溫度和濕度對武夷山不同海拔土壤微生物氮的影響

范躍新，謝 麟，陳仕東，郭劍芬，楊智杰，鐘小劍，鐘羨芳，徐玲琳

(1．濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007;2．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007)

土壤微生物量氮 (Microbial biomass nitrogen，MBN)是指土壤中所有活微生物體內(nèi)所含有的氮，約占土壤有機(jī)氮總量的1%～5%，其數(shù)量雖少，但周轉(zhuǎn)速率快，是土壤中最活躍的有機(jī)氮組分。MBN既是植物生長的重要氮源，也是土壤氮素生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-2］，厘清MBN含量變化機(jī)制及其影響因素，對揭示植物生產(chǎn)力變化和氮素在水-土-氣之間的交換過程均有重要作用。

已有研究從耕作措施［3］、土壤理化性質(zhì)［4-5］、森林轉(zhuǎn)換［6］、凋落物分解［7］和季節(jié)動(dòng)態(tài)［8-9］等不同角度報(bào)道了土壤MBN的變化及其影響因素。其中溫度和濕度對MBN含量的影響出現(xiàn)不同的研究結(jié)果，如野外觀測發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤MBN含量與溫度、濕度變化無關(guān)［10-11］，而Kaiser［12］等發(fā)現(xiàn)溫度是MBN季節(jié)變化的主要原因，何振立［13］得出干旱和漬水均會引起MBN變化，劉秉儒［14］發(fā)現(xiàn)賀蘭山不同海拔MBN含量與溫度成反比，與含水量呈正比，說明溫度和含水量影響土壤MBN含量。土壤溫度和水分對MBN含量變化究竟是否存在影響?有何影響?探明這個(gè)問題對亞熱帶地區(qū)森林土壤氮循環(huán)對全球氣候變化如何響應(yīng)具有重要意義。

武夷山擁有全球同緯度現(xiàn)存面積最大、保存最完整的中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)，地帶性植被類型為常綠闊葉林群落，是較為理想的天然試驗(yàn)場所。本研究以武夷山不同海拔土壤為研究對象，測定不同溫度和濕度培養(yǎng)條件下土壤MBN含量，旨在揭示溫度和濕度對土壤MBN的影響，為深入揭示亞熱帶地區(qū)土壤氮循環(huán)過程及影響因素提供依據(jù)。

1 研究區(qū)自然狀況與研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

福建省武夷山國家級自然保護(hù)區(qū)位于福建省西北部 (27°33'～27°54'N，117°27'～117°51'E)，年均氣溫12～18℃，年均相對濕度82%～85%，年均霧日100 d以上，年均降水量2 000 mm左右。擁有世界同緯度帶現(xiàn)存面積最大、保存最完整的中亞熱帶常綠闊葉林。境內(nèi)以黃崗山為主峰，海拔2 158 m，植被垂直帶譜分布完整，沿海拔依次為常綠闊葉林 (Evergreen broadleaf forest)、針葉林(Coniferous forest)、中山矮林 (Dwarf forest)以及中山草甸 (Alpine meadow)等不同的植物群落。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與野外取樣

根據(jù)不同海拔梯度選擇黃坑、廟灣、桐木關(guān)、黃崗山頂4個(gè)采樣地段，分別代表紅壤、黃紅壤、黃壤和山地草甸土4種土壤類型。各采樣地段基本情況如下:

黃坑，海拔310 m，年降雨量約1 850 mm，土壤類型為紅壤。植被類型為針葉林，組成結(jié)構(gòu)簡單，以杉木人工林為主，灌木層和草本層稀疏。廟灣，海拔920 m，年降雨量約2 000 mm，土壤類型為黃紅壤。植被類型為針闊混交林，喬木層以山茶、杉木、毛竹為主，地被層和灌木層較為發(fā)達(dá)。桐木關(guān)，海拔1 250 m，年降雨量約2 150 mm，土壤類型為黃壤。植被類型為中山矮林，喬木層以落葉樹種為主，樹干矮小，優(yōu)勢種為白檀 (Symplocos paniculata)、鐵杉 (Tsuga heterophylla)，參雜少量紫莖 (Stewartiasinensis)等。黃崗山頂，海拔2 000 m，年降雨量約3 000 mm，土壤類型為山地草甸土，植被類型為中山草甸，群落結(jié)構(gòu)單一，草本層占優(yōu)勢，主要以禾本科青茅 (Calamagrostis brachytricha)為主，灌木零星分布其間，有云錦杜鵑 (Rhododendron fortunei)、貓兒刺 (Mahonia forunei)等。

于2008年5月在每個(gè)樣點(diǎn)挖3個(gè)土壤剖面，采集表層土壤 (0～20 cm)，去除植物根系和石礫，混勻后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室低溫儲存待測。不同土壤類型表層土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 采樣點(diǎn)基本情況Table1 Soil properties of the study sites

1.2.2 樣品室內(nèi)處理

土壤樣品分兩部分處理。一部分風(fēng)干過篩，測定土壤有機(jī)碳、全氮含量，另一部分用于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，作如下處理:將所有樣品過10目濕篩后稱樣，每份約125 g，將所有土樣分為3組，每組36個(gè) (4個(gè)海拔土壤×3個(gè)不同土壤濕度×3個(gè)重復(fù))，并做好標(biāo)記以示區(qū)分。分別將3組裝有土樣的小廣口瓶放入溫度為15℃、25℃和35℃的3個(gè)生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5周。培養(yǎng)期間，每天采用稱重法補(bǔ)充水分，以確保樣品在試驗(yàn)設(shè)定的3個(gè)土壤含水量 (25%、50%和75%)條件下培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)7天、14天、21天、28天和35天時(shí)取樣，測定土壤MBN含量。

1.2.3 指標(biāo)分析

土壤有機(jī)碳含量測定采用濃硫酸-重鉻酸鉀高溫外加熱氧化-硫酸亞鐵滴定法，微生物量氮含量測定采用氯仿熏蒸浸提法，浸提液為0．5 mol·L-1的K2SO4，然后用凱氏定氮法測定，利用公式:MBN=EN/KEN計(jì)算MBN含量。式中:EN為熏蒸與未熏蒸土樣所提取的全氮之間的差值;KEN為熏蒸殺死的微生物中的氮被K2SO4提取的比例，取值0．45。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin8．5軟件制圖，采用SPSS 17．0做數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析 (ANOVA)和LSD多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用Perason相關(guān)分析檢驗(yàn)土壤MBN含量變化與不同海拔土壤養(yǎng)分和物理性質(zhì)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔土壤MBN含量

不同海拔土壤MBN含量存在顯著差異 (P＜0．01)，培養(yǎng)前的紅壤、黃紅壤、黃壤和山地草甸土 MBN 含量分別為 27．51 mg·kg-1、55．53 mg·kg-1、76．01 mg·kg-1和 165．17 mg·kg-1，表現(xiàn)出隨海拔升高而逐漸增大的變化規(guī)律 (圖1)。室內(nèi)培養(yǎng)35天后，不同溫度和水分條件下不同海拔土壤MBN含量均逐漸增高，但增幅不同 (圖2)，山地草甸土增幅最高為6．23～13．51 mg·kg-1，黃壤次之為 3．04 ～ 7．64 mg·kg-1，之后是黃紅壤為 2．09 ～5．11 mg·kg-1，紅壤增幅最低為0．63～2．51 mg·kg-1(圖2)，表明海拔越高，土壤MBN增幅越高。

圖1 不同海拔土壤MBN含量Figure1 MBN at different elevations

2.2 溫度對土壤MBN含量的影響

溫度影響土壤MBN含量變化。如圖2所示，培養(yǎng)5周后，不同海拔土壤MBN增幅范圍在15℃、25℃和35 ℃溫度條件下分別為0．63 ～13．51 mg·kg-1、1．39 ～13．36 mg·kg-1、0．88 ～13．25 mg·kg-1，除山地草甸土之外，其他類型土壤MBN含量增幅隨溫度升高先增加后降低 (P＜0．05)。比較3個(gè)溫度條件下不同海拔土壤MBN含量發(fā)現(xiàn)，紅壤MBN增量為25℃ ＞35℃ ＞15℃，黃紅壤在25℃最高、15℃和35℃條件下差異不顯著 (P＞0．05)，黃壤MBN增量為25℃ ＞15℃ ＞35℃，山地草甸土的MBN增量在15℃時(shí)最高，但未達(dá)到顯著水平 (P＞0．05)。鑒于不同溫度條件下土壤MBN含量的波動(dòng)，間接反映了土壤微生物群落的活性和數(shù)量對溫度變化的響應(yīng)策略，如果土壤MBN含量增大，表明溫度適宜，提高了土壤微生物活性，反之，則表明溫度不適宜，導(dǎo)致土壤微生物活性降低。本研究中，低海拔土壤MBN增量在25℃時(shí)最高，隨著海拔升高，低溫條件下 (15℃)土壤MBN增量逐漸增大，表明，土壤微生物活性的最適溫度區(qū)間隨海拔升高逐漸降低，而溫度對土壤MBN含量的影響因不同海拔土壤類型而異 (圖2)。

圖2 不同溫度、濕度條件下培養(yǎng)期內(nèi)各海拔土壤MBN含量增量Figure2 Changes of MBN at different elevations under different temperature and humidity condition

2.3 濕度對土壤MBN含量的影響

土壤含水量對不同海拔土壤MBN含量均有顯著影響，培養(yǎng)周期內(nèi)，不同濕度條件下土壤MBN含量均逐漸增大 (圖2)，增幅分別為0．91 ～8．31 mg·kg-1(含水量25%)、1．73 ～13．51 mg·kg-1(含水量50%)和0．63～6．57 mg·kg-1(含水量75%)。差異顯著性檢驗(yàn)表明 (表2)，各個(gè)溫度培養(yǎng)條件下不同類型土壤MBN增量隨含水量變化的規(guī)律均為50% ＞25% ＞75%(P＜0．01)。土壤含水量過高或偏低均可能抑制土壤微生物的活性，含水量適宜時(shí)，微生物活性最強(qiáng)，土壤MBN增量最大，表2的結(jié)果說明，含水量對本研究區(qū)內(nèi)土壤MBN含量均有顯著影響，且不同海拔條件下MBN增量隨含水量變化的規(guī)律一致。

表2 不同含水量培養(yǎng)條件下各海拔土壤MBN增量的差異顯著性 /(mg·kg-1)Table2 The significance of difference of MBN at different elevations

3 討論

3.1 不同海拔土壤MBN含量及其影響因素

垂直地帶性分異規(guī)律決定了海拔影響土壤類型及其分布，使得不同海拔土壤的風(fēng)化程度、有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分供應(yīng)能力存在差異，同時(shí)還會調(diào)節(jié)土壤溫度、土壤含水量、地表溫度和降雨量以及地表植被分布等環(huán)境因子，影響微域小氣候類型，進(jìn)而影響土壤MBN含量的變化。本研究區(qū)內(nèi)，山地草甸土的土壤有機(jī)碳、TN和TP等養(yǎng)分含量最高 (表1)，這主要是因?yàn)橛刹荼局参锝M成的中山草甸，根系發(fā)達(dá)且分布較淺，植物生命周期短暫，周轉(zhuǎn)速率快，死亡的植被和根系富集于土壤表層，提供了充足的養(yǎng)分源，為土壤微生物的生存和繁殖提供了有利條件。其他類型土壤的地表植被草本分布密度較低，且喬木層、灌木層植被的根系分布較深，表層土壤的養(yǎng)分源少于山地草甸土，且因海拔較低，土溫相對較高促進(jìn)地表有機(jī)質(zhì)的快速分解而降低養(yǎng)分含量，加之，低海拔地區(qū)易受人為干擾，使得表層土的養(yǎng)分含量隨海拔增大而逐漸升高。

研究結(jié)果中，土壤MBN含量隨海拔升高逐漸增大，與土壤養(yǎng)分含量的變化趨勢 (山地草甸土＞黃壤＞黃紅壤＞紅壤)一致 (表1)，根據(jù)Pearson相關(guān)分析結(jié)果 (表3)，土壤MBN含量與土壤有機(jī)碳、土壤TN、TP含量變化呈顯著相關(guān) (P＜0．05)，而與土壤TK、C/N比、土壤容重和pH相關(guān)性不顯著(P＞0．05)，與王國兵等［9］在該地區(qū)的研究結(jié)果一致，說明土壤養(yǎng)分含量 (有機(jī)碳、TN、TP等)是MBN空間變異的主要影響因素，而土壤TK、C/N比、土壤容重和pH等非本研究區(qū)內(nèi)MBN隨海拔升高而增大的限制性因子。

表3 土壤MBN含量變化影響因子Table3 The factors and relationships between them and MBN

3.2 溫度對土壤MBN含量的影響

研究結(jié)果中，溫度對土壤MBN含量的影響，與多數(shù)研究結(jié)果一致［8，15］。不同類型和數(shù)量的微生物對土壤氮素的吸收和利用率存在差異，土壤溫度的變化通過影響土壤微生物類型和數(shù)量，從而間接影響土壤MBN含量。研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)期內(nèi)不同海拔土壤在3個(gè)溫度條件下土壤MBN含量均逐漸增加，但MBN含量增量卻隨溫度升高先增加后降低，這可能主要與微生物體內(nèi)酶活性變化有關(guān)，通常認(rèn)為，最適溫度區(qū)間的酶活性最強(qiáng)，低溫或高溫條件下均可能受到抑制，據(jù)此，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的3個(gè)溫度條件(15℃、25℃、35℃)下，土壤溫度由低到高逐漸增加時(shí)，微生物酶活性可能存在一個(gè)先增強(qiáng)后降低的過程，當(dāng)微生物酶活性增強(qiáng)時(shí)，土壤微生物活性增強(qiáng)，數(shù)量增大，固氮能力增強(qiáng)，土壤MBN含量增加;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，酶活性降低，微生物活性受到抑制，固氮能力減弱，土壤MBN含量的增量減少。此外，也可能受土壤N源限制的影響，隨溫度升高土壤微生物數(shù)量逐漸增加，土壤N源供應(yīng)相對不足而限制土壤微生物數(shù)量的擴(kuò)張，也可能使得MBN含量增量先增加后降低。

培養(yǎng)期內(nèi)，紅壤、黃紅壤、黃壤的MBN含量在25℃最高，而山地草甸土在15℃下含量最高，這可能因?yàn)橥寥罍囟入S海拔升高逐漸降低，海拔最高的山地草甸土的溫度相對最低，在長期的自然選擇過程中，山地草甸土形成了相對穩(wěn)定且與低溫土壤環(huán)境相適應(yīng)的微生物種群，因而在15℃時(shí)，土壤MBN含量最高，而其他類型土壤中的微生物種群更適應(yīng)溫度相對較高的土壤環(huán)境，因而土壤MBN最高值出現(xiàn)在25℃。

3.3 水分對土壤MBN含量的影響

已有研究發(fā)現(xiàn)水分對土壤MBN含量存在影響［9，16-18］，但研究結(jié)果存在差異。如Singh［18］等發(fā)現(xiàn)在高度風(fēng)化及淋溶的熱帶干旱地區(qū)，林地及草原土壤的MBN含量在干旱炎熱的夏季最高，而雨季較低，并認(rèn)為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是:干旱缺水限制了作物的正常生長，減少了土壤微生物的養(yǎng)分競爭，土壤養(yǎng)分被微生物固持，雨季水分充足，植物生長旺盛，土壤養(yǎng)分被植物吸收，加劇了養(yǎng)分競爭，使得土壤MBN含量降低，這與王國兵等［9］報(bào)道的武夷山不同海拔土壤MBN含量季節(jié)動(dòng)態(tài)相一致。與之不同，Burke［17］等發(fā)現(xiàn)美國中部大平原草地土壤MBN含量并非季節(jié)性變化，而是隨降水量和土壤粘粒含量增加而增加。本研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)期內(nèi)不同海拔土壤MBN含量增量隨土壤含水量增加先增大后降低，與已有報(bào)道結(jié)果存在差異，這可能是因?yàn)橐延醒芯渴窃谝巴鈼l件下的觀測結(jié)果，可能受到如降水、植被等多因素交互影響，本研究為室內(nèi)培養(yǎng)，是排除了干擾的單因素控制實(shí)驗(yàn);此外，觀測土壤類型不同、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分狀況有別以及土壤中微生物種群存在差異等也可能導(dǎo)致MBN含量對土壤水分變化出現(xiàn)不同的響應(yīng)結(jié)果［19-20］。本研究中不同溫度條件下，土壤MBN含量均在50%含水量時(shí)最高，可能與不同含水量對微生物活性的促進(jìn)或抑制作用有關(guān)。含水量較低時(shí)，因水分不足降低微生物活性，MBN含量較低;含水量過高時(shí)，土壤氣孔導(dǎo)度降低，抑制微生物活性從而亦降低MBN含量。

［1］Acosta-Martínez V，Lascano R，Calderón F，et al．Dryland cropping systems influence the microbial biomass and enzyme activities in a semiarid sandy soil［J］．Biology and Fertility of Soils，2011，47(6):655-667．

［2］Friedel J，Munch J，F(xiàn)ischer W．Soil microbial properties and the assessment of available soil organic matter in a haplic luvisol after several years of different cultivation and crop rotation［J］．Soil Biology and Biochemistry，1996，28(4):479-488．

［3］Zhao You-yi，Cai Li-qun，Wang Jing，et al．Effects of different conservation tillage on amount and distribution of soil ammonifying bacteria，nitrobacteria and nitrogen-fixing bacteria［J］．Acta Prataculturae Sinica，2009，18(4):125-130．［趙有翼，蔡立群，王靜，等．不同保護(hù)性耕作措施對三種土壤微生物氮素類群數(shù)量及其分布的影響 ［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，2009，18(4):125-130．］

［4］He You-jun，Wang Qing-kui，Wang Si-long，et al．Characteristics of soil microbial biomass carbon and nitrogen and their relationships with soil nutrients in Cunninghamia lanceolata plantations［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2006，17(12):2292-2296．［何友軍，王清奎，汪思龍，等．杉木人工林土壤微生物生物量碳氮特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(12):2292-2296．］

［5］Li Ning，Li Hua-xing，Liu Yuan-jin，et al．Relationships between soil microbial ecological characteristics and physical-chemical properties of vegetable garden soil［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2006，17(2):285-290．［黎寧，李華興，劉遠(yuǎn)金，等．菜園土壤微生物生態(tài)特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(2):285-290．］

［6］Yu Yi-wu，Xu Qiu-fang．Changes in soil microbial biomass by conversion natural masson pine into economic forests［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2003，17(5):103-105．［俞益武，徐秋芳．天然林改為經(jīng)濟(jì)林后土壤微生物量的變化 ［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(5):103-105．］

［7］Wang Qing-Kui，Wang Si-long，Yu Xiao-jun，et al．Effects ofCunninghamia lanceolata-broadleaved tree species mixed leaf litters on active soil organic matter［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2007，18(6):1203-1207．［王清奎，汪思龍，于小軍，等．杉木與闊葉樹葉凋落物混合分解對土壤活性有機(jī)質(zhì)的影響 ［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18(6):1203-1207．］

［8］Devi N B，Yadava P．Seasonal dynamics in soil microbial biomass C，N and P in a mixed-oak forest ecosystem of Manipur，North-east India［J］．Applied Soil Ecology，2006，31(3):220-227．

［9］Wang Guo-bing，Wang Feng，Jin Yu-hua，et al．Spatiotemporal variation of soil microbial biomass N under different vegetations along an altitude gradient in Wuyi Mountains of Southeast China［J］．Chinese Journal of Ecology，2011，30(4):784-789．［王國兵，王豐，金裕華，等．武夷山不同海拔植被土壤微生物量N時(shí)空變異［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2011，30(4):784-789．］

［10］Bottner P．Response of microbial biomass to alternate moist and dry conditions in a soil incubated with14C-and15N-labelled plant material［J］．Soil Biology and Biochemistry，1985，17(3):329-337．

［11］Patra D，Brookes P，Coleman K，et al．Seasonal changes of soil microbial biomass in an arable and a grassland soil which have been under uniform management for many years［J］．Soil Biology and Biochemistry，1990，22(6):739-742．

［12］Kaiser E A，Martens R，Heinemeyer O．Temporal changes in soil microbial biomass carbon in an arable soil．Consequences for soil sampling［J］．Plant and Soil，1995，170(2):287-295．

［13］He Zhen-li．Soil microbial biomass and its significance in nutrient cycling and environmental quality assessment［J］．Soils，1997，29(2):61-69．［何振立．土壤微生物量及其在養(yǎng)分循環(huán)和環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的意義 ［J］．土壤，1997，29(2):61-69．］

［14］Liu Bing-ru．Changes in soil microbial biomass carbon and nitrogen under typical plant communies along an altitudinal gradient in east side of Helan Mountain［J］．Ecology and Environmental Sciences，2010，19(4):883-888．［劉秉儒．賀蘭山東坡典型植物群落土壤微生物量碳，氮沿海拔梯度的變化特征［J］．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19(4):883-888．］

［15］Barbhuiya A，Arunachalam A，Pandey H，et al．Dynamics of soil microbial biomass C，N and P in disturbed and undisturbed stands of a tropical wet-evergreen forest［J］．European Journal of Soil Biology，2004，40(3):113-121．

［16］Aponte C，Mara?ón T，García L V．Microbial C，N and P in soils of Mediterranean oak forests:influence of season，canopy cover and soil depth［J］．Biogeochemistry，2010，101(1-3):77-92．

［17］Burke I C，Yonker C，Parton W，et al．Texture，climate，and cultivation effects on soil organic matter content in US grassland soils［J］．Soil Science Society of America Journal，1989，53(3):800-805．

［18］Singh J，Raghubanshi A，Singh R，et al．Microbial biomass acts as a source of plant nutrients in dry tropical forest and savanna［J］．Nature，1989，338(6215):499-500．

［19］Wang X L，Jia Y，Li X G，et al．Effects of land use on soil total and light fraction organic，and microbial biomass C and N in a semi-arid ecosystem of northwest China［J］．Geoderma，2009，153(1):285-290．

［20］Zhou J B，Chen X L，Zhang Y L，et al．Nitrogen released from different plant residues of the Loess Plateau and their additions on contents of microbial biomass carbon，nitrogen in soil［J］．Acta Ecologica Sinica，2010，30(3):123-128．