喀斯特地區(qū)土壤微生物量效應(yīng)研究

吳小玲

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院國(guó)家植物科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

喀斯特地區(qū)是世界典型的溶巖生態(tài)脆弱區(qū)，土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，又是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫(kù)，對(duì)土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)起著重要的作用。土壤微生物是土壤中物質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié)者，同時(shí)也是有機(jī)物質(zhì)庫(kù)和速效養(yǎng)分的一部分[1]，其本身含有大量的養(yǎng)分。土壤微生物的數(shù)量分布，不僅是土壤中有機(jī)養(yǎng)分、無(wú)機(jī)養(yǎng)分以及土壤通氣透氣性能的反映，而且亦是土壤中微生物活性的具體體現(xiàn)[2-3]。土壤微生物量（MB）是土壤活的有機(jī)質(zhì)部分，指土壤中除去活的植物體（如植物根系等）和動(dòng)物外，體積小于5×103μm3的生物物質(zhì)的總量，其主要生物類群有細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等[4]，廣義的微生物量包括 MB-C、MB-N、MB-P 及MB-S等[5-7]。研究從土壤微生物量的效應(yīng)著手，通過測(cè)定土壤碳氮含量，探討退耕還林還草后土壤內(nèi)在機(jī)制的變化，以期為該地區(qū)的生態(tài)安全和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取了4個(gè)位于自然恢復(fù)演替階段（草叢-灌叢-次生林-原生林）作為研究對(duì)象，試驗(yàn)樣地的基本情況見表1。

通過野外勘查研究區(qū)自然植被分布，確定不同植被典型樣地，于2006年6月（雨季）和12月（旱季）采集土壤樣品?？λ固刂脖谎萏孢^程4個(gè)階段樣地結(jié)合調(diào)查地上植被多樣性的樣方：草叢（5 m×5 m）、灌木叢（10 m×20 m）、次生林和原生林（20 m×40 m）；除草叢外，其余樣方均分成4個(gè)等面積的小樣方，選擇其中3個(gè)小樣方，每個(gè)樣地按“S”形確定5～8個(gè)取樣點(diǎn)，采集表層0～15 cm土壤樣品混合成一個(gè)混合樣品。對(duì)于農(nóng)業(yè)耕作土壤，選取典型樣地，隨機(jī)選取3個(gè)取樣小區(qū)（3個(gè)重復(fù)），每個(gè)小區(qū)按“S”形選取15～20個(gè)取樣點(diǎn)，采集表層0～15 cm土壤組成一個(gè)混合樣品（混合均勻）。樣品過2 mm無(wú)菌篩，部分樣品保存在4℃冰箱中用于平板培養(yǎng)與微生物碳氮等分析；余下樣品風(fēng)干保存用于土壤理化性質(zhì)分析。

表1 試驗(yàn)樣地的基本概況

1.2 方法

微生物量碳、氮的測(cè)定:氯仿熏蒸K2SO4提取法。提取液中C采用總有機(jī)碳自動(dòng)分析儀測(cè)定，土壤微生物生物量碳的計(jì)算：BC=EC/kEC。式中：EC=熏蒸土壤浸提的有機(jī)碳－不熏蒸土壤浸提的有機(jī)碳，kEC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。提取液中N采用流動(dòng)注射儀測(cè)定，土壤微生物生物量氮計(jì)算：BN=EN/kEN。式中：EN=熏蒸土壤浸提測(cè)定的全氮－不熏蒸土壤浸提測(cè)定的全氮；kEN為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。

土壤基礎(chǔ)呼吸作用測(cè)定：堿液吸收-TOC儀測(cè)定法：稱取25 g上述測(cè)定土壤微生物碳氮用的新鮮土樣于500 mL培養(yǎng)瓶中，并將土壤均勻地平鋪于底部，將一只25 mL小燒瓶放在培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的土壤上，然后吸取1 mol/L的NaOH溶液10 mL放入其中，將培養(yǎng)瓶加蓋密封，在25±1℃培養(yǎng)24 h取出于TOC儀上測(cè)定C濃度并計(jì)算CO2-C釋放量，同時(shí)做空白對(duì)照。

土壤呼吸R=未熏蒸土壤釋放CO2-C/10，R的單位為 mg/kg·d，呼吸熵（qCO2）：形成單位微生物量C所需呼吸的CO2-C量；qCO2=R/微生物量C×1 000，單位為 mg/g·d。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)后土壤的物理屬性

從表2可以看出，隨著退耕還林后植被恢復(fù)的正向進(jìn)行，除次生林以外土壤的pH值是逐漸增高的，表現(xiàn)出原生林>灌叢>次生林>草叢。容重則正好相反，表現(xiàn)出草叢>灌叢>次生林>原生林。但pH和容重在每個(gè)恢復(fù)階段的季節(jié)之間變化不明顯，說明在短期時(shí)間里，pH值和容重基本是穩(wěn)定的，受外界環(huán)境影響較小。因?yàn)橥翗硬杉瘯r(shí)間的不同（6月是雨季，12月是旱季），在每個(gè)恢復(fù)階段中差異較大且土壤的含水量均為6月>12月。隨著植被恢復(fù)，土壤植被類型的不同，各階段的土壤含水量也存在差異，6月土壤含水量是：原生林>次生林>灌叢>草叢；12月除原生林是0.29外，也是：次生林>灌叢>草叢。因?yàn)橹脖活愋褪怯绊懲寥阑瘜W(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)的主要因素，其直接影響到土壤的含水量。原生林可能因其蒸騰量較大，根系從土壤中吸水較強(qiáng)，導(dǎo)致其土壤的含水量較次生林小。但在不同的月份，其土壤的基本屬性（pH值、容重和土壤質(zhì)地）相同，因此不會(huì)對(duì)以下的分析造成影響。

表2 不同植被恢復(fù)后土壤的物理屬性

2.2 不同植被恢復(fù)后土壤微生物量、呼吸強(qiáng)度和qCO2值分析

土壤微生物量是指土壤中體積小于5×103μm3、具有生命活動(dòng)的有機(jī)物質(zhì)的總量，是土壤物質(zhì)和能量循環(huán)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力，是表征土壤肥力特征的重要參數(shù)之一[8-9]。從表2可以看出，不同植被恢復(fù)后土壤微生物量差異顯著，微生物量碳從高到低為：次生林>原生林>灌叢>草叢，在季節(jié)上草叢和原生林都為12月份大于6月份；灌叢和次生林為6月份大于12月份，結(jié)果6月份次生林是原生林的1.31倍，灌叢的1.93倍，草叢的7.91倍；12月份次生林是原生林的1.19倍，灌叢的2.55倍，草叢的4.14倍。微生物量氮除灌叢外均表現(xiàn)為12月份高于6月份且是草叢的3.37倍，次生林的1.20倍，原生林的2.42倍，不同的演替階段6月份為：次生林>原生林>灌叢>草叢，12月份是：原生林>次生林>灌叢>草叢。微生物量碳和微生物量氮與土壤有機(jī)碳、全氮變化趨勢(shì)基本相同。

Jenkinsont研究認(rèn)為，在無(wú)外部因素干擾的情況下，土壤微生物量并不能完全反映微生物的活性、結(jié)構(gòu)和功能，因此在分析微生物量的絕對(duì)量外，還應(yīng)考慮微生物量碳、氮在全碳、全氮中所占的比例，從微生物學(xué)角度揭示植被恢復(fù)過程中土壤生物學(xué)質(zhì)量的變異[8]。從表2可以看出，不同植被恢復(fù)后土壤微生物量碳、氮、占全碳、全氮的比例變化不同，其中6月份微生物量碳占全碳的比例為2.70%～4.97%，微生物量氮占全氮的比例是2.47%～5.94%；12月份微生物量碳占全碳的比例為2.93%～3.74%，微生物量氮占全氮的比例是3.58%～6.98%。在6月份從草叢到灌叢其微生物量碳增幅較快，比例最高的是次生林為4.97%；12月份沒明顯的規(guī)律，但次生林的比例還是最高為3.74%，其微生物量氮也沒什么規(guī)律，但草叢的比例最高。在6月份其微生物量氮從草叢到次生林是逐漸增加的且增幅較大，在原生林又快速降低。有研究報(bào)道土壤微生物量碳、氮占有機(jī)碳、全氮的比例分別為0.27%～7.0%、2%～6%。本研究發(fā)現(xiàn)，微生物量碳和氮所占比例相對(duì)偏高，在退耕還林的喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳和氮素含量較貧瘠，微生物代謝功能期短，要維持植物生長(zhǎng)所需要的碳源、氮源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，則必須提高微生物量在有機(jī)碳和全氮中所占比例和持續(xù)性來(lái)維持高的有機(jī)物代謝和物質(zhì)循環(huán)。

微生物量碳氮比可以反映土壤微生物種類和區(qū)系。在植被恢復(fù)過程中，由于植被的不同，植被凋落物與根系統(tǒng)物質(zhì)分解過程中所誘導(dǎo)形成的微生物區(qū)系差異導(dǎo)致土壤微生物量碳、氮比例也不同。表2顯示，在每個(gè)階段微生物量碳氮比均是6月份高于12月，這與土壤有機(jī)碳氮比是一致的。說明由于植被、環(huán)境的影響和微生物自身的因素，土壤氮素含量較高后續(xù)供應(yīng)能力較強(qiáng)，在12月份微生物活動(dòng)較6月份活躍。

土壤呼吸作為土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力，表征著土壤的生物學(xué)特性和物質(zhì)代謝強(qiáng)度。在生態(tài)恢復(fù)過程中，植被的變化通過吸收養(yǎng)分和歸還有機(jī)物等影響著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，土壤微生物呼吸隨之變化，指示著系統(tǒng)恢復(fù)中土壤質(zhì)量的演變過程。如表3所示，植被恢復(fù)后土壤微生物呼吸強(qiáng)度是逐漸增強(qiáng)的，表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草叢，和有機(jī)碳變化過程相同，說明作為呼吸基質(zhì)的有機(jī)碳對(duì)呼吸強(qiáng)度有重要的控制作用。季節(jié)變化也影響土壤微生物呼吸強(qiáng)度，表現(xiàn)出與微生物量碳氮比相反的規(guī)律（12月份大于6月份）。

表3 不同植被恢復(fù)后土壤微生物量、呼吸強(qiáng)度和qC02值（n=3）

代謝熵（qCO2）是基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度與微生物量碳的比率。qCO2效率高，則形成單位微生物質(zhì)量所呼出的qCO2少，qCO2較?。籷CO2效率低，說明利用相同能量而形成的微生物量小，qCO2較大，釋放的CO2較多，微生物體的周轉(zhuǎn)率快，平均菌齡低。由表2可以看出，從草叢到原生林qCO2是12月份的效率高于6月份的，這與土壤微生物呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的規(guī)律。由于植被的恢復(fù)，減少了人為的干擾，從草叢到次生林qCO2逐漸降低，保證了高的代謝效率，使土壤有充足的活性有機(jī)物，維持較好的土壤性狀和可持續(xù)利用潛力。原生林由于無(wú)人為干擾且各方面都趨于收支平衡，qCO2升高。次生林的qCO2效率最高，可能因?yàn)樵谶m度的干擾下，物種增多，為微生物代謝提供可利用的物質(zhì)變豐富，微生物群落的食物網(wǎng)復(fù)雜化，其能量基本用于維持自身正常的生命活動(dòng)。

3 總結(jié)與討論

隨著退耕還林后植被恢復(fù)的正向進(jìn)行，除次生林以外土壤的pH值是逐漸增高的，表現(xiàn)出原生林>灌叢>次生林>草叢，而容重變代表現(xiàn)出相反的規(guī)律。同時(shí)土壤含水量也存在差異，6月土壤含水量是原生林>次生林>灌叢>草叢；12月除原生林外也是次生林>灌叢>草叢。因?yàn)橹脖活愋褪怯绊懲寥阑瘜W(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)的主要因素，其就直接影響到土壤的含水量。

不同植被恢復(fù)后土壤微生物量發(fā)生很大變化，微生物量碳從高到低為次生林>原生林>灌叢>草叢，在6月份從草叢到灌叢其微生物量碳增幅較快，12月份沒明顯的規(guī)律。在季節(jié)上差異表現(xiàn)為草叢和原生林都為12月份大于6月份；灌叢和次生林為6月份大于12月份。微生物量氮除灌叢外表現(xiàn)出灌叢和次生林微生物量碳同樣的規(guī)律，在6月份其微生物量氮從草叢到次生林逐漸增加，且增幅較大，在原生林又快速降低。而且這兩種都與土壤有機(jī)碳、全氮變化趨勢(shì)基本相同，但與全碳、全氮的比例變化不同，6月份微生物量碳占全碳的比例為2.70%～4.97%，微生物量氮占全氮的比例是2.47%～5.94%；12月份微生物量碳占全碳的比例2.93%～3.74%，微生物量氮占全氮的比例是3.58%～6.98%，這與前人研究相似，但比例偏高，使得微生物代謝功能期較短，須提高微生物量在有機(jī)碳和全氮中所占比例和持續(xù)性來(lái)維持高的有機(jī)物代謝和物質(zhì)循環(huán)。

在每個(gè)階段微生物量碳氮比均是6月份高于12月，這與土壤有機(jī)碳氮比是一致的。說明由于植被、環(huán)境的影響和微生物自身的因素，土壤氮素含量較高后續(xù)供應(yīng)能力較強(qiáng)，在12月份微生物活動(dòng)較6月份活躍。植被恢復(fù)后土壤微生物呼吸強(qiáng)度是逐漸增強(qiáng)的，表現(xiàn)為原生林>次生林>灌叢>草叢，和有機(jī)碳變化過程相同，季節(jié)變化也影響土壤微生物呼吸強(qiáng)度，表現(xiàn)出與微生物量碳氮比相反的規(guī)律（12月份大于6月份）。從草叢到原生林qCO2表現(xiàn)同土壤微生物呼吸強(qiáng)度隨季節(jié)變化相同的規(guī)律，且草叢到次生林是逐漸降低的，可能因?yàn)樵衷谶m度的干擾下，物種增多，為微生物代謝提供可利用的物質(zhì)變豐富，微生物群落的食物網(wǎng)復(fù)雜化，其能量基本用于維持自身正常的生命活動(dòng)，使其qCO2升高。

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