黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤微生物量碳氮磷的影響

蔣躍利，趙 彤，閆 浩，黃懿梅，，安韶山

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵 712100）

黃土高原是我國乃至世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，由于水土流失帶來的土地退化問題已成為困擾黃土高原社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一。因此，自從20世紀(jì)50年代以來，我國政府在黃土丘陵區(qū)實(shí)施了大面積的退耕還林（草）工程。退耕還林（草）可通過土壤—植物復(fù)合系統(tǒng)的功能改善提高土壤質(zhì)量。其中土壤微生物量是表征土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力。而且，微生物量周轉(zhuǎn)快，能靈敏地反映環(huán)境因子、土地利用方式和生態(tài)功能的變化。因此，土壤微生物量可作為評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一［1－2］。一些研究者［3－5］已就黃土高原地區(qū)不同植被及不同土地利用方式下土壤微生物量碳、氮、磷的含量開展了一些研究。但由于黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜、土壤類型多樣，而且影響微生物量碳、氮、磷的因素較多，使得人們尚未充分了解該地區(qū)土壤微生物量碳、氮、磷的變化規(guī)律，以及它們在反映植被區(qū)變化和土地利用方式變化上的敏感性。因此，本研究以典型黃土丘陵區(qū)——延河流域土壤為研究對象，探討不同植被區(qū)中幾種主要土地利用方式下土壤微生物量含量及其相互關(guān)系，以期了解在黃土丘陵區(qū)植被演替過程中土壤微生物活性的變化規(guī)律，為黃土高原地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇黃土高原典型丘陵溝壑地貌—延河流域的萬花山鄉(xiāng)（森林區(qū)）、譚家營（森林草原區(qū)）、鐮刀灣（草原區(qū)）為研究區(qū)域，地理位置為36°29.087′—37°11.724′N和108°59.580′—109°16.580′E，面積達(dá)7725 km2。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊导竟?jié)氣候，年平均氣溫8.8～10.2℃，平均降雨量520mm，其中7—9月份降雨量占全年降雨量的60%以上。土壤類型以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主，土壤質(zhì)地均一，土質(zhì)疏松，抗侵蝕能力差，植被覆蓋空間從東南向西北降低。

1.2 樣地選擇和土樣采集

根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乩梅绞胶椭脖环植继攸c(diǎn)，分別在森林區(qū)選取農(nóng)地、喬木林地，森林草原區(qū)和草原區(qū)選取農(nóng)地、喬木林地、灌木林地、天然草地、撂荒地作為研究對象，其地理與植被情況詳見表1。

2011年7月，在每個(gè)樣地中森林按20m×20m，灌木按10m×10m，草地按5m×5m分別設(shè)置3個(gè)樣區(qū)，每個(gè)樣區(qū)按S形選取6點(diǎn)，每點(diǎn)采集0—10cm和10—30cm土層土壤樣品，將兩層的6點(diǎn)土樣分別混勻作為該樣區(qū)的分析樣品。

表1 試驗(yàn)樣地概況

1.3 土樣測定指標(biāo)及其分析方法

土樣采回后，一部分置于冰箱（約4℃）內(nèi)，用于測定土壤水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、微生物量碳、氮、磷，一周內(nèi)完成鮮樣分析；另一部分風(fēng)干，用于常規(guī)分析。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸，K2SO4浸提［6］，微生物量碳用總有機(jī)碳分析儀（Phoenix 8000）測定，微生物量氮用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法［7］測定。微生物量磷用鉬銻抗比色法測定［8］。其它養(yǎng)分測定方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)［9］:有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；全氮采用半微量開氏法；礦質(zhì)氮采用氯化鉀浸提，流動(dòng)分析儀測定。數(shù)據(jù)為3個(gè)樣區(qū)土壤測定結(jié)果的平均值，以烘干土壤計(jì)重，采用SAS和Excel軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被區(qū)土地利用方式對土壤碳、氮的影響

如表2所示，0—10cm土層，森林區(qū)，森林草原區(qū)有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為喬木林地最高。草原區(qū)則是在天然草地中最高。就相同土地利用方式來看，農(nóng)地、喬木林地中全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均是森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)。灌木林地、天然草地、撂荒地森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)。10—30cm土層表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。土壤碳氮比決定著土壤氮素礦化—微生物固定轉(zhuǎn)化能力。森林區(qū)土壤碳氮比的變化范圍為13～25，森林草原區(qū)26～53，草原區(qū)25～41。

表2 試驗(yàn)樣地土壤碳氮含量

2.2 不同植被區(qū)各土地利用方式土壤中微生物量碳的差異

如圖1所示，微生物量碳在森林區(qū)兩土層中均是喬木林地顯著高于農(nóng)地；森林草原區(qū)兩土層表現(xiàn)為:灌木林地＞天然草地＞喬木林地＞農(nóng)地＞撂荒地，且0—10cm土層，喬木林地、天然草地、灌木林地中微生物量碳的含量比撂荒地分別高出86.29%，116.44%，142.62%，10—30cm土層分別高出59.79%，94.48%和205.53%；草原區(qū)兩土層中，天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農(nóng)地＞撂荒地，其中10—30cm土層天然草地、喬木林地微生物量碳的含量顯著高于撂荒地，分別高出71.86%，69.79%。相同土地利用方式下，0—10cm土層，森林區(qū)微生物量碳的含量顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)，森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)。10—30cm土層表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

2.3 不同植被區(qū)各土地利用方式土壤中微生物量氮的差異

從圖2中可以看出，微生物量氮在森林區(qū)兩土層中均是喬木林地顯著高于農(nóng)地，分別高出39.14%，19.18%；0—10cm土層，森林草原區(qū)，灌木林地顯著高于農(nóng)地、撂荒地、喬木林地，分別高出43.49%，31.42%，49.00%。草原區(qū)，天然草地中微生物量氮含量最高，分別比喬木林地、灌木林地、農(nóng)地、撂荒地高出30.86%，47.34%，45.91%和58.2%，而喬木林地、灌木林地、農(nóng)地、撂荒地之間相差無幾。10—30cm土層表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。相同土地利用方式不同植被區(qū)，0—10cm土層，森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)，分別高出46.07%，54.45%；10—30cm土層，農(nóng)地，森林區(qū)和森林草原區(qū)均顯著高于草原區(qū)，分別高出51%，35.71%。喬木林地，森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)，分別高出43.71%和61.88%。灌木林地、撂荒地，森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)，分別高出64.63%和44.95%。

圖1 不同植被區(qū)各土地利用方式下土壤微生物量碳含量

圖2 不同植被區(qū)各土地利用方式的土壤微生物量氮差異

2.4 不同植被區(qū)各土地利用方式土壤中微生物量磷的差異

如圖3所示，微生物量磷在森林區(qū)兩土層中均是農(nóng)地高于喬木林地；森林草原區(qū)兩土層，農(nóng)地＞撂荒地＞喬木林地＞天然草地＞灌木林地，且0—10cm土層，農(nóng)地微生物量磷的含量顯著高于喬木林地、天然草地、灌木林地，分別高出33.38%，42.88%和65.12%，10—30cm土層，農(nóng)地顯著高于天然草地、灌木林地，分別高出37.07%和43.39%，與喬木林地、撂荒地之間未表現(xiàn)出顯著的差異性。草原區(qū)表現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律。相同土地利用方式不同植被區(qū)下，農(nóng)地、喬木林地微生物量磷含量在兩土層中均是森林區(qū)顯著高于森林草原區(qū)和草原區(qū)。灌木林地、天然草地在0—10cm土層森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)，分別高出28.57%和25%。撂荒地在10—30cm土層森林草原區(qū)顯著高于草原區(qū)，高出22.22%。

圖3 不同植被區(qū)各土地利用方式的土壤微生物量磷差異

2.5 不同土地利用方式土壤中微生物生物量的生理比值變化

由表3可以看出，0—10cm土層，森林區(qū)，微生物量碳、氮占有機(jī)碳、全氮的比值及微生物量碳氮比、碳磷比均表現(xiàn)為喬木林地高于農(nóng)地；森林草原區(qū)，土壤微生物量碳占有機(jī)碳的比例在3.058%～3.799%，其中灌木林地最高，撂荒地最低，微生物量氮占全氮的比例天然草地最高，為5.679%。微生物量碳氮比、碳磷比表現(xiàn)為:天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農(nóng)地＞撂荒地。草原區(qū)，微生物量碳占有機(jī)碳的比例在天然草地中最高，為3.091%。微生物量氮占全氮的比例變化范圍為5.950%～4.363%。微生物量碳氮比的變化范圍為6.200～10.304，其中草原區(qū)撂荒地最高，天然草地最低。微生物量碳磷比表現(xiàn)為:天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農(nóng)地＞撂荒地。10—30cm土層呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。

表3 試驗(yàn)樣地微生物生物量碳、氮占有機(jī)碳、全氮的比值及微生物量碳氮比和微生物量氮磷比

2.6 土壤微生物量與土壤碳氮的相關(guān)性

由表4可以看出，微生物量碳、代謝熵與有機(jī)碳極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.9463 和0.9200 ；微生物量氮、磷與有機(jī)碳顯著相關(guān)；微生物量碳氮比與全氮極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9016 ，代謝熵與全氮呈顯著負(fù)相關(guān)，微生物量碳、氮、磷與全氮顯著相關(guān)；硝態(tài)氮與代謝熵極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.9315 ，銨態(tài)氮與微生物量碳氮比顯著相關(guān)。這就說明在不同的土地利用方式下，土壤微生物量與土壤養(yǎng)分狀況之間有較好的一致性，土壤微生物代謝活動(dòng)對土壤化學(xué)性質(zhì)影響顯著，且土壤微生物對土壤肥力的演變反映也較敏感。

表4 土壤微生物量與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

3 結(jié)果討論

3.1 土地利用方式對土壤微生物量碳氮磷及其相互關(guān)系的影響

土壤微生物作為土壤中有生命的部分，對土壤環(huán)境的變化極為敏感，可充分反映土地利用方式和生態(tài)功能的變化，同時(shí)微生物量不僅是土壤養(yǎng)分的重要來源，也是土壤養(yǎng)分固定的重要載體。不同的土地利用方式會(huì)使土壤微生物量產(chǎn)生差異［10］。本研究結(jié)果表明，森林區(qū)喬木林地中微生物量碳氮含量均高于農(nóng)地。森林草原區(qū)土壤微生物量碳氮表現(xiàn)為:撂荒地＜農(nóng)地＜喬木林地＜天然草地＜灌木林地。說明在該研究區(qū)，灌木林地更有利于土壤微生物量碳氮的積累。這與邱莉萍和董莉麗［11－12］的研究結(jié)果一致；而農(nóng)地由于長期受到人為因素的干擾，使得表土侵蝕嚴(yán)重，有機(jī)物質(zhì)礦化劇烈，加上秸稈等移出農(nóng)田后，能還原給土壤中的枯枝落葉減少，使得微生物的能源缺乏，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田土壤中微生物量碳氮含量降低。草原區(qū)天然草地中微生物量碳氮含量最高，喬木林地和灌木林地相差無幾，農(nóng)地和撂荒地最低。這可能是因?yàn)檐餅樘烊徊莸刂械膬?yōu)勢物種，茭蒿本身為多年生的草本狀半灌木，根毛豐富，使得該天然草地不僅地上生物量大，能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┐罅康蚵湮?，成為天然的有機(jī)肥。而且大量的根系分泌物和衰亡的根毛也能為微生物提供豐富的能源［13］；另外還可能與該天然草地所處的坡向有關(guān)。Bastida等［14］研究認(rèn)為，坡向?yàn)檎狈较虻奈⑸锪扛撸撎烊徊莸厮幍牡钠孪蛘脼檎狈较?，且坡度較小。因此使得該天然草地微生物量碳氮含量高于林地。

微生物量磷的變化趨勢與微生物量碳氮的截然不同，它表現(xiàn)為在農(nóng)地和撂荒地中含量最高，這可能與土壤磷的含量受成土母質(zhì)影響較大有關(guān)。而且已有研究［1］表明土壤微生物量磷的含量，還主要受施肥的影響，農(nóng)地和撂荒地由于人為的施肥，尤其是增施有機(jī)肥為微生物的活動(dòng)提供了養(yǎng)料，進(jìn)而促進(jìn)了微生物大量繁殖，并將部分有機(jī)磷和礦化的無機(jī)磷同化為微生物量磷，增加了土壤微生物量磷含量。

3.2 植被區(qū)對土壤微生物量碳氮磷及其相互關(guān)系的影響

黃土高原地區(qū)屬大陸性氣候，植被自東南向西北，從濕潤的森林植被區(qū)過渡到干旱的草原植被區(qū)［15］。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)。本研究得出，土壤養(yǎng)分和微生物量均是從森林植被區(qū)、森林草原植被區(qū)、草原植被區(qū)呈現(xiàn)出降低趨勢。這可能是由于從森林植被區(qū)到草原植被區(qū)，降雨量逐漸減少，植被覆蓋度降低，使得能歸回到土壤中的營養(yǎng)元素越來越少，再加上不合理的土地利用方式，使得土壤侵蝕越來越嚴(yán)重。有研究［16］指出水蝕是黃土高原土壤侵蝕的主要類型，森林區(qū)由于植被較好，水蝕比較輕微，森林草原區(qū)和草原區(qū)由于植被覆蓋度低等因素，使得土壤侵蝕嚴(yán)重，有機(jī)物質(zhì)礦化加劇，進(jìn)而導(dǎo)致微生物量含量降低［17－20］。從植被演替的角度看，草原區(qū)主要是以草本植物為主，這也是草原區(qū)天然草地營養(yǎng)元素和微生物量高的一個(gè)原因，但該區(qū)植被群落比較單一，而到了森林草原區(qū)和森林區(qū)，喬木林地灌木林地成了優(yōu)勢群落。已有大量的研究表明，林地將更有利于土壤養(yǎng)分的積累。

3.3 各植被區(qū)不同土地利用方式下微生物量碳、氮與土壤碳氮的關(guān)系

Jenkinson［21］研究表明，在沒有任何人為因素干擾的情況下，微生物量并不能完全反映土壤中微生物活性、結(jié)構(gòu)和功能。因此在分析土壤微生物量的絕對量外，還應(yīng)考慮土壤微生物量占全量的比例，進(jìn)而從微生物學(xué)的角度揭示不同植被區(qū)土壤生物學(xué)性質(zhì)的變異特征。有研究［2，22］報(bào)道指出，土壤微生物量碳、氮占有機(jī)碳、全氮比例分別為0.27%～7.0%，2%～6%，而在本研究中，土壤微生物量碳、氮占土壤有機(jī)碳、全氮的比值分別為2.362%～3.993%，2.887%～5.571%，在報(bào)道范圍內(nèi)。但微生物量碳所占有機(jī)碳的比相對偏低。這可能與該流域的土壤有機(jī)碳含量、降水量以及采樣時(shí)間有關(guān)。

根系物質(zhì)和植被凋落物在分解過程中誘導(dǎo)形成微生物區(qū)系差異進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物量碳、氮比不同。一般情況下，細(xì)菌碳氮比在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右［23］。根據(jù)本研究中微生物量碳氮比值來看，林地、草地中真菌的含量較高，農(nóng)地、撂荒地細(xì)菌含量較高。這可能與土壤有機(jī)碳與全氮的比值有關(guān)，有研究表明真菌更易在碳氮比高的土壤中生存，細(xì)菌則相反，而本研究結(jié)果中林地和草地土壤碳氮比高于農(nóng)地。土壤微生物量碳磷比一般可以作為衡量微生物礦化土壤有機(jī)質(zhì)釋放磷或從環(huán)境中吸收固定磷素潛力的指標(biāo)。碳磷比值小說明微生物在礦化土壤有機(jī)質(zhì)中釋放磷的潛力較大，土壤微生物量磷對土壤有效磷庫有補(bǔ)充作用；碳磷比值大則說明土壤微生物對土壤中有效磷有同化趨勢，易出現(xiàn)微生物與作物競爭性吸收土壤有效磷的現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的固磷潛力。本研究土壤微生物量碳磷比在7～75之間［24］，符合一般規(guī)律。

4 結(jié)論

黃土丘陵各植被區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分和土壤微生物量有較大差異。微生物量磷的含量在3個(gè)植被區(qū)中均是在農(nóng)地、撂荒地中相對較高，微生物量碳、氮森林區(qū)喬木林地高于農(nóng)地，森林草原區(qū)則表現(xiàn)為:灌木林地＞天然草地＞喬木林地＞農(nóng)地＞撂荒地，草原區(qū)表現(xiàn)為:天然草地＞喬木林地＞灌木林地＞農(nóng)地＞撂荒地。說明在該區(qū)種植林地和天然草地對土壤微生物量的提高有明顯的促進(jìn)作用。

相同土地利用方式下，土壤養(yǎng)分和微生物量在森林區(qū)最高、森林草原區(qū)次之、草原區(qū)最低，說明植被覆蓋度和多樣性對土壤養(yǎng)分的存儲(chǔ)具有顯著的影響。

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