隨經(jīng)營年限的延長逐漸增加，顯示經(jīng)營措施改變了土壤的微生物區(qū)系，長期的覆蓋使土壤中放線菌及真菌的比例增加。西天目的雷竹林土壤微生物量碳氮比沒有明顯的變化；

雷竹林土壤的微生物量磷隨著經(jīng)營時間的延長呈先上升后下降趨勢，2個樣點的雷竹林土壤微生物量磷/全磷比值基本處于正常范圍內(nèi)，其中西天目經(jīng)營10 a及15 a后的雷竹林比值偏低，推測由于雷竹生長退化，導致對碳、氮源的需求更加緊迫。

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